CN109839656A - 一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，包括：数字反符合判别器、HPGe谱仪板卡、数据传输及控制系统、PC上位机和多路高低压电源；数字反符合判别器能够测得输入信号的时刻信息；HPGe谱仪板卡实现HPGe探测器的粒子事件信息的提取。数据传输及控制系统用于将数字反符合判别器测得的粒子时刻信息及HPGe谱仪板卡测得的粒子信息进行处理；PC上位机接收数据传输及控制系统发送的粒子事件数据包，并进行解析；多路高低压电源用于供电。本发明的优点在于：克服了仅能实现单一能谱采集的缺点；通过数字反符合判别器实现符合/反符合信号的数字方式触发，能精确设置符合测量时间，能实现复杂核辐射测量；完整还原反符合测量过程。

Description

一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统

技术领域

本发明涉及α粒子测量技术领域，特别涉及一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统。

背景技术

目前α谱仪已广泛应用于辐射防护、国防军事、商品检测、食品卫生、农业科学、地质勘探等领域，因此如何高效准确的对α粒子进行测量成为当前研究的热点。由于有些放射性核素在发生α衰变的同时会伴随放出γ射线，而有些放射性核素则不会伴随放出γ射线，若这两种α衰变产生的α粒子能量接近时，单纯测量α粒子能量无法有效甄别不同的放射性核素，因此可通过同步测量α衰变释放出的γ射线及其能谱，则可以精确的测定出两种放射性核素，且能够获得放射性核素的衰变纲图。

自20世纪50年代以来，核辐射探测器取得快速发展，其中高纯度的锗单晶制备工艺和大体积的碘化钠(NaI)等闪烁体的制备工艺得到大幅提升，因此基于上述高纯锗(HPGe)探测器和碘化钠(NaI)探测器的反符合测量系统被应用于核物理、核工程以及环境监测等领域。

现阶段，随着高速数字时钟芯片、高速模数转换芯片以及高性能的现场可编程逻辑门阵列等技术取得飞速发展，基于上述技术的数字化α反符合测量系统的实现得到了保障。

传统基于硬件反符合测量的谱仪系统，仅能实现符合/反符合门控信号触发，实现单一能谱采集，无法准确获知每次符合事件的发生时间，无法完整记录符合事件发生过程，无法实现符合时间定位，无法完整还原α粒子原始能谱及反符合能谱，无法实现离线条件多模式重现的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，包括：数字反符合判别器、HPGe谱仪板卡、数据传输及控制系统、PC上位机和多路高低压电源；HPGe谱仪系统支持反符合\符合探测器信号输入与HPGe探测器信号输入。

所述数字反符合判别器能够测得符合探测器输入信号的时刻信息，是实现反符合测量的关键电路；

所述HPGe谱仪板卡实现HPGe探测器的粒子事件信息的提取。

所述数据传输及控制系统用于将数字反符合判别器测得的粒子时刻信息及HPGe谱仪板卡测得的粒子信息进行处理；

所述PC上位机能够接收数据传输及控制系统发送的粒子事件数据包，并对该数据包进行解析，在上位机中通过数字算法实现α反符合测量功能；上位机还能够完整收录α粒子的事件信息，在离线条件下调用测量数据，对测量过程进行重现；还能够根据不同测量要求自定义符合测量判断条件，实现最优测量效果。

所述多路高低压电源用于给数字反符合判别器和数据传输及控制系统供电。

进一步地，数字反符合判别器包括：数字式时间数字转换(TDC)模块和多路时钟同步器，数字式时间数字转换模块还包括数字式恒比定时器(以下简称DCFD)，数字反符合判别器基于现场可编程门阵列(以下简称为FPGA)设计时间戳和DCFD实现低抖动的时间信号触发，完成α粒子符合事件甄别。

数字反符合判别器共有7路DCFD，DCFD包括：数字延时器、数字衰减器和数字比较器；DCFD每一路的实现是符合探测器输入信号分别经过数字延时器和数字衰减器后，经数字比较器输出有效触发信号。

数字反符合判别器还包括锁相环(以下简称PLL)、时间戳、时间信息获取模块组成，其中时间戳以多路时钟同步器提供的高精度时间同步基准信号为参考时钟，在FPGA内部通过PLL进行时钟倍频，并基于高速加法器实现时间值计数，完成时间戳功能；当某时刻符合探测器产生有效触发信号时，时间信息获取模块能够获取当前时刻的时间戳值。

进一步地，HPGe谱仪板卡包括：高速ADC采样单元、FPGA逻辑单元、时间信息提取模块、能量信息提取模块和位置信息提取模块；HPGe主探测器输出信号经高速ADC后输入给FPGA逻辑单元，经ADC数据拼接后分别经经时间信息提取模块、能量信息提取模块、位置信息提取模块实现粒子事件信息提取和存储，最终输出完整的HPGe探测器粒子事件信息；

HPGe谱仪板卡提取过程如下：

1.粒子位置信息提取

粒子入射探测器产生信号，该信号输入至FPGA固定的IO口，通过对FPGA中IO口的识别，即可对探测器进行识别，从而实现粒子位置信息提取。

2.粒子时间信息提取

为了快速准确的测量粒子发生时间，在FPGA内部设计时间信息提取模块，其主要由PLL、时间戳、粒子时间信息获取单元组成，其中时间戳以外部时钟分配器提供的50MHz高精度时间同步基准信号为参考时钟，在FPGA内部通过PLL进行时钟倍频，并基于高速加法器实现时间值计数，高速加法器是在FPGA中通过编程实现的，是粒子时间信息获取单元的一部分。

完成时间戳功能：当HPGe探测器输出有效信号时，快通道能够产生有效触发信号，该触发信号能够使时间信息获取模块触发，获取当前时刻的时间戳值，从而获取粒子时间信息。

进一步地，HPGe谱仪板卡的前端模拟电路包括：程控衰减及保护电路、程控极零补偿电路、程控极性转换电路、线性脉冲放大电路、程控直流偏移电路、单端转差分电路、ADC转换电路，其中ADC电路选用16位、80MSPS采样率芯片，实现高分辨率信号采集；幅值提取采用尖顶成形算法和对称零面积梯形成形算法，实现对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，应用于慢通道完成幅度提取，对称零面积梯形成形应用于快通道完成脉冲触发和堆积判别。

进一步地，上位机工作过程如下：

①α粒子反符合测量

上位机首先根据粒子数据包中的时间信息进行符合事件判断，并精确设置符合测量时间，如果在同一时间戳内，HPGe探测器与符合探测器同时有触发信号产生时，即可判断该时刻对应有α粒子符合事件发生；上位机再通过对该时刻HPGe谱仪的粒子数据中的能量信息进行解析，即可判断出放射性核素在发生α衰变的同时伴随放出γ射线的特征，进而识别出α粒子类型。

②离线测量过程重现

上位机能够完整收录α粒子的事件信息，因此可在离线条件下调用测量数据，对测量过程进行重现；与此同时，可根据不同测量要求自定义符合测量判断条件，实现最优测量效果。

与现有技术相比本发明的优点在于：解决了传统基于硬件反符合测量的谱仪系统，仅能实现符合/反符合门控信号触发，实现单一能谱采集，无法准确获知每次符合事件的发生时间，无法完整记录符合事件发生过程，无法实现符合时间定位，无法完整还原α粒子原始能谱及反符合能谱，无法实现离线条件多模式重现的问题。

设计基于粒子事件读出方式的HPGe谱仪，实现α入射粒子能量、时间、位置等信息的同步测量，克服了传统谱仪系统仅能实现单一能谱采集的缺点；

设计基于时间戳的数字反符合判别器，在上位机中实现延迟时间和符合时间定位，克服了传统硬件反符合系统只能实现符合/反符合门控信号触发，无法精确设置符合测量时间，无法实现复杂核辐射测量的缺点；

设计基于粒子事件测量的α反符合测量上位机软件，实现α粒子事件信息完整收录和测量，实现基于数据库的α粒子事件任意时刻回调及自定义条件测量，克服了传统的测量系统无法完整还原反符合测量过程，无法还原原始能谱及反符合能谱，无法实现离线条件下自定义复杂逻辑组合运算功能。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明数字式恒比定时器(DCFD)实现框图；

图3是本发明数字式恒比定时器有效信号触发示意图；

图4是本发明HPGe谱仪板卡系统框图；

图5是本发明基于FPGA的时间信息提取算法示意图；

图6是本发明HPGe谱仪板卡前端模拟电路的结构示意图；

图7是本发明尖顶成形算法递推迭代原理图；

图8是本发明对称零面积梯形成形算法递推迭代原理图；

图9是本发明数据传输及控制系统框图；

图10是本发明α粒子反符合测量示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，其可支持7路反符合\符合探测器信号输入与1路HPGe探测器信号输入，该系统内部包括：7路数字式时间数字转换(TDC)测量模块、单路高分辨率HPGe谱仪板卡、多路时钟同步器、多路粒子数据传输控制器、主控及以太网通信器、多路高低压电源以及PC上位机。现对该系统各主要功能模块的设计进行说明。

(1)数字反符合判别器

数字反符合判别器能够测得符合探测器输出信号的时刻信息，是实现反符合测量的关键电路。本系统基于FPGA设计时间戳和数字式恒比定时器(DCFD)实现低抖动的时间信号触发，完成α粒子符合事件甄别。该系统共有7路DCFD，每一路的实现原理如图2所示：符合探测器输入信号分别数字经延时器和数字衰减器后，经数字比较器输出有效触发信号，其信号触发过程如图3所示。

本系统在FPGA内部设计数字反符合判别器，其主要由锁相环(PLL)、时间戳、时间信息获取模块组成，其中时间戳以多路时钟同步器提供的高精度时间同步基准信号为参考时钟，在FPGA内部通过PLL进行时钟倍频，并基于高速加法器实现时间值计数，完成时间戳功能；当某时刻符合探测器产生有效触发信号时，时间信息获取模块能够获取当前时刻的时间戳值。

(2)HPGe谱仪板卡

本系统设计了高分辨率HPGe谱仪板卡，实现HPGe探测器的粒子事件信息的提取。上述谱仪板卡的核心部件包括高速ADC采样单元、FPGA逻辑单元，其总体设计如图4所示：HPGe主探测器输出信号经高速ADC后输入给FPGA逻辑单元，经ADC数据拼接后分别经经时间信息提取模块、能量信息提取模块、位置信息提取模块实现粒子事件信息提取和存储，最终输出完整的HPGe探测器粒子事件信息，现对该提取过程进行说明。

①粒子位置信息提取

粒子入射探测器产生信号，该信号输入至FPGA固定的IO口，通过对FPGA中IO口的识别，即可对探测器进行识别，从而实现粒子位置信息提取。

②粒子时间信息提取

为了快速准确的测量粒子发生时间，本设计在FPGA内部设计时间分析器，该分析器主要由PLL、时间戳、粒子时间信息获取单元组成，其中时间戳以外部时钟分配器提供的50MHz高精度时间同步基准信号为参考时钟，在FPGA内部通过PLL进行时钟倍频，并基于高速加法器实现时间值计数，完成时间戳功能：当某时刻HPGe探测器输出有效信号时，快通道能够产生有效触发信号，该触发信号能够使时间信息获取模块快速触发，获取当前时刻的时间戳值，从而获取粒子时间信息。上述时间信息获取的时序如图5所示：

③粒子能量信息提取

由于HPGe探测器的能量响应范围广，其输出信号的幅度波动范围也较大，因此为了精准的测量粒子的能量，本系统从模拟电路及幅值提取算法两方面进行设计。其中模拟电路设计框图如图6所示，包括程控衰减及保护电路、程控极零补偿电路、程控极性转换电路、线性脉冲放大电路、程控直流偏移电路、单端转差分电路、ADC转换电路，其中ADC电路选用16位、80MSPS采样率芯片，实现高分辨率信号采集；幅值提取采用尖顶成形算法和对称零面积梯形成形算法，实现对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，应用于慢通道完成幅度提取，对称零面积梯形成形应用于快通道完成脉冲触发和堆积判别，上述算法递推迭代原理如图7、图8所示；

(3)数据传输及控制系统

数据传输及控制系统用于将数字反符合判别器测得的粒子时刻信息及HPGe谱仪板卡测得的粒子信息进行处理，其系统设计如图9所示：该系统以FPGA为核心，能够对7路符合探测器粒子时刻信息和单路HPGe探测器粒子信息完成数据接收及存储，同时将对上述信息按照固定数据包格式进行转存，最终通过高速数据传输模块与上位机实现通信。

(4)上位机

①α粒子反符合测量

上位机可以接收数据传输及控制系统发送的粒子事件数据包，并对该数据包进行解析，在上位机中通过数字算法实现α反符合测量功能。其测量过程如图10所示：上位机首先根据粒子数据包中的时间信息进行符合事件判断，并精确设置符合测量时间，如果在同一时间戳内，HPGe探测器与符合探测器同时有触发信号产生时，即可判断该时刻对应有α粒子符合事件发生；上位机再通过对该时刻HPGe谱仪的粒子数据中的能量信息进行解析，即可判断出放射性核素在发生α衰变的同时伴随放出γ射线的特征，进而识别出α粒子类型。

②离线测量过程重现

上位机能够完整收录α粒子的事件信息，因此可在离线条件下调用测量数据，对测量过程进行重现；与此同时，可根据不同测量要求自定义符合测量判断条件，实现最优测量效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，其特征在于，包括：数字反符合判别器、HPGe谱仪板卡、数据传输及控制系统、PC上位机和多路高低压电源；HPGe谱仪系统支持反符合\符合探测器信号输入与HPGe探测器信号输入；

所述数字反符合判别器能够测得符合探测器输入信号的时刻信息，是实现反符合测量的关键电路；

所述HPGe谱仪板卡实现HPGe探测器的粒子事件信息的提取；

所述数据传输及控制系统用于将数字反符合判别器测得的粒子时刻信息及HPGe谱仪板卡测得的粒子信息进行处理；

所述PC上位机能够接收数据传输及控制系统发送的粒子事件数据包，并对该数据包进行解析，在上位机中通过数字算法实现α反符合测量功能；上位机还能够完整收录α粒子的事件信息，在离线条件下调用测量数据，对测量过程进行重现；还能够根据不同测量要求自定义符合测量判断条件，实现最优测量效果；

所述多路高低压电源用于给数字反符合判别器和数据传输及控制系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，其特征在于：数字反符合判别器包括：数字式时间数字转换(TDC)模块和多路时钟同步器，数字式时间数字转换模块还包括数字式恒比定时器(以下简称DCFD)，数字反符合判别器基于现场可编程门阵列(以下简称为FPGA)设计时间戳和DCFD实现低抖动的时间信号触发，完成α粒子符合事件甄别；

数字反符合判别器共有7路DCFD，DCFD包括：数字延时器、数字衰减器和数字比较器；DCFD每一路的实现是符合探测器输入信号分别经过数字延时器和数字衰减器后，经数字比较器输出有效触发信号；

数字反符合判别器还包括锁相环(以下简称PLL)、时间戳、时间信息获取模块组成，其中时间戳以多路时钟同步器提供的高精度时间同步基准信号为参考时钟，在FPGA内部通过PLL进行时钟倍频，并基于高速加法器实现时间值计数，完成时间戳功能；当某时刻符合探测器产生有效触发信号时，时间信息获取模块能够获取当前时刻的时间戳值。

3.根据权利要求2所述的一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，其特征在于：HPGe谱仪板卡包括：高速ADC采样单元、FPGA逻辑单元、时间信息提取模块、能量信息提取模块和位置信息提取模块；HPGe主探测器输出信号经高速ADC后输入给FPGA逻辑单元，经ADC数据拼接后分别经经时间信息提取模块、能量信息提取模块、位置信息提取模块实现粒子事件信息提取和存储，最终输出完整的HPGe探测器粒子事件信息；

HPGe谱仪板卡提取过程如下：

1.粒子位置信息提取

粒子入射探测器产生信号，该信号输入至FPGA固定的IO口，通过对FPGA中IO口的识别，即可对探测器进行识别，从而实现粒子位置信息提取；

2.粒子时间信息提取

为了快速准确的测量粒子发生时间，在FPGA内部设计时间信息提取模块，其主要由PLL、时间戳、粒子时间信息获取单元组成，其中时间戳以外部时钟分配器提供的50MHz高精度时间同步基准信号为参考时钟，在FPGA内部通过PLL进行时钟倍频，并基于高速加法器实现时间值计数，高速加法器是在FPGA中通过编程实现的，是粒子时间信息获取单元的一部分；

完成时间戳功能：当HPGe探测器输出有效信号时，快通道能够产生有效触发信号，该触发信号能够使时间信息获取模块触发，获取当前时刻的时间戳值，从而获取粒子时间信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，其特征在于：HPGe谱仪板卡的前端模拟电路包括：程控衰减及保护电路、程控极零补偿电路、程控极性转换电路、线性脉冲放大电路、程控直流偏移电路、单端转差分电路、ADC转换电路，其中ADC电路选用16位、80MSPS采样率芯片，实现高分辨率信号采集；幅值提取采用尖顶成形算法和对称零面积梯形成形算法，实现对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，应用于慢通道完成幅度提取，对称零面积梯形成形应用于快通道完成脉冲触发和堆积判别。

5.根据权利要求4所述的一种基于α粒子事件读出的数字反符合HPGe谱仪系统，其特征在于：上位机工作过程如下：

①α粒子反符合测量

上位机首先根据粒子数据包中的时间信息进行符合事件判断，并精确设置符合测量时间，如果在同一时间戳内，HPGe探测器与符合探测器同时有触发信号产生时，即可判断该时刻对应有α粒子符合事件发生；上位机再通过对该时刻HPGe谱仪的粒子数据中的能量信息进行解析，即可判断出放射性核素在发生α衰变的同时伴随放出γ射线的特征，进而识别出α粒子类型；

②离线测量过程重现

上位机能够完整收录α粒子的事件信息，因此可在离线条件下调用测量数据，对测量过程进行重现；与此同时，可根据不同测量要求自定义符合测量判断条件，实现最优测量效果。