碲鋅鎘探測(cè)器的數(shù)字核信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾國(guó)強(qiáng) 魏世龍 夏 源 李 強(qiáng) 徐亞?wèn)| 葛良全 介萬(wàn)奇

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610051）2（西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院 西安 710072）

碲鋅鎘探測(cè)器的數(shù)字核信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾國(guó)強(qiáng)1魏世龍1夏 源1李 強(qiáng)1徐亞?wèn)|2葛良全1介萬(wàn)奇2

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610051）2（西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院 西安 710072）

設(shè)計(jì)了完整的碲鋅鎘(CdZnTe, CZT)探測(cè)器數(shù)字核信號(hào)處理系統(tǒng)，包含了低功耗偏壓電源、低噪聲電荷靈敏放大器、數(shù)字梯形多道脈沖幅度分析器及數(shù)字上升時(shí)間甄別器。在考慮探測(cè)器與后端數(shù)字多道優(yōu)化匹配前提下設(shè)計(jì)了低噪聲電荷靈敏放大器；數(shù)字多道脈沖幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer, DMCA)通過(guò)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬核信號(hào)離散化后，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字核脈沖信號(hào)處理；FPGA芯片中以快慢雙通道梯形成形器為核心，針對(duì)碲鋅鎘探測(cè)器空穴收集不完全的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了數(shù)字上升時(shí)間甄別模塊，有效消除了空穴拖尾效應(yīng)，顯著提升碲鋅鎘探測(cè)器的能量分辨率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，針對(duì)西北工業(yè)大學(xué)提供的4mm×4mm×2mm的準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)碲鋅鎘探測(cè)器對(duì)241Am的分辨率最佳可達(dá)3.6%，對(duì)137Cs的分辨率可達(dá)0.96%。

碲鋅鎘探測(cè)器，電荷靈敏放大器，核信號(hào)處理系統(tǒng)，上升時(shí)間甄別，數(shù)字脈沖幅度分析器

碲鋅鎘(CdZnTe, CZT)探測(cè)器為復(fù)合型化合物半導(dǎo)體探測(cè)器，具有較大的禁帶寬度和高原子序數(shù)，在室溫工作條件下對(duì)55Fe (5.9keV)、125I (27.5keV)、241Am (59.5keV)、57Co (122keV)、137Cs (662keV)以及60Co (1.17MeV，1.33MeV)的γ射線，不僅有較高的能量分辨，同時(shí)還具有較高的探測(cè)效率，填補(bǔ)了閃爍體探測(cè)器和HPGe探測(cè)器在X、γ射線的探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中的不足，從而得到一種在室溫下工作，既有高的探測(cè)效率又有較好能譜特性和清晰成像能力的探測(cè)器[1–3]。目前國(guó)內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、清華大學(xué)等高校在碲鋅鎘探測(cè)器的晶體生長(zhǎng)、電極制備及探測(cè)器封裝上做了較多工作也取得了很好的進(jìn)展[4–6]。CZT探測(cè)器與硅Pin、HPGe等其他探測(cè)器有所不同，完全自主開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用于產(chǎn)品的核信號(hào)設(shè)計(jì)較少見(jiàn)諸報(bào)道，較多是采用國(guó)外Amptek、Canberra等公司的電荷靈敏放大器與數(shù)字多道脈沖幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer, DMCA)獲取實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的核脈沖信號(hào)與實(shí)用譜線，尤其是能夠克服CZT探測(cè)器空穴捕獲拖尾效應(yīng)而設(shè)計(jì)的DMCA在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有報(bào)道。

本文的研究采用的是西北工業(yè)大學(xué)準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)的碲鋅鎘探測(cè)器，探測(cè)器尺寸為：4mm× 4mm×2mm，探測(cè)器的漏電流小于10nA，等效輸出電容在5pF以內(nèi)，工作偏壓為200–400V[7]。

1 數(shù)字核信號(hào)處理系統(tǒng)

CZT探測(cè)器的表面是很薄的金屬電極，這些電極在偏壓電源提供的偏壓作用下在探測(cè)器內(nèi)部產(chǎn)生偏壓電場(chǎng)。當(dāng)有電離能力的射線與CZT晶體作用時(shí)，晶體內(nèi)部產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，并且數(shù)量和入射光子的能量成正比。帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴分別朝不同的電極運(yùn)動(dòng)，最終被收集起來(lái)，該電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷靈敏前置放大器(Charge Sensitive Pre-amplifier, CSA)變成電壓脈沖，其幅度與入射光子的能量成正比。該脈沖信號(hào)輸入到帶上升時(shí)間甄別的DMCA中對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈沖幅度分析和上升時(shí)間判別，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Block scheme of system.

由于CZT探測(cè)器中空穴載流子的漂移距離與壽命較短，導(dǎo)致電荷收集不完全，信號(hào)的幅度減小，上升時(shí)間變長(zhǎng)，使得系統(tǒng)的能量分辨率變差，因此

在DMCA中設(shè)計(jì)了數(shù)字上升時(shí)間甄別模塊，將電荷收集不完全的信號(hào)丟棄掉，然后做計(jì)數(shù)率補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的能量分辨率。

2 低噪聲低功耗電荷靈敏放大器設(shè)計(jì)

圖2為CZT探測(cè)器的CSA原理圖。電荷靈敏放大器主要有直流耦合和交流耦合兩種，直流耦合方式下探測(cè)器的漏電流與信號(hào)電流一起流入電荷靈敏放大器，由于漏電流的原因會(huì)使電荷靈敏放大器的輸出有直流漂移，如果采用傳統(tǒng)的并聯(lián)電阻放電方式設(shè)計(jì)CSA，由并聯(lián)電阻泄放反饋電容上的電荷，則為保證獲得最低的噪聲，并聯(lián)電阻應(yīng)該越大越好，但在直流耦合方式下，越大的并聯(lián)放電電阻，則會(huì)帶來(lái)越大的直流漂移，也就限制了并聯(lián)放電電阻的阻值，使CSA的輸出噪聲變大，因此通常設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的復(fù)位電路在CSA輸出滿幅度時(shí)復(fù)位CSA，但復(fù)位型CSA的設(shè)計(jì)難度較大，復(fù)位電路對(duì)CSA的影響比較難以控制，同時(shí)復(fù)位信號(hào)也帶來(lái)了一定的死時(shí)間。交流耦合方式盡管沒(méi)有并聯(lián)電阻帶來(lái)的直流漂移問(wèn)題，但由于采用了交流耦合電容，因此交流耦合電容與CSA的等效輸入電容之間會(huì)有電荷分壓的關(guān)系，使得信號(hào)輸出幅度變小，信噪比略有變差，但因其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)數(shù)通過(guò)率較高而廣為使用。

圖2 與CZT探測(cè)器匹配低噪聲電荷靈敏放大器Fig.2 Low noise charge sensitive amplifier matching witch CZT detector.

圖2 中R4為探測(cè)器的偏置電阻，R4與交流耦合電容C10構(gòu)成一個(gè)放電回路，時(shí)間常數(shù)τ1=R4×C10=0.5ms，而CSA自身的反饋電阻R20–R24與反饋電容C19構(gòu)成一個(gè)放電回路，時(shí)間常數(shù)τ2=5G×0.033pF=0.16ms；CSA后級(jí)的微分成形電路C11，R11的時(shí)間常數(shù)為3.2μs，顯然遠(yuǎn)小于τ1和τ2，因此不會(huì)帶來(lái)明顯的極零點(diǎn)。電阻R4太小則不僅會(huì)給CSA輸出信號(hào)帶來(lái)極零點(diǎn)，還會(huì)使探測(cè)器的噪聲變大，因此通常要保證偏置電阻上的壓差為0.5V情況下，噪聲最低[8]，考慮到CZT探測(cè)器的漏電流在10nA以內(nèi)，因此偏置電阻選擇在50?200M比較合適，可根據(jù)實(shí)際探測(cè)器的漏電流來(lái)選擇最合適的電阻大小。

交流耦合電容C10與CSA的輸入等效電容構(gòu)成電容分壓關(guān)系，如果C10太小，電荷的耦合不完整，會(huì)有損失。而C10太大，則探測(cè)器及偏壓電源的低頻噪聲會(huì)耦合到CSA使系統(tǒng)噪聲增加，因此通常選擇10nF為宜。

在選用電荷靈敏放大器的第一級(jí)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)時(shí)，除了需要考慮JFET自身的Gm、Ciss、等效噪聲等參數(shù)以外，還需要考慮與前端探測(cè)器的匹配問(wèn)題，由文獻(xiàn)[9]可知當(dāng)探測(cè)器的自身等效電容與前放第一級(jí)JFET的Ciss相等時(shí)，可獲得最高的信噪比。因此對(duì)于小電容探測(cè)器，可選用2N4416、2SK152；對(duì)于大電容探測(cè)器則可選用2N6550、2SK147，或者多個(gè)JFET并聯(lián)。本文選用的碲鋅鎘探測(cè)器為半球形結(jié)構(gòu)，其等效電容較小，低于5pF，故選用2N4416作為第一級(jí)前放JFET。

本文設(shè)計(jì)的電荷靈敏放大器采用典型的折疊型電路結(jié)構(gòu)[10]。R6、R8、R12構(gòu)成偏置電路，用以設(shè)定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。R12、R14、Q4構(gòu)成恒流源，設(shè)三極管的開(kāi)啟電壓為0.6V，由于R12的電壓為2.6V，那么流過(guò)R14和三極管Q4的電流為1mA，因此流過(guò)三極管Q1的電流也約為1mA。另外R2、R4、Q1也構(gòu)成恒流源，保證R2流過(guò)的電流為5mA，

由于流入Q1的電流為1mA，那么通過(guò)電阻R2流入JFET (Q1)漏極的電流為4mA。查2N4416數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，4mA漏電流在允許的Idss范圍之內(nèi)，同時(shí)設(shè)置JFET的漏電電壓為4V，可保證2N4416獲得較佳的噪聲特性。另外，由于R12、R14、Q4構(gòu)成了恒流源，成為了三極管Q1的有源負(fù)載，大大地提高了電路的開(kāi)環(huán)增益。

為盡可能提高信噪比，本文采用OPA683高速低噪聲電流型運(yùn)算放大器對(duì)前級(jí)輸出的信號(hào)進(jìn)一步放大。由于前級(jí)輸出信號(hào)的時(shí)間常數(shù)τ1、τ2較大，不能直接對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，否則在高計(jì)數(shù)率情況下，放大器的輸出會(huì)滿幅度過(guò)載，因此本文先對(duì)前級(jí)放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行了一次CR微分整形，信號(hào)被調(diào)整為3.2μs寬度的指數(shù)信號(hào)，然后才經(jīng)過(guò)OPA683放大輸出，OPA863靜態(tài)工作電流僅為1mA左右，但可輸出200mA左右的驅(qū)動(dòng)電流，是低噪聲的電流型運(yùn)算放大器，因此適合用于對(duì)CSA前級(jí)信號(hào)的放大及對(duì)后級(jí)電路的推動(dòng)。

3 低功耗偏置電源設(shè)計(jì)

圖3為本文設(shè)計(jì)的一種低功耗偏壓電源。該電源主要由升壓控制器、開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管、倍壓整流電路和電子濾波器構(gòu)成[11?12]。

圖3 350V低功耗低噪聲偏壓電源設(shè)計(jì)Fig.3 Scheme of 350V low voltage and ripple bias power supply.

MAX668為1.8?28 V寬輸入電壓范圍的升壓控制器。其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上，采用電流脈寬調(diào)制模式(Pulse Width Modulation, PWM)，可由外部電阻選擇100–500kHz范圍的振蕩頻率，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要針對(duì)實(shí)際的電感特性微調(diào)該外部電阻，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電源轉(zhuǎn)換效率與電壓穩(wěn)定性。該控制器還具備關(guān)斷功能，可在不需使用高壓電源時(shí)關(guān)閉MAX668，達(dá)到減小電源損耗的目的。因此，該升壓控制器很適合在手持式電源系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖3中D1–D9和C7–C9組成4級(jí)電容倍壓電路。圖3中的二極管最好選擇低導(dǎo)通壓降，正向?qū)〞r(shí)間和反向恢復(fù)時(shí)間短，反向擊穿電壓高的肖特基二極管，本文采用的是MBRS3201T3，其反向擊穿電壓200V，正向壓降0.59V，反向恢復(fù)時(shí)間小于35ns。最后的電壓輸出級(jí)采用2N5551構(gòu)成電子濾波器進(jìn)一步降低電源噪聲，同時(shí)更重要的是提高電流輸出能力，能夠保證帶負(fù)載時(shí)電源電壓的穩(wěn)定性。

經(jīng)實(shí)測(cè)該偏壓電源在輸入電源電壓為9V時(shí)最高輸出電壓可達(dá)到800V，輸出電流可達(dá)100μA以上。本文的CZT探測(cè)器工作電壓為300?400V之間，因此調(diào)節(jié)偏壓電源輸出電壓在350V左右，在偏壓電源5V供電，并輸出高壓給CZT探測(cè)器時(shí)，實(shí)測(cè)工作電流為5mA左右，因此整體功耗極低，比較適合低功耗的手持式CZT探測(cè)器系統(tǒng)的應(yīng)用。圖4為多層板設(shè)計(jì)制作的小體積偏壓電源模塊[13]。

圖4 偏壓電源實(shí)物圖Fig.4 Photography of bias power supply circuit board.

4 上升時(shí)間甄別的DMCA設(shè)計(jì)

通常，CZT探測(cè)器的空穴壽命在1μs左右，小于空穴的收集捕獲時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致所感生的電流信號(hào)明顯降低，從而使電荷靈敏放大器輸出信號(hào)的上升時(shí)間變大，幅度變小，使得全能峰往左偏移，形成空穴拖尾，也稱(chēng)為電荷捕獲效應(yīng)。電荷捕獲效應(yīng)通常在硅、鍺探測(cè)器中不明顯，而在CZT這種復(fù)合型探測(cè)器中則較明顯，由于所獲取的譜線存在空穴的拖尾，導(dǎo)致分辨率下降。因此為保證有較高的能量

分辨率，需要設(shè)計(jì)帶上升時(shí)間甄別功能的多道脈沖幅度分析器[14–17]。采用傳統(tǒng)模擬電路實(shí)現(xiàn)上升時(shí)間甄別[18]，在上升時(shí)間變化不大時(shí)尚可，當(dāng)上升時(shí)間變化較大，譬如達(dá)到幾百納秒級(jí)別時(shí)，則需要設(shè)計(jì)有多達(dá)10級(jí)的LC延遲線電路，導(dǎo)致電路龐雜，不太適合手持式CZT探測(cè)器系統(tǒng)的要求，因此需要考慮設(shè)計(jì)數(shù)字式的上升時(shí)間甄別器。在設(shè)計(jì)之初并不十分清楚CZT探測(cè)器最合適的成形時(shí)間，如果采用傳統(tǒng)的模擬高斯成形電路設(shè)計(jì)，則面臨繁雜耗時(shí)的硬件電路調(diào)試工作，也無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的成形效果，因此本文設(shè)計(jì)了基于FPGA與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)為核心的DMCA。該脈沖幅度分析器能夠?qū)崿F(xiàn)以0.75μs為步進(jìn)的成形時(shí)間調(diào)節(jié)、時(shí)間常數(shù)可動(dòng)態(tài)配置、快通道觸發(fā)閾值可調(diào)等功能。本文在DMCA基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了數(shù)字式上升時(shí)間甄別模塊。DMCA的硬件電路框圖如圖5所示。在圖5中，前置放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖跟隨器/放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換，信號(hào)放大后輸入到電流型程控衰減器，該衰減器由14bit分辨率的高速乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5453構(gòu)成，經(jīng)過(guò)程控衰減后的信號(hào)再次被高速線性放大；由于前放輸出信號(hào)有正有負(fù)，因此需要進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換得到正脈沖信號(hào)；在數(shù)字多道中，為能將核脈沖信號(hào)中的噪聲信號(hào)全部采集到，需要疊加一個(gè)直流分量，保證噪聲信號(hào)的負(fù)半周最大值大于零，否則噪聲信號(hào)不能被完整采集，使系統(tǒng)中白噪聲變?yōu)榉前自肼?，大大降低?shù)字濾波的效果。為此需要有程控的直流分量疊加電路，保證進(jìn)入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)始終大于零。經(jīng)過(guò)抗混疊電路后，核脈沖信號(hào)輸入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，采用的是最大采樣率為65MHz的AD9235，離散后的高速數(shù)字信號(hào)序列被送入到CycloneIV系列FPGA芯片實(shí)現(xiàn)快慢雙通道的數(shù)字梯形成形、相關(guān)功能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、極零相消及脈沖幅度提取等。

圖5 DMCA電路設(shè)計(jì)框圖Fig.5 Electronic scheme of DMCA.

圖6 帶上升時(shí)間甄別的多道脈沖幅度分析器FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Block scheme of FPGA designed for DMCA with rise time discriminator.

數(shù)字上升時(shí)間甄別模塊的FPGA邏輯設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。由圖6可知，上升時(shí)間甄別器以快慢雙通道數(shù)字梯形成形器為核心，其中快通道的成形時(shí)間固定為120ns，而可調(diào)慢成形通道其成形時(shí)間為0.75?18μs數(shù)控可變，設(shè)上升時(shí)間甄別器的甄別系數(shù)為K，其表達(dá)式為K=A/B，其中A為快通道成形信號(hào)的幅度值，B為慢通道成形信號(hào)的幅度值。上升時(shí)間甄別的過(guò)程如圖7所示。

圖7 上升時(shí)間甄別示意圖Fig.7 Diagram of the rise-time discrimination.

當(dāng)確定了慢通道的成形時(shí)間后，上升時(shí)間為t1的脈沖信號(hào)分別經(jīng)快通道、慢通道成形后，得到了幅度值為A1的快通道梯形成形信號(hào)與幅度值為B1的慢通道梯形成形信號(hào)，對(duì)應(yīng)有K1=A1/B1；同理，當(dāng)脈沖信號(hào)的上升時(shí)間為t2時(shí)，對(duì)應(yīng)有K2=A2/B2；以此類(lèi)推，對(duì)于不同上升時(shí)間的信號(hào)其K的取值不同，這是由于快通道的成形時(shí)間很短，僅為120ns，因此當(dāng)上升比較緩慢的信號(hào)經(jīng)過(guò)快通道成形后，原始信號(hào)的上升沿未能全部被積分，故成形后信號(hào)的幅度較小，從而使得K值發(fā)生改變。據(jù)此可以建立不同上升時(shí)間的信號(hào)與K之間的關(guān)系，通過(guò)判斷K的值，篩選所需上升時(shí)間的信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上升時(shí)間甄別的功能。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中只要分別針對(duì)不同的慢通道成形時(shí)間，分別測(cè)定出輸入脈沖信號(hào)的上升時(shí)間與K之間的關(guān)系，并存入FPGA系統(tǒng)中。進(jìn)行上升時(shí)間甄別時(shí)，F(xiàn)PGA自動(dòng)將該上升時(shí)間轉(zhuǎn)化為與K的關(guān)系，凡是大于該值的信號(hào)則丟棄，小于該值的信號(hào)則保留。

圖8為DMCA的實(shí)物圖，尺寸為5.9cm× 5.9cm×0.8cm。該DMCA板可通過(guò)RS232、USB等接口與上位機(jī)通信，上位機(jī)可將系統(tǒng)工作的各項(xiàng)參數(shù)（如硬增益、軟增益、上升甄別時(shí)間、信號(hào)的時(shí)間常數(shù)、成形時(shí)間、快通道觸發(fā)閾值等）進(jìn)行在線設(shè)定，同時(shí)也可將DMCA的工作狀態(tài)（如原始信號(hào)脈沖、成型后的信號(hào)波形、系統(tǒng)譜線等）參數(shù)讀出，以便于系統(tǒng)最佳工作參數(shù)（如信號(hào)時(shí)間常數(shù)、上升甄別時(shí)間、快通道觸發(fā)閾值等）的設(shè)定。

圖8 DMCA的實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 Photograph of DMCA circuit board.

5 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

該CZT探測(cè)器的數(shù)字核信號(hào)處理系統(tǒng)可應(yīng)用于X射線成像、核素識(shí)別等系統(tǒng)中。系統(tǒng)測(cè)試采用的是西北工業(yè)大學(xué)準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)的CZT探測(cè)器，探測(cè)器尺寸為4mm×4mm×2mm。系統(tǒng)測(cè)試主要針對(duì)低能X射線和中能γ射線的測(cè)量，并與傳統(tǒng)探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

5.1 電荷靈敏放大器對(duì)γ射線輸出響應(yīng)測(cè)試

將CZT探測(cè)器與電荷靈敏放大器連接后放置在金屬屏蔽盒內(nèi)，所有輸入輸出采用BNC (Bayonet Nut Connector)接口連接，以屏蔽電磁干擾。在探測(cè)器的一面將金屬屏蔽盒開(kāi)一個(gè)4mm×4mm的窗，并粘接鍍鋁膜，以減小屏蔽盒對(duì)γ射線的吸收。測(cè)量時(shí)，選用137Cs作為γ射線源，將其與探測(cè)器正對(duì)，相距約5cm，使用TDS1012B型示波器測(cè)得電荷靈敏放大器對(duì)137Cs的γ射線響應(yīng)波形如圖9所示。

圖9 CSA對(duì)137Cs源γ射線輸出響應(yīng)Fig.9 Output waveform of CSA in137Cs γ-ray detection.

5.2 低能γ射線探測(cè)中的應(yīng)用

CZT探測(cè)器對(duì)低能γ射線的測(cè)量選取活度為1.776×107Bq的241Am源（59.5keV），測(cè)試時(shí)將其放置在金屬屏蔽盒內(nèi)屏蔽外界干擾，241Am源與CZT探測(cè)器正對(duì)，相距約5cm，測(cè)量時(shí)間為100s。

圖10給出了系統(tǒng)在測(cè)量241Am源時(shí)，沒(méi)有采用上升時(shí)間甄別（圖10(a)）和采用了上升時(shí)間甄別（圖10(b)）測(cè)量得到的譜線，限于篇幅，圖10中只給出了50–200道的譜線情況（譜線分辨率為2048）。由譜線可知，在系統(tǒng)未采用上升時(shí)間甄別時(shí)，由于CZT探測(cè)器的空穴載流子的壽命較短，導(dǎo)致電荷收集不完全，使得到的脈沖信號(hào)幅度明顯降低，因此譜線有較嚴(yán)重的拖尾，使系統(tǒng)的分辨率降低，約為8.5%。而采用上升時(shí)間甄別后，將有電荷損失的信號(hào)甄別掉，提高了系統(tǒng)的分辨率，目前能夠做到最好的分辨率可達(dá)3.6%。

圖10 測(cè)量241Am源有無(wú)上升時(shí)間甄別對(duì)比Fig.10 Results of rise time discriminator when measuring241Am source.

5.3 γ射線探測(cè)中的應(yīng)用

CZT探測(cè)器對(duì)中能γ射線的測(cè)量選取活度為2.967×106Bq的137Cs源(662keV)。與測(cè)試低能γ射線時(shí)一樣，將探測(cè)器與電荷靈敏放大器放置在金屬屏蔽盒內(nèi)進(jìn)行屏蔽。測(cè)試時(shí)，137Cs源與CZT探測(cè)正對(duì)，相距約5cm，測(cè)量時(shí)間為30min。

圖11給出了系統(tǒng)在測(cè)量137Cs源時(shí)，沒(méi)有采用上升時(shí)間甄別（圖11(a)）和采用了上升時(shí)間甄別（圖11(b)）測(cè)量得到的譜線，限于篇幅，圖11中只給出了0–600道的譜線情況（譜線總道數(shù)為2048）。由圖11可知，在系統(tǒng)未采用上升時(shí)間甄別時(shí)，系統(tǒng)分辨率為2.9%左右；而采用上升時(shí)間甄別后，分辨率可達(dá)0.96%。

圖11 測(cè)量137Cs源有無(wú)上升時(shí)間甄別對(duì)比Fig.11 Results of rise time discriminator when measuring137Cs source.

6 結(jié)語(yǔ)

從CZT探測(cè)器自身原理、特性作為核信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，考慮探測(cè)器與前置放大器的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，在DMCA基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)上升時(shí)間甄別器，從而構(gòu)建完整的CZT核輻射探測(cè)的信號(hào)處理系統(tǒng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，效果是顯著的，上升時(shí)間甄別技術(shù)的準(zhǔn)確性實(shí)際上是有賴(lài)于快、慢兩個(gè)通道的準(zhǔn)確脈沖幅度提取的。對(duì)于快通道，由于其成形時(shí)間短，因此受各種噪聲的影響大，從而使得其基線波動(dòng)較大，增大了準(zhǔn)確提取脈沖幅度的難度。為解決該問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)優(yōu)異的高通濾波器濾除基線及低頻噪聲的干擾，同時(shí)盡可能降低信號(hào)處理系統(tǒng)路的高低頻噪聲，從而提高快通道脈沖幅度提取的準(zhǔn)確度。對(duì)于慢通道，它受到探測(cè)器、前置放大器、供電電源等低頻噪聲影響，慢通道成形信號(hào)疊加在這種緩慢變化的低頻噪聲之上，此時(shí)如果仍只使用高通濾波器來(lái)濾除基線，就會(huì)造成梯形信號(hào)的梯形平頂發(fā)生畸變，幅度信息丟失。為解決這一問(wèn)題，采用了數(shù)字式的基線估計(jì)方法：利用白噪聲信號(hào)的功率譜密度與其功率的平方呈反比的關(guān)系，采用泛函變分方法對(duì)噪聲估計(jì)，得到噪聲最小時(shí)對(duì)應(yīng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而得到噪聲的基線[19]。除此之外，選擇合適的慢通道成形時(shí)間、合適的工頻干擾抑制、良好的地線布局與屏蔽設(shè)計(jì)也可提高基線估計(jì)的準(zhǔn)確度。下一步的工作將開(kāi)展CZT探測(cè)器、電荷靈敏放大器在低溫下對(duì)X射線的探測(cè)工作，并設(shè)計(jì)低噪聲復(fù)位型電荷靈敏放大器測(cè)試CZT探測(cè)器對(duì)低能X射線的探測(cè)性能。

1 李霞, 褚君浩, 李隴遐, 等. 室溫CdZnTe核輻射探測(cè)器研究進(jìn)展[J]. 趨勢(shì)與展望, 2008, 33(11): 941–946 LI Xia, CHU Junhao, LI Longxia, et al. Development of room temperature CdZnTe nuclear radiation detector[J]. Outlook and Future, 2008, 33(11): 941–946

2 王凱, 王瑩, 曲延濤. 碲鋅鎘探測(cè)器溫度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究及分析[J]. 輻射防護(hù), 2013, 33(6): 340–342 WANG Kai, WANG Ying, QU Yantao. Research and analysis of temperature response of CZT detectors[J]. Radiation Protection, 2013, 33(6): 340–342

3 張嵐, 李元景, 朱維彬, 等. 碲鋅鎘探測(cè)器對(duì)低能X射線的探測(cè)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2009, 29(3): 517–520 ZHANG Lan, LI Yuanjing, ZHU Weibin, et al. Study on self-adapting processing method in radiant image[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2009, 29(3):

517–520

4 徐慧超, 張金洲, 沈浩元. 用于X熒光分析的半導(dǎo)體探測(cè)器[J]. 常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 20(2): 91–93 XU Huichao, ZHANG Jinzhou, SHEN Haoyuan. The semiconductor detectors for X-ray fluorescence analyse[J]. Journal of Changshu Institute of Technology, 2006, 20(2): 91–93

5 蔣建, 肖沙里, 蔡欣. CZT像素陣列核探測(cè)器的噪聲分析[J]. 光電子技術(shù), 2011, 31(2): 98–102 JIANG Jian, XIAO Shali, CAI Xin. Noise analysis of array pixellated CZT detector[J]. Optoelectronic Technology, 2011, 31(2): 98–102

6 張秋實(shí), 盧閆曄, 謝肇恒, 等. 用于醫(yī)學(xué)成像的碲鋅鎘單極型探測(cè)器研究進(jìn)展[J]. 半導(dǎo)體光電, 2013, 34(2): 171–179 ZHANG Qiushi, LU Yanye, XIE Zhaoheng, et al. Progresses in the development of CdZnTe unipolar sensing detector for medical imaging[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2013, 34(2): 171–179

7 王濤, 徐亞?wèn)|, 查鋼強(qiáng), 等. 室溫輻射探測(cè)器用CdZnTe晶體生長(zhǎng)及其器件制備[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2010, 29(4): 546–550 WANG Tao, XU Yadong, ZHA Gangqiang, et al. Detector grade CdZnTe crystal growth and device fabrication[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2010, 29(4): 546–550

8 Cremat Inc. CR-150-R5 evaluation board application guide[OL]. http://www.cremat.com/CR-150-BOX-R5.pdf, 2014

9 Spieler H. Introduction to radiation detectors and electronics[R]. USA: Lawrence Berkeley National Laboratory, 1998

10 Noulis T, Fikos G, Siskos S, et al. Noise analysis of radiation detector charge sensitive amplifier architectures[C]. Topical Workshop on Electronics for Particle Physics, 2008: 486–489

11 曾國(guó)強(qiáng), 葛良全, 賴(lài)萬(wàn)昌. 手持式輻射儀高壓直流電源的設(shè)計(jì)[J]. 電測(cè)與儀表, 2008, 45(6): 46–49 ZENG Guoqiang, GE Liangquan, LAI Wanchang. Design of high voltage power supply used in handheld radiometer[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2008, 45(6): 46–49

12 譚承君, 曾國(guó)強(qiáng), 葛良全, 等. 手持式X熒光儀電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2014, 34(3): 380–384 TAN Chengjun, ZENG Guoqiang, GE Liangquan, et al. Design of the power system for handheld X-ray fluorometer[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2014, 34(3): 380–384

13 曾國(guó)強(qiáng), 葛良全, 熊盛青, 等. 數(shù)字技術(shù)在航空伽馬能譜儀中的應(yīng)用[J]. 物探與化探, 2010, 34(2): 209–212 ZENG Guoqiang, GE Liangquan, XIONG Shengqing, et al. The application of digital spectroscopic technique to airborne gamma-ray investigation[J]. Geophysical & Geochemical Exploration, 2010, 34(2): 209–212

14 葛良全, 曾國(guó)強(qiáng), 賴(lài)萬(wàn)昌, 等. 航空數(shù)字γ能譜測(cè)量系統(tǒng)的研制[J]. 核技術(shù), 2011, 34(2): 156–160 GE Liangquan, ZENG Guoqiang, LAI Wanchang, et al. The development of a digital airborne gamma-ray spectrometry[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(2): 156–160

15 Fernandes L M P, Simoes P C P S, dos Santos J M F. Digital rise-time discrimination of large-area avalanche photodiode signals in X-ray detection[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2002, 49(4): 1699–1703. DOI: 10.1109/TNS.2002.801518

16 Toke J, Quinlan M J, Gawlikowicz W. A simple method for rise-time discrimination of slow pulses from charge-sensitive preamplifiers[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2008, A595: 460–463. DOI: 10.1016/j.nima.2008.07024

17 Niemela A, Sipila H, Ivanov V I. Improving CdZnTe X-ray detector performance by cooling and rise time discrimination[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1996, A377(2): 484–486. DOI: 10.1016/0168-9002(96)00028-9

18 Jordanov V T, Pantazis J A, Huber A C. Compact circuit for pulse rise-time discrimination[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1996, A380: 353–357. DOI: 10.1016/0168-583X(94)00570-2

19 肖無(wú)云, 魏義祥, 艾憲蕓. 多道脈沖幅度分析中的數(shù)字基線估計(jì)方法[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2005, 25(6): 601–604 XIAO Wuyun, WEI Yixiang, AI Xianyun. Digital baseline estimation method for multi-channel pulse height analyzing[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2005, 25(6): 601–604

Design of digital nuclear signal processing system for CdZnTe detector

ZENG Guoqiang1WEI Shilong1XIA Yuan1LI Qiang1XU Yadong2GE Liangquan1JIE Wanqi2

1(Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu 610051, China) 2(College of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Background: CdZnTe (CZT) detector has excellent detection efficiency and resolution toward gamma ray at room temperature. It is a beneficial supplement to HPGe and scintillator detectors. Digital multi-channel analyzer (DMCA) plays significant role for high resolution spectrometer of CZT. Purpose: This study aims to overcome the effect of “hole tailing” for CZT detector by implementing digital nuclear signal processing system. Methods: A low noise charge sensitive amplifier is designed by considering optimal matching of detector and digital multi-channel analyzer. High speed analog-digital converter transforms the analog signal to discrete digital sequence signal. Digitized signals are processed by Field Programmable Gate Array (FPGA) chip in the DMCA. In this FPGA chip, fast-slow dual channel trapezoidal shaper and digital rise time discriminator are designed to overcome the problem of charge trapping of CZT detector. Digital rise time discriminator could eliminate the effect of “hole tailing”and improve the energy resolution of CZT detector. Results: For the 4mm×4mm×2.5mm capture plus structure of CZT detectors offered by Northwestern Polytechnical University, the best resolution is up to 3.6% for241Am source, and up to 0.96% for137Cs source. Conclusion: The optimal matching of each unit circuit in the whole digital nuclear signal processing system could improve the energy resolution for CZT detecting system. Digital multi-channel analyzer with rising time discriminator has significant advantage for CZT detecting system.

CZT detector, Charge sensitive amplifier, Nuclear signal chain, Rise time discrimination, Digital pulse amplitude analyzer

TL82

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110401

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41474159)、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(No.2012AA061803)、地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(No.gnzds2014006)資助

曾國(guó)強(qiáng)，男，1980年出生，2008年于成都理工大學(xué)獲博士學(xué)位，從事核輻射探測(cè)與核電子學(xué)

2015-03-17，

2015-07-20

CLC TL82