一種能譜分析方法、能譜分析系統(tǒng)及伽馬射線探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及粒子探測(cè)器，具體是一種能譜分析方法、能譜分析系統(tǒng)及伽馬射線探 測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于粒子探測(cè)器來(lái)說(shuō)，最重要的兩個(gè)物理量就是能量和通量，對(duì)這兩個(gè)物理量進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)分析的系統(tǒng)就是粒子探測(cè)器的能譜分析系統(tǒng)，也就是通常所說(shuō)的多道分析儀。粒子 探測(cè)器將粒子能量轉(zhuǎn)化為電子脈沖信號(hào)，一個(gè)粒子通常產(chǎn)生一個(gè)脈沖，脈沖的幅度對(duì)應(yīng)沉 積的粒子能量，而脈沖數(shù)則對(duì)應(yīng)粒子數(shù)，按照脈沖幅度的大小進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，即所謂的多道 分析，最終可以獲得按能量分布的粒子數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即得到粒子的能譜。
[0003] 由此可見(jiàn)，能譜分析系統(tǒng)或所謂的多道分析儀，其本質(zhì)是脈沖幅度譜分析系統(tǒng)，其 主要完成兩個(gè)基本的測(cè)量任務(wù)，首先是對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其次是對(duì)脈沖幅度進(jìn)行檢測(cè)。能譜 分析系統(tǒng)的性能提升也主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是提高計(jì)數(shù)速度，即計(jì)數(shù)率；其二是提 高幅度檢測(cè)精度，即能量分辨率。
[0004] 雖然早期的能譜分析系統(tǒng)是基于模擬信號(hào)分析的模擬能譜系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)和數(shù) 字技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代的能譜分析系統(tǒng)則都是基于數(shù)字信號(hào)分析的數(shù)字能譜系統(tǒng)。相對(duì) 而言，數(shù)字能譜系統(tǒng)更便于進(jìn)行能譜的存儲(chǔ)、處理和傳輸。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)脈沖幅度的精確測(cè)量，必須對(duì)脈沖波形進(jìn)行相應(yīng)的成形，其主要目的是 在壓縮脈沖寬度的同時(shí)使頂部平坦化。目前，典型的能譜分析系統(tǒng)主要有兩種：其一是基 于模擬準(zhǔn)高斯成型的能譜分析系統(tǒng)，其流程框圖如圖1所示，該系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度要 求不高，但需要濾波和成形的多級(jí)模擬電路，因而不利于系統(tǒng)的一體化集成；另一種是基于 數(shù)字梯形成形的能譜分析系統(tǒng)，其流程框圖2所示，該系統(tǒng)需要的模擬前端電路大為簡(jiǎn)化， 因而非常有利于系統(tǒng)集成，但對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的要求更高，通常需要高速和高精度的A/D轉(zhuǎn)換 器。
[0006] 可以看到，上述現(xiàn)有的能譜分析系統(tǒng)均是基于脈沖幅度的直接測(cè)量，因而需要精 密而復(fù)雜的A/D轉(zhuǎn)換電路，因此，仍然存在集成度難以提高的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是鑒于上述的問(wèn)題而做出的，其目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中能譜分析系統(tǒng)因 為包含復(fù)雜的A/D轉(zhuǎn)換電路而難以提高集成度的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種能譜分析方法，包括將粒子能量轉(zhuǎn)化為初始脈沖信號(hào)的步驟，其還包括如下 步驟：
[0010] ①將所述初始脈沖信號(hào)通過(guò)積分放大處理為階躍脈沖信號(hào)A · u (t)，使階躍脈沖 信號(hào)的幅值A(chǔ)與粒子能量E相對(duì)應(yīng)。
[0011] ②將階躍脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖成形后轉(zhuǎn)化為矩形脈沖信號(hào)，使矩形脈沖信號(hào)的脈沖 幅度為一個(gè)定值，使矩形脈沖信號(hào)的脈沖寬度W與階躍脈沖信號(hào)的脈沖幅度A呈一一對(duì)應(yīng) 關(guān)系。
[0012] ③測(cè)量矩形脈沖信號(hào)的脈沖寬度并對(duì)矩形脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)測(cè)得的一 系列脈沖寬度和對(duì)應(yīng)的脈沖計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到脈沖寬度譜。
[0013] ④根據(jù)矩形脈沖寬度與階躍脈沖幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系將脈沖寬度譜轉(zhuǎn)換為脈沖幅度 譜，或者根據(jù)矩形脈沖寬度和粒子能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系將脈沖寬度譜直接轉(zhuǎn)換為粒子的能譜。
[0014] 進(jìn)一步的，所述步驟②中階躍脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為矩形脈沖信號(hào)的方法包括如下步 驟：
[0015] a :將階躍脈沖信號(hào)A · u(t)通過(guò)放大和成形轉(zhuǎn)化為成形脈沖信號(hào)h(A，t)，其中， h(A，t)的脈沖寬度和脈沖幅度為有限非零值。
[0016] b :采用定閾值比較方法將步驟a得到的成形脈沖信號(hào)h(A，t)轉(zhuǎn)化為矩形脈沖信 號(hào)，該矩形脈沖信號(hào)的脈沖幅度為一定值，該矩形脈沖信號(hào)的脈沖寬度W與階躍脈沖信號(hào) 的幅度A成連續(xù)的單調(diào)函數(shù)關(guān)系W = F(A)。
[0017] 進(jìn)一步的，所述步驟a中的成形脈沖信號(hào)具有函數(shù)形式A · f(t)，其中A是階躍 脈沖信號(hào)的脈沖幅度，f(t)是線性或非線性的脈沖函數(shù)，該脈沖函數(shù)具有非零且為有限的 脈沖寬度和脈沖幅度，且脈沖峰值兩邊的上升沿和下降沿分別為連續(xù)的單調(diào)函數(shù)(t)和 f2(t) O
[0018] 所述步驟b的定閾值比較方法中上升沿閾值為非零的T1，下降沿閾值為非零 的T 2，從而得到矩形脈沖信號(hào)的寬度W與階躍脈沖信號(hào)的幅值A(chǔ)成固定的函數(shù)關(guān)系
[0019] 進(jìn)一步的，所述步驟a中的成形脈沖信號(hào)具有函數(shù)形式f (t/A)，其中A是階躍脈沖 信號(hào)的脈沖幅度，f(t/A)是線性或非線性的脈沖函數(shù)，該脈沖函數(shù)具有非零且為有限的脈 沖寬度和脈沖幅度，且脈沖峰值兩邊的上升沿和下降沿分別為連續(xù)的單調(diào)函數(shù)A(VA)和 f2(t/A) 〇
[0020] b:所述步驟b的定閾值比較方法中上升沿閾值為T(mén)1，下降沿閾值為T(mén)2， 從而得到矩形脈沖信號(hào)的寬度W與階躍脈沖信號(hào)的幅值A(chǔ)成固定的線性函數(shù)關(guān)系
[0021] 進(jìn)一步的，所述成形脈沖信號(hào)為線性的三角形脈沖或梯形脈沖，或者為非線性的 指數(shù)衰減脈沖或準(zhǔn)高斯脈沖。
[0022] 與上述能譜分析方法對(duì)應(yīng)有一種能譜分析系統(tǒng)，其包括轉(zhuǎn)化粒子能量的接收探 頭，接收探頭用于將粒子能量轉(zhuǎn)化為初始脈沖電流信號(hào)，其還包括前置放大器、極零相消電 路、脈沖成形電路、定閾值比較器或觸發(fā)器以及內(nèi)含計(jì)數(shù)器或計(jì)時(shí)器的可編程邏輯芯片。其 中，前置放大器將初始脈沖信號(hào)通過(guò)積分放大處理為脈沖幅度與粒子能量對(duì)應(yīng)的階躍脈沖 信號(hào)；極零相消電路用于將階躍脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為指數(shù)衰減脈沖信號(hào)并將信號(hào)幅值放大；脈 沖成形電路用于將指數(shù)衰減脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有一定脈沖寬度和幅度的成形脈沖信號(hào)，定 閾值比較器或觸發(fā)器用于將該成形脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為矩形脈沖信號(hào)，使該矩形脈沖的脈沖幅 度為固定值，使該矩形脈沖的脈沖寬度等于成形脈沖信號(hào)在閾值處的脈沖寬度；可編程邏 輯芯片用于測(cè)量矩形脈沖信號(hào)的脈沖寬度和脈沖計(jì)數(shù)，并根據(jù)測(cè)量所獲得的一系列脈沖寬 度和對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值得到脈沖寬度譜，最后通過(guò)脈沖寬度和脈沖幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以將脈沖 寬度譜轉(zhuǎn)換為脈沖幅度譜，或者根據(jù)脈沖寬度和粒子能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系直接將脈沖寬度譜轉(zhuǎn) 換為粒子的能譜。
[0023] 進(jìn)一步的，所述脈沖成形電路采用沖擊響應(yīng)的時(shí)域波形與成形后的脈沖波形相一 致的準(zhǔn)三角脈沖成形電路。
[0024] 進(jìn)一步的，所述準(zhǔn)三角脈沖成形電路采用模擬的對(duì)數(shù)運(yùn)算脈沖放大電路，其將指 數(shù)衰減脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性衰減的直角三角形脈沖。
[0025] 更進(jìn)一步的可編程邏輯芯片進(jìn)行脈沖寬度檢測(cè)的過(guò)程為：首先將矩形脈沖信號(hào)通 過(guò)D觸發(fā)器與時(shí)鐘信號(hào)同步；然后用矩形脈沖信號(hào)控制計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)， 則計(jì)數(shù)值代表矩形脈沖信號(hào)的脈沖寬度?？删幊踢壿嬓酒M(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)的過(guò)程為：根據(jù)矩 形脈沖的脈沖寬度和階躍脈沖的脈沖幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系W = F(A)，把矩形脈沖信號(hào)的脈沖寬 度計(jì)數(shù)值按線性或非線性的函數(shù)關(guān)系分段Wn=F(An)且Α η+1=Αη+Δ，其中n為非負(fù)的整數(shù)， A為固定值，使每一段脈沖寬度W對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)地址，其中K W〈W n+1，每獲得一個(gè)存儲(chǔ)地 址就對(duì)該地址的存儲(chǔ)值加1，測(cè)量完成后順序讀取所有存儲(chǔ)地址的數(shù)據(jù)即得到線性的脈沖 寬度譜。
[0026] 采用上述能譜分析方法對(duì)應(yīng)有一種伽馬射線探測(cè)系統(tǒng)，其包括接收伽馬光子的固 態(tài)半導(dǎo)體探測(cè)器，其還包括電荷靈敏前置放大器，極零相消電路、準(zhǔn)三