基于光电二极管阵列的二维成像数据采集系统研究.pdf

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1、第３５卷第３期核电子学与探测技术Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．３２０１５年３月ＮｕｃｌｅａｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒ．２０１５基于光电二极管阵列的二维成像数据采集系统研究吴福先，韩纪锋，王龙，郭尔夫，白立新（辐射物理及技术教育部重点实验室，四川大学物理科学与技术学院，四川大学原子核科学技术研究所，成都６１００６４）［１］摘要：本文研制了一套基于多像素光子计数器阵列（ＭＰＰＣ）的Ｈα辐射光二维高速成像系统，通过对微弱Ｈα辐射光的成形放大、模数转换和数据处理，实现了１２８通道高达１Ｍｆｐｓ的二维成像系统。该

2、系统用于研究托卡马克聚变实验中的加料过程，通过测量氘分子同等离子体相互作用产生的Ｈα辐射光的空间分布图像，获得超声分子束的密度、空间分布等参数随时间的演化过程，是适用于托卡马克聚变装置的重要诊断技术之一。关键词：Ｈα辐射；模数转换；高速成像；ＭＰＰＣ阵列中图分类号：Ｒ４４５．５文献标志码：Ａ文章编号：０２５８-０９３４（２０１５）０３-０２８７-０３基于托卡马克的磁约束核聚变实验装置是拍照诊断方法存在较大困难。而近些年新发展［２］最有可能建成商用聚变电站的技术路线，而加的多像素光子计数器阵列（ＭＰＰＣ）具有非常料方法则是向等离子体补充

3、核燃料以维持核聚优秀的光电探测能力，甚至可实现单光子测量。变反应持续运行的技术。目前在常用的加料方本文基于滨松公司的ＭＰＰＣ阵列探测器，研制法中，超声分子束注入（ＳＭＢＩ）是从上世纪９０了一套Ｈα辐射光测量系统，通过自行设计电子年代始在ＨＬ－１Ｍ装置上发展起来的一种新型学和数据采集系统，成功实现了１２８通道的高等离子体加料技术，具有设备简单、成本低、加达１Ｍ帧／秒（ｆｐｓ）的微弱光测量系统，该系统料效率高等优点，在磁约束聚变装置研究中得可直接用于超声分子束的密度、空间分布的诊到了重要应用。氘超声分子束注入等离子体断，对于磁约束核聚变装

4、置上的加料过程研究时，同等离子体中的电子、离子等发生相互作具有重要意义。用，在氘分子退激过程中发出的Ｈα辐射光可作为诊断超声分子束密度、空间分布的重要手段。1电子学读出系统设计但通常Ｈα辐射光较弱，传统的基于高速相机的［３］电子学读出系统分为模拟电路部分和数字电路部分。模拟电路每１６路集成在一片电路板上，功能包括：检出ＭＰＰＣ阵列的信号，收稿日期：２０１５－０３－１７并进行放大成形，最后转换为差分信号，以适应基金项目：国家磁约束聚变能发展研究专项（２０１４ＧＢ１２５００４）资助，自然科学基金（批准号：数字电路ＡＤＣ的信号输入要求。模拟

5、电路采１１２７５１３３）资助项目。用高带宽的ＡＤＡ４８５１芯片实现放大，ＡＤ８１３７作者简介：吴福先（１９９０－），男，江西人，在读硕士芯片实现差分变换。研究生，主要从事核电子学研究。通信作者：韩纪数字电路每３２路集成在一起，负责完成２峰，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｎｊｆ＠ｓｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。块模拟电路输出信号的模数变换、数据处理和２８７传输任务。模数变换采用高集成度的１６路１４位串行ＡＤＣ采集芯片ＡＤ９２４９实现，并用Ｘｉｌ-ｉｎｘ公司的ＦＰＧＡ芯片ＸＣ６ＳＬＸ１００Ｔ接收ＡＤＣ的高速数据，处理后可存储在板载ＳＤＲＡＭ存储芯片ＩＳ４２Ｓ１

6、６１６０Ｂ中，或通过ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３Ａ将数据上传到计算机。电路采用低噪声的电源转换芯片ＥＰ５３Ｆ８Ｑ提供各种电压的电源。整个系统共包括８块模拟电路板和图２ＦＰＧＡ程序流程示意图４块数字电路板，总体框图如图１所示。路高速串行数据，在ＦＰＧＡ初始化完成后转化为并行数据，并对所有通道数据进行对齐。为提高信噪比水平，增强信号强度，采用将相邻５０个采样信号的幅度相加，只将相加后的求和信号缓存在板上存储芯片中，事例率降低为１ＭＨｚ。ＦＰＧＡ通过ＵＳＢ接收到计算机的起始指令后，采用数据累加求和的算法降低数据率，并添加相应的通道位、计

7、数位等标识后存入图１系统结构图ＳＤＲＡＭ存储芯片中。ＦＰＧＡ获取计算机传数1畅1模拟处理电路指令后，将数据从ＳＤＲＡＭ中读出，经ＵＳＢ接口［４］传入计算机。４块数字电路板利用ＦＰＧＡ的Ｉ／模拟电路主要包括４个部分，如图１所示。第一级为负反馈输入级，负责从ＭＰＰＣ检Ｏ口进行硬件之间的连接，如图１所示，实现板［８］出有效电流信号，并经过５０Ω负载电阻转换为间的同步和通信，完成１２８通道的二维图像电压信号。第二级为二阶积分成形部分，负责的数据读出。将信号成形为上升沿不小于１００ｎｓ的信号，保除了利用计算机控制ＦＰＧＡ调用算法和数证ＡＤＣ可采

8、集到完整的信号波形（采样率５０据传出之外，还可以实现在线对ＦＰＧＡ程序中数ＭＨｚ），同时减小噪声水平。第三级为负反馈电据处理长度、上传长度、通道选择等参数的调整。压放大级，放大倍数最大为１０倍。第四级为差2系统功能测试分