基于探測器陣列的核電子學(xué)讀出電路設(shè)計

張 軍，楊 龍，趙玉秋

（東軟醫(yī)療系統(tǒng)有限公司，遼寧 沈陽 110167）

0 引 言

探測器陣列是微光檢測裝置，被廣泛用于核物理、醫(yī)學(xué)影像及生命科學(xué)等前沿學(xué)科。核電子學(xué)是結(jié)合電子學(xué)和核科學(xué)而產(chǎn)生的交叉學(xué)科。核電子學(xué)的內(nèi)容包括：高能物理和核技術(shù)中有關(guān)核輻射探測的電子技術(shù)；核技術(shù)應(yīng)用中所需的核電子技術(shù)[1]。基于核電子學(xué)，讀出電路是探測器陣列信號的檢測和處理裝置，可從電信號中提取攜帶的核素和核反應(yīng)信息，如幅度代表粒子能量、計數(shù)率代表輻射強(qiáng)度及時間代表粒子飛行的速度、路跡等。

1 重心定位電路原理分析

重心定位電路的基本工作原理是探測器陣列從抽頭接入電阻網(wǎng)絡(luò)，在電阻網(wǎng)路的4個對角線分別引出A、B、C、D四路微弱信號給前置放大器。利用重心法檢測位置信息[2]，重心定位電路的整體原理如圖1所示。

圖1 重心定位電路原理圖

探測器陣列由4×4的半導(dǎo)體探測器組成。探測器在Bias偏置電壓的作用下，檢測到光子射入時發(fā)生雪崩擊穿。通過猝滅電子產(chǎn)生脈沖電流，并注入到電阻網(wǎng)路的抽頭上。探測器陣列中的通道數(shù)量很大，若通過一對一的讀出電路讀出，將導(dǎo)致探測器陣列的核電子學(xué)讀出電路規(guī)模龐大，且增加功耗。利用這種電阻網(wǎng)絡(luò)組成的重心定位電路，將探測器陣列的電信號從4個對角線分別引出[3]。位于4個對角線的放大器分別將輸出的電流脈沖放大成電壓信號。根據(jù)式（1）分別求出被擊中的探測器陣列的位置坐標(biāo)(X,Y)。

2 核電子學(xué)讀出電路設(shè)計與實現(xiàn)

核電子學(xué)讀出電路采用單片集成的方式，芯片上同時分布重心定位電路、采樣電路、甄別電路、偏置電路及FPAG處理電路五部分，整體架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，重心定位電路分別輸出A、B、C、D四路信號到4個獨(dú)立的采樣電路和甄別電路。采樣電路由CR-RC電路和模擬積分器組成，用于將指數(shù)脈沖整形為類高斯形，并經(jīng)模擬積分器得到平穩(wěn)的電荷峰值，從而使脈沖攜帶的能量被ADC精確采樣。甄別電路由閾值設(shè)定DAC和過閾觸發(fā)器組成，脈沖信號超過閾值時被觸發(fā)形成定時信號。高壓電源偏置電路通過DAC設(shè)定探測器陣列的偏置電壓，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)偏置電壓可改變探測器的輸出增益，保持所有探測器輸出幅值一致。

圖2 核電子學(xué)讀出電路整體架構(gòu)

2.1 整形電路

探測器電路的輸出電流脈沖伴隨有噪聲。當(dāng)探測器的電流脈沖近似為沖擊信號且前置放大器中的趨于無窮時，濾波器的輸入噪聲電壓為：

在最大信噪比下采樣電路采集信號。時間常數(shù)RC=τc的CR微分電路可作白噪聲化濾波器。CR電路替代具有低通特性的白噪聲化濾波器，RC積分電路替代具高通特性的匹配濾波器。CR-RC濾波器存在最佳時間常數(shù)τopt=τc，則此時信噪比為：

CR-(RC)m整形電路的峰值為：

階數(shù)m增大，峰值減小，峰位后移。當(dāng)m→∞時，呈高斯形；當(dāng)m=4時，輸出接近高斯形。所以，一般采用CR-(RC)4整形電路。

在最佳信噪比下，階數(shù)m增大，峰值建立時間減小，脈沖寬度變窄。在高計數(shù)率下，CR-(RC)m整形電路可減少脈沖堆積的發(fā)生，提高能量分辨率。隨著階數(shù)的增加，能量畸變增加，這與提高能量分辨率是矛盾的，需要采取折中辦法。

2.2 甄別電路

在核電子學(xué)讀出電路中，甄別電路用于識別有效的探測器脈沖，并產(chǎn)生定時信號給TDC以測量時間。甄別電路由閾值設(shè)置和過閾觸發(fā)電路組成，其定時誤差源于時間游動、時間晃動及時間漂移3個因素。時間游動稱為Time walk，是輸入脈沖幅度和波形變化引起測量電路輸出產(chǎn)生時間的移動，包括幅度變化和上升時間變化。時間晃動稱為Time jitter，是探測器輸出信號的統(tǒng)計性漲落（如渡越時間分散）和噪聲引起測量電路輸出產(chǎn)生時間的統(tǒng)計性漲落。時間漂移稱為Time drift，是測量電路和探測器中對溫度、電源電壓敏感及易老化的元器件引起的時間測量誤差。這種誤差是一種慢變化誤差。

輸入甄別器電路的信號為：

V1為信號幅度，tM為信號達(dá)峰時間。

前沿觸發(fā)時間為：

當(dāng)探測器接收同一種粒子時，輸出脈沖上升時間相同而幅度不同，觸發(fā)時間將沿時間軸產(chǎn)生游動，如：

2.3 電路實現(xiàn)

設(shè)計電路的模型和原理圖后，可實現(xiàn)整個讀出電路。按照原理圖構(gòu)建元件電路，由于核電子學(xué)讀出電路用于時間測量，要求每個信號通道傳輸線嚴(yán)格等長。前級放大器應(yīng)靠近探測器擺放，盡量減少寄生。通道間保持足夠間隙，保證有效的隔離度，避免串?dāng)_。整形和模擬積分電路與ADC的模擬端就近放置，與后面的FPAG電路距離較遠(yuǎn)。放置數(shù)字信號促使采樣通道的噪聲增加，高速數(shù)據(jù)總線應(yīng)保證信號完整性。信號線下面設(shè)置完整的地平面，電源需用內(nèi)墊層分割。

3 電路測試結(jié)果

探測器陣列核電子學(xué)讀出電路的PCBA在實驗室屏蔽間測試能量分辨率，放射源為Na-22點源，晶體為LYSO 3 mm×3 mm×20 mm。通過實驗得到核電子學(xué)讀出電路的能量分辨率和散點圖，如圖3所示。

讀出電路除信號信息外，還需考慮噪聲數(shù)據(jù)的信息。通過實際電路的實驗室測試，充分證明該電路的可行性。

4 結(jié) 論

探測器陣列在各個領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用，研究探測器陣列中的核電子學(xué)讀出電路意義重大。目前，讀出電路逐漸成為探測器陣列性能的決定性因素，可為此類技術(shù)的研究提供參考。

圖3 能量分辨率和散點圖