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文丨梧桐呜

编辑丨梧桐呜

前言

粒子物理实验中数据采集系统相关的技术方面，尽管数据采集是一个通用主题，适用于多个领域，但粒子物理实验提出了一些独特的挑战，值得特别描述，并可以采用特殊的解决方案。

大多数粒子物理实验都涉及使用不同类型的传感器，其信息必须被收集和处理，以从所分析的过程中提取最大的语义内容。这个事实意味着不仅需要在不同类型的传感器的不同子采集系统之间进行硬件协调，还需要一种信息处理策略。

从整个系统的数据分析中获得比从单一类型的传感器获得的更多意义，硬件资源的角度看，每种类型的传感器都会被复制多次甚至数百万次，以实现一定的空间覆盖，这个事实直接推动了在需要提高成本和空间利用率时，广泛使用集成设备。

数据采集架构

数据采集旨在实时读取一个或多个传感器的信息，以进行实时使用、存储和进一步的离线分析。严格来说，在传感器处理系统中，可以确定四种不同的活动：采集、处理、集成和分析。然而，大多数情况下，将整个这些活动称为DAQ系统。

并非每个DAQ系统都包括这四种活动，这取决于其复杂性和应用，在单传感器系统中，集成和处理可能都不是必需的。另一方面，在具有复制传感器的系统中，处理可能是最小的，但集成是至关重要的。

如果系统基于不同类型的传感器，则需要进行处理以使各种传感器的读数兼容，并且需要进行集成以获取环境的综合信息。然而，大多数DAQ系统将包括这四种活动：在采集活动中感知物理变量。

在将收集到的数据传输到集成活动之前，对其进行适当处理，进行缩放或格式化，集成的输出是更有意义的信息，分析活动可以基于这些信息进行任务，存储、对某个机制采取措施等。传感器系统的架构，DAQ系统包括四种活动：采集、处理、集成和分析。

根据所研究的过程的特性，必须选择如何组织它们，如今我们将看到如何根据我们的需求来进行调整。 传感器集合是一组以某种方式排列的传感器，它们可以串联、并联或者两种基本排列的混合组合。特定配置的选择将取决于应用。通过不同传感器逐步整合信息，以获得最终结果。

在集中式系统中，传感器的数据被传输到中央处理器进行组合。如果数据量较大，这种组织可能需要相当大的带宽。对于这些情况，DAQ系统可以被安排为一个子系统的层次结构。

在决策集成阶段将本地决策组合为全局决策Dec 1-8，这种组织的有趣之处在于，问题的“规模”增加并不会导致DAQ的组织呈类似增长，即系统不会与问题线性增长。这是真实的，前提是数据和特征融合阶段减少了信息量。

传感器的分布式处理，以分布式方式进行四种先前描述的活动的DAQ系统，即分布式处理系统。这种情况尤为重要，因为许多目前用于粒子物理学的DAQ系统都遵循这种方式。

为了更好地理解传感器处理的不同方面，一个传感器的分布式处理系统，其主要目标是检测所监测空间中的目标。这个例子既可以应用于粒子物理实验，也可以应用于其他领域，如分布式控制系统、机器人的感知系统等。

假设在分布式系统中有有限数量的资源传感器和处理器，考虑一个系统，其中有N个传感器S1到SN和P个处理器EP1到EPP，N个传感器可以跟踪观测空间中的物体，我们假设它们都是相同类型的，即它们构成了一个基于物理复制传感器的系统。

假设它们被组织在P个传感器组或集群中，例如3个组，每个组有N/P个传感器。有三个组，每个组有三个传感器和一个控制它们的处理器，观测空间太广，因此任何传感器集群都无法有效覆盖它。

观测空间可以由所有传感器组进行覆盖，但系统需要实时响应以跟踪目标，可以将空间的一部分分配给每个传感器组。它们将共同覆盖所有的监测空间。在第二种情况下，我们可以将每个集群分配给跟踪一些特定数量的目标的任务。

理想情况下，每个组应该跟踪一个单独的目标，分布式处理系统将主任务T分解为P个子任务，这个操作被称为任务分解。每个子任务Ti的目标是在观测空间中检测和跟踪第i个目标。每个任务都分配了一个处理单元EPi，它控制着该组的三个传感器。

每个复制传感器组都有一个本地处理器，该处理器负责本地处理和控制，它可以控制分配给它的传感器并从它们获取值。理想情况下，集群的传感器应该始终获得相同的值，但在实践中，它们根据某种统计分布给出不同的值。

假设每个组只能看到空间的一部分，但目标可以在该空间的任何地方移动，在这种情况下，系统需要在本地处理器之间进行通信，以共享有关物体的信息，并在物体从一个区域移动到另一个区域时得知。

通过这种方式，整合器获得了三组数据，每组数据来自一组传感器。使用这些数据，观察者确定在监测空间中有三个物体。整合器到传感器的距离通常不可忽略，因此本地处理的结果必须以某种方式传输。

整合器获得的结果是整个监测空间中存在的物体的地图，假设DAQ系统具有可以分析和解释数据并根据获得的结果采取适当行动的知识库，系统解释存在三个占据监测空间的物体，系统的反应将取决于知识库。

辐射检测

辐射检测涉及将辐射能量转化为可以进行处理的电气参数，传感器负责将辐射能量转化为电信号，每种辐射和其能量范围都需要特定类型的探测器，需要考虑几个因素，如灵敏度、探测器的能量分辨率响应、响应时间和效率。

使用电离室进行直接探测是常见的实践，电离室由两个电极构成，施加一定的电势。电极之间的空间由气体占据，并且它对辐射通过气体时产生的电离做出反应。电离辐射通过产生电子-离子对来耗散其部分或全部能量，这些对在电场的影响下被激发并因此产生电流。

辐射检测的另一个提供良好结果的可能性是半导体探测器，它们是固态装置，基本上与电离室类似，但在这种情况下，载流子是电子-空穴对，大多数高效探测器由硅或锗制成。其主要优点是高能量分辨率。

宽能量范围内提供线性响应、快速脉冲上升时间、多种几何形状，尽管大小受限以及对磁场的不敏感性，闪烁体是在电离辐射穿过它们时发出荧光的材料。材料吸收部分入射能量并将其重新发射为光，通常在可见光谱范围内。

有机闪烁体属于芳香化合物类，如苯或蒽，它们是通过将一种高浓度的溶剂和一种或多种低浓度的化合物结合而制成的，溶质通常负责闪烁。它们主要用于检测β粒子，具有从大约125 keV开始的线性响应的快电子、α粒子和质子线性响应和相同能量的较低效率，以及快中子的检测。

它们可以在不同的状态下找到，如晶体、液体溶液、几乎所有形状和尺寸的闪烁塑料以及气态。无机闪烁体是碱金属的晶体，如NaI、Cs、LiI和CaF2。括号中的元素是激活剂，其在晶体中浓度较小，负责闪烁。

无机闪烁体通常具有高的Z值，因此主要用于伽马粒子检测，线性响应可达400 keV。关于其对带电粒子检测的行为，它们在质子能量超过1 MeV和α粒子能量超过15 MeV时表现出线性响应，它们不常用于检测带电粒子。

当辐射穿过要检测的闪烁体时，闪烁体会产生光信号。它与光电探测器相耦合，后者将负责将光信号转换为电信号。

光电技术用于辐射检测

光检测是通过在光电传感器中产生电子-空穴对来响应入射光，当入射光子具有足够的能量以产生光电效应时，价带中的电子跃迁到导带，其中自由电荷可以在外部电场的影响下沿着材料移动，由于之前电子被移除和位移而留在价带中的空穴，有助于电导，并以此方式从光信号产生光电流。

光电探测器的主要特征之一是其光谱响应，光入射引起的电流水平根据波长而变化。它们之间的关系由光谱响应给出，以光灵敏度S或量子效率QE的形式表达。另一个重要特征是信噪比，这是一种将所需信号的水平与背景噪声水平进行比较的度量。

光电探测器的灵敏度，取决于诸如探测器的活动面积和噪声等因素，活动面积通常取决于探测器的构建材料，至于噪声水平，预期信号水平应超过与探测器及其电子学相关联的噪声水平，考虑到所需的SNR。

光电探测器中噪声的一个重要组成部分是暗电流，即使在没有光的环境中，这种电流也存在于光电探测器中，无论是在光电导模式还是光伏模式。这种电流称为暗电流，其强度从nA到pA不等，具体取决于传感器的质量。

来自闪烁体的光通常强度较低，因此一些光电探测器会进行雪崩过程，以扩大电子数目，从而获得可检测的电信号。确定光电探测器质量的其他参数包括反向电压、时间响应和其对温度波动的响应。

光电倍增管一直是用于许多应用的长期使用的光电探测器，主要是由于其良好的特性和优良的结果。它们用于需要测量低水平光信号的应用，例如从闪烁体发出的光，将几百个光子转化为电信号，而不会添加大量噪声。

单极性和双极性信号

在核物理和粒子物理中，通常获得的信号是脉冲信号。根据所使用的探测器，不同的参数，如上升时间或下降时间，以及幅度是不同的。一个带有所有重要参数的典型脉冲信号。 与上升时间密切相关的是脉冲信号的带宽，它与脉冲的最快部分有关，通常是上升时间。

基于时间参数选择信号带宽的典型标准是选择一个带宽，使得BW = 0.35 / tr，其中tr是信号的上升时间，在粒子物理和核物理实验中，放大器输出的信号通常是一个电脉冲，其幅度与入射辐射能量产生的电荷成比例。

直接提供信号而没有适当的放大是相当不切实际的，因此前置放大器是脉冲信号首先经过的阶段，通常放置在距离探测器最近的地方以减小噪声，因为在这个阶段的噪声非常关键。根据测量量的不同，通常使用两种不同类型的前置放大器：电压敏感放大器和电荷敏感放大器。

电压敏感放大器是最常见的放大器类型，它提供与输入脉冲成比例的输出脉冲，而输入脉冲又与收集到的电荷成比例。如果探测器和电子学的等效电容保持恒定，可以使用这种配置，探测器电容随温度变化，因此这种配置不再有效，更倾向于使用称为电荷敏感前置放大器的配置。

总结

半导体探测器本身是电容探测器，具有非常高的阻抗。对于这些探测器，电容Ci会波动，使得电压敏感放大器无法工作，这个电路的思想是使用反馈电容Cf来积分电荷。这种配置的优势是在满足条件，幅度与输入电容无关。

在完成前置放大过程后，为了简化某些量的测量并保持感兴趣的量不变，可能会有必要提供某种形状。脉冲伸展和扩展技术可用于抵消叠加，进行时间测量、脉冲高度测量和为采样做准备。

参考文献

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