摘? ?要： 為了使中子活化分析儀器實(shí)現(xiàn)高性能的能譜采集，提出一種數(shù)字多道分析器設(shè)計(jì)方案。使用FIR（有限長單位沖激響應(yīng)）濾波器，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行微分，解決脈沖信號(hào)基線漂移的問題，得到準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)時(shí)間信息;提出脈沖梯形成形技術(shù)，改善ADC的微分非線性，減小信號(hào)中噪聲的影響，通過梯形脈沖判斷信號(hào)幅度信息;通過波形參數(shù)比較法，判斷脈沖是否堆積，將堆積的脈沖從能譜中去除，進(jìn)一步提高能譜的能量分辨率。經(jīng)測試，開發(fā)的數(shù)字多道分析器集成度高、抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行可靠性好，隨機(jī)脈沖計(jì)數(shù)通過率大于250 kcps，能量分辨率小于7.5%，滿足性能要求和指標(biāo)要求，可滿足工業(yè)在線檢測儀表對(duì)中子活化分析的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞： 中子活化;能譜采集;數(shù)字多道分析器;基線;梯形成形

引言

中子活化分析儀器能夠用于化學(xué)元素的能譜采集，在工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排、工藝過程優(yōu)化控制等方面有重要作用，市場需求量激增。中子活化多元素分析儀是中子活化分析儀器的一種，其核心部件是多道分析器。為了滿足市場需求，需要不斷提高中子活化多元素分析儀的性能，這對(duì)多道分析器也提出了更高的要求，如適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、溫度漂移小、線性度高等性能要求，以及能量分辨率小于8%、隨機(jī)脈沖計(jì)數(shù)通過率大于200 kcps等指標(biāo)要求。

在國內(nèi)，多道分析技術(shù)起步比較晚，僅有若干院校和研究單位在開展研究，有較少企業(yè)在開發(fā)產(chǎn)品，計(jì)數(shù)通過率在50 kcps和100 kcps之間，目前國內(nèi)未見適用于工業(yè)在線中子活化分析儀器的多道分析器產(chǎn)品。國外的多道分析技術(shù)大都已經(jīng)數(shù)字化，但儀器體積較大，使用復(fù)雜，價(jià)格也很高，主要在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，不適合工業(yè)現(xiàn)場在線應(yīng)用，而且實(shí)際測試結(jié)果并不理想，對(duì)特定應(yīng)用的優(yōu)化也不令人滿意。因此，需要自行開發(fā)適用于中子活化多元素分析儀的多道分析器。

本文首先針對(duì)中子活化分析儀器的應(yīng)用需求和能譜特點(diǎn)，提出多道分析器的總體方案;然后，基于硬件總體方案，對(duì)前端電路、電源、信號(hào)處理器等部件進(jìn)行設(shè)計(jì);進(jìn)而，基于能譜采集的功能流程，對(duì)脈沖微分、脈沖成形、脈沖堆積判斷等功能進(jìn)行設(shè)計(jì);最后，對(duì)隨機(jī)脈沖計(jì)數(shù)通過率、能量分辨率等指標(biāo)進(jìn)行測試，評(píng)價(jià)多道分析器的設(shè)計(jì)合理性。

1? 總體方案

針對(duì)中子活化分析儀器的應(yīng)用需求和能譜特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字多道脈沖幅度分析技術(shù)。高速ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）對(duì)探測器前置放大器輸出的核脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，產(chǎn)生離散的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)。采用FPGA作為信號(hào)處理器，對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行去噪聲濾波，濾波后的脈沖分成兩路：對(duì)其中一路脈沖信號(hào)進(jìn)行微分，由微分后的脈沖信號(hào)得到原脈沖信號(hào)的時(shí)間信息;對(duì)另一路脈沖信號(hào)進(jìn)行成形，由信號(hào)的時(shí)間信息控制探測器脈沖信號(hào)的基線估計(jì)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖幅度的檢測。本設(shè)計(jì)采用脈沖梯形成形技術(shù)，將探測器輸出的脈沖信號(hào)成形為梯形脈沖，通過梯形脈沖判斷脈沖幅度，以有效地提高分辨率。對(duì)于脈沖的堆積判斷，使用波形參數(shù)比較法：對(duì)探測器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行擬合，得到脈沖的表達(dá)式，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖，在探測器實(shí)際脈沖到來時(shí)，將其與標(biāo)準(zhǔn)脈沖比較，若偏差大于一定值，則判斷為脈沖堆積。以上數(shù)字多道脈沖幅度分析技術(shù)可以在提高計(jì)數(shù)率的情況下，改善基線估計(jì)的準(zhǔn)確性，提高定時(shí)信號(hào)的精度，減小隨機(jī)脈沖堆積對(duì)脈沖幅度分析的影響。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? 硬件總體方案

圖1所示為硬件總體設(shè)計(jì)框圖。探測器輸出的核脈沖信號(hào)經(jīng)前端電路調(diào)理后，經(jīng)單端轉(zhuǎn)差分，由采樣率為200 MHz的高速ADC在FPGA的控制下進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，完成核脈沖的數(shù)字化;通過數(shù)字核脈沖處理算法在FPGA內(nèi)形成能譜，能譜數(shù)據(jù)可通過接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。由于高速ADC前置，調(diào)理電路具有寬帶、高速性能，且電路參數(shù)能夠滿足動(dòng)態(tài)調(diào)整的需要，因此本設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不同類型探測器輸出的信號(hào)，從而更好地發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢。

2.2? 前端電路設(shè)計(jì)

前端電路由調(diào)理電路、單端轉(zhuǎn)差分和高速ADC電路組成。由于調(diào)理電路輸出的脈沖信號(hào)為單極性信號(hào)，因此若直接送入ADC，將損失一半的動(dòng)態(tài)范圍[1]。本設(shè)計(jì)在運(yùn)放中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒妷?，將單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極性信號(hào)后再送入ADC，以保證動(dòng)態(tài)范圍。將信號(hào)由單端轉(zhuǎn)換成差分的同時(shí)，進(jìn)行抗混疊濾波處理，完成帶寬的調(diào)整。

本設(shè)計(jì)使用AD9430高速ADC實(shí)現(xiàn)核脈沖的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9430為12位并行輸出的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有功耗低、尺寸小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)從探測器通過調(diào)理電路經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分電路后，以差分信號(hào)的形式進(jìn)入ADC，在時(shí)鐘的控制下，轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)，進(jìn)入FPGA中。

AD9430使用200 MHz采樣頻率，需要采用LVDS模式接口數(shù)據(jù)線與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。LVDS模式接口使用一對(duì)差分PCB走線傳輸數(shù)據(jù)，接收端需要采用100 Ω終端電阻匹配。AD9430與FPGA之間的走線采用差分對(duì)走線，通過電路板的制作參數(shù)計(jì)算走線參數(shù)。AD9430在PCB上的走線分為內(nèi)層差分線和外層差分線。阻抗計(jì)算軟件使用Polar Instruments Si800，計(jì)算的內(nèi)層、外層差分線參數(shù)分別如表1和表2所示。PCB上外層差分線寬取值8 mil，線間距取值6 mil;PCB上內(nèi)層差分線寬取值6 mil，線間距取值8 mil。

2.3? 電源設(shè)計(jì)

為了降低功耗，提高電源可靠性，設(shè)計(jì)中采用5 V開關(guān)電源為多道供電。在多道系統(tǒng)電路板上采用DC-DC轉(zhuǎn)換芯片和線性LDO，為各個(gè)功能模塊電路提供穩(wěn)定的低噪聲電源。在數(shù)字電源部分，將5 V輸入轉(zhuǎn)化為3.3 V，將3.3 V輸入轉(zhuǎn)化為2.5 V，將3.3 V輸入轉(zhuǎn)化為1.2 V。在模擬電源部分，將±5.5 V輸入轉(zhuǎn)化±5 V·A模擬電壓，將3.3 V輸入轉(zhuǎn)化3.0 V·A模擬電壓。圖2所示是多道電源設(shè)計(jì)原理框圖。

2.4? FPGA數(shù)字信號(hào)處理器

FPGA數(shù)字信號(hào)處理器完成脈沖數(shù)字化采集、數(shù)字脈沖基線恢復(fù)、脈沖堆積拒絕、能譜邏輯、能譜存儲(chǔ)和接口傳輸?shù)裙δ?。?shù)字信號(hào)處理器選擇Cyclone Ⅳ FPGA芯片EP4CE22，該芯片基于優(yōu)化的60 nm低功耗制程技術(shù)構(gòu)建，其低功耗優(yōu)勢相比前代Cyclone Ⅲ FPGA進(jìn)一步增強(qiáng)，總功耗降低了25%[2]。EP4CE22支持采用LVDS接口傳輸數(shù)據(jù)，芯片內(nèi)部具有LVDS專用的100 Ω差分終端電阻。此外，其內(nèi)嵌存儲(chǔ)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高速FIFO和雙口RAM，完成數(shù)字多道能譜數(shù)據(jù)的緩沖和存儲(chǔ)，不需外擴(kuò)RAM，節(jié)約了成本[3]，提高了可靠性，并減小了體積。

3? 功能設(shè)計(jì)

3.1? 能譜采集功能流程

能譜采集功能流程如圖3所示。探測器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)ADC數(shù)字化后，先進(jìn)行噪聲濾波，然后分別進(jìn)行成形和微分，產(chǎn)生梯形脈沖和微分脈沖。微分脈沖用于提取探測器信號(hào)脈沖的時(shí)間信息和對(duì)脈沖基線估計(jì)進(jìn)行控制，梯形脈沖用于提取探測器信號(hào)脈沖的幅度信息。如果判斷出脈沖不堆積，則用梯形脈沖的最大值減去基線值得到脈沖的幅度，從而轉(zhuǎn)換成射線能量對(duì)應(yīng)的道址。

3.2? 脈沖微分

使用FIR（有限長單位沖激響應(yīng)）濾波器對(duì)采樣的探測器脈沖進(jìn)行濾波，使濾波后的脈沖信號(hào)沒有毛刺。根據(jù)脈沖微分響應(yīng)公式[4]

其中，表示傅立葉變換圓頻率。求出濾波器系數(shù)，構(gòu)建一個(gè)FIR濾波器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)微分器設(shè)計(jì)。探測器的脈沖信號(hào)經(jīng)過微分器，可以得到微分后的脈沖信號(hào)。微分后的脈沖信號(hào)基線始終固定在0值，不會(huì)隨時(shí)間和計(jì)數(shù)率的變化而發(fā)生漂移，可用于時(shí)間信息的精確提取[5]。

3.3? 脈沖梯形成形

梯形成形算法是將輸入的信號(hào)濾波成形為等腰梯形的算法[6]。梯形成形算法具有內(nèi)建滑尺的功能，可以改善ADC的微分非線性。當(dāng)梯形的平頂時(shí)間大于探測器的電荷收集時(shí)間時(shí)，還具有對(duì)彈道虧損免疫的特性[7]。以上特性有利于提高能譜的能量分辨率。圖4所示是梯形脈沖的波形。

其中，;;; ;; ;;;U是梯形脈沖幅度;A是探測器信號(hào)脈沖幅度;Z是Z變換復(fù)變量;和是探測器信號(hào)時(shí)間常數(shù);T是信號(hào)的采樣周期。

3.4? 脈沖堆積判斷

在探測器信號(hào)脈沖上取2個(gè)區(qū)域，區(qū)域R1（脈沖頂部位置）取5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，區(qū)域R2（脈沖后沿基線位置附近）取8個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在數(shù)字多道分析器中對(duì)采集的探測器信號(hào)脈沖分別計(jì)算R1區(qū)域數(shù)據(jù)的和與R2區(qū)域數(shù)據(jù)的和，分別與理論探測器信號(hào)中R1區(qū)域和R2區(qū)域的數(shù)據(jù)和進(jìn)行比較，只要有一個(gè)數(shù)據(jù)超出容差范圍，就認(rèn)為此脈沖被堆積。實(shí)際使用時(shí)，若從理論公式計(jì)算信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)性難以保證，故可采用查找表的方法，即用MATLAB計(jì)算不同脈沖信號(hào)的幅度參數(shù)，然后將其存于數(shù)字多道分析器的存儲(chǔ)器中，在進(jìn)行堆積判斷時(shí)，根據(jù)信號(hào)的幅度查表，找到對(duì)應(yīng)的參數(shù)，與實(shí)際測量脈沖信號(hào)的參數(shù)比較，判斷是否產(chǎn)生脈沖堆積。將堆積的脈沖從能譜中去除，從而提高能譜的能量分辨率。

4? 測試結(jié)果與討論

使用信號(hào)發(fā)生器模擬探測器信號(hào)，輸入信號(hào)幅度從1 mV到170 mV，測量輸出能譜峰位的道址，對(duì)信號(hào)幅度和峰位進(jìn)行線性擬合，如圖5所示。

其他指標(biāo)的測試結(jié)果如下：

（1）隨機(jī)脈沖計(jì)數(shù)通過率：≥250 kcps;

（2）能量分辨率：≤7.5%（Cs137放射源，250 kcps計(jì)數(shù)率）;

（3）積分非線性：±0.028%;

（4）道寬不穩(wěn)定性：±0.05%;

（5）零點(diǎn)不穩(wěn)定性：±0.08 mV。

從上述測試結(jié)果中可見，由于脈沖信號(hào)的處理是采用數(shù)字算法完成的，因此脈沖信號(hào)的傳遞不會(huì)影響信號(hào)幅度的線性關(guān)系，其脈沖幅度譜的線性度極高，線性相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到1。通過采用高速FPGA并行處理，保證了隨機(jī)脈沖計(jì)數(shù)通過率大于250 kcps。結(jié)合脈沖的梯形成形技術(shù)和脈沖的微分算法，提高了基線估計(jì)精度，降低了噪聲的影響。在隨機(jī)脈沖計(jì)數(shù)通過率較高的情況下，可保證能量分辨率小于7.5%，能夠滿足中子活化分析儀器的使用需求。

5? 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字多道分析器使用了先進(jìn)的數(shù)字電子技術(shù)，體積小，成本低，性能高，易于應(yīng)用。在設(shè)計(jì)中采用了創(chuàng)新的方法，一是對(duì)探測器脈沖信號(hào)進(jìn)行微分，得到微分后的脈沖信號(hào)，以精確得到脈沖的時(shí)間信息;二是使用梯形成形脈沖來判斷幅度，減小了信號(hào)中噪聲的影響;三是通過波形參數(shù)比較法，判斷出探測器脈沖是否堆積，并采用查找表來實(shí)現(xiàn)參數(shù)比較，將堆積的脈沖從能譜中去除，從而提高能譜的能量分辨率。

當(dāng)前，數(shù)字多道分析器產(chǎn)品已經(jīng)被大量應(yīng)用于中子活化分析儀器中，預(yù)計(jì)也可用于X熒光分析、密度計(jì)量和雙能量γ射線分析等類似的應(yīng)用場景，具有極大的推廣意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁衛(wèi)平， 胡穎睿， 肖無云， 等. 數(shù)字化多道脈沖幅度分析器調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù)， 2012， 32（4）： 462-465.

[2] Altera. Cyclone IV Device Handbook[DB/OL]. Altera Inc， 2016.

[3] 尚慶敏， 于海明， 王文應(yīng)， 等. FPGA技術(shù)在中子活化水泥元素在線分析儀中的應(yīng)用[M]//中國礦業(yè)科技文匯. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2015： 565-566.

[4] 陳亞勇. MATLAB信號(hào)處理詳解[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2001.

[5] 于海明， 張偉， 陳月紅. 一種高計(jì)數(shù)率下的隨機(jī)脈沖多道幅度分析器： 201710554812.4[P]. 2019-05-24.

[6] 于海明， 張偉， 陳月紅， 等. 數(shù)字多道技術(shù)在X熒光多元素分析儀中的應(yīng)用[J]. 金屬世界， 2013（1）： 55-57.

[7] 于海明， 張偉， 尚慶敏， 等. 小型數(shù)字多道技術(shù)在元素分析儀微型化中的應(yīng)用[M]// 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2015： 472-473.