第40卷第4期核电子学与探测技术Vol.40 No.4 2020 年 7 月N u c le a r E le c tro n ic s &D e te c tio n T e c h n o lo g y Jul. 2020
张怀强U2，刘进洋2，卢炜煌2
(1.东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心，南昌330013;
2.东华理工大学核科学与工程学院，南昌330013)
摘要：设计一套基于高速ADC+FPGA+A R M的通用型数字核谱仪系统，对探测器系统输出的信号经过信号调理系统后，采用高速、高分辨率A D C进行采样，将采样后的核信号传输给由F P G A与 A R M搭建的数字核信号处理系统，采样梯形成形对核脉冲信号进行处理，最后得到的能谱通过U SB接 口传送给计算机系统进行显示、存储以及进一步处理。通过Si-P IN探测器对F e的X射线能谱，N a l探 测器对137C s的7射线能谱测量的测试.获取能量分辨率分别为178 e V与7. 2%，表明该系统能有效地实现数字核谱仪系统中核信号调理，高速采集以及数宇核信号处理功能的同时，可得到较理想的性能指标。 关键词：数字核谱仪；核信号采集；数字核信号处理；梯形成形
中图分类号：TL817;TL822 文献标志码：A文章编号：0258 —0934(2020)4 —0627 — 06
核能谱分析方法由于其破坏性低、灵敏度 高被广泛应用于能源、环境与国家安全等领域。而以高速ADC、高性能F P G A为核心的数字核 谱仪系统，通过对核脉冲信号的高速采集与软件算法来替代传统的模拟电路处理一直为热点 研究问题。早在20世纪90年代，国外一些科 研人员设计了一系列的数字化核能谱获取系统，但受当时电子元器件性能（如A D C采样 率）的制约，只是将一些模拟功能数字化，未真 正意义上实现数字核谱仪系统的功能[13]。近
收稿日期=2018—12 —24
基金项目：国家自然科学基金（11665001,41864007)、国家留学基金委（No. 201708360170)、江西省“百人远航工程”项目、核技术应用教育部工程研究中心开放基金（HJSJYB2014-3)资助。
作者简介：张怀强（1981 —），男，四川广元人，副教授，主要从事核探测技术与核电子学研究。些年国内的相关研究机构也一直改进核能谱获 取方法，主要对数字多道脉冲幅度分析系统的设计，以及基于F P G A的数字核谱仪的研制进行了研究[412]。但未构建一套通用的数字核谱仪系统，来实现不同探测器系统的能谱获取。本课题设计了一套以高速ADC+FPGA+
A R M为核心的通用型数字核谱仪系统，针对 不同探测器输出核脉冲信号进行必要的硬件电 路处理后进行高速采集与数字化处理，进而实 现数字核谱仪功能。
1 总体设计
图1为数字核谱仪总体结构图。主要包括 信号调理系统、高速A D C采集，数字核信号处理等部分。
627
探测器系统
2部件设计
探测器骱贤协大•由路
卜
1f_-i r
髙低能谱分
压压析y存
电电储系统
源源
电源部分调理系统
酱油桶卨速ADC
电路
故障诊断方法外部 B控 存储 调节
外部控制外部
接n
堆
/I—I t线波
棍iH
取k別形
数7核处理系统
图1通用型数字核谱仪总体结构图
系统中探测器可根据不同的测量对象与应 用场合，选择适合于需求的类型，信号调理系统 主要包括：微分成形、极性转换与程控放大，针 对探测器系统输出信号的不同来选取相应的信 号处理模块、调整电路参数，然后通过高速的ADC(系统选用AD9224)对前端输人的核信号进行采样，并传输给后续的数字核信号处理系统，在FPGA(系统选用Cyclone I I系列芯片EP2C8)中来实现数字核信号的滤波成形、堆 积识别、基线恢复、幅度提取等功能，进而获取能谱信息，A R M(系统选用STM32F103 系列）可实现X光管电流、电压的控制、外部 接口、程控增益控制与微分成形、能谱数据的存储等功能。2.1信号调理系统
信号调理系统采用低噪声、高带宽且增益 可调的集成运放AD603组成程控增益放大电路.并选用串行的D A C芯片DAC7512实现数 模转换.其与D S P系统相连；选择REF193( + 3 V)电压基准源，既作为DAC7512的参考电压，同时连接到AD603的第一脚使得G P O S的分 压更稳定，DAC7512 的 SYNC,SCLK,DIN 分 别与后续的D S P系统以S P I的方式相连，其具 体电路如图2所示。AD603的增益范围为—11.07〜+31.07 dB，工作带宽为 90 MHz。设定参考电压为1V，调节GP()S的输入电压 范围（500〜1500 m V)，使得系统的放大倍数范 围为 0. 316〜31. 6。
2.2 高速ADC采集
系统选用的AD9224为12 bit、40 MSPS 的模数转换器，带有一个片上高性能采样保持器 和参考电压，在+5V电源下，功耗仅为415 mW。AD9224电路连接如图3所示。其采样频率大 小由F P G A中锁相环输出控制，可根据不同的需求.改变采样率的大小。
REF193
图2程控增益放大电路
628
图 3 AD 92242.3数字核信号处理系统
核脉冲信号的数字化处理主要在FPGA 实现核信号的数字成形、幅度提取等功能，数字 核信号处理系统流程如图4所示。A D C 的采 样率可根据实际需要，由F P G A 控制其大小。采集后的核信号分为三路：一路经过F I F O l ， 直接将原始核脉冲信号传输给计算机系统进行 显示与存储；另一路完成数字成形处理，将成形 后的脉冲通过FIF 02传输给计算机系统进行 显示与存储；第三路经过数字成形、堆积识别与 幅度提取处理后，通过双口 R A M 传输给ARM 或是计算机系统，可实现能谱数据的显示，分析 与存储。
采样率
控制
FPGA
时钟模块
，FIFO l (原始核脉冲）n
形
冲)1
1义.雛提取哞
图4
数字核信号处理系统流程
将采样获取的负指数脉冲信号成形为梯 形，对数据采集系统获取的离散核信号进行数 字成形处理时，在离散时间域内，核脉冲信号是 通过周期采集得到的，令输人信号的时间常数
为T ，A D C 的采样周期为，将时间为n 时的
电路连接图
输入信号记为■j y [?2]，成形输出信号为5[W ]，梯 形成形上升沿（下降沿）时间参数为々，平顶宽 度为Z —I 成形递推函数如下式所示[13’14]。
d k \_n ~\ = v \_n ~\ — v\_n —k ] d k A \_n ~\ = d k \_n ~\一d k \_n ~l ~\ p \_n ~\ = p\_n —
\_n ~\
< r \_n ~\ = p \_n~\~\~M • d k 'l \_n ~\
5[72] = S [W — l ] +
r [?2]
3主要性能测试与讨论
3. 1 X 荧光能谱测量
系统配以美国M oxtek 公司的XPIN-XT 型Si -P I N 探测器，M A G N U M 系列的50 kV 的X 光管激发F e ，光管电压为20 k V ，电流为
2 p A ，探测器输出信号经C R 微分成形（其中
C = 3300 p F ，尺=3 k n ，则 r=_RC = 9. 9 /ns )后，
调整AD 603增益为8 dB ，程控增益放大电路 输出的信号波形如图5所示。在40 M H z 采样 率下，Si -P I N 探测器经由前置放大电路，信号 调理电路处理后，输出信号采样结果如图6 所示。
采用梯形成形，成形时间为16 ^s (上升时 间为6. 4 p s ，平顶宽度为3. 2 ps )时，数字核脉 冲信号的基线恢复、堆积识别与幅度提取等功
U5
+3.3 V
电子交易系统CLKOUT BIT122BIT113BIT104BIT95BIT86BIT77BIT68BIT59BIT410BIT311BIT212BIT113OTR
14
CLK DRVDD BIT12DRVSS BIT 11AVDD B IT 10AVSS BIT9VINB BIT8VINA BIT7CML BIT6CAPT BIT5CAPB BIT4REFCOM BIT3VREF BIT2SENSE BIT1AVSS OTR
AVDD
AD9 224
28
~~~
~7A ~
+5 V
22
21CAPT 20CAPB
」
1918VREF 17SENSE
1615
R1133 n
R12
VREF
ADC IN
：
C3
0.1 [iF
33 Q
VREF
+5 V
C5
：琴
A R M
系
统
接
口单元
高速
A D C
t
核信号
629
图9
能量进行线性拟合
图6 Si -P IN 探测器输出信号
能的实现见参考文献[9]，获取的能谱如图7所 示。该系统对FeKa (G . 4 keV )的能量分辨为 178 eV 0
CH 1 50.0 mVBw
M 5.00 [is CHI
图5
增益可调放大电路输出信号
600 r
2 500 ： 2 250 ;
2000
^
I 750 '
赚 I 500 ;
a I 250 ：
750 ：
1〇〇 200 300 400 500 600 700 800 900 丨 023
道址
图7系统获取X 射线能谱
3.2 Y 能谱测量
系统选用CH 249-02型N a l 探测器（日本 滨松公司）测量137C s 的7能谱，将探头置于低
本底铅室内，高压设定为+ 550 V ，调整AD 603 的增益为6 dB ，A D C 采样频率为20 M H z 时， 采用梯形成形法，成形时间为2 ps (上升时间为 0.8 y s ，平顶宽度为0.4 p s )时，获取的能谱如 图8所示。受探测器固有能量分辨率的影响， 该系统对137Cs ( 662 keV )的能量分辨为 7.2%。
道址
图8
系统获取y 射线能谱
3.3收缩薄膜
能量线性
能量线性指标是系统对核素定性分析能力 的主要参量之一，为对系统能量线性进行测试， 选取241 A m 、137C s 与6G C o 同时进行测量，各核素 光电峰的峰位（道址）如表1所列。
表
1
不同能量对应道址
核素241 Am
137 Cs 60 Co 60 Co 峰位（道址）
19221403448能量/keV
59. 5
662
1173
1332
对道址和能量进行线性拟合，结果如图9
所示。从图可知测试点均在拟合直线上，且拟 合相关系数为0. 9996，表明系统能量线性性能 良好。
户2.935 7x +5.904 6
332
/^=0.999 6
,1 173
5
道
O I
O I O I O I 8
合欢椅怎么使用6 4
2
>
0>¥塵
630
3.4稳定性
为验证系统的稳定性，在高压、增益、ADC 采样率等测试条件固定不变的情况下，对137Cs 的稳定性进行了测试。对137C s能谱8 h与120 h 稳定性测量结果如表2、表3所列（室内空调25 °C)；
表 2 137C s短期稳定性测量
测量时间/h1 2 3 45 6 78
峰位（道址）221220 221 220221221 222220
表3137C s长期稳定性测量
测量时间/12h1 2 3 4 567 8 910
峰位（道址）221220 220 219 220220223 222 223223
从表2、表3可以看出，137C s的短期稳定性漂在±1道，长期稳定性谱漂在±2道，说明 系统稳定性良好。
对F e的X荧光能谱的稳定性进行测试，共测200次，每次测量时间100 s，测试的统计 结果如图10所示。
总计数=200 —倍均方差内计数=137 (68.5%)
均值=82 506 二倍均方差内计数=191 (95.5%)
方差=
99.74三倍均方差内计数=199 (99.5%)
图10 F e长期稳定性测试统计图
从图10可以看出，F e的X荧光能谱长稳定性测试，满足放射性测量的统计分析结果，说 明系统稳定性良好。
4结论
本课题设计一套基于F P G A与A R M的 数字核谱仪系统，对Si-PIN探测器、N a l探测 器输出的信号通过调理电路处理后，通过高速 ADC进行采样，将采样后的信号传输给数字核 信号处理系统，完成
核脉冲信号的梯形成形、幅 度提取等处理后，得到的能谱通过U SB接口传 输给计算机存储，显示与进一步处理。通过测试表明该系统能有效地实现不同探测器系统输 出的模拟核信号的可调放大、高速采集，数字核 信号的处理等相关功能，获取Fe、K；a的X荧光 能谱的能量分辨率为178 eV，137C s的7能谱能 量分辨率为7.2%。系统能量线性与稳定性性能良好。
参考文献：
[1] Bordessoule M,Bosshard R.Highly integrated pulse
processor[ J] .Nuclear Instruments Methods in Physics Research,Section A»1995»356(2-3) ：452-456. [2] P illia A»Geraci A.Quasi-optimum 7 and X spec
troscopy based on real-time digital techniques
[J]. Nuclear Instruments Methods in Physics
Research,A 439,2000:378-384.
[3] Argonne National Laboratory.Report of Workshop
on^Digital Electronics for Nuclear Structure Phys-
ics”.March 2-3,2001.
[4]敖奇，魏义祥，文向阳.基于D S P的数字化多道脉
冲幅度分析器设计[J].核技术，2007, 30 (6): 532-536.
[5]肖无云，梁卫平，邵建辉，等.基于F P G A的数字
化核脉冲幅度分析器[J].核电子学与探测技术，2008,28(6)s l609-1611.
[6] Zeng Guo-Qiang，Yang Jian，Yu Ming-F u，et al.
Digital pulse deconvolution method for current tails
of N aK Tl)detectors[J]. Chinese Physics C,2017, 41(l)：016102-l-5.
[7]马英杰，洪旭，周建斌，等.基于数字脉冲成形技术
的HPGe 7谱仪系统研究[J].原子能科学技术，2017,50(7)：1301-1306.
[8]王磊，庹先国，成毅，等.基于D S P的数字多道脉
声波驱散器
冲幅度分析器设计[J].核电子学与探测技术，2009,29(4)：880-883.
[9]张怀强.数字核谱仪系统中关键技术的研究[D].
成都：成都理工大学，2011.
[10]张怀强，吴和喜，汤彬，等.基于F P G A的数字核
信号处理系统的研究[J1核电子学与探测技术，
2014,3(2)：254-257.
[11]葛青，葛良全，吴建平.基于F P G A的核信号采
集主控系统设计[J].核电子学与探测技术，
2014,34(4)：534-537.
[12]韩镇阳，汤晓斌，龚频，等.新型LaBr3探测器数
字化多道谱仪研制[J].核电子学与探测技术，
2017,37(9):946-951.
631
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议