ICF中子飛行時(shí)間測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏凌峰 周榮 楊朝文

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ICF中子飛行時(shí)間測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏凌峰 周榮 楊朝文

（四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 610065）

在慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion, ICF)實(shí)驗(yàn)中，為診斷等離子體區(qū)域溫度信息，需要通過中子飛行時(shí)間法測(cè)量中子的能譜，即轉(zhuǎn)化為對(duì)探測(cè)器的輸出信號(hào)相對(duì)于激光同步脈沖的延遲時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量。本文介紹了一種對(duì)中子飛行時(shí)間進(jìn)行高精度測(cè)量的設(shè)計(jì)方案，該方案采用恒比定時(shí)方法(Constant Fraction Discriminator, CFD)對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，并利用德國ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP21芯片進(jìn)行精確時(shí)間測(cè)量。基于該方案完成的測(cè)量電路電子學(xué)分辨時(shí)間在1 500 ns量程內(nèi)均優(yōu)于200 ps。同時(shí)，其電子學(xué)分辨時(shí)間加上探測(cè)器分辨時(shí)間典型測(cè)量結(jié)果為217.5 ps。

慣性約束聚變，核診斷，中子飛行時(shí)間，時(shí)間數(shù)字變換

在慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion, ICF)研究中，需要通過測(cè)量聚變產(chǎn)生的中子能譜對(duì)內(nèi)爆熱斑離子溫度進(jìn)行診斷，而能譜的測(cè)量通常是通過中子飛行時(shí)間法轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔的測(cè)量。l977年，美國勞倫斯利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)首次在Argus裝置上通過中子飛行時(shí)間法診斷了內(nèi)爆離子溫度。隨后，該實(shí)驗(yàn)室于1984年建成的Nova裝置和LLNL的協(xié)作單位——美國Rochester大學(xué)制造的Omega激光驅(qū)動(dòng)器，以及現(xiàn)今世界上最大的美國激光聚變裝置NIF (National Ignition Facility)上都使用了這項(xiàng)技術(shù)診斷離子溫度[1?6]。在國內(nèi)的核物理實(shí)驗(yàn)中，中子飛行時(shí)間法的應(yīng)用也十分廣泛，蘭州重離子加速器冷儲(chǔ)存環(huán)(Heavy Ion Research Facility Laboratory Cooler-Storage-Ring, HIRFL-CSR)以及北京譜儀III (Beijing SpectrometerIII, BESIII)等大型科研裝置均是利用該方法來進(jìn)行粒子鑒別[7?9]。而在激光聚變領(lǐng)域，高功率激光物理國家實(shí)驗(yàn)室研制的“神光Ⅱ”裝置上也使用過這種方法診斷直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆的離子溫度。中國工程物理研究院研制的“神光Ⅲ”原型裝置是目前國內(nèi)最大的ICF裝置，該裝置同樣使用中子飛行時(shí)間法進(jìn)行離子溫度診斷[10?12]，安徽省物理電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張?jiān)廊A等[13]針對(duì)“神光Ⅲ”大陣列中子探測(cè)器系統(tǒng)的應(yīng)用做了初步研究，采用TDC-GP2 (Time Digital Conversion)芯片設(shè)計(jì)中子飛行時(shí)間測(cè)量插件，其時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換部分的精度達(dá)61 ps。

目前時(shí)間間隔測(cè)量常用的測(cè)量方法有：電子計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法、時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換法、脈沖波形數(shù)字化方法[14?15]。但是，以上方法卻存在下述問題：電子計(jì)數(shù)法時(shí)間測(cè)量精度較低；模擬內(nèi)插法電路實(shí)現(xiàn)困難，且連續(xù)測(cè)量能力較差；時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換測(cè)量范圍較??；脈沖波形數(shù)字化方法精度雖高，但需對(duì)波形進(jìn)行全采樣，實(shí)現(xiàn)成本較高，不利于大規(guī)模系統(tǒng)使用。

于是，對(duì)于ICF大陣列中子探測(cè)，測(cè)量的中子飛行時(shí)間量程為1500 ns，測(cè)量精度要達(dá)到百皮秒量級(jí)，同時(shí)考慮到大規(guī)模集成時(shí)的成本和技術(shù)難度，方案采用了時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，即選用高精度的TDC芯片進(jìn)行中子飛行時(shí)間測(cè)量[16?17]。本文介紹了基于德國ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP21芯片的時(shí)間測(cè)量方案設(shè)計(jì)，以及利用“神光Ⅲ”原型裝置所使用的探測(cè)器進(jìn)行精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

1 時(shí)間測(cè)量方案設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)目的及要求

在“神光Ⅲ”原型裝置ICF反應(yīng)中，其探測(cè)器出來的信號(hào)可能包括激光打在靶上產(chǎn)生的X光、初級(jí)DD中子打在靶室壁上產(chǎn)生的γ射線、次級(jí)DT中子信號(hào)和初級(jí)DD中子信號(hào)等。在次級(jí)中子出現(xiàn)前有較強(qiáng)的X、γ射線出現(xiàn)，中子引起的活化也可能產(chǎn)生瞬發(fā)γ射線。各信號(hào)可能出現(xiàn)的位置如圖1所示。

Fig.1 Time points of each signal in ICF experiment.

時(shí)間測(cè)量方案設(shè)計(jì)的目的是準(zhǔn)確測(cè)量中子出現(xiàn)時(shí)刻相對(duì)于激光同步脈沖的相對(duì)延遲時(shí)間。也就是說，當(dāng)激光打靶時(shí)，會(huì)輸出一個(gè)激光同步脈沖信號(hào)，即開始信號(hào)，以此作為時(shí)間起點(diǎn)，需要測(cè)量后續(xù)的次級(jí)中子以及初級(jí)中子的出現(xiàn)時(shí)刻。

根據(jù)上述探測(cè)器可能出現(xiàn)的信號(hào)特征，在設(shè)計(jì)時(shí)間測(cè)量方案時(shí)其記錄能力需滿足以下幾個(gè)要求：(1) 能夠同時(shí)記錄多個(gè)探測(cè)器信號(hào)相對(duì)于同步信號(hào)的發(fā)生時(shí)刻；(2) 能夠分辨并記錄兩個(gè)相隔較短的信號(hào)；(3) 需要滿足較大的時(shí)間量程。

1.2 定時(shí)方法

根據(jù)方案設(shè)計(jì)要求，時(shí)間測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)的基本框圖如圖2所示。開始信號(hào)由靶場(chǎng)激光同步信號(hào)提供，同時(shí)探測(cè)器輸出的停止信號(hào)經(jīng)定時(shí)電路定時(shí)后，接入到時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入管腳，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)對(duì)該芯片進(jìn)行配置可測(cè)量出開始信號(hào)與停止信號(hào)之間的時(shí)間差，即聚變產(chǎn)生中子的飛行時(shí)間。

圖2 測(cè)量單元基本框圖

由于時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸入管腳只能接收數(shù)字信號(hào)，因此在進(jìn)行時(shí)間測(cè)量時(shí)，需要對(duì)探測(cè)器輸出模擬信號(hào)進(jìn)行精確定時(shí)，故精確的定時(shí)方法是該方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。核電子學(xué)中，常用的定時(shí)方法有前沿定時(shí)、過零定時(shí)、恒比定時(shí)等。在該時(shí)間測(cè)量方案中，選擇了具有最高定時(shí)精度的恒比定時(shí)方法(Constant Fraction Discriminator, CFD)，其實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖3所示。

在該恒比定時(shí)功能模塊中，探測(cè)器輸入的停止信號(hào)將分為三路：第一路信號(hào)通過過閾甄別去掉噪聲；第二路輸入信號(hào)經(jīng)過延時(shí)后輸入到高速比較器2的正相輸入端；第三路信號(hào)經(jīng)過衰減后輸入到高速比較器2的反相輸入端。當(dāng)延時(shí)信號(hào)和衰減信號(hào)的相對(duì)大小發(fā)生改變時(shí)，比較器2的輸出電平將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并且翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻點(diǎn)不會(huì)受到原始輸入信號(hào)幅值變化的影響，始終保持于原始信號(hào)達(dá)到其某一固定高度比例時(shí)發(fā)生，這樣就可以保證時(shí)刻鑒別的準(zhǔn)確度，比較器2的輸出即為定時(shí)信號(hào)輸入到后端的D觸發(fā)器。D觸發(fā)器先接收到來自預(yù)觸發(fā)的開門信號(hào)，并在隨之而來的定時(shí)信號(hào)的上升沿處，Q端輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出為高，該輸出信號(hào)會(huì)被接入RST引腳的單穩(wěn)態(tài)延時(shí)信號(hào)復(fù)位。D觸發(fā)器的輸出信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后，即為需要測(cè)量的停止信號(hào)，輸入到后端的TDC芯片進(jìn)行測(cè)量。

1.3 時(shí)間測(cè)量方法

保證時(shí)間測(cè)量的精度是該測(cè)量方案實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。在該時(shí)間測(cè)量電路的設(shè)計(jì)中，使用ACAM公司的時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP21。該芯片主要由TDC測(cè)量模塊、16位算術(shù)邏輯模塊(Arithmetic Logic Unit, ALU)、溫度測(cè)量模塊以及4線SPI串行數(shù)據(jù)接口組成[18]。具有兩個(gè)測(cè)量范圍，其精度均達(dá)到90 ps。在該時(shí)間測(cè)量方案中，配置芯片時(shí)間量程為0?1500 ns，最多可測(cè)量8個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻，且相鄰兩脈沖的最小間隔小于40 ns。在進(jìn)行時(shí)間測(cè)量時(shí)，將開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)接入TDC芯片的Start和Stop端，并通過FPGA配置芯片的內(nèi)部寄存器完成測(cè)量。其測(cè)量流程如圖4所示。首先，F(xiàn)PGA需要對(duì)TDC的寄存器進(jìn)行配置和初始化，配置和初始化完成后TDC開始等待開始信號(hào)和停止信號(hào)進(jìn)行時(shí)間間隔的測(cè)量。根據(jù)配置，當(dāng)TDC芯片接收到一個(gè)開始信號(hào)后，會(huì)連續(xù)測(cè)量其后的8個(gè)停止信號(hào)的時(shí)間間隔，測(cè)量完成后通過SPI協(xié)議讀取結(jié)果。

若TDC在開始信號(hào)之后未測(cè)量滿8個(gè)停止信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量超時(shí)，輸出結(jié)果異常的情況。而在ICF實(shí)驗(yàn)中，平均每個(gè)探測(cè)器只有約0.5個(gè)擊中，因而有些TDC芯片會(huì)出現(xiàn)只接收到開始信號(hào)而沒有停止信號(hào)，以及停止信號(hào)不足8個(gè)的情況。因此，在FPGA的程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)檢測(cè)到開始信號(hào)后，1500 ns時(shí)通過FPGA連續(xù)產(chǎn)生一串停止信號(hào)序列，輸入到時(shí)間測(cè)量芯片的Stop引腳中，就可以保證TDC芯片始終能測(cè)量滿8個(gè)停止信號(hào)，而不會(huì)出現(xiàn)超時(shí)情況。同時(shí)在處理數(shù)據(jù)時(shí)丟棄1 500 ns以上的數(shù)據(jù)結(jié)果即可。

2 記錄能力及時(shí)間測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試該時(shí)間測(cè)量電路的記錄能力及測(cè)量精度，進(jìn)行了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：(1) 利用信號(hào)發(fā)生器輸出開始及停止信號(hào)，測(cè)試該電路的記錄能力和在全量程范圍內(nèi)的測(cè)量精度；(2) 利用探測(cè)器信號(hào)作為輸入，測(cè)試該電路的時(shí)間測(cè)量精度。

2.1 信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)停止時(shí)間測(cè)量

2.1.1 記錄能力測(cè)試

由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生開始信號(hào)和8個(gè)連續(xù)停止脈沖，模擬探測(cè)器的實(shí)際輸出，用該時(shí)間測(cè)量電路進(jìn)行記錄能力實(shí)驗(yàn)(圖5)。其中，第一個(gè)脈沖信號(hào)為大幅度信號(hào)，后續(xù)脈沖為小幅度信號(hào)，兩者幅度比大于3，第8個(gè)脈沖與開始信號(hào)間隔大于1 500 ns，前兩個(gè)停止信號(hào)之間時(shí)間間隔約為35 ns，小于40 ns，如圖6所示。

測(cè)試結(jié)果如表1所示，該電路能成功記錄8個(gè)脈沖信號(hào)，分辨出時(shí)間間隔小于40 ns相鄰信號(hào)，如表1中脈沖1和脈沖2所示。成功記錄下1 500 ns量程處信號(hào)，如表1中脈沖8所示。

表1 8個(gè)脈沖時(shí)間序列

2.1.2 測(cè)量精度測(cè)試

為測(cè)試該時(shí)間測(cè)量電路在全量程內(nèi)的測(cè)量精度，利用圖5所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生開始和停止信號(hào)，使兩者時(shí)間間隔在100?1 500 ns變化，分別進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)條件：開始信號(hào)的方波=2 μs，占空比為 20%。停止信號(hào)：脈沖波=200 ns，脈寬為20 ns，上升沿為9 ns。

據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制該電路時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差在全量程內(nèi)的變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 全量程內(nèi)時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差變化

Fig.7 Standard deviation range at the full scale.

其中，信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)時(shí)間間隔為900 ns時(shí)的典型測(cè)試結(jié)果分布如圖8所示，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為172.8 ps。

結(jié)果表明，在1 500 ns時(shí)間量程內(nèi)，在包含信號(hào)源本身的時(shí)間晃動(dòng)的情況下，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均優(yōu)于200 ps。

2.1.3 測(cè)量誤差

為測(cè)試該時(shí)間測(cè)量電路在全量程內(nèi)的測(cè)量誤差情況，利用上述相同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)條件，記錄下信號(hào)發(fā)生器的輸出時(shí)間間隔，測(cè)量的平均時(shí)間以及計(jì)算得到的測(cè)量誤差結(jié)果如表2所示。

其中，信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)時(shí)間間隔為1 100 ns時(shí)，實(shí)際測(cè)得的時(shí)間分布如圖9所示，其平均值為1099.54 ns。結(jié)果表明，在全量程范圍內(nèi)，時(shí)間測(cè)量的誤差均小于0.06%，可見該電路的時(shí)間測(cè)量結(jié)果是非常準(zhǔn)確的。

表2 全量程內(nèi)時(shí)間測(cè)量誤差

2.2 探測(cè)器輸出信號(hào)停止時(shí)間測(cè)量

按照?qǐng)D10所示方法連接設(shè)備。利用雙端輸出塑料閃爍體探測(cè)器產(chǎn)生的同時(shí)快信號(hào)（信號(hào)上升時(shí)間1?5 ns，半高寬5?25 ns），一路經(jīng)過恒比定時(shí)作為開始信號(hào)，另一路經(jīng)過延時(shí)線作為停止信號(hào)，分別輸入到時(shí)間測(cè)量電路的開始信號(hào)和停止信號(hào)輸入端，對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量，獲得測(cè)量時(shí)間間隔及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，該實(shí)驗(yàn)采用Am-Be中子源，其活度為4.6×106Bq。測(cè)量結(jié)果如圖11所示，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為217.5 ps。

上述測(cè)量結(jié)果還包含了探測(cè)器信號(hào)本身的時(shí)間晃動(dòng)，因此電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)本身的測(cè)量精度應(yīng)該大大優(yōu)于該測(cè)量結(jié)果。

3 結(jié)語

在ICF實(shí)驗(yàn)中，聚變等離子體溫度和密度是極其重要的參數(shù)，對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)診斷非常重要。利用中子飛行時(shí)間法實(shí)現(xiàn)中子能譜測(cè)量從而進(jìn)行離子溫度診斷是目前世界上研究最為成熟的方法。本文介紹了針對(duì)“神光Ⅲ”原型裝置設(shè)計(jì)的中子飛行時(shí)間測(cè)量方案，并對(duì)基于該方案研制的時(shí)間測(cè)量電路的記錄能力和測(cè)量精度作了測(cè)試。在使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生開始信號(hào)及停止信號(hào)的測(cè)試方法下，測(cè)得其記錄量程大于1500 ns，能測(cè)量8個(gè)停止信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，且相鄰兩信號(hào)的最小時(shí)間間隔小于40 ns。同時(shí)，其電子學(xué)分辨時(shí)間在1 500 ns量程內(nèi)均優(yōu)于200 ps，時(shí)間測(cè)量的誤差在全量程范圍內(nèi)均小于0.06%。另外，實(shí)驗(yàn)將“神光Ⅲ”原型大陣列中子探測(cè)器系統(tǒng)使用到的塑料閃爍體探測(cè)器接入電子學(xué)系統(tǒng)作了進(jìn)一步測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其電子學(xué)分辨時(shí)間加上探測(cè)器分辨時(shí)間的典型測(cè)量結(jié)果僅為217.5 ps，故該時(shí)間測(cè)量電路的記錄能力和測(cè)量精度均滿足“神光Ⅲ”原型裝置的使用需求。

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13 張?jiān)廊A, 李鋒, 金革, 等. 慣性約束核聚變實(shí)驗(yàn)中子飛行時(shí)間譜儀的時(shí)間測(cè)量插件[J]. 核技術(shù), 2007, 30(3): 227?230 ZHANG Yuehua, LI Feng, JIN Ge,. A TDC module used in nToF of ICF[J]. Nuclear Techniques, 2007, 30(3): 227?230

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15 潘繼飛, 姜秋喜, 畢大平. 基于內(nèi)插采樣技術(shù)的高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2006, 28(11): 1633?1636. DOI: 10.3321/j.issn:1001-506X.2006. 11.007 PAN Jifei，JIANG Qiuxi，BI Daping. High precision time interval measurement method based on interpolating sampling technology[J]. Systems Engineering and Electronics, 2006, 28(11): 1633?1636. DOI: 10.3321/j. issn:1001-506X.2006.11.007

16 楊佩, 徐軍, 王菲. 基于TDC-GP2的高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)[J]. 電子科技, 2010, 23(7): 77?81. DOI: 10.3969/ j.issn.1007-7820.2010.07.024 YANG Pei, XU Jun, WANG Fei. Design of the high-precision time difference measurement system based on TDC-GP2[J]. Electronic Science and Techniques, 2010, 23(7): 77?81. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7820.2010.07.024

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18 ACAM Company. Time-to-digital converter target specification[DB/OL]. http://www.acam.de/fileadmin/ Download/pdf/TDC/English/DB_GP2_en.Pdf, 2010

Design and realization of the ICF neutron time-of-flight measurement circuit

WEI Lingfeng ZHOU Rong YANG Chaowen

(College of Physical Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Background: In inertial confinement fusion (ICF) experiments, the temperature and density of fusion plasma zone are extremely important parameters requiring to diagnose. Purpose: The aim is to design a circuit for diagnosing the temperature information of the plasma zone. Methods: In order to diagnose the temperature information of plasma zone, neutron time-of-flight method was adopted to measure the neutron energy spectrum, i.e., to measure the delay time between the signal of the detector and start signal. We designed a program to accurately measure the time-of-flight with constant fraction discrimination (CFD) method, and used the TDC-GP21 (Time Digital Conversion) produced by ACAM Company (Germany) to complete accurate time measurement. Results: Based on the program, the electronics time-resolution of the measurement circuit within 1 500 ns range is higher than 200 ps, and the measurement deviation is smaller than 0.06%. At the same time, the typical result of electronics time-resolution included detector time-resolution is 217.5 ps. Conclusion: The recording capability and measurement accuracy of the circuit designed can meet the needs of practical applications, which could be used in neutron diagnosing.

ICF, Nuclear diagnostic, Neutron time-of-flight, TDC

TL824

TL824

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070403

國家自然科學(xué)基金(No.11475121、No.11205108)資助

魏凌峰，男，1989年出生，2015年于四川大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)楹穗娮訉W(xué)儀器研制

周榮，E-mail: zhourong@scu.edu.cn

2015-03-04，

2015-04-01