便携式多道能谱分析系统的研制

在辐射剂量测量中,通常是对辐射场剂量感兴趣,因此要求测量设备的计数率尽量高。但有时也需要对不同能量范围的辐射剂量进行统计分析,所以需要类似于多道分析器的设备对其能谱进行测量,然后对感兴趣的能量区域的计数进行统计计算得到辐射场的剂量参数。

传统的多道分析器一般采用线性放电型ADC对信号的峰值进行数字化,其优点是微分非线性好,道宽一致性好。但其缺点是积分非线性较难提高,变换时间与输入信号的幅度有关,幅度越大,变换时间越长,导致死时间较长。系统是针对用户提出的要求设计的,其计数率为(10~30)×103s-1,能够对任意能量范围的计数率进行统计。由于对能谱的测量要求不高,本文采用了快速AD变换后的数字寻峰技术,特点是变换速度快,寻峰时间只与输入信号宽度有关。

1　寻峰原理

数字寻峰技术的关键是要求AD转换器能够跟随输入波形进行采样,每次采样的结果与参照值进行比较,如果本次采样值比前面的参照值大,则将本次的结果保留下来,作为下一次采样的参照值;如果小于参照值,则保留原来的参照值。当输入脉冲结束之后,参照值即脉冲的峰值。为了保证能采样到脉冲的峰值,我们先来对输入脉冲的形状进行分析。定义脉冲宽度为脉冲曲线的十分之一高全宽[1],对应于图1中的2tw。一般经过主放滤波成形后脉冲已经成为准高斯形状,假设主放的成形时间为1μs,则经过主放后,输入到ADC的脉冲宽度约为2μs。为简单起见,假设成形后的脉冲为高斯波形,脉冲幅度为Vm,脉冲半宽度tw为1μs,峰值对应时间为t0,如图1所示。该函数可以设为

其中A是高斯函数的参数,需要由其他条件定。考虑到t0±tw时刻对应的脉冲幅度为满幅度的10%,所以约束条件可以表达为V(t0+tw)=αVm,这里tw=1μs,α=10%。把这些条件代入式(1)解得A=-lnα/t2w=2.3μs-2,

所以

下面确定采样时钟频率。如果该频率太低,则无法寻到峰值;如果太高,数据量太大,又会占用过多存储空间,加重硬件负担,所以要选用一个合适的时钟频率。如图1所示,ΔV是ADC的量化间隔[(1/2n)FSR]。当一个脉冲的顶部落在某个ΔV内时,认为脉冲幅度大小就是该ΔV所对应的量化电平值。准高斯波形的特点是顶部比较平坦,左右基本对称,脉冲宽度大致相同。由这些性质可以看出,随着脉冲幅度的提高,其顶部也变得相对陡峭起来。因此只要保证能把大幅度信号峰值采集下来,对小幅度的信号一定也能做到,极端情况就是输入脉冲是满幅度的。所以以下讨论只针对满幅度输入的脉冲信号。

设ADC是n位的,当信号幅度上升到峰值的(2n-1)/2n时,即V(t)=[(2n-1)/2n]Vm时,可以认为峰值已经寻到。设此时对应的时间宽度为2tm,代入解得