基于高速电流脉冲前放的数字式电荷积分型能谱仪系统设计*

曾国强，盛 磊，卿 松，严 磊，胡传皓，杨寿南，葛良全

(成都理工大学 四川省地学核技术重点实验室，四川 成都 610059)

数字化能谱测量是核电子学中的重要部分[1-2]，广泛应用于核科学实验、核技术应用及反应堆工程等领域[3].传统上针对电荷灵敏放大器的数字化梯形成型能谱测量系统[4]应用广泛，并起到了良好的应用效果[5].该方法采用电荷灵敏前放将探测器输出电流脉冲积分得到电压脉冲，对电压脉冲数字化后，在FPGA内部设计数字化滤波成形算法降低噪声并提取脉冲的高度，从而获得能谱.但是在高计数率情况下，电荷灵敏前放发生堆积的可能性大大提高，后级数字化多道难以识别堆积脉冲，从而导致能谱测量出现误差[6].为此，需要采用电流型脉冲前放代替传统能谱仪系统中的电荷灵敏前放，对探测器输出电流脉冲进行直接放大[7]，从而大大降低脉冲信号的堆积、同时由于电流信号传输放大的强抗干扰性，使得原始的粒子脉冲信息可以被准确地在后级处理系统中还原.由于电流脉冲信号通常较窄(1～500 ns)，需要采用更高采样率的模数转换器才能保证采样的电流信号不失真.对数字化电流脉冲信号的能谱测量，则需要设计数字式电荷积分算法(DQDC)，通过DQDC设计实现电流脉冲信号的积分，脉冲抗堆积，数字恒比定时，从而实现高计数率的能谱测量.

1 方法设计

1.1 总体结构

该数字式电荷积分型能谱仪系统框图如图1所示，系统采用ADA4817高速JFET型运算放大器构建快速电流脉冲型前置放大器.数字系统主要由XILINX-V4可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片与500 MSPS采样率的AD9434模数转换器(ADC)构成.对于核辐射探测器而言，可以等效为一个电流源.为此,本文设计了电流脉冲型前置放大器直接放大核辐射探测器输出的微弱电流脉冲.不同于电荷灵敏放大器将电流信号积分后再放大,所设计的电流脉冲型前置放大器采用电流并联反馈结构，是一种快速的线性电流放大器.为了保证对快速型核辐射探测器(LaBr3)电流信号的放大，电流脉冲型前置放大器应具有500 MHz的有效带宽及nA级别的输入偏置电流，为此采用低输入偏置电流的ADA4817与高速高输出电流的AD8001构成复合型闭环反馈放大电路.设计示意图如图2所示，其比例系数记为p.如式(1)和(2)所述，其中I1与I2分别是R1与R2上通过的电流.该电流型前置放大器对电流的增益为式(1)所述，输出的电压Vout正比于输入的脉冲电流信号Iin，如式(1)和(2)所述.

(1)

(2)

对于NaI与LaBr3等快速型闪烁体探测器所输出的脉冲信号，可以保证其原始上升时间和脉冲宽度信息不变，从而得到较为理想的电荷量与射线能量的正比关系.系统输入脉冲保持了很小的射线脉冲宽度，从而可以降低系统脉冲的堆积概率[8].经过该前置放大器放大的电流信号经过高速ADC转换为数字信号进入FPGA，进行数字信号处理.FPGA中的数字信号处理包含了以数字恒比定时(DCFD)为核心的数字式电荷积分(DQDC)通道(即慢通道)，以反褶积成型为核心的快触发通道(fast-trigger,即快通道).下面将对数字电路中所设计的快慢通道算法原理以及实现方法进行详细说明.

1.2 电荷积分与堆积拒绝方法设计

对于闪烁体探测器，射线粒子进入闪烁体灵敏体积之后，将能量沉积在闪烁体内，闪烁体发光并被光电转换器件所捕捉[13].由于闪烁体发光特性的不同及与光电倍增管电气特性所形成的RC网络，使得脉冲信号产生拖尾与展宽，其衰减的规律可以由式(3)来表达[14]，根据所采用的光电转换器件(即光电倍增管)的基本原理，其输出的信号是一个表征了粒子能量的电流信号.

(3)

由快速电流型前置放大器放大的电流信号由ADC离散化后函数变为式(4)的序列.如图2所示，每个脉冲下所包含的面积正比于该粒子在探测器中所沉积的能量，表征了入射粒子射线的能量大小.其等效的脉冲面积A正比于粒子能量Q，其中ΔT为模数转换器的采样间隔，τ为原始负指数信号的衰减时间常数,p为高速电流前放的放大系数,u[n]为阶跃函数的离散序列.

(4)

电荷积分通常采用一定的算法来确定一个窗口信号，在窗口信号有效的时间范围内，提取原始信号中属于粒子脉冲的部分进行数字积分运算，对于该窗口信号的处理，Knoll与Craig分别采用一个和多个的固定阈值进行判定，产生窗口信号[9].针对这种固定阈值存在的噪声，低能信号触发困难以及对不同特性的信号响应存在差异等问题，Kim等人采用恒比定时的方法产生固定大小窗口的起始信号[10]，但是由于固定窗口对于不同宽度的脉冲存在欠积分或者过积分的问题，Moline与Thevenin等人采用了对原始信号求导，再根据动态阈值而获取窗口信号的方法[11].虽然采用标准差来控制噪声的误触发，但是基于导数的判定方法仍会产生较高的噪声触发比例.本文所提出的方法慢通道检测脉冲窗口的开始与结束来源于同一个基于数字恒比定时的自适应判定过程，该方法避免了不同判定信号与逻辑之间的触发差异，从而保证窗口起始与停止的比例恒定.同时,采用快通道的变换只作为信号堆积的检测，慢通道的判断信息将用于从原始信号提取对应的脉冲信息[12]，这样避免了变换后的信号作为窗口信号判断而带来错误积分触发.

进入数字恒比定时甄别器(DCFD)通道的数字信号，基于数字恒比定时甄别原理实现信号的恒定比例触发产生积分窗口信号.对于具有25 ns前沿的信号设定，其延时信号滞后于原始信号80 ns.其脉冲序列经过时长为d的延迟和系数为k的衰减分别得到式(5)与式(6).将两个信号序列做差分处理得到新的离散序列式F(N)，如式(9)，则解算不等式F(N)>0得到的解的区间即为该脉冲的恒比触发范围[N1,N2],对应恒比定时的触发时间区间[t1,t2].再经过展宽修正以获得包含完整脉冲信号在内的门限电平信号区间[t1,t2]，从而能在DCFD的延迟信号大于衰减信号的时候作为触发的门限高电平，如图3所示.对原始电流信号进行门限积分所得到的结果EI即正比于射线粒子能量Ep，可由式(8)表达.恒比定时的触发比f由式(9)可以得到，对于固定系统来说，其系数a为常数，同时在固定衰减比k后，对于不同信号其DCFD的触发比为一个常数，从而达到了脉冲恒比触发的目的.

(5)

(6)

(7)

(8)

采用恒比定时可以消除脉冲幅度游动，从而更加准确完整地进行电流脉冲积分，故能更加准确地获得粒子的能量信息.如图3所示为以数字恒比定时(DCFD)为核心逻辑的数字式电荷积分模块的逻辑与时序示意图.对于偶然堆积信号，由于不完全重叠的合峰会在脉冲波形上呈现两个波峰，可以采用堆积判断模块进行判定.原始的输入信号——式(4)表征探测器信号的负指数信号经过反褶积变换得到单位冲激脉冲序列，其中ΔT为采样间隔时间，τ为原始脉冲的时间常数[5，15]，A为提高触发稳定性所设置的放大系数.

(9)

(10)

F(n)=Aδ[n]=A[VIout[n]-

(11)

图4虚线①为原始输入探测器信号，圆点实线②信号是变换得到的反褶积信号.对于该脉冲信号，采用数个数字施密特触发器级联进行判断，从而获得快通道的稳定触发信号.该触发门限信号的上升沿表征脉冲波形的起始时刻，即作为粒子发生相互作用的事件标志.实线③脉冲为成型后的信号经过数字施密特触发器生成的触发信号的边沿脉冲信号，采用该信号来判断和处理合峰效应与高计数率下的堆积.如图5的脉冲与逻辑图所示，其原始信号(a)经过反褶积获得反褶积信号(b)，再经过多级施密特进行触发获得门电平信号(c)，然后再取得每个门电平的下降沿而获得信号(d)，作为每次粒子事件发生的标志.通过设计的数字逻辑判断两次触发信号之间的间距.小于待测探测器脉宽的时候，认为两次的脉冲事件属于脉冲堆积事件，此时将舍弃慢通道计算所得的脉冲能量数据，即舍弃来自于恒比定时的信号(e)，获得最终输出使能信号(f)，并做计数率矫正.

2 FPGA设计实现

探测器所输出的电流信号经过专门设计的电流脉冲型前放进行放大后进入高速ADC进行离散化，然后在FPGA中进行运算处理.

如图6所示为 FPGA中数字电荷积分与堆积拒绝双通道逻辑示意图.图中包含了快通道的堆积拒绝逻辑以及慢通道的恒比定时数字积分逻辑.其中快通道对原始信号进行反褶积成型以获得一个反褶积后的脉冲信号，成型后的信号作为快速堆积甄别与计数率补偿的依据，慢通道通过数字恒比定时(DCFD)来提供电流数字积分窗口信号.在慢通道里，代表着原始探测器电流信号的数字信号在窗口信号的作用下被触发积分.高速ADC选用的并行输出的500MSPS采样率的AD9434，FPGA采用高性能的XILINX的Virtex-4系列.图6中数据延迟的操作采用不同深度的移位寄存器来控制.

3 实验设计与结果讨论

3.1 脉冲通过率测试

脉冲通过率测试主要采用精密信号发生器作为信号源，测试脉冲为负指数信号，测试脉冲频率从1 MHz到30 MHz，测试其输出粒子计数个数与相同时间内输入脉冲计数并通过式(12)计算出脉冲通过率.测试结果如图7所示.在达到30 MHz的脉冲频率输入的时候，由于脉冲上升沿持续时间的减少使得该时间内采样点数减少到采样定理所需界限之下，导致的不稳定触发使得脉冲通过率发生下降.在脉冲频率小于等于29 MHz的时候，实验结果显示其脉冲通过率达到平均99.98%，最低99.87%.

(12)

3.2 放射源能谱响应测试

使用Cs-137放射源进行测试，将源放置于与探测器不同距离来测试，以控制放射源对探测器的照射量率.在统计通过率为82.3 kcps，即零距离入射的时候，相比于传统电荷灵敏前放的数字能谱系统的脉冲系统死时间为24.5%，本文基于电流型前放设计的能谱系统死时间为2.26%.测试装置如图8(a)所示，图8(b)为电流脉冲型数字化能谱仪与传统数字化能谱仪在不同脉冲通过率下的测试情况.表1是该组测试的测试数据.由图表可知，本文设计的数字电荷积分式数字化能谱仪具有更低的死时间，更高的脉冲通过率，同时保证能量分辨率基本一致.

表1 两种数字能谱仪分辨率与脉冲通过率测试结果Tab.1 Test results of resolution and pulse passing ratio of two types of digital spectrometers

如图9所示，谱线①为使用传统针对电荷灵敏前置放大器设计的数字能谱仪所测试的Cs-137的能谱，谱线②为基于本文所提出的方法的能谱系统所测试得到的Cs-137的能谱.由图9可以看出,两种数字多道系统对Cs-137的能量分辨率均达到了7.53%，传统的数字多道由于脉冲堆积死时间，增加而丢弃了一部分计数，而本文设计的数字电荷积分型能谱仪的堆积较低，从而降低了系统的死时间，增加了系统的计数率，使得放射性测量的精度与测量时间都有所改善.

为了测试本文设计系统在更高计数率下对不同类型放射源的测量效果，将133Ba，137Cs，152Eu，134Cs，60Co五种放射源放置一起，采用NaI(Tl)探测器进行测试，经测试，系统的通过率为87.6 kcps，系统死时间为2.9%.实测谱线图如图10所示.

4 结论

本文设计了基于高速电流脉冲前放的数字式电荷积分型能谱仪系统，该系统设计了高速模拟前端电路，采用Xilinx-Virtex4 FPGA芯片与500 MSPS采样率高速ADC实现数字信号处理.开展了最大脉冲通过率与放射源能谱响应测试.当输入 29 MHz测试信号时，系统死时间低于0.03%.采用NaI(Tl)探测器开展Cs-137放射源能谱测量，系统通过率在82.3 kcps时，能量分辨率为7.53%，死时间为2.26%.由测试结果可知，本文设计的数字化能谱仪，在同等通过率下，具有更低的死时间，谱线测量准确度更优，可适用于高放射性场下的能谱测量.所设计的数字化能谱仪采用基于电流脉冲前放的数字式电荷积分方法，可自动调节电荷积分的时间窗口宽度，脉冲通过率高，可以在多种应用场景里快速调试与部署，拓宽了系统的适用范围与场景，可应用于核事故场合下的核素甄别以及中子活化分析等高通量能谱测量.此外，此次的算法验证平台采用500 MSPS采样率的ADC，经过试验发现，当进一步提高ADC的采样速率时，可以对更快速核脉冲信号获得更加稳定的触发窗口，从而在保证良好分辨率的同时获得更高的通过率，下一步将开展更高采样率的数字化能谱测量工作.