CN109633733A - 采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于反康普顿能谱测量技术领域，具体涉及采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统，包括依次连接的反康普顿探测器阵列、探测器信号模拟预处理电路、粒子模式数字脉冲处理器、上位机。本发明实现离线测量过程重现与多模式数据分析的问题；基于粒子事件读出方式的数字脉冲处理器，采用时间戳的数字反符合判别器，实现了符合时间谱测量功能和粒子事件可视化读出功能；实现了反康普顿测量过程离线重现功能。

Description

采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统

技术领域

本发明属于反康普顿能谱测量技术领域，具体涉及采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统。

背景技术

反康普顿能谱测量系统已在环境保护、地质勘探、医疗卫生、国防军工等领域得到了广泛的应用，因此如何实现低本底反康普顿能谱测量、保证测量结果的真实性与可靠性、真是成为核仪器技术领域研究的热点，低本底反康HPGeγ谱仪正是这一技术的应用结果。

入射γ射线与探测器晶体作用时可发生康普顿散射，若散射光子逃逸出晶体则入射γ射线只有部分能量沉积在探测器中，形成康普顿坪，同时降低了全能峰的效率。在低水平放射性核素的能谱测量中，康普顿本底的统计涨落提高了位于康普顿坪上的全能峰的最小可探测活度，因此需要设计相应的反康普顿能谱仪。

当前，通用的反康普顿能谱测量系统主要由1个主探测器和若干个反康普顿探测器组成，上述系统中的反康普顿探测器通常基于模拟电路构成延迟和门控发生器，为主探测器提供反符合测量的门控信号，从而获得反康谱顿γ能谱。

传统的基于硬件反符合测量原理实现的反康测量系统只能以谱线方式输出测量结果，无法准确获知每次符合事件的发生时间，无法完整记录康普顿散射过程，无法实现粒子信息可视化测量，无法完整保存康普顿散射粒子事件信息，无法排除突发异常对输出结果干扰，无法实现测量过程离线条件多模式重现的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统，解决了传统的基于硬件反符合测量原理实现的反康测量系统存在的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统，包括依次连接的反康普顿探测器阵列、探测器信号模拟预处理电路、粒子模式数字脉冲处理器、上位机；

所述的反康普顿探测器阵列，包括高纯锗主探测器即HPGe探测器、符合探测器即NaI探测器，所述的符合探测器包括环形符合探测器和塞子符合探测器；

所述的探测器信号模拟预处理电路，包括符合探测器预处理电路和主探测器预处理电路；所述的符合探测器预处理电路包括依次连接的七路独立的PMT前置放大器、七路低噪声信号放大器、七路定时甄别器；所述的主探测器信号调理电路包括相互连接的高纯锗模拟信号前端处理电路和高速ADC转换电路；所述的七路独立的PMT前置放大器与反康普顿探测器阵列的符合探测器连接；高纯锗模拟信号前端处理电路与高纯锗主探测器连接；

所述的粒子模式数字脉冲处理器即FPGA，主要包括七路符合探测器时间信息提取模块、高纯锗能量时间信息提取模块、粒子事例数据包处理模块、时间戳发生器和基于以太网和USB3.0的高速数据通信接口；所述的七路符合探测器时间信息提取模块、粒子事例数据包处理模块、高速数据通信接口依次连接，时间戳发生器分别与七路符合探测器时间信息提取模块、高纯锗能量时间信息提取模块连接；高纯锗能量时间信息提取模块还与粒子事例数据包处理模块连接；

上位机主要包括参数配置模块、粒子事件信息接收模块、符合/反符合测量模块、谱线显示模块；上位机与粒子模式数字脉冲处理器的高速数据通信接口连接。

具体的，所述的反康普顿探测器阵列中，环形符合探测器包围在最外侧，内部依次为塞子符合探测器、高纯锗主探测器，高纯锗主探测器输出1路主探测器信号；环形符合探测器出光面与6个光电倍增管耦合，输出6路符合探测器信号，塞子符合探测器的出光面与1个光电倍增管耦合，输出1路信号符。

所述的探测器信号模拟预处理电路中，所述的主探测器预处理电路主要包括依次连接的时间常数调节电路、增益调节电路、直流偏移调节电路、差分驱动电路；所述的符合探测器预处理电路主要包括依次连接的线性放大电路、极性转换电路、微分整形电路、恒比定时电路。

所述的粒子模式数字脉冲处理器中，粒子事例数据包处理模块主要包括HPGe信号处理模块、NaI信号处理模块、同步时钟管理模块；HPGe探测器信号经高速ADC转换后，输入至FPGA中的HPGe信号处理模块，经三路并行的慢成形通道、快成形通道、时间提取通道处理后，实现粒子脉冲幅度、时间、计数率信息的提取；符合探测器信号经多路具有幅度和上升时间补偿功能的时间触发电路即ARC后，输入至FPGA中的NaI信号处理模块，实现粒子时间信息的提取；同步时钟管理模块输出高精度同步时钟信号，为HPGe信号处理模块和NaI信号处理模块提供同步参考时钟。

本发明提供的采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统具有以下有益效果：

(1)采用数字化多道直接获取主探测器与反康普顿探测器的粒子事件信息，该粒子事件信息包括探测器ID、探测器输出信号的能量和探测器输出信号的时间，避免了传统的反康普顿测量系统无法准确获知每次康普顿散射事件信息的问题；

(2)采用高速数据传输模块完成了粒子事件信息收录，避免了传统反康普顿测量系统只能通过在线方式实时测量，无法完整保存康普顿散射粒子事件信息，无法实现离线测量过程重现与多模式数据分析的问题；

(3)采用多点能量沉积修正算法，对信号幅值提取开展上升时间校正，避免了传统反康谱仪提取到的幅值随上升时间的变化波动，能量分辨率变差的问题；

(4)采用基于粒子事件测量的反康普顿谱仪上位机，完成延迟时间和符合时间定位，实现粒子信息的可视化测量及康普顿散射过程的完整记录，可在任意时刻回调数据库重新处理事例得到新结果，避免了传统的反康普顿测量系统无法还原康普顿散射完整过程，无法排除突发异常对输出结果干扰的问题；

(5)上位机通过配置脚本文件，实现不同反康普顿测量模式选择的功能，避免了传统的反康普顿测量系统当测量要求改变时，需要更改硬件电路的问题。

附图说明

图1为本发明的系统硬件设计框图；

图2为本发明的反康普顿探测器阵列示意图；

图3为本发明的HPGe模拟预处理电路框图；

图4为本发明的NaI模拟预处理电路框图；

图5为本发明的粒子模式数字脉冲处理器数据处理流程图；

图6为本发明的多点能量沉积修正方法示意图；

图7为本发明的时间戳获取时序图；

图8为本发明的数字反康普顿谱仪数据处理实现框图；

图9为本发明的基于时间戳的反符合测量实现原理图。

具体实施方式

为使本发明之目的和方案详细明了，下面通过具体的实施例对本发明进一步进行阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统，包括依次连接的反康普顿探测器阵列、探测器信号模拟预处理电路、粒子模式数字脉冲处理器、上位机；

所述的反康普顿探测器阵列，包括高纯锗主探测器即HPGe探测器、符合探测器即NaI探测器，所述的符合探测器包括环形符合探测器和塞子符合探测器；

所述的探测器信号模拟预处理电路，包括符合探测器预处理电路和主探测器预处理电路；所述的符合探测器预处理电路包括依次连接的七路独立的PMT前置放大器、七路低噪声信号放大器、七路定时甄别器；所述的主探测器信号调理电路包括相互连接的高纯锗模拟信号前端处理电路和高速ADC转换电路；所述的七路独立的PMT前置放大器与反康普顿探测器阵列的符合探测器连接；高纯锗模拟信号前端处理电路与高纯锗主探测器连接；

所述的粒子模式数字脉冲处理器即FPGA，主要包括七路符合探测器时间信息提取模块、高纯锗能量时间信息提取模块、粒子事例数据包处理模块、时间戳发生器和基于以太网和USB3.0的高速数据通信接口；所述的七路符合探测器时间信息提取模块、粒子事例数据包处理模块、高速数据通信接口依次连接，时间戳发生器分别与七路符合探测器时间信息提取模块、高纯锗能量时间信息提取模块连接；高纯锗能量时间信息提取模块还与粒子事例数据包处理模块连接；

上位机主要包括参数配置模块、粒子事件信息接收模块、符合/反符合测量模块、谱线显示模块；上位机与粒子模式数字脉冲处理器的高速数据通信接口连接。

如图2所示，所述的反康普顿探测器阵列中，环形符合探测器2包围在最外侧，内部依次为塞子符合探测器3、高纯锗主探测器1，高纯锗主探测器1输出1路主探测器信号；环形符合探测器2出光面与6个光电倍增管4耦合，输出6路符合探测器信号，塞子符合探测器3的出光面与1个光电倍增管4耦合，输出1路信号符。

由于探测器输出信号为双指数脉冲信号，其信号噪声、幅值、直流偏移量等参数不能够完全满足反康普顿数字多道的测量需求，因此需要对探测器输出信号进行预处理。所述的探测器信号模拟预处理电路中，所述的主探测器预处理电路主要包括依次连接的时间常数调节电路、增益调节电路、直流偏移调节电路、差分驱动电路，其信号流向如图3所示；所述的符合探测器预处理电路主要包括依次连接的线性放大电路、极性转换电路、微分整形电路、恒比定时电路，其信号流向如图4所示。

所述的粒子模式数字脉冲处理器中，粒子事例数据包处理模块主要包括HPGe信号处理模块、NaI信号处理模块、同步时钟管理模块；其实现过程如图5所示：HPGe探测器信号经高速ADC转换后，输入至FPGA中的HPGe信号处理模块，经三路并行的慢成形通道、快成形通道、时间提取通道处理后，实现粒子脉冲幅度、时间、计数率信息的提取；符合探测器信号经多路具有幅度和上升时间补偿功能的时间触发电路即ARC后，输入至FPGA中的NaI信号处理模块，实现粒子时间信息的提取；同步时钟管理模块输出高精度同步时钟信号，为HPGe信号处理模块和NaI信号处理模块提供同步参考时钟。该数字脉冲处理器能够实现探测器ID、探测器输出信号的能量和探测器输出信号的时间信息测量，为反康普顿能谱测量提供原始粒子信息。

时钟同步与触发器为反符合数字多道提供同步参考时钟，以保证粒子脉冲符合/反符合测量的准确性。为了保证同步时钟的频率精度，采用数字锁相环技术(DPLL),为了保证同步时钟的相位精度，将时钟输入端引入反馈参考时钟。

上位机主要由硬件控制层、数据处理层和人机交互层组成，其数据处理实现过程如图8所示，可以完成高速粒子信息传输与存储、在线与离线数字符合/反符合测量、粒子事件可视化读出、测量过程重现、测量参数脚本动态配置等功能，可自动绘制粒子数据图、谱线图、事例统计图、符合能谱图。

1)粒子数据收录

上位机通过高速数据传输接口将反符合数字多道获取的粒子数据信息完保存至数据存储模块中，上述粒子数据包括每一个探测器的ID、探测器输出信号的能量和探测器输出信号的时间等信息，通过该数据收录系统，可以将反康普顿测量的完整过程进行保存，为反康离线测量及反康过程重现提供原始数据。

2)数字符合/反符合测量

上位机根据读取到的粒子数据信息可以进行在线与离线数据处理与解析，实现数字符合/反符合测量功能，具体实现过程如图9所示：对于不同探测器，在相同时间戳下有信号产生，则可以判断该时刻有康普顿散射事件发生，相应探测器获取到的信号为康普顿散射信号，从而通过上位机完成数字符合/反符合测量，获得反康普顿能谱。

3)符合时间谱测量

主探测器与符合探测器入射粒子信号经模拟预处理电路后会产生固定时间的延迟，上位机根据读取到的粒子数据可以识别出相应信号的时间信息，并根据该信号的时间差建立符合时间谱，实现符合测量时间定位。

4)粒子事件可视化读出

上位机根据获取的完整粒子事件信息，可实现粒子事件3D动态可视化读出，具体如下：建立探测器阵列3D模型图，当上位机收录到粒子事件信息时，根据探测器ID信息可识别出入射粒子发生位置，根据时间信息可识别出入射粒子发生的先后顺序及过程，根据能量信息可以识别出各入射粒子的能量，因此可以将整个测量过程动态展现，实现可视化读出。

5)测量过程重现

上位机根据获取的粒子事件信息，可实现测量过程重现，完成离线测量，具体如下：上位机将接收到的粒子事件信息保存在数据存储模块中，测量结束后，上位机可对粒子事件数据进行离线调用，并对数据包进行解析，判别探测器ID、粒子时间、粒子能量等信息，最终通过粒子事件可视化读出模块重现完整的测量过程。

以下说明利用该系统进行相关测量：

(1)测器ID信息测量

探测器ID信息可以标记输入至反符合数字多道的信号所对应的探测器通道，由于不同探测器输入至FPGA时占用固定的IO口，因此通过判别该FPGA中不同的IO口可识别出相应的探测器ID信息。

(2)能量信息测量

能量信息可以表征入射粒子的能量情况，为判别入射粒子类型提供依据。该反符合数字多道分别采用对称零面积梯形成形算法和尖顶成形算法构成快慢双通道，实现核脉冲信号高精度幅度提取：其中尖顶成形具有最优化滤波效果；对称零面积梯形成形可以直接剔除基线同时可以完成脉冲触发和堆积判别。

与此同时，针对大体积高纯锗探测主器，采用多点能量沉积修正的方法，对上升时间变化的核辐射探测器信号进行上升时间校正，其实现方法如图6所示：先将离散后的探测器输出的电荷积分信号根据其下降沿时间常数反卷积，得到其原始的电流脉冲信号，反卷积后的信号有3种不同类型代表了射线在探测器内部沉积的不同方式。为了准确将所有的电流信号积分得到总电荷量，需要确定积分的起始和终止时刻。为此算法中采用ARC通道的时间信息信号作为积分起始时刻，将原始电荷信号的最大值点作为终止时刻，从而构成一个积分窗口，在该窗口中将所有反卷积后的数字电流信号全部相加后作为重新构建的冲激函数的强度值，所构建的冲激函数的出现时间为原始电荷信号积分到最大值的时刻；之后将积分窗口内其他点全部置零，冲激函数后面的数字电流信号不做处理，保持不变。经上述冲激函数变换，再次进行数字成形，此时成形后信号的平顶幅度值与原始信号的上升时间、能量沉积位置无关，从而起到了上升时间修正与多点能量沉积修正的双重效果。

(3)时间信息测量

时间信息可以表征探测器入射射线的发生时刻，为符合/反符合测量提供判断依据。为了快速准确的测量粒子发生时间，本设计在反符合数字多道内部设计时间分析器，其主要包括同步时钟管理模块和时间信息触发与提取模块。其中同步时钟管理模块以时钟发生器系统提供的100MHz高精度同步时钟为参考时钟，通过FPGA内部的高速加法器实现时间值计数，完成时间戳功能；时间提取通道模块以快成形器为核心，当某时刻快通道成形器产生有效信号时，时间信息获取模块能够根据快通道信号获取快速脉冲触发，并读取当前时刻的时间戳值，从而获取粒子时间信息。上述时间信息测量的时序如图7所示。

Claims (3)

1.采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统，其特征在于，包括依次连接的反康普顿探测器阵列、探测器信号模拟预处理电路、粒子模式数字脉冲处理器、上位机；

所述的反康普顿探测器阵列，包括高纯锗主探测器即HPGe探测器、符合探测器即NaI探测器，所述的符合探测器包括环形符合探测器和塞子符合探测器；

所述的探测器信号模拟预处理电路，包括符合探测器预处理电路和主探测器预处理电路；所述的符合探测器预处理电路包括依次连接的七路独立的PMT前置放大器、七路低噪声信号放大器、七路定时甄别器；所述的主探测器信号调理电路包括相互连接的高纯锗模拟信号前端处理电路和高速ADC转换电路；所述的七路独立的PMT前置放大器与反康普顿探测器阵列的符合探测器连接；高纯锗模拟信号前端处理电路与高纯锗主探测器连接；

所述的粒子模式数字脉冲处理器即FPGA，主要包括七路符合探测器时间信息提取模块、高纯锗能量时间信息提取模块、粒子事例数据包处理模块、时间戳发生器和基于以太网和USB3.0的高速数据通信接口；所述的七路符合探测器时间信息提取模块、粒子事例数据包处理模块、高速数据通信接口依次连接，时间戳发生器分别与七路符合探测器时间信息提取模块、高纯锗能量时间信息提取模块连接；高纯锗能量时间信息提取模块还与粒子事例数据包处理模块连接；

上位机主要包括参数配置模块、粒子事件信息接收模块、符合/反符合测量模块、谱线显示模块；上位机与粒子模式数字脉冲处理器的高速数据通信接口连接。

2.根据权利要求1所述的采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统，其特征在于，所述的探测器信号模拟预处理电路中，所述的主探测器预处理电路主要包括依次连接的时间常数调节电路、增益调节电路、直流偏移调节电路、差分驱动电路；所述的符合探测器预处理电路主要包括依次连接的线性放大电路、极性转换电路、微分整形电路、恒比定时电路。

3.根据权利要求1所述的采用粒子事件读出方式的数字化反康普顿能谱测量系统，其特征在于，所述的粒子模式数字脉冲处理器中，粒子事例数据包处理模块主要包括HPGe信号处理模块、NaI信号处理模块、同步时钟管理模块；HPGe探测器信号经高速ADC转换后，输入至FPGA中的HPGe信号处理模块，经三路并行的慢成形通道、快成形通道、时间提取通道处理后，实现粒子脉冲幅度、时间、计数率信息的提取；符合探测器信号经多路具有幅度和上升时间补偿功能的时间触发电路即ARC后，输入至FPGA中的NaI信号处理模块，实现粒子时间信息的提取；同步时钟管理模块输出高精度同步时钟信号，为HPGe信号处理模块和NaI信号处理模块提供同步参考时钟。