论文摘要
核信息的获取与处理在许多基础科学研究和应用科学研究中都有重要的意义。多道脉冲幅度分析是核辐射能谱测量的一种基本方法,核谱仪是用于获取和处理多道脉冲幅度的基本设备。受ADC和数字信号处理器的发展制约,基于多道脉冲幅度分析的传统核谱仪大多是以对模拟脉冲信号峰值进行采样保持并作AD转换为特点的模拟核谱仪。随着高速高分辨率ADC和数字信号处理技术的迅猛发展,使以直接采集前置放大器输出脉冲波形、由数字信号处理进行多道脉冲幅度提取和分析为特点的全数字化核谱仪的实现成为可能。本文采用超高宽带集成运算放大器、125Msps的高速ADC和集逻辑控制与数据处理于一体的高速FPGA,完成了新一代全数字化的便携式核谱仪的研制。数字核谱仪对模拟放大电路的带宽和ADC的采样率要求较高,然而高带宽、高采样率要求往往以降低数据采集系统的信噪比为代价。因此,在噪声背景相对较高的情况下如何较精准地提取各数字脉冲幅度是本研究首先要解决的问题,否则,数字核谱仪因精确度和准确度还赶不上模拟核谱仪而失去研制的价值。本文采取曲线拟合算法来解决高噪声背景下的数字脉冲幅度提取问题。针对不同类型核辐射探测器,研究其相应的输出波形特征,采用快速曲线拟合算法提取其输出脉冲的幅度。实验表明,在信噪比为31.4dB左右的噪声背景下仿真半导体探测器的输出脉冲的后沿,采用曲线拟合算法提取其脉冲幅度,其结果与直接以该脉冲采样点中的最大值作为其幅度相比较,曲线拟合算法提取脉冲幅度的测量准确度和精确度分别改善了1个数量级。本文研制的数字核谱仪的信噪比达到了45.3dB左右,在该噪声背景下仿真计算的结果相较于信噪比为31.4dB左右的噪声背景下仿真计算的结果,其测量的准确度和精确度又改善了1个数量级。高信噪比数字化、实时甄别并存储核辐射探测器输出的随机脉冲信号是本文研究又一重点内容。通过附加相位补偿电路,本文设计出低噪声超宽带的信号放大电路,同时采用采样率高达125Msps的14位ADC实现了高信噪比的高速数据采集系统,为高保真数字化核辐射探测器输出的随机脉冲信号提供了保证。此外,本文通过巧妙地逻辑设计,实现了数字化的核辐射探测器输出的随机脉冲信号的实时甄别与存储。最后,论文通过实验详细测试了数字核谱仪的信噪比、精确度、能量分辨率等重要指标参数。实验结果表明,数字核谱仪测得的能谱与模拟核谱仪测得的能谱的能量刻度一致,数字核谱仪的能量分辨率要优于模拟核谱仪。论文的主要创新点主要表现在三个方面:1.基于FPGA集逻辑控制、数据处理、数据存储于一体的数字核谱仪设计方案,较传统的CPLD+RAM（或FIFO）+DSP实现逻辑控制和数据存储与处理功能的设计方案,减少了印制板走线数量,缩小了印制板面积,并且降低了功耗,更好地达到便携式要求。另外,通过巧妙地逻辑设计,在FPGA中实现了无处理器介入下的数字随机脉冲实时甄别与存储,突破了模拟核谱仪中因采样保持而产生脉冲处理死时间的局限。2.根据不同类型核辐射探测器输出的脉冲信号特征曲线,采用相应曲线拟合算法提取脉冲幅度,既能保证脉冲幅度提取的准确性和精确性,又简单易行且少占CPU处理时间以保证实时处理要求。3.本文研究了有关算法,对数字化后的核辐射探测器输出脉冲进行了弹道亏损补偿,突破了模拟核谱仪系统难以实现弹道亏损补偿的局限。这是数字核谱仪研制的又一创新点。