基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统及重建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统及重建方法，一种基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，包括现场可编辑逻辑门阵列、模拟数字转化器、第一大规模复杂可编辑逻辑芯片、第二大规模复杂可编辑逻辑器件、DDR SDRAM存储器、闪存和SSRAM存储器，所述模拟数字转化器与现场可编辑逻辑门阵列双向通信连接，所述第一大规模复杂可编辑逻辑芯片的输出端与现场可编辑逻辑门阵列的输入端连接，所述第二大规模复杂可编辑逻辑器件与现场可编辑逻辑门阵列双向通信连接。以实现获得更高质量的数据且提高成像的质量的优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
本专利技术涉及核技术或核探测领域，具体地，涉及一种。
技术介绍
1997年CERN的科学家Fab1 Sauli专利技术了一种新型微结构气体探测器GEM (gaselectron multiplier)。GEM探测器是在两面敷铜的Kapton薄膜上蚀刻密集微孔，改变工作气体中的电场分布，从而实现电子信号的雪崩放大，它具有优异的位置分辨以及很好的耐辐照性能，并且可以在高计数率条件下工作等特点。基于多种优点，近年来在国际上得到迅速发展，主要用于高能粒子物理实验如:未来国际直线对撞机(ILC)探测器上径迹室和数字强子量能器的读出探测器，除此之外，GEM还有多方面的应用前景如作为同步辐射探测器、中子探测器、医学成像以及天体物理探测等。典型的GEM探测器是由飘移电极，一片或者多片GEM复合物薄膜网格和PCB (印刷电路板)读出板组成，密闭在气室中的探测器。其中，PCB板可以设计成二维读出板，达到成像效果。传统的成像(无损检测/工业CT)技术所使用的射线源一般为X射线。X射线成像有很多缺点。比如，X射线无法穿透重金属，无法测量被重物质包裹的物质。X射线对轻物质(尤其是氢)又不够敏感，很难使用在含水多了物质的成像，并会造成显影物质分辨率低。另外一种射线源则是中子源，也就是所谓的中子成像。中子成像相对于X射线成像具有很多优势。由于中子不带电，所以中子具有很强的穿透能力。中子对氢物质和重元素都很敏感。中子对核材料是很敏感的，这就使得中子成像可以用在核材料检测上。中子对同位素的作用截面一般差异很大，也可以用来区分同位素。对于强发射性物质，它的γ射线会干扰X射线成像数据，而中子照相可以避免被检测物本身的放射性的影响，能对强辐射物质形成高质量的图像。但是，由于中子不带电，不能使用传统的探测方式探测中子。一般使用转化材料，将中子转化为质子或其它带电粒子，通过测量质子的信息来得到中子的信息。GEM探测器作为气体探测器，具有很好的可塑性，可以将GEM探测器改造成一个中子探测器。由于中子转化为质子之后，质子会以一定偏转角飞入探测器，因此需要重建质子的飞行径迹从而得到中子转为质子处的位置，也就是中子的入射点。除此之外，由于中子束流本身会掺杂X及γ射线，另一方面中子在与物质相互作用时也会产生X及γ射线。这些χ/γ射线会干扰质子的重建，因此需要在对质子重建时将χ/γ射线的影响剔除。χ/γ射线与物质的相互作用和质子与物质的相互作用有很大区别。χ/γ射线的能量沉积集中在一点，而质子的能量沉积则分布于整条径迹。因此根据GEM探测器的性质，χ/γ射线的信号的持续时间要远远小于质子信号的持续时间。利用两者时间信息的不同进行χ/γ射线和质子的甄别，从而扣除χ/γ射线，得到干净的质子信号进而达到成像的目的。但是由于GEM探测器使用二维读出板读出数据，短时间测量得到的数据量很庞大，通常使用的离线处理方式(通过数据获取系统将数据记录在电脑上，等数据采集完成后再处理这些数据，称为离线处理)将花费很长的时间。之前的实验结果显示，数小时的数据需要花费近一个月的时间进行处理。这就导致了整个探测系统的工作效率很低，很难满足实际应用的需要。现有的χ/γ射线和质子甄别及质子径迹重建没有实现数据的在线处理，而是主要通过数据采集系统先将实验数据压缩打包并传输到计算机上记录，然后通过离线分析的方式进行处理。随着探测器技术及后端电子学技术的飞速发展，径迹探测器的数据获取系统成为了制约探测器性能的主要因素，其最大的技术瓶颈在于电子学系统采集的巨量高精度的信号无法得到及时的传输和记录。例如，为了在较大的探测器灵敏区(30cmX30cm)实现高精度的位置测量，探测器的单个读出电极的面积一般不大于Imm2，由此该探测器需要9000路读出电路。而每一路读出电路的模数转换的精度一般为Sbit或更高，以此估算探测器每次读出的数据量大约为88kB。而现代的高速信号采集系统的典型工作周期一般为20?30ns。即使以50ns估算，每秒钟将读出信号2 X 17次，由此每秒产生的数据将高达1.6TB，与之相比，一般计算机机械硬盘的实时读写数度仅为每秒70MB。因此在现实实验中，数据获取系统无法提供足够的带宽以传输、保存所有采集到的数据。为了使得整个探测器系统有效工作，目前在数据获取系统之外还需要配备一套信号触发控制系统。当信号触发系统收到触发信号后，立即启动数据获取系统采集探测器的电子学系统产生的电信号(耗时约30ns)，然后传输、存储采集到的数据(耗时约1ms)。在信号传输、存储的过程中，信号触发系统还负责屏蔽整个数据获取系统的采集端，使得探测器在该时段产生的信号不会堆积。只有当所采集到的数据全部传输、存储完成后，信号触发系统才复位，等待接受下一个触发信号。因此现有的在线记录-离线分析的方式存在很大的弊端，其不足之处主要体现在以下四个方面: (I)探测器大部分时间在等待数据的传输，并没有有效记录数据。即使在数据获取系统中添加了高速缓存系统，也只是使得数据获取系统连续工作的时长变长，能够记录持续时间更长的信号，但由于数据传输带宽、存储的瓶颈没有得到根本解决，因此探测器工作时间的占空比并没有发生明显变化，探测器的工作效率仍然不高。(2)如前所述，在探测器实际工作过程中除有效径迹外还可能伴随着大量的辐射本底。因此现有的技术所记录到的数据质量不高，其中大部分为无用的本底信号。使得原本就不高的探测器工作效率进一步降低。(3)在对数据进行离线分析的过程中，大多需要凭借参考数据来人为的调整径迹重建算法中的相关参数，以实现探测器性能的优化。由于是人为调节，因此不可避免的引入了主观因素。(4)现有的技术，使得在线测量时无法直观的获得实时的实验结果，因此导致在实验中往往无法迅速根据已有的结果调整探测器硬件的状态，进而获得质量更好的实验数据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述问题，提出一种，以实现获得更高质量的数据且提高成像的质量的优点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是: 一种基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，包括现场可编辑逻辑门阵列、模拟数字转化器、第一大规模复杂可编辑逻辑芯片、第二大规模复杂可编辑逻辑器件、DDRSDRAM存储器、闪存和SSRAM存储器，所述模拟数字转化器与现场可编辑逻辑门阵列双向通信连接，所述第一大规模复杂可编辑逻辑芯片的输出端与现场可编辑逻辑门阵列的输入端连接，所述第二大规模复杂可编辑逻辑器件与现场可编辑逻辑门阵列双向通信连接，所述DDR SDRAM存储器与第二大规模复杂可编辑逻辑器件电连接，该DDR SDRAM存储器与现场可编辑逻辑门阵列电连接，所述闪存和SSRAM存储器均与第一大规模复杂可编辑逻辑芯片电连接，且闪存和SSRAM存储器均与现场可编辑逻辑门阵列电连接。优选的，所述现场可编辑逻辑门阵列采用Arria II GX EP2AGX125EF35 FPGA芯片。优选的，所述第一大规模复杂可编辑逻辑芯片和第二大规模复杂可编辑逻辑器件均采用 MAX II EPM2210F256 CPLD 芯片。优选的，所述现场可编辑逻辑门阵列的输出端口电连接LED灯，所述现场可编辑逻辑门阵列的输入端口连接USB接口。优选的，所述现场可编辑逻辑门阵列连接155.52本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，其特征在于，包括现场可编辑逻辑门阵列、模拟数字转化器、第一大规模复杂可编辑逻辑芯片、第二大规模复杂可编辑逻辑器件、DDR SDRAM存储器、闪存和SSRAM存储器，所述模拟数字转化器与现场可编辑逻辑门阵列双向通信连接，所述第一大规模复杂可编辑逻辑芯片的输出端与现场可编辑逻辑门阵列的输入端连接，所述第二大规模复杂可编辑逻辑器件与现场可编辑逻辑门阵列双向通信连接，所述DDR SDRAM存储器与第二大规模复杂可编辑逻辑器件电连接，该DDR SDRAM存储器与现场可编辑逻辑门阵列电连接，所述闪存和SSRAM存储器均与第一大规模复杂可编辑逻辑芯片电连接，且闪存和SSRAM存储器均与现场可编辑逻辑门阵列电连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅，吴会寅，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62