实时核信号数字化脉冲成形关键技术研究

周建斌1，王 敏1，＊，周 伟1，朱 星1，刘 易1，陈 宝2，鲁保平2，岳爱忠2，秦 力2，何绪新2

（1.成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；2.中国石油集团测井有限公司，陕西 西安 710032）

实时核信号数字化脉冲成形关键技术研究

周建斌1，王 敏1，＊，周 伟1，朱 星1，刘 易1，陈 宝2，鲁保平2，岳爱忠2，秦 力2，何绪新2

（1.成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；2.中国石油集团测井有限公司，陕西 西安 710032）

本文对理想核脉冲信号和实际探测器输出信号分别进行了计算机模拟仿真与分析，总结了不同成形时间的核脉冲信号的数字梯形成形参数的确定方法。在高计数率场合时提高了有效测量计数率，消除了部分脉冲的堆积并减少了系统死时间。同时，采用256点和512点数字三角成形方法测试了Si-PIN半导体探测器的性能，并与模拟电路成形方法进行了对比测试。测试结果表明，脉冲数字成形处理方法提高了探测器计数率和分辨率。

核脉冲信号；数字成形；堆积脉冲

数字化多道谱仪在国外历经几十年的发展，目前已初步实现了商品化。该仪器有两种实现方法：一是利用DSP等获取模拟成形后的核脉冲信号峰值，完成脉冲信号的数字处理［1］；一是利用DSP或FPGA等将核脉冲信号通过高速ADC数字获取，然后将获得的核脉冲信号进行数字成形，再在成形后的脉冲上找到峰值，完成脉冲信号的数字处理。其中，利用第2种方法设计的数字化系统［2-3］不仅可代替复杂的模拟滤波成形电路，提高系统的分辨率和稳定性，而且还能改善系统灵活性和自适应性［46］，在数字化多道谱仪研究中得到了应用。

多道脉冲幅度分析技术是核谱仪的关键技术，是核电子学中最具有典型性和复杂性的技术，而数字化多道则具有技术创新性和挑战性［7-8］。它包括实时核脉冲信号的高速获取、实时连续数字成形处理和高速数据传输等关键技术。因此，研制数字化多道是一项复杂而困难的课题。

由于X射线的测量对分辨率、计数率和系统稳定性的要求均较高，所以对核脉冲信号的数字化处理方法和技术提出了更高的要求。

1 数字化能谱技术

为了研究数字成形脉冲处理器以及相关的技术，建立了如图1所示的系统，其中的ADC选用AD公司20MHz的12位高速ADC，FPGA选用Xilinx的XC3S500E，接口单元选用内嵌CAN协议处理单元的8位微控制器C8051F500，系统与计算机之间采用通讯速率为1Mbps的CAN通讯方式，FPGA与微控制器之间采用1Mbps的UART通讯方式。因为一般的X射线分析系统还带有很多控制部件，为了系统的扩展需要，采用了CAN总线技术。由于PC不带CAN接口，采用CAN-USB模块实现数据的转发。探测器采用美国Moxtek公司Si-PIN探测器。主放大器由一级C-R高通滤波以及两级线性放大部分组成，线性放大倍数为10～20。探测器的成形信号时间常数τ＝RC，调整探测器信号的成形时间只需调整R与C的取值即可。在设计中R取1 500Ω，C取4 700pF，τ为7 050ns。

图1 数字化谱仪系统结构框图Fig.1 Block diagram of digitized spectrometer system

系统中所采用的数字成形的算法如式（1）［3］所示：

式中：S（t）为1个时不变系统；h（t）为该系统的脉冲响应；v（t）为输入信号；t为时间。

2 关键参数的确定与模拟

梯形成形数学模型示于图2。为便于分析，将图2c中梯形底边根据图2b分成3部分，其中两边相等为τ，量化为K（整数个采样单元），梯形的平顶为ΔT，将τ＋ΔT量化为L（整数个采样单元），输入信号的成形时间量化为M（整数个采样单元）。采用理想的负指数信号进行计算机模拟成形。模拟的负指数信号采用式（2）计算得到：

图2 梯形成形数学模型Fig.2 Trapezoidal shaping mathematic model

式中：Y（i）为输出信号；i为采样时间单元号。

理想信号的梯形模拟示于图3。图3a中输入信号为理想的负指数曲线，脉冲的成形时间为100个采样单元，每个采样单位时间为50ns，则每个脉冲的成形时间为5 000ns。输出信号为图中的脉冲形状，脉冲平顶出现左倾和拖尾的情况。图3b中输入信号为理想的负指数曲线，脉冲的成形时间也为100个采样单位，输出信号为图中的脉冲形状，该脉冲平顶右倾，后沿出现了下冲和脉冲宽度变窄的情况。

图3 理想信号的梯形模拟Fig.3 Trapezoidal simulation of ideal signal

通过图3a、b的模拟可看出，首先确定输入信号的成形时间常数是数字成形中的关键一步。造成上述两种不同成形结果的原因，主要在于脉冲成形时间参数选取与原始脉冲的成形时间不匹配。图3a出现的问题是因为成形时间与输入脉冲成形时间相比偏小，而图3b的问题是由于成形时间与输入脉冲成形时间相比偏大。

K与L值的选取与系统需要达到的分辨率以及其他的一些要求有关，基本原则是K＋L应小于原始的脉冲宽度（L≥K），当然如果为了达到高的分辨率，有时K＋L也可超过原始的脉冲宽度。数字成形的主要优点之一就在于适合高计数率的场合，为了达到高的计数率，调整了成形参数，从图3c中可看到梯形成形对于处理堆积脉冲的能力，如果采用以前的处理技术，只能丢掉两个有堆积的信号。通过选择合适的K与L值，可实现图3c中输出信号2所示的结果，实现两个堆积信号的有效分离，而信号本身的幅度没有变化；或通过合适的算法，可得到两个独立的脉冲，脉冲之间的这类堆积效应可有效消除。

通过图3的分析，基本掌握了数字梯形成形的基本特点，利用图1所示系统得到Si-PIN半导体探测器的信号（实际信号宽度约30 000ns），如图4中的输入信号所示。采用3种梯形成形参数进行了脉冲成形后的形状对比。将梯形成形与Gauss成形［7］进行了实测信号的对比模拟，可明显看到梯形成形的优势，梯形成形下降沿很快，可能对于提高测量系统的计数率、降低系统的死时间有一定作用。

图4 单个实际探测器信号的梯形成形和Gauss成形模拟Fig.4 Trapezoidal shaping and Gauss shaping simulation of single detector signal

3 系统测试

通过数字成形中关键参数的确定与计算机模拟［7］，实际的测试系统中，ADC工作在20MHz频率下，选用了3种参数进行了测试，参数1：K＝128、L＝128、M＝200（τ调整为9 400ns，采用的FPGA为Actel公司的A3P250，因系统容量有限，最大只能做到256点三角成形，如图5a）；参数2：K＝256、L＝256、M＝200（更换FPGA为Xilinx公司的XC3S500E，512点三角成形，如图5b）；参数3： K＝230、L＝282、M＝168（FPGA为Xilinx公司的XC3S500E，512点梯形成形，如图5c）。并与模拟Gauss成形的测试结果进行了对比，如图5d（S-K成形参数R＝3 570Ω，C＝1 000pF）。探测器选用的是Moxtek公司的XPIN-BT Si-PIN半导体探测器。

图5 脉冲实时处理效果Fig.5 Real time processing effect of pulse

为了对比不同情况下的系统性能，本文分别做了如下测试。

首先，测试3种不同成形参数的系统能量分辨率，测试结果列于表1。从表1可见，512点时三角成形的分辨率最高，512点所得的谱如图6所示。

表1 3种不同成形参数对比测试55Fe结果（标称分辨率156eV）Table 1 Results of testing55Fe for three different shaping parameters

图6 512点数字化处理的Si-PIN探测器测量谱Fig.6 Spectrum of 512dots digitized Si-PIN detector

其次，测试了系统在不同计数率时的性能。此时改用X-Tube激发样品，仍采用Si-PIN半导体探测器测量样品的特征X射线。在相同测量条件下，采用数字三角成形系统的计数率较模拟Gauss成形系统的平均有所提高。且三级模拟Gauss成形数字化处理系统也参与了对比测试，高计数率时对比测试的结果列于表2。说明采用较短时间的数字成形技术后，系统的分辨率得到保证，而系统在高计数率时的计数率得到明显的提高（减少了漏计数），这种特点对于利用X荧光技术进行合金的分析尤其重要，它可明显改善系统的测量稳定性，以及测量计数率与元素含量之间的线性关系。

表2 不同成形方式对比测试铅黄铜合金的计数率对比（36kV W靶激发）Table 2 Count rate comparison of detecting lead brass alloys with different shaping methods（36kV W target excitation）

第三，测试了在低计数率测量条件时的系统性能。此时采用ER681塑料标样（ROHS测试Pb、Hg、Cr、Br、Cd），由于该标样中原子序数大于11的元素含量均很少，在4种成形方式中测量的结果基本一致。因此，对于在低计数率情况下，要求高分辨率的微量元素分析场合，可采用三级模拟Gauss成形或较长时间的数字成形技术（512点以上三角成形）。而对于要求高稳定性高计数率的合金以及贵重金属的分析场合，则可采用256点数字三角成形技术。

最后，在实际采用X-Tube激发时，电磁干扰要大一些，模拟Gauss成形系统的抗干扰能力要好一些，而模拟Gauss成形中，三级模拟Gauss成形的分辨率要更好一些，因此，在需要X-Tube激发的数字成形系统中，成形方式可采用三级模拟Gauss成形。

4 结论

本文首先对仿真核脉冲信号和实际探测器输出信号进行计算机模拟仿真与分析，总结了对于不同成形时间核信号的数字梯形成形时间常数的确定方法，达到了在高计数率场合时提高有效测量计数率、有效消除脉冲的重叠和减少系统死时间等研究目的。对搭建的数字化测试系统进行了一系列相关测试，得出如下结论：1）采用512点三角成形时，系统能量分辨率最高。2）数字三角成形系统和模拟Gauss成形系统相比，在相同测量条件下平均计数率有所提高。3）在低计数率情况下，要求高分辨率的微量元素分析场合，可采用三级模拟Gauss成形或较长时间的数字成形技术（512点以上三角成形）。而对于要求高稳定性高计数率的合金以及贵重金属的分析场合，则可采用256点数字三角成形技术。4）在需要X-Tube激发的数字成形系统中，成形方式可采用三级模拟Gauss成形。

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［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］ 肖无云，魏义祥，艾宪芸，等.数字化多道脉冲幅度分析技术研究［J］.核技术，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）.

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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）.

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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计划资助项目（2012AA061804）；国家自然科学基金资助项目（41204133）；四川省科技支撑计划资助项目（2013SZ0109）

周建斌（1971—），男，湖南桃源人，副教授，博士，从事核仪器、核方法研究

＊通信作者：王 敏，E-mail：wangmin929＠163.com