γ-γ符合測量系統(tǒng)的新型前端讀出電路研制

顏俊偉，牛曉陽，柯凌云，楊海波，陳金達(dá)，杜成名，張秀玲，孫志朋，蘇 弘，孔 潔,*

(1.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；(2.中國科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049)

中國科學(xué)院近代物理研究所基于重離子研究裝置(HIRFL)和重離子冷卻儲(chǔ)存環(huán)(CSR)[1-2]，開展了關(guān)于重離子治癌關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題的研究[3]，進(jìn)而開展了重離子治癌裝置的產(chǎn)業(yè)化[4-7]。重離子束具有倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布——Bragg曲線[8]和高相對生物效應(yīng)(RBE)[9]的優(yōu)勢，對健康組織損傷小、治愈率高，因此重離子放療被認(rèn)為是目前最佳的臨床放療方法[10-11]。高能重離子束在貫穿靶物質(zhì)期間會(huì)發(fā)生彈核碎裂，產(chǎn)生正電子發(fā)射體，正電子在徑跡末端遇負(fù)電子發(fā)生湮滅，產(chǎn)生2個(gè)同一直線上沿相反方向發(fā)射的511 keV γ光子，通過兩個(gè)511 keV γ光子的符合測量來確定正電子放射性活度[12]。符合法測量因可排除非有效事件對測量結(jié)果的影響，被廣泛應(yīng)用于正電子放射性活度的精確測量。通過監(jiān)測放射性活度的分布及強(qiáng)度可反推出入射束流位置及劑量分布，從而確保病人的安全及治療方案的準(zhǔn)確實(shí)施[3]。針對重離子治癌裝置發(fā)展和升級的需求，研究人員開展了用于重離子治癌裝置的符合測量原型系統(tǒng)的研究，雙頭平面型探測器原型由LYSO閃爍晶體陣列和位置靈敏平板型的光電倍增管H8500[13]組成，位置靈敏平板型的光電倍增管采用離散位置讀出電路(DPC)簡化讀出方式[14]，將64路輸出信號轉(zhuǎn)化為4路信號，用于計(jì)算γ光子入射晶體的具體位置。每個(gè)光電倍增管有4路能量信號，1路打拿極信號作為時(shí)間信號，整個(gè)探測器系統(tǒng)共10路輸出信號。

為滿足重離子治癌裝置中符合測量原型系統(tǒng)的研究與測量需求，本文設(shè)計(jì)一種新型前端讀出電路以替代原有的CAMAC數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)探測器輸出能量及時(shí)間信號的測量。

1 讀出電子學(xué)架構(gòu)

符合測量原型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。前端讀出電路包括能量鏈、時(shí)間鏈和數(shù)據(jù)處理單元，8路能量鏈用于DPC輸出的能量測量，2路時(shí)間鏈用于位置靈敏平板型的光電倍增管打拿極信號(時(shí)間信號)的測量，數(shù)據(jù)處理單元用于數(shù)據(jù)的預(yù)處理、組幀和傳輸。PC機(jī)用于配置數(shù)據(jù)處理單元的控制命令及接收處理后的科學(xué)數(shù)據(jù)(符合事件的能量和時(shí)間信息)。

圖1 符合測量原型系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of coincidence measurement prototype system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

重離子治癌裝置符合測量原型系統(tǒng)前端讀出電路主要包括能量鏈、時(shí)間鏈和數(shù)據(jù)處理單元3部分。

2.1 能量鏈

能量鏈原理圖如圖2所示，包括反向放大電路、抗混疊濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣電路。原始信號經(jīng)能量鏈進(jìn)行信號放大、濾波成形后被板載14位ADC采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。模擬信號輸入端連接1個(gè)50 Ω電阻(R0)，用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；反向放大電路采用德州儀器公司的雙通道、高帶寬、低功耗電流反饋運(yùn)算放大器OPA2694，負(fù)向端作為脈沖信號的輸入，正向端作為可編程參考電平的輸入，電路增益GAIN=-R2/R1=-2，帶寬690 MHz。為獲得最佳信噪比，將反向放大電路輸出的脈沖濾波為準(zhǔn)高斯波形，使信號的上升沿和頂部變得較平滑，便于后端14位ADC進(jìn)行采樣量化。濾波電路選用ADI公司截止頻率7 MHz抗混疊濾波器LTC6605-7，通帶增益GAIN=1且具有線性相位理想的貝塞爾特性，作為ADC的差分輸入驅(qū)動(dòng)，其輸出共模電平通過可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)完成配置。

2.2 時(shí)間鏈

時(shí)間鏈定時(shí)甄別電路原理圖如圖3所示，包括快放大電路、高速比較甄別電路、電平轉(zhuǎn)換電路3部分。打拿極輸出的原始信號經(jīng)直流耦合輸入至?xí)r間鏈，首先經(jīng)固定增益為5的快放大器THS4302放大，然后饋入高速比較甄別電路；考慮到快放大器輸出存在基線漂移，快放大器的輸出采用交流耦合連接至高速比較甄別電路；定時(shí)甄別電路選用MAXIM公司高速比較器MAX9601，具有低傳播延遲色散(約30 ps)，輸出由正負(fù)輸入的相對電壓決定。正輸入極閾值電平通過可編程DAC提供，構(gòu)成閾值可調(diào)的前沿定時(shí)甄別電路。高速比較器輸出的PECL信號由電平轉(zhuǎn)換電路SY55855產(chǎn)生LVDS，并饋送至現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)功能模塊，確定事件脈沖到達(dá)時(shí)間的時(shí)間戳。

2.3 數(shù)據(jù)處理單元

基于核心器件FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理單元，采用Altera公司的Cyclone Ⅴ系列FPGA芯片。FPGA邏輯功能示意圖如圖4所示，主要包括積分面積算法模塊、TDC模塊、封裝打包模塊、DAC模塊和通信模塊。通過積分面積算法模塊獲得事件脈沖的能量信息，TDC模塊測得事件脈沖的時(shí)間信息，封裝打包模塊完成數(shù)據(jù)的組幀與打包，通信模塊用于與上位機(jī)的通信。

DAC模塊接收上位機(jī)設(shè)定的電平數(shù)據(jù)并饋送至板載DAC上，用于控制能量鏈共模參考電平和高速比較器閾值參考電平。TDC模塊接收來自時(shí)間鏈的觸發(fā)脈沖，記錄事件發(fā)生的時(shí)間T，同時(shí)產(chǎn)生Hit flag信號以啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，從而用于控制基線計(jì)算和脈沖積分面積求和。積分面積算法模塊將能量鏈ADC采樣量化的能量數(shù)字樣本暫存于先進(jìn)先出緩沖器#1(FIFO #1)中。在前8個(gè)時(shí)鐘周期中取出FIFO #1中的8個(gè)采樣樣本用于計(jì)算基線平均值，自第9個(gè)時(shí)鐘計(jì)數(shù)周期開始，逐個(gè)時(shí)鐘周期取出FIFO #1中的1個(gè)采樣樣本并減去基線值，然后累加求和得到脈沖的積分面積，獲得能量信息E。封裝打包模塊將E和T按指定的數(shù)據(jù)格式組幀打包暫存于FIFO #2中，然后通過通信模塊實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)交互，完成數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的發(fā)送。

圖2 能量鏈濾波和采樣電路原理圖Fig.2 Block diagram of filter and sampling circuit in energy measurement chain

圖3 時(shí)間鏈定時(shí)甄別電路原理圖Fig.3 Block diagram of timing discrimination circuit in time measurement chain

圖4 FPGA邏輯功能示意圖Fig.4 Diagram of logic function in FPGA

3 性能測試與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)室測試

圖5 能量鏈各通道模擬輸出與模擬輸入的線性關(guān)系Fig.5 Linearity of analog output and analog input in energy measurement chain channel

為檢測讀出電子學(xué)電路的性能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了電子學(xué)系統(tǒng)性能的測試與評估。利用Tektronix公司的AFG3252[15]信號發(fā)生器模擬探測器輸出信號并饋送至前端讀出電路。調(diào)節(jié)信號的幅度為-600～-50 mV，步進(jìn)為50 mV，測試結(jié)果如圖5所示，通道的線性好于0.8 %(全范圍)，且不同輸入幅度下平均噪聲小于0.8 mV(RMS)。定時(shí)測量精度的測試采用信號源設(shè)定延遲間隔法，即將AFG3252的兩通道輸出脈沖設(shè)置一定的時(shí)間間隔，并分別饋入兩個(gè)時(shí)間鏈，通過計(jì)算兩通道間的時(shí)間差進(jìn)行驗(yàn)證。圖6為兩通道時(shí)間間隔為10 ns時(shí)獲得的時(shí)間譜，其中時(shí)間分辨率為342.2 ps(FWHM)。前端讀出電路的主要參數(shù)列于表1。

圖6 兩通道間隔時(shí)間為10 ns的時(shí)間譜Fig.6 Time spectrum of two channels with interval of 10 ns

表1 前端讀出電路主要參數(shù)Table 1 Main parameter of front-end readout circuit

3.2 探測器聯(lián)合測試與系統(tǒng)性能對比

為測試驗(yàn)證前端讀出電路的實(shí)際應(yīng)用性能，聯(lián)合探測器進(jìn)行了測試，并與基于NIM插件和CAMAC數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)進(jìn)行了性能對比。

基于CAMAC獲取系統(tǒng)的測試系統(tǒng)如圖7所示[16]。光電倍增管打拿極輸出的信號經(jīng)倒向放大、恒比甄別、延時(shí)產(chǎn)生及符合后，由門產(chǎn)生器產(chǎn)生的Gate信號(200 ns)作為系統(tǒng)TDC觸發(fā)信號，TDC記錄兩個(gè)甄別器輸出信號(Start in和Stop in)的時(shí)間信息。門控信號能使ADC記錄光電倍增管陽極輸出的能量信號幅值，從而獲得能量為511 keV的符合事件。

圖7 基于CAMAC獲取系統(tǒng)的測試系統(tǒng)Fig.7 Test system based on CAMAC acquisition system

本文研制的基于前端讀出電路的測試系統(tǒng)如圖8所示。兩套測試系統(tǒng)均采用22Na放射源進(jìn)行驗(yàn)證測試，探測單元由兩個(gè)相對的探測器組成，分別位于放射源同一水平線的兩側(cè)。

圖8 基于前端讀出電路的測試系統(tǒng)Fig.8 Test system based on front-end readout circuit

1) 能量分辨

采用兩個(gè)系統(tǒng)對由φ25 mm×25 mm LaBr3晶體條耦合XP20D0組成的探測器的陽極輸出信號進(jìn)行能譜測量。圖9a為采用前端讀出電路測試系統(tǒng)測得的511 keV γ能譜，其能峰分辨率為4.5%(FWHM)；圖9b為采用CAMAC系統(tǒng)測得的511 keV γ能譜，其能峰分辨率為4.4%(FWHM)。

2) 位置分辨

位置分辨測量使用的探測器采用由22×22個(gè)2 mm×2 mm×15 mm LYSO晶體條組成的晶體陣列耦合H8500構(gòu)成，通過DPC電路輸出4路能量信號A、B、C、D，分別接入前端讀出電路的能量鏈，信號被采樣量化后饋送至數(shù)據(jù)處理單元，用于計(jì)算γ射線擊中探測器晶體的位置。計(jì)算公式[16]為：

E=A+B+C+D

(1)

式中：E為總能量；x、y為γ射線入射到晶體陣列的位置。

兩個(gè)測試系統(tǒng)獲得的x、y方向一維位置譜分別如圖10和11所示，對x和y方向的一維位置譜進(jìn)行擬合得到標(biāo)準(zhǔn)差和中心值，結(jié)合晶體尺寸可獲得晶體的位置分辨。表2列出兩個(gè)測量系統(tǒng)的一維位置分辨對比。

由表2可知，前端讀出電路測試系統(tǒng)的位置分辨好于CAMAC系統(tǒng)。將x、y位置量化到1 024邊長的整數(shù)格點(diǎn)方陣上，可得到LYSO/PSPMT探測器在兩個(gè)系統(tǒng)中的二維位置譜(圖12)。圖12a中晶體陣列每個(gè)點(diǎn)的直徑很小，可被清晰地分辨開，20×20晶體陣列能很好地被分割開，但二維位置譜邊界被壓縮?？蛇M(jìn)行兩方面改進(jìn)：1) 校正晶體尺寸和H8500的靈敏區(qū)間使得單個(gè)晶體條落在單獨(dú)的靈敏區(qū)間內(nèi)，以獲得更好的位置分辨；2) 優(yōu)化DPC板電路，以獲得更好的位置分辨。

圖9 511 keV γ能譜Fig.9 γ spectrum at 511 keV

圖10 前端讀出電路測試系統(tǒng)的一維位置譜Fig.10 One-dimensional position spectrum of front-end readout circuit test system

圖11 CAMAC系統(tǒng)的一維位置譜Fig.11 One-dimensional position spectrum of CAMAC system

表2 前端讀出電路測試系統(tǒng)和CAMAC系統(tǒng)一維位置分辨比較Table 2 Comparison of one-dimensional position resolution of front-end readout circuit test system and CAMAC system

4 結(jié)論

本文研制了一種可用于符合測量系統(tǒng)的前端讀出電路，主要包括8通道能量鏈、2通道時(shí)間鏈和基于FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理單元模塊，具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、低噪聲、低成本的特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，電路的線性度優(yōu)于0.8%，噪聲小于0.8 mV(RMS)，時(shí)間鏈時(shí)間分辨率為342.2 ps(FWHM)，能量分辨達(dá)4.5%(FWHM)，位置映射散點(diǎn)圖清晰易于分割。本文研制的前端讀出電路測試系統(tǒng)的主要性能達(dá)到或優(yōu)于CAMAC系統(tǒng)，且可大幅消減電子學(xué)的規(guī)模、功耗及設(shè)備體積和成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該前端讀出電路性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，可用于重離子治癌裝置中的符合測量系統(tǒng)。

a——前端讀出電路；b——CAMAC系統(tǒng)圖12 晶體位置映射圖對比Fig.12 Comparison of crystal flood map