基于氣體探測器的在線徑跡重建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及重建方法
【專利說明】基于氣體探測器的在線徑跡重建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及重建方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及核技術(shù)或核探測領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于氣體探測器的在線徑跡重建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及重建方法。
【背景技術(shù)】
[0003]1997年CERN的科學(xué)家Fab1 Sauli發(fā)明了一種新型微結(jié)構(gòu)氣體探測器GEM (gaselectron multiplier)。GEM探測器是在兩面敷銅的Kapton薄膜上蝕刻密集微孔，改變工作氣體中的電場分布，從而實現(xiàn)電子信號的雪崩放大，它具有優(yōu)異的位置分辨以及很好的耐輻照性能，并且可以在高計數(shù)率條件下工作等特點。基于多種優(yōu)點，近年來在國際上得到迅速發(fā)展，主要用于高能粒子物理實驗如:未來國際直線對撞機(jī)(ILC)探測器上徑跡室和數(shù)字強(qiáng)子量能器的讀出探測器，除此之外，GEM還有多方面的應(yīng)用前景如作為同步輻射探測器、中子探測器、醫(yī)學(xué)成像以及天體物理探測等。
[0004]典型的GEM探測器是由飄移電極，一片或者多片GEM復(fù)合物薄膜網(wǎng)格和PCB (印刷電路板)讀出板組成，密閉在氣室中的探測器。其中，PCB板可以設(shè)計成二維讀出板，達(dá)到成像效果。
[0005]傳統(tǒng)的成像(無損檢測/工業(yè)CT)技術(shù)所使用的射線源一般為X射線。X射線成像有很多缺點。比如，X射線無法穿透重金屬，無法測量被重物質(zhì)包裹的物質(zhì)。X射線對輕物質(zhì)(尤其是氫)又不夠敏感，很難使用在含水多了物質(zhì)的成像，并會造成顯影物質(zhì)分辨率低。
[0006]另外一種射線源則是中子源，也就是所謂的中子成像。中子成像相對于X射線成像具有很多優(yōu)勢。由于中子不帶電，所以中子具有很強(qiáng)的穿透能力。中子對氫物質(zhì)和重元素都很敏感。中子對核材料是很敏感的，這就使得中子成像可以用在核材料檢測上。中子對同位素的作用截面一般差異很大，也可以用來區(qū)分同位素。對于強(qiáng)發(fā)射性物質(zhì)，它的γ射線會干擾X射線成像數(shù)據(jù)，而中子照相可以避免被檢測物本身的放射性的影響，能對強(qiáng)輻射物質(zhì)形成高質(zhì)量的圖像。
[0007]但是，由于中子不帶電，不能使用傳統(tǒng)的探測方式探測中子。一般使用轉(zhuǎn)化材料，將中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子或其它帶電粒子，通過測量質(zhì)子的信息來得到中子的信息。GEM探測器作為氣體探測器，具有很好的可塑性，可以將GEM探測器改造成一個中子探測器。由于中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子之后，質(zhì)子會以一定偏轉(zhuǎn)角飛入探測器，因此需要重建質(zhì)子的飛行徑跡從而得到中子轉(zhuǎn)為質(zhì)子處的位置，也就是中子的入射點。除此之外，由于中子束流本身會摻雜X及γ射線，另一方面中子在與物質(zhì)相互作用時也會產(chǎn)生X及γ射線。這些χ/γ射線會干擾質(zhì)子的重建，因此需要在對質(zhì)子重建時將χ/γ射線的影響剔除。
[0008]χ/γ射線與物質(zhì)的相互作用和質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用有很大區(qū)別。χ/γ射線的能量沉積集中在一點，而質(zhì)子的能量沉積則分布于整條徑跡。因此根據(jù)GEM探測器的性質(zhì)，χ/γ射線的信號的持續(xù)時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于質(zhì)子信號的持續(xù)時間。利用兩者時間信息的不同進(jìn)行χ/γ射線和質(zhì)子的甄別，從而扣除χ/γ射線，得到干凈的質(zhì)子信號進(jìn)而達(dá)到成像的目的。
[0009]但是由于GEM探測器使用二維讀出板讀出數(shù)據(jù)，短時間測量得到的數(shù)據(jù)量很龐大，通常使用的離線處理方式(通過數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)將數(shù)據(jù)記錄在電腦上，等數(shù)據(jù)采集完成后再處理這些數(shù)據(jù)，稱為離線處理)將花費很長的時間。之前的實驗結(jié)果顯示，數(shù)小時的數(shù)據(jù)需要花費近一個月的時間進(jìn)行處理。這就導(dǎo)致了整個探測系統(tǒng)的工作效率很低，很難滿足實際應(yīng)用的需要。
[0010]現(xiàn)有的χ/γ射線和質(zhì)子甄別及質(zhì)子徑跡重建沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線處理，而是主要通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先將實驗數(shù)據(jù)壓縮打包并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上記錄，然后通過離線分析的方式進(jìn)行處理。隨著探測器技術(shù)及后端電子學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，徑跡探測器的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)成為了制約探測器性能的主要因素，其最大的技術(shù)瓶頸在于電子學(xué)系統(tǒng)采集的巨量高精度的信號無法得到及時的傳輸和記錄。例如，為了在較大的探測器靈敏區(qū)(30cmX30cm)實現(xiàn)高精度的位置測量，探測器的單個讀出電極的面積一般不大于Imm2，由此該探測器需要9000路讀出電路。而每一路讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度一般為Sbit或更高，以此估算探測器每次讀出的數(shù)據(jù)量大約為88kB。而現(xiàn)代的高速信號采集系統(tǒng)的典型工作周期一般為20?30ns。即使以50ns估算，每秒鐘將讀出信號2 X 17次，由此每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將高達(dá)1.6TB，與之相比，一般計算機(jī)機(jī)械硬盤的實時讀寫數(shù)度僅為每秒70MB。因此在現(xiàn)實實驗中，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)無法提供足夠的帶寬以傳輸、保存所有采集到的數(shù)據(jù)。為了使得整個探測器系統(tǒng)有效工作，目前在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)之外還需要配備一套信號觸發(fā)控制系統(tǒng)。當(dāng)信號觸發(fā)系統(tǒng)收到觸發(fā)信號后，立即啟動數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)采集探測器的電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號(耗時約30ns)，然后傳輸、存儲采集到的數(shù)據(jù)(耗時約1ms)。在信號傳輸、存儲的過程中，信號觸發(fā)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)屏蔽整個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的采集端，使得探測器在該時段產(chǎn)生的信號不會堆積。只有當(dāng)所采集到的數(shù)據(jù)全部傳輸、存儲完成后，信號觸發(fā)系統(tǒng)才復(fù)位，等待接受下一個觸發(fā)信號。因此現(xiàn)有的在線記錄-離線分析的方式存在很大的弊端，其不足之處主要體現(xiàn)在以下四個方面:
(I)探測器大部分時間在等待數(shù)據(jù)的傳輸，并沒有有效記錄數(shù)據(jù)。即使在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中添加了高速緩存系統(tǒng)，也只是使得數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)連續(xù)工作的時長變長，能夠記錄持續(xù)時間更長的信號，但由于數(shù)據(jù)傳輸帶寬、存儲的瓶頸沒有得到根本解決，因此探測器工作時間的占空比并沒有發(fā)生明顯變化，探測器的工作效率仍然不高。
[0011](2)如前所述，在探測器實際工作過程中除有效徑跡外還可能伴隨著大量的輻射本底。因此現(xiàn)有的技術(shù)所記錄到的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，其中大部分為無用的本底信號。使得原本就不高的探測器工作效率進(jìn)一步降低。
[0012](3)在對數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析的過程中，大多需要憑借參考數(shù)據(jù)來人為的調(diào)整徑跡重建算法中的相關(guān)參數(shù)，以實現(xiàn)探測器性能的優(yōu)化。由于是人為調(diào)節(jié)，因此不可避免的引入了主觀因素。
[0013](4)現(xiàn)有的技術(shù)，使得在線測量時無法直觀的獲得實時的實驗結(jié)果，因此導(dǎo)致在實驗中往往無法迅速根據(jù)已有的結(jié)果調(diào)整探測器硬件的狀態(tài)，進(jìn)而獲得質(zhì)量更好的實驗數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種基于氣體探測器的在線徑跡重建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及重建方法，以實現(xiàn)獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)且提高成像的質(zhì)量的優(yōu)點。
[0015]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種基于氣體探測器的在線徑跡重建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，包括現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器、第一大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯芯片、第二大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯器件、DDRSDRAM存儲器、閃存和SSRAM存儲器，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器與現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列雙向通信連接，所述第一大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯芯片的輸出端與現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列的輸入端連接，所述第二大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯器件與現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列雙向通信連接，所述DDR SDRAM存儲器與第二大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯器件電連接，該DDR SDRAM存儲器與現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列電連接，所述閃存和SSRAM存儲器均與第一大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯芯片電連接，且閃存和SSRAM存儲器均與現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列電連接。
[0016]優(yōu)選的，所述現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列采用Arria II GX EP2AGX125EF35 FPGA芯片。
[0017]優(yōu)選的，所述第一大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯芯片和第二大規(guī)模復(fù)雜可編輯邏輯器件均采用 MAX II EPM2210F256 CPLD 芯片。
[0018]優(yōu)選的，所述現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列的輸出端口電連接LED燈，所述現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列的輸入端口連接USB接口。
[0019]優(yōu)選的，所述現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列連接155.52MHz的時鐘芯片。
[0020]同時本發(fā)明技術(shù)方案公開一種基于氣體探測器的在線徑跡重建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的重建方法，包括以下步驟:
步驟一、按照設(shè)定的大小尺寸在邏輯上將探測器的探測平面平均劃分為多個小區(qū)間，并對每一個小區(qū)間都分配一個與位置相關(guān)的二維編號，對每一個小區(qū)間內(nèi)的電子學(xué)系統(tǒng)單個工作周期中收集到的信號進(jìn)行預(yù)處理；首先進(jìn)行信號-本底甄別，其次對于甄別為有信號的區(qū)間，通過進(jìn)一步分析比較，獲得該區(qū)間內(nèi)信號的初步幾何分布范圍；
步驟二、對于上述已經(jīng)甄別為有信號的小區(qū)間，利用其分配的二維編號進(jìn)行相鄰識別；
步驟三、在上述步驟一和步驟二的基礎(chǔ)上，針對相鄰的電子學(xué)工作周期內(nèi)所采集到的信號，識別不同的信號是否仍由同一個徑跡所引起；
步驟四、將多個經(jīng)步驟三識別后的電子學(xué)工作周期的信號聯(lián)結(jié)起來，對整個徑跡上的所有信號進(jìn)行擬合后選取信號的末端，從而完成對整個徑跡的重建。
[0021]優(yōu)選的，所述步驟一中進(jìn)行信號-本底甄別具體為:如在一個工作周期內(nèi)某個小區(qū)