CN110133708A - 一种核脉冲信号的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种核脉冲信号的测量装置及测量方法，测量装置包括：积分电路(1)，用于处理核脉冲信号，并输出一电压信号，其由运算放大器和积分网络组成，积分网络由第一支路和第二支路并联组成，第一支路由第一电阻和第二电阻串联组成，第二支路由电容和第三电阻串联组成；比较器(2)，用于将电压信号与一阈值电压进行比较，并根据比较结果翻转其输出状态；三态门(3)，其输出端连接至第一电阻和第二电阻，当比较器(2)的输出状态发生翻转时，三态门(3)切换其输出端的状态；时间数字变换器(4)，用于在检测到比较器(2)的输出状态发生翻转时，输出时间戳。测量装置能够同时读出核脉冲信号的时间和能量信息，且结构简单、集成度高。

Description

一种核脉冲信号的测量装置及测量方法

技术领域

本公开涉及核信号测量领域，具体地，涉及一种核脉冲信号的测量装置及测量方法。

背景技术

核探测器接收到入射的核或粒子后，其输出脉冲信号一般包含入射粒子的能量信息、时间信息和位置信息，其中能量和时间是最基本的信息。核探测器输出的核脉冲信号一般为电流脉冲信号，若要同时测量和信号的时间和能量信息，传统方法将被测核信号分为两路，一路送给快放大电路，将快电流信号转换为快电压信号，通过某种定时机制(如前沿定时电路)给出定时信；另一路送给电荷积分电路，实现核脉冲总电荷(即核脉冲能量)到电压信号的转换，再用模拟数字变换器采样该电压信号波形，采样点的最大值就是核脉冲能量值。

随着核探测器技术的发展，一个探测器所含的通道数越来越多，如果每一个通道的测量都要分成两路，分别实现时间和能量测量的话，会使得测量电子学的规模越来越大。目前，有两种技术途径提高其电路集成度，时间读出驱动的能量测量方法或将时间读出和能量读出合二为一，但是现有技术仍面临着电路结构复杂、测量精度低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开鉴于上述问题，提供了一种核脉冲信号的测量装置及测量方法，能够同时测得核脉冲信号的时间信息和能量信息，并在不降低其测量精度的前提下，极大地简化了电路结构，以至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种核脉冲信号的测量装置，包括：积分电路，用于处理所述核脉冲信号，并输出一电压信号，所述积分电路由运算放大器和积分网络组成，所述积分网络由第一支路和第二支路并联组成，所述第一支路由第一电阻和第二电阻串联组成，所述第二支路由电容和第三电阻串联组成；比较器，用于将所述电压信号与一阈值电压进行比较，并根据比较结果翻转其输出状态；三态门，其输出端连接至所述第一电阻和第二电阻，当所述比较器的输出状态发生翻转时，所述三态门切换其输出端的状态；时间数字变换器，用于检测所述比较器的输出状态，当检测到所述比较器的输出状态发生翻转时，输出时间戳。

可选地，当所述电压信号大于所述阈值电压时，所述三态门输出端为第一状态，当所述电压信号小于所述阈值电压时，所述三态门输出端为第二状态。

可选地，所述第二状态为高阻态，当所述三态门的输出端为第一状态时，所述三态门对所述积分网络进行放电。

可选地，所述第三电阻的阻值小于第一预设值，使得所述高电平的持续时间不小于所述核脉冲信号的时间常数的3倍。

可选地，所述第三电阻的阻值大于第二预设值，并且所述第三电阻的阻值×电容的电容值≤1/5×高电平的持续时间。

可选地，所述阈值电压大于所述测量装置及核脉冲信号中的噪声电压，且小于第三预设值。

可选地，所述比较器为低压差分信号接收器。

本公开还提供了一种核脉冲信号的测量方法，包括：S1，处理所述核脉冲信号，使得该核脉冲信号对一电容进行充电，并生成一电压信号；S2，将所述电压信号与一阈值电压进行比较，当所述电压信号升高至超过所述阈值电压时，生成第一时间戳，并对所述电容进行恒流放电；S3，当所述电压信号降低至低于所述阈值电压时，生成第二时间戳，并停止所述放电；S4，根据所述第一时间戳和第二时间戳计算所述核脉冲信号的电荷量。

可选地，所述处理所述核脉冲信号包括：在所述核脉冲信号的上升部分，对所述核脉冲信号进行互阻放大；在所述核脉冲信号的衰减部分，对所述核脉冲信号进行积分。

可选地，所述阈值电压应在预设范围内，并且所述步骤S2中放电的持续时间不小于所述核脉冲信号的时间常数的3倍。

(三)有益效果

(1)通过积分电路、比较器、三态门、时间数字变换器及相应的控制逻辑电路，利用前沿定时技术检测积分电路输出的电压信号，能够同时读出核脉冲信号的时间信息和能量信息，且结构简单、集成度高；

(2)通过为积分网络中的电容串联电阻，将快电流信号转换为快电压信号，提高了测量精度，测量死时间小。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例提供的核脉冲信号测量装置的结构示意图。

图2示意性示出了本公开实施例提供的双探测器复合时间分辨率随第三电阻R₃阻值的变化曲线。

图3示意性示出了本公开实施例提供的核脉冲信号测量装置的线性度测试曲线。

图4示意性示出了本公开实施例提供的核脉冲信号测量装置测量到的²²Na放射源的伽马射线能谱。

图5示意性示出了本公开实施例提供的核脉冲信号测量方法的流程图。

附图标记说明：

1-积分电路；2比较器；3-三态门；4-时间数字变换器。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开的第一实施例提供了一种核脉冲信号的测量装置，参阅图1，结合图2-图4，对图1所示测量装置进行详细说明。

本实施例中测量装置主要包括积分电路1、比较器2、三态门3和时间数字变换器4。

积分电路1由运算放大器和积分网络组成，积分网络由两个并联支路(即第一支路和第二支路)组成，第一支路由第一电阻R₁和第二电阻R₂串联组成，第二支路由电容C和第三电阻R₃串联组成。比较器2的一输入端连接至运算放大器的输出端，比较器2的另一输入端中输入一阈值电压。三态门3的输入端连接至比较器2的输出端，三态门3输出端连接至第一电阻R₁和第二电阻R₂之间的线路。时间数字变换器4的输入端连接至比较器2的输出端。

以核脉冲信号为负脉冲电流信号为例，本公开中的积分网络连接运算放大器输出端和负向输入端，测量装置的工作原理为：积分电路1对其输入端的核脉冲信号进行积分，并输出一电压信号；比较器2将该积分电路1输出的电压信号与一个预先设置好的阈值电压V_th进行比较，当电压信号超过该阈值电压时，其输出状态翻转至高电平，一方面，时间数字变换器4检测到比较器2输出状态翻转的时刻，输出第一时间戳，该第一时间戳就是被测核脉冲信号的到达时间，另一方面，三态门3输出端从第二状态(即高阻态)转换为第一状态(即高电平状态)，假设三态门3的输出端电压为V_s，此时流过第一电阻的电流为V_s/R₁，由于V_s/R₁为恒定值，此时可将三态门看做恒流源，该恒流源对积分网络进行放电；然后，核脉冲信号对积分网络进行充电和恒流源对积分网络进行放电同时进行，由于核脉冲信号的指数衰减，因此，积分电路1输出的电压信号先上升后下降，当其输出的电压信号低于阈值电压V_th时，比较器2输出状态翻转至低电平，一方面，时间数字变换器4检测到比较器2输出状态翻转的时刻，输出第二时间戳，另一方面，三态门3的输出端从高电平状态转换为高阻态，三态门不能再被看做恒流源，即停止对电容的放电；根据第一时间戳和第二时间戳的差值即可计算得到核脉冲信号的电荷值。

具体地，本测量装置中，当三态门的输出端为高阻态时，积分网络不受三态门的影响，当三态门的输出端为高电平状态时，第一电阻和第二电阻之间的连接点的电位被钳位在三态门输出端的高电平的电压值V_s上，由于运算放大器的正向输入端接地，负向输入端是虚地，所以通过第一电阻的电流就是V_s/R₁，由于核脉冲信号流经电容的电流与经第一电阻流经电容的电流方向相反，因此，核脉冲信号对电容进行充电，三态门输出端高电平经第一电阻对电容进行恒流放电。由于核脉冲信号一般都有一个指数衰减的下降沿，即核脉冲信号要持续一段时间才结束，为了保证核脉冲信号的电荷全部积分到电容上并可被测得，通常需要保证放电时间的长度大于核脉冲信号指数衰减时间常数的3倍，通过调节第一电阻R₁的阻值可以控制恒流源放电电流，从而控制放电时间的长度，因此，第三电阻的阻值小于第一预设值，使得高电平的持续时间(即放电时间)不小于所述核脉冲信号的时间常数的3倍。

比较器输出状态由低电平翻转至高电平时，除了控制恒流源放电以外，还输出给时间数字变换器，该时间数字变换器测量比较器输出的翻转时刻，给出第一时间戳，该第一时间戳就代表着核脉冲信号的到达时刻，实现了核脉冲信号的时间读出。

本测量装置将积分电路输出端的电压信号前沿与一固定的阈值电压V_th比较以产生定时输出，该方法也称为前沿定时技术。前沿定时是最简单的定时技术，其电路简单，有利于多通道的高集成度，但是，定是信号的前沿(即本装置中积分电路输出的电压信号的上升沿)的快慢直接决定着前沿定时的定时精度。要获得高的定时精度，积分电路输出的电压信号的上升沿应越快越好，然而，传统积分电路仅将输入信号积分在电容上，使得积分输出的电压信号的上升沿变慢，此时对积分后的电压信号使用前沿定时技术很难获得高的定时精度，因此本公开对传统积分网络进行改进。

本测量装置在积分电容上串接一个电阻，在核脉冲信号输入积分电路但是积分电路输出电压信号未达到阈值电压的时间段内，输入的核脉冲信号是上升沿前部的一小部分，该部分上升沿很快，信号成分均为高频分量，此时电容容抗很小，第三电阻和电容串联支路中的总阻抗主要取决于第三电阻的阻值R₃，并且在不明显影响能量分辨率的前提下R₃的取值应尽量大，即R₃大于第二预设值，此外还应保证R₃与电容C的乘积不超过放电时间的1/5，即保证第三电阻的阻值×电容的电容值≤1/5×高电平的持续时间。对于输入核脉冲信号的高频成分，此时积分网络的总阻值相当于R₃//(R₁+R₂)，积分网络等效于一个连接运算放大器福相输入端和输出端的电阻，积分电路1实质上为互阻放大器，而互阻放大器是一个快放大电路，它将输入的核脉冲电流信号放大输出为电压信号，互阻增益为R₃//(R₁+R₂)，在选用的运算放大器的带宽满足条件的前提下，该电压信号的上升时间就等于核脉冲电流信号的上升时间，与传统积分网络相比，具有更快的上升沿，即具有更高的定时精度。此外，前沿定时的定时精度还取决于比较器2的阈值电压V_th，由于低的阈值电压可以减小信号上升沿晃动对定时精度的影响，因此，V_th越低，定时精度越高，实际应用中，应尽可能降低V_th值，使其刚刚超过测量系统(包括本测量装置以及前端探测器及前端电子学)的噪声水平即可，只要噪声不引起比较器翻转，尽量低的阈值电压有利于获得更高的定时精度，即阈值电压大于测量装置及核脉冲信号中的噪声电压，且小于第三预设值。

比较器翻转以后，随着核脉冲信号的幅度越来越大，信号中高频分量逐渐降低，低频分量逐渐增大，电容的容抗越来越大，此时，积分网络表现出积分效果。并且，在比较器翻转以后，积分网络中的第二支路(即电容与第三电阻串联的支路)同时接收充电电流与放电电流，并且放电过程会持续到核脉冲信号结束之后，积分电路输出端的电压信号经历一个继续上升然后转为下降的变化过程，当该电压信号下降到比较器的阈值电压V_th时，比较器再次翻转其输出状态，一方面控制三态门的输出状态切换为高阻态，停止对第二支路的放电，另一方面使得时间数字变换器测量放电结束的时刻，并给出放电结束的第二时间戳，根据该第一时间戳和第二时间戳之差即可计算得到该被测核脉冲信号的电荷量信息，其关系式为：

Q＝i₀ΔT+i₀R₃C (1)

其中，i₀＝V_s/R₁，ΔT为第一时间戳和第二时间戳之间的差值(即放电时间的长度)，R₃为第三电阻的阻值，C为电容的电容值，V_s为三态门高电平的电压值，R₁为第一电阻的阻值，Q为被测核脉冲信号的电荷量。

此外，本测量装置中电容所串接的第三电阻的阻值一般很小，而且比较器的阈值电压也很小，因此，放电结束后，电容上虽然还剩余些许电荷，但是剩余的电荷量很小，只是被测核脉冲信号总电荷的一小部分，其对能量测量精度的影响可以忽略不计，因此，放电时间长度与核脉冲信号的电荷量成线性正比关系。通过标定，由测得的放电时间长度即可得到核事例的电荷量(或能量值)，即实现了电荷量读出。放电结束后的一段时间以后，测量装置恢复到原初状态，等待接收下一个被测核脉冲信号。

上述实施例仅以负脉冲电流信号为例说明测量装置的结构及工作原理，可以理解的是，对于正脉冲电流信号，只需将积分网络连接运算放大器输出端和正向输入端，当积分电路输出端的电压信号高于阈值电压时，三态门输出端为第一状态，将第一状态设置为低电平状态即可，其它设置不变。此外，当核脉冲信号为电压信号时，仅需在运算放大器的核脉冲信号输入端串接一电阻，即可将该核脉冲电压信号转换为相应的核脉冲电流信号，其它设置与相应的核脉冲电流信号测量装置的设置相同。

本测量装置的比较器、三态门电路以及时间数字变换器可以均在一片FPGA芯片上设计完成，其中比较器由FPGA的低压差分信号接收器实现，三态门由FPGA的I/O管脚配置实现，时间数字变换器在FPGA内部设计实现，由此可减少片外分立器件的使用，从而进一步提高系统的集成度。

根据上述测量装置的结构，基于AD8066运算放大器搭建积分电路，第一电阻R₁和第二电阻R₂均设置为360Ω，电容C设置为200pf，比较器、三态门和时间数字变换器均在Xilinx Kintex-7FPGA(xc7k325t)上实现。FPGA的一个I/O管脚被配置为一个三态输出门，其输出高电平电压为2.5V；利用FPGA的低压差分信号接收器作为比较器，其被配置为LVDS_25标准，具有0-2.5V的输入动态范围；基于FPGA的时间数字变换器具有3.9ps的时间测量精度，3.6ns的测量死时间，测量结果可由USB2.0接口输出给计算机。在上述实验电路板上同时集成基于SiPM光电转换器件和LYSO闪烁晶体的核探测器，用已知能量的放射源照射探测器，可以测量得到探测器的能量分辨率，验证测试电路的电荷读出能力。利用一台任意信号发生器模拟产生和SiPM耦合LYSO晶体核探测器的输出信号相同形状的电流波形，输入至该测量装置，进行以下测量。

测量并观察第三电阻R₃的取值对符合时间分辨率的影响，参阅图2，随着第三电阻的取值由0增大，符合时间分辨率逐渐减小，当R₃＝80Ω时，符合时间分辨率最好，为265.15ps，当R₃＝0时，符合时间分辨率变差，为355ps。由此可知，第三电阻R₃的引入对时间性能的改善至关重要，本公开引入第三电阻可以将时间读出性能提高约90ps，体现了本测量装置及测量方法的精确性。

改变任意信号发生器模拟产生的核脉冲信号的幅度，测量每一核脉冲信号下该测量装置的放电时间长度，得到核脉冲信号幅度与放电时间长度之间的对应关系，由此可以得到二者之间的线性度，参阅图3，非线性度仅为0.14％，由此证明本测量装置能够实现约10比特的测量精度。

用²²Na放射源照射上述实验电路上的核探测器，可以测得²²Na放射源的能谱如图4所示，能量分辨率为12.15％，和用其它能量测量方法测量该类核探测器获得的能量分辨率相当，由此证明本测量装置能够获得高能量分辨率的电荷读出。

本公开的第二实施例提供了一种核脉冲信号的测量方法，参阅图5，该测量方法包括以下操作。

S1，处理核脉冲信号，使得该核脉冲信号对一电容进行充电，并生成一电压信号。

在操作S1中，处理核脉冲信号包括：在核脉冲信号的上升部分，对核脉冲信号进行互阻放大，将核脉冲信号快放大为电压信号；在核脉冲信号的衰减部分，对核脉冲信号进行积分。

S2，将电压信号与一阈值电压进行比较，当电压信号升高至超过阈值电压时，生成第一时间戳，并对电容进行恒流放电。

在操作S1中，阈值电压应在预设范围内，即阈值电压高于被测核脉冲信号所处系统中的噪声电压，并且在此基础上应尽量小。

放电的持续时间不小于核脉冲信号的衰减时间常数的3倍，由此，核脉冲信号对电容的充电和恒流源对电容的恒流放电同时进行，并且核脉冲信号结束时，仍会持续一段时间的放电，以保证核脉冲信号的电荷全部积分到电容上并可被测得。

第一时间戳为核脉冲信号的到达时刻，实现了核脉冲信号的时间读出。

S3，当电压信号降低至低于阈值电压时，生成第二时间戳，并停止放电。

当电压信号降低至低于阈值电压时，核脉冲信号已经结束，此时停止放电，放电结束后，电容上虽然还剩余些许电荷，但是剩余的电荷量很小，只是被测核脉冲信号总电荷的一小部分，其对能量测量精度的影响可以忽略不计。

S4，根据第一时间戳和第二时间戳计算核脉冲信号的电荷量。

根据该第一时间戳和第二时间戳之差即可计算得到该被测核脉冲信号的电荷量信息，其中，放电时间长度与核脉冲信号的电荷量成线性正比关系。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核脉冲信号的测量装置，包括：

积分电路(1)，用于处理所述核脉冲信号，并输出一电压信号，所述积分电路(1)由运算放大器和积分网络组成，所述积分网络由第一支路和第二支路并联组成，所述第一支路由第一电阻和第二电阻串联组成，所述第二支路由电容和第三电阻串联组成；

比较器(2)，用于将所述电压信号与一阈值电压进行比较，并根据比较结果翻转其输出状态；

三态门(3)，其输出端连接至所述第一电阻和第二电阻，当所述比较器(2)的输出状态发生翻转时，所述三态门(3)切换其输出端的状态；

时间数字变换器(4)，用于检测所述比较器(2)的输出状态，当检测到所述比较器(2)的输出状态发生翻转时，输出时间戳。

2.根据权利要求1所述的核脉冲信号的测量装置，其中，当所述电压信号大于所述阈值电压时，所述三态门(3)输出端为第一状态，当所述电压信号小于所述阈值电压时，所述三态门(3)输出端为第二状态。

3.根据权利要求2所述的核脉冲信号的测量装置，其中，所述第二状态为高阻态，当所述三态门(3)的输出端为第一状态时，所述三态门(3)对所述积分网络进行放电。

4.根据权利要求2所述的核脉冲信号的测量装置，其中，所述第三电阻的阻值小于第一预设值，使得所述高电平的持续时间不小于所述核脉冲信号的时间常数的3倍。

5.根据权利要求2所述的核脉冲信号的测量装置，其中，所述第三电阻的阻值大于第二预设值，并且所述第三电阻的阻值×电容的电容值≤1/5×高电平的持续时间。

6.根据权利要求1所述的核脉冲信号的测量装置，其中，所述阈值电压大于所述测量装置及核脉冲信号中的噪声电压，且小于第三预设值。

7.根据权利要求1所述的核脉冲信号的测量装置，其中，所述比较器(2)为低压差分信号接收器。

8.一种核脉冲信号的测量方法，包括：

S1，处理所述核脉冲信号，使得该核脉冲信号对一电容进行充电，并生成一电压信号；

S2，将所述电压信号与一阈值电压进行比较，当所述电压信号升高至超过所述阈值电压时，生成第一时间戳，并对所述电容进行恒流放电；

S3，当所述电压信号降低至低于所述阈值电压时，生成第二时间戳，并停止所述放电；

S4，根据所述第一时间戳和第二时间戳计算所述核脉冲信号的电荷量。

9.根据权利要求8所述的核脉冲信号的测量方法，其中，所述处理所述核脉冲信号包括：

在所述核脉冲信号的上升部分，对所述核脉冲信号进行互阻放大；

在所述核脉冲信号的衰减部分，对所述核脉冲信号进行积分。

10.根据权利要求8所述的核脉冲信号的测量方法，其中，所述阈值电压应在预设范围内，并且所述步骤S2中放电的持续时间不小于所述核脉冲信号的时间常数的3倍。