HPXe探测器数字多道系统研制及其基线漂移问题的算法修正

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高压氙(HPXe)探测器是具有良好物理特性的高能量分辨率气体辐射探测器,工作温度范围广、抗辐照能力强、服役寿命长的特点使得HPXe探测器在工业应用中具有巨大潜力。但其屏栅结构的噪声敏感性对探测器信号基线造成严重影响,使得基线发生漂移,从而导致能谱测量失真,极大地限制了这类探测器的实际应用。针对这一现状,本文基于FPGA的数字信号处理技术设计并研制一套高能量分辨率的数字多道系统,并在该系统中加入了自调节参数的数学形态学基线恢复算法,实现了严重基线漂移情况下高能量分辨率能谱的稳定测量。主要的研究内容及成果如下:(1)开展了数字多道系统硬件电路的自主设计与研究。开发出以电源控制模块、ADC高速采样模块、FPGA信号处理模块和USB通信模块为基础的硬件电路,并对硬件电路进行测试。测试结果表明,该硬件电路系统各模块工作正常,具有0-5 V的电压输入范围、40 MSPS的采样速率、14位的采样精度以及114 K的逻辑资源,系统整体具有低电源纹波(小于25 mV)、低功耗(900 mW)、高稳定性(8小时持续工作)以及小尺寸(板级面积6.3×6.3 cm2)特性。(2)采用梯形成形与尖角成形相结合的方式实现了多道信号处理算法的设计与测试。多道信号处理算法包括了梯形成形,尖角成形,阈值触发,堆积识别,幅度提取,谱线生成以及USB通信模块,能够通过上位机直接对测量能谱进行获取。仿真结果表明该算法各模块时序准确,工作正常。采用高分辨率CZT探测器进行能谱测量性能验证,结果表明测量能谱总道址为2048道,在662 keV处能量分辨率为2.59%,能量线性为99.9%,系统连续工作8小时内137Cs全能峰峰漂小于2道。(3)针对严重基线漂移对能谱测量的影响,自主设计并研究了能够实时自动调节参数的数学形态学基线恢复算法。分析了传统数学形态学基线恢复算法在核信号基线处理中的可行性与不足,并提出改进方法,改进后的数学形态学基线恢复算法能够自动调节参数,在900 mV的基线漂移加入前后,137Cs测量能谱近乎重叠,不受基线漂移的影响,662 keV处的能量分辨率能够维持在2.64%左右。本文的研究内容对于推进国内数字多道系统的发展具有现实意义,有望解决HPXe探测器中的振动噪声带来的基线漂移问题,提高HPXe探测器在户外条件下的能谱测量稳定性,拓展其实际应用范围,同时也对其他辐射探测器中存在的基线漂移问题提供新的解决思路。
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