上升時間法的α／γ波形數字化實時甄別

李奎念，李 陽，2，張 美，李斌康

（1.西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西西安 710024；2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安 710049）

上升時間法的α／γ波形數字化實時甄別

李奎念1，李 陽1，2，張 美1，李斌康1

（1.西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西西安 710024；2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安 710049）

基于CsI（Tl）探測器的α／γ波形甄別能力，采用上升時間法，設計了一種波形實時甄別系統，系統由高速ADC和高性能FPGA組成。介紹了實時甄別系統的方案設計和甄別算法設計，利用60Coγ源、241Amα源對實時系統進行了甄別測試。研究表明：設計的數字化實時波形甄別系統體積小，能實時甄別開α、γ粒子，甄別品質因子為0.687 5，事件計數率可達2.5×105s－1。

數字化波形甄別；實時甄別；上升時間法；CsI（Tl）閃爍探測器；FPGA

波形甄別［1］是根據閃爍探測器信號形狀差異來判別粒子種類的核物理診斷技術，在混合輻射場測量中起重要作用。傳統的波形甄別主要基于模擬技術，需專用的核儀器插件或采用微機自動測量和控制系統，電路實現復雜、便攜性差。近年來，數字化波形甄別［2－4］成為波形甄別技術的主流研究方向，與傳統方法相比更靈活。

便攜式、實時化的波形甄別是在數字化波形甄別的基礎上產生的。波形甄別算法內嵌在FPGA等可編程器件中，直接從閃爍探測器輸出的單粒子信號中提取甄別參數，判讀粒子的種類?；贔PGA的波形實時甄別與傳統方法及離線數字化甄別相比，具有小型化、實時化等優點，能快速、準確地作出粒子分辨。

國外基于FPGA硬件電路實現的實時波形甄別系統已有很多報道［5－8］，而國內波形實時甄別的研究尚停留在模擬技術，雖有研究者提出了數字化實時甄別系統的設計方案［9］，但未見實用化的報道。本文針對CsI（Tl）無機閃爍探測器，采用上升時間甄別算法，設計一種基于FPGA的α／γ波形數字化實時甄別系統。

1 α／γ波形甄別的原理及方法

CsI（Tl）是鉈激活的碘化銫無機閃爍晶體，發射光譜峰為540～550 nm。CsI（Tl）晶體和與其光譜響應相匹配的光電倍增管耦合在一起，構成CsI（Tl）閃爍探測器。α和γ粒子入射CsI（Tl）探測器時在CsI（Tl）晶體中的電離密度不同［10］。α粒子入射時，能量沉積密度較大，在閃爍體中激發的熒光脈沖衰減時間較短；而γ粒子入射時，能量沉積密度較小，激發的熒光脈沖衰減時間較長。α、γ粒子在CsI（Tl）中的熒光衰減時間不同，由光電倍增管陽極直接引出的α、γ單粒子信號波形也就不同，據此可進行α／γ波形甄別。圖1為歸一化后的α、γ粒子在CsI（Tl）探測器中的脈沖波形。從圖1可看到，α、γ信號均為μs量級，但γ信號較α信號的衰減時間長。

圖1 CsI（Tl）探測器中α、γ的歸一化脈沖波形Fig.1 Normalizedαandγpulse shapes from CsI（Tl）scintillator detector

上升時間法［11］較早基于模擬技術，采用時間幅度轉換器，將待甄別粒子信號某一部分對應的上升時間轉換為脈沖幅度，通過對脈沖幅度差別的分析，進行脈沖波形甄別。隨著數字技術的發展，上升時間法在數字化領域得到了實現［12］。探測器信號經ADC數字化采樣，送入后端電子學進行甄別處理?？紤]到脈沖基線的噪聲水平，為獲得較好的甄別效果，上升時間的選取區間一般為最大脈沖幅度的5%～95%，或選取最大幅度的10%～90%。

2 實時甄別系統

2.1 方案設計

基于FPGA的α／γ波形實時甄別系統設計方案如圖2所示。系統由信號調理、高性能FPGA及高速ADC等模塊組成。CsI（Tl）探測器輸出的信號是單端信號，經信號調理模塊，轉為差分信號送入ADC進行模數轉換，可抑制輸入信號的偶次諧波和共模信號。ADC型號為14位的100 MSPS（每秒100 M采樣點）的AD9254，FPGA部分為搭載了Altera Cyclone4的DE2-115的開發板，ADC通過開發板上的HSMC接口與FPGA進行數據傳輸和時鐘控制。

圖2 實時甄別系統設計方案Fig.2 Scheme of real-time pulse shape discriminator

設計方案中，FPGA是主控制器和核心處理器。高速ADC對探測器單粒子信號進行數字化采樣，送入FPGA，經FIFO緩存后，首先進行閾值判斷。若采樣點的數字化幅度超過預設的觸發閾值，則判斷在該采樣點后的連續5個采樣點是否均滿足閾值條件。若滿足，則從第1個滿足閾值條件的采樣點開始，將固定長度的采樣點序列存儲在一定長度的寄存器組中，供后續處理；若不完全滿足閾值條件，則不進行存儲處理。這樣，可減少小幅度噪聲和基線噪聲對FPGA的資源占用，并可抑制由光電倍增管快脈沖噪聲引起的誤觸發。

對于滿足閾值條件的信號，用計數器控制采樣點序列長度，在時鐘控制下，將采樣點暫存在寄存器組中。暫存的采樣點數據分兩路數據流進行處理：一是對單粒子信號進行峰值提取，作為波形甄別參數之一；二是提取信號的上升時間，作為另一個波形甄別參數。取16個基線信號采樣點的平均值作為信號的平均基線值，來消除基線噪聲對甄別參數的影響。串口發送模塊可將消除了基線影響的甄別參數（信號峰值、上升時間）通過基于VB語言的串口采集軟件傳輸到上位機，存儲在數據庫中，并能用圖形顯示甄別結果。

2.2 算法設計

CsI（Tl）探測器輸出的是圖1所示的脈沖信號，該信號的峰值是波形甄別參數之一。在獲取上升時間這一甄別參數時，需對脈沖信號進行數字化積分，針對積分信號構建恒比定時器。上升時間法的算法核心便是數字化恒比定時器的構建。圖3為數字化積分后的探測器信號?？紤]到FPGA硬件電路的實現，選用積分信號最大幅度的12.5%和87.5%所對應的兩處采樣點的時間間隔作為上升時間。

圖3 上升時間法的算法設計Fig.3 Algorithm design of rise-time method

圖4為采用Verilog HDL語言利用上升時間法進行算法設計的部分原理圖，主要包括PLL＿1、Rise＿Time＿Method及Uart＿RS232 3個模塊。PLL＿1是時鐘模塊，利用FPGA內部的鎖相回路為系統的各模塊提供固定頻率的時鐘信號。DE2-115開發板上嵌有50 MHz的晶振，作為PLL＿1模塊的輸入時鐘，經倍頻和分頻后，PLL＿1分別輸出0°相位和180°相位的100 MHz頻率的時鐘信號及1.84 MHz頻率的時鐘信號。

Rise＿Time＿Method模塊是甄別算法的核心，在100 MHz時鐘驅動下以ADC數字化后的14位數據為輸入，輸出包括表征兩信號間隔的計數器信號counter＿distance［31..0］、用以記錄事件個數的計數器信號counter＿signal［19..0］，以及信號峰值peak＿value［13..0］和上升時間rise＿time［9..0］。

圖4 上升時間法的部分原理圖Fig.4 Partial scheme of rise-time method

Uart＿RS232模塊通過RS232串口將甄別參數peak＿value［13..0］和rise＿time［9..0］送入上位機采集軟件。RS232串口使用的比特率為115 200 bit／s，系統的時鐘頻率為100 MHz，在Uart＿RS232模塊中，設計兩個雙端口RAM，使甄別參數能跨時鐘域正確傳輸。Rise＿Time＿Method模塊發送的甄別參數在100 MHz時鐘控制下寫入雙口RAM，當雙口RAM寫滿，在1.84 MHz時鐘控制下讀取16位RAM數據。計數器信號counter＿distance［31..0］用來控制甄別參數寫入RAM中的時間點。

3 實驗測試及結果分析

3.1 測試原理

實時甄別系統的實驗測試原理如圖5所示。直徑30 mm、厚度35 mm的圓柱形CsI（Tl）無機晶體與9813型光電倍增管直接耦合，構成CsI（Tl）探測器。實驗采用的γ源為60Co，α源為241Am。光電倍增管加－1 500 V高壓后，探測器將陽極信號送入14位、100 MSPS的ADC，FPGA在100 MHz的時鐘驅動下接收ADC數字化信號進行甄別處理。RS232串口將甄別參數傳輸到計算機端的串口采集軟件，JTAG鏈用來將實時甄別算法下載到FPGA。

圖5 實時甄別系統的測試原理Fig.5 Test principle of real-time pulse shape discriminator

3.2 實驗結果及分析

分別對2 000個60Coγ粒子和2 000個241Amα粒子進行實時甄別，為便于比較分析，用Origin8.5軟件重新給出實時甄別參數的二維分布。

上升時間由構建的恒比定時器決定，與選取積分的信號長度有關。在測試實驗中，選用不同長度的信號構建恒比定時器進行測試。為盡可能將整個信號考慮在內，信號長度分別取2.6μs和3.4μs，對2 000個α粒子和2 000個γ粒子進行實時甄別。

圖6為信號長度分別為2.6μs和3.4μs的甄別結果。從圖6可見，信號長度越長，越能將信號后沿包括進來，即越能將兩種粒子甄別開。為評價波形甄別的效果，引入品質因子［13］，品質因子越大，波形甄別的效果越好。實驗中，信號長度取3.4μs時，實時甄別的品質因子為0.687 5，系統在50個時鐘周期（0.5μs）內可將波形甄別參數傳送至上位機，事件計數率可達2.5×105s－1。

圖6 上升時間法的實時甄別結果Fig.6 Real-time discrimination result for rise-time method

4 小結

數字化、便攜式和實時化是波形甄別技術的發展趨勢，α／γ波形數字化實時甄別在暗物質探測［14］及核反應的雙微分截面測量［15］中有著重要的需求。本文采用上升時間法設計了實時甄別系統，ADC采樣率為100 MSPS，可實時甄別出CsI（Tl）晶體的α／γ波形，信號長度取3.4μs時的實時甄別品質因子為0.687 5，事件計數率達2.5×105s－1。若ADC的采樣率能提高到幾百MSPS，這種采用上升時間法的實時甄別系統可應用到液體閃爍體探測器的n／γ波形甄別中，應用將更廣泛。

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Real-timeα／γPulse Shape Digital Discrimination Using Rise-time Method

LI Kui-nian1，LI Yang1，2，ZHANG Mei1，LI Bin-kang1
（1.State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Ef fect，
Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，China；2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

A real-timeα／γpulse shape discriminator based on CsI（Tl）scintillator was developed.The rise-time method was adopted as the inserted algorithm.The real-time discriminator consists of a high-speed ADC and a high-property PFGA.In this paper，the design scheme and the discrimination algorithm of the system were introduced.The real-time system was tested with a60Coγsource and a241Amαsource.The results show that the size of the designed real-time system is small.The discrimination figure of merit is 0.687 5.The system can discriminateαandγevents in real time and its throughput of events is up to 2.5×105s－1.

digital pulse shape discrimination；real-time discrimination；rise-time method；CsI（Tl）scintillation detector；FPGA

TL81

：A

：1000-6931（2015）09-1685-05

10.7538／yzk.2015.49.09.1685

2014-05-21；

2014-07-04

國家自然科學基金資助項目（11105106）；國家重點實驗室基礎研究資助項目（SKLIPR1317）

李奎念（1988—），男，山東菏澤人，碩士研究生，從事脈沖輻射場測量研究