碲锌镉探测器的数字核信号处理系统设计

曾国强 魏世龙 夏 源 李 强 徐亚东 葛良全 介万奇

1（成都理工大学 地学核技术重点实验室 成都 610051）2（西北工业大学 航空学院 西安 710072）

碲锌镉探测器的数字核信号处理系统设计

曾国强1魏世龙1夏 源1李 强1徐亚东2葛良全1介万奇2

1（成都理工大学 地学核技术重点实验室 成都 610051）2（西北工业大学 航空学院 西安 710072）

设计了完整的碲锌镉(CdZnTe, CZT)探测器数字核信号处理系统，包含了低功耗偏压电源、低噪声电荷灵敏放大器、数字梯形多道脉冲幅度分析器及数字上升时间甄别器。在考虑探测器与后端数字多道优化匹配前提下设计了低噪声电荷灵敏放大器；数字多道脉冲幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer, DMCA)通过高速模数转换器将模拟核信号离散化后，在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中实现数字核脉冲信号处理；FPGA芯片中以快慢双通道梯形成形器为核心，针对碲锌镉探测器空穴收集不完全的问题，设计了数字上升时间甄别模块，有效消除了空穴拖尾效应，显著提升碲锌镉探测器的能量分辨率。从实验结果可知，针对西北工业大学提供的4mm×4mm×2mm的准半球结构碲锌镉探测器对241Am的分辨率最佳可达3.6%，对137Cs的分辨率可达0.96%。

碲锌镉探测器，电荷灵敏放大器，核信号处理系统，上升时间甄别，数字脉冲幅度分析器

碲锌镉(CdZnTe, CZT)探测器为复合型化合物半导体探测器，具有较大的禁带宽度和高原子序数，在室温工作条件下对55Fe (5.9keV)、125I (27.5keV)、241Am (59.5keV)、57Co (122keV)、137Cs (662keV)以及60Co (1.17MeV，1.33MeV)的γ射线，不仅有较高的能量分辨，同时还具有较高的探测效率，填补了闪烁体探测器和HPGe探测器在X、γ射线的探测应用领域中的不足，从而得到一种在室温下工作，既有高的探测效率又有较好能谱特性和清晰成像能力的探测器[1–3]。目前国内的西北工业大学、重庆大学、清华大学等高校在碲锌镉探测器的晶体生长、电极制备及探测器封装上做了较多工作也取得了很好的进展[4–6]。CZT探测器与硅Pin、HPGe等其他探测器有所不同，完全自主开发并成功应用于产品的核信号设计较少见诸报道，较多是采用国外Amptek、Canberra等公司的电荷灵敏放大器与数字多道脉冲幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer, DMCA)获取实验室级别的核脉冲信号与实用谱线，尤其是能够克服CZT探测器空穴捕获拖尾效应而设计的DMCA在国内未见有报道。

本文的研究采用的是西北工业大学准半球结构的碲锌镉探测器，探测器尺寸为：4mm× 4mm×2mm，探测器的漏电流小于10nA，等效输出电容在5pF以内，工作偏压为200–400V[7]。

1 数字核信号处理系统

CZT探测器的表面是很薄的金属电极，这些电极在偏压电源提供的偏压作用下在探测器内部产生偏压电场。当有电离能力的射线与CZT晶体作用时，晶体内部产生电子和空穴对，并且数量和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正电的空穴分别朝不同的电极运动，最终被收集起来，该电荷信号经过电荷灵敏前置放大器(Charge Sensitive Pre-amplifier, CSA)变成电压脉冲，其幅度与入射光子的能量成正比。该脉冲信号输入到带上升时间甄别的DMCA中对信号进行脉冲幅度分析和上升时间判别，如图1所示。

图1 系统整体框图Fig.1 Block scheme of system.

由于CZT探测器中空穴载流子的漂移距离与寿命较短，导致电荷收集不完全，信号的幅度减小，上升时间变长，使得系统的能量分辨率变差，因此

在DMCA中设计了数字上升时间甄别模块，将电荷收集不完全的信号丢弃掉，然后做计数率补偿，从而提高系统的能量分辨率。

2 低噪声低功耗电荷灵敏放大器设计

图2为CZT探测器的CSA原理图。电荷灵敏放大器主要有直流耦合和交流耦合两种，直流耦合方式下探测器的漏电流与信号电流一起流入电荷灵敏放大器，由于漏电流的原因会使电荷灵敏放大器的输出有直流漂移，如果采用传统的并联电阻放电方式设计CSA，由并联电阻泄放反馈电容上的电荷，则为保证获得最低的噪声，并联电阻应该越大越好，但在直流耦合方式下，越大的并联放电电阻，则会带来越大的直流漂移，也就限制了并联放电电阻的阻值，使CSA的输出噪声变大，因此通常设计专门的复位电路在CSA输出满幅度时复位CSA，但复位型CSA的设计难度较大，复位电路对CSA的影响比较难以控制，同时复位信号也带来了一定的死时间。交流耦合方式尽管没有并联电阻带来的直流漂移问题，但由于采用了交流耦合电容，因此交流耦合电容与CSA的等效输入电容之间会有电荷分压的关系，使得信号输出幅度变小，信噪比略有变差，但因其设计结构简单、计数通过率较高而广为使用。

图2 与CZT探测器匹配低噪声电荷灵敏放大器Fig.2 Low noise charge sensitive amplifier matching witch CZT detector.

图2 中R4为探测器的偏置电阻，R4与交流耦合电容C10构成一个放电回路，时间常数τ1=R4×C10=0.5ms，而CSA自身的反馈电阻R20–R24与反馈电容C19构成一个放电回路，时间常数τ2=5G×0.033pF=0.16ms；CSA后级的微分成形电路C11，R11的时间常数为3.2μs，显然远小于τ1和τ2，因此不会带来明显的极零点。电阻R4太小则不仅会给CSA输出信号带来极零点，还会使探测器的噪声变大，因此通常要保证偏置电阻上的压差为0.5V情况下，噪声最低[8]，考虑到CZT探测器的漏电流在10nA以内，因此偏置电阻选择在50−200M比较合适，可根据实际探测器的漏电流来选择最合适的电阻大小。

交流耦合电容C10与CSA的输入等效电容构成电容分压关系，如果C10太小，电荷的耦合不完整，会有损失。而C10太大，则探测器及偏压电源的低频噪声会耦合到CSA使系统噪声增加，因此通常选择10nF为宜。

在选用电荷灵敏放大器的第一级结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)时，除了需要考虑JFET自身的Gm、Ciss、等效噪声等参数以外，还需要考虑与前端探测器的匹配问题，由文献[9]可知当探测器的自身等效电容与前放第一级JFET的Ciss相等时，可获得最高的信噪比。因此对于小电容探测器，可选用2N4416、2SK152；对于大电容探测器则可选用2N6550、2SK147，或者多个JFET并联。本文选用的碲锌镉探测器为半球形结构，其等效电容较小，低于5pF，故选用2N4416作为第一级前放JFET。

本文设计的电荷灵敏放大器采用典型的折叠型电路结构[10]。R6、R8、R12构成偏置电路，用以设定合适的静态工作点。R12、R14、Q4构成恒流源，设三极管的开启电压为0.6V，由于R12的电压为2.6V，那么流过R14和三极管Q4的电流为1mA，因此流过三极管Q1的电流也约为1mA。另外R2、R4、Q1也构成恒流源，保证R2流过的电流为5mA，

由于流入Q1的电流为1mA，那么通过电阻R2流入JFET (Q1)漏极的电流为4mA。查2N4416数据手册可知，4mA漏电流在允许的Idss范围之内，同时设置JFET的漏电电压为4V，可保证2N4416获得较佳的噪声特性。另外，由于R12、R14、Q4构成了恒流源，成为了三极管Q1的有源负载，大大地提高了电路的开环增益。

为尽可能提高信噪比，本文采用OPA683高速低噪声电流型运算放大器对前级输出的信号进一步放大。由于前级输出信号的时间常数τ1、τ2较大，不能直接对该信号进行放大，否则在高计数率情况下，放大器的输出会满幅度过载，因此本文先对前级放大器输出的信号进行了一次CR微分整形，信号被调整为3.2μs宽度的指数信号，然后才经过OPA683放大输出，OPA863静态工作电流仅为1mA左右，但可输出200mA左右的驱动电流，是低噪声的电流型运算放大器，因此适合用于对CSA前级信号的放大及对后级电路的推动。

3 低功耗偏置电源设计

图3为本文设计的一种低功耗偏压电源。该电源主要由升压控制器、开关场效应管、倍压整流电路和电子滤波器构成[11−12]。

图3 350V低功耗低噪声偏压电源设计Fig.3 Scheme of 350V low voltage and ripple bias power supply.

MAX668为1.8−28 V宽输入电压范围的升压控制器。其转换效率可达90%以上，采用电流脉宽调制模式(Pulse Width Modulation, PWM)，可由外部电阻选择100–500kHz范围的振荡频率，实际应用时需要针对实际的电感特性微调该外部电阻，可实现最优的电源转换效率与电压稳定性。该控制器还具备关断功能，可在不需使用高压电源时关闭MAX668，达到减小电源损耗的目的。因此，该升压控制器很适合在手持式电源系统中应用。

图3中D1–D9和C7–C9组成4级电容倍压电路。图3中的二极管最好选择低导通压降，正向导通时间和反向恢复时间短，反向击穿电压高的肖特基二极管，本文采用的是MBRS3201T3，其反向击穿电压200V，正向压降0.59V，反向恢复时间小于35ns。最后的电压输出级采用2N5551构成电子滤波器进一步降低电源噪声，同时更重要的是提高电流输出能力，能够保证带负载时电源电压的稳定性。

经实测该偏压电源在输入电源电压为9V时最高输出电压可达到800V，输出电流可达100μA以上。本文的CZT探测器工作电压为300−400V之间，因此调节偏压电源输出电压在350V左右，在偏压电源5V供电，并输出高压给CZT探测器时，实测工作电流为5mA左右，因此整体功耗极低，比较适合低功耗的手持式CZT探测器系统的应用。图4为多层板设计制作的小体积偏压电源模块[13]。

图4 偏压电源实物图Fig.4 Photography of bias power supply circuit board.

4 上升时间甄别的DMCA设计

通常，CZT探测器的空穴寿命在1μs左右，小于空穴的收集捕获时间，会导致所感生的电流信号明显降低，从而使电荷灵敏放大器输出信号的上升时间变大，幅度变小，使得全能峰往左偏移，形成空穴拖尾，也称为电荷捕获效应。电荷捕获效应通常在硅、锗探测器中不明显，而在CZT这种复合型探测器中则较明显，由于所获取的谱线存在空穴的拖尾，导致分辨率下降。因此为保证有较高的能量

分辨率，需要设计带上升时间甄别功能的多道脉冲幅度分析器[14–17]。采用传统模拟电路实现上升时间甄别[18]，在上升时间变化不大时尚可，当上升时间变化较大，譬如达到几百纳秒级别时，则需要设计有多达10级的LC延迟线电路，导致电路庞杂，不太适合手持式CZT探测器系统的要求，因此需要考虑设计数字式的上升时间甄别器。在设计之初并不十分清楚CZT探测器最合适的成形时间，如果采用传统的模拟高斯成形电路设计，则面临繁杂耗时的硬件电路调试工作，也无法达到最优的成形效果，因此本文设计了基于FPGA与高速模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)为核心的DMCA。该脉冲幅度分析器能够实现以0.75μs为步进的成形时间调节、时间常数可动态配置、快通道触发阈值可调等功能。本文在DMCA基础上，还设计了数字式上升时间甄别模块。DMCA的硬件电路框图如图5所示。在图5中，前置放大器输出的信号经过缓冲跟随器/放大器实现阻抗变换，信号放大后输入到电流型程控衰减器，该衰减器由14bit分辨率的高速乘法数模转换器AD5453构成，经过程控衰减后的信号再次被高速线性放大；由于前放输出信号有正有负，因此需要进行极性转换得到正脉冲信号；在数字多道中，为能将核脉冲信号中的噪声信号全部采集到，需要叠加一个直流分量，保证噪声信号的负半周最大值大于零，否则噪声信号不能被完整采集，使系统中白噪声变为非白噪声，大大降低数字滤波的效果。为此需要有程控的直流分量叠加电路，保证进入高速模数转换器的信号始终大于零。经过抗混叠电路后，核脉冲信号输入高速模数转换电路，采用的是最大采样率为65MHz的AD9235，离散后的高速数字信号序列被送入到CycloneIV系列FPGA芯片实现快慢双通道的数字梯形成形、相关功能模块实现数字滤波、极零相消及脉冲幅度提取等。

图5 DMCA电路设计框图Fig.5 Electronic scheme of DMCA.

图6 带上升时间甄别的多道脉冲幅度分析器FPGA内部设计框图Fig.6 Block scheme of FPGA designed for DMCA with rise time discriminator.

数字上升时间甄别模块的FPGA逻辑设计框图如图6所示。由图6可知，上升时间甄别器以快慢双通道数字梯形成形器为核心，其中快通道的成形时间固定为120ns，而可调慢成形通道其成形时间为0.75−18μs数控可变，设上升时间甄别器的甄别系数为K，其表达式为K=A/B，其中A为快通道成形信号的幅度值，B为慢通道成形信号的幅度值。上升时间甄别的过程如图7所示。

图7 上升时间甄别示意图Fig.7 Diagram of the rise-time discrimination.

当确定了慢通道的成形时间后，上升时间为t1的脉冲信号分别经快通道、慢通道成形后，得到了幅度值为A1的快通道梯形成形信号与幅度值为B1的慢通道梯形成形信号，对应有K1=A1/B1；同理，当脉冲信号的上升时间为t2时，对应有K2=A2/B2；以此类推，对于不同上升时间的信号其K的取值不同，这是由于快通道的成形时间很短，仅为120ns，因此当上升比较缓慢的信号经过快通道成形后，原始信号的上升沿未能全部被积分，故成形后信号的幅度较小，从而使得K值发生改变。据此可以建立不同上升时间的信号与K之间的关系，通过判断K的值，筛选所需上升时间的信号，进而实现上升时间甄别的功能。

因此，在实际应用中只要分别针对不同的慢通道成形时间，分别测定出输入脉冲信号的上升时间与K之间的关系，并存入FPGA系统中。进行上升时间甄别时，FPGA自动将该上升时间转化为与K的关系，凡是大于该值的信号则丢弃，小于该值的信号则保留。

图8为DMCA的实物图，尺寸为5.9cm× 5.9cm×0.8cm。该DMCA板可通过RS232、USB等接口与上位机通信，上位机可将系统工作的各项参数（如硬增益、软增益、上升甄别时间、信号的时间常数、成形时间、快通道触发阈值等）进行在线设定，同时也可将DMCA的工作状态（如原始信号脉冲、成型后的信号波形、系统谱线等）参数读出，以便于系统最佳工作参数（如信号时间常数、上升甄别时间、快通道触发阈值等）的设定。

图8 DMCA的实物照片Fig.8 Photograph of DMCA circuit board.

5 实验与应用

该CZT探测器的数字核信号处理系统可应用于X射线成像、核素识别等系统中。系统测试采用的是西北工业大学准半球结构的CZT探测器，探测器尺寸为4mm×4mm×2mm。系统测试主要针对低能X射线和中能γ射线的测量，并与传统探测器进行对比试验。

5.1 电荷灵敏放大器对γ射线输出响应测试

将CZT探测器与电荷灵敏放大器连接后放置在金属屏蔽盒内，所有输入输出采用BNC (Bayonet Nut Connector)接口连接，以屏蔽电磁干扰。在探测器的一面将金属屏蔽盒开一个4mm×4mm的窗，并粘接镀铝膜，以减小屏蔽盒对γ射线的吸收。测量时，选用137Cs作为γ射线源，将其与探测器正对，相距约5cm，使用TDS1012B型示波器测得电荷灵敏放大器对137Cs的γ射线响应波形如图9所示。

图9 CSA对137Cs源γ射线输出响应Fig.9 Output waveform of CSA in137Cs γ-ray detection.

5.2 低能γ射线探测中的应用

CZT探测器对低能γ射线的测量选取活度为1.776×107Bq的241Am源（59.5keV），测试时将其放置在金属屏蔽盒内屏蔽外界干扰，241Am源与CZT探测器正对，相距约5cm，测量时间为100s。

图10给出了系统在测量241Am源时，没有采用上升时间甄别（图10(a)）和采用了上升时间甄别（图10(b)）测量得到的谱线，限于篇幅，图10中只给出了50–200道的谱线情况（谱线分辨率为2048）。由谱线可知，在系统未采用上升时间甄别时，由于CZT探测器的空穴载流子的寿命较短，导致电荷收集不完全，使得到的脉冲信号幅度明显降低，因此谱线有较严重的拖尾，使系统的分辨率降低，约为8.5%。而采用上升时间甄别后，将有电荷损失的信号甄别掉，提高了系统的分辨率，目前能够做到最好的分辨率可达3.6%。

图10 测量241Am源有无上升时间甄别对比Fig.10 Results of rise time discriminator when measuring241Am source.

5.3 γ射线探测中的应用

CZT探测器对中能γ射线的测量选取活度为2.967×106Bq的137Cs源(662keV)。与测试低能γ射线时一样，将探测器与电荷灵敏放大器放置在金属屏蔽盒内进行屏蔽。测试时，137Cs源与CZT探测正对，相距约5cm，测量时间为30min。

图11给出了系统在测量137Cs源时，没有采用上升时间甄别（图11(a)）和采用了上升时间甄别（图11(b)）测量得到的谱线，限于篇幅，图11中只给出了0–600道的谱线情况（谱线总道数为2048）。由图11可知，在系统未采用上升时间甄别时，系统分辨率为2.9%左右；而采用上升时间甄别后，分辨率可达0.96%。

图11 测量137Cs源有无上升时间甄别对比Fig.11 Results of rise time discriminator when measuring137Cs source.

6 结语

从CZT探测器自身原理、特性作为核信号处理系统设计的出发点，考虑探测器与前置放大器的优化匹配设计，在DMCA基础上设计上升时间甄别器，从而构建完整的CZT核辐射探测的信号处理系统。从实验结果来看，效果是显著的，上升时间甄别技术的准确性实际上是有赖于快、慢两个通道的准确脉冲幅度提取的。对于快通道，由于其成形时间短，因此受各种噪声的影响大，从而使得其基线波动较大，增大了准确提取脉冲幅度的难度。为解决该问题，需要设计优异的高通滤波器滤除基线及低频噪声的干扰，同时尽可能降低信号处理系统路的高低频噪声，从而提高快通道脉冲幅度提取的准确度。对于慢通道，它受到探测器、前置放大器、供电电源等低频噪声影响，慢通道成形信号叠加在这种缓慢变化的低频噪声之上，此时如果仍只使用高通滤波器来滤除基线，就会造成梯形信号的梯形平顶发生畸变，幅度信息丢失。为解决这一问题，采用了数字式的基线估计方法：利用白噪声信号的功率谱密度与其功率的平方呈反比的关系，采用泛函变分方法对噪声估计，得到噪声最小时对应的冲击响应函数，进而得到噪声的基线[19]。除此之外，选择合适的慢通道成形时间、合适的工频干扰抑制、良好的地线布局与屏蔽设计也可提高基线估计的准确度。下一步的工作将开展CZT探测器、电荷灵敏放大器在低温下对X射线的探测工作，并设计低噪声复位型电荷灵敏放大器测试CZT探测器对低能X射线的探测性能。

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Design of digital nuclear signal processing system for CdZnTe detector

ZENG Guoqiang1WEI Shilong1XIA Yuan1LI Qiang1XU Yadong2GE Liangquan1JIE Wanqi2

1(Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu 610051, China) 2(College of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Background: CdZnTe (CZT) detector has excellent detection efficiency and resolution toward gamma ray at room temperature. It is a beneficial supplement to HPGe and scintillator detectors. Digital multi-channel analyzer (DMCA) plays significant role for high resolution spectrometer of CZT. Purpose: This study aims to overcome the effect of “hole tailing” for CZT detector by implementing digital nuclear signal processing system. Methods: A low noise charge sensitive amplifier is designed by considering optimal matching of detector and digital multi-channel analyzer. High speed analog-digital converter transforms the analog signal to discrete digital sequence signal. Digitized signals are processed by Field Programmable Gate Array (FPGA) chip in the DMCA. In this FPGA chip, fast-slow dual channel trapezoidal shaper and digital rise time discriminator are designed to overcome the problem of charge trapping of CZT detector. Digital rise time discriminator could eliminate the effect of “hole tailing”and improve the energy resolution of CZT detector. Results: For the 4mm×4mm×2.5mm capture plus structure of CZT detectors offered by Northwestern Polytechnical University, the best resolution is up to 3.6% for241Am source, and up to 0.96% for137Cs source. Conclusion: The optimal matching of each unit circuit in the whole digital nuclear signal processing system could improve the energy resolution for CZT detecting system. Digital multi-channel analyzer with rising time discriminator has significant advantage for CZT detecting system.

CZT detector, Charge sensitive amplifier, Nuclear signal chain, Rise time discrimination, Digital pulse amplitude analyzer

TL82

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110401

国家自然科学基金(No.41474159)、国家863计划项目(No.2012AA061803)、地学核技术四川省重点实验室开放基金(No.gnzds2014006)资助

曾国强，男，1980年出生，2008年于成都理工大学获博士学位，从事核辐射探测与核电子学

2015-03-17，

2015-07-20

CLC TL82