基于在线数字滤波技术的数字化核能谱仪研究

【摘要】：贝克勒尔发现了放射线并提出了原子有内核的理论,卢瑟福定义了原子核,他们开创了核物理的先河。薛定谔提出了量子力学,而柯克罗夫特和沃尔顿建立了第一个加速器。这些伟大的成就和随之而来的实验和理论上的发现使我们能够系统地研究核物理。我们目前的知识已经涵盖了核物理的很多方面,如放射性、能谱、核反应、恒星的核聚变等,很多已经在现实生活中得到了应用。但是,无论是实验物理学家还是理论物理学家,都无法提出一种统一的理论来解释所有的物理现象。但是通过高精度的物理测量,我们可以修正和改进现存的理论。核物理研究的实验系统建立在对各种入射粒子特征的测量上。几十年来,粒子探测器输出的电信号都是用模拟的方法来处理,在最后的数据获取和存储才用到数字化技术。 核能谱是高能物理、核物理、重离子物理等基础研究和核技术应用所需要获取的基本且重要的核信息之一,核能谱获取方法的改进和新型获取方法的研究一直是核测量领域的一个重要研究课题。 近几年来,伴随着高速ADC、各种数字化器件、实时操作系统和微处理器的快速发展,数字信号处理技术在核物理领域也得到了极大的发展。粒子探测器输出的电信号被数字化后,得到相应的数据,再经过数字信号处理来取得我们所需要的信息。与标准的模拟方法相比,数字化方法能在更简单的电子学系统中实现更复杂的电子学方法,如果成功的话能带来一次大型物理实验装置的革新。同时,随着数字信号处理技术在消费市场的广泛推广,很多工业企业正在积极开发数字化信息处理的各种相关产品,使得数字化系统的成本得到了大幅度降低。根据常用粒子探测器系统输出信号的特点,一套数字化核能谱仪系统应包括波形数字化系统、数字化核信息处理和数据获取系统。数字化核能谱仪系统的研究工作包括:对探测器系统输出信号数字化的研究;核信号的处理原理和方法的研究;对谱仪系统硬件电路设计的研究;数字滤波算法在硬件中实现的研究。本论文在对高速数字化技术充分调研的基础上,通过对各种数字滤波算法的研究,设计并研制一个通用的基于在线数字滤波技术的数字化核能谱仪原型系统,对各种探测器输出的电信号进行在线处理,并在不改变硬件设计的前提下,实现数字滤波器的在线调节功能,为新一代核能谱仪提供技术准备。 高速ADC采样是数字化核能谱仪的基础,探测器输出信号在经过必要的带宽限制和增益处理后,用40M采样率12bit位的ADC进行数字化,信号处理完全在数字域里进行。在获取核信息的过程中,不可避免地会产生噪声。为了提高能谱的能量分辨率,我们在对核信号仿真和频域分析的基础上,结合数字滤波理论,建立了高斯成形滤波和FIR低通滤波的数字信号处理算法,并用Matlab软件进行了模拟仿真。数字信号处理的实现是本论文的核心,鉴于可编程逻辑器件(FPGA)在数字信号处理方面的诸多优点,本谱仪采用FPGA作为数字信号处理实现的平台。本论文详细介绍了从选择滤波器系数到FPGA逻辑实现的整套软件设计方法。 本论文的工作的创新点如下: 1.设计并研制了一个数字化核能谱仪原型系统,用FPGA器件实现了在线触发、滤波、峰值提取等数字化处理过程,为全数字化谱仪的实现提供了技术支持; 2.简化了硬件结构,减少了模拟电路的复杂性,充分利用了数字处理技术的适应性和灵活性,针对不同的探测器信号给出不同的滤波器参数设置,实现了参数的在线调节功能,增强了系统的通用性,使同一个硬件系统可以用于不同能谱的测量。 目前,本论文所设计的数字化核能谱仪系统已经经过了一系列电子学测试,测试结果表明电子学系统设计达到了模拟数据采集系统的指标,并用高纯锗探测器进行了实验测试,与传统的多道分析器进行了比较,在相同的测试条件下,得到了比多道分析器更高的能量分辨。 【关键词】：数字化核能谱仪 FPGA FIR滤波器 在线数字滤波 能谱测量
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH842;TN713
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 引言12-26
• 1.1 粒子探测技术简介12-17
• 1.1.1 粒子探测的基本技术13-14
• 1.1.2 核与粒子物理实验发展趋向14
• 1.1.3 核仪器系统标准化14-16
• 1.1.4 粒子探测数据获取和在线处理系统的特点和基本结构：16-17
• 1.2 粒子探测器概述17-20
• 1.3 多道分析器20-22
• 1.3.1 基本结构20-21
• 1.3.2 多道分析器数据获取过程21-22
• 1.4 数字脉冲处理技术的发展和现状22-23
• 1.5 论文的工作内容及特点23-24
• 1.6 论文的内容组织24-26
• 第2章 能谱测量系统信号处理26-44
• 2.1 能谱测量中的能量分辨26-29
• 2.1.1 能谱曲线和能量分辨26-28
• 2.1.2 影响能谱仪能量分辨的几个因素28-29
• 2.2 噪声分析和模拟信号处理29-33
• 2.2.1 噪声分析29-31
• 2.2.2 模拟滤波器31-32
• 2.2.3 信号成形32-33
• 2.3 离散时间信号处理33-35
• 2.3.1 傅立叶变换和Ζ 变换34-35
• 2.3.2 采样和抗混叠35
• 2.4 数字滤波器35-42
• 2.4.1 IIR 和FIR 数字滤波器36-38
• 2.4.2 FIR 滤波器的设计和结构38-42
• 2.5 小结42-44
• 第3章 数字化核能谱仪系统44-72
• 3.1 数字化核能谱仪系统方案介绍45-48
• 3.1.1 数字脉冲处理技术简介45-47
• 3.1.2 数字化核能谱仪系统硬件设计47-48
• 3.2 前端模拟电路设计及仿真48-57
• 3.2.1 主放大器49-50
• 3.2.2 极零相消50-52
• 3.2.3 抗混叠滤波器52-54
• 3.2.4 模拟电路仿真54
• 3.2.5 ADC 模数转换54-57
• 3.3 数字电路设计57-70
• 3.3.1 FPGA 电路设计57-63
• 3.3.2 USB 接口电路设计63-70
• 3.4 小结70-72
• 第4章 基于事例的数字化核能谱仪算法实现72-94
• 4.1 软件总体设计72-74
• 4.2 FPGA 中逻辑设计74-92
• 4.2.1 数据缓存模块和事例存储模块74-75
• 4.2.2 触发模块75-76
• 4.2.3 数字滤波模块76-89
• 4.2.4 数据处理模块89-90
• 4.2.5 USB 接口模块90-92
• 4.3 USB 用户程序92-93
• 4.4 小结93-94
• 第5章 系统测试94-106
• 5.1 电子学性能测试94-97
• 5.1.1 台基测量94-95
• 5.1.2 ADC 性能测试95-97
• 5.2 能量分辨测试97-102
• 5.3 误差分析102-104
• 5.3.1 堆积概率102
• 5.3.2 基线长度误差102-103
• 5.3.3 采样峰值误差103-104
• 5.4 小结104-106
• 第6章 总结和展望106-108
• 6.1 工作总结106-107
• 6.2 工作展望107-108
• 参考文献108-112
• 致谢112-114
• 攻读学位期间发表文章114-115

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

中国工程物理研究院的核物理、核技术及相关学科的研究    于敏，胡仁宇，杜祥琬，江文勉，郑绍唐，力光伦

基于FPGA的数字相位计在相位测距系统中的研究    刘明;

数字农业研究中二进制CPFSK信号的产生及实现    许正荣;贾贤龙;马玉鹏;

基于FPGA的正交信号发生器    郝小江;

基于DDS技术的BPSK信号生成    张先志;付海鹏;

基于EDA技术的图像边缘检测协处理器的设计    谭会生,桂卫华,刘展良

一个混沌系统设计及其FPGA电路实现    王忠林;

两种性价比高的核能谱放大器    罗小兵,曹养书,何福庆,彭秀峰,黄琳

ISA总线数据采集在VxD中的实现    袁启兵,魏永波,周蓉生

曲线拟合在核探测器信号幅度提取中的应用    覃章健;葛良全;程峰;

野外高灵敏度X射线荧光测量系统研究    李国栋,贾文懿,周蓉生,唐红,方方,马英杰

基于DSPBuilder的数字下变频器FPGA设计    马涛;陈娟;单洪;

单芯片可重构数字接收机的研究    马涛;李东生;

基于IP核的可编程系统芯片(SOPC)设计方法    马涛;李东生;

一种数控振荡器(NCO)的FPGA实现新方法    马涛;李东生;

基于LabVIEW连续放射性测量仪的设计    聂开放;邢玉川;李梅;

一种分立元件的RF宽带放大电路研制    李小刚;苏弘;千奕;董成富;马晓莉;

专用多路电荷灵敏前置放大器的研制    董成富;苏弘;马晓莉;李小刚;

FDL-5型同位素料位计的研究与设计    王景敏;刘彩玲;杨世清;

路面γ辐射监测仪的硬件设计    邓长明;程昶;杜向阳;宋称心;任熠;孟丹;王志刚;刘芸;韩淑萍;

基于DSP的低频频率特性测试仪的设计    闻程;齐向东;王兴;杜杨;

西藏羊八井LHAASO实验水切伦科夫探测器阵列分布式电子学方案研究    曹喆

X射线荧光测井关键技术研究    申凤君

基于数字高斯成形技术的X荧光谱仪的研制    周伟

基于γ射线CT及ECT的气液两相流成像系统    辛山

基于低能射线多相管流检测技术研究    郝魁红

CVD金刚石膜的光电性能及其在辐射探测器中的应用研究    张明龙

电子致原子内壳层电离截面测量的新方法及新结果    唐昶环

脉冲半导体激光器高速三维成像激光雷达研究    胡春生

电子动量谱仪的多参数获取系统研制和He原子的电子动量谱测量    庞文宁

ICF实验中子探测器研究    李锋

基于FPGA的火焰温度场测试研究    冷碧炎

基于SOPC技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计    王北镇

基于SOPC的点阵型LED显示控制系统的设计    蒋爱如

基于FPGA的实时图像处理系统的设计与实现    刘开健

基于FPGA的图像插值放大系统设计    谢然

滚动轴承故障诊断系统的FPGA信号处理研究    石兴华

基于多相滤波器组的多参数雷达信号测量与FPGA实现    陈海峰

基于CPLD的精密时差信号处理关键技术研究和系统实现    王加祥

~(15)N（p，n）~(15)O反应中子源相关参数实验研究    齐波

基于NiosⅡ软核处理器的遥测图像采集存储系统的设计与实现    高世明

EDAX－PV9100X射线能谱仪的改造    王恺然,寇益强

从历届北京分析测试学术报告和展览会(BCEIA)看X射线能谱仪的现状和发展趋势    章一鸣;

DM1010型钙铁煤荧光分析仪的原理与调试应用    金卓仁,李彩亚,陈永明

能谱仪在TC16合金相转变稳定性分析中的应用    毛江虹;罗斌莉;杨宏进;曹继敏;肖松涛;杨华斌;

基于FPGA便携式γ能谱仪的研制    肖明;葛良全;曾国强;郑庆志;陈方强;

一种确定X射线能谱仪(EDS)分析中接收角的方法    戴宏,梁浩雁,张中明

低本底多道γ能谱仪在建材放射性测量中的应用研究    侯胜利;樊卫花;

均匀场能谱分析仪的能量刻度    张华顺

现代扫描电镜的发展及其在材料科学中的应用    吴立新;陈方玉;

基于ARM的γ能谱仪的研制    张怀强;葛良全;熊盛青;

电致冷高分辨率Si(Li)能谱仪    沈浩元;浦世节;张光明;

小型化软X光能谱仪研制    孙可煦;江少恩;易荣清;崔延莉;李朝光;

辐射防护领域中子能谱测量的发展与现状    赵锋涛;尚爱国;朱文凯;

异种钢焊接接头中碳迁移的“原位”观察    黄文长;潘春旭;付强;

X射线能谱仪及其在地质研究工作中的初步应用    王文瑛;

扫描电镜/能谱仪在掺杂样品分析中的应用    罗青;高党中;

浅谈利用X射线能谱仪分析导线绝缘层火灾痕迹特征    杨秉轩;

珠光体-奥氏体异种钢焊接接头中碳迁移的“原位”观察    黄文长;潘春旭;付强;

用扫描电镜及能谱仪表征SAPO-34分子筛    杨菁;柯丽;黄文氢;张伟;张明森;

EDAX9100能谱仪探头Be窗和Si死层厚度的测量    吉关华;郭世亮;

扫描电镜——能谱仪在纺织品文物保护中的应用    戚军超　兰恩强

“火眼金睛”把电子结构看得更多更深    李大庆

创造独一无二的光源    本报记者 付毅飞

一流材料检测为企业保驾护航    本报记者　杨勇

殚精竭虑开辟晶体材料研究发展之路    刘丽 闫佳

为管道科技研发筑造坚固平台    本报记者 赵捷特约记者 范向红

我科学家发现一种新的电子耦合模式    记者 李大庆

发挥职能优势 服务对外开放    贵检

加强国际合作 研究生物质燃烧    

超高分辨率光电子能谱仪研制成功    武卫政

基于在线数字滤波技术的数字化核能谱仪研究    谢树欣

非特定人鲁棒性语音识别中前端滤波器的研究    黄丽霞

软X射线多层膜反射镜的设计与制作    宋利民

基于LCL滤波器的单相并联有源滤波器控制技术研究    唐诗颖

热工信号自适应滤波及其在建模与控制中的应用    朱红路

车内噪声品质分析与选择性消声控制方法研究    姜吉光

基于LTCC技术的无源器件研究    钱可伟

动力蓄电池组测试系统变流技术研究    张丽霞

无线通信系统中高选择性小型化带通滤波器的研究与设计    朱永忠

基于余数系统的FIR滤波器的研究    陈建文

广域电磁法有效信号提取中的FIR数字滤波技术研究    杨册

便携式γ能谱仪探测模块和解谱的设计与实现    谢明

硬件数字滤波技术及其在遥测数字地震采集站中的应用研究    冯永强

基于数字信号处理技术的蛋白质热点区域的预测    王东伟

基于改进型第二代CMOS电流传输器的滤波器研究与设计    苏长远

托克托电厂600MW机组抑制次同步振荡方法研究    于海洋

基于PSO参数优化的滤波系统的研究    洪寒

不确定离散系统的H_∞非脆弱滤波器的设计    田光飞

多模多频无线收发机中模拟信道选择滤波器设计研究    张勇

便携式多道伽马能谱仪的研制    周颖