多输入多通道分析仪(MIMCA)使用通用FPGA板

亨利Andrianiaina^{1 *},海因茨Rongen²,Raoelina Andriambololona³,杰拉德Rambolamanana⁴Ratongasoandrazana -巴⁵

打开学生,维护和仪表,INSTN-Madagascar,塔那那利佛,马达加斯加
博士,Zentralinstitut毛皮ElektronikInstitut (ZEL), j Forschungszentrum 52425 j德国
正教授,理论物理学系INSTN-Madagascar,安塞4279年,塔那那利佛,马达加斯加
正教授,天文台研究所等Geophysique d 'Antananarivo (IOGA),马达加斯加塔那那利佛大学
打开学生,维护和仪表,INSTN-Madagascar,塔那那利佛,马达加斯加

文摘

仪表为核应用发展很快,由于技术的快速变化的电子连接摩尔的预测(“翻倍的晶体管密度集成IC每两年”)。维护相应的概念发生了变化,从修理在电子组件级别的软件解决方法,从而导致定制应用程序来满足当地的需要。因此,Madagascar-INSTN已经开发了一些仪器的研发项目支持和适合当地需求:一个例子是FPGAbased多输入多通道分析仪使用j UNIO52标准板,可用于加强能力和加速常规样品的放射性核素的测量和分析。MIMCA性能的测试结果(线性、计数率精度测试)表明,可配置数字系统可以作为一个替代的问题相比,收购品牌的设备,这是非常昂贵的从供应商和有限的技术支持

关键字

脉冲幅度分析、ADC、多通道分析仪,FPGA, MIMCA。

介绍

根据章程n 3961/93°,所有食品必须由Madagascar-INSTN控制,而且必须有一个非放射性证书,之前销售。在这种情况下,放射性物质的水平,尤其是对人工放射性核素,必须在法律上接受的价值观。半主动式已与贸易部门达成协议,从1997年1月有关的实施监管。

主要的放射性污染元素非常低;因此样品分析需要一个长时间的测量。的业务,客户需要证书交付尽可能迅速,允许快速清除他们的货物。使用多组设备将需要更多的投资和花费很多的专用和品牌仪器(锗探测器加上MCA)厚铅板。本文展示了使用低成本收购通用董事会建立多通道分析仪与并行-监控四个样品。

fpga多通道分析仪

1。多道分析器(MCA)

有各种方法测量脉冲幅度不同的应用程序,但单通道分析(SCA)和多通道分析(MCA)方法主要是使用。

单通道分析仪(SCA)用于计算入射辐射的数量选择能源范围[5],有两个可调节水平。只有脉冲振幅下降两个层次之间的统计。输入脉冲的观察到两个鉴别器设定在你(低级别)和UL(上层)。MCA方法已经用于脉冲高度的分布。

由于快速的开发和集成,应用电子技术,利用fpga(现场可编程门阵列)在许多应用程序中控制或处理信号,和现在用于大多数核仪器。fpga是半导体器件包含可编程逻辑可编程的互联。

图1显示了一个示例的翻新(小型化和数字化)老MCA系统与许多离散的组件和董事会,用小板单FPGA,整合所有需要硬件来模拟MCA函数。

2。fpga脉冲幅度分析(PHA)系统

MCA应用,脉冲幅度分析(PHA)算法在硬件描述语言(VHDL)和配置描述文件加载到FPGA中。脉冲高度的原理和算法分析(PHA)与图2解释,基于采样ADC的当前输入信号,直到它到达值大于设定低水平(sMcaLL)。

输入数据信号的采样仍在继续,直到信号会低于最低低水平的参考价值(sMcaLLL)或采样点的数量超过sMaxPulsLen [6]。脉冲取样期间,FPGA总是比较当前值(sMcaPeak)和最后一个值在一个寄存器值的最大(sMcaPeakMax)。所以信号后低于最低低水平这个寄存器脉冲最大。现在注册脉冲最大而上层(sMcaUL)。在脉冲最大大于上层或注册脉冲长度超过最大长度,脉冲将被丢弃;如果不是,为单片机产生一个中断,这样Event-MaximumμC可以读出。

多输入多通道分析仪

系统是基于通用数据采集板UNIO52和虚拟仪器图形化编程语言编程的应用软件。

答:配置MIMCA UNIO52 FPGA板上

UnIO52板(见图3)已经开发成一个通用的数据采集和处理,可用于核仪器的应用程序。

ADC UnIO52委员会由一个快,一个强大的FPGA和USB单片机建立与PC机的通信,如如下框图所示。

所有这些组件都是由用户可编程。因此这是一个理想的平台发展的专用仪器。

逻辑块也被配置为执行漂移控制由于电压或温度变化和其他复杂的数字功能如峰仪(需要在核仪器)和数学函数。

b . MIMCA完整系统

固件ezUSB控制器板应用程序代码是发达与凯尔c编译器。主机电脑软件设计,有一个中央控制4 MCA通道设置的阈值水平,启动,停止,清理MCA、等等。

配置UNIO52板组装在一个小19“机架,一起5伏电源。微型计算机体积很小,可以看到这两者都是美联储通过USB电缆作为一个连接到PC USB集线器。这两个模拟输入是通过同轴电缆连接。在后台的核测试脉冲发生器和一个探测器系统可以看到。

4光谱的4所示图放在一个标签控件。通过单击“MCA选择”的一个4选择选项卡显示MCA通道的光谱。MCA的分辨率为1024频道进行了核脉冲发生器。收集的数据可以存储硬盘,可以阅读等其他计算或可视化软件Matlab和Excel。

实验结果

数字化频谱数据存储和增加定期UNIO52董事会的内部内存。进行进一步的处理(如峰值搜索),数据下载到电脑内存。

答:自动搜索峰值

一个算法门闩”之前的积分谱”和减去从“新积分谱”与分析软件工具实现。这是孤立的“实际光谱”“积分谱”,并将给信息通道峰值变化取决于模拟输入信号的振幅,根据图7中的算法。

这种“自动峰值搜索”功能是用于线性系统的测试和测量分辨率。

b线性和准确性

多通道分析仪系统的主要部分(MCA),使可能的现实世界之间的对话模拟量(探测器)公布的指控和数字电子系统ADC。模拟数字转换(ADC)包括细分的输入信号范围(VMIN之间和马克斯·V)为N =部分理想(ADC),和分配一个通道的输入信号幅度Vi。

1。线性

)积分非线性(INL)

硬件设置DNL Fig.8所示,测试和配置如下:

•一段斜坡发生器设置为50秒

•脉冲发生器转向外部参考源,重复频率10 khz

•塑造时间1μs放大器

收集计数在很长一段时间(足够,这样统计波动可以忽略的测量通道配置文件),将结果统一和平板计数分布在所有渠道线性系统。偏离一致性,测量MIMCA DNL(用百分比表示):

触发器的输出随机脉冲发生器也连接到一个计数器/定时器(堪培拉模型1776)作为参考。

生成的脉冲峰值通道解决MIMCA和函数的计数率登记,并在下表中给出

结论

•性能测试结果表明,该建MIMCA(多输入MCA)系统可以用于替换和更新专用,但昂贵的多通道分析仪。

•MIMCA系统内的最高分辨率(137 cs峰值21.38%)相比似乎更糟糕的是如果的堪培拉(MCA35 +堪培拉系统典型的半最大值宽度大约是7%)。但系统性能非常充分的定性分析样本。

•一些街区仍然需要配置到MCA的UNIO52董事会得到全部功能(堆积排斥和死时间校正)。其他研究项目计划要做为了使用核仪器的开发系统改进和低成本的应用谱分析系统)。

确认

作者希望扩展他们的伟大的感谢:

•设置程序的INSTN-Madagascar翻新的科学设备,并使结果到现在的工作,

•国际原子能机构(IAEA-Vienna)提供的技术援助项目MAG / 4/004,和支持设备,包、奖学金和专家的任务。

引用

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P.A. Russo D.T. Vo,式样桑普森,“对比数字伽马射线谱仪(DSPEC)核仪器和标准方法(NIM)系统”,洛斯阿拉莫斯国家实验室报告la - 13393 ms, 1998年3月。
P.A. Russo D.T. Vo,便携式数字谱仪系统的比较,洛斯阿拉莫斯国家实验室(la - 13895 ms,发布了2002年2月)。
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H。Andrianiaina, Raoelina Andriambololona, J。Rajaobelison G。Rambolamanana, H。Rongen脉冲幅度分析“fpga技术在核谱分析系统”在诉讼HEPMAD的09年会议在塔那那利佛,2009年8月22(线性)。
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国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术