ICF大阵列中子能谱仪记录系统-Indico@IHEP.ppt

ICF大阵列中子飞行时间谱仪研制,汇报人：魏凌峰周荣占杨炜李伟男姚佳东杨朝文单位：四川大学,报告提纲,背景需求测量方案性能测试展望与总结,背景需求,2020/5/22,项目背景,靶丸的离子温度kT，使得中子能谱成高斯型分布，由于分布宽度和离子温度有关系：因此，通过测量中子能谱，可以诊断等离子体区域参数,在ICF研究中，激光与充纯D2燃料靶作用后，产生初级反应为：次级反应为：,2020/5/22,一种测量思路：,测量中子飞行时间谱,中子能谱展宽,测量中子能谱,等离子体区域参数（温度信息）,中子飞行时间法,2020/5/22,“神光III”系统排布,靶室和探测系统排布,大面积中子探测器阵列测量中子能谱,在一次ICF聚变中，要获得中子的能谱，需要有足够的中子计数。而一次ICF聚变，需要有许多探测器构成的阵列同时测量。“神光III”原型大面积中子探测器阵列由960个独立的闪烁体+光电倍增管组成。每个探测器测量到达探测器的中子的时间。960路探测器分别记录的中子达到时刻,汇总可构成中子飞行时间谱(TOF)。,初级中子：次级中子：,由于温度效应，飞行时间展宽：,假设：kTi=4keV，L=16.7m,中子飞行时间估算,可能出现的信号序列,测量方案,2020/5/22,激光同步信号Start,探测器输出信号Stop,飞行时间,时间测量单元,基本框图：,定时电路,时数转换芯片,FPGA,信号驱动单元,数据传输单元,2020/5/22,关键问题,测得准,一致性好,？,？,2020/5/22,提高测量精度,1.选用精度高，时间抖动小的芯片信号分发驱动器：采用德州仪器的LMK00101，各通道延时晃动小于6ps定时比较器：采用高速型MAX9601比较器，该器件为低功耗、超高速、超摆幅、滞回比较器，响应时间为500ps，时间抖动小于30ps时数转换芯片：德国ACAM公司的TDC-GP2,连续记录8次击中时测量精度可达50ps,2020/5/22,2.定时电路的选择,前沿定时：在信号前沿到达某一固定电平时触发，作为信号到达时刻。假设信号上升时间相同，有：,甄别阈,降低甄别阈可以减少幅度时间游动，但会增大噪声误触发几率。提高甄别阈可以提高噪声容限，但会增大幅度时间游动。缺点：触发时刻随信号幅度变化会产生时间游动。对于该系统指标要求，必须进行修正。,不采用！,2020/5/22,定时方案：恒比定时,预甄别降噪，甄别阈值每路单独可调甄别阈是信号幅度的固定比例可消除幅度变化引起的时间游动,2020/5/22,保证960路测量的一致性,1.电路设计（1）每一路测量单元采用模块化布局，消除因元件摆放不一致从而走线不一致引起的延时不同。,（2）布线过程中多处采用等长走线，保证每一路信号进入TDC延时相同。,2020/5/22,2.通过拟合方式修正到真实值在进行时间测量时，输入信号的时间间隔和时间分辨谱仪的测量值应当满足下面的关系：其中A和B为常数，Tbase为输入信号的时间间隔，Tmeasure为高分辨时间谱仪的测量值.进行多次测量，就得到了多组Tbase和Tmeasure的数据，通过线性拟合即可得到A和B的值。对每一路的探测结果都进行这样的拟合得到一个拟合公式，实现将测量值修正到真实值.,2020/5/22,3.可建立一个标定数据库对各路测量进行标定将来在ICF中大规模阵列探测的应用中，建立一个标定数据库是解决八通道时间测量谱仪测量结果差异的有效办法.如：对于相同时间间隔的输入，不同通道的测量结果存在一固定的差异，以其中某一通道测量结果为基准，对其余通道进行标定，这样就建立了一组标定参数，将所有通道对于尽量多的时间间隔的标定参数集合起来，就构成了标定数据库.,基于以上设计，我们完成了第一批样板：,时间测量,信号驱动,数据交换,性能测试,1.定时精度测试测试100ns1500ns停止信号的分辨时间（开始信号由信号发生器产生方波）实验条件：开始信号:T=2us占空比=20%停止信号：T=200ns脉宽=15ns上升沿9.3ns延时100ns,100ns=0.084ns,300ns=0.116ns,500ns=0.115ns,700ns=0.099ns,分辨时间最好的通道测试情况如下：,900ns=0.109ns,1100ns=0.129ns,1500ns=0.117ns,1300ns=0.141ns,100ns=0.135ns,300ns=0.137ns,500ns=0.143ns,700ns=0.150ns,分辨时间最差的通道测试情况如下：,1300ns=0.183ns,900ns=0.169ns,1100ns=0.163ns,1500ns=0.182ns,各通道分辨时间均方根值随测量停止时间变化：,2020/5/22,一致性测试,用前面提到的方法将各通道的测量结果用下面公式修正到1通道，通过线性拟合即可得到A和B的值，如下表所示.,2020/5/22,将各通道的测量值代入上述已经确定A,B公式，即可得到修正后的结果,各通道的修正结果如下表：,通道4,通道3,通道2,2020/5/22,通道5,通道6,通道8,通道7,2020/5/22,用各通道修正值与1通道测量值值作一致性比较：,展望与总结,下一步工作，将完成整套系统的安装调试：,时间测量插件,1路Start,80路Detector,1路数据,信号驱动插件,1路Start,10路Start,1路Test,10路Test,数据交换插件,10路数据,X10,1路汇总数据,1台NIM机箱,8路Detector,系统构成,NIM机箱（时间测量X10信号驱动X1数据交换X1）,80路Detector,1路Start,1路Test,1路汇总数据,X12,960路Detector,12路Start,12路Test,12路汇总数据,信号驱动单元1:12分发信号,网络交换机,PC机,1路Test,1路Start,12路Start,12路Test,12路汇总数据,记录系统,机柜,激光/测试信号同步驱动,数据交换机,地板,0#机柜,1#机柜,2#机柜,走线槽,2020/5/22,总结,ICF大阵列中子飞行时间谱仪系统使用恒比定时方法时间检出，TDC-GP2测量芯片进行高精度时