四通道同步能谱测量系统设计与能谱分析

摘要

目前，CdZnTe探测器在核辐射检测、宇宙射线探测、医学PET和SPECT成像等领域都有广泛的应用。在成像领域，一方面CdZnTe探测器向着多像素阵列结构演化，另一方面其读出系统向着集成化、多通道、数字化方向演化。这其中，电荷共享是制约多像素阵列CdZnTe探测器成像分辨的一个重要因素。　　针对实验室现有的 241Am放射源和四像素CdZnTe探测器，本课题通过设计新型的像素阵列CdZnTe探测器读出电路系统，使单像素能谱分辨提高、系统体积减小、通道更多、数字化程度更高。另外，使用搭建好的读出系统创造性的从同步测量和光子位置密度图的角度测试和分析像素阵列探测器电荷共享的问题。为后续大阵列像素 CdZnTe 探测器的读出系统设计优化及探测器电荷共享问题的实验测试提供经验和指导。　　四通道同步能谱测量系统包括幅度谱测量系统和宽度谱测量系统，分别对前端处理电路板出来的近高斯脉冲信号或方波信号进行测量、帧判别、统计及处理，最终转化为能谱谱图和光子位置密度图。　　幅度谱测量系统由ADC处理电路、FPGA数字电路、USB、上位机软件构成。宽度谱测量系统由FPGA数字电路、USB、上位机软件构成。其中ADC处理电路包括电源电路、基准电路、ADC电路、单端转差分电路、信号调理电路等，能将近高斯脉冲信号放大、平移使其满足ADC的输入范围并模数转换成数字信号，仅用于幅度谱测量系统中。FPGA数字电路在幅度谱测量系统和宽度谱测量系统中有较多相似的模块，包括帧识别模块、数据汇总模块、USB 控制模块等；两个系统在帧同步识别方法上也较相似。另外在 FPGA 中，针对幅度谱系统提出了一种新型的单阈值实时峰值检测方法，实时检测核信号脉冲幅值，阈值可调、峰值检测效率高。两系统FPGA上传的帧数据格式相同，与PC间的通信均使用USB，共用相同的USB固件和同一套上位机软件。软件包括数据处理、阵列图谱与汇总图谱显示、光子位置密度图显示、文件管理、图谱滤波等功能，能对放射源进行实时能谱和光子位置密度图显示，同时下发开始采集及停止采集指令、阈值数据给FPGA，控制系统启停。　　实验上进行如下方面测试：　　①使用频率50kHz的正弦波和方波信号对两个系统测试，测量出20s下两个系统的能谱谱图。分析总计数、能谱分辨率、相位漂移、测量误差率等指标。　　②使用 241Am对幅度谱系统进行单通道测试，分析出系统合理的阈值为330 （幅度为161.0mV）左右，同时确定了幅度谱中噪声峰的位置。　　③探测器偏压650V，测量时间600s，使用 241Am对幅度谱系统和宽度谱系统的同一通道进行测试，对比分析两系统获得的能谱谱图。结合模拟信号测试结果，论证宽度谱系统虽然在能谱分辨上略低于幅度谱系统，但在体积、总计数、相位漂移、探测效率、测量误差等方面均优于幅度谱系统。　　④使用优化后的前端处理电路板，通过宽度谱系统对四通道信号同步测试。探测器偏压 700V，测量时间 600s，获得四个通道能谱谱图，分辨率分别 5.6%、6.0%、5.9%、5.7%。　　⑤将帧识别时间设置为0.1μs，通过④获得光子位置密度图，直观显示了四像素CdZnTe探测器电荷共享的影响。通过划分光子位置密度图区域，计算四个像素电荷共享率分别为0.84%、0.99%、0.93%、1.05%。对比电荷共享消除前后的能谱，证实本课题中 241Am对四像素CdZnTe探测器电荷共享的影响较小。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2.1 ASIC和DPP

1.2.2 幅度转宽度技术

1.2.3 电荷共享

1.3 本文研究内容

2 探测器原理简介

2.1 放射源

2.2 γ射线与探测器的相互作用

2.2.1 光电效应

2.2.2 康普顿散射

2.2.3 两种效应比较

2.3.1 探测器结构

2.3.2 工作原理

2.3.3 探测器的主要性能

2.4 电荷共享原理

2.5 读出电路形式

2.6 多道分析器原理

2.7 四通道同步能谱测量系统设计

3 硬件电路设计

3.1 电路整体方案

3.2 各部分电路介绍

3.2.1 电源电路和基准电路

3.2.2 ADC电路

3.2.3 单端转差分电路

3.2.4 信号调理电路

3.3 电路仿真

3.4 本章小结

4 FPGA数字电路设计

4.1 FPGA简介

4.2 FPGA数字电路设计总体框架

4.2.1 幅度谱框架

4.2.2 宽度谱框架

4.3 峰值检测原理

4.3.1 双阈值方法存在的问题

4.3.2 单阈值峰值检测原理

4.4.1 检测原理

4.4.2 仿真

4.5 宽度谱同步检测原理

4.6 重要模块介绍

4.6.1 宽度测量模块

4.6.2 USB控制模块

4.7 本章小结

5 USB通信及上位机软件设计

5.1 USB通信

5.1.1 USB与FPAG通信

5.1.2 USB固件编写

5.2 上位机软件设计

5.2.1 软件总体架构

5.2.2 软件后台代码部分功能介绍

5.2.3 界面图谱显示

5.2.4 界面文件管理

5.2.5 界面图谱滤波与图像保存

5.3 本章小结

6 四通道能谱测量及能谱分析

6.1 系统平台与信号模拟测试

6.1.1 幅度谱系统测试

6.1.2 宽度谱系统测试

6.2 单通道幅度谱阈值、噪声峰分析

6.3 单通道幅度谱与宽度谱对比分析

6.4 四通道宽度谱同步及电荷共享

6.5 本章小结

7 总结与展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文

B 学位论文数据集

致谢