化合物半导体X/γ射线探测器读出电路及能谱分析系统研制

摘要

半导体探测器具有快速的时间响应、宽的线性范围、高的空间分辨率和能量分辨率，因而在航空航天、核医学、安检、环境监测等领域被广泛使用。当前常用的半导体探测器主要有由硅(Si)、锗(Ge)元素材料制备的传统型半导体探测器以及由砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CdZnTe)、碘化汞(HgI2)、碘化铅(PbI2)等材料制备的新型化合物半导体探测器，其中化合物半导体探测器具有较高的原子序数、较大的禁带宽度、较高的电阻率，因此具有光电吸收系数大、温度特性好、探测效率高、体积小等优点，能够满足室温下高分辨率X/γ射线核辐射测量的需求。
　　当前，国内外已开展大量关于化合物半导体探测器的研究，并在晶体生长、电极制备、前端电子学、后端信号处理等方面取得长足进步。因此，本文从构成化合物半导体探测器的晶体材料入手，对其性能进行分析，并针对其特性研制出了高性能探测器读出电路以及高分辨率的能谱测量系统。
　　本论文来源于国家高技术研究发展计划（863计划）资源环境技术领域项目“高精度射线能谱探测仪器研发”（课题编号:2012AA061803），国家自然科学基金项目“核脉冲信号链的数学构建与高速实时数字重构技术研究”(课题编号:41474159)，主要研究内容与取得的研究成果如下:
　　1、对化合物半导体探测器的结构与电子、空穴的迁移特性分析，得到其电信号特征，以1mm厚的CdZnT探测器为例，其对10keV能量射线输出电荷量约为3.448×10-16C，对电子收集时间约为10ns，设计的探测器读出电路的电荷灵敏度应优于1.45×1013V/C，电路带宽应大于100MHz。
　　2、对读出电路的噪声进行分析，根据最佳读出电路实现方式以及最优化滤波器实现原理，设计了差分混合式的电荷灵敏前置放大器，该前置放大器采用折叠型共源共栅自举的双差分对管构成输入缓冲器，采用集成运算放大器构成放大级电路，其电荷灵敏度为2×1013V/C，室温条件下测得零电容噪声为588e，噪声斜率为4.9e/pF，对241Am的γ射线响应波形的信噪比为11∶1，对137Cs源γ射线响应波形的信噪比约为132∶1;
　　3、根据最佳读出电路实现方式以及最优化滤波器实现原理，设计了复位型电荷灵敏前置放大器，该前置放大器采用射频三极管级联构成放大电路，采用高速开关三极管构成施密特触发电路实现复位功能，其电荷灵敏度为2×1013V/C，室温条件下测得其零电容噪声为475e，噪声斜率为6.3e/pF，输出的阶梯信号幅值范围为0至-2.4V，电路复位时间为3μ s;
　　4、针对化合物半导体探测器较差的载流子传输特性所导致的“空穴拖尾”效应，基于电荷比较原理设计了模拟上升时间甄别器，该甄别器以阈值可调的上升时间甄别电路为核心，将衰减后的参考电荷信号和经反褶积延时后的电流信号进行比较:当输入信号上升时间小于甄别时间时，延时电流信号的幅值超过参考电荷信号幅值，从而产生选通信号，触发多道脉冲幅度分析器(MCA)接收总积分电荷信号，否则，MCA不能被触发，对应的总积分电荷信号将被丢弃，从而实现甄别功能。经测试，该电路可对上升时间在100ns至600ns范围内的输入信号进行甄别，甄别时间精度为50ns，使用尺寸为4mm×4mm×2mm的准半球形结构的碲锌镉(CdZnTe)探测器，配合带该模拟上升时间甄别器的能谱测量系统对137Cs源662keV的光电峰测量，能量分辨率由甄别前的3.25％提高到1.59％;
　　5、基于电荷比较原理设计了数字上升时间甄别器，该甄别器以快、慢双通道数字梯形成形器为核心，其快通道的成形时间固定为120ns，保证了极低的脉冲丢失率，同时为慢通道的脉冲幅度提取提供了标准时基信号;慢通道成形时间在0.75μs至18μs，用以实现脉冲幅度提取，与快通道结合采用电荷比较法实现了数字上升时间甄别功能，经测试，该电路可以对上升时间为50ns至850ns范围内的输入信号进行甄别，甄别时间精度为25ns，使用尺寸为4mm×4mm×2mm的准半球形结构的碲锌镉(CdZnTe)探测器，配合带该数字上升时间甄别器的能谱测量系统对137Cs源662keV的光电峰测量，能量分辨率由甄别前的3.25％提高到1.27％;
　　6、针对室温便携式X/γ射线能谱测量系统高温度稳定性、小体积、高能量分辨率的需求，设计了数字多道脉冲幅度分析器，其模拟前端具有增益调节、极性转换、直流偏置调节等功能，数据处理模块使用FPGA设计了快慢双通道的数字梯形成形器，具有脉冲幅度提取、上升时间甄别、计数率校正、基线估计等功能，该多道分析器的信号带宽可以达到100MHz，最高采样率为65Mbps，采样精度为12bit，谱线分辨率为2048道，每道最高计数率为232。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 半导体探测器读出电路研究现状

1．2．2 X／γ射线能谱分析系统研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 创新点

第2章 化合物半导体探测器的性能分析

2．1 半导体探测器的工作原理

2．2 化合物半导体探测器的特点

2．2．1 本征探测效率

2．2．2 能谱特性

2．2．3 能量分辨率

2．3 化合物半导体探测器输出电信号特征

第3章 化合物半导体探测器读出电路噪声分析与滤波器设计

3．1 电荷灵敏前置放大器的基本原理

3．2 电荷灵敏前置放大器的噪声分析

3．3 最优化滤波器原理

3．3．1 对白噪声输入信号的分析

3．3．2 对非白噪声输入信号的分析

3．4 电荷灵敏前置放大器最优滤波器的设计

3．5 数字梯形成形算法

第4章 差分混合型与复位型电荷灵敏前置放大器的设计与实现

4．1 差分混合型电荷灵敏前置放大器

4．1．1 电路整体设计

4．1．2 输入缓冲器

4．1．3 偏置电路

4．1．4 放大电路

4．1．5 白化滤波器

4．2 复位型电荷灵敏前置放大器

4．2．1 电路整体设计

4．2．2 放大电路

4．2．3 复位电路

4．3 前置放大器的PCB设计

4．4 电路性能测试

4．4．1 差分混合型前放性能测试

4．4．2 复位型前放性能测试

第5章 单载流子处理技术与实现

5．1 单载流子处理技术

5．2 电子学修正技术

5．3 模拟上升时间甄别器

5．3．1 模拟上升时间甄别的原理

5．3．2 电路设计

5．3．3 电路性能测试

5．4 数字上升时间甄别器

5．4．1 数字上升时间甄别的原理

5．4．2 数字上升时间甄别的实现

第6章 数字多道脉冲幅度分析器的设计与实现

6．1 数字多道脉冲幅度分析器系统设计

6．2 模拟前端模块

6．2．1 增益调节电路

6．2．2 极性转换电路

6．2．3 直流偏置调节电路

6．3 高速模数转换模块

6．4 FPGA数据处理模块

6．4．1 数字梯形成形器的实现

6．4．2 上升时间甄别的实现

6．4．3 计数率校正的实现

6．4．4 基线估计的实现

6．5 主控与数据传输模块

6．5．1 ARM主控系统的设计

6．5．2 USB转UART电路

7．1 系统测试

7．2 X荧光分析中的应用

7．3 核素识别中的应用

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果