波形数字化在物理实验中的应用研究

论文摘要

波形数字化技术在现代物理实验信号读出领域具有广阔的应用前景。信号波形的直接数字化可以保留信号几乎全部的物理信息,从而能够进行最为精准的物理分析。近年来,电子技术的发展使得波形数字化的性能越来越高,功耗和成本却日渐降低,使用波形数字化技术进行物理实验信号读出已经成为一种趋势。各种物理实验的特点不尽相同,他们对读出电子学的要求也千差万别。因此针对不同的物理实验,需要设计相应的波形数字化方案。本文针对3种典型的物理实验应用,设计了相应的波形数字化系统框架:ICF实验中滤波荧光谱仪信号的读出;空间舱内复杂辐射环境测量;大学核物理实验教学核信息采集。这些设计充分利用了波形数字化技术的优势,解决了各个应用下信号读出的关键问题,展现出波形数字化技术相比于传统测量方法的巨大优势。本论文主要工作和创新点如下:(1)在ICF实验中,实验的强辐射环境十分不利于诊断信号的读出。基于波形数字化技术得到的数字信号抗干扰能力强的特点,本文提出了一种高速前端波形数字化仪设计方案,实现了滤波荧光谱仪诊断信号5GSPS、10比特的数字化读出。相对于使用长模拟电缆和商用示波器的传统测量方法,前端波形数字化仪有效克服了长电缆带来的信号损耗、带宽受限、波形畸变等问题,测量的精度和可靠性有了显著提高,有利于滤波荧光谱仪对超热电子的精确诊断。(2)空间舱内辐射场信息对于进行航天员健康辐射风险评估及空间站内辐射敏感的各种科学实验研究具有重要意义。本文给出了一种基于波形数字化技术的舱内空间辐射环境测量模块读出电子学系统设计方案,能够实现中子和多种带电粒子的甄别和能谱测量。采用波形数字化进行信号采集简化了电路结构,减少了元件数目,提高了可靠性,有利于辐射测量模块实现对舱内辐射环境的长期稳定监测。(3)在大学核物理实验教学中,实验内容涉及到多种射线的测量和多种探测器的使用,实验需要进行计数、能谱和波形等多种测量。本文基于波形数字化技术的通用性和灵活性,开发了通用的核信息采集系统。该系统通过250MSPS、14位的波形数字化,利用灵活的数字信号处理算法,同时实现了实验教学所需的能谱、计数和波形测量的功能。相对于传统的分立核电子学仪器,这一设计简化了仪器结构,降低了成本,提高了系统的可维护性。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 殷伟刚

导师: 金革

关键词: 物理实验,波形数字化,实验,空间辐射环境测量,大学核物理实验

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O4-33

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000389

总页数: 107

文件大小: 9315k

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