實(shí)時(shí)核信號(hào)數(shù)字化脈沖成形關(guān)鍵技術(shù)研究

周建斌1，王 敏1，＊，周 偉1，朱 星1，劉 易1，陳 寶2，魯保平2，岳愛(ài)忠2，秦 力2，何緒新2

（1.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710032）

實(shí)時(shí)核信號(hào)數(shù)字化脈沖成形關(guān)鍵技術(shù)研究

周建斌1，王 敏1，＊，周 偉1，朱 星1，劉 易1，陳 寶2，魯保平2，岳愛(ài)忠2，秦 力2，何緒新2

（1.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710032）

本文對(duì)理想核脈沖信號(hào)和實(shí)際探測(cè)器輸出信號(hào)分別進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真與分析，總結(jié)了不同成形時(shí)間的核脈沖信號(hào)的數(shù)字梯形成形參數(shù)的確定方法。在高計(jì)數(shù)率場(chǎng)合時(shí)提高了有效測(cè)量計(jì)數(shù)率，消除了部分脈沖的堆積并減少了系統(tǒng)死時(shí)間。同時(shí)，采用256點(diǎn)和512點(diǎn)數(shù)字三角成形方法測(cè)試了Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器的性能，并與模擬電路成形方法進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，脈沖數(shù)字成形處理方法提高了探測(cè)器計(jì)數(shù)率和分辨率。

核脈沖信號(hào)；數(shù)字成形；堆積脈沖

數(shù)字化多道譜儀在國(guó)外歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，目前已初步實(shí)現(xiàn)了商品化。該儀器有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一是利用DSP等獲取模擬成形后的核脈沖信號(hào)峰值，完成脈沖信號(hào)的數(shù)字處理［1］；一是利用DSP或FPGA等將核脈沖信號(hào)通過(guò)高速ADC數(shù)字獲取，然后將獲得的核脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字成形，再在成形后的脈沖上找到峰值，完成脈沖信號(hào)的數(shù)字處理。其中，利用第2種方法設(shè)計(jì)的數(shù)字化系統(tǒng)［2-3］不僅可代替復(fù)雜的模擬濾波成形電路，提高系統(tǒng)的分辨率和穩(wěn)定性，而且還能改善系統(tǒng)靈活性和自適應(yīng)性［46］，在數(shù)字化多道譜儀研究中得到了應(yīng)用。

多道脈沖幅度分析技術(shù)是核譜儀的關(guān)鍵技術(shù)，是核電子學(xué)中最具有典型性和復(fù)雜性的技術(shù)，而數(shù)字化多道則具有技術(shù)創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性［7-8］。它包括實(shí)時(shí)核脈沖信號(hào)的高速獲取、實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)字成形處理和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。因此，研制數(shù)字化多道是一項(xiàng)復(fù)雜而困難的課題。

由于X射線的測(cè)量對(duì)分辨率、計(jì)數(shù)率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求均較高，所以對(duì)核脈沖信號(hào)的數(shù)字化處理方法和技術(shù)提出了更高的要求。

1 數(shù)字化能譜技術(shù)

為了研究數(shù)字成形脈沖處理器以及相關(guān)的技術(shù)，建立了如圖1所示的系統(tǒng)，其中的ADC選用AD公司20MHz的12位高速ADC，F(xiàn)PGA選用Xilinx的XC3S500E，接口單元選用內(nèi)嵌CAN協(xié)議處理單元的8位微控制器C8051F500，系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間采用通訊速率為1Mbps的CAN通訊方式，F(xiàn)PGA與微控制器之間采用1Mbps的UART通訊方式。因?yàn)橐话愕腦射線分析系統(tǒng)還帶有很多控制部件，為了系統(tǒng)的擴(kuò)展需要，采用了CAN總線技術(shù)。由于PC不帶CAN接口，采用CAN-USB模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。探測(cè)器采用美國(guó)Moxtek公司Si-PIN探測(cè)器。主放大器由一級(jí)C-R高通濾波以及兩級(jí)線性放大部分組成，線性放大倍數(shù)為10～20。探測(cè)器的成形信號(hào)時(shí)間常數(shù)τ＝RC，調(diào)整探測(cè)器信號(hào)的成形時(shí)間只需調(diào)整R與C的取值即可。在設(shè)計(jì)中R取1 500Ω，C取4 700pF，τ為7 050ns。

圖1 數(shù)字化譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of digitized spectrometer system

系統(tǒng)中所采用的數(shù)字成形的算法如式（1）［3］所示：

式中：S（t）為1個(gè)時(shí)不變系統(tǒng)；h（t）為該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)；v（t）為輸入信號(hào)；t為時(shí)間。

2 關(guān)鍵參數(shù)的確定與模擬

梯形成形數(shù)學(xué)模型示于圖2。為便于分析，將圖2c中梯形底邊根據(jù)圖2b分成3部分，其中兩邊相等為τ，量化為K（整數(shù)個(gè)采樣單元），梯形的平頂為ΔT，將τ＋ΔT量化為L(zhǎng)（整數(shù)個(gè)采樣單元），輸入信號(hào)的成形時(shí)間量化為M（整數(shù)個(gè)采樣單元）。采用理想的負(fù)指數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬成形。模擬的負(fù)指數(shù)信號(hào)采用式（2）計(jì)算得到：

圖2 梯形成形數(shù)學(xué)模型Fig.2 Trapezoidal shaping mathematic model

式中：Y（i）為輸出信號(hào)；i為采樣時(shí)間單元號(hào)。

理想信號(hào)的梯形模擬示于圖3。圖3a中輸入信號(hào)為理想的負(fù)指數(shù)曲線，脈沖的成形時(shí)間為100個(gè)采樣單元，每個(gè)采樣單位時(shí)間為50ns，則每個(gè)脈沖的成形時(shí)間為5 000ns。輸出信號(hào)為圖中的脈沖形狀，脈沖平頂出現(xiàn)左傾和拖尾的情況。圖3b中輸入信號(hào)為理想的負(fù)指數(shù)曲線，脈沖的成形時(shí)間也為100個(gè)采樣單位，輸出信號(hào)為圖中的脈沖形狀，該脈沖平頂右傾，后沿出現(xiàn)了下沖和脈沖寬度變窄的情況。

圖3 理想信號(hào)的梯形模擬Fig.3 Trapezoidal simulation of ideal signal

通過(guò)圖3a、b的模擬可看出，首先確定輸入信號(hào)的成形時(shí)間常數(shù)是數(shù)字成形中的關(guān)鍵一步。造成上述兩種不同成形結(jié)果的原因，主要在于脈沖成形時(shí)間參數(shù)選取與原始脈沖的成形時(shí)間不匹配。圖3a出現(xiàn)的問(wèn)題是因?yàn)槌尚螘r(shí)間與輸入脈沖成形時(shí)間相比偏小，而圖3b的問(wèn)題是由于成形時(shí)間與輸入脈沖成形時(shí)間相比偏大。

K與L值的選取與系統(tǒng)需要達(dá)到的分辨率以及其他的一些要求有關(guān)，基本原則是K＋L應(yīng)小于原始的脈沖寬度（L≥K），當(dāng)然如果為了達(dá)到高的分辨率，有時(shí)K＋L也可超過(guò)原始的脈沖寬度。數(shù)字成形的主要優(yōu)點(diǎn)之一就在于適合高計(jì)數(shù)率的場(chǎng)合，為了達(dá)到高的計(jì)數(shù)率，調(diào)整了成形參數(shù)，從圖3c中可看到梯形成形對(duì)于處理堆積脈沖的能力，如果采用以前的處理技術(shù)，只能丟掉兩個(gè)有堆積的信號(hào)。通過(guò)選擇合適的K與L值，可實(shí)現(xiàn)圖3c中輸出信號(hào)2所示的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)堆積信號(hào)的有效分離，而信號(hào)本身的幅度沒(méi)有變化；或通過(guò)合適的算法，可得到兩個(gè)獨(dú)立的脈沖，脈沖之間的這類(lèi)堆積效應(yīng)可有效消除。

通過(guò)圖3的分析，基本掌握了數(shù)字梯形成形的基本特點(diǎn)，利用圖1所示系統(tǒng)得到Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器的信號(hào)（實(shí)際信號(hào)寬度約30 000ns），如圖4中的輸入信號(hào)所示。采用3種梯形成形參數(shù)進(jìn)行了脈沖成形后的形狀對(duì)比。將梯形成形與Gauss成形［7］進(jìn)行了實(shí)測(cè)信號(hào)的對(duì)比模擬，可明顯看到梯形成形的優(yōu)勢(shì)，梯形成形下降沿很快，可能對(duì)于提高測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率、降低系統(tǒng)的死時(shí)間有一定作用。

圖4 單個(gè)實(shí)際探測(cè)器信號(hào)的梯形成形和Gauss成形模擬Fig.4 Trapezoidal shaping and Gauss shaping simulation of single detector signal

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)數(shù)字成形中關(guān)鍵參數(shù)的確定與計(jì)算機(jī)模擬［7］，實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中，ADC工作在20MHz頻率下，選用了3種參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，參數(shù)1：K＝128、L＝128、M＝200（τ調(diào)整為9 400ns，采用的FPGA為Actel公司的A3P250，因系統(tǒng)容量有限，最大只能做到256點(diǎn)三角成形，如圖5a）；參數(shù)2：K＝256、L＝256、M＝200（更換FPGA為Xilinx公司的XC3S500E，512點(diǎn)三角成形，如圖5b）；參數(shù)3： K＝230、L＝282、M＝168（FPGA為Xilinx公司的XC3S500E，512點(diǎn)梯形成形，如圖5c）。并與模擬Gauss成形的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖5d（S-K成形參數(shù)R＝3 570Ω，C＝1 000pF）。探測(cè)器選用的是Moxtek公司的XPIN-BT Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器。

圖5 脈沖實(shí)時(shí)處理效果Fig.5 Real time processing effect of pulse

為了對(duì)比不同情況下的系統(tǒng)性能，本文分別做了如下測(cè)試。

首先，測(cè)試3種不同成形參數(shù)的系統(tǒng)能量分辨率，測(cè)試結(jié)果列于表1。從表1可見(jiàn)，512點(diǎn)時(shí)三角成形的分辨率最高，512點(diǎn)所得的譜如圖6所示。

表1 3種不同成形參數(shù)對(duì)比測(cè)試55Fe結(jié)果（標(biāo)稱(chēng)分辨率156eV）Table 1 Results of testing55Fe for three different shaping parameters

圖6 512點(diǎn)數(shù)字化處理的Si-PIN探測(cè)器測(cè)量譜Fig.6 Spectrum of 512dots digitized Si-PIN detector

其次，測(cè)試了系統(tǒng)在不同計(jì)數(shù)率時(shí)的性能。此時(shí)改用X-Tube激發(fā)樣品，仍采用Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量樣品的特征X射線。在相同測(cè)量條件下，采用數(shù)字三角成形系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率較模擬Gauss成形系統(tǒng)的平均有所提高。且三級(jí)模擬Gauss成形數(shù)字化處理系統(tǒng)也參與了對(duì)比測(cè)試，高計(jì)數(shù)率時(shí)對(duì)比測(cè)試的結(jié)果列于表2。說(shuō)明采用較短時(shí)間的數(shù)字成形技術(shù)后，系統(tǒng)的分辨率得到保證，而系統(tǒng)在高計(jì)數(shù)率時(shí)的計(jì)數(shù)率得到明顯的提高（減少了漏計(jì)數(shù)），這種特點(diǎn)對(duì)于利用X熒光技術(shù)進(jìn)行合金的分析尤其重要，它可明顯改善系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性，以及測(cè)量計(jì)數(shù)率與元素含量之間的線性關(guān)系。

表2 不同成形方式對(duì)比測(cè)試鉛黃銅合金的計(jì)數(shù)率對(duì)比（36kV W靶激發(fā)）Table 2 Count rate comparison of detecting lead brass alloys with different shaping methods（36kV W target excitation）

第三，測(cè)試了在低計(jì)數(shù)率測(cè)量條件時(shí)的系統(tǒng)性能。此時(shí)采用ER681塑料標(biāo)樣（ROHS測(cè)試Pb、Hg、Cr、Br、Cd），由于該標(biāo)樣中原子序數(shù)大于11的元素含量均很少，在4種成形方式中測(cè)量的結(jié)果基本一致。因此，對(duì)于在低計(jì)數(shù)率情況下，要求高分辨率的微量元素分析場(chǎng)合，可采用三級(jí)模擬Gauss成形或較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)字成形技術(shù)（512點(diǎn)以上三角成形）。而對(duì)于要求高穩(wěn)定性高計(jì)數(shù)率的合金以及貴重金屬的分析場(chǎng)合，則可采用256點(diǎn)數(shù)字三角成形技術(shù)。

最后，在實(shí)際采用X-Tube激發(fā)時(shí)，電磁干擾要大一些，模擬Gauss成形系統(tǒng)的抗干擾能力要好一些，而模擬Gauss成形中，三級(jí)模擬Gauss成形的分辨率要更好一些，因此，在需要X-Tube激發(fā)的數(shù)字成形系統(tǒng)中，成形方式可采用三級(jí)模擬Gauss成形。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)仿真核脈沖信號(hào)和實(shí)際探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真與分析，總結(jié)了對(duì)于不同成形時(shí)間核信號(hào)的數(shù)字梯形成形時(shí)間常數(shù)的確定方法，達(dá)到了在高計(jì)數(shù)率場(chǎng)合時(shí)提高有效測(cè)量計(jì)數(shù)率、有效消除脈沖的重疊和減少系統(tǒng)死時(shí)間等研究目的。對(duì)搭建的數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了一系列相關(guān)測(cè)試，得出如下結(jié)論：1）采用512點(diǎn)三角成形時(shí)，系統(tǒng)能量分辨率最高。2）數(shù)字三角成形系統(tǒng)和模擬Gauss成形系統(tǒng)相比，在相同測(cè)量條件下平均計(jì)數(shù)率有所提高。3）在低計(jì)數(shù)率情況下，要求高分辨率的微量元素分析場(chǎng)合，可采用三級(jí)模擬Gauss成形或較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)字成形技術(shù)（512點(diǎn)以上三角成形）。而對(duì)于要求高穩(wěn)定性高計(jì)數(shù)率的合金以及貴重金屬的分析場(chǎng)合，則可采用256點(diǎn)數(shù)字三角成形技術(shù)。4）在需要X-Tube激發(fā)的數(shù)字成形系統(tǒng)中，成形方式可采用三級(jí)模擬Gauss成形。

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Key Technology Research of Nuclear Signal Digitized Pulse Shaping in Real Time

ZHOU Jian-bin1，WANG Min1，＊，ZHOU Wei1，ZHU Xing1，LIU Yi1，CHEN Bao2，LU Bao-ping2，YUE Ai-zhong2，QIN Li2，HE Xu-xin2
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China；2.Well Logging Corporation of China National Petroleum Group，Xi’an710032，China）

The computer simulation and analysis were carried out for the ideal nuclear pulse signal and the actual detector output signals，and the determination method of digital trapezoidal shape parameter for different nuclear pulse shaping time was summarized.At high count rate measurement occasion，the effective count rate is increased，some pile-up pulses are eliminated and the accumulation of dead time of the system is reduced.Meanwhile，Si-PIN semiconductor detector performance was tested by 256points and 512points digital triangle forming methods and the analog circuit forming methods for comparative tests.Test results show that the pulse forming treatment method increases the count rate performance and the resolution of detector.

nuclear pulse signal；digital shaping；pile-up pulses

TL822.6

A

1000-6931（2014）02-0352-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0352

2012-12-05；

2013-01-28

863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA061804）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41204133）；四川省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013SZ0109）

周建斌（1971—），男，湖南桃源人，副教授，博士，從事核儀器、核方法研究

＊通信作者：王 敏，E-mail：wangmin929＠163.com