试议测量可重构核仪器

论文导读：目录5-8图表目录8-11摘要11-13ABSTRACT13-15第1章：引言15-251.1核与粒子物理实验电子学技术的进展历史和特征15-181.2现有的核与粒子物理实验电子学仪器18-231.2.1基于专用机箱的各种插件18-211.2.2专用仪器设备21-221.2.3计算机插卡22-231.2.4计算机外部设备231.3核电子学进展走势23
摘要：可重构技术的进展和核电子学运用范围的扩展使得核仪器站在了新一轮技术更新和升级的浪潮之上。传统核仪器的实现手段和办法已在很多方面体现出与当前实验需求的不相符。同时,可重构技术的出现促使核仪器领域发生深刻而重大的技术变革。曾为各类核与粒子物理实验立下汗马功劳的传统技术路线将要结束它的历史使命,取而代之的将是从可重构技术为基础,数字算法为核心的全新可重构核仪器体系。在这历史的紧要关头,对可重构核仪器的探讨将为仪器开发铺就一条全新的技术道路,引导核探测技术走向更美好的未来。可重构技术是近年来兴起的新的技术路径,在众多领域存在广泛的运用,例如,雷达,天线,计算机体系和结构等。在核与粒子物理实验电子学领域还未见相关报道。随着物理实验探讨的不断深入,探讨范围的不断扩展,运用广泛的,要求繁多的测量需求不断被提出来。核电子学仪器陷入不停的开发,改版,升级的历程中,耗费大量的人力,物力和财力。为解决这一不足,针对实验室核与粒子物理实验的特征,本文提出一种可重构的核仪器体系结构,使用可重构的模式,把机械的硬件插件转化为数字化插件,在一个精心设计的平台上通过多种的功能算法,实现不同的测量目标,同时,离线算法被用来对硬件性能的问题进行修正和弥补,通过各个部分的组合,从达到体系的最优化。通过可重构核仪器,可从方便地,快速地,经济地建立新的实验仪器体系,以而使实验历程更为便捷。本工作分析了物理实验的特征,以内容、规模和实验模式等方面总结得出物理实验对电子学仪器的要求,从此作为体系设计的依据。详细简介了总体设计,硬件设计,实时功能算法,离线算法,软件设计五个部分,分别详述了设计的考虑和具体实现。对可重构核仪器体系硬件的基本性能进行了测量,给出了数字波形采样的带宽,有效位,时间测量精度等指标。最后叙述了三个不同类型的实验运用,从22Na能谱测量,G-M计数管坪区测量和非简并纠缠交换实验的时间测控来说明可重构核仪器体系可从便捷地完成不同的测量任务,检验了可重构核仪器体系的实用性。本文的创新之处如下：(1)将可重构的概念引入核仪器领域,提出开发可重构核仪器的思想。可重构本来是为平衡电子计算的灵活性和高效性而进展出来的概念,在本文的工作中借鉴可重构的思想,提出进展兼有软件的灵活和硬件的效率的可重构核仪器。(2)探索性地开发可重构核仪器,完成了框架设计和具体实现。将可重构核仪器运用于不同的实例中。核仪器的重构是针对不同的功能和性能要求而进行的,重构的部分包括前端,数字化的模式,逻辑计算,和修正模式等等。核仪器的重构是一个体系化,一体化的历程,各部分相互配合,协调从达到预期的目标。本文建立了这样一套体系,并通过实例说明快速的重构可从容易地构建完全不相同的实验体系,实现不同类型的实验。(3)可重构的核仪器体系通过快速重构的模式,完成高精度的时间测量,非线性计算,反馈制约等功能,实现了非简并纠缠光子交换的实验。在实验历程中,高精度(～3)的时间测量和快速准确的输出反馈制约是实验成功的关键,通过重构同时满足这两个要求,根据实验需求不断地调整参数,最终实现了世界上首次非简并纠缠光子交换的实验。关键词：物理实验测量论文可重构核仪器论文波形测量论文时间测量论文功能数值算法论文离线修正论文
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图表目录8-11
摘要11-13
ABSTRACT13-15
第1章 ：引言15-25

1.1 核与粒子物理实验电子学技术的进展历史和特征15-18

1.2 现有的核与粒子物理实验电子学仪器18-23

1.2.1 基于专用机箱的各种插件18-21

1.2.2 专用仪器设备21-22

1.2.3 计算机插卡22-23

1.2.4 计算机外部设备23

1.3 核电子学进展走势23-24

1.4 本章小结24-25

第2章 ：可重构技术路线25-35

2.1 可重构技术的定义26-27

2.2 可重构技术的结构27-29

2.3 可重构技术的实现模式29-30

2.3.1 使用FPGA实现的可重构29-30

2.3.2 使用电调器件实现的可重构30

2.4 可重构技术的特征30-31

2.5 基于可重构技术的核仪论文导读：5.2TDC90-925.3DAC92-935.4高压输出93-945.5本章小结94-95第6章：可重构体系的运用实例95-1076.1运用于能谱实验测量95-986.2运用于计数实验测量98-996.3运用于光子非简并纠缠交换实验99-1056.4本章小结105-107第7章：总结和展望107-1097.1总结107-1087.2未来工作的展望108-109参考文献109-113致谢113-115在读期间
器31-34

2.6 本章小结34-35

第3章 ：核与粒子物理实验测量制约的需求35-43

3.1 核测量的内容35-39

3.

1.1 辐射强度35-36

3.

1.2 粒子能量36-37

3.

1.3 时间信息37-38

3.

1.4 粒子类型鉴别38

3.

1.5 位置信息38-39

3.2 测量的规模39-41

3.3 测量的模式41-42

3.4 本章小结42-43

第4章 ：可重构核仪器体系设计43-87

4.1 总体设计43-46

4.

1.1 总体框架考虑43-44

4.

1.2 总体性能考虑44-46

4.2 硬件部分设计46-69
4.

2.1 信号接入的前端46-52

4.

2.2 数字化52-60

4.

2.3 逻辑运算部分60-62

4.

2.4 输出制约部分62-64

4.

2.5 接口部分64-66

4.

2.6 时钟部分66-68

4.

2.7 机械结构68-69

4.3 实时算能和设计69-79
4.

3.1 波形获取70-72

4.

3.2 数字实时寻峰72-76

4.

3.3 直方图统计(谱分析)76-77

4.

3.4 粒子甄别77-79

4.4 离线算法和数据的后处理79-85

4.1 通过对Fast ADC非线性修正减小能谱测量的偏差79-83

4.2 通过反卷积法提升能谱分辨率83-84

4.3 通过对采样波形的内插拟合定时84-85

4.5 重构流程85

4.6 上位机软件层次设计85-86

4.7 本章小结86-87

第5章 ：可重构核仪器体系基本性能测试87-95

5.1 ADC87-90

5.2 TDC90-92

5.3 DAC92-93

5.4 高压输出93-94

5.5 本章小结94-95

第6章 ：可重构体系的运用实例95-107

6.1 运用于能谱实验测量95-98

6.2 运用于计数实验测量98-99

6.3 运用于光子非简并纠缠交换实验99-105

6.4 本章小结105-107

第7章 ：总结和展望107-109

7.1 总结107-108

7.2 未来工作的展望108-109

参考文献109-113
致谢113-115
在读期间发表的学术论文115