ICF大阵列中子能谱仪记录系统学习课程

1、报告提纲背景需求测量方案性能测试展望与总结第1页/共35页第一页，编辑于星期六：点 五十六分。背景需求第2页/共35页第二页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20项目背景项目背景靶丸的离子温度靶丸的离子温度kTkT，使得中子能谱成高斯型分布，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：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因此，通过测量中子能谱，可以诊断等离子体区域参数在在ICFICF研究中，激光与充纯研究中，激光与充纯D D2 2燃料靶作用后，产生燃料靶作用后，产生初级反应为：初级反应为：次级反应为：次级反应为：第3页/共35页

2、第三页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20一种测量思路：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）中子飞行时间法第4页/共35页第四页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20 “ “神光神光III”III”系统排布系统排布靶室和探测系统排布靶室和探测系统排布 第5页/共35页第五页，编辑于星期六：点 五十六分。大面积中子探测器阵列测量中子能谱大面积中子探测器阵列测量中子能谱 在一次在一次ICFICF聚变中，要获得中子的能谱，需要聚变中，要获得中子的能谱，需要有足够的中子计数。有足够的中子计数。 而一次而一次ICFICF聚变，需要有许多探测器构

3、成的阵列聚变，需要有许多探测器构成的阵列同时测量。同时测量。“神光神光III”III”原型大面积中子探测器原型大面积中子探测器阵列由阵列由960960个独立的闪烁体个独立的闪烁体+ +光电倍增管组成。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。每个探测器测量到达探测器的中子的时间。960960路探测器分别记录的中子达到时刻路探测器分别记录的中子达到时刻, ,汇总可汇总可构成中子飞行时间谱构成中子飞行时间谱(TOF)(TOF)。第6页/共35页第六页，编辑于星期六：点 五十六分。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

4、算第7页/共35页第七页，编辑于星期六：点 五十六分。可能出现的信号序列第8页/共35页第八页，编辑于星期六：点 五十六分。测量方案第9页/共35页第九页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20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第10页/共35页第十页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20关键问题关键问题测得准 一致性好？第11页/共35页第十一页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20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LMK

5、00101，各通道延时晃动小于6ps6ps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30ps30ps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50ps50ps第12页/共35页第十二页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-202. 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：甄别阈甄别阈mmTtVVt mmTVtVVt2m降低甄别阈可以减少幅度时间游动，但会增大噪降低甄别阈可以减少幅度时间游动，但会增大噪声

6、误触发几率。声误触发几率。提高甄别阈可以提高噪声容限，但会增大幅提高甄别阈可以提高噪声容限，但会增大幅度时间游动。度时间游动。缺点：触发时刻随信号幅度变化会产生时缺点：触发时刻随信号幅度变化会产生时 间游动。间游动。 对于该系统指标要求，必须进行修对于该系统指标要求，必须进行修正。正。信号1信号2t1t2VmVTtmt不采用！第13页/共35页第十三页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20定时方案：恒比定时 预甄别降噪，甄别阈值每路单独可调预甄别降噪，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可消除幅度变化引起的时间游动

7、t按比例衰减信号原始信号延时VtA(t)Delay Pre DscfA(t)VenVo第14页/共35页第十四页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20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。第15页/共35页第十五页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20basemeasureTAB T2. 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，Tb

8、ase 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. 第16页/共35页第十六页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-203.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

9、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. 第17页/共35页第十七页，编辑于星期六：点 五十六分。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第18页/共35页第十八页，编辑于星期六：点 五十六分。性能测试第19页/共35页第十九页，编辑于星期六：点 五十六分。1.1.定时精度测试定时精度测试测试测试100ns1500ns100ns1500ns停止信号的分辨时间停止信号的分辨时间（开始信号由信号发生器产生方波）（开始信号由信号发生器产生方波）实验条件：开始信号实验条件：开始信号: T=2us : T=2us 占空比占空比= 20

10、%= 20% 停止信号：停止信号： T=200ns T=200ns 脉宽脉宽=15 ns =15 ns 上升沿上升沿9.3ns9.3ns 延时延时100ns100ns100ns =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：第20页/共35页第二十页，编辑于星期六：点 五十六分。900ns =0.109ns 1100ns =0.129ns 1500ns =0.117ns 1300ns =0.141ns 第21页/共35页第二十一页，编辑于星期六：点 五十六分。100ns =0.135ns 300ns

11、=0.137ns 500ns =0.143ns 700ns =0.150ns 分辨时间最差的通道测试情况如下：第22页/共35页第二十二页，编辑于星期六：点 五十六分。1300ns =0.183ns 900ns =0.169ns 1100ns =0.163ns 1500ns =0.182ns 第23页/共35页第二十三页，编辑于星期六：点 五十六分。各通道分辨时间均方根值随测量停止时各通道分辨时间均方根值随测量停止时间变化：间变化：第24页/共35页第二十四页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20一致性测试basemeasureTAB T通道通道2通道通道3通道通道4通道通道5通道

12、通道6通道通道7通道通道8 B0.9997 0.9998 0.9997 0.9998 0.9997 0.9998 0.9998 A0.5043 0.3489 0.3979 0.3820 0.2322 0.0435 0.0641 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. 第25页/共35页第二十五页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20 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：输入值（输入值（ns)100300500700900110013001500测量值(ns)92.6

13、49 292.657 492.656 692.612 892.565 1092.450 1292.310 1492.110修正值(ns)92.979 292.947 492.906 692.822 892.735 1092.580 1292.400 1492.160输入值（输入值（ns)100300500700900110013001500测量值(ns)92.600 292.677 492.661 692.620 892.612 1092.450 1292.260 1492.090修正值(ns)92.970 292.987 492.911 692.810 892.742 1092.520 12

14、92.270 1492.040通道通道4通道通道3输入值（输入值（ns)100300500700900110013001500测量值(ns)92.492 292.567 492.563 692.519 892.513 1092.349 1292.164 1492.010修正值(ns)92.968 292.983 492.919 692.815 892.749 1092.525 1292.280 1499.066通道通道2第26页/共35页第二十六页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20输入值（输入值（ns)100300500700900110013001500测量值(ns)92.6

15、16 292.642 492.630 692.579 892.553 1092.390 1292.190 1492.020修正值(ns)92.979 292.965 492.913 692.822 892.756 1092.553 1292.313 1492.103输入值（输入值（ns)100300500700900110013001500测量值(ns)92.768 292.860 492.850 692.866 892.897 1092.810 1292.720 1492.610修正值(ns)92.972 293.004 492.934 692.890 892.861 1092.714 12

16、92.564 1492.394输入值（输入值（ns)100300500700900110013001500测量值(ns)92.945 293.006 492.936 692.972 892.862 1092.740 1292.560 1492.380修正值(ns)92.969 292.990 492.880 692.876 892.726 1092.564 1292.344 1492.125输入值（输入值（ns)100300500700900110013001500测量值(ns)92.932 292.947 492.953 692.882 892.861 1092.720 1292.56014

17、92.370修正值(ns)92.977 292.952 492.918 692.807 892.746 1092.565 1292.3651492.135通道通道5通道通道6通道通道8通道通道7第27页/共35页第二十七页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20用各通道修正值与1通道测量值值作一致性比较：第28页/共35页第二十八页，编辑于星期六：点 五十六分。展望与总结第29页/共35页第二十九页，编辑于星期六：点 五十六分。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Start80路Detector1路数据信号驱动插件1路Start10路Start1路Test10路Te

18、st数据交换插件10路数据X101路汇总数据1台NIM机箱8路Detector第30页/共35页第三十页，编辑于星期六：点 五十六分。系统构成NIM机箱（时间测量X10 信号驱动X1 数据交换X1）80路Detector1路Start1路Test1路汇总数据X12960路Detector12路Start12路Test12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Test1路Start12路Start12路Test12路汇总数据记录系统第31页/共35页第三十一页，编辑于星期六：点 五十六分。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#机柜走线槽第32页/共35页第三十二页，编辑于星期六：点 五十六分。2021-11-20总结