李奎念，李 陽，2，張 美，李斌康

（1.西北核技術(shù)研究所強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710024；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049）

上升時(shí)間法的α／γ波形數(shù)字化實(shí)時(shí)甄別

李奎念1，李 陽1，2，張 美1，李斌康1

（1.西北核技術(shù)研究所強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710024；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)間法，設(shè)計(jì)了一種波形實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)，系統(tǒng)由高速ADC和高性能FPGA組成。介紹了實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和甄別算法設(shè)計(jì)，利用60Coγ源、241Amα源對實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了甄別測試。研究表明：設(shè)計(jì)的數(shù)字化實(shí)時(shí)波形甄別系統(tǒng)體積小，能實(shí)時(shí)甄別開α、γ粒子，甄別品質(zhì)因子為0.687 5，事件計(jì)數(shù)率可達(dá)2.5×105s－1。

數(shù)字化波形甄別；實(shí)時(shí)甄別；上升時(shí)間法；CsI（Tl）閃爍探測器；FPGA

波形甄別［1］是根據(jù)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(shù)，在混合輻射場測量中起重要作用。傳統(tǒng)的波形甄別主要基于模擬技術(shù)，需專用的核儀器插件或采用微機(jī)自動測量和控制系統(tǒng)，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、便攜性差。近年來，數(shù)字化波形甄別［2－4］成為波形甄別技術(shù)的主流研究方向，與傳統(tǒng)方法相比更靈活。

便攜式、實(shí)時(shí)化的波形甄別是在數(shù)字化波形甄別的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。波形甄別算法內(nèi)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(shù)，判讀粒子的種類?；贔PGA的波形實(shí)時(shí)甄別與傳統(tǒng)方法及離線數(shù)字化甄別相比，具有小型化、實(shí)時(shí)化等優(yōu)點(diǎn)，能快速、準(zhǔn)確地作出粒子分辨。

國外基于FPGA硬件電路實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)波形甄別系統(tǒng)已有很多報(bào)道［5－8］，而國內(nèi)波形實(shí)時(shí)甄別的研究尚停留在模擬技術(shù)，雖有研究者提出了數(shù)字化實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［9］，但未見實(shí)用化的報(bào)道。本文針對CsI（Tl）無機(jī)閃爍探測器，采用上升時(shí)間甄別算法，設(shè)計(jì)一種基于FPGA的α／γ波形數(shù)字化實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)。

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(jī)閃爍晶體，發(fā)射光譜峰為540～550 nm。CsI（Tl）晶體和與其光譜響應(yīng)相匹配的光電倍增管耦合在一起，構(gòu)成CsI（Tl）閃爍探測器。α和γ粒子入射CsI（Tl）探測器時(shí)在CsI（Tl）晶體中的電離密度不同［10］。α粒子入射時(shí)，能量沉積密度較大，在閃爍體中激發(fā)的熒光脈沖衰減時(shí)間較短；而γ粒子入射時(shí)，能量沉積密度較小，激發(fā)的熒光脈沖衰減時(shí)間較長。α、γ粒子在CsI（Tl）中的熒光衰減時(shí)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(jù)此可進(jìn)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(shí)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(shí)間法［11］較早基于模擬技術(shù)，采用時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換器，將待甄別粒子信號某一部分對應(yīng)的上升時(shí)間轉(zhuǎn)換為脈沖幅度，通過對脈沖幅度差別的分析，進(jìn)行脈沖波形甄別。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，上升時(shí)間法在數(shù)字化領(lǐng)域得到了實(shí)現(xiàn)［12］。探測器信號經(jīng)ADC數(shù)字化采樣，送入后端電子學(xué)進(jìn)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(shí)間的選取區(qū)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(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)

2.1 方案設(shè)計(jì)

基于FPGA的α／γ波形實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。系統(tǒng)由信號調(diào)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(jīng)信號調(diào)理模塊，轉(zhuǎn)為差分信號送入ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)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(diǎn)）的AD9254，F(xiàn)PGA部分為搭載了Altera Cyclone4的DE2-115的開發(fā)板，ADC通過開發(fā)板上的HSMC接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘控制。

圖2 實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Scheme of real-time pulse shape discriminator

設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)PGA是主控制器和核心處理器。高速ADC對探測器單粒子信號進(jìn)行數(shù)字化采樣，送入FPGA，經(jīng)FIFO緩存后，首先進(jìn)行閾值判斷。若采樣點(diǎn)的數(shù)字化幅度超過預(yù)設(shè)的觸發(fā)閾值，則判斷在該采樣點(diǎn)后的連續(xù)5個(gè)采樣點(diǎn)是否均滿足閾值條件。若滿足，則從第1個(gè)滿足閾值條件的采樣點(diǎn)開始，將固定長度的采樣點(diǎn)序列存儲在一定長度的寄存器組中，供后續(xù)處理；若不完全滿足閾值條件，則不進(jìn)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(fā)。

對于滿足閾值條件的信號，用計(jì)數(shù)器控制采樣點(diǎn)序列長度，在時(shí)鐘控制下，將采樣點(diǎn)暫存在寄存器組中。暫存的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分兩路數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理：一是對單粒子信號進(jìn)行峰值提取，作為波形甄別參數(shù)之一；二是提取信號的上升時(shí)間，作為另一個(gè)波形甄別參數(shù)。取16個(gè)基線信號采樣點(diǎn)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(shù)的影響。串口發(fā)送模塊可將消除了基線影響的甄別參數(shù)（信號峰值、上升時(shí)間）通過基于VB語言的串口采集軟件傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，存儲在數(shù)據(jù)庫中，并能用圖形顯示甄別結(jié)果。

2.2 算法設(shè)計(jì)

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(shù)之一。在獲取上升時(shí)間這一甄別參數(shù)時(shí)，需對脈沖信號進(jìn)行數(shù)字化積分，針對積分信號構(gòu)建恒比定時(shí)器。上升時(shí)間法的算法核心便是數(shù)字化恒比定時(shí)器的構(gòu)建。圖3為數(shù)字化積分后的探測器信號?？紤]到FPGA硬件電路的實(shí)現(xiàn)，選用積分信號最大幅度的12.5%和87.5%所對應(yīng)的兩處采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔作為上升時(shí)間。

圖3 上升時(shí)間法的算法設(shè)計(jì)Fig.3 Algorithm design of rise-time method

圖4為采用Verilog HDL語言利用上升時(shí)間法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的部分原理圖，主要包括PLL＿1、Rise＿Time＿M(jìn)ethod及Uart＿RS232 3個(gè)模塊。PLL＿1是時(shí)鐘模塊，利用FPGA內(nèi)部的鎖相回路為系統(tǒng)的各模塊提供固定頻率的時(shí)鐘信號。DE2-115開發(fā)板上嵌有50 MHz的晶振，作為PLL＿1模塊的輸入時(shí)鐘，經(jīng)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(shí)鐘信號及1.84 MHz頻率的時(shí)鐘信號。

Rise＿Time＿M(jìn)ethod模塊是甄別算法的核心，在100 MHz時(shí)鐘驅(qū)動下以ADC數(shù)字化后的14位數(shù)據(jù)為輸入，輸出包括表征兩信號間隔的計(jì)數(shù)器信號counter＿distance［31..0］、用以記錄事件個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器信號counter＿signal［19..0］，以及信號峰值peak＿value［13..0］和上升時(shí)間rise＿time［9..0］。

圖4 上升時(shí)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(shù)peak＿value［13..0］和rise＿time［9..0］送入上位機(jī)采集軟件。RS232串口使用的比特率為115 200 bit／s，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為100 MHz，在Uart＿RS232模塊中，設(shè)計(jì)兩個(gè)雙端口RAM，使甄別參數(shù)能跨時(shí)鐘域正確傳輸。Rise＿Time＿M(jìn)ethod模塊發(fā)送的甄別參數(shù)在100 MHz時(shí)鐘控制下寫入雙口RAM，當(dāng)雙口RAM寫滿，在1.84 MHz時(shí)鐘控制下讀取16位RAM數(shù)據(jù)。計(jì)數(shù)器信號counter＿distance［31..0］用來控制甄別參數(shù)寫入RAM中的時(shí)間點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

3.1 測試原理

實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(jī)晶體與9813型光電倍增管直接耦合，構(gòu)成CsI（Tl）探測器。實(shí)驗(yàn)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，F(xiàn)PGA在100 MHz的時(shí)鐘驅(qū)動下接收ADC數(shù)字化信號進(jìn)行甄別處理。RS232串口將甄別參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端的串口采集軟件，JTAG鏈用來將實(shí)時(shí)甄別算法下載到FPGA。

圖5 實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)的測試原理Fig.5 Test principle of real-time pulse shape discriminator

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對2 000個(gè)60Coγ粒子和2 000個(gè)241Amα粒子進(jìn)行實(shí)時(shí)甄別，為便于比較分析，用Origin8.5軟件重新給出實(shí)時(shí)甄別參數(shù)的二維分布。

上升時(shí)間由構(gòu)建的恒比定時(shí)器決定，與選取積分的信號長度有關(guān)。在測試實(shí)驗(yàn)中，選用不同長度的信號構(gòu)建恒比定時(shí)器進(jìn)行測試。為盡可能將整個(gè)信號考慮在內(nèi)，信號長度分別取2.6μs和3.4μs，對2 000個(gè)α粒子和2 000個(gè)γ粒子進(jìn)行實(shí)時(shí)甄別。

圖6為信號長度分別為2.6μs和3.4μs的甄別結(jié)果。從圖6可見，信號長度越長，越能將信號后沿包括進(jìn)來，即越能將兩種粒子甄別開。為評價(jià)波形甄別的效果，引入品質(zhì)因子［13］，品質(zhì)因子越大，波形甄別的效果越好。實(shí)驗(yàn)中，信號長度取3.4μs時(shí)，實(shí)時(shí)甄別的品質(zhì)因子為0.687 5，系統(tǒng)在50個(gè)時(shí)鐘周期（0.5μs）內(nèi)可將波形甄別參數(shù)傳送至上位機(jī)，事件計(jì)數(shù)率可達(dá)2.5×105s－1。

圖6 上升時(shí)間法的實(shí)時(shí)甄別結(jié)果Fig.6 Real-time discrimination result for rise-time method

4 小結(jié)

數(shù)字化、便攜式和實(shí)時(shí)化是波形甄別技術(shù)的發(fā)展趨勢，α／γ波形數(shù)字化實(shí)時(shí)甄別在暗物質(zhì)探測［14］及核反應(yīng)的雙微分截面測量［15］中有著重要的需求。本文采用上升時(shí)間法設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)，ADC采樣率為100 MSPS，可實(shí)時(shí)甄別出CsI（Tl）晶體的α／γ波形，信號長度取3.4μs時(shí)的實(shí)時(shí)甄別品質(zhì)因子為0.687 5，事件計(jì)數(shù)率達(dá)2.5×105s－1。若ADC的采樣率能提高到幾百M(fèi)SPS，這種采用上升時(shí)間法的實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)可應(yīng)用到液體閃爍體探測器的n／γ波形甄別中，應(yīng)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(xué)基金資助項(xiàng)目（11105106）；國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)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