CN112255665B - 一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统及测量方法。闪烁体探测器输出信号经过数字化后进入FPGA芯片，在FPGA芯片内完成实现数字化测量方法。采用一个数字差分器对输入信号进行微分，采用一个矩形滤波器对输入信号进行积分。在微分信号过零点记录输入信号极大值Vmax和积分信号值P(t0)。后续记录积分信号的最大值Pmax,通过Vmax、P(t0)、Pmax之间的数学关系可以求解出闪烁体发光衰减时间τ0，最后对τ0的计算值采用直方图进行统计。直方统计图中最大值，就是τ0的相对准确值。该方法与系统可以对闪烁体发光衰减时间数字化测量，具有算法简单、系统实现简单、成本低等特点。
Description
技术领域
本发明属于核仪器仪表和核辐射探测领域，具体一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统及测量方法。
背景技术
核仪器仪表和核辐射探测领域，闪烁探测器是一种常用的辐射探测器。闪烁体发光衰减时间是闪烁体探测器的一种固有参数。在对闪烁体特征研究、温度特性研究、采用闪烁体探测器进行辐射粒子甄别系统中，都需要直接或间接需要测量闪烁体的发光衰减时间。
传统方法与系统有：采用激光激发闪烁体，用高时间分辨的条纹相机记录闪烁体的发光过程，该方法与系统要求较窄的激光脉宽，测量结果受闪烁体的尺寸影响较大。采用单光子计数法，常用超短脉冲激光或放射源激发闪烁体，通过统计大量闪烁体发光事件实现时间的不连续测量，由多道统计谱表征闪烁体发光衰减曲线。上述两种方法与系统需要的试验设备要求较高。对于一般的简单测量、实时测量等不适用。
近年来随着数字化核脉冲处理技术的发展，提出一种通过高速直接采集闪烁体输出的电流波形，通过对电流波形的精准分析计算，计算电流波形的衰减时间常数，即为探测器的发光衰减时间。该方法与系统对硬件电路要求较高，尤其是电路带宽、高速采样率(500MSa/s及以上)高速数据通讯接口。电路在高动态范围信号条件下，易发生信号振荡，导致错误的测量结果。
发明内容
为了解决上述技术问题，现提出一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统及测量方法。本专利提出的测量系统及测量方法，只需要40～100M的采样率，对探测器输出的电压信号进行采样处理。采用FPGA芯片进行数字化计算、测量。具有方法与系统简单，实现成本低等特点。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统，包括：模拟调节电路、数字差分器、矩形滤波器、过零探测器、脉冲触发器、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和计算模块；
所述模拟调节电路与所述数字差分器通讯连接，用于将闪烁体探测器的输出信号转化为双指数信号；
所述数字差分器与所述过零探测器通讯连接，用于对所述双指数信号进行微分求导，形成导数信号；
所述矩形滤波器与所述第一锁存器和所述第二锁存器通讯连接，用于对所述双指数信号进行积分，形成积分信号；
所述过零探测器与所述第二锁存器和所述第三锁存器通讯连接，用于探测所述导数信号的过零点；
所述脉冲触发器与所述第一锁存器通讯连接，用于将所述双指数信号转化为脉冲触发信号；
所述第一锁存器与所述计算模块通讯连接，用于在所述脉冲触发信号的有效时间每经过一次所述矩形滤波器的宽度时，锁存所述积分信号；
所述第二锁存器与所述计算模块通讯连接，用于在所述过零点锁存所述积分信号；
所述第三锁存器与所述计算模块通讯连接，用于在所述过零点锁存所述双指数信号；
计算模块，用于基于所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器内的锁存值，计算得到所述闪烁体的发光衰减时间。
进一步的，所述数字差分器、矩形滤波器、过零探测器、脉冲触发器、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和计算模块设置在FPGA芯片中。
进一步的，所述闪烁体发光衰减时间数字化测量系统还包括直方统计模块，所述直方统计图用于记录多组所述闪烁体的发光衰减时间的各自重复次数，并生成直方统计图。
进一步的，所述直方统计模块设置在所述FPGA芯片中。
一种闪烁体发光衰减时间数字化测量方法，包括以下步骤：
1)通过ADC，将闪烁体探测器的输出信号转化为双指数信号，记为V(t)；其中，闪烁体探测器的模拟电路的RC反馈型电荷灵敏放大器的时间常数为τRC；
2)采用数字差分器对所述V(t)进行微分求导，导数信号记为D(t)；
3)采用矩形滤波器对信号进行V(t)进行积分，积分信号记为P(t)；其中，矩形滤波器的宽度为T；
4)在导数信号D(t)的过零点t0时刻对信号V(t)和P(t)的数值进行锁存，记为Vmax和P(t0)；
5)在所述矩形滤波器的矩形末端，即T时刻，锁存P(t)的数值，记为Pmax；
6)计算Pmax和P(t0)的差值，记为Pd；计算Pd和Vmax的比值，记为R；
7)通过τ0＝R-τRC得出闪烁体发光衰减时间，闪烁体发光衰减时间为τ0。
进一步的，其特征在于：所述步骤1)-所述步骤7)均在FPGA芯片中执行。
进一步的，所述导数信号的过零点探测过程在所述FPGA芯片内的过零点探测器中执行；所述Vmax、P(t0)和Pmax的锁存过程分别在不同的锁存器中执行。
进一步的，所述闪烁体发光衰减时间数字化测量方法还包括步骤8)：
重复步骤4)-7)，得出多组τ0，将多组所述τ0中重复次数最多的数值记为闪烁体发光衰减时间的相对准确值。
进一步的，所述步骤8)在直方统计模块中执行，所述闪烁体发光衰减时间的相对准确值为所述直方统计模块统计得出的直方统计图中的峰值。
进一步的，所述直方统计模块设置在所述FPGA芯片中。
采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：
本专利提出的测量方法与系统，只需要40～100M的采样率，对探测器输出的电压信号进行采样处理。采用FPGA芯片进行数字化计算、测量。具有方法与系统简单，实现成本低等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为闪烁体发光衰减时间数字化测量系统及测量方法的实现框架图；
图2为数字化信号处理波形图；
图3为NaI(Tl)晶体发光衰减时间直方统计图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统及测量方法。
一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统，包括模拟调节电路和设置在FPGA芯片中的模拟调节电路、数字差分器f105、矩形滤波器f103、过零探测器f106、脉冲触发器f104、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器、计算模块和直方统计模块f116。
本公开实施例的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量
方法的具体过程如下：
如图1所示，闪烁体探测器f101的输出信号通过模拟调节电路处理后形成双指数信号进入FPGA芯片f118内进行数字化信号处理。
闪烁体探测器f101的输出信号为电压信号，模拟调节电路为ADC。数字脉冲波形f102对输入的双指数信号进行缓冲与同步，输出信号V(t)f107为数字化双指数信号，可以描述为式1，波形见图2的f205。本发明为了便于描述所有信号均采用连续信号表达式进行描述。
其中A是信号幅度；τRC是探头前置放大器的时间常数；τ0闪烁体发光衰减时间。
信号V(t)f107经过数字差分器f105进行数字化微分,可以得到它的导数信号D(t)f109，可以用式2描述，波形见图2中的f206。
矩形滤波器f103可以用式3进行描述。
其中：参数T表示矩形滤波器f103的宽度。
信号V(t)f107经过矩形滤波器f103进行积分成形，输出信号P(t)f108，可用式4和式5描述，波形见图2 f207。
其中“*”表示卷积操作。
过零探测器f106，可以探测信号D(t)f109的过零点。设过零点的时刻为t0，该时刻产生一个触发信号，通过第三锁存器和第二锁存器锁存信号V(t)f107、P(t)f108的值，波形图如图2中的f201、f202和f203所示。
t0时刻从信号D(t)f109可以得到式6和式7关系。
t0时刻通过锁存信号V(t)f109的值V(t0)，由于导数信号D(t0)为0，因此V(t0)是信号V(t)f109的极大值Vmaxf111。
从式7和式8可以推导出式9。
在t0时刻信号P(t)f108的值为P(t0)f110。
脉冲触发器f104，可以从输入信号V(t)(f109)，采用上升沿阈值法产生脉冲触发信号。触发信号有效T时刻后，锁存信号P(t)f108的值P(T)，由于矩形滤波器的宽度为T，因此P(T)是信号P(t)f108的最大值Pmaxf112，可用式11表示。，波形图如图2中的f204所示。
通过计算模块运行计算过程f113，设Pd为Pmaxf112、P(t0)f110的差值，可以得到式12。
通过式7和式12可以推导出：
通过计算模块运行计算过程f114，设R为Pd和Vmaxf111比值，计算式14。
通过计算模块运行计算过程f115，由式14可推导出闪烁体发光衰减时间的计算式15。
τ0＝R-τRC 15
通过计算模块运行计算过程f115的计算过程后，将计算结果进入直方统计模块f116中进行闪烁体发光衰减时间分布统计。并将直方图作为结果(f117)进行输出。
图3是一个应用测量的示例，测试对象为NaI(Tl)探测器。从图3的直方图可看出，该NaI(Tl)晶体的发光衰减时间约为260ns(常温下约为230ns，负温度相关)。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统，其特征在于，包括：模拟调节电路、数字差分器、矩形滤波器、过零探测器、脉冲触发器、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和计算模块；
所述模拟调节电路与所述数字差分器通讯连接，用于将闪烁体探测器的输出信号转化为双指数信号；
所述数字差分器与所述过零探测器通讯连接，用于对所述双指数信号进行微分求导，形成导数信号；
所述矩形滤波器与所述第一锁存器和所述第二锁存器通讯连接，用于对所述双指数信号进行积分，形成积分信号；
所述过零探测器与所述第二锁存器和所述第三锁存器通讯连接，用于探测所述导数信号的过零点；
所述脉冲触发器与所述第一锁存器通讯连接，用于将所述双指数信号转化为脉冲触发信号；
所述第一锁存器与所述计算模块通讯连接，用于在所述脉冲触发信号的有效时间每经过一次所述矩形滤波器的宽度时，锁存所述积分信号；
所述第二锁存器与所述计算模块通讯连接，用于在所述过零点锁存所述积分信号；
所述第三锁存器与所述计算模块通讯连接，用于在所述过零点锁存所述双指数信号；
计算模块，用于基于所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器内的锁存值，计算得到所述闪烁体的发光衰减时间。
2.根据权利要求1所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统，其特征在于：所述数字差分器、矩形滤波器、过零探测器、脉冲触发器、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和计算模块设置在FPGA芯片中。
3.根据权利要求2所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统，其特征在于：所述闪烁体发光衰减时间数字化测量系统还包括直方统计模块，与计算模块通讯连接，所述直方统计模块用于记录多组所述闪烁体的发光衰减时间的各自重复次数，并生成直方统计图。
4.根据权利要求3所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量系统，其特征在于：所述直方统计模块设置在所述FPGA芯片中。
5.一种应用于权利要求1所述的闪烁体发光衰减时间数字化测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过ADC，将闪烁体探测器的输出信号转化为双指数信号，记为V(t)；其中，闪烁体探测器的模拟电路的RC反馈型电荷灵敏放大器的时间常数为τRC；
2)采用数字差分器对所述V(t)进行微分求导，导数信号记为D(t)；
3)采用矩形滤波器对信号进行V(t)进行积分，积分信号记为P(t)；其中，矩形滤波器的宽度为T；
4)在导数信号D(t)的过零点t0时刻对信号V(t)和P(t)的数值进行锁存，记为Vmax和P(t0)；
5)在所述矩形滤波器的矩形末端，即T时刻，锁存P(t)的数值，记为Pmax；
6)计算Pmax和P(t0)的差值，记为Pd；计算Pd和Vmax的比值，记为R；
7)通过τ0＝R-τRC得出闪烁体发光衰减时间，闪烁体发光衰减时间为τ0。
6.根据权利要求5所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量方法，其特征在于：所述步骤1)-所述步骤7)均在FPGA芯片中执行。
7.根据权利要求6所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量方法，其特征在于：所述导数信号的过零点探测过程在所述FPGA芯片内的过零点探测器中执行；所述Vmax、P(t0)和Pmax的锁存过程分别在不同的锁存器中执行。
8.根据权利要求6所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量方法，其特征在于：所述闪烁体发光衰减时间数字化测量方法还包括步骤8)：
重复步骤4)-7)，得出多组τ0，将多组所述τ0中重复次数最多的数值记为闪烁体发光衰减时间的相对准确值。
9.根据权利要求8所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量方法，其特征在于：所述步骤8)在直方统计模块中执行，所述闪烁体发光衰减时间的相对准确值为所述直方统计模块统计得出的直方统计图中的峰值。
10.根据权利要求9所述的一种闪烁体发光衰减时间数字化测量方法，其特征在于：所述直方统计模块设置在所述FPGA芯片中。
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| GR01 | Patent grant | ||
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