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引发后的原子向4π 空间立体 角标的目的平均发射
日期:2019-11-26    访问量:

  闪灼体探测器光的刻度取标定摘要:本尝试通过成立一套基于脉冲激光的三维从动检测平台,并操纵此平台对 大面积成像型闪灼体探测器的部件及探测单位的质量节制进行研究,为大面积成 像型闪灼体探测器的研究及制制供给无力支撑。模仿6LiF/ZnS(Ag)闪灼体中子 探测器探测中子的尝试中,我们用激光模仿中子打靶发出的光,光输出后顺次进 入光电倍增管的64 个通道中,丈量通道的增益,收集数据,取出厂数据做比力。 部门模仿成果取尝试成果合适无缺,该一系列尝试正在成立高通量粉末衍射仪方面 有极大帮帮。 环节词:高通量粉末衍射仪;闪灼体中子探测器;光电倍增管H8500;多模光纤 scintillatordetector light path Abstract: present,webuild 3Dautomatic detection based pulselaser platform studyinglarge type imaging scintillator detector components detectionunit qualitycontrol,in shiftingscintillator neutron detector using 6LiF/ZnS(Ag) scintillation screens performed.Weuse lightwhich neutronhit PMTrelate lightafter light out,then,the light channelone one.After wecan collect constructingneutron detector highintensity powder diffractometer Chinesespallation neutron source. Key word: HIPD;scintillator neutron detector;PMT H8500;Multimode fiber 引言跟着科学的前进和手艺的成长,大面积成像型探测器正在大科学安拆、工业检 测、医学诊断和反恐安保查抄等范畴中饰演很是主要的脚色,其需求也越来越大。 保守的成像型探测器根基上分为三品种型:一种是硅探测器,如CCD、CMOS 它们的特点是手艺成熟,精度高,价钱相对廉价,但致命错误谬误是面积很难做大;第二类是气体探测器,相较于硅探测器,其尺寸能够做得较大,但精度较差,而 且其内部气体压力、配比等容易遭到使用的和影响,不变性较差。某些 气体的价钱也相当高贵,了其大范畴的使用;第三类是闪灼体探测器,它同 样能够做大面积的成 像,却不会像气体探测器那么容易遭到的影响,并且价钱相对较低,因而被普遍的使用于工业检测、集拆箱检测、医用PET 等范畴, 正在大科学安拆中也有较为普遍的使用。例如正在中国散裂中子源(CSNS)中的通 用粉末衍射谱仪(GPPD),基于加快器驱动次临界系统(ADS)的先辈核裂变能 源研究等城市利用闪灼体探测器做为对中子的丈量方案。 项目布景1.1 散裂中子源 中国散裂中子源(CSNS)项目已于2008 年起头正在广东东莞开工建筑。CSNS 将是我国也是成长中国度具有的第一台散裂中子源,其脉冲中子通量将位居世界 前列。正在加快器、靶坐和谱仪等各方面采用了一系列世界先辈的设想和手艺,200 kW CSNS的无效中子通量将跨越目前已运转的英国卢瑟福尝试室的散裂中 子源ISIS,以满脚我国正在多学科范畴内对中子散射的强劲需求。CSNS 安拆建成 后将取英国、美国、日本的散裂中子源相并列,成为世界四大次要脉冲散裂中子 源科学核心之一 图1.1是CSNS 的系统布局图。其次要是由1 台负氢离子曲线 台谱仪,以及响应的安拆配套,还需要扶植安拆建建物、供电、供水、空和谐辐射防护设备等。中国散裂中子源拆其总体设想 目标为:打靶质子束流功率200 kW,脉冲反复频次25 Hz,每脉冲质子数1.5610 13 质子束动能1.6 GeV,最高脉冲中子通量 2.010 16 /cm 1.01013 /cm 最高通量每单元质子、每单元立体角弧度510-3 别为高通量粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪。参照国际同类安拆的建制及运转经验,估计自工程建制完工后三年内达到总体设想目标。 图1.1 CSNS 系统布局示企图 中子散射谱仪是用于中子散射尝试的安拆,是散裂中子源的最主要部门。中 国散裂中子源的谱仪型式和名称有良多种,总体上分为弹性散射谱仪和非弹性散 射谱仪这两类,每类中又各包含多种小类。而每类谱仪又能分为多种,任一种谱 仪因各个部件参数的差别而具有分歧机能和使用范畴。例如粉末衍射仪中有高分 辨粉末衍射仪、高通量粉末衍射仪、工程用粉末衍射仪、非晶液态粉末衍射仪等。 CSNS 靶坐共有三个慢化器:水(300 K)、液态甲烷(100 K)、液氢(20 K),共18 条中子孔道。参照国际散裂中子源多学科使用的现状和将来二十年 科学的成长,按照分歧散射谱仪设想对慢化器、中子飞翔距离和中子探测器所需 空间的要求,对响应的中子谱仪进行了初略的全局规划,如图1.2。 图1.2 CSNS 谱仪的总体放置示企图 分析比力探测机能、不变性和制做成本等要素,闪灼体探测器是满脚大面积成像型探测需求最适中的方案。 目前限制闪灼体探测器使用的环节要素之一是各探测单位之间分歧性的问题。大面积成像探测器的形成单位一般都较多, 正在探测-读出环节大多采用了光电倍增管(PMT)等放大器件。因为出产工艺等 客不雅缘由,各个读出通道的机能参数难以连结分歧,导致闪灼体探测器的均一 特征正在批量出产中难以获得较好的婚配和节制。 因而正在探测器的研制、测试和出产过程中,都需要对闪灼体和光电探测系统各个环节的环节参数进行细致 的丈量,并按照成果进行婚配拆卸和矫正刻度。 目前国表里比力通行的做法是采用先拼接后用物理事务进行定标的体例来进行校验,如许做不只尝试安插 耗时长,校验成本较高,并且检测质量往往不敷详尽。因为各探测单位间可能 差别较大,对全体成像的弥补算法很难顺应每个具体的硬件单位,从而形成成 像结果的下降。另一种体例是对每个探测单位上的位元进行抽样校验,校验完 后再进行拼接,如许做就能够尽量避免相邻探测单位间较大的差别,但由于抽 样的成果难以笼盖全数的探测单位,拼拆婚配的根据贫乏参考细节,仍无法保 证较好的探测结果。最抱负的做法是对每一个位元都进行检测,如许做能够充 分探测器的探测结果,但却带来项的工程承担——需要验证的数据量 实正在太大——每个位元都需要进行脚够统计量的事例测试后才能将该位元的校 负数据写入校正矩阵备用,若是完全由手工来检测的话,校验探测单位的时间 将远远跨越零件的制制时间,提高了出产成本,更会严沉影响工程的进度。 例如,正在CSNS一期的GPPD 工程中,将利用128 个单位的闪灼体位敏中子探 测器构成探测阵列,每个单位上有(112*48=5376)个位元,正在批量出产中每个 单位的PMT 元件和光纤光都存正在参数上的不确定,为处理元件婚配和刻度校 验的问题,彩天下官网,很是有需要正在闪灼体核探测器的研制及批量出产阶段,设想一套配 合检测各个元件和成品机能的测试平台,从动化的进行校准和刻度 。目前国表里的大面积成像型闪灼体探测器都没有成熟的全面检测系统,安拆前都只做 简单测试,对于对探测器要求较严酷的使用,其成品和现场检测都是设想制做 公用尝试方案进行校验和刻度的,通用性较差。而且正在这些公用尝试方案中, 对探测器本身的检测多是操纵放射源/线等手段,即利用其他探测器辅帮测 量待测闪灼体位敏核探测器的机能参数。放射源刻度的方式存正在测试系统复 杂,放射源相关办理律例严酷,触起事以节制等缺陷。对于闪灼体探测器而 言,放射源刻度方式只合用于最初阶段的零件测试,对于出产环节中各个光学零部件的刻度和婚配则无法胜任,因而难以很好地对闪灼体位敏核探测器进行 出产质量节制 。针对目前这种没有通用设备对大面积成像型闪灼体探测器进行从动测试的现状,本项目拟通过成立一套基于脉冲激光的三维从动检测平 台,并操纵此平台对大面积成像型闪灼体探测器的部件及探测单位的质量节制 进行研究,为大面积成像型闪灼体探测器的研究及制制供给无力支撑,对大面 积成像型闪灼体探测器的使用推广及财产化有积极的意义。本项目标研制成功 也会对我国成像型探测器的成长有积极的鞭策意义。 [10] 1.2 通用粉末衍射仪GPPD 当前,考虑到国内各类环境,CSNS 打算扶植3 台中子谱仪,别离是通用粉 末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪。此中通用粉末衍射仪(GPPD),次要用 于研究物质的磁布局和晶体布局,以满脚来自凝结态物理、材料科学、化学和纳 米科学等浩繁范畴的科学研究和工业使用的需求。 CSNS 高通量粉末衍射谱仪设想的根基方针为:(1)满脚国内大大都用户对 研究物质磁布局和晶体布局的需求;(2)谱仪最佳分辩率达到 =0.2%;具有研究小样品的相变、布局和及时化学反映的能力;可供给高温、低暖和高压等 特殊样品。CSNS 高通量粉末衍射仪的根基布局如图1.3 所示,次要包含中 子导管、T0 斩波器、带宽斩波器、监测器、样品室和散射室、活络中子 探测器及数据获取系统、曲射中子束接收体(Beam Stop)以及屏障设备等。为 了实现GPPD 的设想目标,正在谱仪物理设想时,次要考虑满脚谱仪两个最主要的 参数:最佳分辩率以及样品处的无效中子通量。表1.1 为CSNS 通用粉末衍射谱 仪GPPD 的设想目标参数。 [10-12] 图1.3GPPD 谱仪的根基布局示企图 表1.1GPPD谱仪的设想目标参数 慢化器 水(300k) 中子波长范畴 0.3 ~5.3 最大中子束宽40(h)20(w) mm 中子导管 超镜聚焦导管样品到慢化器的距离L1 30m 样品到探测器的 距离L2 150背散射探测器组 1.50m 90探测器组 2.00m 15低角探测器组 3.82m GPPD 选用 300k 的水做为慢化器,能够正在必然程度上提高长波长中子的有 效通量,以便无益于较大的丈量。通过慢化器慢化当前,脉冲中子的波长将 变长,然而分歧的慢化器能够使脉冲中子的波长范畴有所区别,以别离合用分歧 标准的布局研究。样品安设正在样品腔的核心,中子探测器正在记实达到探测器 的中子数目消息的同时记实其飞翔所用的时间,即可获得中子计数跟着中子能量 (波长)变化的曲线图。 GPPD 谱仪的次要使用范畴包含物理、生物、化学和材料学科等,如原子的 热震动参数及拥有率的测定、随时间变化的动态丈量、极小样品的衍射尝试、高 压前提下的衍射尝试、磁有序和磁相变研究、完全未知的新布局测定等。 [13] 闪灼体中子探测器(SSND)1.3.1 探测器工做道理 SSND 采用上下两块平板型6LiF/ZnS(Ag)闪灼屏,两头二维WLSF 阵列做为 夹层的几何布局,光纤结尾取多阳极光电倍增管耦合,该布局可正在必然程度上提 高探测器的热中子探测效率.图1.4 为模仿所建立的探测器模子. 图1.4探测器工做道理示企图 按照中子正在第一层或第二层闪灼屏中,发生以下核反映实现对热中子的探测: 上下两层彼此垂曲的波长转换光纤阵列陈列正在闪灼屏的一侧。中子核反映产 生闪灼光,被二维光纤阵列接收并被转换成波长更长的光子,再经波长转换光纤 传输到取波长转换光纤相毗连的光电倍增管上,发生电信号,操纵后续快速鉴别 电和数据获取系统,获得入射中子的二维和时间等消息。 1.3.1 6LiF/ZnS(Ag)闪灼屏 正在对闪灼体探测器的进修中,我们领会了很多分歧的闪灼体。起首我们来了 解下闪灼体探测器中闪灼体的类别以及感化。 闪灼体是闪灼体探测器的主要构成部门,它是一种可以或许接收高能粒子或射线 后,可以或许发光的材料。按照材料类别,它被分为两大类:无机闪灼体和无机闪灼 体。正在尝试室中我们常见的无机闪灼体有:CsI (Tl)、CsI(Na)、ZnS(Ag)等,此中 括号内为混入的少量激活剂,添加激活剂后能较着提高它的发光效率。而尝试室 中常见的无机闪灼体有:液体闪灼体和塑料闪灼体。正在该项面前目今,我们用的闪灼 LiF/ZnS(Ag)闪灼体的光产额远高于其它几种闪灼体,其次它对于γ 射线的衰减时间要远小于对中 MeVMeV 子的衰减时间,能供给很好的n/γ射线分辩能力。而且,它具有对伽马射线不灵 敏、不易潮解、可大面积加工以及价钱低廉等奇特的长处。而因为ZnS(Ag)和LiF 均为粉末,需要用无机粘合剂相夹杂,构成闪灼层。这种闪灼层欠亨明,它的无效 厚度被正在大约0.4 mm,从而导致正在中子垂曲入射时,正在1Ǻ 处的中子探测效 率仅为 25 %摆布。所以如若使闪灼体探测效率提高,需要正在探测器布局上做出 改良。 [14] 1.3.3 波移光纤的性质 正在此项目探测器制做过程中,我们用到了波移光纤(WSLF)。起首,我们来 引见一下关于波移光纤的一些性质。 波移光纤是闪灼体中子探测器的构成部门,其布局道理如图1.5 所示,由 内部芯层和外包层两块构成。它的工做道理是:内芯层里的某种物质接收闪灼 层发出的入射光子(波长较短),该物质被激发,激发后的原子向4π 空间立体 角标的目的平均发射(波长较长)光子,光子达到内芯层取外包层界面时,由于出 射角度大于临界角,此时会发生全反射,全反射光子传输到光纤两头,被光电 倍增管领受。 图1.5 波移光纤道理图 正在现实中,对于6LiF/ZnS 闪灼体中子探测器,我们所采用的是BCF-91A 号波移光纤,它的曲径是1mm,通体荧光绿色,它的实物图如图1.6 所示。 10 图1.6 波移光纤实物图 它的功能是将蓝光转换成绿光,实现波长挪动的结果,这也是我们为什么要选用 该种光纤的缘由: ZnS(Ag)闪灼体发出的光波长的峰值为450nm,而该种波移光 纤接收光谱的峰值有两个,别离正在420nm 和450nm 处,所以傍边子打到闪灼屏 上而发出光子,这些入射光子能较好的被光纤阵列所接收,再由全反射(光损微 小)发出较长波长(峰值波长为510nm)的光,最初被光电倍增管收集。 图1.7 波移光纤光谱图 图1.7 为ZnS 发射及WLSF 发射接收光谱,由图像能够清晰看出正在波长正在 450nm 处,ZnS 发射谱有一个波峰,而刚好此处WLSF 的接收光谱也有一个波 峰,即波移光纤可以或许很好地接收由闪灼层所发出的光,并发射出更大波长的 111.3.4 多阳极光电倍增管机能 除开上述闪灼屏取波移光纤外,多阳极光电倍增管(MAPMT)也是闪灼体 中子探测器的一个主要构成部门,起首我们回首一下光电倍增管的机能及感化。 光电倍增管,是一种实空电子器件,它可以或许使微弱的光信号转换成电信号, 它的布局道理图如图1.8 所示,入射光子进入光电倍增管,达到光电阴极,工夫 极正在实空中激发光电子,正在电场感化下射向第一倍增电极,惹起电子的二次发射, 激发出更多的电子,然后正在电场感化下飞向下一个倍增电极,又激发出更多的电 子。如斯电子数不竭倍增,阳极最初收集到的电子可达到 10^4~10^8 倍,最初做 为输出信号,取后置光电学仪器毗连。 图1.8 光电倍增管道理图 正在工艺制制中,我们用到的是多阳极光电倍增管(MAPMT),多阳极光电倍 增管具有空间布局慎密、高增益、低噪声、空间散射小和时间分辩率高(100ps)等 特征。尝试中,用到的是平板型金属封拆的H8500光电倍增管(88=64个单位阵 列,相当于64个单通道光电倍增管),其实物图如图1.9所示, 图1.9光电倍增管实物图 该管子无效削减了探测器中PMT 的数量。 12 光标定系统的构成2.1 总体架构 图2.1 探测器测试平台系统布局图 图2.1 为探测器测试平台系统布局图,图2.2 为固定正在光学平台上的3D 测试 平台示企图。平台利用激光做为不变的输出光源,颠末调制后模仿闪灼屏上的出 射光子光斑(大小可通过分歧的准曲器件调理),映照正在待测元件上(PMT 或者 闪灼体探测器的波移光纤阵列),获得元件响应,进一步获得探测效率和分 辨率等机能参数。[15]通过机械驱动安拆改变激光光斑的映照,能够扫描测 量分歧读出通道之间的放大增益。因为闪灼体探测器的测试需要正在无光前提下进 行,光电测试平台的检测部门将位于暗室傍边,数据获取系统和节制操做则正在暗 室外部通过电缆近程相联。 图2.2 3D 测试平台示企图 13 2.2 光学模块 光学模块采用可编程激光器,节制道理见图 2.3。模仿电压输入端 analogue input 用于节制激光器输出功率,编程节制端control 则用于收发对激光器的节制 字符指令和施行反馈。 图2.3 激光器节制 激光器的最大输出功率凡是为100mW级别,漏输出功率约为千分之一,调 制带宽1MHz 摆布。因为输出能量远远高于闪灼体探测器的一般入射和PMT 极限,因而需要进行衰减。衰减的目标一方面是让波移光纤获得接近闪灼体探测器工做环境下的入射光子数,另一方面是漏输出功率,削减本底入射光子数 目,使得调制出的激光输出愈加接近“脉冲”的模式。 图2.4 激光强度的衰减调制方案示意 图2.4 是对激光强度的衰减调制方案示企图。光学模块的各个元件安拆正在一 个光学面板上,衰减方案采纳联级调制,正在光纤部门还能够利用可调或固定的光 14 纤衰减器辅帮调理。衰减的第一级元件是中性衰减片,将激光强度衰减1-3 个数 量级摆布,让通过的光强达到后继元件承受的功率范畴。后继元件则实现对光强 衰减程度的调理功能,让最终的脉冲输出取预期的强度相符,并正在光学面板上转 折光以节流空间尺寸。 因为激光器从接管节制电信号,到发射激光脉冲,两头会有必然的延迟,某 些环境下间接用节制激光的电信号做为触发不是很精确(如丈量PMT 渡越时间 或探测器时间响应),因而模块结尾激光由光纤分器一分为二,两部门的输出 强度比例固定,分出此中一道用于基准丈量的子输出。Monitor PMT 用来辅帮记 录激光脉冲的强度,也可做为数据获取的触发选项。检测Monitor PMT 上的激光 脉冲强度,能够获得映照到闪灼体位敏核探测器光纤阵列上的激光脉冲强度的对 比数值,用来做效率丈量中的入射光强参照。 [16-17] 2.3 传输光纤 光学模块采用多模光纤如图 2.5,接下来我们引见一下多模光纤。多模光纤 是正在给定的工做波长上,所传输多种模式的光纤。由于多模光纤中,传输的模式 多达数百种,各个模式的速度分歧,会使光纤的带宽窄,色散大,损耗也大, 只适于中短距离和小容量的光纤通信系统,但尝试中,光纤弯多损耗就大;节 点多则光功率分就屡次,这就要求光纤内部要有脚够的光功率传输。多模光纤 比单模光纤芯径粗,数值孔径大,能从光源耦合更多的光功率。 将输出的脉冲激光通过光纤输送到机械平台上的投影上。对光纤传输来说, 环节的环节正在于入射和出射的耦合,以及传输路子上的衰减波动。多模光纤虽然 存正在各类色差和弯曲衰减,但光学模块中光纤的距离并不是很长,通过选择 合适弯曲盘绕半径高次模数,多模传输对脉冲波包的畸变能够正在能够接 受的范畴。 因为光纤的内径比激光器的光斑曲径要纤细良多,为了避免耦合点机械 震动带来的光强波动,光将通过一个激光扩束镜耦合到光纤准曲器上,如图2.6 所示。一方面扩束结果将再次衰减进入光纤的激光强度,另一方面如许光纤的接 受区域将是一个较大的范畴光斑,细小震动带来的局部光强变化会被平衡掉。 15 图2.5 扩束镜取光纤准曲器耦合获得不变光馈送 正在光纤中的传输模式中,最次要的基模成分的出射特征接近高斯光束,正在经 过的距离达到最小束腰后将很快发散,对高次模发散角度宏不雅上既为数值孔径。 我们利用光纤准曲器对光的入射和出射进行耦合,准曲器将光纤端面的发散光再 次聚焦,并转换成预定的工做距离 Z0 和束腰曲径 W,如图 2.6,如许就能将激 光输出耦合到需要的特征参数(聚焦距离,光斑尺寸)上去。 图2.6 光纤准曲器汇聚光束 2.4 机械模块 对闪灼体位敏核探测器零件的光电测试中,激光脉冲投影正在波移光纤阵列上, 需要给出一个入射点坐标做为探测器内框架中的预期。正在分辩率的丈量 PMT给出响应信号,确定响应点的坐标和误差,也需要和入射点进行对比。 因为机械平台瞄准曲器的定位给出的是机械平台为基准面的坐标参数,因而需要 正在待测元件取机械平台两者之间成立各自基准面的坐标,获得矩阵的原 理如图2.7 和图2.8 所示。 16 图2.7 发射端到探测器的映照关系 为避免相对精度不脚,机械平台用大约4-5 倍的步长逐渐扫描每个读出通道 上的预设点,沉心法拟合出激光脉冲投影到读出通道核心对应的坐标。当所有坐 标逐个对应起来之后,通过解矩阵方程的方式就能获得机械平台坐标系到探测器 内框架坐标系任何一点的关系。 图2.8 寻找探测器光纤阵列读出通道核心对应的机械平台投影坐标方式 机械平台的挪动由可编程逻辑节制器(PLC)节制,正在研制时按照步进电机 的步长等消息计较好了内置的里程算法。为了查验机械平台的切确度,正在XY 个轴上额外安拆有磁栅尺(光栅尺会影响闪灼体探测器的测试所以不采用),其读数用于校验PLC 的步长计较。机械平台正在测试阶段采用labview 做为节制 软件,通过labview 的虚拟仪器界面进行操做。当其他子系统完成后,机械平台 还需要正在系统联调中进行准曲算法的检测尝试。机械平台启动后起首辈行归零运 动,然后输入多个目标坐标队列(以机械平台本身磁栅尺做为坐标参照系),机 械平台将一一的挪动到对应的坐标上。每次就位后由光源取数据获取模块协同展 17 开测试,给出丈量点消息。通过对比 PLC 前往的读数,联系关系机械平台取探 测器基准面的坐标,进行映照关系推导。因为闪灼体位敏探测器读出通道较多, 正在进行扫描测试时,需要颠末一个互换开关心换分歧的读出通道。 2.5 基于VME 总线的数据获取 数据获取由基于VME 总线上的采集卡完成,设备节制架构如图2.9 所示。 正在数据获取系统中,单板机以 universeII 芯片做为桥接工控机 PCI 总线和 VME 总线的,后正在另一侧总线问的功能设备称为镜像。操纵该芯片驱动 的镜像设置,可认为多个VME 总线上的功能设备分派预订地址,然后通过操做 映象的寄放器完成设置装备摆设和运转功课等操做。针对批量检测中多个通道的同时读出 的环境,能够设置桥接芯片利用DMA 传输的体例,并采用基于事例的数据记实 模块,按照先入先出(FIFO)的挨次将多个板卡的多次丈量数据法则打包。 图2.9 基于VME 总线的数据获取和设备节制 2.6 节制模块 节制模块是光电测试平台的总安排模块,它担任将所有子模块的需要消息收 集起来,并按照预设的逻辑节制各个子模块的运转序列。测试平台的节制系统参 考了高能物理尝试中的节制系统框架,采用文本文件记实辅帮消息,以python 为图形界面,采用C++的接口将各个子系统的节制规范起来。节制模块正在构架上自创了核物理尝试中的形态机模子和 EPICS 软件构架。 形态机模子如图2.10 所示。它将一个尝试中的分歧阶段笼统表达为分歧的形态, 正在从一个形态进入下一个形态的过程中,挪用所有子系统对应的处置函数进行适 配动做。针对形态机模子的特点,检测平台的所有功能设备(激光,数据获取板 卡,高压辅帮)正在节制系统中都对应一个子模块,由一个固定的基类派生而出, 18 其全体架构的UML 描述。基类中定义了形态机各个动做对应的笼统接口,各个 子模块通过派生出具体的接口函数,实现为光学模块设置装备摆设激光功率,以及启动 VME 数据获取等操做。 图2.10 节制模块的形态及模子 系统所有子模块做成动态链接库的形式,正在形态机初始化或封闭之际由一个 最根基的 engine 子模块担任加载和移出(该模块还担任读取所有功能设备的配 相信息等初始动做,因而称为引擎模块)。 形态机模子担任固定设置装备摆设下单次测试的步调办理,分歧尝试前提的多次丈量 之间则由更上层的EPCIS(Experimental Physics IndustrialControl System)工 具软件节制。EPICS 软件是针对尝试物理取工业节制系统的一个软件框架,它实 现了对物理尝试中的各个子系统进行分布式节制办理,通过收集层CA 对下级模 块施行消息获取和号令安排,让分歧地址的下级系统能够集中通过近程察看和操 系统误差测试及阐发整个对光电倍增管增益丈量的的尝试中,我们起首必需正在尝试过程中, 各个模块所发生的噪声和影响不跨越某一范畴。 激光发生器所发生的激光颠末衰减器反射达到多模光纤,因为多模光纤的不 同弯转半径对高次膜的影响分歧,我们需要对光纤弯转的分歧圈数进行试验测试, 因为激光器从接管节制电信号,到发射激光脉冲,两头会有必然的延迟,某些情 况下间接用节制激光的电信号做为触发不是很精确,因而模块结尾激光由光纤分 器一分为二,两部门的输出强度比例固定,分出此中一道用于基准丈量的子输 出,另一部门毗连机械平台的激光框架,激光打到光电倍增管的通道中,得考虑 光电倍增管本身的噪声。光电倍增管最初64 个通道分为8 ,毗连到外控 制系统的 QDC 设备中,进行积分,此中该过程中,8 通道可能发生的噪 声比单通道大得多,尝试证明白实如斯,然而正在接连QDC 后积分所获得的信号 取单通道所发生的噪声根基分歧,这是因为噪声信号的高电平取低电平比单 通道幅度大,但高电平取低电平幅值根基分歧,积分后彼此抵消,因而,单通道 通道所发生对噪声影响根基能够忽略,其完整的测试数据及阐发结论鄙人面会有引见。验证性尝试下,8 取单通道发生系统误差分歧,同时确保误 差小于3% 。接下来我们必需QDC 设备的输入输出线性,起首信号发生器 输入会毗连激光发生器和 QDC,毗连 QDC 给它一个信号,因为门电的感化 (当输入端所加信号达到必然前提的时候,“门”打开,这时脉冲信号输出),调 整输入信号获得分歧输出信号,可查验QDC 的工做能否为线性,若为数据图像 为线性,则可拟合成曲线函数,可由各信号的输入反推输出。全体的尝试操做流 程大要如上简单所述,接下来逐个引见这些查验性测试的阐发及成果。 3.1 光纤转弯影响 3.1.1 尝试目标 测试平台正在从动测试的过程中,机械具会带动准曲器正在待测元件垂曲 投影范畴内活动,这将使多模光纤处于动态弯曲的形态。多模光纤的弯曲损耗 20 次要来自弯曲前提下导致传输模不婚配和模场功率的横向泄露,操纵多模光纤 弯曲衰减的特征,能够设法对结尾引出的光纤事后进行弯曲结构,改变多模光 纤的圈数,使高次模获得脚够的衰减,最终衰减后的光正在输出前,完全消 除大部门高次模区间,尽量削减外部光纤挪动形成的不不变,如许正在机械挪动 所形成的细小误差能够获得很好的处理。为此,基于上述道理,我们进行了多 模光纤弯曲圈数对光损的影响测试。 3.1.2 尝试过程及成果 前期尝试,曾经测试过多模光纤的弯曲半径取弯曲损耗的关系,其尝试过程 就不细致阐述,只做简单描述即可,尝试的设想图如图3.1 所示。 图3.1 试验设想图 我们测试了三种光纤弯转半径(别离为 8.5cm、5.0cm 2.0cm)下的光丧失,弯曲损耗根基呈现跟着弯曲半径变小而增大的趋向,半径较小时损耗变化 猛烈,半径较大时损耗变化较迟缓,最初测得数据如表3.1 所示。因而, 表3.1 光纤半径取光丧失 光纤弯转半径(cm) 2.0 5.0 8.5 光丧失率(%) 6.3 3.9 3.7 最初正在考虑尽量降低光损耗及 SSND 探测器死区的环境下,探测器样机设想中 我们选择2.0cm 的光纤转弯半径。 21 而正在本测尝尝验中(弯曲圈数做为尝试变量),我们设想了一套测试方案, 其设想图如3.2 所示,起首我们选用的光纤半径为2cm(前面尝试所认为2cm 最适),光线由激光发生器打出,颠末光电学仪器衰减反射后结尾接上多图3.2 试验方案道理图 模光纤最初取光功率仪表相接。正在多模光纤的分歧环绕纠缠圈数下,我们获得的输出 光功率是分歧的,尝试步调起首我们调高高压,打开激光发生器,确保激光发出 的输出功率分歧(即输入光纤的光强不异),先丈量正在圈数为 的时候,光功率仪暗示数记实下来,随后封闭高压、激光,将多模光纤圈数调至2 圈,打开高压、 激光,调整激光功率,确保取圈数为 时激光输出功率分歧,记实仪表中数据,频频顺次丈量8 组数据。由丈量的数据绘制图像,如图3.3 22 图3.3 多模光纤弯曲圈数下的相对光强 按照上述数据,我们能够很曲不雅的看出,总体上输出光强是跟着多模光纤的 环绕纠缠圈数的添加而衰减的,如许正在正在固定的激光强度下,光强逐步趋于不变,正在 圈数达到5 的时候根基不正在变化,圈数为5 的时候即为合理的盘绕圈数选择,正在 机械平台的活动幅度正在许可范畴内时,5 圈可以或许使高次模获得脚够的衰减。 3.2 QDC 标定的线 尝试目标 QDC 集成了32 电荷储存器件,32 信号通过32 对双绞线构成的扁带状 电缆接入,正在对光电倍增管64 通道增益测试的尝试中,我们还需要对QDC 设备输入输出能否线性进行测试。QDC 电荷积分对阴极放大器输出的信号做积 分成电荷量并变换成数字量。QDC 进口接阴极发出的信号,如上述所说,要使 QDC 的电荷向数字为线性,如许才能正在丈量调整增益时获得的数据可 3.2.2尝试过程及成果 尝试流程如图3.4,我们将信号发生器间接连正在QDC 的输入端,其输出端连 接VME 总线,正在办事器银盘我们拆卸了linux 系统,由拆有linux 系统电脑寻址 可以或许取办事器传送文件,QDC 输出端输出的数据间接由办事器存储硬盘传送到 电脑中。随后,正在信号发生器输出分歧电压环境下,我们获得几组数据,阐发信 号发生器输出电压取所收集的数据能否成线性关系。 数据输出 信号发生器 QDC VME 总线 尝试流程图 该测试尝试较简单,只需调动信号发生器收集数据即可,但需要留意一点。 正在信号传输的过程中,信号由 QDC 传输到 VME 总线时,我们要求发生器给的 信号频次不克不及过大(尝试所用频次为10 10Hz),由于我们所收集到的数据是以 32 位二进制代码为一组,共有 32 ,加上一头一尾两个 32 位,一共加起来有 4b3410 约为1328Mb/s,所以若是频次太大,每秒传输的消息缓存需 要太大,容易导致计较机卡死、发生BUG 等环境。 3.3 读出的影响验证测试 3.3.1 尝试目标 正在尝试室设备中,我们现正在利用的是用八个NIM线通过PCB 板毗连光电倍 增管的64 个通道,每八个接一个NIM线,即每八个单通道输出一个信 号。而还有一种单通道输出的PCB 板(如图3.5),中两个插孔引印丝到signal number,一个孔接地,一个输送信号。如许,对于输出信号能否正在各通道之 间输送信号时会有串扰的问题,提出了疑问。 图3.5 单通道输出的PCB 板实物 据文献参考,八位时发生的信号噪声取单通道发生的信号噪声会有区别, 但正在通过QDC 积分电后,噪声不同能够忽略。基于此假设能否成立,我们进 24 行了该验证性尝试。 3.3.2 尝试过程及成果 起首,毗连好整个尝试安拆仪器,激光——光学模块——多模光纤——机械 平台——光电倍增管——NIM线——示波器。其次,丈量正在单通道的时候,光电 倍增管所输出的信号;当接八的通道时,测出光电倍增管所输出的信号, 比力两次信号输出的图像及参数,我们能够较着看出,当光通过八通道时, 所发生的信号衰减要强于光通过单通道时发生的衰减。 如上述,正在光电倍增管结尾未接QDC 的时候,光电倍增管输出信号不同较 大。那么接了QDC 后,输出的信号能否不同也大,我们做出了否认的猜想。QDC 做为积分型模—数转换器,理论上,正在如上图图像积分后不同不大,为此,我们 调整了上述尝试设备的毗连:激光——光学模块——多模光纤——机械平台—— 光电倍增管——NIM 线——QDC——示波器,我们调理信号发生器所输出的信 、信号700mV、长度100ns 。尝试最初示波器上所测得的图形如3.6 和3.7 所示。 图3.6 单通道输出 25 图3.7 八输出 3.4 对电缆线 尝试目标 光电测试平台的检测部门将位于暗室傍边,数据获取系统和节制操做则正在 暗室外部通过电缆近程相联。16 跟电缆(如图3.8)虽然长度宽度等规格根基一 致,但因为细微排线不同,可能导致对光的衰减各不不异。因而,若是每根电缆 对光的衰减影响跨越可控范畴,而且各分歧,那么我们需要正在此处做到调整改良, 使正在此处的光衰减调到尽可能小且不异,对后续尝试不要形成影响。对此我们进 行了该项测试。 图3.8 电缆实物图 26 3.4.2 尝试过程及成果 尝试过程如下,我们起首将型号发生器搬移至暗室,易于调理,再将信号发 生器通过电缆取QDC 毗连,分出另一条取示波器毗连。调整信号发生器CH1 号为10Hz的频次,高电平为200mV,低电平为0,延时50ns;设置门信号CH2 为10Hz,高电平500mV,低电平0。届时预备工做完成,将打开配有linux 系统 的机箱和电脑,电脑毗连到办事器中,打开信号发生器,正在示波器上会看到CH1 取CH2 的波形,接着将毗连VME 取电缆的NIM线的八个通道别离丈量,正在笔 记本电脑中输入号令,起头收集数据。八个个通道别离收集数据如下所示。 数据的形式是以32 个16 进制构成(如图3.9)所示,此中模数转换是由后 图3.9 数据存储形式图 13 位数据决定的,前面数据只代表通道数、头文件名等。 尝试收集到的数据所表白通过各个电缆后进入 QDC 输出的信号根基分歧, 表白每条电缆的分歧对信号的衰减根基不异。 3.5 光电倍增管64 道通道增益丈量 3.5.1 尝试目标 对光电倍增管64 道通道增益丈量尝试为所有尝试中最为繁琐的尝试。前面我 们晓得,现正在所用的 PCB 板为八通道输出的,对光衰减的影响颇为微 小;16 条电缆对光衰减的感化也可忽略不计;而且也验证了 QDC 的线性尝试, 那么基于上述各项验证性尝试成功的前提下,我们能够对光电倍增管进行增益的 测试,比力测试成果取厂家赐与的出厂数据能否分歧,如若不分歧,需要调整改 27 3.5.2尝试过程及成果 尝试前得做好预备工做,将尝试各个仪器设备准确毗连,如图3.10 所示。光 电倍增管64 通道增益丈量,由激光模仿中子打靶发出的光,颠末衰减、反射 后,通过环绕纠缠的多模光纤传输光,最初将输出端固定正在 X-Y 挪动平台上随挪动 平台挪动而挪动,正在距离挪动平台几毫米处,有取之平行的机械固定支架, 固定有光电倍增管,光电倍增管结尾接NIM线,通过电缆取QDC 相连,连续 接示波器,连续接VME 机箱,机箱拆有linux 办事器,电脑可实现近程操控。 起首我们正在操做前,需要将 X-Y 挪动平台上激光输出端瞄准光电倍增管的一个 孔位,实现定基准点,因为没有反馈系统,我们只强人工操做对孔这一步调,因 为是用去察看能否平曲瞄准,所以会发生不小误差,并且因为也无法确定移 动平台取光电倍增管的固定框架能否达到可控范畴的平行,因以上两个缘由,光 可能正在打入光电管之后有较大丧失,这一点需要后期进一步改良。对孔后,我们 按照每个孔之间的间隔距离,计较出此中四个点坐标,然后进入模仿节制界 面顺次输入x



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