實時核信號數字化脈沖成形關鍵技術研究

周建斌1，王 敏1，＊，周 偉1，朱 星1，劉 易1，陳 寶2，魯保平2，岳愛忠2，秦 力2，何緒新2

（1.成都理工大學 核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059；2.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710032）

實時核信號數字化脈沖成形關鍵技術研究

周建斌1，王 敏1，＊，周 偉1，朱 星1，劉 易1，陳 寶2，魯保平2，岳愛忠2，秦 力2，何緒新2

（1.成都理工大學 核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059；2.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710032）

本文對理想核脈沖信號和實際探測器輸出信號分別進行了計算機模擬仿真與分析，總結了不同成形時間的核脈沖信號的數字梯形成形參數的確定方法。在高計數率場合時提高了有效測量計數率，消除了部分脈沖的堆積并減少了系統死時間。同時，采用256點和512點數字三角成形方法測試了Si-PIN半導體探測器的性能，并與模擬電路成形方法進行了對比測試。測試結果表明，脈沖數字成形處理方法提高了探測器計數率和分辨率。

核脈沖信號；數字成形；堆積脈沖

數字化多道譜儀在國外歷經幾十年的發展，目前已初步實現了商品化。該儀器有兩種實現方法：一是利用DSP等獲取模擬成形后的核脈沖信號峰值，完成脈沖信號的數字處理［1］；一是利用DSP或FPGA等將核脈沖信號通過高速ADC數字獲取，然后將獲得的核脈沖信號進行數字成形，再在成形后的脈沖上找到峰值，完成脈沖信號的數字處理。其中，利用第2種方法設計的數字化系統［2-3］不僅可代替復雜的模擬濾波成形電路，提高系統的分辨率和穩定性，而且還能改善系統靈活性和自適應性［46］，在數字化多道譜儀研究中得到了應用。

多道脈沖幅度分析技術是核譜儀的關鍵技術，是核電子學中最具有典型性和復雜性的技術，而數字化多道則具有技術創新性和挑戰性［7-8］。它包括實時核脈沖信號的高速獲取、實時連續數字成形處理和高速數據傳輸等關鍵技術。因此，研制數字化多道是一項復雜而困難的課題。

由于X射線的測量對分辨率、計數率和系統穩定性的要求均較高，所以對核脈沖信號的數字化處理方法和技術提出了更高的要求。

1 數字化能譜技術

為了研究數字成形脈沖處理器以及相關的技術，建立了如圖1所示的系統，其中的ADC選用AD公司20MHz的12位高速ADC，FPGA選用Xilinx的XC3S500E，接口單元選用內嵌CAN協議處理單元的8位微控制器C8051F500，系統與計算機之間采用通訊速率為1Mbps的CAN通訊方式，FPGA與微控制器之間采用1Mbps的UART通訊方式。因為一般的X射線分析系統還帶有很多控制部件，為了系統的擴展需要，采用了CAN總線技術。由于PC不帶CAN接口，采用CAN-USB模塊實現數據的轉發。探測器采用美國Moxtek公司Si-PIN探測器。主放大器由一級C-R高通濾波以及兩級線性放大部分組成，線性放大倍數為10～20。探測器的成形信號時間常數τ＝RC，調整探測器信號的成形時間只需調整R與C的取值即可。在設計中R取1 500Ω，C取4 700pF，τ為7 050ns。

圖1 數字化譜儀系統結構框圖Fig.1 Block diagram of digitized spectrometer system

系統中所采用的數字成形的算法如式（1）［3］所示：

式中：S（t）為1個時不變系統；h（t）為該系統的脈沖響應；v（t）為輸入信號；t為時間。

2 關鍵參數的確定與模擬

梯形成形數學模型示于圖2。為便于分析，將圖2c中梯形底邊根據圖2b分成3部分，其中兩邊相等為τ，量化為K（整數個采樣單元），梯形的平頂為ΔT，將τ＋ΔT量化為L（整數個采樣單元），輸入信號的成形時間量化為M（整數個采樣單元）。采用理想的負指數信號進行計算機模擬成形。模擬的負指數信號采用式（2）計算得到：

圖2 梯形成形數學模型Fig.2 Trapezoidal shaping mathematic model

式中：Y（i）為輸出信號；i為采樣時間單元號。

理想信號的梯形模擬示于圖3。圖3a中輸入信號為理想的負指數曲線，脈沖的成形時間為100個采樣單元，每個采樣單位時間為50ns，則每個脈沖的成形時間為5 000ns。輸出信號為圖中的脈沖形狀，脈沖平頂出現左傾和拖尾的情況。圖3b中輸入信號為理想的負指數曲線，脈沖的成形時間也為100個采樣單位，輸出信號為圖中的脈沖形狀，該脈沖平頂右傾，后沿出現了下沖和脈沖寬度變窄的情況。

圖3 理想信號的梯形模擬Fig.3 Trapezoidal simulation of ideal signal

通過圖3a、b的模擬可看出，首先確定輸入信號的成形時間常數是數字成形中的關鍵一步。造成上述兩種不同成形結果的原因，主要在于脈沖成形時間參數選取與原始脈沖的成形時間不匹配。圖3a出現的問題是因為成形時間與輸入脈沖成形時間相比偏小，而圖3b的問題是由于成形時間與輸入脈沖成形時間相比偏大。

K與L值的選取與系統需要達到的分辨率以及其他的一些要求有關，基本原則是K＋L應小于原始的脈沖寬度（L≥K），當然如果為了達到高的分辨率，有時K＋L也可超過原始的脈沖寬度。數字成形的主要優點之一就在于適合高計數率的場合，為了達到高的計數率，調整了成形參數，從圖3c中可看到梯形成形對于處理堆積脈沖的能力，如果采用以前的處理技術，只能丟掉兩個有堆積的信號。通過選擇合適的K與L值，可實現圖3c中輸出信號2所示的結果，實現兩個堆積信號的有效分離，而信號本身的幅度沒有變化；或通過合適的算法，可得到兩個獨立的脈沖，脈沖之間的這類堆積效應可有效消除。

通過圖3的分析，基本掌握了數字梯形成形的基本特點，利用圖1所示系統得到Si-PIN半導體探測器的信號（實際信號寬度約30 000ns），如圖4中的輸入信號所示。采用3種梯形成形參數進行了脈沖成形后的形狀對比。將梯形成形與Gauss成形［7］進行了實測信號的對比模擬，可明顯看到梯形成形的優勢，梯形成形下降沿很快，可能對于提高測量系統的計數率、降低系統的死時間有一定作用。

圖4 單個實際探測器信號的梯形成形和Gauss成形模擬Fig.4 Trapezoidal shaping and Gauss shaping simulation of single detector signal

3 系統測試

通過數字成形中關鍵參數的確定與計算機模擬［7］，實際的測試系統中，ADC工作在20MHz頻率下，選用了3種參數進行了測試，參數1：K＝128、L＝128、M＝200（τ調整為9 400ns，采用的FPGA為Actel公司的A3P250，因系統容量有限，最大只能做到256點三角成形，如圖5a）；參數2：K＝256、L＝256、M＝200（更換FPGA為Xilinx公司的XC3S500E，512點三角成形，如圖5b）；參數3： K＝230、L＝282、M＝168（FPGA為Xilinx公司的XC3S500E，512點梯形成形，如圖5c）。并與模擬Gauss成形的測試結果進行了對比，如圖5d（S-K成形參數R＝3 570Ω，C＝1 000pF）。探測器選用的是Moxtek公司的XPIN-BT Si-PIN半導體探測器。

圖5 脈沖實時處理效果Fig.5 Real time processing effect of pulse

為了對比不同情況下的系統性能，本文分別做了如下測試。

首先，測試3種不同成形參數的系統能量分辨率，測試結果列于表1。從表1可見，512點時三角成形的分辨率最高，512點所得的譜如圖6所示。

表1 3種不同成形參數對比測試55Fe結果（標稱分辨率156eV）Table 1 Results of testing55Fe for three different shaping parameters

圖6 512點數字化處理的Si-PIN探測器測量譜Fig.6 Spectrum of 512dots digitized Si-PIN detector

其次，測試了系統在不同計數率時的性能。此時改用X-Tube激發樣品，仍采用Si-PIN半導體探測器測量樣品的特征X射線。在相同測量條件下，采用數字三角成形系統的計數率較模擬Gauss成形系統的平均有所提高。且三級模擬Gauss成形數字化處理系統也參與了對比測試，高計數率時對比測試的結果列于表2。說明采用較短時間的數字成形技術后，系統的分辨率得到保證，而系統在高計數率時的計數率得到明顯的提高（減少了漏計數），這種特點對于利用X熒光技術進行合金的分析尤其重要，它可明顯改善系統的測量穩定性，以及測量計數率與元素含量之間的線性關系。

表2 不同成形方式對比測試鉛黃銅合金的計數率對比（36kV W靶激發）Table 2 Count rate comparison of detecting lead brass alloys with different shaping methods（36kV W target excitation）

第三，測試了在低計數率測量條件時的系統性能。此時采用ER681塑料標樣（ROHS測試Pb、Hg、Cr、Br、Cd），由于該標樣中原子序數大于11的元素含量均很少，在4種成形方式中測量的結果基本一致。因此，對于在低計數率情況下，要求高分辨率的微量元素分析場合，可采用三級模擬Gauss成形或較長時間的數字成形技術（512點以上三角成形）。而對于要求高穩定性高計數率的合金以及貴重金屬的分析場合，則可采用256點數字三角成形技術。

最后，在實際采用X-Tube激發時，電磁干擾要大一些，模擬Gauss成形系統的抗干擾能力要好一些，而模擬Gauss成形中，三級模擬Gauss成形的分辨率要更好一些，因此，在需要X-Tube激發的數字成形系統中，成形方式可采用三級模擬Gauss成形。

4 結論

本文首先對仿真核脈沖信號和實際探測器輸出信號進行計算機模擬仿真與分析，總結了對于不同成形時間核信號的數字梯形成形時間常數的確定方法，達到了在高計數率場合時提高有效測量計數率、有效消除脈沖的重疊和減少系統死時間等研究目的。對搭建的數字化測試系統進行了一系列相關測試，得出如下結論：1）采用512點三角成形時，系統能量分辨率最高。2）數字三角成形系統和模擬Gauss成形系統相比，在相同測量條件下平均計數率有所提高。3）在低計數率情況下，要求高分辨率的微量元素分析場合，可采用三級模擬Gauss成形或較長時間的數字成形技術（512點以上三角成形）。而對于要求高穩定性高計數率的合金以及貴重金屬的分析場合，則可采用256點數字三角成形技術。4）在需要X-Tube激發的數字成形系統中，成形方式可采用三級模擬Gauss成形。

［1］ 敖奇，魏義祥，文向陽.基于DSP的數字化多道脈沖幅度分析器設計［J］.核技術，2007，30（6）：532-536.

AO Qi，WEI Yixiang，WEN Xiangyang.Design of a multi-channel analyzer based on DSP system［J］.Nuclear Techniques，2007，30（6）：532-536（in Chinese）.

［2］ JORDANO V T.Real time digital pulse shaper with variable weighting function［J］.Nucl Instrum Methods Phys Res，2003，505（2）：347-351.

［3］ VALENTIN T.Digital synthesis of pulse shapes in real time for high resolution radiation spectroscopy［J］.Nucl Instrum Methods Phys Res，1994，345（1）：337-345.

［4］ 肖無云，魏義祥，艾憲蕓，等.數字化多道脈沖幅度分析技術研究［J］.核技術，2005，28（10）：777-779.

XIAO Wuyun，WEI Yixiang，AI Xianyun，et al.Research on digital multi-channel pulse height analysis techniques［J］.Nuclear Techniques，2005，28（10）：777-779（in Chinese）.

［5］ 肖無云，魏義祥，艾憲蕓.數字化多道脈沖幅度分析中的梯形成形算法［J］.清華大學學報：自然科學版，2005，45（6）：810-812.

XIAO Wuyun，WEI Yixiang，AI Xianyun.Trapezoidal shaping algorithm for digital multichannel pulse height analysis［J］.Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2005，45（6）：810-812（in Chinese）.

［6］ 張軟玉，陳世國，羅小兵，等.數字化核能譜獲取中信號處理方法的研究［J］.原子能科學技術，2004，28（3）：252-255.

ZHANG Ruanyu，CHEN Shiguo，LUO Xiaobing，et al.Study on the method of digital signals processing for acquiring nuclear energy spectrum［J］.Atomic Energy Science and Technology，2004，28（3）：252-255（in Chinese）.

［7］ ZHOU Jianbin.Study of time-domain digital pulse shaping algorithms for nuclear signal［J］.Nuclear Science and Techniques，2012，23：150-155.

［8］ 王敏，周建斌，方方，等.X熒光分析儀中數字基線估計的研究［J］.光譜學與光譜分析，2013，33（1）：233-236.

WANG Min，ZHOU Jianbin，FANG Fang，et al.The study of baseline estimated in digital XRF analyzer［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2013，33（1）：233-236（in Chinese）.

Key Technology Research of Nuclear Signal Digitized Pulse Shaping in Real Time

ZHOU Jian-bin1，WANG Min1，＊，ZHOU Wei1，ZHU Xing1，LIU Yi1，CHEN Bao2，LU Bao-ping2，YUE Ai-zhong2，QIN Li2，HE Xu-xin2
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China；2.Well Logging Corporation of China National Petroleum Group，Xi’an710032，China）

The computer simulation and analysis were carried out for the ideal nuclear pulse signal and the actual detector output signals，and the determination method of digital trapezoidal shape parameter for different nuclear pulse shaping time was summarized.At high count rate measurement occasion，the effective count rate is increased，some pile-up pulses are eliminated and the accumulation of dead time of the system is reduced.Meanwhile，Si-PIN semiconductor detector performance was tested by 256points and 512points digital triangle forming methods and the analog circuit forming methods for comparative tests.Test results show that the pulse forming treatment method increases the count rate performance and the resolution of detector.

nuclear pulse signal；digital shaping；pile-up pulses

TL822.6

A

1000-6931（2014）02-0352-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0352

2012-12-05；

2013-01-28

863計劃資助項目（2012AA061804）；國家自然科學基金資助項目（41204133）；四川省科技支撐計劃資助項目（2013SZ0109）

周建斌（1971—），男，湖南桃源人，副教授，博士，從事核儀器、核方法研究

＊通信作者：王 敏，E-mail：wangmin929＠163.com