[发明专利]基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统及重建方法

权利要求书

1.一种基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，其特征在于，包括现场可编辑逻辑门阵列FPGA、模拟数字转化器、第一大规模复杂可编辑逻辑芯片CPLD、第二大规模复杂可编辑逻辑器件CPLD、DDR SDRAM存储器、闪存FLASH和SSRAM存储器，所述模拟数字转化器与现场可编辑逻辑门阵列FPGA双向通信连接，所述第一大规模复杂可编辑逻辑芯片CPLD的输出端与现场可编辑逻辑门阵列FPGA的输入端连接，所述第二大规模复杂可编辑逻辑器件CPLD与现场可编辑逻辑门阵列FPGA双向通信连接，所述DDR SDRAM存储器与第二大规模复杂可编辑逻辑器件CPLD连接，该DDR SDRAM存储器与现场可编辑逻辑门阵列FPGA连接，所述闪存FLASH和SSRAM存储器均与第一大规模复杂可编辑逻辑芯片CPLD连接，且闪存FLASH和SSRAM存储器均与现场可编辑逻辑门阵列FPGA连接；气体探测器即GEM探测器；

将开发好的代码通过电脑的USB端口和嵌入式导线下载到FLASH内，在系统上电后，FPGA从FLASH内读取程序代码，并开始运行该代码，模拟数字转化器的APV芯片每25ns读取GEM探测器的信号，FPGA可控制APV芯片的开始和结束，当GEM探测器探测到粒子时，FPGA开始读取APV芯片内的数据，并在读取过程中对信号进行筛选，扣除无效的数据；利用时间修正将x射线和质子甄别开，计算和标记某时间段内探测器的读出板上的独立的信号簇；之后将这些信息存储在SDRAM内，并给CPLD发送数据存储完毕信号，CPLD接到数据存储完毕信号后将存储在SDRAM内的数据读入并进行质子径迹重建和中子入射点的计算；将计算得到的最终结果存储于SDRAM内，并给FPGA发送数据存储完成信号，FPGA接到该信号后将数据通过UBS接口传输给电脑；

在质子径迹重建中，通过重建方法，将几乎同时到达的两个质子的将叠加信号分开，GEM探测器的读出板为二维读出，将一个固定面积的灵敏区划分为多个极小面积的读出块，每一个读出块都是彼此绝缘的，使得GEM探测器的读出板具有二维成像能力；利用FPGA强大的并行能力，将探测器传输来的数千路信号进行预处理，大大压缩数据量，并且可以很好地利用信号的时间信息，利用x/γ射线和质子的信号持续时间的差别来进行甄别，使用CPLD处理FPGA传输来的信号，得到质子的径迹、x/γ射线的能量沉积点和中子的入射点信息，之后通过USB、PXI或INTERNET通用端口，将处理完的数据传输到电脑上进行存储、成像结果展示和再处理。

2.根据权利要求1所述的基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，其特征在于，所述现场可编辑逻辑门阵列采用Arria II GX EP2AGX125EF35 FPGA 芯片。

3.根据权利要求1或2所述的基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，其特征在于，所述第一大规模复杂可编辑逻辑芯片CPLD和第二大规模复杂可编辑逻辑器件CPLD均采用MAX II EPM2210F256 CPLD 芯片。

4.根据权利要求3所述的基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，其特征在于，所述现场可编辑逻辑门阵列FPGA的输出端口电连接LED灯，所述现场可编辑逻辑门阵列FPGA的输入端口连接USB接口。

5.根据权利要求3所述的基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统，其特征在于，所述现场可编辑逻辑门阵列FPGA连接155.52MHz的时钟芯片。

6.一种基于权利要求1至5任一所述的基于气体探测器的在线径迹重建数据获取系统的重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照设定的大小尺寸在逻辑上将探测器的探测平面平均划分为多个小区间，并对每一个小区间都分配一个与位置相关的二维编号，对每一个小区间内的电子学系统单个工作周期中收集到的信号进行预处理；首先进行信号-本底甄别，其次对于甄别为有信号的区间，通过进一步分析比较，获得该区间内信号的初步几何分布范围；所述步骤一中进行信号-本底甄别具体为：如在一个工作周期内某个小区间上收集到的信号的幅度之和小于阈值，则认为在这个工作周期内该小区间没有收集到信号；

步骤二、对于上述已经甄别为有信号的小区间，利用其分配的二维编号进行相邻识别；

步骤三、在上述步骤一和步骤二的基础上，针对相邻的电子学工作周期内所采集到的信号，识别不同的信号是否仍由同一个径迹所引起；具体为，首先，在同一个工作周期内由于被电子学系统收集的时间有先后，因此对于同一个径迹引起的信号可以区分出径迹的起始端与末尾端；如果该径迹所引起的信号在当前的周期内没有被全部收集，则在下一个周期内，在与当前周期信号末尾位置相邻的区域内，产生新的信号，且新的信号的起始端应当与当前信号的末尾端非常接近；因此通过同时选取时间以及位置信息进行识别，将一个径迹在相邻两个电子学工作周期内产生的两团信号关联起来；

步骤四、将多个经步骤三识别后的电子学工作周期的信号联结起来，对整个径迹上的所有信号进行拟合后选取信号的末端，从而完成对整个径迹的重建；具体为，由于径迹产生信号的时间随机，因此如果在当前的工作周期内出现了与上一个周期内的信号无法关联的信号，则代表一个新的信号起始于当前的工作周期；如此在该团信号结束的位置，在下一个工作周期的信号中寻找与之对应的信号团，如果能找到，则代表该径迹引起的信号延续到了下一个工作周期，如果在下一个工作周期内无法在当前周期信号结束的位置附近找到与之相匹配的信号，则代表在当前的工作周期内信号已经全部结束；由此即能收集整理出一个径迹形成的完整信号；根据信号形成的时间特性可知，越晚被收集的信号越接近径迹的起始端；因此对整个径迹上的所有信号进行拟合后选取信号的末端完成对整个径迹的重建。