基于波形采样的PPAC数据处理

马 朋，马军兵，魏向伦，杨贺润，王建松，杨彦云，张俊伟，鲁辰桂，段利敏，胡荣江，关远帆，胡 强，白 真

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学 核科学与技术学院，北京 100049)

随着专用集成电路技术(ASIC)的发展，数字化波形采样技术在实验核物理中得到了广泛应用，常用的有XIA的APV7和APV8、CEA Saclay的AGET[1]、CAEN的V17XX等flash-ADC高速采样数字化仪[2]。高速采样数字化仪可存储核物理实验中所需信号的完整波形[3]，为后期数据处理提供完整的时间信息和幅度信息。数字化波形采样技术的优势主要有：1) 可对信号的形状进行快慢成分研究，实现粒子鉴别功能；2) 通过数字滤波算法提高信噪比，提高探测器的探测效率；3) 通过基线恢复，解决高计数率下的信号堆积等问题[4]。实验过程中，选取合适的采样频率对数据在线获取和后期处理非常重要。采样频率太高，数据量太大，获取系统的死时间也较大；采样频率太低，信号失真，将不能获取到完整的原始信号。实验中常用的采样频率有50、100、250、500 MHz等，本文使用Tektronix生产的DPO5054示波器(采样频率为5 GHz)采集平行板雪崩计数器(PPAC)信号的波形，通过对采样点抽样，模拟高速采样数字化仪在100、250、500 MHz等采样频率下的PPAC数据，采用脉冲幅度甄别定时方法和恒比定时方法对探测器信号进行定时研究，分析不同采样频率下PPAC的位置分辨能力及探测效率。

1 探测器介绍

PPAC是核物理实验中常用的径迹探测器，置于次级靶前，可给出入射粒子的位置和入射方向，对散射角度和完全运动学测量有着关键作用[5-6]。目前，兰州放射性次级束流线(RIBLL)终端使用的PPAC[7-9]灵敏面积为50 mm×50 mm，采用三层结构(图1)，中间层为公共阴极面，由厚度为2 μm的镀金Mylar薄膜组成，两侧为阳极面，由间距1 mm、直径20 μm的镀金钨丝组成。两个阳极面相互正交，x平面给出入射粒子在x方向上的位置分布，y平面给出入射粒子在y方向上的位置分布。探测器工作时，阴极面加-600 V的高压，使用电容引出探测器的起始时间t信号[10]。阳极面由多根阳极丝构成，读出方法通常有两种：电荷分配法和时间分配法。电荷分配法是指在相邻两根阳极丝之间加入电阻，整个阳极面通过多个电阻串联。信号通过电阻时，信号幅度会有衰减，在阳极面的两端使用电荷灵敏前置放大器收集电荷，通过计算两端信号的衰减比例确定点火丝的位置。时间分配法是指在相邻阳极丝之间加入时间延迟模块，整个阳极丝面通过多个时间延迟模块串联。信号经过时间延迟模块时会被延迟一定的时间，从阳极面的左端读出x1信号、右端读出x2信号，通过TDC采集左右两端的时间差来确定点火丝的位置。实验中PPAC的读出方式使用时间分配法，使用t、x1、x2、y1、y25个信号计算入射粒子的位置信息。

图1 PPAC探测器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of PPAC detector

PPAC的原始信号如图2所示，黄线为t信号，蓝线为x1信号，紫线为x2信号。为表述方便，使用x1代表x1信号和t信号之间的时间差，x2代表x2信号和t信号之间的时间差，入射粒子的位置可用式(1)、(2)来计算：

x=k(x1-x2)

(1)

y=k(y1-y2)

(2)

其中，k为两根阳极丝之间延迟时间和TDC道数的刻度系数。

图2 PPAC原始信号Fig.2 Original signal of PPAC

计算得到的位置分布如图3所示，每个峰与每根阳极丝的位置一一对应，阳极丝的间距为1 mm，可粗略认为PPAC的位置分辨好于1 mm。x1和x2之间具有关联性(图4)，x1+x2为时间延迟模块的总延迟时间。PPAC的位置分辨也可用x1+x2进行估算，计算得到Sigma为0.48 ns，Sigma越小，表示x1和x2关联性越好，位置分辨能力也越高。

图3 计算得到的位置分布Fig.3 Calculation position distribution

图4 x1与x2信号的关联性Fig.4 Signal correlation of x1 and x2

使用Tektronix生产的DPO5054示波器采集PPAC信号的波形，通过对采样点抽样，模拟高速采样数字化仪在100、250、500 MHz等采样频率下的PPAC数据，图5为不同采样频率下模拟得到的时间分布。

图5 不同采样频率下模拟得到的时间分布Fig.5 Simulated time distribution at different sampling rates

2 信号处理

对信号进行定时分析主要使用两种定时方法：数字化脉冲幅度甄别定时方法和恒比定时方法[11-13]。其原理为：1) 数字化脉冲幅度甄别定时方法，触发阈值正比于信号最大幅度，寻找信号峰值，选择合适的触发比来计算触发阈值，在触发阈值附近选取合适的拟合点进行线性拟合，得到定时时间[14]；2) 恒比定时方法，将输入信号分为两路，一路延迟，另一路反向衰减，然后两路信号叠加寻找过零点，在过零点附近选取合适的拟合点进行线性拟合，得到定时时间[15]。

PPAC信号的上升时间为5～10 ns，在5 GHz采样频率下，可使用触发点附近的多个点进行直线拟合，本文中选择7个点进行拟合，拟合点选取5～10个没有太大差别。使用x1+x2的Sigma作为寻找拟合参数的标准，数字化脉冲幅度甄别定时触发比、Sigma及甄别效率列于表1，恒比定时延迟时间与Sigma列于表2。

表1 脉冲幅度甄别定时的触发比、Sigma及甄别效率Table 1 Ratio of trigger, Sigma and efficiency discriminated by pulse amplitudediscrimination timing method

使用脉冲幅度甄别定时过程中，若触发比选择过低，信号的甄别定时点淹没在噪声中，无法甄别出有效的时间信息，造成甄别效率较低。经过对比分析，脉冲幅度甄别定时的触发比选为0.4，恒比定时延迟时间选为8 ns(为了与传统中的CF8000做比较，CF8000的延迟时间仅有2、4、6、8、10 ns 5个挡位可调)。5 GHz采样频率下，脉冲幅度甄别定时方法与恒比定时方法计算的位置差别Sigma为0.033 mm，两种定时方法结果区别不大，与传统的PPAC获取系统也无太大差别[10]。

表2 恒比定时的延迟时间与SigmaTable 2 Sigma discriminated by constant fraction discrimination timing method with different delay time

模拟500 MHz采样频率时，每个采样点间隔为2 ns，由于PPAC信号非常快，每个波形的上升时间仅有3～5个左右的采样点，因此使用信号的上升沿做定时分析时只能选取3个点进行拟合，250 MHz或100 MHz采样频率时只能选取2个点进行拟合。模拟结果表明，拟合点较少时，脉冲幅度甄别定时方法的精度比恒比定时方法的精度要高(图6)。

使用脉冲幅度甄别定时方法研究不同采样频率下的位置分辨差别，与5 GHz采样频率对比，500、250、100 MHz采样频率时位置分辨的差别Sigma分别为0.076、0.153、0.748 mm。图7为不同采样频率下的定位比较，图8为不同采样频率下的位置分布。

图6 不同定时方法得到的时间关联谱Fig.6 Time correlation spectra with different methods

图7 不同采样频率下的定位比较Fig.7 Comparison of positioning at different sampling rates

图8 不同采样频率下的位置分布Fig.8 Position distribution at different sampling rates

传统的PPAC获取系统使用恒比定时插件CF8000进行信号甄别，甄别后的信号送到TDC中进行数据获取。CF8000要求输入信号幅度大于20 mV，否则无法对输入信号进行甄别，严重影响PPAC的探测效率。使用高速采样数字化仪采集PPAC数据时，可对一些信号幅度小于20 mV的小信号进行定时分析，从而大幅提高了PPAC的探测效率。图9为典型的小信号丢失现象，黑点为t信号，红点为x1信号，绿点为x2信号。CF8000可对t信号进行甄别，无法对x1和x2信号进行甄别，影响探测器的探测效率。对500 MHz采样频率下的PPAC数据进行模拟分析，原始数据中事件总计数为8 108，其中信号幅度大于20 mV的信号计数为7 466(图10中的黑点)，使用恒比定时方法对这些信号分析，满足x1+x2关联条件的信号为有效甄别信号，计数为7 432，即传统CF8000的甄别效率仅有91.7%。若使用高速采样数字化仪采集数据，使用恒比定时方法分析，有效甄别信号为7 785；使用脉冲幅度甄别定时方法分析，有效甄别信号为7 783个。图10中红点为信号幅度小于20 mV的小信号，经脉冲幅度甄别定时方法分析后，满足关联条件(蓝线)的信号为有效甄别信号，计数为351(一部分信号太小，湮没在噪声中)，探测效率比传统的PPAC获取系统提高了4.3%。

图9 小信号举例Fig.9 Example of small-signal

图10 不同幅度的信号经过脉冲幅度甄别定时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 小结

本文使用脉冲幅度甄别定时和恒比定时两种定时方法对采样频率为100 MHz～5 GHz的PPAC信号进行了模拟分析。模拟结果表明，采样频率为250～500 MHz时，使用脉冲幅度甄别定时方法可得到较精确的位置信息，与传统获取系统定位的位置分辨的差别Sigma小于0.15 mm，采样频率低于100 MHz时信号定位误差较大。使用高速采样数字化仪可对PPAC数据中的信号幅度小于20 mV的小信号进行定时分析，与传统的PPAC获取系统相比，探测效率提升了4.3%。