基于GP2的多通道时间测量组件

基于GP2的多通道时间测量组件1张岳华，李峰，江晓，虞孝麒，金革中国科学技术大学近代物理系安徽省物理电子学重点实验室，安徽合肥（230026）E-mail ：goldjin@摘 要：在“神光III”原型中，中子飞行时间探测器阵列的时间分辨期望小于1ns ，其电子学系统的时间分辨期望小于100ps 。

为了达到这一要求，我们采用ACAM 公司的GP2 TDC 作为时间测量组件的核心芯片，研制了基于VME 多路TDC 时间测量组件，其时间分辨小于61ps 。

关键词：中子飞行时间，TDC ，VME 总线中图分类号：TL81. 引言在ICF 聚变中，DD 反应产生的中子能量为 2.45Mev ；DT 反应产生的中子能量为14.1Mev 。

燃料离子热运动会造成单能中子的能量离散，测量到离散大小就可以得到离子温度[1][2]。

ICF 靶核在空间上可以近似看成点源，在时间上中子可以看作同时产生，中子飞越到探测器过程中基本上不发生碰撞，因而可以用中子飞行时间（nTOF ）技术来测量中子能谱。

中子飞行到探测器的时间与中子的能量有关，中子到达探测器的时间离散∆t 与燃料离子温度有关，其关系可由（3）（4）给出。

其中，d 为靶核到探测器的距离，T i 为离子温度。

“神光III”原型上进行的内爆实验，次级DT 中子产额约为105 ～ 106。

通过测量次级中子能谱，可以给出高密度压缩状态下的〉〈R ρ。

为了使测量系统误差减到最小，每次实验需要尽可能多的记录中子事件。

因此，nTOF探测器的面积应尽可能的大，同时又需要避免探测器的多次击中。

为了满足这个要求，“神光III”原型的nTOF 探测器设计成由960个独立的闪烁体－光电倍增管组成探测器阵列。

每个探测器只测量第一个到达探测器的中子，其输出信号经过TDC 和ADC 数字化后送入计算机。

典型的情况下，平均每个探测器有0.1~0.5个击中，即有100-500个探测器各自测到1个击中，将这100-500个粒子数组成一条中子飞行时间谱，从而得到中子能谱，由此推出T i 和〉〈R ρ。

图1为nTOF 探测器系统框图，虚线内为电子学系统。

为了使系统具有较高的可靠性、较强的互换性和可维护性，同时也便于批量生产和能与ICF 综合实验数据采集和处理系统能无缝对接，系统将采用国际上流行的VME 标准。

电子学系统中各功能模块都设计成单宽VME 组件，图中灰色部分为本文将讨论的时间测量组件VME TDC 。

VME TDC 用于测量中子飞行时间，即测量探测器输出的信号与激光打靶时同步触发信号之间的时间间隔。

1本课题得到博士点基金项目（20050358047）资助第一作者：张岳华，男，1978年5月出生，中国科学技术大学近代物理系，博士研究生；通讯作者：金革，男，1960年6月出生，中国科学技术大学近代物理系教授，博士导师。

)2()1.14()1()45.2(3α+→++→+Mev n T D He Mev n D D )4()(122.0)3()(778.0DT T d t DD T d t i i =∆=∆图1 nTOF探测器系统框图2.时间测量模块的性能指标要求根据ICF实验的物理目标整个探测器系统的主要技术指标要求总的时间测量范围为1-1000ns，时间分辨为1.0ns。

为了尽可能的给探测器系统预留足够的设计余地，电子学的总体时间分辨为100ps，其中时间测量组VME TDC的时间分辨要求小于65ps。

3.时间测量模块的设计图2 时间测量组件的框图图2给出了时间测量组件的框图。

它的起始信号START由激光同步触发信号提供，经电平转换后送入GP2作为起始号；各中子探测器信号经定时甄别放大器产生STOP信号（LVECL电平），以差分的方式送到时间测量组件，经过电平转换以后，送到FPGA。

在FPGA中与公共测试信号TEST相或门作为GP2的停止信号。

VETO信号为的禁止信号，可以用来禁止TDC通道。

FPGA内部分成三个部分：公共信号TEST和STOP信号的输入输出逻辑组合部分；GP2组件的SPI 总线控制部分；VME总线接口控制部分。

GP2是ACAM公司推出的高精度TDC芯片，主要指标为：时间分辨为50ps，时间测量最大量程为1.8us，每片有2个通道，通过SPI总线对芯片进行参数配置。

图3 GP2的工作原理图3是GP2的工作原理图。

由起始Start信号通过延时反馈的方法产生高频周期信号，计数器（Course Counter）计数周期信号；周期信号之间内插入延时门，Start经过一定时间的周期信号延时后，和Stop信号通过门延时相符合，准确计数信号符合时所经过的延时门数目，以及周期计数器的计数值，从而可以精确的确定Stop和Start之间的时间间隔。

为了消除电压和温度对芯片内部的门延时产生的影响， GP2提供了一种“校正”功能，可以通过设置内部的功能寄存器来打开或者关闭该功能。

在“校正”模式时，GP2自动测量1－2个周期的参考时钟，获得校正数据；在输出最终延时数据时，处理器自动根据校正数据来修正最终结果。

由于nTOF系统非常强调稳定性，因此在设计时这个校正功能通常是处于开启状态，这也是选择GP2作为TDC芯片的一个重要原因。

GP2的接口是4线SPI，因此在FPGA里对每一片GP2都编写了一个SPI控制器。

GP2还提供了一些其他功能的信号线，常用的有RSTN，可以让GP2重启；以及INTN，作为中断时信号输出，触发SPI控制器采取相应的工作。

在每次重上电以后，需要对GP2进行参数配置，向写寄存器写入一些基本参数。

主要的参数包括：工作模式的选择；参考时钟的参数；START和STOP的使能、触发沿的选择；“校正”功能的设置；中断的设定；通道的最大击中数；运算器的参数等等。

图4 GP2的工作流程GP2的工作流程如图4所示，整个时间采集系统的工作流程也就是围绕GP2进行的。

由于每次读取新的数据以前，都需要重新配置运算器的参数，所以整个系统的计数率不可能太高。

在ICF实验中，每次激光打靶的时间间隔很长，对计数率的要求很低，因此不需要考虑GP2的计数率的问题。

4.时间测量模块的性能测试我们研制了一个16通道VME时间测量组件作为原型样机，组装了四个通道TDC，设置GP2为“校正”开启模式，进行了电子学性能测试。

信号源送出的信号分成2路，一路作为开始信号Start，另一路经过ORTEC公司的DB463型延时箱延时后，作为停止信号Stop送到时间测量模块。

设置延时箱不同的延时量测量GP2的数据，得到一个统计分布的直方图，从而可确定峰值位置和半高宽，以测试时间分辨；测量得到足够多的不同的延时量T—Data对应数据，从而拟合得到T—Data直线，以测试线性和变换斜率；连续测量12小时，以测试模块的稳定性。

在所有测量的点中（不同的延时量），半高宽均小于122ps，方差ó小于52ps。

在开启“校正”时，从GP2读取上来的数据是24位格式。

时间T和数据Data的关系为：T=Data * 2 * 250ns /65536因而可以计算得到T－Data直线斜率，应该是0.00763ns。

性能测试时，根据前面得到的延时量－峰值对应数据，可以拟合出测量得到的T－Data直线：T = A + B * Data表1是4个通道的测试结果：表1 通道性能的测试结果CH1 CH2 CH3 CH4 A（ns）-25.87865 -25.7026 -25.55558 -25.56295 B(ns) 0.0076 0.0076 0.0076 0.0076 error 2.70718E-6 9.61069E-7 9.85017E-7 1.15937E-6B从上表可看出，由于各个通道斜率B的差异非常小，有利于数据的离线修正，以保证各个通道的一致性。

在12小时内的稳定性测试中，时间测量模块附近的室温有3-4度左右的变化，测量结果表明峰值的移动非常小，只有7.6ps，保证了整个模块的稳定性。

根据GP2的原理和实际的测试情况，最终需要做并道处理，把8道并作1道，因此最终的时间分辨应该是60.8ps，小于61ps，达到预期设计目标。

5.结束语为了保证nTOF探测器系统能够达到1ns分辨，电子学系统的时间分辨按照100ps设计院。

这就要求TDC组件的时间分辨好于65ps。

本文采用ACAM公司GP2 TDC芯片作为核心芯片设计了VME TDC组件，测试结果表明：设计指标达到了预期目标，时间分辨小于61ps，12小时内测量偏差小于1％。

参考文献[1]M.B.Nelson, M.D.Cable, LaNSA: A large neutron scintillator array for neutron spectroscopy at Nova[J], Rev. Sci. Instrum. 63(10): 4874-4876, 1992[2] T.J.Murphy, R.E.Chrien, K.A.Klare，Neutron time-of-flight signals from expanding or contracting spherical sources[J], Rev.Sci.Instrum. 68(1)：614-617,January 1997A Time Measurement Module Based on GP2 TDCZhang Yuehua, Li Feng, Jiang Xiao, Yu Xiaoqi, Jin Ge,The Key Laboratory of Physical Electronics of Anhui,University of Science and Technology ofChina, Hefei, Anhui, 230026AbstractThe time resolution of sensitive neutron detector array which will be used in “ShenGuang III” system is expected to be less than 1ns, and the electronic system connected with the detectors is expected to be less than 100ps. Based on the general-purpose GP2 TDC from ACAM, we disigned a VME-plug-in multi-chanel TDC module, which time-resolution is less than 61ps.Keywords：nTOF，TDC，VME bus。