曾國(guó)強(qiáng)，盛 磊，卿 松，嚴(yán) 磊，胡傳皓，楊壽南，葛良全

(成都理工大學(xué) 四川省地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

數(shù)字化能譜測(cè)量是核電子學(xué)中的重要部分[1-2]，廣泛應(yīng)用于核科學(xué)實(shí)驗(yàn)、核技術(shù)應(yīng)用及反應(yīng)堆工程等領(lǐng)域[3].傳統(tǒng)上針對(duì)電荷靈敏放大器的數(shù)字化梯形成型能譜測(cè)量系統(tǒng)[4]應(yīng)用廣泛，并起到了良好的應(yīng)用效果[5].該方法采用電荷靈敏前放將探測(cè)器輸出電流脈沖積分得到電壓脈沖，對(duì)電壓脈沖數(shù)字化后，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)數(shù)字化濾波成形算法降低噪聲并提取脈沖的高度，從而獲得能譜.但是在高計(jì)數(shù)率情況下，電荷靈敏前放發(fā)生堆積的可能性大大提高，后級(jí)數(shù)字化多道難以識(shí)別堆積脈沖，從而導(dǎo)致能譜測(cè)量出現(xiàn)誤差[6].為此，需要采用電流型脈沖前放代替?zhèn)鹘y(tǒng)能譜儀系統(tǒng)中的電荷靈敏前放，對(duì)探測(cè)器輸出電流脈沖進(jìn)行直接放大[7]，從而大大降低脈沖信號(hào)的堆積、同時(shí)由于電流信號(hào)傳輸放大的強(qiáng)抗干擾性，使得原始的粒子脈沖信息可以被準(zhǔn)確地在后級(jí)處理系統(tǒng)中還原.由于電流脈沖信號(hào)通常較窄(1～500 ns)，需要采用更高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能保證采樣的電流信號(hào)不失真.對(duì)數(shù)字化電流脈沖信號(hào)的能譜測(cè)量，則需要設(shè)計(jì)數(shù)字式電荷積分算法(DQDC)，通過(guò)DQDC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電流脈沖信號(hào)的積分，脈沖抗堆積，數(shù)字恒比定時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)高計(jì)數(shù)率的能譜測(cè)量.

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該數(shù)字式電荷積分型能譜儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用ADA4817高速JFET型運(yùn)算放大器構(gòu)建快速電流脈沖型前置放大器.數(shù)字系統(tǒng)主要由XILINX-V4可編程邏輯門陣列(FPGA)芯片與500 MSPS采樣率的AD9434模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成.對(duì)于核輻射探測(cè)器而言，可以等效為一個(gè)電流源.為此,本文設(shè)計(jì)了電流脈沖型前置放大器直接放大核輻射探測(cè)器輸出的微弱電流脈沖.不同于電荷靈敏放大器將電流信號(hào)積分后再放大,所設(shè)計(jì)的電流脈沖型前置放大器采用電流并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，是一種快速的線性電流放大器.為了保證對(duì)快速型核輻射探測(cè)器(LaBr3)電流信號(hào)的放大，電流脈沖型前置放大器應(yīng)具有500 MHz的有效帶寬及nA級(jí)別的輸入偏置電流，為此采用低輸入偏置電流的ADA4817與高速高輸出電流的AD8001構(gòu)成復(fù)合型閉環(huán)反饋放大電路.設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，其比例系數(shù)記為p.如式(1)和(2)所述，其中I1與I2分別是R1與R2上通過(guò)的電流.該電流型前置放大器對(duì)電流的增益為式(1)所述，輸出的電壓Vout正比于輸入的脈沖電流信號(hào)Iin，如式(1)和(2)所述.

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(2)

對(duì)于NaI與LaBr3等快速型閃爍體探測(cè)器所輸出的脈沖信號(hào)，可以保證其原始上升時(shí)間和脈沖寬度信息不變，從而得到較為理想的電荷量與射線能量的正比關(guān)系.系統(tǒng)輸入脈沖保持了很小的射線脈沖寬度，從而可以降低系統(tǒng)脈沖的堆積概率[8].經(jīng)過(guò)該前置放大器放大的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)高速ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理.FPGA中的數(shù)字信號(hào)處理包含了以數(shù)字恒比定時(shí)(DCFD)為核心的數(shù)字式電荷積分(DQDC)通道(即慢通道)，以反褶積成型為核心的快觸發(fā)通道(fast-trigger,即快通道).下面將對(duì)數(shù)字電路中所設(shè)計(jì)的快慢通道算法原理以及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.

1.2 電荷積分與堆積拒絕方法設(shè)計(jì)

對(duì)于閃爍體探測(cè)器，射線粒子進(jìn)入閃爍體靈敏體積之后，將能量沉積在閃爍體內(nèi)，閃爍體發(fā)光并被光電轉(zhuǎn)換器件所捕捉[13].由于閃爍體發(fā)光特性的不同及與光電倍增管電氣特性所形成的RC網(wǎng)絡(luò)，使得脈沖信號(hào)產(chǎn)生拖尾與展寬，其衰減的規(guī)律可以由式(3)來(lái)表達(dá)[14]，根據(jù)所采用的光電轉(zhuǎn)換器件(即光電倍增管)的基本原理，其輸出的信號(hào)是一個(gè)表征了粒子能量的電流信號(hào).

(3)

由快速電流型前置放大器放大的電流信號(hào)由ADC離散化后函數(shù)變?yōu)槭?4)的序列.如圖2所示，每個(gè)脈沖下所包含的面積正比于該粒子在探測(cè)器中所沉積的能量，表征了入射粒子射線的能量大小.其等效的脈沖面積A正比于粒子能量Q，其中ΔT為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣間隔，τ為原始負(fù)指數(shù)信號(hào)的衰減時(shí)間常數(shù),p為高速電流前放的放大系數(shù),u[n]為階躍函數(shù)的離散序列.

(4)

電荷積分通常采用一定的算法來(lái)確定一個(gè)窗口信號(hào)，在窗口信號(hào)有效的時(shí)間范圍內(nèi)，提取原始信號(hào)中屬于粒子脈沖的部分進(jìn)行數(shù)字積分運(yùn)算，對(duì)于該窗口信號(hào)的處理，Knoll與Craig分別采用一個(gè)和多個(gè)的固定閾值進(jìn)行判定，產(chǎn)生窗口信號(hào)[9].針對(duì)這種固定閾值存在的噪聲，低能信號(hào)觸發(fā)困難以及對(duì)不同特性的信號(hào)響應(yīng)存在差異等問(wèn)題，Kim等人采用恒比定時(shí)的方法產(chǎn)生固定大小窗口的起始信號(hào)[10]，但是由于固定窗口對(duì)于不同寬度的脈沖存在欠積分或者過(guò)積分的問(wèn)題，Moline與Thevenin等人采用了對(duì)原始信號(hào)求導(dǎo)，再根據(jù)動(dòng)態(tài)閾值而獲取窗口信號(hào)的方法[11].雖然采用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)控制噪聲的誤觸發(fā)，但是基于導(dǎo)數(shù)的判定方法仍會(huì)產(chǎn)生較高的噪聲觸發(fā)比例.本文所提出的方法慢通道檢測(cè)脈沖窗口的開(kāi)始與結(jié)束來(lái)源于同一個(gè)基于數(shù)字恒比定時(shí)的自適應(yīng)判定過(guò)程，該方法避免了不同判定信號(hào)與邏輯之間的觸發(fā)差異，從而保證窗口起始與停止的比例恒定.同時(shí),采用快通道的變換只作為信號(hào)堆積的檢測(cè)，慢通道的判斷信息將用于從原始信號(hào)提取對(duì)應(yīng)的脈沖信息[12]，這樣避免了變換后的信號(hào)作為窗口信號(hào)判斷而帶來(lái)錯(cuò)誤積分觸發(fā).

進(jìn)入數(shù)字恒比定時(shí)甄別器(DCFD)通道的數(shù)字信號(hào)，基于數(shù)字恒比定時(shí)甄別原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的恒定比例觸發(fā)產(chǎn)生積分窗口信號(hào).對(duì)于具有25 ns前沿的信號(hào)設(shè)定，其延時(shí)信號(hào)滯后于原始信號(hào)80 ns.其脈沖序列經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)為d的延遲和系數(shù)為k的衰減分別得到式(5)與式(6).將兩個(gè)信號(hào)序列做差分處理得到新的離散序列式F(N)，如式(9)，則解算不等式F(N)>0得到的解的區(qū)間即為該脈沖的恒比觸發(fā)范圍[N1,N2],對(duì)應(yīng)恒比定時(shí)的觸發(fā)時(shí)間區(qū)間[t1,t2].再經(jīng)過(guò)展寬修正以獲得包含完整脈沖信號(hào)在內(nèi)的門限電平信號(hào)區(qū)間[t1,t2]，從而能在DCFD的延遲信號(hào)大于衰減信號(hào)的時(shí)候作為觸發(fā)的門限高電平，如圖3所示.對(duì)原始電流信號(hào)進(jìn)行門限積分所得到的結(jié)果EI即正比于射線粒子能量Ep，可由式(8)表達(dá).恒比定時(shí)的觸發(fā)比f(wàn)由式(9)可以得到，對(duì)于固定系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其系數(shù)a為常數(shù)，同時(shí)在固定衰減比k后，對(duì)于不同信號(hào)其DCFD的觸發(fā)比為一個(gè)常數(shù)，從而達(dá)到了脈沖恒比觸發(fā)的目的.

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采用恒比定時(shí)可以消除脈沖幅度游動(dòng)，從而更加準(zhǔn)確完整地進(jìn)行電流脈沖積分，故能更加準(zhǔn)確地獲得粒子的能量信息.如圖3所示為以數(shù)字恒比定時(shí)(DCFD)為核心邏輯的數(shù)字式電荷積分模塊的邏輯與時(shí)序示意圖.對(duì)于偶然堆積信號(hào)，由于不完全重疊的合峰會(huì)在脈沖波形上呈現(xiàn)兩個(gè)波峰，可以采用堆積判斷模塊進(jìn)行判定.原始的輸入信號(hào)——式(4)表征探測(cè)器信號(hào)的負(fù)指數(shù)信號(hào)經(jīng)過(guò)反褶積變換得到單位沖激脈沖序列，其中ΔT為采樣間隔時(shí)間，τ為原始脈沖的時(shí)間常數(shù)[5，15]，A為提高觸發(fā)穩(wěn)定性所設(shè)置的放大系數(shù).

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F(n)=Aδ[n]=A[VIout[n]-

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圖4虛線①為原始輸入探測(cè)器信號(hào)，圓點(diǎn)實(shí)線②信號(hào)是變換得到的反褶積信號(hào).對(duì)于該脈沖信號(hào)，采用數(shù)個(gè)數(shù)字施密特觸發(fā)器級(jí)聯(lián)進(jìn)行判斷，從而獲得快通道的穩(wěn)定觸發(fā)信號(hào).該觸發(fā)門限信號(hào)的上升沿表征脈沖波形的起始時(shí)刻，即作為粒子發(fā)生相互作用的事件標(biāo)志.實(shí)線③脈沖為成型后的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字施密特觸發(fā)器生成的觸發(fā)信號(hào)的邊沿脈沖信號(hào)，采用該信號(hào)來(lái)判斷和處理合峰效應(yīng)與高計(jì)數(shù)率下的堆積.如圖5的脈沖與邏輯圖所示，其原始信號(hào)(a)經(jīng)過(guò)反褶積獲得反褶積信號(hào)(b)，再經(jīng)過(guò)多級(jí)施密特進(jìn)行觸發(fā)獲得門電平信號(hào)(c)，然后再取得每個(gè)門電平的下降沿而獲得信號(hào)(d)，作為每次粒子事件發(fā)生的標(biāo)志.通過(guò)設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯判斷兩次觸發(fā)信號(hào)之間的間距.小于待測(cè)探測(cè)器脈寬的時(shí)候，認(rèn)為兩次的脈沖事件屬于脈沖堆積事件，此時(shí)將舍棄慢通道計(jì)算所得的脈沖能量數(shù)據(jù)，即舍棄來(lái)自于恒比定時(shí)的信號(hào)(e)，獲得最終輸出使能信號(hào)(f)，并做計(jì)數(shù)率矯正.

2 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

探測(cè)器所輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的電流脈沖型前放進(jìn)行放大后進(jìn)入高速ADC進(jìn)行離散化，然后在FPGA中進(jìn)行運(yùn)算處理.

如圖6所示為 FPGA中數(shù)字電荷積分與堆積拒絕雙通道邏輯示意圖.圖中包含了快通道的堆積拒絕邏輯以及慢通道的恒比定時(shí)數(shù)字積分邏輯.其中快通道對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行反褶積成型以獲得一個(gè)反褶積后的脈沖信號(hào)，成型后的信號(hào)作為快速堆積甄別與計(jì)數(shù)率補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，慢通道通過(guò)數(shù)字恒比定時(shí)(DCFD)來(lái)提供電流數(shù)字積分窗口信號(hào).在慢通道里，代表著原始探測(cè)器電流信號(hào)的數(shù)字信號(hào)在窗口信號(hào)的作用下被觸發(fā)積分.高速ADC選用的并行輸出的500MSPS采樣率的AD9434，F(xiàn)PGA采用高性能的XILINX的Virtex-4系列.圖6中數(shù)據(jù)延遲的操作采用不同深度的移位寄存器來(lái)控制.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果討論

3.1 脈沖通過(guò)率測(cè)試

脈沖通過(guò)率測(cè)試主要采用精密信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，測(cè)試脈沖為負(fù)指數(shù)信號(hào)，測(cè)試脈沖頻率從1 MHz到30 MHz，測(cè)試其輸出粒子計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)與相同時(shí)間內(nèi)輸入脈沖計(jì)數(shù)并通過(guò)式(12)計(jì)算出脈沖通過(guò)率.測(cè)試結(jié)果如圖7所示.在達(dá)到30 MHz的脈沖頻率輸入的時(shí)候，由于脈沖上升沿持續(xù)時(shí)間的減少使得該時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)減少到采樣定理所需界限之下，導(dǎo)致的不穩(wěn)定觸發(fā)使得脈沖通過(guò)率發(fā)生下降.在脈沖頻率小于等于29 MHz的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其脈沖通過(guò)率達(dá)到平均99.98%，最低99.87%.

(12)

3.2 放射源能譜響應(yīng)測(cè)試

使用Cs-137放射源進(jìn)行測(cè)試，將源放置于與探測(cè)器不同距離來(lái)測(cè)試，以控制放射源對(duì)探測(cè)器的照射量率.在統(tǒng)計(jì)通過(guò)率為82.3 kcps，即零距離入射的時(shí)候，相比于傳統(tǒng)電荷靈敏前放的數(shù)字能譜系統(tǒng)的脈沖系統(tǒng)死時(shí)間為24.5%，本文基于電流型前放設(shè)計(jì)的能譜系統(tǒng)死時(shí)間為2.26%.測(cè)試裝置如圖8(a)所示，圖8(b)為電流脈沖型數(shù)字化能譜儀與傳統(tǒng)數(shù)字化能譜儀在不同脈沖通過(guò)率下的測(cè)試情況.表1是該組測(cè)試的測(cè)試數(shù)據(jù).由圖表可知，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電荷積分式數(shù)字化能譜儀具有更低的死時(shí)間，更高的脈沖通過(guò)率，同時(shí)保證能量分辨率基本一致.

表1 兩種數(shù)字能譜儀分辨率與脈沖通過(guò)率測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of resolution and pulse passing ratio of two types of digital spectrometers

如圖9所示，譜線①為使用傳統(tǒng)針對(duì)電荷靈敏前置放大器設(shè)計(jì)的數(shù)字能譜儀所測(cè)試的Cs-137的能譜，譜線②為基于本文所提出的方法的能譜系統(tǒng)所測(cè)試得到的Cs-137的能譜.由圖9可以看出,兩種數(shù)字多道系統(tǒng)對(duì)Cs-137的能量分辨率均達(dá)到了7.53%，傳統(tǒng)的數(shù)字多道由于脈沖堆積死時(shí)間，增加而丟棄了一部分計(jì)數(shù)，而本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電荷積分型能譜儀的堆積較低，從而降低了系統(tǒng)的死時(shí)間，增加了系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率，使得放射性測(cè)量的精度與測(cè)量時(shí)間都有所改善.

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在更高計(jì)數(shù)率下對(duì)不同類型放射源的測(cè)量效果，將133Ba，137Cs，152Eu，134Cs，60Co五種放射源放置一起，采用NaI(Tl)探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的通過(guò)率為87.6 kcps，系統(tǒng)死時(shí)間為2.9%.實(shí)測(cè)譜線圖如圖10所示.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于高速電流脈沖前放的數(shù)字式電荷積分型能譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高速模擬前端電路，采用Xilinx-Virtex4 FPGA芯片與500 MSPS采樣率高速ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理.開(kāi)展了最大脈沖通過(guò)率與放射源能譜響應(yīng)測(cè)試.當(dāng)輸入 29 MHz測(cè)試信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)死時(shí)間低于0.03%.采用NaI(Tl)探測(cè)器開(kāi)展Cs-137放射源能譜測(cè)量，系統(tǒng)通過(guò)率在82.3 kcps時(shí)，能量分辨率為7.53%，死時(shí)間為2.26%.由測(cè)試結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化能譜儀，在同等通過(guò)率下，具有更低的死時(shí)間，譜線測(cè)量準(zhǔn)確度更優(yōu)，可適用于高放射性場(chǎng)下的能譜測(cè)量.所設(shè)計(jì)的數(shù)字化能譜儀采用基于電流脈沖前放的數(shù)字式電荷積分方法，可自動(dòng)調(diào)節(jié)電荷積分的時(shí)間窗口寬度，脈沖通過(guò)率高，可以在多種應(yīng)用場(chǎng)景里快速調(diào)試與部署，拓寬了系統(tǒng)的適用范圍與場(chǎng)景，可應(yīng)用于核事故場(chǎng)合下的核素甄別以及中子活化分析等高通量能譜測(cè)量.此外，此次的算法驗(yàn)證平臺(tái)采用500 MSPS采樣率的ADC，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)一步提高ADC的采樣速率時(shí)，可以對(duì)更快速核脈沖信號(hào)獲得更加穩(wěn)定的觸發(fā)窗口，從而在保證良好分辨率的同時(shí)獲得更高的通過(guò)率，下一步將開(kāi)展更高采樣率的數(shù)字化能譜測(cè)量工作.