曾國強 魏世龍 夏 源 李 強 徐亞東 葛良全 介萬奇

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)重點實驗室 成都 610051）2（西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院 西安 710072）

碲鋅鎘探測器的數(shù)字核信號處理系統(tǒng)設(shè)計

曾國強1魏世龍1夏 源1李 強1徐亞東2葛良全1介萬奇2

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)重點實驗室 成都 610051）2（西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院 西安 710072）

設(shè)計了完整的碲鋅鎘(CdZnTe, CZT)探測器數(shù)字核信號處理系統(tǒng)，包含了低功耗偏壓電源、低噪聲電荷靈敏放大器、數(shù)字梯形多道脈沖幅度分析器及數(shù)字上升時間甄別器。在考慮探測器與后端數(shù)字多道優(yōu)化匹配前提下設(shè)計了低噪聲電荷靈敏放大器；數(shù)字多道脈沖幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer, DMCA)通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬核信號離散化后，在現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中實現(xiàn)數(shù)字核脈沖信號處理；FPGA芯片中以快慢雙通道梯形成形器為核心，針對碲鋅鎘探測器空穴收集不完全的問題，設(shè)計了數(shù)字上升時間甄別模塊，有效消除了空穴拖尾效應(yīng)，顯著提升碲鋅鎘探測器的能量分辨率。從實驗結(jié)果可知，針對西北工業(yè)大學(xué)提供的4mm×4mm×2mm的準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)碲鋅鎘探測器對241Am的分辨率最佳可達(dá)3.6%，對137Cs的分辨率可達(dá)0.96%。

碲鋅鎘探測器，電荷靈敏放大器，核信號處理系統(tǒng)，上升時間甄別，數(shù)字脈沖幅度分析器

碲鋅鎘(CdZnTe, CZT)探測器為復(fù)合型化合物半導(dǎo)體探測器，具有較大的禁帶寬度和高原子序數(shù)，在室溫工作條件下對55Fe (5.9keV)、125I (27.5keV)、241Am (59.5keV)、57Co (122keV)、137Cs (662keV)以及60Co (1.17MeV，1.33MeV)的γ射線，不僅有較高的能量分辨，同時還具有較高的探測效率，填補了閃爍體探測器和HPGe探測器在X、γ射線的探測應(yīng)用領(lǐng)域中的不足，從而得到一種在室溫下工作，既有高的探測效率又有較好能譜特性和清晰成像能力的探測器[1–3]。目前國內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、清華大學(xué)等高校在碲鋅鎘探測器的晶體生長、電極制備及探測器封裝上做了較多工作也取得了很好的進展[4–6]。CZT探測器與硅Pin、HPGe等其他探測器有所不同，完全自主開發(fā)并成功應(yīng)用于產(chǎn)品的核信號設(shè)計較少見諸報道，較多是采用國外Amptek、Canberra等公司的電荷靈敏放大器與數(shù)字多道脈沖幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer, DMCA)獲取實驗室級別的核脈沖信號與實用譜線，尤其是能夠克服CZT探測器空穴捕獲拖尾效應(yīng)而設(shè)計的DMCA在國內(nèi)未見有報道。

本文的研究采用的是西北工業(yè)大學(xué)準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)的碲鋅鎘探測器，探測器尺寸為：4mm× 4mm×2mm，探測器的漏電流小于10nA，等效輸出電容在5pF以內(nèi)，工作偏壓為200–400V[7]。

1 數(shù)字核信號處理系統(tǒng)

CZT探測器的表面是很薄的金屬電極，這些電極在偏壓電源提供的偏壓作用下在探測器內(nèi)部產(chǎn)生偏壓電場。當(dāng)有電離能力的射線與CZT晶體作用時，晶體內(nèi)部產(chǎn)生電子和空穴對，并且數(shù)量和入射光子的能量成正比。帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴分別朝不同的電極運動，最終被收集起來，該電荷信號經(jīng)過電荷靈敏前置放大器(Charge Sensitive Pre-amplifier, CSA)變成電壓脈沖，其幅度與入射光子的能量成正比。該脈沖信號輸入到帶上升時間甄別的DMCA中對信號進行脈沖幅度分析和上升時間判別，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Block scheme of system.

由于CZT探測器中空穴載流子的漂移距離與壽命較短，導(dǎo)致電荷收集不完全，信號的幅度減小，上升時間變長，使得系統(tǒng)的能量分辨率變差，因此

在DMCA中設(shè)計了數(shù)字上升時間甄別模塊，將電荷收集不完全的信號丟棄掉，然后做計數(shù)率補償，從而提高系統(tǒng)的能量分辨率。

2 低噪聲低功耗電荷靈敏放大器設(shè)計

圖2為CZT探測器的CSA原理圖。電荷靈敏放大器主要有直流耦合和交流耦合兩種，直流耦合方式下探測器的漏電流與信號電流一起流入電荷靈敏放大器，由于漏電流的原因會使電荷靈敏放大器的輸出有直流漂移，如果采用傳統(tǒng)的并聯(lián)電阻放電方式設(shè)計CSA，由并聯(lián)電阻泄放反饋電容上的電荷，則為保證獲得最低的噪聲，并聯(lián)電阻應(yīng)該越大越好，但在直流耦合方式下，越大的并聯(lián)放電電阻，則會帶來越大的直流漂移，也就限制了并聯(lián)放電電阻的阻值，使CSA的輸出噪聲變大，因此通常設(shè)計專門的復(fù)位電路在CSA輸出滿幅度時復(fù)位CSA，但復(fù)位型CSA的設(shè)計難度較大，復(fù)位電路對CSA的影響比較難以控制，同時復(fù)位信號也帶來了一定的死時間。交流耦合方式盡管沒有并聯(lián)電阻帶來的直流漂移問題，但由于采用了交流耦合電容，因此交流耦合電容與CSA的等效輸入電容之間會有電荷分壓的關(guān)系，使得信號輸出幅度變小，信噪比略有變差，但因其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、計數(shù)通過率較高而廣為使用。

圖2 與CZT探測器匹配低噪聲電荷靈敏放大器Fig.2 Low noise charge sensitive amplifier matching witch CZT detector.

圖2 中R4為探測器的偏置電阻，R4與交流耦合電容C10構(gòu)成一個放電回路，時間常數(shù)τ1=R4×C10=0.5ms，而CSA自身的反饋電阻R20–R24與反饋電容C19構(gòu)成一個放電回路，時間常數(shù)τ2=5G×0.033pF=0.16ms；CSA后級的微分成形電路C11，R11的時間常數(shù)為3.2μs，顯然遠(yuǎn)小于τ1和τ2，因此不會帶來明顯的極零點。電阻R4太小則不僅會給CSA輸出信號帶來極零點，還會使探測器的噪聲變大，因此通常要保證偏置電阻上的壓差為0.5V情況下，噪聲最低[8]，考慮到CZT探測器的漏電流在10nA以內(nèi)，因此偏置電阻選擇在50?200M比較合適，可根據(jù)實際探測器的漏電流來選擇最合適的電阻大小。

交流耦合電容C10與CSA的輸入等效電容構(gòu)成電容分壓關(guān)系，如果C10太小，電荷的耦合不完整，會有損失。而C10太大，則探測器及偏壓電源的低頻噪聲會耦合到CSA使系統(tǒng)噪聲增加，因此通常選擇10nF為宜。

在選用電荷靈敏放大器的第一級結(jié)型場效應(yīng)晶體管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)時，除了需要考慮JFET自身的Gm、Ciss、等效噪聲等參數(shù)以外，還需要考慮與前端探測器的匹配問題，由文獻(xiàn)[9]可知當(dāng)探測器的自身等效電容與前放第一級JFET的Ciss相等時，可獲得最高的信噪比。因此對于小電容探測器，可選用2N4416、2SK152；對于大電容探測器則可選用2N6550、2SK147，或者多個JFET并聯(lián)。本文選用的碲鋅鎘探測器為半球形結(jié)構(gòu)，其等效電容較小，低于5pF，故選用2N4416作為第一級前放JFET。

本文設(shè)計的電荷靈敏放大器采用典型的折疊型電路結(jié)構(gòu)[10]。R6、R8、R12構(gòu)成偏置電路，用以設(shè)定合適的靜態(tài)工作點。R12、R14、Q4構(gòu)成恒流源，設(shè)三極管的開啟電壓為0.6V，由于R12的電壓為2.6V，那么流過R14和三極管Q4的電流為1mA，因此流過三極管Q1的電流也約為1mA。另外R2、R4、Q1也構(gòu)成恒流源，保證R2流過的電流為5mA，

由于流入Q1的電流為1mA，那么通過電阻R2流入JFET (Q1)漏極的電流為4mA。查2N4416數(shù)據(jù)手冊可知，4mA漏電流在允許的Idss范圍之內(nèi)，同時設(shè)置JFET的漏電電壓為4V，可保證2N4416獲得較佳的噪聲特性。另外，由于R12、R14、Q4構(gòu)成了恒流源，成為了三極管Q1的有源負(fù)載，大大地提高了電路的開環(huán)增益。

為盡可能提高信噪比，本文采用OPA683高速低噪聲電流型運算放大器對前級輸出的信號進一步放大。由于前級輸出信號的時間常數(shù)τ1、τ2較大，不能直接對該信號進行放大，否則在高計數(shù)率情況下，放大器的輸出會滿幅度過載，因此本文先對前級放大器輸出的信號進行了一次CR微分整形，信號被調(diào)整為3.2μs寬度的指數(shù)信號，然后才經(jīng)過OPA683放大輸出，OPA863靜態(tài)工作電流僅為1mA左右，但可輸出200mA左右的驅(qū)動電流，是低噪聲的電流型運算放大器，因此適合用于對CSA前級信號的放大及對后級電路的推動。

3 低功耗偏置電源設(shè)計

圖3為本文設(shè)計的一種低功耗偏壓電源。該電源主要由升壓控制器、開關(guān)場效應(yīng)管、倍壓整流電路和電子濾波器構(gòu)成[11?12]。

圖3 350V低功耗低噪聲偏壓電源設(shè)計Fig.3 Scheme of 350V low voltage and ripple bias power supply.

MAX668為1.8?28 V寬輸入電壓范圍的升壓控制器。其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上，采用電流脈寬調(diào)制模式(Pulse Width Modulation, PWM)，可由外部電阻選擇100–500kHz范圍的振蕩頻率，實際應(yīng)用時需要針對實際的電感特性微調(diào)該外部電阻，可實現(xiàn)最優(yōu)的電源轉(zhuǎn)換效率與電壓穩(wěn)定性。該控制器還具備關(guān)斷功能，可在不需使用高壓電源時關(guān)閉MAX668，達(dá)到減小電源損耗的目的。因此，該升壓控制器很適合在手持式電源系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖3中D1–D9和C7–C9組成4級電容倍壓電路。圖3中的二極管最好選擇低導(dǎo)通壓降，正向?qū)〞r間和反向恢復(fù)時間短，反向擊穿電壓高的肖特基二極管，本文采用的是MBRS3201T3，其反向擊穿電壓200V，正向壓降0.59V，反向恢復(fù)時間小于35ns。最后的電壓輸出級采用2N5551構(gòu)成電子濾波器進一步降低電源噪聲，同時更重要的是提高電流輸出能力，能夠保證帶負(fù)載時電源電壓的穩(wěn)定性。

經(jīng)實測該偏壓電源在輸入電源電壓為9V時最高輸出電壓可達(dá)到800V，輸出電流可達(dá)100μA以上。本文的CZT探測器工作電壓為300?400V之間，因此調(diào)節(jié)偏壓電源輸出電壓在350V左右，在偏壓電源5V供電，并輸出高壓給CZT探測器時，實測工作電流為5mA左右，因此整體功耗極低，比較適合低功耗的手持式CZT探測器系統(tǒng)的應(yīng)用。圖4為多層板設(shè)計制作的小體積偏壓電源模塊[13]。

圖4 偏壓電源實物圖Fig.4 Photography of bias power supply circuit board.

4 上升時間甄別的DMCA設(shè)計

通常，CZT探測器的空穴壽命在1μs左右，小于空穴的收集捕獲時間，會導(dǎo)致所感生的電流信號明顯降低，從而使電荷靈敏放大器輸出信號的上升時間變大，幅度變小，使得全能峰往左偏移，形成空穴拖尾，也稱為電荷捕獲效應(yīng)。電荷捕獲效應(yīng)通常在硅、鍺探測器中不明顯，而在CZT這種復(fù)合型探測器中則較明顯，由于所獲取的譜線存在空穴的拖尾，導(dǎo)致分辨率下降。因此為保證有較高的能量

分辨率，需要設(shè)計帶上升時間甄別功能的多道脈沖幅度分析器[14–17]。采用傳統(tǒng)模擬電路實現(xiàn)上升時間甄別[18]，在上升時間變化不大時尚可，當(dāng)上升時間變化較大，譬如達(dá)到幾百納秒級別時，則需要設(shè)計有多達(dá)10級的LC延遲線電路，導(dǎo)致電路龐雜，不太適合手持式CZT探測器系統(tǒng)的要求，因此需要考慮設(shè)計數(shù)字式的上升時間甄別器。在設(shè)計之初并不十分清楚CZT探測器最合適的成形時間，如果采用傳統(tǒng)的模擬高斯成形電路設(shè)計，則面臨繁雜耗時的硬件電路調(diào)試工作，也無法達(dá)到最優(yōu)的成形效果，因此本文設(shè)計了基于FPGA與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)為核心的DMCA。該脈沖幅度分析器能夠?qū)崿F(xiàn)以0.75μs為步進的成形時間調(diào)節(jié)、時間常數(shù)可動態(tài)配置、快通道觸發(fā)閾值可調(diào)等功能。本文在DMCA基礎(chǔ)上，還設(shè)計了數(shù)字式上升時間甄別模塊。DMCA的硬件電路框圖如圖5所示。在圖5中，前置放大器輸出的信號經(jīng)過緩沖跟隨器/放大器實現(xiàn)阻抗變換，信號放大后輸入到電流型程控衰減器，該衰減器由14bit分辨率的高速乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5453構(gòu)成，經(jīng)過程控衰減后的信號再次被高速線性放大；由于前放輸出信號有正有負(fù)，因此需要進行極性轉(zhuǎn)換得到正脈沖信號；在數(shù)字多道中，為能將核脈沖信號中的噪聲信號全部采集到，需要疊加一個直流分量，保證噪聲信號的負(fù)半周最大值大于零，否則噪聲信號不能被完整采集，使系統(tǒng)中白噪聲變?yōu)榉前自肼?，大大降低?shù)字濾波的效果。為此需要有程控的直流分量疊加電路，保證進入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號始終大于零。經(jīng)過抗混疊電路后，核脈沖信號輸入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，采用的是最大采樣率為65MHz的AD9235，離散后的高速數(shù)字信號序列被送入到CycloneIV系列FPGA芯片實現(xiàn)快慢雙通道的數(shù)字梯形成形、相關(guān)功能模塊實現(xiàn)數(shù)字濾波、極零相消及脈沖幅度提取等。

圖5 DMCA電路設(shè)計框圖Fig.5 Electronic scheme of DMCA.

圖6 帶上升時間甄別的多道脈沖幅度分析器FPGA內(nèi)部設(shè)計框圖Fig.6 Block scheme of FPGA designed for DMCA with rise time discriminator.

數(shù)字上升時間甄別模塊的FPGA邏輯設(shè)計框圖如圖6所示。由圖6可知，上升時間甄別器以快慢雙通道數(shù)字梯形成形器為核心，其中快通道的成形時間固定為120ns，而可調(diào)慢成形通道其成形時間為0.75?18μs數(shù)控可變，設(shè)上升時間甄別器的甄別系數(shù)為K，其表達(dá)式為K=A/B，其中A為快通道成形信號的幅度值，B為慢通道成形信號的幅度值。上升時間甄別的過程如圖7所示。

圖7 上升時間甄別示意圖Fig.7 Diagram of the rise-time discrimination.

當(dāng)確定了慢通道的成形時間后，上升時間為t1的脈沖信號分別經(jīng)快通道、慢通道成形后，得到了幅度值為A1的快通道梯形成形信號與幅度值為B1的慢通道梯形成形信號，對應(yīng)有K1=A1/B1；同理，當(dāng)脈沖信號的上升時間為t2時，對應(yīng)有K2=A2/B2；以此類推，對于不同上升時間的信號其K的取值不同，這是由于快通道的成形時間很短，僅為120ns，因此當(dāng)上升比較緩慢的信號經(jīng)過快通道成形后，原始信號的上升沿未能全部被積分，故成形后信號的幅度較小，從而使得K值發(fā)生改變。據(jù)此可以建立不同上升時間的信號與K之間的關(guān)系，通過判斷K的值，篩選所需上升時間的信號，進而實現(xiàn)上升時間甄別的功能。

因此，在實際應(yīng)用中只要分別針對不同的慢通道成形時間，分別測定出輸入脈沖信號的上升時間與K之間的關(guān)系，并存入FPGA系統(tǒng)中。進行上升時間甄別時，F(xiàn)PGA自動將該上升時間轉(zhuǎn)化為與K的關(guān)系，凡是大于該值的信號則丟棄，小于該值的信號則保留。

圖8為DMCA的實物圖，尺寸為5.9cm× 5.9cm×0.8cm。該DMCA板可通過RS232、USB等接口與上位機通信，上位機可將系統(tǒng)工作的各項參數(shù)（如硬增益、軟增益、上升甄別時間、信號的時間常數(shù)、成形時間、快通道觸發(fā)閾值等）進行在線設(shè)定，同時也可將DMCA的工作狀態(tài)（如原始信號脈沖、成型后的信號波形、系統(tǒng)譜線等）參數(shù)讀出，以便于系統(tǒng)最佳工作參數(shù)（如信號時間常數(shù)、上升甄別時間、快通道觸發(fā)閾值等）的設(shè)定。

圖8 DMCA的實物照片F(xiàn)ig.8 Photograph of DMCA circuit board.

5 實驗與應(yīng)用

該CZT探測器的數(shù)字核信號處理系統(tǒng)可應(yīng)用于X射線成像、核素識別等系統(tǒng)中。系統(tǒng)測試采用的是西北工業(yè)大學(xué)準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)的CZT探測器，探測器尺寸為4mm×4mm×2mm。系統(tǒng)測試主要針對低能X射線和中能γ射線的測量，并與傳統(tǒng)探測器進行對比試驗。

5.1 電荷靈敏放大器對γ射線輸出響應(yīng)測試

將CZT探測器與電荷靈敏放大器連接后放置在金屬屏蔽盒內(nèi)，所有輸入輸出采用BNC (Bayonet Nut Connector)接口連接，以屏蔽電磁干擾。在探測器的一面將金屬屏蔽盒開一個4mm×4mm的窗，并粘接鍍鋁膜，以減小屏蔽盒對γ射線的吸收。測量時，選用137Cs作為γ射線源，將其與探測器正對，相距約5cm，使用TDS1012B型示波器測得電荷靈敏放大器對137Cs的γ射線響應(yīng)波形如圖9所示。

圖9 CSA對137Cs源γ射線輸出響應(yīng)Fig.9 Output waveform of CSA in137Cs γ-ray detection.

5.2 低能γ射線探測中的應(yīng)用

CZT探測器對低能γ射線的測量選取活度為1.776×107Bq的241Am源（59.5keV），測試時將其放置在金屬屏蔽盒內(nèi)屏蔽外界干擾，241Am源與CZT探測器正對，相距約5cm，測量時間為100s。

圖10給出了系統(tǒng)在測量241Am源時，沒有采用上升時間甄別（圖10(a)）和采用了上升時間甄別（圖10(b)）測量得到的譜線，限于篇幅，圖10中只給出了50–200道的譜線情況（譜線分辨率為2048）。由譜線可知，在系統(tǒng)未采用上升時間甄別時，由于CZT探測器的空穴載流子的壽命較短，導(dǎo)致電荷收集不完全，使得到的脈沖信號幅度明顯降低，因此譜線有較嚴(yán)重的拖尾，使系統(tǒng)的分辨率降低，約為8.5%。而采用上升時間甄別后，將有電荷損失的信號甄別掉，提高了系統(tǒng)的分辨率，目前能夠做到最好的分辨率可達(dá)3.6%。

圖10 測量241Am源有無上升時間甄別對比Fig.10 Results of rise time discriminator when measuring241Am source.

5.3 γ射線探測中的應(yīng)用

CZT探測器對中能γ射線的測量選取活度為2.967×106Bq的137Cs源(662keV)。與測試低能γ射線時一樣，將探測器與電荷靈敏放大器放置在金屬屏蔽盒內(nèi)進行屏蔽。測試時，137Cs源與CZT探測正對，相距約5cm，測量時間為30min。

圖11給出了系統(tǒng)在測量137Cs源時，沒有采用上升時間甄別（圖11(a)）和采用了上升時間甄別（圖11(b)）測量得到的譜線，限于篇幅，圖11中只給出了0–600道的譜線情況（譜線總道數(shù)為2048）。由圖11可知，在系統(tǒng)未采用上升時間甄別時，系統(tǒng)分辨率為2.9%左右；而采用上升時間甄別后，分辨率可達(dá)0.96%。

圖11 測量137Cs源有無上升時間甄別對比Fig.11 Results of rise time discriminator when measuring137Cs source.

6 結(jié)語

從CZT探測器自身原理、特性作為核信號處理系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點，考慮探測器與前置放大器的優(yōu)化匹配設(shè)計，在DMCA基礎(chǔ)上設(shè)計上升時間甄別器，從而構(gòu)建完整的CZT核輻射探測的信號處理系統(tǒng)。從實驗結(jié)果來看，效果是顯著的，上升時間甄別技術(shù)的準(zhǔn)確性實際上是有賴于快、慢兩個通道的準(zhǔn)確脈沖幅度提取的。對于快通道，由于其成形時間短，因此受各種噪聲的影響大，從而使得其基線波動較大，增大了準(zhǔn)確提取脈沖幅度的難度。為解決該問題，需要設(shè)計優(yōu)異的高通濾波器濾除基線及低頻噪聲的干擾，同時盡可能降低信號處理系統(tǒng)路的高低頻噪聲，從而提高快通道脈沖幅度提取的準(zhǔn)確度。對于慢通道，它受到探測器、前置放大器、供電電源等低頻噪聲影響，慢通道成形信號疊加在這種緩慢變化的低頻噪聲之上，此時如果仍只使用高通濾波器來濾除基線，就會造成梯形信號的梯形平頂發(fā)生畸變，幅度信息丟失。為解決這一問題，采用了數(shù)字式的基線估計方法：利用白噪聲信號的功率譜密度與其功率的平方呈反比的關(guān)系，采用泛函變分方法對噪聲估計，得到噪聲最小時對應(yīng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)，進而得到噪聲的基線[19]。除此之外，選擇合適的慢通道成形時間、合適的工頻干擾抑制、良好的地線布局與屏蔽設(shè)計也可提高基線估計的準(zhǔn)確度。下一步的工作將開展CZT探測器、電荷靈敏放大器在低溫下對X射線的探測工作，并設(shè)計低噪聲復(fù)位型電荷靈敏放大器測試CZT探測器對低能X射線的探測性能。

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Design of digital nuclear signal processing system for CdZnTe detector

ZENG Guoqiang1WEI Shilong1XIA Yuan1LI Qiang1XU Yadong2GE Liangquan1JIE Wanqi2

1(Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu 610051, China) 2(College of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Background: CdZnTe (CZT) detector has excellent detection efficiency and resolution toward gamma ray at room temperature. It is a beneficial supplement to HPGe and scintillator detectors. Digital multi-channel analyzer (DMCA) plays significant role for high resolution spectrometer of CZT. Purpose: This study aims to overcome the effect of “hole tailing” for CZT detector by implementing digital nuclear signal processing system. Methods: A low noise charge sensitive amplifier is designed by considering optimal matching of detector and digital multi-channel analyzer. High speed analog-digital converter transforms the analog signal to discrete digital sequence signal. Digitized signals are processed by Field Programmable Gate Array (FPGA) chip in the DMCA. In this FPGA chip, fast-slow dual channel trapezoidal shaper and digital rise time discriminator are designed to overcome the problem of charge trapping of CZT detector. Digital rise time discriminator could eliminate the effect of “hole tailing”and improve the energy resolution of CZT detector. Results: For the 4mm×4mm×2.5mm capture plus structure of CZT detectors offered by Northwestern Polytechnical University, the best resolution is up to 3.6% for241Am source, and up to 0.96% for137Cs source. Conclusion: The optimal matching of each unit circuit in the whole digital nuclear signal processing system could improve the energy resolution for CZT detecting system. Digital multi-channel analyzer with rising time discriminator has significant advantage for CZT detecting system.

CZT detector, Charge sensitive amplifier, Nuclear signal chain, Rise time discrimination, Digital pulse amplitude analyzer

TL82

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110401

國家自然科學(xué)基金(No.41474159)、國家863計劃項目(No.2012AA061803)、地學(xué)核技術(shù)四川省重點實驗室開放基金(No.gnzds2014006)資助

曾國強，男，1980年出生，2008年于成都理工大學(xué)獲博士學(xué)位，從事核輻射探測與核電子學(xué)

2015-03-17，

2015-07-20

CLC TL82