將Pixie-Net數(shù)字化儀用于核物理教學(xué)實驗

魏 康，胡晗睿，樓建玲，許金艷

(北京大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100871)

受到實驗條件的限制，過去的核物理實驗教學(xué)內(nèi)容主要以驗證性實驗為主. 隨著學(xué)生實驗技能的提高，高年級學(xué)生已不滿足于驗證性的教學(xué)實驗內(nèi)容. 一些研究型、與將來科研緊密相關(guān)的實驗更能激發(fā)他們對實驗的興趣，能更好地培養(yǎng)他們的實驗技能. 因此本文把增加這方面的教學(xué)內(nèi)容作為我們核物理實驗教學(xué)改革的一個重要切入點. 近些年來，我們實驗室已經(jīng)開設(shè)了CsI(Tl)能量分辨率的研究[1]、位置靈敏塑料閃爍體譜儀[2-3]、NaI(Tl)探測器的反散射峰影響因素[4-5]、礦渣中放射性元素的測量[6]等研究型實驗. 但是，這些實驗都是基于多個模塊化的NIM插件和國產(chǎn)的多道脈沖幅度分析器PHA18完成的. 雖然NIM信號的傳輸標(biāo)準(zhǔn)相同，但是每個NIM插件的功能單一，每個實驗往往需要多個插件，成本較高. PHA18雖然可以像內(nèi)存條一樣方便地內(nèi)置于電腦中，但是對電腦的硬件配置和操作系統(tǒng)也有一些苛刻的要求，通用效果較差.

科研上，隨著探測器技術(shù)的不斷發(fā)展，探測器的規(guī)模越來越大，實驗路數(shù)越來越多，傳統(tǒng)的模塊化的NIM插件和模擬電子學(xué)獲取系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足核物理實驗日益增長的需求. 數(shù)字化采集系統(tǒng)憑借其更高的脈沖處理靈活性以及與計算機控制系統(tǒng)的便捷通訊, 近些年來在核物理研究中得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出相較于模擬電子學(xué)系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢[7-8]. 科研上，常用的數(shù)字化儀器有美國XIA公司[9]、意大利CAEN公司[10]以及斯洛文尼亞的Red Pitaya公司[11]生產(chǎn)的產(chǎn)品. 其中，XIA公司的Pixie-Net和CAEN的DT5790N操作簡單，比較適用于教學(xué)實驗. 本教學(xué)實驗室也引進(jìn)了桌面式的、四通道的數(shù)字化儀Pixie-Net用于NaI(Tl)探測器的測量，探討用一個Pixie-Net數(shù)字化儀替代傳統(tǒng)電子學(xué)的可能性.

1 實驗

1.1 Pixie-Net簡介

Pixie-Net數(shù)字化儀是XIA公司生產(chǎn)的，可以替代放大器、甄別器、脈沖幅度分析器(ADC)等多個傳統(tǒng)電子學(xué)插件. 它可以采集信號波形，測量能量，完成脈沖形狀分析/甄別 PSA(付費固件，已經(jīng)購買)，實現(xiàn)各通道之間的觸發(fā)、符合和反符合. 它適用于包括氣體、閃爍體、半導(dǎo)體在內(nèi)的各種類型的探測器.

本實驗室購置的是四通道的，桌面式的Pixie-Net數(shù)字化儀，不需要XIA公司的Pixie-16 6U Compact PCI/PXI機箱和PCI-8366/PXI-8368機箱控制器. 這大大簡化了操作難度，適用于教學(xué)實驗. 圖1給出了Pixie-Net數(shù)字化儀的圖片，以及各個接口的功能. 具體參數(shù)如下：1) 4 通道，模擬信號輸入；2) 輸入阻抗：50 Ω或2 kΩ；3) 輸入信號幅度：±1 V有效輸入范圍(50 Ω，2倍增益)；輸入信號最高不得超過±3.5 V，否則會損壞設(shè)備.4) ADC的波形采樣率：250 MHz(4 ns采集一個數(shù)據(jù)點)；5) ADC的分辨率：12 bit(4 096道).

正面圖

Pixie-Net數(shù)字化儀中內(nèi)置Linux系統(tǒng)，可在Linux系統(tǒng)上運行，也可很方便地在Windows系統(tǒng)上運行. 在Windows上運行時：通過USB線與電腦通訊，采用Linux指令軟件輸入指令的方式控制設(shè)備的運行，同時通過網(wǎng)線與電腦通訊，在瀏覽器中輸入數(shù)字化儀的IP地址即可打開操作界面. 相比于傳統(tǒng)的脈沖幅度分析器PHA18, Pixie-Net數(shù)字化儀可以與任意基于Windows系統(tǒng)電腦適配. 需要注意的是：SD卡內(nèi)儲存著Linux系統(tǒng)和固件，不得輕易取出，為防止丟失和損壞，最好提前備份；且設(shè)備在運行期間發(fā)熱量大，外殼發(fā)燙是正?，F(xiàn)象.

1.2 測試電路圖

對于NaI(Tl)、CeBr3等閃爍體探測器，圖2給出了傳統(tǒng)電子學(xué)[12]和Pixie-Net數(shù)字化儀的測試電路對比圖. 相比于傳統(tǒng)的測試方法，Pixie-Net數(shù)字化儀具有放大器、甄別器、定標(biāo)器、多道幅度分析器等多個插件的功能，使測試更加簡便. 需要指出的是，NaI(Tl)和CeBr3等探測器后端的光電倍增管可以不加前置放大器(射極跟隨器)，就可以直接輸入到Pixie-Net數(shù)字化儀.

圖2 傳統(tǒng)電子學(xué)的測試電子學(xué)線路圖(上圖)和利用Pixie-Net數(shù)字化儀的測試電路圖(下圖)

1.3 Pixie-Net數(shù)字化儀的能量測量原理

1.3.1 探測器的工作原理

γ探測器，包括Si(Li)、HPGe、HgI2、CdTe和CZT等探測器，通常使用電荷靈敏前置放大器. 如圖3(a)所示，探測器D加高壓V后連接至前置放大器A的輸入端. 前置放大器A具有反饋電容Cf和反饋電阻Rf. 對于這種RC型前放，時間常數(shù)RC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探測器內(nèi)的電荷收集時間. 經(jīng)過探測器的電流向電容Cf充電的過程中，從電阻Rf中漏掉的電荷可以忽略. 當(dāng)充電結(jié)束時，電壓達(dá)到最大值Vx=Q/Cf，其中Q是電容Cf上所充的電荷，也就是探測器靈敏體積內(nèi)形成的總電荷Q. 探測器測量到一個γ光子，釋放的電荷量為Q=Ex/ε，其中ε是與探測器介質(zhì)相關(guān)的常數(shù). 當(dāng)充電結(jié)束后，通過Rf放電，電壓逐漸恢復(fù)為基線水平. 如圖3(b)為前置放大器探測到一個信號后，輸出電壓信號Vx的波形. 圖3顯示了較短時間內(nèi)Vx隨時間的波形變化. 在較長的時間尺度上，Vx是指數(shù)衰減的，但最終會回到基線. 因此，測量電壓信號的幅度Vx，就可以得到釋放的電荷量Q的信息，進(jìn)而得到γ光子的能量信息.

原理圖

閃爍體探測器探測γ射線的基本原理為：一個γ光子進(jìn)入閃爍體后，發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓散射以及電子對效應(yīng)等作用，在閃爍體中沉積能量，引起閃爍體的激發(fā)退激而產(chǎn)生熒光信號. 熒光經(jīng)過閃爍體的傳輸后到達(dá)光電倍增管的光陰極發(fā)生光電效應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮? 光電子經(jīng)過打拿極的倍增后，被陽極收集轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍刃盘朧x. γ射線沉積的能量E越多，產(chǎn)生的熒光信號和電子數(shù)也就越多，生成電壓信號的幅度就越大. 因此，電壓信號的幅度Vx與γ射線沉積的能量E一一對應(yīng). 測量電壓信號的幅度Vx，就可以得到γ射線沉積能量E的信息. 由此可見，雖然閃爍體探測器以一種不同的機制產(chǎn)生脈沖，但產(chǎn)生的脈沖信號仍然可用快速上升的前沿和指數(shù)衰減的后沿來描述，如圖4所示. 因此下面所述中前置放大器輸出信號的處理原理同樣適用.

圖4 示波器觀察到的NaI(Tl)探測器的輸出信號

圖3(b)和圖4中顯示的幅度信號Vx具有有限的上升時間和指數(shù)衰減尾巴，可以表示為

Vx(t)=A(e-t/τ-e-t/θ)

(1)

其中，θ表示上升時間參數(shù)；τ=RC，表示指數(shù)衰減常數(shù)；A代表信號的最高幅度. 注意：對于電荷靈敏前置放大器的輸出信號來說，θ是ns量級，τ是幾十到幾百μs量級的，滿足τ? θ. 但是對于閃爍體的輸出信號，θ和τ都是幾百ns的量級.

1.3.2 濾波的基本原理[7-9]

濾波可以降低測量中的噪聲. 傳統(tǒng)的模擬濾波器一般由一級微分和多級積分組合構(gòu)成，一般稱為成形放大器(shaping amplifier)、線性放大器等.它可以將前置放大器的輸出信號[圖3(b)所示]轉(zhuǎn)換為三角形或半高斯脈沖，其振幅(相對于其基線)正比于Vx，因而正比于射線的能量E.

圖5 數(shù)字濾波的原理示意圖

不同于傳統(tǒng)的模擬濾波器，數(shù)字化儀濾波的方式完全不同. 如圖5所示，前置放大器輸出的信號已經(jīng)數(shù)字化，即離散值的字符串. 確定Vx數(shù)值的方法是在階躍(step)之前對點進(jìn)行某種平均，然后減去階躍后點的平均值. 也就是說，如圖5所示，計算標(biāo)記為“長度”的兩個區(qū)域的平均值(“間隙”區(qū)域省略，因為這里的信號變化很快)，它們的差就是Vx的幅度. 因此，Vx可表示為

(2)

其中，加權(quán)常數(shù)Wi的值決定了平均值的計算類型. 兩組權(quán)重值單獨計算，單獨歸一. 不同數(shù)字信號處理器之間的主要區(qū)別有：1) 如何選擇權(quán)重Wi；2) 如何選擇用于計算平均值的區(qū)域. 例如，常用的方法有兩種：一是對靠近階躍(圖5中的“間隙”部分)區(qū)域使用較大的權(quán)重值，對遠(yuǎn)離階躍的區(qū)域使用較小的權(quán)重值，方程(2)產(chǎn)生“尖頭狀(cusp-like)”波形；二是采用常數(shù)權(quán)重值，得到三角形(如果間隙為零)或梯形的波形. 可以采用方法一的原因是：階躍承載的信號信息最多，所以在平均過程中，它們的權(quán)重應(yīng)該最大. 采用不同的方法，會導(dǎo)致濾波長度隨時間變化(長度因脈沖而異)或不隨時間變化(所有脈沖的長度相同). 傳統(tǒng)模擬濾波器的濾波長度是不變的. 濾波長度變化可以理解為：信號隨機到達(dá)，它們之間的長度也相應(yīng)變化，所以通常將長度設(shè)置為脈沖間隔的時間. 原則上，最好的濾波應(yīng)該采用cusp-like的權(quán)重(方法一),時間可變的濾波長度. 然而，這都需要強大的計算能力來實現(xiàn)實時計算，并在復(fù)雜的電子設(shè)備中一個脈沖、一個脈沖地歸一化Wi.

1.3.3 Pixie-Net濾波的方法[7-9]

Pixie-Net數(shù)字化儀采用了不同的方法，對處理過程進(jìn)行了優(yōu)化. 它是一個濾波長度固定且所有權(quán)重Wi值都等于1.0的濾波器. 實際計算時，對于每個新的信號值k，電壓幅度的計算公式為

(3)

其中，濾波器的固定時間長度(length)為L，間隙(gap)為G.Vx,k需要乘以系數(shù)L，這是因為這里的權(quán)重之和沒有歸一. 雖然這種關(guān)系非常簡單，但仍然非常有效. 該方法直觀上看起來像一個移動的窗口對原始信號進(jìn)行低頻濾波，所以稱為Moving Window Deconvolution(MWD). 首先，三角形(或梯形，如果G≠0)濾波是高速信號處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 其次，可以從理論上證明：在高計數(shù)率、短成形時間的典型情況下，信號中的噪聲在階躍的上下為白噪聲(白噪聲white noise是指所有頻率具有相同能量密度的隨機噪聲). 公式(2)中的平均值可以給出最小χ2意義下Vx的最佳估計值. 當(dāng)然，這是三角形濾波在高速處理過程中被首選的主要原因. 原則上，使用濾波長度變化的濾波器進(jìn)行濾波時，可以在一定程度上同時實現(xiàn)高分辨率和高計數(shù)率的測量，但成本要高很多且分辨率是計數(shù)率依賴的. 對于許多精密儀器來說，這是不可接受的. 實際的測試表明，Pixie-Net的設(shè)計已經(jīng)可以重現(xiàn)模擬濾波器的最佳能量分辨率，同時將計數(shù)率提高一倍左右.

理想的尖端形狀可以給出最好的信噪比. 但是這個形狀不適用，因為在理論上，它需要具有無窮長的持續(xù)時間. 為了在信噪比最好的區(qū)域內(nèi)提取能量信息，有限長度的對稱三角形是最優(yōu)化的整形形狀. 但是由于探測器載流子收集時間的差異，導(dǎo)致信號的上升時間存在一定的變化范圍. 如果成形時間小于該變化范圍，則會帶來彈道虧損. 因此，可以在對稱三角形的頂端加一段平臺來應(yīng)對不同信號上升時間的差異. 所以梯形濾波可以帶來最好的信噪比，成為數(shù)字信號處理中提取能量時應(yīng)用最廣泛的整形形狀.

下面，將只考慮Pixie-Net模塊采用的濾波方式：梯形濾波. 當(dāng)濾波長度L=1 μs和間隙G=0.4 μs時，電荷靈敏前置放大器的輸出信號和濾波成形信號如圖6所示. 可清晰地看到梯形的濾波輸出信號：上升時間等于L，平臺等于G，對稱的下降時間等于L.因此，濾波后輸出波形的寬度為2L+G. 數(shù)字濾波后形成的梯形信號有一個重要特征，即在基寬2L+G后銳截止. 模擬濾波成形脈沖的尾部可能持續(xù)高達(dá)上升時間的40%，這導(dǎo)致了模擬濾波器的有限帶寬. 銳截止的數(shù)字濾波器在抑制堆積輸出方面具有一定的優(yōu)勢.

圖6 梯形濾波器的示意圖

1.3.4 基線和前放輸出信號的衰減時間[7-9]

圖7顯示了較長時間間隔內(nèi)，電荷靈敏前置放大器的輸出波形，以及濾波器如何處理無γ事件入射時的噪聲. 如圖7所示，基線附近濾波的效果是：既能減小振幅的波動，又能降低高頻信號. 該區(qū)域稱為基線，因為它建立了一個參照，即從哪里開始測量射線的峰值振幅Vx. 基線晃動的標(biāo)準(zhǔn)差σe，稱為電子設(shè)備的電子學(xué)噪聲(electronic noise). 該噪聲依賴所用濾波器的上升時間. 除了電子學(xué)噪聲外，γ射線的峰值還產(chǎn)生了一個額外的噪聲項，即法諾噪聲σf(Fano noise). 法諾噪聲主要來源于γ射線被探測器吸收后，產(chǎn)生電荷量Q的統(tǒng)計漲落. 總的噪聲是電子學(xué)噪聲和法諾噪聲的疊加，即

(4)

法諾噪聲只是探測器材料的一種固有特性. 電子學(xué)噪聲可能來自前置放大器和成形放大器的雙重貢獻(xiàn). 當(dāng)前置放大器和成形放大器的設(shè)計和匹配都很好時，放大器的噪聲貢獻(xiàn)可以忽略不計.

RC型前置放大器的輸出信號在衰減過程中，基線顯然不是零. 在圖7中可以清楚地看到，濾波器輸出(filter output)在脈沖幅度低于初始信號幅度后指數(shù)衰減. 還請注意，平臺區(qū)域，它是向下傾斜的，不是真的平臺. 經(jīng)過衰減常數(shù), 基線可以回到直流電平. 作為信號波形的一個重要特點，衰減常數(shù)τ必須由用戶根據(jù)實際情況設(shè)定.

圖7 長周期內(nèi)一個γ射線事件的輸出信號波形，以及電子學(xué)噪聲、法諾噪聲，前放衰減時間對基線的影響

1.3.5 影響能量分辨率的運行參數(shù)[7]

除了探測器本身的固有屬性外，Pixie-Net數(shù)字化儀的運行參數(shù)也會影響探測器的分辨率. 運行參數(shù)的最優(yōu)化值取決于具體的探測系統(tǒng)，通常需要大量的測試實驗. 粗略參數(shù)設(shè)置指南如下.

1) 能量濾波參數(shù)

優(yōu)化能量分辨率的主要參數(shù)是能量濾波器的上升時間，即ENERGY_RISETIME. 通常，上升時間越長，分辨率越高，但會降低計數(shù)率. 優(yōu)化應(yīng)從掃描可用范圍內(nèi)的上升時間開始. 嘗試2、4、8、11.2 μs，每一次運行60 s左右，并記下能量分辨率. 然后，微調(diào)上升時間ENERGY_RISETIME. 平臺(ENERGY_FLATTOP)通常只需要少量調(diào)整. 對于典型的同軸鍺探測器， 建議使用1.2 μs的平臺；對于小型探測器(20%的效率)0.8 μs的平臺即可；對于較大的探測器，1.2 μs和1.6 μs的平臺更合適. 通常，平臺需要足夠?qū)?，以容納來自探測器的最長典型信號的上升時間. 一般情況下，平臺的寬度要大于信號的最長上升時間. 然后，它需要比最小值寬一個濾波器時鐘周期(Filter granularity)，但至少要3個濾波器時鐘周期的寬度. 需要注意的是：濾波器時鐘周期取決于濾波范圍(FILTER RANGE，見表1)，因此不可能有很短的平臺和很長的濾波器上升時間.

表1 Pixie-Net濾波器的濾波范圍(Filter range)，濾波周期(Filter granularity)等對應(yīng)關(guān)系表

2) 閾值和觸發(fā)濾波器參數(shù)

通常，應(yīng)將觸發(fā)閾值(TRIGGER_THRES HOLD)設(shè)置得盡可能低，以獲得最佳分辨率. 但如果太低，輸入計數(shù)率將急劇上升，并且“噪聲峰值”將出現(xiàn)在頻譜的低能端. 如果閾值太高，特別是在高計數(shù)率下，低于閾值的低能事件可以通過堆積檢查器，并與較大的事件堆積在一起. 這會增加測量能量，從而導(dǎo)致能譜中(理想情況下為高斯)峰值出現(xiàn)指數(shù)拖尾. 理想情況下，應(yīng)設(shè)置閾值，使噪聲峰值剛好消失. 觸發(fā)過濾器的設(shè)置對分辨率的影響很小. 然而改變觸發(fā)條件可能會對某些不需要的峰形狀產(chǎn)生一些影響. 更長的觸發(fā)濾波器上升時間(TRIGGER_RISETIME)允許閾值降低得更多，因為噪聲在更長的時間內(nèi)平均. 這有助于去除峰上的尾巴. 長觸發(fā)濾波器平臺(TRIGGER_FLATTOP)將有助于在緩慢上升的脈沖上更好地觸發(fā)，從而在能譜的閾值處產(chǎn)生更清晰的截止.

3) 衰減時間(高計數(shù)率下敏感)

前置放大器的衰減時間τ(TAU)用于校正位于前一脈沖下降斜率上的脈沖能量. 這些計算假設(shè)一個簡單的指數(shù)衰減和一個衰減常數(shù). 在脈沖重疊更頻繁的高計數(shù)率下，τ的精確尤其重要. 如果τ偏離最佳值，能譜中的峰值將變寬，如果τ偏離最佳值極大，能譜將明顯模糊. 可以從ADC記錄道獲得τ的第一個粗略估計值，然后在估計值周圍微調(diào)以得到最佳值.這最好在高計數(shù)率下進(jìn)行，因為對分辨率的影響更為明顯. 通過這種方法發(fā)現(xiàn)的τ也適用于低計數(shù)率. 手動輸入τ，短時間運行，并注意給出最佳分辨率時的τ值.

4) 基線和ADC校準(zhǔn)

在探測脈沖之前，Pixie-Net模塊持續(xù)測量基線，并最終用于校正直流偏移. 可以使用多個基線測量設(shè)置平均值以降低噪聲(BLAVG)，并設(shè)置閾值(BLCUT)以排除噪聲，從平均值中剔除偶爾不好的測量.

2 實驗步驟

2.1 Pixie-Net數(shù)字化儀的安裝

1) 連接電腦與Pixie-Net數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng). 可以使用兩頭均是USB的連接線，也可以USB-UART口(即USB轉(zhuǎn)Android口)，如圖8所示.

圖8 Pixie-Net的連線照片

2) 安裝 USB 驅(qū)動和 Linux 指令軟件. 注意獲取電腦是64位的還是32位的操作系統(tǒng)，兩者不兼容.

3) 設(shè)置登錄賬號密碼(默認(rèn)).

4) 查詢內(nèi)嵌Linux系統(tǒng)為IP地址，在桌面終端中輸入“ifconfig”查詢.

5) 修改本地主機電腦的IP地址與內(nèi)嵌Linux系統(tǒng)IP地址一致，其中，DNS會在鼠標(biāo)左鍵單擊后會自動填寫.

6) 在桌面終端中輸入“cd/var/www”調(diào)用該文件.

7) 電腦的地址欄中輸入Pixie-Net的IP地址，可看到“varwww”文件，點擊進(jìn)入輸入賬戶和密碼. 注意在IP地址前加上“\”.

8) 點擊打開“varwww”，并打開settings進(jìn)行各項參數(shù)的修改，然后保存. 這一步會影響探測器的能量分辨率，隨后會對關(guān)鍵參數(shù)逐個予以調(diào)整. 調(diào)整的原理部分參見1.3.4和1.3.5.

9) 終端輸入“./progfippi”回車調(diào)用settings文件.

10) 終端輸入“./findsettings”回車進(jìn)行參數(shù)矯正，主要為基線的偏移(400～600為理想數(shù)值).

11) 瀏覽器地址欄中輸入內(nèi)嵌Linux的地址便可進(jìn)入數(shù)據(jù)獲取界面.

12) 終端輸入“./startdaq”開始數(shù)據(jù)采集，需要結(jié)束采集的話，在終端輸入“Ctrl+C”結(jié)束運行.

13) 在操作界面點擊對應(yīng)的選項將顯示具體的采樣結(jié)果.

至此，整個Pixie-Net數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)與獲取電腦的通信構(gòu)建完成.

2.2 探測器的準(zhǔn)備

除Pixie-Net數(shù)字化儀外，該實驗還用到的儀器及型號如下：

? 放射源：60Co和137Cs各一枚，約1 μCi；

? NaI探測器：一個，北京核儀器廠，2英寸；

? NIMA機箱：一個，北京核儀器廠，BH1222;

? 高壓插件：一個，北京核儀器廠，F(xiàn)H1283N;

? 能輸出低壓的主放大器：一個，北京核儀器廠，F(xiàn)H1218;

? 示波器：一個，泰克公司生產(chǎn)TDS2022.

具體的實驗準(zhǔn)備步驟如下：

1) 按照圖9連接探測系統(tǒng)(暫時不放置放射源).

圖9 探測器的電子學(xué)框圖

2) 打開示波器及NIM機箱的開關(guān).

3) 打開高壓電源開關(guān)，并逐漸增加輸出電壓到550 V. 觀察示波器上出現(xiàn)的信號(非放射源信號，環(huán)境中的本底信號).

4) 將放射源60Co放置在NaI探測器探頭下，用示波器觀察輸出的電壓幅度信號. 記錄信號的上升時間、下降時間、計數(shù)率(示波器trigger剛超過基線時)以及光電或者全能峰(出現(xiàn)幾率較大，最亮線的)的最大幅度. 按照要求，在示波器50 Ω匹配的情況下，光電峰的最大幅度不能超過1 V，否則需要經(jīng)過衰減器衰減后才能輸入到Pixie-Net.

2.3 數(shù)據(jù)的獲取

將信號引入Pixie-Net數(shù)字化儀中，從獲取電腦觀察信號是否正常，具體操作及顯示結(jié)果如下：

1) 將NaI探測器引出的信號線接入Pixie-Net數(shù)字化儀任一通道(這里選擇3通道).

2) 修改數(shù)據(jù)獲取電腦的settings文件為NaI探測器對應(yīng)的設(shè)置(other settings 中有對應(yīng)的設(shè)置參數(shù)). 設(shè)置好之后依次執(zhí)行2.1節(jié)中9—12步.

2.4 通過電腦瀏覽器觀察采集結(jié)果

1) ADC traces(查看實時輸入信號)：

共有四個通道的信號，其中橫坐標(biāo)為采樣間隔的數(shù)量，每個采樣間隔為200 ns，總寬度為8 000，故而顯示的總寬度為200 ns×8 000=1 600 μs，縱坐標(biāo)為ADC總量程的份數(shù)，該數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)為12 bit，故而縱坐標(biāo)的最大值為212= 4 096.

在這個過程中，可以獲取某一時刻的實時輸入數(shù)據(jù)，并通過界面展示，并可利用鼠標(biāo)左鍵框選波形以進(jìn)行局部放大；雙擊后返回原始大小. 要獲得下一時刻的波形，需要點擊地址欄中的刷新選項后，再次進(jìn)行獲取. 如圖10所示，左圖為沒有放大的某一時間間隔的波形，右圖為框選后放大的結(jié)果.

放大前

2) MCA spectra(查看實時能譜圖)

同樣共有四個通道的信號，可以進(jìn)行放大和縮小，并進(jìn)行刷新. 橫坐標(biāo)為通道數(shù)，共32 k，縱坐標(biāo)為計數(shù)，圖11為NaI探測器測量的60Co源的實時能譜圖. 兩個全能峰、康普頓平臺以及反散射峰清晰可見.

圖11 MCA spectra(實時能譜結(jié)果)

3) run statistics(full)或run statistics(short)(查看實時運行狀態(tài))

可以查看系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并通過刷新選項進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的更新. 在該界面中，可以查看采集時間、輸入和輸出計數(shù)率以及死時間等信息.

圖12 Pixie-Net的實時運行狀態(tài)

4) Averaged ADC traces(查看實時輸入信號)

該功能類似于ADC traces(查看實時輸入信號)的功能，不過圖13是該時間間隔內(nèi)信號的平均值.

圖13 ADC traces(平均值)

5) Waveforms(查看最近采集的信號波形)

如圖14所示，橫坐標(biāo)為采樣間隔的數(shù)量，縱坐標(biāo)為ADC總量程的份數(shù)，該模式給出了這一時間間隔中某個信號的波形形狀，可以通過輸入序號查看對應(yīng)的結(jié)果. 該界面一個采樣間隔為4 ns，總的寬度由參數(shù)設(shè)置決定，最大時間為 16 μs.

圖14 波形采樣圖

6) 導(dǎo)出數(shù)據(jù)

在完成數(shù)據(jù)的采集后，根據(jù)settings中設(shè)置的采集模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，保存格式為txt格式. 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能只能導(dǎo)出最近一次采集的數(shù)據(jù)，所以在完成一次測試后，需要立馬進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，否則新的數(shù)據(jù)就會覆蓋掉舊的數(shù)據(jù).

3 Pixie-net運行參數(shù)的優(yōu)化

初步的測試結(jié)果表明：利用Pixie-Net自帶的“setting”文件，Pixie-Net數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以正常獲取探測器的能譜圖，并對其進(jìn)行分析. 但是，對于每一個具體的探測器來說，這些“setting”文件中的參數(shù)往往都不是最佳值. 想要獲得探測器的最佳性能，需要對各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化. 根據(jù)大量的測試，本文得到了2英寸NaI(Tl)探測器的能量分辨率最好時的參數(shù)組合.

程序自帶的“setting”文件中，幾個重要參數(shù)的初始值如表2所示. 本文仔細(xì)測試了表2中各個參數(shù)對NaI(Tl)探測器能量分辨率的影響.

表2 Pixie-Net自帶的“setting”中幾個重要參數(shù)

3.1 光電倍增管高壓的影響

將Pixie-Net的“setting”都設(shè)置為初始值，用NaI閃爍體探測器測量137Cs (60Co)源0.662 MeV (1.17 MeV，1.33 MeV)的γ能譜. 每改變一次高壓值，測量一個能譜，并對每個能譜進(jìn)行擬合分析得到能量分辨率. 結(jié)果如圖15所示，在550 V時，NaI閃爍體探測器對0.662，1.17 MeV的能量分辨率最佳，但是對1.33 MeV的γ射線，其分辨率比500 V時差，可能的原因是：高壓值稍高了后，少量1.33 MeV的信號幅度超過了1 V. 下面的測試中，選定的電壓值都是550 V.

圖15 NaI探測器能量分辨率隨外加高壓的變化圖

3.2 不同上升時間(ENERGY_RISETIME)的影響

本文測試了不同上升時間參數(shù)下，NaI閃爍體探測器測量到137Cs源0.662 MeV的γ射線能譜，并通過分析各個能譜，得到了對應(yīng)的能量分辨. 測試選擇的上升時間為0.05、0.10、0.25、0.50、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、3.00、4.00、8.00 μs，其他參數(shù)都保持為初始值. 注意，在調(diào)節(jié)上升時間的過程中，要根據(jù)表格1，同時調(diào)整“FILTER RANGE”. 其中每次測試的時間為60 s. 測試結(jié)果見圖16. 結(jié)果表明，當(dāng)上升時間在1～2 μs 范圍內(nèi)，能量分辨率最佳，峰值最大. 后續(xù)的測量中，選擇上升時間為1 μs作為最佳的上升時間進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析.

圖16 上升時間(RISETIME)對能量分辨率和峰道址的影響

3.3 不同的平臺時間(FLATTOP)的影響

基于之前的測試，調(diào)節(jié)光電倍增管的高壓為550 V，調(diào)節(jié)上升時間為1 μs. 測試了不同平臺時間(FLATTOP)參數(shù)下，NaI閃爍體探測器對137Cs源0.662 MeV的能譜，并分析了各個能譜，得到了能量分辨率. 每次測試的時間為60 s. 測試中選擇的平臺時間為0.05、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.5、2.00、3.00 μs, 測試結(jié)果如圖17所示. 結(jié)果表明，當(dāng)平臺時間在0.4～1 μs 范圍內(nèi)，能量分辨率最佳，峰值最大. 后續(xù)的測量中，選擇平臺時間為0.8 μs作為最佳的平臺時間進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析.

圖17 平臺時間(FLATTOP)對能量分辨率和峰道址的影響

3.4 不同的衰減時間(TAU)的影響

基于之前的測試，調(diào)節(jié)光電倍增管的高壓為550 V，調(diào)節(jié)上升時間為1 μs，調(diào)節(jié)平臺時間為0.8 μs. 測試了不同衰減時間(TAU)參數(shù)下，NaI閃爍體探測器對137Cs源0.662 MeV的γ能譜，通過分析各個能譜得到了能量分辨率. 每次測試的時間為60 s. 測試中選擇的衰減時間為0.15、0.20、0.30、0.40、0.50、0.70、1.00、1.50、2.00 μs，測試結(jié)果見圖18. 探測器的最佳能量分辨基本呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢，且在0.3～0.7 μs變化范圍較小. 但是，峰道址隨著衰減時間的增加，按照指數(shù)方式衰減，衰減規(guī)律和NaI探測器的輸出信號(圖4)類似. 這可以從公式(3)理解，NaI探測器的輸出信號(圖4)的衰減很快，衰減常數(shù)τ約為0.3 μs，所以隨著平頂?shù)臅r間增長，計算的平均幅度包含越來越多的衰減信號，導(dǎo)致平均幅度逐漸降低. 綜合考慮到探測器的增益以及能量分辨，本文選擇衰減時間為0.3 μs作為最佳的衰減時間.

圖18 衰減時間(TAU)對能量分辨率和峰道址的影響

3.5 其他參數(shù)的影響

除了上述參數(shù)外，還測試了Analog_ Gain，threshold 等參數(shù)的影響. 結(jié)果表明：

1) 在Analog_Gain取5時的分辨為6.89%，要稍好于取2時的分辨6.96 %相當(dāng). 但是容易引起ADC超界，所以，測試時一直設(shè)置為2.0. (注意：ADC的道址×DIG_GAIN=Bin number，即DIG_GAIN不影響分辨，但會影響峰道址. )

2) 在trigger閾值(TRIGGER_THRESHOLD)分別取1、2、3、5、7、10、15、20、30、40(ADC的份數(shù))時，分辨也會發(fā)生變化. 結(jié)果表明，閾值較小時，能夠測量出32 keV的Kx射線時，分辨均小于7.0%.

表3 測試給出NaI閃爍體探測器探測器的最佳參數(shù)

3.6 最佳參數(shù)下的測試結(jié)果

根據(jù)上述測量結(jié)果，表3總結(jié)給出了2英寸NaI閃爍體探測器的最佳參數(shù). 在這些最佳參數(shù)下，測量了137Cs和60Co的γ能譜圖，見圖19，分辨率的具體值見表4. 利用三個已知能量的峰對NaI探測器刻度，如圖20所示. 從刻度結(jié)果看，探測器的線性很好.

137Cs能譜圖

圖20 Pixie-Net在最佳參數(shù)下，能量刻度曲線

表4 最佳參數(shù)設(shè)置下，NaI閃爍體探測器在測量不同能量γ射線下的結(jié)果

表格4的最后一列，還列出了同一NaI探測器，利用傳統(tǒng)電子學(xué)測量得到的能量分辨率最佳值. 這些分辨值是調(diào)整了探測器的高壓、放大器的放大倍數(shù)、積分時間、微分時間等參數(shù)后，得到的最佳值. 通過對比，可以明顯得看出，利用Pixie-Net數(shù)字化儀器，測量得到的能量分辨率要優(yōu)于傳統(tǒng)電子學(xué)的.

4 總結(jié)

為了適應(yīng)電子學(xué)的快速發(fā)展需求，北大核物理與核技術(shù)教學(xué)實驗室引進(jìn)了多套桌面式、四通道的Pixie-Net 數(shù)字化儀，并嘗試用于核物理實驗的教學(xué). 本文介紹了Pixie-Net 數(shù)字化儀用于核物理教學(xué)實驗的優(yōu)勢，以及Pixie-Net 數(shù)字化儀的能量測量原理，并指出可能影響能量測量的主要參數(shù)，包括：上升時間、平臺時間、衰減時間、放大倍數(shù)、閾值等. 利用137Cs源，本文詳細(xì)測試了各個參數(shù)對NaI(Tl)探測器能量分辨率的影響，并確定了最佳參數(shù). 結(jié)果表明，采用Pixie-Net 數(shù)字化儀的最佳參數(shù)時，測量得到的NaI(Tl)探測器的能量分辨率好于傳統(tǒng)電子學(xué).