波形数字化仪闪烁体探测器数据采集系统设计.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 波形数字化仪闪烁体探测器数据采集系统设计张逸帆，刘冲赵斌清，王宁，（南华大学电气工程学院，衡阳；松山湖材料实验室，东莞；？东华理工大学核科学与工程学院，南昌）摘要：设计了一套基于波形数字化仪的新型闪烁体探测器数据采集系统。利 用放射源产生的射线对硅光电倍增管（）阵列耦合硅酸钇镥（）晶体条和硅酸钇镥晶体阵列组合成的两种闪烁体探测器进行照射，经该数据 采集系统处理后，得到单个晶体条的能量分辨率为，晶体阵列位置分辨图清晰准确。实验结果表明，该套闪烁体数据采集系统能够完整记录波形信息，具有较高的数据传输效率和较强的抗干扰能力，有利于闪烁体探测器系统的性能提升和降低成本。关键词：波形数字化仪；闪烁体探测器；数据采集系统；能量分辨率；晶体分辨图中图分类号：文献标志码：文章编 号：（）传统的 闪烁体探测器数据采集系统由线性扇人扇出模块、谱仪放大器和恒比定时藤别器等核电子学插件搭建而成，存在系统组装复杂、体积较大和成本较高等问题。波形数字化仪采用开关电容矩阵的波形数字化技术，具有集成度高、采样速度快、功耗低、信号通道多和稳定性强等优点。相比于经过延迟、放大甄别和滤波处理后的信号，探测器输出的原始信号包含着最真实和准确的信息，不携带电子学插件带来的额外噪声和非线性因素。本文设计了一种基于波形数字化仪的 闪烁体探测器数据采集系统，实现对探测器输出收稿日期基金项目：国家自然科学基金（）、广东省基础与应用基础研究基金（）、广东省重点领域研发计划（）资助。作者简介：张逸帆（），男，广东韶关人，在读硕士研究生，攻读方向为核测量与控制。通讯作者：赵斌清，男，高级工程师，：。信号的直接采样和波形数字化。实验测试表明，该数据采集系统可为国内外从事闪烁体探测器的研究人员提供一种新思路。数据采集系统设计总体设计波形数字 化仪是意大利 卡昂（）公司 的一款核物理数据采集处理设备，采用多米诺环形采样器（）芯片对外部输人信号进行循环采样。使用模拟采样加数字转换的波形数字化方案，即先对模拟信号进行高速采样，再通过低速高精度模数转换模块（）数字化读出采样电荷。图为的采样示意图，首先模拟信号进入通道缓冲器中进行缓冲，经芯片连续采样输人信号，同时把波形信息转换成采样电荷存储在个开关电容阵列中，检测到触发信号后停止采集进人保持阶段。随后位精度以的频率依次将其读出并进行数字化，转换后的数字信号输出至现场可编程逻辑阵列（）中得到二进制数据，并存储在数字缓冲器中，最后由个人计算机端（）使用光纤接口将缓冲事件依次读出。数据采集的触发模式有软件触发、外部触发、快速触发和自触发种。本设计使用快速触发模式：将恒比定时甄别器 输出的核电子学插件（）信号输人到的和通道，当该信号超过设定阈值时，控制停止采 集数据 并进行 数字化。位为和通道提供一个可调直流偏置，用于应对不同极性的触发信号。另外，触发信号能数字化并存储在数字缓冲区，作为每组模拟信号的时间参考点，用于髙精度的定时测量实验中。图为快速触发模式示意图。图波形数字化仪采样原理图快速触发模式示意图上位机程序设计采用厂家提供的软件可以对整个数集系謙行控制、图为软件的命令提示栏，数据采集的一般流程是在命令框依次键入、，即开始采集、触发、实时绘图、连续写人文件和采集结束。用户只需要修改配置文件就能实现对采样参数编程，本实验主要参数设置为的采样频率，波形记录长度为，文件输出格式是，采样深度为，触发阈值设为。：会？，：（），？客）（）（）图采集界面实验方法测试晶体与读出电子学测试晶体分为两种：单根晶体和的晶体阵列。晶体阵列的结构与文献中保持一致，选用个尺寸为（）的晶体，沿深度方向布局层反射膜组合而成。如图所示，第层晶体之间采用光学胶耦合；第层晶体之间一侧采用光学胶耦合，另一侧采用反射膜耦合；第层光学胶和反射膜的位置互换；第层晶体之间采用反射膜耦合，其中使用的光学胶和反射膜厚度均为。读出电子学的光探测器选用型号为的阵列，通过行列 相加电路得到：路能量信号、和，用于计算能量分辨率和晶体分辨图；路快信号用于产生触发信号反身、膜馨鵪令？馨？一层令第二层？第三层參第四层图晶体阵列示意图和预期的晶体分辨图实验测量实验装置如图所示，整个实验过程均在密闭暗箱中完成。放射源固定在待测晶体中心前 处，对探测器进行均匀照射。阵列与晶体通过硅油进行耦合。快信号输人产生标 鑛 时间（）基线调整前 卜：諭；、：献时间（）某线调整后 图基线调整前位置和基线调整后位置示意图数据处理与分析线性刻度利用可编程直流电源对波形数字化的模数转换精度进行测试。直流电源分别输出、和电平信号至波形数字化仪的任意一个采样通道，采集时间均为，将各组数据的数字量平均值作为采集结果。得到的组转换值依次是、和，经过线性拟合所得输入电压和计数的拟合曲线如图所示。所得组电压理论值分别是、和，平均绝对误差为，表明波形数字化仪的线性度良好，能精确转换输人模拟电压。准逻辑信号，作为波形数字化仪的触发信号。的触发阈值设置为，用于剔 除模拟电路噪声引起的误触发事件。最终，该系统对电子学输出的路信号进行数字化采样，转换数据以文本的形式保存在电脑端。稼动潰台？（测试晶体读出电子学波形数字化仪恒比定时器 触发信号上位机数据分析晶体分辨图能谱图实验装置示意图基线调整在阵列不通电工作的情况下，将各通道信号输出到波形数字化仪中，在软件触发采集模式下记录每个通道的波形；通过设定配置文件中的参数调整每个采样通道的基线，最终将各通道的基线位置调整至同一标准零位，使得采样结果准确反应脉冲的幅度信息。图为基线调整前后东意图。降沿位补偿点 输人压图输人电压与数值函数关系图峰值提取采用触发信号的下降沿作为各个事件峰值的提取基准，计算所有事件触发信号下降沿平均位置和各个能量信号出现峰值的平均位置，两者求差得到峰值相对于触发下降沿出现的位置补偿点。每路信号峰值被定义为各自事件对应的触发信号下降沿位置加上固定补偿点后所得电压大小，这就保证所有事件在同一时刻基准获得各个通道能量信号的峰值。图为数据峰值提取示意图。厶实际电压值拟合曲线理论电值 时图数据预处理示意图数据分析能谱是刻画粒子能量与计数率之间关系 的一种方式，可以表征探测器的整体性能，探测器的总能量由式计算得到：，（）单个光子在晶体分辨图中的位置由式（）计算：）（）（）（）（）式中：工、工、和为位置能量信号，根据上述公式可以得到晶体能谱图和位置分辨图。主要性能测试单个晶体的能量分辨率选用 放射源测试单个晶体的能谱曲线。晶体条通过硅油 与号像素单元中心一对一耦合，晶体表面未做抛光处理。除了与光电探测器耦合的表面外，晶体在剩余个表面包裹反射膜，实验结果如图所示。通过计算得到探测器的能量分辨率是，另外一个能量分辨率为的波峰则是由本底辐射产生的。厂家提供的单根晶体的能量分辨率为，实验结果与其数据基本一致，证明 了该系统的正确性与可靠性。图单个晶体能谱图单个晶体的能量分辨率图（）为本系统所测晶体阵列的晶体分辨图，从图中可以清晰分辨个晶体。探测器对发生在、层的事件区分能力较差，对发生在、层和、层事件的辨别效果较好。图（）为原系统所得晶体分辨图，形状及轮廓基本一致，再次验证了此数据采集系统的可行性。（）本系统（）原系统图本系统和原系统所得晶体分辨图一不蠢蠢灵敏度测试为了计算该系统的灵敏度，本课题利用可编程数字信号 发生器的通道为输人下降沿脉冲信号，接收信号后将输出信号作为数据采集的触发信号；的通道接人的通道，并以直流电作为起始 输出，依 次均匀递增输出，直至。系统对各个电压采样，将每组采样数据的平均值作为结果，所得结果为：，接着计算相邻两组数据间 的差值。变化曲线如图所示，组差值变化较小，取的均值用于灵敏度计算，得到本系统的灵敏度为。变化丨线今灰？，令龜图变化曲线稳定性测试本文继续对系统稳定性进行测试，仍设置的通道输出下降沿信号至，用于触发数据采 集，但的通道固定输出直流电压信号到的通道，在此条 件下连续采 集，每组数据长度为，将每组数据的平均值作为单次采样的结果。表为第小时时刻的采样结果，其方差为，表明采样结果波动极小，系统运行稳定。进一步，在该设置下连续采样，表为第小时时刻的采样结果，其方差为，数据结果无明显波动，表明系统可长时间稳定运行，但比短期运行结果稍差。表测试结果时间结果 表测试结果时间结果结论本文设计了一种基于波形数字化 仪的 闪烁体探测器数据采集系统。该系统具有采样速度快、集成度髙等优点，能够在核医学、高能物理和辐射监测等场景应用。利用该系统对单个晶体包裹反射膜进行能谱测试，所得结果与厂家数据基本一致；对一个沿深度方向布局层反射膜的晶体阵列做进一步测试，所得晶体阵列位置分辨图能准确反映晶体位置和作用深度信息，再次验证该系统数据采集的可靠性。该系统解决了 以往系统成本较髙、波形信息记录缺失等问题，具有良好的工程价值。参考文献：邝忠华，李成，李兰君，等高分辨率及高灵敏度小动物研究进展原 子核 物理评论，（）：杜成名，陈金达，杨海波，等在上的应用研究核电子学与探测技 术，（）：张惊蛰，杨海波，王晓辉，等基于波形数字化的高速数据采集系统设计原子能科学技术，（）：，（）：（），赵斌清，付春亮，邝忠华，等基于沿单层晶体阵列深度多层反射膜分布的深度编码探测器研究原 子能科学技术，（）：，（）：征云飞，李兰君，邝忠华，等光导厚度对基于高分辨率和阵列探测器性 能的影响核技术，（）：，（，；，；，）：（）（），：；