1、四川大学 张软玉2011-07 成都2023-2-611.核仪器已步入数字化时代2.数字化核仪器的发展及现状3.亟待解决的几个问题4.我们开展的工作5.展望2023-2-62传统核仪器结构传统核仪器结构核探测器系统前端电路能量测量电路（插件）时间测量电路（插件）逻辑判选电路ADCTDC接口电路计算机系统NIM/CAMAC等 插件2023-2-63数字化核仪器数字核信号处理系统2023-2-64结构功能对比核探测器系统前端电路能量测量电路（插件）时间测量电路（插件）逻辑判选电路ADCTDC接口电路计算机系统NIM/CAMAC等 插件数字核信号处理系统2023-2-65起起始始年左右年左右 飞利浦
2、实验室飞利浦实验室.KOEMAN.KOEMAN等人等人首先提出了数字核信号处理的思想首先提出了数字核信号处理的思想证明了核仪器数字化的可行性证明了核仪器数字化的可行性缓缓慢慢上世纪六十八十年代上世纪六十八十年代模拟式核测量系统发展迅速模拟式核测量系统发展迅速建立了较完整的模拟核信号处理理论和方法建立了较完整的模拟核信号处理理论和方法兴兴起起二十世纪八十年代末起二十世纪八十年代末起数字化器件和计算机技术飞跃前进激活了数字核测量领域数字化器件和计算机技术飞跃前进激活了数字核测量领域数字核仪器进入快速发展阶段数字核仪器进入快速发展阶段商商品品化化近几年近几年数字化核仪器占据了核仪器市场一半以上份额数
3、字化核仪器占据了核仪器市场一半以上份额核仪器公司致力于部件及小系统数字集成核仪器公司致力于部件及小系统数字集成突突破破20012001年年数字化核测量系统研究思路发生了革命性突破数字化核测量系统研究思路发生了革命性突破指出指出了数字了数字核仪器下一步研究方向：核仪器下一步研究方向：核测量系统全局数字化的实现和完善核测量系统全局数字化的实现和完善2023-2-66首先提出了在核能谱测量中采用数字滤波器进行核信首先提出了在核能谱测量中采用数字滤波器进行核信号处理的思想号处理的思想。设计了横向数字滤波器，将核信号成形为梯形脉冲设计了横向数字滤波器，将核信号成形为梯形脉冲建立了一套基于数字化横向滤波器
4、的建立了一套基于数字化横向滤波器的X射线谱测量系射线谱测量系统。统。采用3片2.5MHz，5bit，应答式ADC。导致系统结构复杂，死时间长。成果未能引起广泛关注！成果未能引起广泛关注！起始阶段起始阶段2023-2-67缓慢发展阶段缓慢发展阶段模拟核信号处理理论和方法也在这段时期建立起来模拟核信号处理理论和方法也在这段时期建立起来。核测量系统噪声理论核测量系统噪声理论最优化滤波器理论最优化滤波器理论核信号堆积核信号堆积弹道亏损等理论弹道亏损等理论随着模拟核仪器理论研究的深入和完善，能完成各种模拟处理的插件和可实现的核测量内容越来越丰富，同时系统越来越庞大，组建调测和维护繁杂。对新型核仪器的需求
5、越来越强烈！对新型核仪器的需求越来越强烈！2023-2-68确立了两大研究方向确立了两大研究方向快速发展阶段快速发展阶段1 1）数字化核信号处理原理和方法的研究）数字化核信号处理原理和方法的研究2 2）系统的组成原理和方法的研究）系统的组成原理和方法的研究意大利意大利PolitecnicoPolitecnico实验室实验室多延迟线成形技术的数字化实现多延迟线成形技术的数字化实现数字化基线恢复算法数字化基线恢复算法零面积滤波器性能研究零面积滤波器性能研究常用优化成形算法对比的研究常用优化成形算法对比的研究体现出数字核信号处理研究的超前性和多样性！多数算法精致、但耗时，实用性不强19941994年
6、美国年美国Valentin.T.Jordanov Valentin.T.Jordanov 等人等人ADC（12bit，20MHz）+FIFO（1Mbytes）2023-2-6919951995年法国年法国Michel.BordessouleMichel.Bordessoule等人等人是一套较完整的数字化核能谱测量系统，在该系统中出现了前端条件线路、数据缓存及总线等组成系统所必须的功能结构。这是目前产品化的数字谱仪的雏形2023-2-6104通道500 MHZ数字谱仪 Pixie-500商品化阶段商品化阶段2023-2-61116通道100MHZ数字谱仪Pixie-162023-2-612202
7、3-2-613IPRON-N InSpector 1000 的智能中子探头的智能中子探头 智能盖革弥勒探测器智能盖革弥勒探测器 GP110i 与GP110i 集成的是一个微处理器/内存和高压PCB，提供所有控制电压和数据处理能力、而不需要外部设备2023-2-61420012001年年ArgonneArgonne国家实验室联合家科研机构，组成国家实验室联合家科研机构，组成了了“核结构物理中的数字电子学核结构物理中的数字电子学”工作组，拟建立一工作组，拟建立一套套4040通道数字核测量系统通道数字核测量系统系统中使用两种不同性能的ADC:100MHz，12bit1GHz，8bit。设计目标：设计
8、目标：要适应不同探测器要适应不同探测器:-Ray示踪探测器半导体探测器、闪烁探测示踪探测器半导体探测器、闪烁探测器、快时间探测器器、快时间探测器(快塑料闪烁体、快塑料闪烁体、BaF2)、电离室等、电离室等要实现多参数测量：要实现多参数测量：能量、时间、粒子鉴别、一维位置、三维能量、时间、粒子鉴别、一维位置、三维定位和粒子径迹等定位和粒子径迹等基于两块板卡组建系统基于两块板卡组建系统能够满足低能核物理的绝大多数应用能够满足低能核物理的绝大多数应用开创了大型核测量系统数字化的先河开创了大型核测量系统数字化的先河突破突破2023-2-615使高能物理、重粒子物理、核物理中“核核”碰撞瞬间爆发式产生的
9、核信息以数字化模式提取、传输、存储和分析成为可能。使大型核测量系统结构简化（瘦身）、组建灵活方便、可靠为多种核参数的同时测量和提取提供了可能为核技术应用领域开辟更广阔的空间。促进核医学、工业测控等领域的进步和发展。为基于互联网、物联网的环境监测系统的建立创造了条件。全局数字化核测量系统的实现和完善2023-2-616MOVERS Mobile VehiclebasedEmergency RadiationMonitoring Systems2023-2-617ULTRARADIAC的GPS-COM：大型运动场活动监控2023-2-618为很好地实现核测量系统全局数字化，必须对以下问为很好地实现
10、核测量系统全局数字化，必须对以下问题进行认真研究题进行认真研究1）核信号波形数字化新原理和方法的研究。）核信号波形数字化新原理和方法的研究。2）大数据量数字化核信号的压缩、传输、存储和）大数据量数字化核信号的压缩、传输、存储和处理处理3）各种数字核信号处理新理论和新方法的探索）各种数字核信号处理新理论和新方法的探索4）新数字核仪器研发平台的研究和开发）新数字核仪器研发平台的研究和开发2023-2-6191）核信号波形数字化理论、方法的研究。）核信号波形数字化理论、方法的研究。最优化数采理论研究和方案制定最优化数采理论研究和方案制定数字化噪声的研究和处理数字化噪声的研究和处理完整的数字化核信息获
11、取的研究完整的数字化核信息获取的研究2023-2-6202）大量数据的压缩、传输、存储和处理）大量数据的压缩、传输、存储和处理数字核波形特征参数的定义和提取核信号波形数据压缩理论和方法数据结构、标准、规范的制定和完善。2023-2-6213）数字核信号处理新理论和新方法的探索）数字核信号处理新理论和新方法的探索怎样实现多参数获取和分析怎样实现多参数获取和分析对众多算法的评价和选择标准的研究对众多算法的评价和选择标准的研究算法实用性和实现方法的研究算法实用性和实现方法的研究2023-2-622对探测器输出核信号实现精确数学描述对探测器输出核信号实现精确数学描述实现核信号的数值仿真、计算机模拟实现
12、核信号的数值仿真、计算机模拟数字核信号发生器的研究和实现数字核信号发生器的研究和实现4）数字核仪器研发平台的研究和开发）数字核仪器研发平台的研究和开发2023-2-623本实验室以数字核信号获取和处理、数字核仪器研究为主要方向，经过几年的努力和积累，对数字核仪器各个环节均有所研究。2010年获国家自然科学基金面上项目资助年获国家自然科学基金面上项目资助 基于图像识别的数字核信号获取和高精度重建的研究基于图像识别的数字核信号获取和高精度重建的研究已开展以下方面工作：已开展以下方面工作：波形数字化理论和实现的研究波形数字化理论和实现的研究数字核信号处理理论和算法研究数字核信号处理理论和算法研究核信
13、号数值仿真与数字核信号发生器的研究核信号数值仿真与数字核信号发生器的研究2023-2-6241）提出对提出对ButterworthButterworth低通滤波器的改进方法，使之适低通滤波器的改进方法，使之适用于核信号的滤波用于核信号的滤波2 2）研制了多适应参数可调前端控制器）研制了多适应参数可调前端控制器3 3）探索了用不同方法实现核信号的波形数字化）探索了用不同方法实现核信号的波形数字化 2023-2-625Lecroy WaveRunner Lecroy WaveRunner 104Xi-A104Xi-A示波器获取的示波器获取的CdZnTeCdZnTe探测器输出探测器输出241241A
14、mAm的的 射线数字波形射线数字波形采样率采样率10GHz10GHzPCI-9820PCI-9820获取的获取的Si Si（PINPIN）输出的输出的5555FeXFeX射线数字波射线数字波形形采样率采样率60MHz60MHz2023-2-626对同一信号实现上升沿和下降沿变频采样对同一信号实现上升沿和下降沿变频采样上升沿采样率60MHz，下降沿采样率15MHz在采样精度不变的前提下，数据量减为原来的在采样精度不变的前提下，数据量减为原来的1/7001/7002023-2-627数字化核能谱获取系统的研究数字化核能谱获取系统的研究1 1）.分析待处理数字信号中叠加的噪声、干扰和引起分析待处理数
15、字信号中叠加的噪声、干扰和引起的畸变及原因，并定量描述它们。的畸变及原因，并定量描述它们。2 2）确定处理各种噪声和畸变的方案和方法。）确定处理各种噪声和畸变的方案和方法。3 3）根据数字信号处理理论中最优滤波原理构建了参数）根据数字信号处理理论中最优滤波原理构建了参数可调的匹配滤波器和梯形滤波器。可调的匹配滤波器和梯形滤波器。4 4）组成最佳系统的原理和方法的研究）组成最佳系统的原理和方法的研究 2023-2-6282023-2-629模拟式谱仪在计数率为3400cps时获取的55Fe X射线谱 计数率为3400cps时获取的仿真55Fe源信号的X射线谱 2023-2-630数字化随机脉冲发生器核探测器前端线路ADC及接口ADC及接口计计算算机机系系统统数值仿真核信号发生器数值仿真核信号发生器2023-2-6312023-2-632小系统的数字化集成进一步发展与完善。功能更灵活、携带和使用更方便。新的核波形数字化与相关数字核信号处理理论与方法的发展与完善。新一代大型数字化核测量系统的建立、完善和发展。实现多参数在线或离线获取，实现网络化大区域核测量和监控。2023-2-633敬请批评指正2023-2-634
