CN114047537B - 基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法，利用前端读出专用集成芯片的多通道技术，结合成形时间和阈值电压程序可控设计，建立四通道专用测试平台系统，每通道包括电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器、缓存器、DAC、IIC和移位寄存器数字控制电路；灵活匹配Si‑PIN、PIPS、CdZnTe、正比计数器等核辐射探测器，实现多种探测器和多种射线的剂量和能谱方面的多模式核辐射测量，如匹配Si‑PIN探测器可进行X/γ、β、n个人剂量测量，匹配PIPS探测器可进行X、β符合测量以及利用CdZnTe探测器和正比计数器可进行能谱分析测量、空气比释动能和周围剂量当量测量，且测量精度高，可靠性强，设备集成度高，体积空间小，便于测量仪器小型化。
Description
技术领域
本发明涉及电离辐射测试技术领域，具体为一种基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法。
背景技术
核辐射测量主要由射线探测器、前端模拟信号放大电路和后端核信号采集与数据分析系统组成。针对微弱核信号，前端模拟信号放大单元主要包括电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、缓存器等电路。常规前端模拟放大器电路主要由分列电子元器件组成，存在仪器设备体积空间大、可靠性差、性能一般以及集成度低等问题，不便于测量仪器小型化设计。通过前端读出专用集成芯片代替分列电子元器件前端电路可解决上述问题。同时，利用前端读出专用集成芯片的多通道设计技术以及成形时间等技术参数程序可控，灵活匹配Si-PIN、PIPS、CdZnTe、正比计数器等核辐射探测器，建立前端读出芯片的测试平台系统可进行多种探测器和多种射线的剂量和能谱方面的多模式核辐射测量。
本发明为四川省科技计划项目(重点研发项目)资金资助(项目名称：超低本底辐射环境下γ射线空气比释动能量值复现与传递，项目编号：2020YFG0019)。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法，利用前端读出专用集成芯片的多通道设计技术，并结合成形时间和阈值电压程序可控设计，灵活匹配Si-PIN、PIPS、CdZnTe、正比计数器等核辐射探测器，可实现多种探测器和多种射线的剂量和能谱方面的多模式核辐射测量。技术方案如下：
一种基于前端读出芯片的测试平台系统，包括模数混合前端读出专用集成芯片、数字通信控制模块，以及计数器或多道分析器；
所述模数混合前端读出专用集成芯片包括四个集成的通道，每通道包括电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器、缓存器、DAC、IIC和移位寄存器数字控制电路；
外部模拟信号进入电荷灵敏放大器完成电荷信号的放大处理，然后通过极零相消电路消除电荷灵敏放大器的拖尾信号，再通过有源滤波器完成信号的滤波成形处理来提高信噪比，接着通过反向放大器完成信号的极性转换，缓存器用于信号传输与隔离外部信号干扰，缓存器一路信号输出用于多道能谱分析，另外一路进入甑别器；甑别器输出的方波信号用于脉冲计数，甑别器阈值电压通过DAC进行调节；电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器节点信号向外部输出；MCU通过与IIC和移位寄存器电路数字通信完成有源滤波器、DAC参数的数字控制；
所述模数混合前端读出专用集成芯片上设有4个探测器接口、1个信号发生器模拟信号输入接口、1个输出信号接口和4个核信号输出接口；
所述探测器接口接入核辐射探测器包括Si-PIN、PIPS、CdZnTe和正比计数器；所述信号发生器模拟信号输入接口接入模拟测试信号源对模数混合前端读出专用集成芯片进行模拟信号测试和等效噪声电荷ENC参数测量；所述输出信号接口用于选择对应其中1个通道的电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器其中1个节点信号进行输出；所述核信号输出接口输出四通道最后一级模拟信号或阈值比较器输出信号；
所述数字通信控制模块通过采用IIC和移位寄存器控制协议完成与MCU之间的数字通信，进行成形时间和阈值电压参数设置；
当进行计数测量时，四通道的输出端接入计数器；当进行能谱测量时，四通道的输出端接入多道分析器。
进一步的，所述外部电源转换模块采用+3.7V电池供电，集成于所述测试平台系统内，其一路电源经过两个LDO降压芯片转换为两路+1.65V，分别用于模数混合前端读出专用集成芯片的模拟和数字+1.65V电路供电；另外一路经过两个电荷泵芯片转换为两路-3.7V，然后两路负电压电路后面再各接入1个负输入的LDO降压芯片转换为-1.65V电源，供模数混合前端读出专用集成芯片模拟和数字-1.65V电路供电；同时，模数混合前端读出专用集成芯片数字±1.65V电源也为电平转换电路供电；电池电压还通过一路LDO芯片降压至+3.3V，供MCU和电平转换电路；电平转换电路用于MCU引脚0和+3.3V电平转换为-1.65V和+1.65V电平。
更进一步的，还包括偏置电压模块，所述偏置电压模块用于+50V以下辐射探测器的偏置电路，通过采用低输出噪声升压芯片完成；所述模数混合前端读出专用集成芯片还设有高压接口，所述高压接口在探测器需要超出+50V偏置电压时接入外部高压电源。
一种多模式辐射测量方法，包括多种探测器和多种射线的剂量和能谱测量通道数根据探测器使用个数进行选择；当采用核辐射探测器进行高分辨率能谱或超低噪声测量时，模数混合前端读出专用集成芯片配置为最优成形时间，PIPS、CdZnTe、正比计数器用于能谱测量，核信号输出接口后端接入多道分析器进行能谱采集；当采用核辐射探测器用于高剂量率测量时，前端读出专用集成芯片配置成形时间0.25μs，核信号输出接口后端接入计数器进行脉冲计数测量；具体如下：
(a)进行X/γ、β和n射线宽能量范围和宽剂量率个人剂量当量测量
通过测试平台系统四个通道匹配四个Si-PIN探测器，每通道核信号后端均接入计数器进行脉冲计数测量；其中，两个Si-PIN探测器前端采用不同厚度Cu、Pb金属过滤材料，分别负责低能射线和高能射线探测，通过第三个Si-PIN探测器进行β射线测量，通过第4个Si-PIN探测器进行n射线测量；
X/γ个人剂量当量DX/γ测量采用式(1)实现，X/γ个人剂量当量测量通过低能和高能射线探测器后端计数器读数M1、M2与Cs-137条件下的校准因子和/>相乘加权求得：
β射线个人剂量当量Dβ测量采用公式(2)实现，Dβ通过计数器M3读数与Sr-90条件下的校准因子相乘求得：
n个人剂量当量Dn测量采用式(3)实现，Dn测量通过计数器M4读数与Am-Be中子源条件下的校准因子相乘求得：
(b)进行Sr-90、Kr-85、Pm-147核素β射线能谱测量
测试平台系统采用两个通道匹配两个PIPS探测器垂直堆叠进行X/γ和β射线能谱测量，每通道核信号输出接口后端均接入多道分析器；通过能谱数据分析处理完成X/γ射线和β射线分辨以及β射线能谱测量；
(c)利用CdZnTe探测器和正比计数器进行X/γ能谱测量
测试平台系统每通道核信号输出接口后端接入多道分析器进行能谱分析测试；CdZnTe探测器和正比计数器偏置电压通过高压接口接入；每通道核信号后端接入多道分析器进行核素识别、元素含量解析以及X射线注量测量的能谱分析处理；同时，利用能谱数据ME采用G(E)函数方法进行探测器能量响应修正，用于X/γ射线空气比释动能和周围剂量当量的测量：
DX/γ＝∑ME*G(E) (4)。
本发明的有益效果是：本发明的测试平台系统可应用于Si-PIN探测器X/γ、β和n射线的个人剂量当量测量、PIPS探测器的X/γ和β射线符合测量、CdZnTe和正比计数器型探测器的核素识别、元素含量、X射线注量以及空气比释动能和周围剂量当量的测量，实现多种探测器和多种射线的剂量和能谱方面的多模式辐射测量；且测量精度高，可靠性强，设备集成度高，体积空间小，便于测量仪器小型化。
附图说明
图1为本发明基于前端读出芯片的测试平台系统的结构示意图。
图2本发明模数混合前端读出专用集成芯片单通道原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明基于前端读出芯片的测试平台系统的结构示意图如图1所示。
首先，基于模数混合前端读出专用集成芯片(ASIC)，建立四通道专用测试平台系统。模数混合前端读出专用集成芯片(ASIC)每通道包含电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器、缓存器、DAC等电路，可进行成形时间(0.25μs～1μs)和阈值电压技术参数程序控制设置。参数设置采用公用IIC和移位寄存器数字控制电路实现，只需改变特定位置寄存器值即可完成技术参数配置，IIC和移位寄存器数字通信控制采用微控制器MCU实现。
模数混合前端读出专用集成芯片单通道原理图如图2所示，外部模拟信号经过IN0引脚进入电荷灵敏放大器完成电荷信号的放大处理，极零相消电路消除电荷灵敏放大器的拖尾信号，有源滤波器完成信号的滤波成形处理来提高信噪比，反向放大器完成信号的极性转换，缓存器有利于信号传输与隔离外部信号干扰，缓存器1路信号通过Out1引脚输出用于多道能谱分析，另外一路进入甑别器。甑别器输出的方波信号可用于脉冲计数，甑别器阈值电压可通过DAC进行调节。电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器节点信号可外部输出。MCU可通过与IIC和移位寄存器电路数字通信完成有源滤波器、DAC参数的数字控制。
针对四通道专用测试平台系统，建立前端读出专用集成芯片外部电源转换、偏置电压、数字通信控制和外围模拟辅助电路。
外部电源转换采用+3.7V电池供电，集成于专用测试平台系统。其中一路电源经过两个LDO降压芯片转换为两路+1.65V，分别用于前端读出专用集成芯片模拟和数字+1.65V电路供电；另外一路经过两个电荷泵芯片进行正负电压转换，然后两路负电压电路后面再各接入1个负输入的LDO降压芯片转换为-1.65V电源，供前端读出专用集成芯片模拟和数字-1.65V电路供电。同时，前端读出专用集成芯片数字±1.65V电源也为电平转换电路供电。电池电压通过一路LDO芯片降压至+3.3V，供MCU和电平转换电路。电平转换电路用于MCU引脚0和+3.3V电平转换为-1.65V和+1.65V电平。偏置电压主要用于+50V以下辐射探测器的偏置电路，偏置电压通过采用低输出噪声升压芯片完成，升压芯片输入电源为电池。
外围模拟辅助电路主要包括探测器AC耦合电容，模拟输入信号AC耦合电容，探测器偏置电阻以及电源转换信号滤波电容。当连接探测器时，探测器一端接探测器偏置电阻，一端接地。探测器与探测器偏置电阻相连处，微弱核信号再通过探测器AC耦合电容进入前端读出专用集成芯片信号输入引脚。电源转换信号滤波电容主要用于电源转换电路±1.65V，+3.3V电压的低噪声滤波。
四通道专用测试平台系统采用金属Al壳进行屏蔽，金属壳外壳上留有四个探测器接口、1个信号发生器模拟信号输入接口、1个输出信号接口可选择对应其中1个通道的电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器其中1个节点信号进行输出、1个高压信号输入接口、4个核信号输出接口(可以输出四通道最后一级模拟信号或阈值比较器输出信号)。探测器接口可接入Si-PIN、PIPS、CdZnTe、正比计数器等核辐射探测器。当探测器需要0～+50V以下偏置电压时采用测试平台系统内部偏置电路，当超出此范围则采用外部高压电源通过外部高压输入接口接入。
模拟测试信号源与接口采用信号发生器对ASIC芯片进行模拟信号测试，可进行等效噪声电荷ENC等参数测量。
计数器或MCA根据测量任务需要，当进行计数测量时，接入计数器，当进行能谱测量时，接入多道分析器(MCA)。多种探测器和多种射线的剂量和能谱方面的多模式辐射测量根据计数器或MCA输出数据进行数据处理。
当进行X/γ、β和n射线宽能量范围和宽剂量率个人剂量当量测量时，通过测试平台系统四个通道匹配四个Si-PIN探测器可完成多种射线的个人剂量当量加权测量。其中，两个Si-PIN探测器前端采用不同厚度Cu、Pb金属过滤材料，一个负责低能射线测量，一个负责高能射线探测。采用第三个Si-PIN探测器进行β射线测量，β射线Si-PIN探测器前端采用无窗结构避免对β射线的衰减。采用第4个Si-PIN探测器进行n射线测量，n射线Si-PIN探测器前端采用聚乙烯材料利用核反冲法进行n射线间接探测。阈值电压通过MCU进行控制，偏置电压设置为+25V，成形时间选择为0.25μs，脉冲方波信号通过其中4个核信号接口输出，核信号输出接口后端接入4路计数器。
X/γ个人剂量当量测量采用公式1实现，X/γ个人剂量当量测量通过低能和高能射线探测器后端计数器读数M1、M2与Cs-137条件下的校准因子和/>相乘加权求得。
β射线个人剂量当量测量采用公式2实现，Dβ通过计数器M3读数与Sr-90条件下的校准因了相乘求得。
n个人剂量当量测量采用公式3实现，Dn测量通过计数器M4读数与Am-Be中子源条件下的校准因子相乘求得。
当进行Sr-90、Kr-85、Pm-147核素β射线能谱测量时，须通过符合测量方法去除X/γ射线的影响。通过测试平台系统采用两个通道匹配两个PIPS探测器垂直堆叠进行X/γ和β射线能谱测量，每通道核信号输出接口后端均接入多道分析器。脉冲成形时间设置为0.75μs，偏置电压通过高压与接口部分接入外部+80V电源。通过能谱数据分析处理即可完成X/γ射线和β射线分辨以及β射线能谱测量。PIPS垂直堆叠上方探测器既能测量X/γ射线也能测量β射线，PIPS垂直堆叠下方PIPS探测器只能测量X/γ射线，采用符合测量方法，如果两个探测器同时都有核脉冲信号输出，则两个探测器采集的是X/γ射线，如果只有上方探测器有核脉冲信号输出则是β射线。对上方PIPS探测器的能谱数据去除与下方PIPS探测器能谱数据中的符合事件即可求出β射线能谱，完成X/γ和β射线分辨。
当利用CdZnTe探测器和正比计数器进行X/γ能谱测量时，每通道核信号输出接口后端接入多道分析器可进行能谱分析测试。当使用CdZnTe探测器时，脉冲成形时间设置为1.0μs，CdZnTe探测器偏置电压通过高压与接口部分接入外部+800V电源。当使用正比计数器探测器时，脉冲成形时间设置为1.0μs，正比计数器偏置电压通过高压与接口部分接入外部+1950V电源。能谱数据可进行核素识别、元素含量解析以及X射线注量测量等工作。同时还可以利用能谱数据ME采用G(E)函数方法进行探测器能量响应修正，用于X/γ射线空气比释动能和周围剂量当量的准确测量。
DX/γ＝∑ME*G(E) (4)
上述测试平台系统可应用于Si-PIN探测器X/γ、β和n射线的个人剂量当量测量、PIPS探测器的X/γ和β射线符合测量、CdZnTe和正比计数器型探测器的核素识别、元素含量、X射线注量以及空气比释动能和周围剂量当量的测量，实现多种探测器和多种射线的剂量和能谱方面的多模式辐射测量。
Claims (2)
1.一种基于前端读出芯片的测试平台系统，其特征在于，包括模数混合前端读出专用集成芯片、数字通信控制模块，以及计数器或多道分析器；
所述模数混合前端读出专用集成芯片包括四个集成的通道，每通道包括电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器、缓存器、DAC、IIC和移位寄存器数字控制电路；外部模拟信号进入电荷灵敏放大器完成电荷信号的放大处理，然后通过极零相消电路消除电荷灵敏放大器的拖尾信号，再通过有源滤波器完成信号的滤波成形处理来提高信噪比，接着通过反向放大器完成信号的极性转换，缓存器用于信号传输与隔离外部信号干扰，缓存器一路信号输出用于多道能谱分析，另外一路进入甑别器；甑别器输出的方波信号用于脉冲计数，甑别器阈值电压通过DAC进行调节；电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器节点信号向外部输出；MCU通过与IIC和移位寄存器电路数字通信完成有源滤波器、DAC参数的数字控制；
所述模数混合前端读出专用集成芯片上设有4个探测器接口、1个信号发生器模拟信号输入接口、1个输出信号接口和4个核信号输出接口；
所述探测器接口接入核辐射探测器包括Si-PIN、PIPS、CdZnTe和正比计数器；所述信号发生器模拟信号输入接口接入模拟测试信号源对模数混合前端读出专用集成芯片进行模拟信号测试和等效噪声电荷ENC参数测量；所述输出信号接口用于选择对应其中1个通道的电荷灵敏放大器、极零相消、有源滤波器、反向放大器其中1个节点信号进行输出；
所述核信号输出接口输出四通道最后一级模拟信号或阈值比较器输出信号；
所述数字通信控制模块通过采用IIC和移位寄存器控制协议完成与MCU之间的数字通信，进行成形时间和阈值电压参数设置；
当进行计数测量时，四通道的输出端接入计数器；当进行能谱测量时，四通道的输出端接入多道分析器；
还包括外部电源转换模块，所述外部电源转换模块采用+3.7V电池供电，集成于所述测试平台系统内，其一路电源经过两个LDO降压芯片转换为两路+1.65V，分别用于模数混合前端读出专用集成芯片的模拟和数字+1.65V电路供电；另外一路经过两个电荷泵芯片转换为两路-3.7V，然后两路负电压电路后面再各接入1个负输入的LDO降压芯片转换为-1.65V电源，供模数混合前端读出专用集成芯片模拟和数字-1.65V电路供电；同时，模数混合前端读出专用集成芯片数字±1.65V电源也为电平转换电路供电；电池电压还通过一路LDO芯片降压至+3.3V，供MCU和电平转换电路；电平转换电路用于MCU引脚0和+3.3V电平转换为-1.65V和+1.65V电平；
还包括偏置电压模块，所述偏置电压模块用于+50V以下辐射探测器的偏置电路，通过采用低输出噪声升压芯片完成；所述模数混合前端读出专用集成芯片还设有高压接口，所述高压接口在探测器需要超出+50V偏置电压时接入外部高压电源。
2.一种基于权利要求1所述的基于前端读出芯片的测试平台系统的多模式辐射测量方法，其特征在于，包括多种探测器和多种射线的剂量和能谱测量通道数根据探测器使用个数进行选择；当采用核辐射探测器进行高分辨率能谱或超低噪声测量时，模数混合前端读出专用集成芯片配置为最优成形时间，PIPS、CdZnTe、正比计数器用于能谱测量，核信号输出接口后端接入多道分析器进行能谱采集；当采用核辐射探测器用于高剂量率测量时，前端读出专用集成芯片配置成形时间0.25μs，核信号输出接口后端接入计数器进行脉冲计数测量；具体如下：
(a)进行X/γ、β和n射线宽能量范围和宽剂量率个人剂量当量测量
通过测试平台系统四个通道匹配四个Si-PIN探测器，每通道核信号后端均接入计数器进行脉冲计数测量；其中，两个Si-PIN探测器前端采用不同厚度Cu、Pb金属过滤材料，分别负责低能射线和高能射线探测，通过第三个Si-PIN探测器进行β射线测量，通过第4个Si-PIN探测器进行n射线测量；
X/γ个人剂量当量DX/γ测量采用式(1)实现，X/γ个人剂量当量测量通过低能和高能射线探测器后端计数器读数M1、M2与Cs-137条件下的校准因子和/>相乘加权求得：
β射线个人剂量当量Dβ测量采用公式(2)实现，Dβ通过计数器M3读数与Sr-90条件下的校准因子相乘求得：
n个人剂量当量Dn测量采用式(3)实现，Dn测量通过计数器M4读数与Am-Be中子源条件下的校准因子相乘求得：
(b)进行Sr-90、Kr-85、Pm-147核素β射线能谱测量
测试平台系统采用两个通道匹配两个PIPS探测器垂直堆叠进行X/γ和β射线能谱测量，每通道核信号输出接口后端均接入多道分析器；通过能谱数据分析处理完成X/γ射线和β射线分辨以及β射线能谱测量；
(c)利用CdZnTe探测器和正比计数器进行X/γ能谱测量
测试平台系统每通道核信号输出接口后端接入多道分析器进行能谱分析测试；CdZnTe探测器和正比计数器偏置电压通过高压接口接入；每通道核信号后端接入多道分析器进行核素识别、元素含量解析以及X射线注量测量的能谱分析处理；同时，利用能谱数据ME采用G(E)函数方法进行探测器能量响应修正，用于X/γ射线空气比释动能和周围剂量当量的测量：
DX/γ＝∑ME*G(E) (4)。
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