馬 朋，馬軍兵，魏向倫，楊賀潤(rùn)，王建松，楊彥云，張俊偉，魯辰桂，段利敏，胡榮江，關(guān)遠(yuǎn)帆，胡 強(qiáng)，白 真

(1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049)

隨著專用集成電路技術(shù)(ASIC)的發(fā)展，數(shù)字化波形采樣技術(shù)在實(shí)驗(yàn)核物理中得到了廣泛應(yīng)用，常用的有XIA的APV7和APV8、CEA Saclay的AGET[1]、CAEN的V17XX等f(wàn)lash-ADC高速采樣數(shù)字化儀[2]。高速采樣數(shù)字化儀可存儲(chǔ)核物理實(shí)驗(yàn)中所需信號(hào)的完整波形[3]，為后期數(shù)據(jù)處理提供完整的時(shí)間信息和幅度信息。數(shù)字化波形采樣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有：1) 可對(duì)信號(hào)的形狀進(jìn)行快慢成分研究，實(shí)現(xiàn)粒子鑒別功能；2) 通過(guò)數(shù)字濾波算法提高信噪比，提高探測(cè)器的探測(cè)效率；3) 通過(guò)基線恢復(fù)，解決高計(jì)數(shù)率下的信號(hào)堆積等問(wèn)題[4]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取合適的采樣頻率對(duì)數(shù)據(jù)在線獲取和后期處理非常重要。采樣頻率太高，數(shù)據(jù)量太大，獲取系統(tǒng)的死時(shí)間也較大；采樣頻率太低，信號(hào)失真，將不能獲取到完整的原始信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中常用的采樣頻率有50、100、250、500 MHz等，本文使用Tektronix生產(chǎn)的DPO5054示波器(采樣頻率為5 GHz)采集平行板雪崩計(jì)數(shù)器(PPAC)信號(hào)的波形，通過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)抽樣，模擬高速采樣數(shù)字化儀在100、250、500 MHz等采樣頻率下的PPAC數(shù)據(jù)，采用脈沖幅度甄別定時(shí)方法和恒比定時(shí)方法對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行定時(shí)研究，分析不同采樣頻率下PPAC的位置分辨能力及探測(cè)效率。

1 探測(cè)器介紹

PPAC是核物理實(shí)驗(yàn)中常用的徑跡探測(cè)器，置于次級(jí)靶前，可給出入射粒子的位置和入射方向，對(duì)散射角度和完全運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量有著關(guān)鍵作用[5-6]。目前，蘭州放射性次級(jí)束流線(RIBLL)終端使用的PPAC[7-9]靈敏面積為50 mm×50 mm，采用三層結(jié)構(gòu)(圖1)，中間層為公共陰極面，由厚度為2 μm的鍍金Mylar薄膜組成，兩側(cè)為陽(yáng)極面，由間距1 mm、直徑20 μm的鍍金鎢絲組成。兩個(gè)陽(yáng)極面相互正交，x平面給出入射粒子在x方向上的位置分布，y平面給出入射粒子在y方向上的位置分布。探測(cè)器工作時(shí)，陰極面加-600 V的高壓，使用電容引出探測(cè)器的起始時(shí)間t信號(hào)[10]。陽(yáng)極面由多根陽(yáng)極絲構(gòu)成，讀出方法通常有兩種：電荷分配法和時(shí)間分配法。電荷分配法是指在相鄰兩根陽(yáng)極絲之間加入電阻，整個(gè)陽(yáng)極面通過(guò)多個(gè)電阻串聯(lián)。信號(hào)通過(guò)電阻時(shí)，信號(hào)幅度會(huì)有衰減，在陽(yáng)極面的兩端使用電荷靈敏前置放大器收集電荷，通過(guò)計(jì)算兩端信號(hào)的衰減比例確定點(diǎn)火絲的位置。時(shí)間分配法是指在相鄰陽(yáng)極絲之間加入時(shí)間延遲模塊，整個(gè)陽(yáng)極絲面通過(guò)多個(gè)時(shí)間延遲模塊串聯(lián)。信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲模塊時(shí)會(huì)被延遲一定的時(shí)間，從陽(yáng)極面的左端讀出x1信號(hào)、右端讀出x2信號(hào)，通過(guò)TDC采集左右兩端的時(shí)間差來(lái)確定點(diǎn)火絲的位置。實(shí)驗(yàn)中PPAC的讀出方式使用時(shí)間分配法，使用t、x1、x2、y1、y25個(gè)信號(hào)計(jì)算入射粒子的位置信息。

圖1 PPAC探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of PPAC detector

PPAC的原始信號(hào)如圖2所示，黃線為t信號(hào)，藍(lán)線為x1信號(hào)，紫線為x2信號(hào)。為表述方便，使用x1代表x1信號(hào)和t信號(hào)之間的時(shí)間差，x2代表x2信號(hào)和t信號(hào)之間的時(shí)間差，入射粒子的位置可用式(1)、(2)來(lái)計(jì)算：

x=k(x1-x2)

(1)

y=k(y1-y2)

(2)

其中，k為兩根陽(yáng)極絲之間延遲時(shí)間和TDC道數(shù)的刻度系數(shù)。

圖2 PPAC原始信號(hào)Fig.2 Original signal of PPAC

計(jì)算得到的位置分布如圖3所示，每個(gè)峰與每根陽(yáng)極絲的位置一一對(duì)應(yīng)，陽(yáng)極絲的間距為1 mm，可粗略認(rèn)為PPAC的位置分辨好于1 mm。x1和x2之間具有關(guān)聯(lián)性(圖4)，x1+x2為時(shí)間延遲模塊的總延遲時(shí)間。PPAC的位置分辨也可用x1+x2進(jìn)行估算，計(jì)算得到Sigma為0.48 ns，Sigma越小，表示x1和x2關(guān)聯(lián)性越好，位置分辨能力也越高。

圖3 計(jì)算得到的位置分布Fig.3 Calculation position distribution

圖4 x1與x2信號(hào)的關(guān)聯(lián)性Fig.4 Signal correlation of x1 and x2

使用Tektronix生產(chǎn)的DPO5054示波器采集PPAC信號(hào)的波形，通過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)抽樣，模擬高速采樣數(shù)字化儀在100、250、500 MHz等采樣頻率下的PPAC數(shù)據(jù)，圖5為不同采樣頻率下模擬得到的時(shí)間分布。

圖5 不同采樣頻率下模擬得到的時(shí)間分布Fig.5 Simulated time distribution at different sampling rates

2 信號(hào)處理

對(duì)信號(hào)進(jìn)行定時(shí)分析主要使用兩種定時(shí)方法：數(shù)字化脈沖幅度甄別定時(shí)方法和恒比定時(shí)方法[11-13]。其原理為：1) 數(shù)字化脈沖幅度甄別定時(shí)方法，觸發(fā)閾值正比于信號(hào)最大幅度，尋找信號(hào)峰值，選擇合適的觸發(fā)比來(lái)計(jì)算觸發(fā)閾值，在觸發(fā)閾值附近選取合適的擬合點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到定時(shí)時(shí)間[14]；2) 恒比定時(shí)方法，將輸入信號(hào)分為兩路，一路延遲，另一路反向衰減，然后兩路信號(hào)疊加尋找過(guò)零點(diǎn)，在過(guò)零點(diǎn)附近選取合適的擬合點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到定時(shí)時(shí)間[15]。

PPAC信號(hào)的上升時(shí)間為5～10 ns，在5 GHz采樣頻率下，可使用觸發(fā)點(diǎn)附近的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，本文中選擇7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合點(diǎn)選取5～10個(gè)沒(méi)有太大差別。使用x1+x2的Sigma作為尋找擬合參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字化脈沖幅度甄別定時(shí)觸發(fā)比、Sigma及甄別效率列于表1，恒比定時(shí)延遲時(shí)間與Sigma列于表2。

表1 脈沖幅度甄別定時(shí)的觸發(fā)比、Sigma及甄別效率Table 1 Ratio of trigger, Sigma and efficiency discriminated by pulse amplitudediscrimination timing method

使用脈沖幅度甄別定時(shí)過(guò)程中，若觸發(fā)比選擇過(guò)低，信號(hào)的甄別定時(shí)點(diǎn)淹沒(méi)在噪聲中，無(wú)法甄別出有效的時(shí)間信息，造成甄別效率較低。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，脈沖幅度甄別定時(shí)的觸發(fā)比選為0.4，恒比定時(shí)延遲時(shí)間選為8 ns(為了與傳統(tǒng)中的CF8000做比較，CF8000的延遲時(shí)間僅有2、4、6、8、10 ns 5個(gè)擋位可調(diào))。5 GHz采樣頻率下，脈沖幅度甄別定時(shí)方法與恒比定時(shí)方法計(jì)算的位置差別Sigma為0.033 mm，兩種定時(shí)方法結(jié)果區(qū)別不大，與傳統(tǒng)的PPAC獲取系統(tǒng)也無(wú)太大差別[10]。

表2 恒比定時(shí)的延遲時(shí)間與SigmaTable 2 Sigma discriminated by constant fraction discrimination timing method with different delay time

模擬500 MHz采樣頻率時(shí)，每個(gè)采樣點(diǎn)間隔為2 ns，由于PPAC信號(hào)非?？?，每個(gè)波形的上升時(shí)間僅有3～5個(gè)左右的采樣點(diǎn)，因此使用信號(hào)的上升沿做定時(shí)分析時(shí)只能選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，250 MHz或100 MHz采樣頻率時(shí)只能選取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合。模擬結(jié)果表明，擬合點(diǎn)較少時(shí)，脈沖幅度甄別定時(shí)方法的精度比恒比定時(shí)方法的精度要高(圖6)。

使用脈沖幅度甄別定時(shí)方法研究不同采樣頻率下的位置分辨差別，與5 GHz采樣頻率對(duì)比，500、250、100 MHz采樣頻率時(shí)位置分辨的差別Sigma分別為0.076、0.153、0.748 mm。圖7為不同采樣頻率下的定位比較，圖8為不同采樣頻率下的位置分布。

圖6 不同定時(shí)方法得到的時(shí)間關(guān)聯(lián)譜Fig.6 Time correlation spectra with different methods

圖7 不同采樣頻率下的定位比較Fig.7 Comparison of positioning at different sampling rates

圖8 不同采樣頻率下的位置分布Fig.8 Position distribution at different sampling rates

傳統(tǒng)的PPAC獲取系統(tǒng)使用恒比定時(shí)插件CF8000進(jìn)行信號(hào)甄別，甄別后的信號(hào)送到TDC中進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。CF8000要求輸入信號(hào)幅度大于20 mV，否則無(wú)法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行甄別，嚴(yán)重影響PPAC的探測(cè)效率。使用高速采樣數(shù)字化儀采集PPAC數(shù)據(jù)時(shí)，可對(duì)一些信號(hào)幅度小于20 mV的小信號(hào)進(jìn)行定時(shí)分析，從而大幅提高了PPAC的探測(cè)效率。圖9為典型的小信號(hào)丟失現(xiàn)象，黑點(diǎn)為t信號(hào)，紅點(diǎn)為x1信號(hào)，綠點(diǎn)為x2信號(hào)。CF8000可對(duì)t信號(hào)進(jìn)行甄別，無(wú)法對(duì)x1和x2信號(hào)進(jìn)行甄別，影響探測(cè)器的探測(cè)效率。對(duì)500 MHz采樣頻率下的PPAC數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，原始數(shù)據(jù)中事件總計(jì)數(shù)為8 108，其中信號(hào)幅度大于20 mV的信號(hào)計(jì)數(shù)為7 466(圖10中的黑點(diǎn))，使用恒比定時(shí)方法對(duì)這些信號(hào)分析，滿足x1+x2關(guān)聯(lián)條件的信號(hào)為有效甄別信號(hào)，計(jì)數(shù)為7 432，即傳統(tǒng)CF8000的甄別效率僅有91.7%。若使用高速采樣數(shù)字化儀采集數(shù)據(jù)，使用恒比定時(shí)方法分析，有效甄別信號(hào)為7 785；使用脈沖幅度甄別定時(shí)方法分析，有效甄別信號(hào)為7 783個(gè)。圖10中紅點(diǎn)為信號(hào)幅度小于20 mV的小信號(hào)，經(jīng)脈沖幅度甄別定時(shí)方法分析后，滿足關(guān)聯(lián)條件(藍(lán)線)的信號(hào)為有效甄別信號(hào)，計(jì)數(shù)為351(一部分信號(hào)太小，湮沒(méi)在噪聲中)，探測(cè)效率比傳統(tǒng)的PPAC獲取系統(tǒng)提高了4.3%。

圖9 小信號(hào)舉例Fig.9 Example of small-signal

圖10 不同幅度的信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖幅度甄別定時(shí)方法分析后的位置分布Fig.10 Position distribution of signal with different amplitudes after pulse amplitude discrimination timing method

3 小結(jié)

本文使用脈沖幅度甄別定時(shí)和恒比定時(shí)兩種定時(shí)方法對(duì)采樣頻率為100 MHz～5 GHz的PPAC信號(hào)進(jìn)行了模擬分析。模擬結(jié)果表明，采樣頻率為250～500 MHz時(shí)，使用脈沖幅度甄別定時(shí)方法可得到較精確的位置信息，與傳統(tǒng)獲取系統(tǒng)定位的位置分辨的差別Sigma小于0.15 mm，采樣頻率低于100 MHz時(shí)信號(hào)定位誤差較大。使用高速采樣數(shù)字化儀可對(duì)PPAC數(shù)據(jù)中的信號(hào)幅度小于20 mV的小信號(hào)進(jìn)行定時(shí)分析，與傳統(tǒng)的PPAC獲取系統(tǒng)相比，探測(cè)效率提升了4.3%。