微弱信号数字化读出方法及电路研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 佘乾顺
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| 答辩日期 | 2019-06-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 苏弘 |
| 期号 | 09 |
| 英文摘要 | 癌症是威胁人类健康和生命的顽疾,目前重离子放疗被公认为世界上最先进的放射治疗手段之一,重离子放疗技术的研究是当前医学物理界的一大前沿热点。中国科学院近代物理研究所从2006年开始进行重离子治疗肿瘤的相关实验,2012年开始着手重离子放疗装置的产业化。放疗终端中基于分条电离室的束流位置分布及剖面均匀性监测是重离子放疗系统的重要组成部分,而分条电离室输出多通道的微弱电流信号,本论文基于对多通道微弱电流信号的处理需求,进行了高集成、多通道微弱信号数字化读出方法与电路的研究,旨在寻找一种最适合用于重离子放疗装置中束流位置及剖面监测探测器(分条电离室)输出信号的数字化读出方法与电路。微弱信号的数字化读出通常使用三种方法:第一种方法是电流电压实时转换+ADC,该方法可对信号的具体细节进行分析,但是数据量大、成本高、系统复杂;第二种方法是电流频率转换+计数器,这是一种时间段处理方法,将电流转换成脉冲输出,单个脉冲代表固定的电荷量,该方法实现成本低,但是技术难度大;第三种方法是门控积分器+ADC,该方法正好与重离子放疗中的束流周期性对应起来,相对而言降低了后端采集系统的复杂程度和成本,是一种最适合用于重离子放疗装置中束流位置及剖面均匀性监测的多通道微弱信号数字化读出方法。针对分条电离室输出的多通道微弱电流信号的数字化读出,首先设计了一套原理验证系统,采用分立器件设计了前端积分电路板,主要由门控积分器电路、多路复用器电路、电压衰减及差分驱动电路、光耦隔离电路、外触发扇出电路、CPLD硬件电路及其固件、电源滤波电路等组成,该电路板对128通道微弱电流信号进行前端处理,再结合商业的CRIO组件搭建的DAQ系统实现数字化读出。然后采用一款新型的128通道微弱电流数字化转换ASIC芯片进行了高集成数字化系统的设计,直接将微弱电流信号转换成数字信号,再通过串行外设接口将数据传输到FPGA,FPGA通过千兆以太网接口或者USB接口将数据上传到上位机进行显示与存储。该集成化系统主要包括128通道电流数字化转换电路、FPGA硬件电路及其固件、USB传输模块电路、千兆以太网传输模块电路、电源模块电路等。在完成微弱信号数字化系统的设计后,对原理验证系统和高集成数字化系统分别进行了性能测试。其中原理验证系统输入电流范围为-180 nA~180 nA(时间段内的均值),非线性误差小于0.14%。通过现场应用测试,该系统能够很好的完成分条电离室探测器输出的多通道微弱电流信号的数字化读出。调试了高集成数字化系统,在实验室环境下测量输入电流范围为-50 nA~550 nA(时间段内的均值);积分时长可设定为55μs~1000μs,可测量的动态电荷范围为32 pC~500 pC。原理验证系统实现了双极性微弱电流信号的数字化读出,目前已经大量应用到重离子放疗装置中,解决了工作急需,但是也存在死时间较大、功耗大、面积大、成本高、发热等问题。高集成数字化系统具有体积小、功耗低、可靠性高、性能好、成本低等优点;并具有不间断、快速数字化读出能力,可以减少束流位置分布及剖面监测系统的死时间。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 119 |
| 源URL | [http://119.78.100.186/handle/113462/134939]  |
| 专题 | 核探测技术与公共平台中心 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 佘乾顺. 微弱信号数字化读出方法及电路研究[D]. 中国科学院大学. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所). 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：近代物理研究所
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