关于核物理实验数据获取和处理系统介绍

[拼音]：hewuli shiyan shuju huoqu he chuli xitong

[外文]：data acquisition and processing system in experiments of nuclear physics

核物理实验和射线测量分析中一种比较复杂的智能化的电子设备。主要应用于核物理实验中的能谱分析、多参量复合谱分析、角分布测量、中子飞行时间分析、同位素识别、多路定标、慢变化波形分析等。在高能物理、放射化学、核医学、生物学、冶金、探矿、材料分析、石油勘探等许多科学技术领域亦获得广泛的应用。

数据获取和处理系统是以计算机为中心，由硬件（设备）和软件（程序）两大部分组成的。

数据获取和处理系统的工作包括如下内容和步骤：

（1）物理量-模拟量转换，如用探测器将核粒子能量转换成与之对应的脉冲幅度；

（2）模拟量数字化，由模拟-数字转换器(ADC)或时间 -数字变换器(TDC)将探测器给出的脉冲幅度（或时间间隔）变换成数字数据；

（3）数字数据的获取，ADC（或TDC）给出的数据由前端处理器收集分类累计与存储，最后转移到计算机内存储器中；

（4）数据显示，将获得的数据（或处理结果）、实验参量显示到显示屏幕上，以便实现观察和处理。显示包括单谱显示、二维谱立体显示、截面、俯视图、轮廓显示等，图像可旋转或倾斜。在显示屏幕上可用光笔或光标进行人 -机对话；

（5）获得数据的分析处理。例如对谱作如下处理，谱平滑化──峰位置检索 ──计算峰面积 ──数据标定──数据解释──结果打印；

（6）附带还可作文本编辑、程序修改。系统的工作是在程序控制下自动完成的。

经过了以下几个阶段：1963～1970年发展了基本系统；70年代中期，发展了包含有计算机自动测量和控制(CAMAC)的多用户计算机网络系统;70年代末期到现在发展了“分布处理”系统等。

在核物理领域，早期的实验数据是由模拟记录（如照相）方式获取，然后由人工计数进行统计处理。到20世纪50年代，由于探测技术的发展和电子数字技术的进步，使用了多道谱仪才进入数字数据获取阶段，但当时数据是靠用穿孔机在纸带上穿孔，尔后送入计算机作“离线”处理，还不能适时得到实验结果。60年代初，由于高分辨半导体探测器的出现和大道数ADC的发展，一些双参量实验的数据场达106量级，这要求制造106道分检器，在技术上这是困难的。且数据处理极为复杂。其时，计算机在很快地发展，价格也越来越低，所以60年代初开始有人利用计算机来控制ADC，计算机控制数据显示等，进行实验数据的适时测量和处理（称“在线”应用）。特别利用计算机联合存储技术来解决百万道数据存储、处理多参量复杂数据的研究，在60年代末达到了高潮。小型计算机用于核物理实验的“在线”数据获取和处理这一成就迅速得到推广。到70年代，欧美各国核物理实验室普遍建成并应用这类系统，出现了“多道分析器＋计算机”或“ADC＋计算机＋显示器” 系统之类的商品。这是第一发展阶段。

小型计算机的“在线”应用不仅使核物理实验数据能适时获取和适时处理，使数据获取和处理自动化，而且一台计算机还可以连接上若干 台ADC或分析器同时进行若干不同的实验数据获取和处理（包括单参量和多参量），ADC数可多达8台件，提供多用户使用。这一成就推动了CAMAC系统的发展。70年代中，CAMAC获得普遍推广。借助于CAMAC计算机几乎可以把实验室的NIM（核仪器）插件全部连接起来，构成以一台容量大、功能强的计算机作为“中央机”，以连接若干NIM插件的小计算机为“卫星机”，通过一台被称为“前端机”的计算机将卫星机连到中央机的多用户数据获取和处理计算机网络系统。这种系统在围绕加速的大型实验室和一些复杂的实验中特别有用。这段时期可以认为是发展的第二阶段。

随着大规模集成电路技术的发展，70年代初出现了单片式微处理器，计算软件也发展了多作业分时 *** 作系统，这使数据获取和处理系统向多机或多处理器并行高速处理，高输入输出数据产额方向发展，提出了“分布处理”系统的新概念。“分布处理”，是将系统的 *** 作处理分散到各部分中去并行完成，各部分都分别加入一个微处理器，并由它完成该部分的特定任务。在多作业 *** 作系统控制下各部分通过“多总线”或“高速总线”（在发展中）联系起来。“分布处理”的优点在于数据获取与处理的高速化与高效率，减少了软件工作量并且使软件标准化与固定化，这样，就能用若干价格低廉的处理器来完成功能强速度快价格高昂的计算机才能完成的工作。在“分布处理”这一思想影响下，许多实验室都已将70年代建成的系统进行了改进和更新，代之以多机或多处理器的“分布处理数据获取与分析系统”。这是数据获取与处理系统发展的第三阶段。

目前，粒子物理和高能核物理领域正在酝酿和建立大型加速、大型粒子探测系统。新的探测系统将有多达105个通道，实验数据计数率将高达107计数/秒，这要求数据处理速率达5×109字节／秒，它已远远超出现有计算机的能力。因此，应用高速并行的独立处理器来完成这些复杂数据的获取与处理已提到日程上来，连接这些处理器需要发展一种分散处理的通用网络和特殊处理的专用网络。“快总线”就是这类网络中的一种，“快总线”是一种新的高速数据获取标准，是在极高速获取和分布智能方面发展来补充CAMAC的，它的重要性质在于系统各分立部分上的设备有独立的工作能力且允许各设备有 *** 纵其他设备的能力，系统设计者将设备的各部分“挂”到“快总线”上即能工作。这类高速化的智能系统正在计划和发展中。

参考书目

1. 席德明等编：《常用核电子技术》，科学出版社，北京，1982。
2. S.Branko，Minicomputer in Data Processing and Simulation， Interscience， New York，1972.