上升时间法的α／γ波形数字化实时甄别

李奎念，李 阳，2，张 美，李斌康

（1.西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安 710024；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049）

上升时间法的α／γ波形数字化实时甄别

李奎念1，李 阳1，2，张 美1，李斌康1

（1.西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安 710024；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049）

基于CsI（Tl）探测器的α／γ波形甄别能力，采用上升时间法，设计了一种波形实时甄别系统，系统由高速ADC和高性能FPGA组成。介绍了实时甄别系统的方案设计和甄别算法设计，利用60Coγ源、241Amα源对实时系统进行了甄别测试。研究表明：设计的数字化实时波形甄别系统体积小，能实时甄别开α、γ粒子，甄别品质因子为0.687 5，事件计数率可达2.5×105s－1。

数字化波形甄别；实时甄别；上升时间法；CsI（Tl）闪烁探测器；FPGA

波形甄别［1］是根据闪烁探测器信号形状差异来判别粒子种类的核物理诊断技术，在混合辐射场测量中起重要作用。传统的波形甄别主要基于模拟技术，需专用的核仪器插件或采用微机自动测量和控制系统，电路实现复杂、便携性差。近年来，数字化波形甄别［2－4］成为波形甄别技术的主流研究方向，与传统方法相比更灵活。

便携式、实时化的波形甄别是在数字化波形甄别的基础上产生的。波形甄别算法内嵌在FPGA等可编程器件中，直接从闪烁探测器输出的单粒子信号中提取甄别参数，判读粒子的种类。基于FPGA的波形实时甄别与传统方法及离线数字化甄别相比，具有小型化、实时化等优点，能快速、准确地作出粒子分辨。

国外基于FPGA硬件电路实现的实时波形甄别系统已有很多报道［5－8］，而国内波形实时甄别的研究尚停留在模拟技术，虽有研究者提出了数字化实时甄别系统的设计方案［9］，但未见实用化的报道。本文针对CsI（Tl）无机闪烁探测器，采用上升时间甄别算法，设计一种基于FPGA的α／γ波形数字化实时甄别系统。

1 α／γ波形甄别的原理及方法

CsI（Tl）是铊激活的碘化铯无机闪烁晶体，发射光谱峰为540～550 nm。CsI（Tl）晶体和与其光谱响应相匹配的光电倍增管耦合在一起，构成CsI（Tl）闪烁探测器。α和γ粒子入射CsI（Tl）探测器时在CsI（Tl）晶体中的电离密度不同［10］。α粒子入射时，能量沉积密度较大，在闪烁体中激发的荧光脉冲衰减时间较短；而γ粒子入射时，能量沉积密度较小，激发的荧光脉冲衰减时间较长。α、γ粒子在CsI（Tl）中的荧光衰减时间不同，由光电倍增管阳极直接引出的α、γ单粒子信号波形也就不同，据此可进行α／γ波形甄别。图1为归一化后的α、γ粒子在CsI（Tl）探测器中的脉冲波形。从图1可看到，α、γ信号均为μs量级，但γ信号较α信号的衰减时间长。

图1 CsI（Tl）探测器中α、γ的归一化脉冲波形Fig.1 Normalizedαandγpulse shapes from CsI（Tl）scintillator detector

上升时间法［11］较早基于模拟技术，采用时间幅度转换器，将待甄别粒子信号某一部分对应的上升时间转换为脉冲幅度，通过对脉冲幅度差别的分析，进行脉冲波形甄别。随着数字技术的发展，上升时间法在数字化领域得到了实现［12］。探测器信号经ADC数字化采样，送入后端电子学进行甄别处理。考虑到脉冲基线的噪声水平，为获得较好的甄别效果，上升时间的选取区间一般为最大脉冲幅度的5%～95%，或选取最大幅度的10%～90%。

2 实时甄别系统

2.1 方案设计

基于FPGA的α／γ波形实时甄别系统设计方案如图2所示。系统由信号调理、高性能FPGA及高速ADC等模块组成。CsI（Tl）探测器输出的信号是单端信号，经信号调理模块，转为差分信号送入ADC进行模数转换，可抑制输入信号的偶次谐波和共模信号。ADC型号为14位的100 MSPS（每秒100 M采样点）的AD9254，FPGA部分为搭载了Altera Cyclone4的DE2-115的开发板，ADC通过开发板上的HSMC接口与FPGA进行数据传输和时钟控制。

图2 实时甄别系统设计方案Fig.2 Scheme of real-time pulse shape discriminator

设计方案中，FPGA是主控制器和核心处理器。高速ADC对探测器单粒子信号进行数字化采样，送入FPGA，经FIFO缓存后，首先进行阈值判断。若采样点的数字化幅度超过预设的触发阈值，则判断在该采样点后的连续5个采样点是否均满足阈值条件。若满足，则从第1个满足阈值条件的采样点开始，将固定长度的采样点序列存储在一定长度的寄存器组中，供后续处理；若不完全满足阈值条件，则不进行存储处理。这样，可减少小幅度噪声和基线噪声对FPGA的资源占用，并可抑制由光电倍增管快脉冲噪声引起的误触发。

对于满足阈值条件的信号，用计数器控制采样点序列长度，在时钟控制下，将采样点暂存在寄存器组中。暂存的采样点数据分两路数据流进行处理：一是对单粒子信号进行峰值提取，作为波形甄别参数之一；二是提取信号的上升时间，作为另一个波形甄别参数。取16个基线信号采样点的平均值作为信号的平均基线值，来消除基线噪声对甄别参数的影响。串口发送模块可将消除了基线影响的甄别参数（信号峰值、上升时间）通过基于VB语言的串口采集软件传输到上位机，存储在数据库中，并能用图形显示甄别结果。

2.2 算法设计

CsI（Tl）探测器输出的是图1所示的脉冲信号，该信号的峰值是波形甄别参数之一。在获取上升时间这一甄别参数时，需对脉冲信号进行数字化积分，针对积分信号构建恒比定时器。上升时间法的算法核心便是数字化恒比定时器的构建。图3为数字化积分后的探测器信号。考虑到FPGA硬件电路的实现，选用积分信号最大幅度的12.5%和87.5%所对应的两处采样点的时间间隔作为上升时间。

图3 上升时间法的算法设计Fig.3 Algorithm design of rise-time method

图4为采用Verilog HDL语言利用上升时间法进行算法设计的部分原理图，主要包括PLL＿1、Rise＿Time＿Method及Uart＿RS232 3个模块。PLL＿1是时钟模块，利用FPGA内部的锁相回路为系统的各模块提供固定频率的时钟信号。DE2-115开发板上嵌有50 MHz的晶振，作为PLL＿1模块的输入时钟，经倍频和分频后，PLL＿1分别输出0°相位和180°相位的100 MHz频率的时钟信号及1.84 MHz频率的时钟信号。

Rise＿Time＿Method模块是甄别算法的核心，在100 MHz时钟驱动下以ADC数字化后的14位数据为输入，输出包括表征两信号间隔的计数器信号counter＿distance［31..0］、用以记录事件个数的计数器信号counter＿signal［19..0］，以及信号峰值peak＿value［13..0］和上升时间rise＿time［9..0］。

图4 上升时间法的部分原理图Fig.4 Partial scheme of rise-time method

Uart＿RS232模块通过RS232串口将甄别参数peak＿value［13..0］和rise＿time［9..0］送入上位机采集软件。RS232串口使用的比特率为115 200 bit／s，系统的时钟频率为100 MHz，在Uart＿RS232模块中，设计两个双端口RAM，使甄别参数能跨时钟域正确传输。Rise＿Time＿Method模块发送的甄别参数在100 MHz时钟控制下写入双口RAM，当双口RAM写满，在1.84 MHz时钟控制下读取16位RAM数据。计数器信号counter＿distance［31..0］用来控制甄别参数写入RAM中的时间点。

3 实验测试及结果分析

3.1 测试原理

实时甄别系统的实验测试原理如图5所示。直径30 mm、厚度35 mm的圆柱形CsI（Tl）无机晶体与9813型光电倍增管直接耦合，构成CsI（Tl）探测器。实验采用的γ源为60Co，α源为241Am。光电倍增管加－1 500 V高压后，探测器将阳极信号送入14位、100 MSPS的ADC，FPGA在100 MHz的时钟驱动下接收ADC数字化信号进行甄别处理。RS232串口将甄别参数传输到计算机端的串口采集软件，JTAG链用来将实时甄别算法下载到FPGA。

图5 实时甄别系统的测试原理Fig.5 Test principle of real-time pulse shape discriminator

3.2 实验结果及分析

分别对2 000个60Coγ粒子和2 000个241Amα粒子进行实时甄别，为便于比较分析，用Origin8.5软件重新给出实时甄别参数的二维分布。

上升时间由构建的恒比定时器决定，与选取积分的信号长度有关。在测试实验中，选用不同长度的信号构建恒比定时器进行测试。为尽可能将整个信号考虑在内，信号长度分别取2.6μs和3.4μs，对2 000个α粒子和2 000个γ粒子进行实时甄别。

图6为信号长度分别为2.6μs和3.4μs的甄别结果。从图6可见，信号长度越长，越能将信号后沿包括进来，即越能将两种粒子甄别开。为评价波形甄别的效果，引入品质因子［13］，品质因子越大，波形甄别的效果越好。实验中，信号长度取3.4μs时，实时甄别的品质因子为0.687 5，系统在50个时钟周期（0.5μs）内可将波形甄别参数传送至上位机，事件计数率可达2.5×105s－1。

图6 上升时间法的实时甄别结果Fig.6 Real-time discrimination result for rise-time method

4 小结

数字化、便携式和实时化是波形甄别技术的发展趋势，α／γ波形数字化实时甄别在暗物质探测［14］及核反应的双微分截面测量［15］中有着重要的需求。本文采用上升时间法设计了实时甄别系统，ADC采样率为100 MSPS，可实时甄别出CsI（Tl）晶体的α／γ波形，信号长度取3.4μs时的实时甄别品质因子为0.687 5，事件计数率达2.5×105s－1。若ADC的采样率能提高到几百MSPS，这种采用上升时间法的实时甄别系统可应用到液体闪烁体探测器的n／γ波形甄别中，应用将更广泛。

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Real-timeα／γPulse Shape Digital Discrimination Using Rise-time Method

LI Kui-nian1，LI Yang1，2，ZHANG Mei1，LI Bin-kang1
（1.State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Ef fect，
Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，China；2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

A real-timeα／γpulse shape discriminator based on CsI（Tl）scintillator was developed.The rise-time method was adopted as the inserted algorithm.The real-time discriminator consists of a high-speed ADC and a high-property PFGA.In this paper，the design scheme and the discrimination algorithm of the system were introduced.The real-time system was tested with a60Coγsource and a241Amαsource.The results show that the size of the designed real-time system is small.The discrimination figure of merit is 0.687 5.The system can discriminateαandγevents in real time and its throughput of events is up to 2.5×105s－1.

digital pulse shape discrimination；real-time discrimination；rise-time method；CsI（Tl）scintillation detector；FPGA

TL81

：A

：1000-6931（2015）09-1685-05

10.7538／yzk.2015.49.09.1685

2014-05-21；

2014-07-04

国家自然科学基金资助项目（11105106）；国家重点实验室基础研究资助项目（SKLIPR1317）

李奎念（1988—），男，山东菏泽人，硕士研究生，从事脉冲辐射场测量研究