基于波形采樣的PPAC數據處理

馬 朋，馬軍兵，魏向倫，楊賀潤，王建松，楊彥云，張俊偉，魯辰桂，段利敏，胡榮江，關遠帆，胡 強，白 真

(1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學 核科學與技術學院，北京 100049)

隨著專用集成電路技術(ASIC)的發展，數字化波形采樣技術在實驗核物理中得到了廣泛應用，常用的有XIA的APV7和APV8、CEA Saclay的AGET[1]、CAEN的V17XX等flash-ADC高速采樣數字化儀[2]。高速采樣數字化儀可存儲核物理實驗中所需信號的完整波形[3]，為后期數據處理提供完整的時間信息和幅度信息。數字化波形采樣技術的優勢主要有：1) 可對信號的形狀進行快慢成分研究，實現粒子鑒別功能；2) 通過數字濾波算法提高信噪比，提高探測器的探測效率；3) 通過基線恢復，解決高計數率下的信號堆積等問題[4]。實驗過程中，選取合適的采樣頻率對數據在線獲取和后期處理非常重要。采樣頻率太高，數據量太大，獲取系統的死時間也較大；采樣頻率太低，信號失真，將不能獲取到完整的原始信號。實驗中常用的采樣頻率有50、100、250、500 MHz等，本文使用Tektronix生產的DPO5054示波器(采樣頻率為5 GHz)采集平行板雪崩計數器(PPAC)信號的波形，通過對采樣點抽樣，模擬高速采樣數字化儀在100、250、500 MHz等采樣頻率下的PPAC數據，采用脈沖幅度甄別定時方法和恒比定時方法對探測器信號進行定時研究，分析不同采樣頻率下PPAC的位置分辨能力及探測效率。

1 探測器介紹

PPAC是核物理實驗中常用的徑跡探測器，置于次級靶前，可給出入射粒子的位置和入射方向，對散射角度和完全運動學測量有著關鍵作用[5-6]。目前，蘭州放射性次級束流線(RIBLL)終端使用的PPAC[7-9]靈敏面積為50 mm×50 mm，采用三層結構(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，兩側為陽極面，由間距1 mm、直徑20 μm的鍍金鎢絲組成。兩個陽極面相互正交，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。探測器工作時，陰極面加-600 V的高壓，使用電容引出探測器的起始時間t信號[10]。陽極面由多根陽極絲構成，讀出方法通常有兩種：電荷分配法和時間分配法。電荷分配法是指在相鄰兩根陽極絲之間加入電阻，整個陽極面通過多個電阻串聯。信號通過電阻時，信號幅度會有衰減，在陽極面的兩端使用電荷靈敏前置放大器收集電荷，通過計算兩端信號的衰減比例確定點火絲的位置。時間分配法是指在相鄰陽極絲之間加入時間延遲模塊，整個陽極絲面通過多個時間延遲模塊串聯。信號經過時間延遲模塊時會被延遲一定的時間，從陽極面的左端讀出x1信號、右端讀出x2信號，通過TDC采集左右兩端的時間差來確定點火絲的位置。實驗中PPAC的讀出方式使用時間分配法，使用t、x1、x2、y1、y25個信號計算入射粒子的位置信息。

圖1 PPAC探測器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of PPAC detector

PPAC的原始信號如圖2所示，黃線為t信號，藍線為x1信號，紫線為x2信號。為表述方便，使用x1代表x1信號和t信號之間的時間差，x2代表x2信號和t信號之間的時間差，入射粒子的位置可用式(1)、(2)來計算：

x=k(x1-x2)

(1)

y=k(y1-y2)

(2)

其中，k為兩根陽極絲之間延遲時間和TDC道數的刻度系數。

圖2 PPAC原始信號Fig.2 Original signal of PPAC

計算得到的位置分布如圖3所示，每個峰與每根陽極絲的位置一一對應，陽極絲的間距為1 mm，可粗略認為PPAC的位置分辨好于1 mm。x1和x2之間具有關聯性(圖4)，x1+x2為時間延遲模塊的總延遲時間。PPAC的位置分辨也可用x1+x2進行估算，計算得到Sigma為0.48 ns，Sigma越小，表示x1和x2關聯性越好，位置分辨能力也越高。

圖3 計算得到的位置分布Fig.3 Calculation position distribution

圖4 x1與x2信號的關聯性Fig.4 Signal correlation of x1 and x2

使用Tektronix生產的DPO5054示波器采集PPAC信號的波形，通過對采樣點抽樣，模擬高速采樣數字化儀在100、250、500 MHz等采樣頻率下的PPAC數據，圖5為不同采樣頻率下模擬得到的時間分布。

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

2 信號處理

對信號進行定時分析主要使用兩種定時方法：數字化脈沖幅度甄別定時方法和恒比定時方法[11-13]。其原理為：1) 數字化脈沖幅度甄別定時方法，觸發閾值正比于信號最大幅度，尋找信號峰值，選擇合適的觸發比來計算觸發閾值，在觸發閾值附近選取合適的擬合點進行線性擬合，得到定時時間[14]；2) 恒比定時方法，將輸入信號分為兩路，一路延遲，另一路反向衰減，然后兩路信號疊加尋找過零點，在過零點附近選取合適的擬合點進行線性擬合，得到定時時間[15]。

PPAC信號的上升時間為5～10 ns，在5 GHz采樣頻率下，可使用觸發點附近的多個點進行直線擬合，本文中選擇7個點進行擬合，擬合點選取5～10個沒有太大差別。使用x1+x2的Sigma作為尋找擬合參數的標準，數字化脈沖幅度甄別定時觸發比、Sigma及甄別效率列于表1，恒比定時延遲時間與Sigma列于表2。

表1 脈沖幅度甄別定時的觸發比、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過程中，若觸發比選擇過低，信號的甄別定時點淹沒在噪聲中，無法甄別出有效的時間信息，造成甄別效率較低。經過對比分析，脈沖幅度甄別定時的觸發比選為0.4，恒比定時延遲時間選為8 ns(為了與傳統中的CF8000做比較，CF8000的延遲時間僅有2、4、6、8、10 ns 5個擋位可調)。5 GHz采樣頻率下，脈沖幅度甄別定時方法與恒比定時方法計算的位置差別Sigma為0.033 mm，兩種定時方法結果區別不大，與傳統的PPAC獲取系統也無太大差別[10]。

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

模擬500 MHz采樣頻率時，每個采樣點間隔為2 ns，由于PPAC信號非常快，每個波形的上升時間僅有3～5個左右的采樣點，因此使用信號的上升沿做定時分析時只能選取3個點進行擬合，250 MHz或100 MHz采樣頻率時只能選取2個點進行擬合。模擬結果表明，擬合點較少時，脈沖幅度甄別定時方法的精度比恒比定時方法的精度要高(圖6)。

使用脈沖幅度甄別定時方法研究不同采樣頻率下的位置分辨差別，與5 GHz采樣頻率對比，500、250、100 MHz采樣頻率時位置分辨的差別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 不同定時方法得到的時間關聯譜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

傳統的PPAC獲取系統使用恒比定時插件CF8000進行信號甄別，甄別后的信號送到TDC中進行數據獲取。CF8000要求輸入信號幅度大于20 mV，否則無法對輸入信號進行甄別，嚴重影響PPAC的探測效率。使用高速采樣數字化儀采集PPAC數據時，可對一些信號幅度小于20 mV的小信號進行定時分析，從而大幅提高了PPAC的探測效率。圖9為典型的小信號丟失現象，黑點為t信號，紅點為x1信號，綠點為x2信號。CF8000可對t信號進行甄別，無法對x1和x2信號進行甄別，影響探測器的探測效率。對500 MHz采樣頻率下的PPAC數據進行模擬分析，原始數據中事件總計數為8 108，其中信號幅度大于20 mV的信號計數為7 466(圖10中的黑點)，使用恒比定時方法對這些信號分析，滿足x1+x2關聯條件的信號為有效甄別信號，計數為7 432，即傳統CF8000的甄別效率僅有91.7%。若使用高速采樣數字化儀采集數據，使用恒比定時方法分析，有效甄別信號為7 785；使用脈沖幅度甄別定時方法分析，有效甄別信號為7 783個。圖10中紅點為信號幅度小于20 mV的小信號，經脈沖幅度甄別定時方法分析后，滿足關聯條件(藍線)的信號為有效甄別信號，計數為351(一部分信號太小，湮沒在噪聲中)，探測效率比傳統的PPAC獲取系統提高了4.3%。

圖9 小信號舉例Fig.9 Example of small-signal

圖10 不同幅度的信號經過脈沖幅度甄別定時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

本文使用脈沖幅度甄別定時和恒比定時兩種定時方法對采樣頻率為100 MHz～5 GHz的PPAC信號進行了模擬分析。模擬結果表明，采樣頻率為250～500 MHz時，使用脈沖幅度甄別定時方法可得到較精確的位置信息，與傳統獲取系統定位的位置分辨的差別Sigma小于0.15 mm，采樣頻率低于100 MHz時信號定位誤差較大。使用高速采樣數字化儀可對PPAC數據中的信號幅度小于20 mV的小信號進行定時分析，與傳統的PPAC獲取系統相比，探測效率提升了4.3%。