用于中子活化分析仪器的数字多道分析器设计

摘   要： 为了使中子活化分析仪器实现高性能的能谱采集，提出一种数字多道分析器设计方案。使用FIR（有限长单位冲激响应）滤波器，对脉冲信号进行微分，解决脉冲信号基线漂移的问题，得到准确的脉冲信号时间信息;提出脉冲梯形成形技术，改善ADC的微分非线性，减小信号中噪声的影响，通过梯形脉冲判断信号幅度信息;通过波形参数比较法，判断脉冲是否堆积，将堆积的脉冲从能谱中去除，进一步提高能谱的能量分辨率。经测试，开发的数字多道分析器集成度高、抗干扰性强、运行可靠性好，随机脉冲计数通过率大于250 kcps，能量分辨率小于7.5%，满足性能要求和指标要求，可满足工业在线检测仪表对中子活化分析的应用需求。

关键词： 中子活化;能谱采集;数字多道分析器;基线;梯形成形

引言

中子活化分析仪器能够用于化学元素的能谱采集，在工业企业节能减排、工艺过程优化控制等方面有重要作用，市场需求量激增。中子活化多元素分析仪是中子活化分析仪器的一种，其核心部件是多道分析器。为了满足市场需求，需要不断提高中子活化多元素分析仪的性能，这对多道分析器也提出了更高的要求，如适应性强、稳定性高、温度漂移小、线性度高等性能要求，以及能量分辨率小于8%、随机脉冲计数通过率大于200 kcps等指标要求。

在国内，多道分析技术起步比较晚，仅有若干院校和研究单位在开展研究，有较少企业在开发产品，计数通过率在50 kcps和100 kcps之间，目前国内未见适用于工业在线中子活化分析仪器的多道分析器产品。国外的多道分析技术大都已经数字化，但仪器体积较大，使用复杂，价格也很高，主要在实验室应用，不适合工业现场在线应用，而且实际测试结果并不理想，对特定应用的优化也不令人满意。因此，需要自行开发适用于中子活化多元素分析仪的多道分析器。

本文首先针对中子活化分析仪器的应用需求和能谱特点，提出多道分析器的总体方案;然后，基于硬件总体方案，对前端电路、电源、信号处理器等部件进行设计;进而，基于能谱采集的功能流程，对脉冲微分、脉冲成形、脉冲堆积判断等功能进行设计;最后，对随机脉冲计數通过率、能量分辨率等指标进行测试，评价多道分析器的设计合理性。

1  总体方案

针对中子活化分析仪器的应用需求和能谱特点，本设计采用数字多道脉冲幅度分析技术。高速ADC（模拟数字转换器）对探测器前置放大器输出的核脉冲信号进行采样，产生离散的脉冲信号数据。采用FPGA作为信号处理器，对采样的信号进行去噪声滤波，滤波后的脉冲分成两路：对其中一路脉冲信号进行微分，由微分后的脉冲信号得到原脉冲信号的时间信息;对另一路脉冲信号进行成形，由信号的时间信息控制探测器脉冲信号的基线估计，并实现对脉冲幅度的检测。本设计采用脉冲梯形成形技术，将探测器输出的脉冲信号成形为梯形脉冲，通过梯形脉冲判断脉冲幅度，以有效地提高分辨率。对于脉冲的堆积判断，使用波形参数比较法：对探测器输出的脉冲信号进行拟合，得到脉冲的表达式，产生标准脉冲，在探测器实际脉冲到来时，将其与标准脉冲比较，若偏差大于一定值，则判断为脉冲堆积。以上数字多道脉冲幅度分析技术可以在提高计数率的情况下，改善基线估计的准确性，提高定时信号的精度，减小随机脉冲堆积对脉冲幅度分析的影响。

2  硬件设计

2.1  硬件总体方案

图1所示为硬件总体设计框图。探测器输出的核脉冲信号经前端电路调理后，经单端转差分，由采样率为200 MHz的高速ADC在FPGA的控制下进行模/数转换，完成核脉冲的数字化;通过数字核脉冲处理算法在FPGA内形成能谱，能谱数据可通过接口实现远程传输。由于高速ADC前置，调理电路具有宽带、高速性能，且电路参数能够满足动态调整的需要，因此本设计可以适应不同类型探测器输出的信号，从而更好地发挥数字化技术的优势。

2.2  前端电路设计

前端电路由调理电路、单端转差分和高速ADC电路组成。由于调理电路输出的脉冲信号为单极性信号，因此若直接送入ADC，将损失一半的动态范围[1]。本设计在运放中加入一个适当的偏置电压，将单极性信号转换成双极性信号后再送入ADC，以保证动态范围。将信号由单端转换成差分的同时，进行抗混叠滤波处理，完成带宽的调整。

本设计使用AD9430高速ADC实现核脉冲的模/数转换。AD9430为12位并行输出的高速模/数转换器，具有功耗低、尺寸小、动态特性好等优点。当信号从探测器通过调理电路经过单端转差分电路后，以差分信号的形式进入ADC，在时钟的控制下，转换成12位数据，进入FPGA中。

AD9430使用200 MHz采样频率，需要采用LVDS模式接口数据线与FPGA进行数据交换。LVDS模式接口使用一对差分PCB走线传输数据，接收端需要采用100 Ω终端电阻匹配。AD9430与FPGA之间的走线采用差分对走线，通过电路板的制作参数计算走线参数。AD9430在PCB上的走线分为内层差分线和外层差分线。阻抗计算软件使用Polar Instruments Si800，计算的内层、外层差分线参数分别如表1和表2所示。PCB上外层差分线宽取值8 mil，线间距取值6 mil;PCB上内层差分线宽取值6 mil，线间距取值8 mil。

2.3  电源设计

为了降低功耗，提高电源可靠性，设计中采用5 V开关电源为多道供电。在多道系统电路板上采用DC-DC转换芯片和线性LDO，为各个功能模块电路提供稳定的低噪声电源。在数字电源部分，将5 V输入转化为3.3 V，将3.3 V输入转化为2.5 V，将3.3 V输入转化为1.2 V。在模拟电源部分，将±5.5 V输入转化±5 V·A模拟电压，将3.3 V输入转化3.0 V·A模拟电压。图2所示是多道电源设计原理框图。

2.4  FPGA数字信号处理器

FPGA数字信号处理器完成脉冲数字化采集、数字脉冲基线恢复、脉冲堆积拒绝、能谱逻辑、能谱存储和接口传输等功能。数字信号处理器选择Cyclone Ⅳ FPGA芯片EP4CE22，该芯片基于优化的60 nm低功耗制程技术构建，其低功耗优势相比前代Cyclone Ⅲ FPGA进一步增强，总功耗降低了25%[2]。EP4CE22支持采用LVDS接口传输数据，芯片内部具有LVDS专用的100 Ω差分终端电阻。此外，其内嵌存储模块能够实现高速FIFO和双口RAM，完成数字多道能谱数据的缓冲和存储，不需外扩RAM，节约了成本[3]，提高了可靠性，并减小了体积。

3  功能设计

3.1  能谱采集功能流程

能谱采集功能流程如图3所示。探测器输出的脉冲信号经ADC数字化后，先进行噪声滤波，然后分别进行成形和微分，产生梯形脉冲和微分脉冲。微分脉冲用于提取探测器信号脉冲的时间信息和对脉冲基线估计进行控制，梯形脉冲用于提取探测器信号脉冲的幅度信息。如果判断出脉冲不堆积，则用梯形脉冲的最大值减去基线值得到脉冲的幅度，从而转换成射线能量对应的道址。

3.2  脈冲微分

使用FIR（有限长单位冲激响应）滤波器对采样的探测器脉冲进行滤波，使滤波后的脉冲信号没有毛刺。根据脉冲微分响应公式[4]

其中，表示傅立叶变换圆频率。求出滤波器系数，构建一个FIR滤波器，实现信号微分器设计。探测器的脉冲信号经过微分器，可以得到微分后的脉冲信号。微分后的脉冲信号基线始终固定在0值，不会随时间和计数率的变化而发生漂移，可用于时间信息的精确提取[5]。

3.3  脉冲梯形成形

梯形成形算法是将输入的信号滤波成形为等腰梯形的算法[6]。梯形成形算法具有内建滑尺的功能，可以改善ADC的微分非线性。当梯形的平顶时间大于探测器的电荷收集时间时，还具有对弹道亏损免疫的特性[7]。以上特性有利于提高能谱的能量分辨率。图4所示是梯形脉冲的波形。

其中，;;; ;; ;;;U是梯形脉冲幅度;A是探测器信号脉冲幅度;Z是Z变换复变量;和是探测器信号时间常数;T是信号的采样周期。

3.4  脉冲堆积判断

在探测器信号脉冲上取2个区域，区域R1（脉冲顶部位置）取5个点的数据，区域R2（脉冲后沿基线位置附近）取8个点的数据。在数字多道分析器中对采集的探测器信号脉冲分别计算R1区域数据的和与R2区域数据的和，分别与理论探测器信号中R1区域和R2区域的数据和进行比较，只要有一个数据超出容差范围，就认为此脉冲被堆积。实际使用时，若从理论公式计算信号的相关参数，实时性难以保证，故可采用查找表的方法，即用MATLAB计算不同脉冲信号的幅度参数，然后将其存于数字多道分析器的存储器中，在进行堆积判断时，根据信号的幅度查表，找到对应的参数，与实际测量脉冲信号的参数比较，判断是否产生脉冲堆积。将堆积的脉冲从能谱中去除，从而提高能谱的能量分辨率。

4  测试结果与讨论

使用信号发生器模拟探测器信号，输入信号幅度从1 mV到170 mV，测量输出能谱峰位的道址，对信号幅度和峰位进行线性拟合，如图5所示。

其他指标的测试结果如下：

（1）随机脉冲计数通过率：≥250 kcps;

（2）能量分辨率：≤7.5%（Cs137放射源，250 kcps计数率）;

（3）积分非线性：±0.028%;

（4）道宽不稳定性：±0.05%;

（5）零点不稳定性：±0.08 mV。

从上述测试结果中可见，由于脉冲信号的处理是采用数字算法完成的，因此脉冲信号的传递不会影响信号幅度的线性关系，其脉冲幅度谱的线性度极高，线性相关系数R2达到1。通过采用高速FPGA并行处理，保证了随机脉冲计数通过率大于250 kcps。结合脉冲的梯形成形技术和脉冲的微分算法，提高了基线估计精度，降低了噪声的影响。在随机脉冲计数通过率较高的情况下，可保证能量分辨率小于7.5%，能够满足中子活化分析仪器的使用需求。

5  结论与展望

本文设计的数字多道分析器使用了先进的数字电子技术，体积小，成本低，性能高，易于应用。在设计中采用了创新的方法，一是对探测器脉冲信号进行微分，得到微分后的脉冲信号，以精确得到脉冲的时间信息;二是使用梯形成形脉冲来判断幅度，减小了信号中噪声的影响;三是通过波形参数比较法，判断出探测器脉冲是否堆积，并采用查找表来实现参数比较，将堆积的脉冲从能谱中去除，从而提高能谱的能量分辨率。

当前，数字多道分析器产品已经被大量应用于中子活化分析仪器中，预计也可用于X荧光分析、密度计量和双能量γ射线分析等类似的应用场景，具有极大的推广意义。

参考文献

[1] 梁卫平， 胡颖睿， 肖无云， 等. 数字化多道脉冲幅度分析器调理电路设计[J]. 核电子学与探测技术， 2012， 32（4）： 462-465.

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

[3] 尚庆敏， 于海明， 王文应， 等. FPGA技术在中子活化水泥元素在线分析仪中的应用[M]//中国矿业科技文汇. 北京： 冶金工业出版社， 2015： 565-566.

[4] 陈亚勇. MATLAB信号处理详解[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2001.

[5] 于海明， 张伟， 陈月红. 一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器： 201710554812.4[P]. 2019-05-24.

[6] 于海明， 张伟， 陈月红， 等. 数字多道技术在X荧光多元素分析仪中的应用[J]. 金属世界， 2013（1）： 55-57.

[7] 于海明， 张伟， 尚庆敏， 等. 小型数字多道技术在元素分析仪微型化中的应用[M]// 北京： 冶金工业出版社， 2015： 472-473.