碲锌镉探测器的数字核信号处理系统设计

设计了完整的碲锌镉(Cd Zn Te,CZT)探测器数字核信号处理系统,包含了低功耗偏压电源、低噪声电荷灵敏放大器、数字梯形多道脉冲幅度分析器及数字上升时间甄别器。在考虑探测器与后端数字多道优化匹配前提下设计了低噪声电荷灵敏放大器;数字多道脉冲幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer,DMCA)通过高速模数转换器将模拟核信号离散化后,在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)中实现数字核脉冲信号处理;FPGA芯片中以快慢双通道梯形成形器为核心,针对碲锌镉探测器空穴收集不完全的问题,设计了数字上升时间甄别模块,有效消除了空穴拖尾效应,显著提升碲锌镉探测器的能量分辨率。从实验结果可知,针对西北工业大学提供的4 mm×4 mm×2 mm的准半球结构碲锌镉探测器对241Am的分辨率最佳可达3.6%,对137Cs的分辨率可达0.96%。

一种高效紧凑反康普顿谱仪的初步研制

目前现有的反康普顿高纯锗γ谱仪主要采用模拟电路实现多路反符合,从而实现对康普顿散射本底的抑制。由于模拟电路复杂度高,调试不易,温度稳定性差,灵活性不足,长期稳定性与性能都有局限性。本文研制了数字式反康普顿高纯锗γ谱仪:将高纯锗主探测器、环形符合探测器及塞子符合探测器测量得到的每个射线事例信息(到达时间、能量、探测器ID等)以数据包流方式发送到计算机端(时间戳列表模式既list-mode),上位机端根据预设的配置参数对不同探测器的事例数据包进行组合处理实现符合\反符合等处理,并自动绘制出符合分辨曲线,从而确定最优符合分辨窗口τ值,实时得到原始高纯锗能谱、反康后高纯锗能谱、反符合能谱、符合分辨曲线等。系统采用了200 MHz同步时钟为每个事例数据包打上时间戳,保证有5 ns的时间同步精度,可满足高纯锗γ谱仪的反康普顿要求。采用了对称零面积梯形成形方式替代传统梯形成形在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片内部实现了快、慢成形双通道,实现优异的低频噪声抑制与基线估计效果。针对大体积高纯锗探测器开发了上升时间、多点能量沉积修正等算法,可有效提高系统能量分辨率。采用SQLite快速数据库存储所有探测器的事例数据包,可实现一次测量、多次重复使用的效果,避免了参数调整带来的重复测量时间浪费,体现了list-mode数字化测量设计的优势。经测试,本系统的康普顿减弱因子(康普顿边处)达9.8,反康后峰康比可达1 158:1,60Co的1 332.5 keV全能峰能量半高宽为1.70 keV(60%相对探测效率),反康前系统积分本底为1.674 s-1,反康后积分本底降为0.483 s-1,针对137Cs的最小可探测活度(MinimumDetectable Activity,MDA)反康前为20.5 mBq,反康后降低至11.3 mBq。