一种二维位敏中子探测器读出装置及其读出方法
【专利摘要】一种二维位敏中子探测器读出装置及其读出方法，读出装置包括PMT前置放大器、预放大器、比较器、预处理器、DAC及网络通信端口；PMT前置放大器的输入端连接PMT光电倍增管，PMT前置放大器的输出端连接预放大器的输入端，预放大器的输出端连接比较器的正输入端，高速比较器的输出端连接预处理器的输入端，预处理器与网络通信端口双向连接，预处理器的输出端与DAC的输入端连接，DAC的输出端与比较器负输入端连接。所述比较器与预处理器之间还设置比较器输入接口和数据锁存器，比较器输入接口的一端与比较器输出端连接，另一端连接数据锁存器的输入端，数据锁存器的输出端连接预处理器。本发明结构简单，替换了FADC和ADC驱动电路，节省了成本，提高了分辨精度。
【专利说明】一种二维位敏中子探测器读出装置及其读出方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及二维位敏中子探测器技术，特别是涉及一种二维位敏中子探测器读出装置及其读出方法。
【背景技术】
[0002]目前的二维位敏中子探测器(二维位敏中子探测器是一种在二维方向上(X轴方向和Y轴方向)位置敏感的中子探测器；位置敏感是指传感器在位置感应或是位置测量方面有效，能输出表示位置坐标信号或是位置坐标改变量的信号)电子学读出基本结构如图1所示，是由连接PMT的前放、预放大器、ADC驱动、FADC (快速ADC)、缓存、预处理核心和读出总线构成。此方法是基于幅度侦别的，所以优点是分辨精度高，但缺点也十分明显:需要的电子学处理电路复杂，成本高，特别是当探测面积增大时而使PMT通道数增加时，所需要的ADC驱动和FADC都成倍增加。如果需要做庞大的二维位敏中子探测器，此方法都会因为成本原因而很难实现。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二维位敏中子探测器读出装置及其读出方法，电路结构简单，降低了成本，且分辨精度高。
[0004]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
一种二维位敏中子探测器读出装置,包括PMT (英文photomultiplier tube的缩写，中文为光电倍增管)前置放大器、预放大器、比较器、预处理器、DAC及网络通信端口 ；PMT前置放大器的输入端连接PMT光电倍增管，PMT前置放大器的输出端连接预放大器的输入端，预放大器的输出端连接比较器的正输入端，高速比较器的输出端连接预处理器的输入端，预处理器与网络通信端口双向连接，预处理器的输出端与DAC的输入端连接，DAC的输出端与比较器负输入端连接。
[0005]较佳地，所述比较器与预处理器之间还设置比较器输入接口和数据锁存器，比较器输入接口的一端与比较器输出端连接，另一端连接数据锁存器的输入端，数据锁存器的输出端连接预处理器。
[0006]较佳地，所述数据锁存器的输入端连接触发信号输入接口，用于连接触发信号。
[0007]较佳地，所述比较器输入接口设置为100?400个输入口，用于连接100?400个PMT光电倍增管通道。
[0008]较佳地，所述PMT前置放大器为AD8099运算放大器。
[0009]较佳地，所述预放大器为AD8131运算放大器。
[0010]较佳地，所述比较器为AD8564比较器。
[0011]较佳地，所述DAC为MAX5316数模转换器。
[0012]一种利用所述的二维位敏中子探测器读出装置的读出方法，包括如下步骤:
步骤1.PMT光电倍增管发出光电子信号，通过PMT通道输送至PMT前置放大器，将光电子信号放大至IOOmV以上，放大后的光电子信号输送至预放大器；
步骤2.预放大器进一步放大光电子信号，将光电子信号放大至700mV以上，并将放大后的光电子信号输送至比较器的正输入端；
步骤3.DAC数模转换器产生电压为O?2V，分辨率为5mV，幅度可调的阈值信号，并将该阈值信号输送至比较器的负输入端；
步骤4.比较器将光电子信号与阈值信号比较，光电子信号小于阈值信号则比较器输出低电平，光电子信号大于阈值信号则比较器输出高电平，当输出高电平时光电子信号判定为有效光电子信号，将比较结果通过比较器输入接口输送至数据锁存器；
步骤5.触发信号通过触发信号接口控制数据锁存器将比较器输出接口的数据状态锁存在数据锁存器阵列中，同时锁存时基信号，所述时基信号为自动触发序号或者实时时钟信号;
步骤6.预处理器读取数据锁存器阵列中的数据至FIFO (英文First Input FirstOutput的缩写)先进先出队列中，同时将数据通过网络通信端口发送至数据库服务器。
[0013]较佳地，所述触发信号为外部触发信号或内部控制基于时钟的定时自动触发信号。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果是:结构简单，替换了 FADC和ADC驱动电路，节省了成本，提高了分辨精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为现有技术二维位敏中子探测器读出装置结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的拓展结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]本发明的主旨在于克服现有技术的不足，提供一种二维位敏中子探测器读出装置及其读出方法，本发明的方法与装置，抛弃了原先的幅度侦别，而采用阈值判定，只要PMT的光电子信号大于预先设定的阈值就认为是有效信号。基本架构是:使用PMT前置放大器，预放大器，比较器，高精度DAC、预处理器和网络通信端口组成。实现原理是，高精度DAC产生阈值判定值给所有比较器的负输入端，从PMT过来的光电子信号经过前放和预放进行放大后送到比较器的正输入端，比较器的输出到由FPGA设计的预处理器完成数据采集锁存。最后通过网络将数据上传到服务器中供数据分析使用。本发明的优点是省略了 FADC和ADC驱动电路，在大规模使用时，将大大地减少电子学设备的体积，节省使用空间和研发成本。
[0017]在中子探测器中，因为需要实现的精度基本上是在5_量级，而二维位敏中子探测器的中子探测物理学部分的精度可实现在Imm量级，如果实现一个I平方米的探测器，则至少需要4万通道的PMT，即需要4万通道的FADC。例如一个通道的FADC的成本至少为100元，则采用原始的方式，单单FADC的费用就超过400万元，如果选用比较器，比较阈值方法，则每通道的比较器成本还不到每通道的ADC驱动的成本。将大大地节省了成本，提高了社会效益和经济效益。
[0018]下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的技术特征及优点进行更深入的诠释。
[0019]本发明的装置原理示意图如图2所示，一种二维位敏中子探测器读出装置，包括PMT前置放大器、预放大器、比较器、预处理器、DAC及网络通信端口 ；PMT前置放大器的输入端连接PMT光电倍增管，PMT前置放大器的输出端连接预放大器的输入端，预放大器的输出端连接比较器的正输入端，高速比较器的输出端连接预处理器的输入端，预处理器与网络通信端口双向连接，预处理器的输出端与DAC的输入端连接，DAC的输出端与比较器负输入端连接。
[0020]如图3所示，较佳地，所述比较器与预处理器之间还设置比较器输入接口和数据锁存器，比较器输入接口的一端与比较器输出端连接，另一端连接数据锁存器的输入端，数据锁存器的输出端连接预处理器。
[0021]较佳地，所述数据锁存器的输入端连接触发信号输入接口，用于连接触发信号。
[0022]较佳地，所述比较器输入接口设置为100?400个输入口，用于连接100?400个PMT光电倍增管通道。PMT光电倍增管通道，简称为PMT通道，根据实际需要设置，那么相应的比较器输入接口也要根据需要设置。
[0023]较佳地，所述PMT前置放大器为AD8099运算放大器。AD8099的特点是超低噪声(0.95nV/ V Hz)和超低失真(_92dBc @ IOMHz)的电压反馈运算放大器，能有效降低本发明读出数据的失真度，避免了影响带宽。当然本发明并不限于AD8099，任何其他能实现超低噪声和超低失真的运算放大器均可替换。
[0024]较佳地，所述预放大器为AD8131运算放大器，AD8131是一款差分或单端输入至差分输出驱动器，无需外部元件就能获得固定增益。当然本发明并不限于AD8131，任何其他能实现AD8131同功能的运算放大器均可替换。
[0025]较佳地，所述比较器为AD8564比较器。当然本发明并不限于AD8564，任何其他能实现AD8564同功能的比较器均可替换。
[0026]较佳地，所述DAC为MAX5316数模转换器。MAX5316是一种高精度，16位，串行SPI输入，缓冲电压输出数字-模拟转换器(DAC)。MAX5316以最低的噪声，快速建立精密16位DAC0当然本发明并不限于MAX5316，任何其他能实现MAX5316同功能的数模转换器均可替换。
[0027]—种利用所述的二维位敏中子探测器读出装置的读出方法，包括如下步骤:
步骤1.PMT光电倍增管发出光电子信号，通过PMT通道输送至PMT前置放大器，将光电
子信号放大至IOOmV以上，放大后的光电子信号输送至预放大器；
步骤2.预放大器进一步放大光电子信号，将光电子信号放大至700mV以上，并将放大后的光电子信号输送至比较器的正输入端；
步骤3.DAC数模转换器产生电压为O?2V，分辨率为5mV，幅度可调的阈值信号，并将该阈值信号输送至比较器的负输入端；
步骤4.比较器将光电子信号与阈值信号比较，光电子信号小于阈值信号则比较器输出低电平，光电子信号大于阈值信号则比较器输出高电平，当输出高电平时光电子信号判定为有效光电子信号，将比较结果通过比较器输入接口输送至数据锁存器；
步骤5.触发信号通过触发信号接口控制数据锁存器将比较器输入接口的数据状态锁存在数据锁存器阵列中，同时锁存时基信号，所述时基信号为自动触发序号或者实时时钟信号;
步骤6.预处理器读取数据锁存器阵列中的数据至FIFO先进先出队列中，同时将数据通过网络通信端口发送至数据库服务器。
[0028]较佳地，所述触发信号为外部触发信号或内部控制基于时钟的定时自动触发信号。
[0029]具体实施中，本发明的方法与装置由PMT前置放大器，预放大器，高速比较器，高精度DAC、预处理核心和网络通信端口组成。PMT前置放大器由极低噪声的运算放大器(AD8099)组成，负责把PMT产生的光电子信号放大到IOOmV以上的信号，预放大器由AD8131组成，将信号放大到700mV以上。高精度DAC (MAX5316)负责产生O?2V，分辨率为5mV，幅度可调的阈值信号。快速比较器(AD8564)的负输入端接阈值信号，正输入端接光电子信号(即预放大器的输出端)，如果光电子信号小于阈值信号时，比较器输出为低电平，当比较器输出为高电平时，表不光电子信号大于阈值信号，接收到即有效的光电子信号。
[0030]预处理器的数据处理和网络通信端口的读出总线由FPGA完成，在FPGA内部构建高速锁存器，能在触发信号的控制下自动锁存比较器的输出信号。FGPA内部架构分为预处理器模块，比较器输入接口，触发信号输入接口，数据锁存器阵列，FIFO模块和网络连接模块。比较器输入接口是可根据实际需要，设计100?400个输入口，用于连接100?400个PMT通道。触发信号输入接口是用于连接触发信号，触发可以为外部信号触发也可是由内部控制基于时钟的定时自动触发。数据锁存器阵列是在触发信号的控制下将比较器输入接口的数据状态锁存在数据锁存器阵列中，同时锁存时基信号(可以是自动触发的序号，也可以是实时时钟)；数据锁存器阵列锁存这些数据后就供预处理器读取，预处理器一边快速读取锁存器阵列的数据到FIFO中，同时一边将数据通过网络通信端口发送到数据库服务器中。网络连接模块负责网络连接的基本通信功能，将预处理器发送过来的数据按以太网的通信协议进行打包发生出去。
[0031]通过以上实施例中的技术方案对本发明进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例为本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于: 包括PMT前置放大器、预放大器、比较器、预处理器、DAC及网络通信端口 ； PMT前置放大器的输入端连接PMT光电倍增管，PMT前置放大器的输出端连接预放大器的输入端，预放大器的输出端连接比较器的正输入端，高速比较器的输出端连接预处理器的输入端，预处理器与网络通信端口双向连接，预处理器的输出端与DAC的输入端连接，DAC的输出端与比较器负输入端连接。
2.根据权利要求1所述的二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于:所述比较器与预处理器之间还设置比较器输入接口和数据锁存器，比较器输入接口的一端与比较器输出端连接，另一端连接数据锁存器的输入端，数据锁存器的输出端连接预处理器。
3.根据权利要求2所述的二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于:所述数据锁存器的输入端连接触发信号输入接口，用于连接触发信号。
4.根据权利要求2所述的二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于:所述比较器输入接口设置为100~400个输入口，用于连接100~400个PMT光电倍增管通道。
5.根据权利要求1所述的二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于:所述PMT前置放大器为AD8099运算放大器。
6.根据权利要求1所述的二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于:所述预放大器为AD8131运算放大器。
7.根据权利要 求1所述的二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于:所述比较器为AD8564比较器。
8.根据权利要求1所述的二维位敏中子探测器读出装置，其特征在于:所述DAC为MAX5316数模转换器。
9.一种利用权利要求1~8中任一项所述的二维位敏中子探测器读出装置的读出方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1.PMT光电倍增管发出光电子信号，通过PMT通道输送至PMT前置放大器，将光电子信号放大至IOOmV以上，放大后的光电子信号输送至预放大器； 步骤2.预放大器进一步放大光电子信号，将光电子信号放大至700mV以上，并将放大后的光电子信号输送至比较器的正输入端； 步骤3.DAC数模转换器产生电压为O~2V，分辨率为5mV，幅度可调的阈值信号，并将该阈值信号输送至比较器的负输入端； 步骤4.比较器将光电子信号与阈值信号比较，光电子信号小于阈值信号则比较器输出低电平，光电子信号大于阈值信号则比较器输出高电平，当输出高电平时光电子信号判定为有效光电子信号，将比较结果通过比较器输入接口输送至数据锁存器； 步骤5.触发信号通过触发信号接口控制数据锁存器将比较器输入接口的数据状态锁存在数据锁存器阵列中，同时锁存时基信号，所述时基信号为自动触发序号或者实时时钟信号; 步骤6.预处理器读取数据锁存器阵列中的数据至FIFO先进先出队列中，同时将数据通过网络通信端口发送至数据库服务器。
10.根据权利要求9所述的二维位敏中子探测器读出装置的读出方法，其特征在于:所述触发信号为外部触发信号或内部控制基于时钟的定时自动触发信号。
【文档编号】G01T3/00GK104020485SQ201410244038
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】张志坚, 康丽, 陈平平, 杨雷 申请人:东莞理工学院