CN105301627B - 一种能谱分析方法、能谱分析系统及伽马射线探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能谱分析方法，其包括将粒子能量转化为初始脉冲信号，将该初始脉冲信号处理成阶跃脉冲信号，其还包括将所述阶跃脉冲信号进行脉冲成形后转化为矩形脉冲信号，使矩形脉冲信号的脉冲幅度为一个定值，使矩形脉冲信号的脉冲宽度与阶跃脉冲信号的脉冲幅度成对应关系，测量矩形脉冲信号的脉冲宽度和对应的脉冲计数得到其脉冲宽度谱，然后根据矩形脉冲宽度与阶跃脉冲幅度的对应关系将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱，或者根据矩形脉冲宽度和粒子能量的对应关系将脉冲宽度谱直接转换为粒子的能谱。本发明还涉及一种能谱分析系统和一种伽马射线探测系统。本发明解决了现有技术中能谱分析过程因为包含复杂的A/D转换电路而难以提高集成度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及粒子探测器，具体是一种能谱分析方法、能谱分析系统及伽马射线探测系统。
背景技术
对于粒子探测器来说，最重要的两个物理量就是能量和通量，对这两个物理量进行统计分析的系统就是粒子探测器的能谱分析系统，也就是通常所说的多道分析仪。粒子探测器将粒子能量转化为电子脉冲信号，一个粒子通常产生一个脉冲，脉冲的幅度对应沉积的粒子能量，而脉冲数则对应粒子数，按照脉冲幅度的大小进行脉冲计数，即所谓的多道分析，最终可以获得按能量分布的粒子数统计结果，即得到粒子的能谱。
由此可见，能谱分析系统或所谓的多道分析仪，其本质是脉冲幅度谱分析系统，其主要完成两个基本的测量任务，首先是对脉冲进行计数，其次是对脉冲幅度进行检测。能谱分析系统的性能提升也主要体现在两个方面：其一是提高计数速度，即计数率；其二是提高幅度检测精度，即能量分辨率。
虽然早期的能谱分析系统是基于模拟信号分析的模拟能谱系统，随着计算机和数字技术的飞速发展，现代的能谱分析系统则都是基于数字信号分析的数字能谱系统。相对而言，数字能谱系统更便于进行能谱的存储、处理和传输。
为了实现脉冲幅度的精确测量，必须对脉冲波形进行相应的成形，其主要目的是在压缩脉冲宽度的同时使顶部平坦化。目前，典型的能谱分析系统主要有两种：其一是基于模拟准高斯成型的能谱分析系统，其流程框图如图1所示，该系统对模数转换的速度要求不高，但需要滤波和成形的多级模拟电路，因而不利于系统的一体化集成；另一种是基于数字梯形成形的能谱分析系统，其流程框图2所示，该系统需要的模拟前端电路大为简化，因而非常有利于系统集成，但对A/D转换器的要求更高，通常需要高速和高精度的A/D转换器。
可以看到，上述现有的能谱分析系统均是基于脉冲幅度的直接测量，因而需要精密而复杂的A/D转换电路，因此，仍然存在集成度难以提高的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而做出的，其目的在于解决现有技术中能谱分析系统因为包含复杂的A/D转换电路而难以提高集成度的问题。
本发明的技术方案如下：
一种能谱分析方法，包括将粒子能量转化为初始脉冲信号的步骤，其还包括如下步骤：
①将所述初始脉冲信号通过积分放大处理为阶跃脉冲信号A·u(t)，使阶跃脉冲信号的幅值A与粒子能量E相对应。
②将阶跃脉冲信号进行脉冲成形后转化为矩形脉冲信号，使矩形脉冲信号的脉冲幅度为一个定值，使矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的脉冲幅度A呈一一对应关系。
③测量矩形脉冲信号的脉冲宽度并对矩形脉冲信号进行脉冲计数，根据测得的一系列脉冲宽度和对应的脉冲计数的统计结果得到脉冲宽度谱。
④根据矩形脉冲宽度与阶跃脉冲幅度的对应关系将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱，或者根据矩形脉冲宽度和粒子能量的对应关系将脉冲宽度谱直接转换为粒子的能谱。
进一步的，所述步骤②中阶跃脉冲信号转化为矩形脉冲信号的方法包括如下步骤：
a：将阶跃脉冲信号A·u(t)通过放大和成形转化为成形脉冲信号h(A,t)，其中，h(A,t)的脉冲宽度和脉冲幅度为有限非零值。
b：采用定阈值比较方法将步骤a得到的成形脉冲信号h(A,t)转化为矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号的脉冲幅度为一定值，该矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的幅度A成连续的单调函数关系W＝F(A)。
进一步的，所述步骤a中的成形脉冲信号具有函数形式A·f(t)，其中A是阶跃脉冲信号的脉冲幅度，f(t)是线性或非线性的脉冲函数，该脉冲函数具有非零且为有限的脉冲宽度和脉冲幅度，且脉冲峰值两边的上升沿和下降沿分别为连续的单调函数f1(t)和f2(t)。
所述步骤b的定阈值比较方法中上升沿阈值为非零的T1，下降沿阈值为非零的T2，从而
得到矩形脉冲信号的宽度W与阶跃脉冲信号的幅值A成固定的函数关系
进一步的，所述步骤a中的成形脉冲信号具有函数形式f(t/A)，其中A是阶跃脉冲信号的脉冲幅度，f(t/A)是线性或非线性的脉冲函数，该脉冲函数具有非零且为有限的脉冲宽度和脉冲幅度，且脉冲峰值两边的上升沿和下降沿分别为连续的单调函数f1(t/A)和f2(t/A)。
b：所述步骤b的定阈值比较方法中上升沿阈值为T1，下降沿阈值为T2，从而得到矩形脉冲信号的宽度W与阶跃脉冲信号的幅值A成固定的线性函数关系
进一步的，所述成形脉冲信号为线性的三角形脉冲或梯形脉冲，或者为非线性的指数衰减脉冲或准高斯脉冲。
与上述能谱分析方法对应有一种能谱分析系统，其包括转化粒子能量的接收探头，接收探头用于将粒子能量转化为初始脉冲电流信号，其还包括前置放大器、极零相消电路、脉冲成形电路、定阈值比较器或触发器以及内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片。其中，前置放大器将初始脉冲信号通过积分放大处理为脉冲幅度与粒子能量对应的阶跃脉冲信号；极零相消电路用于将阶跃脉冲信号转化为指数衰减脉冲信号并将信号幅值放大；脉冲成形电路用于将指数衰减脉冲信号转化为具有一定脉冲宽度和幅度的成形脉冲信号，定阈值比较器或触发器用于将该成形脉冲信号转化为矩形脉冲信号，使该矩形脉冲的脉冲幅度为固定值，使该矩形脉冲的脉冲宽度等于成形脉冲信号在阈值处的脉冲宽度；可编程逻辑芯片用于测量矩形脉冲信号的脉冲宽度和脉冲计数，并根据测量所获得的一系列脉冲宽度和对应的计数值得到脉冲宽度谱，最后通过脉冲宽度和脉冲幅度的对应关系可以将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱，或者根据脉冲宽度和粒子能量的对应关系直接将脉冲宽度谱转换为粒子的能谱。
进一步的，所述脉冲成形电路采用冲击响应的时域波形与成形后的脉冲波形相一致的准三角脉冲成形电路。
进一步的，所述准三角脉冲成形电路采用模拟的对数运算脉冲放大电路，其将指数衰减脉冲信号转换为线性衰减的直角三角形脉冲。
更进一步的可编程逻辑芯片进行脉冲宽度检测的过程为：首先将矩形脉冲信号通过D触发器与时钟信号同步；然后用矩形脉冲信号控制计数器对时钟信号进行脉冲计数，则计数值代表矩形脉冲信号的脉冲宽度。可编程逻辑芯片进行脉冲计数的过程为：根据矩形脉冲的脉冲宽度和阶跃脉冲的脉冲幅度的对应关系W＝F(A)，把矩形脉冲信号的脉冲宽度计数值按线性或非线性的函数关系分段Wn＝F(An)且An+1＝An+Δ，其中n为非负的整数，Δ为固定值，使每一段脉冲宽度W对应一个存储地址，其中Wn≤W<Wn+1，每获得一个存储地址就对该地址的存储值加1，测量完成后顺序读取所有存储地址的数据即得到线性的脉冲宽度谱。
采用上述能谱分析方法对应有一种伽马射线探测系统，其包括接收伽马光子的固态半导体探测器，其还包括电荷灵敏前置放大器，极零相消电路、准三角形或指数衰减型的脉冲成形电路、定阈值比较器以及内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片。电荷灵敏前置放大器对固态半导体探测器输出的脉冲光电流进行积分放大，使其转换为阶跃脉冲信号；极零相消电路将阶跃脉冲信号转换为指数衰减脉冲信号并对信号幅值进行放大；脉冲成形电路将指数衰减脉冲信号成形为有限脉冲宽度的脉冲信号；定阈值比较器或触发器将成形后的脉冲信号转换为对应脉冲宽度的矩形脉冲；可编程逻辑芯片测量矩形脉冲的脉冲宽度和脉冲计数，并根据测得的一系列脉冲宽度对应的脉冲计数得到脉冲宽度谱，最后根据脉冲宽度和脉冲幅度与粒子能量的对应关系，可以最终得到伽马光子的脉冲幅度谱和能谱。
本发明提出基于脉冲宽度的能谱分析方案，采用脉冲的线性或非线性成形方法，将脉冲幅度转化为对应的脉冲宽度，然后对脉冲宽度进行测量，以此实现脉冲幅度的间接测量。
若采用非线性幅度-脉宽转换方法，首先，可以利用现有的脉冲成形技术，因而成形电路不需另行设计；其次，可以在可编程逻辑芯片内通过数字运算电路将非线性的脉冲宽度转换为线性的脉冲幅度，计算精度很高。
若采用线性幅度-脉宽转换方法，首先，转换关系简单，通过脉冲成形电路的设计可以预知，可以避免拟合分析；其次，转换精度高，由于线性电路是模拟电路和数字电路的主流，其技术成熟度高，稳定性好，可实现更高的检测精度；再次，截取脉冲宽度的阈值范围更宽，理论上可以实现零阈值，这进一步增加了脉冲宽度检测的精度和脉冲幅度检测的量程；最后，由于消除了非线性脉冲拖尾长的问题，脉冲宽度更小，脉冲堆积问题相对减轻，计数率可做到更高。
本发明的能谱分析系统以及伽马射线探测系统不需要传统的采样保持电路和A/D转换电路，从而大大简化了电路结构，提高了电路响应速度，可以实现更高的集成度。脉冲成形后的矩形脉冲不仅保持有脉冲信号的幅度信息、阈值信息和计数信息，而且可以单线传输，因而容易实现通道数的扩展。由于计数器或计时器是数字电路的最基本单元，在FPGA等数字芯片中有大量的电路资源，因而可以高效利用现有的数字芯片来实现高度集成。
附图说明
图1为背景技术中基于模拟准高斯成型的能谱分析系统的流程框图；
图2为背景技术中基于数字梯形成形的能谱分析系统的流程框图；
图3为本发明的能谱分析系统的流程框图；
图4为本发明能谱分析系统中一种具体实施例的流程框图；
图5为本发明能谱分析系统中另一种具体实施例的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的思路是避开现有技术中对脉冲幅度进行直接测量，由此避开高速和高精度的A/D转换器，而改由将脉冲幅度转化为脉冲宽度，通过测量脉冲宽度谱间接得到脉冲幅度谱。
就粒子探测器来说，前置放大后输出的通常是阶跃脉冲(包括近似的阶跃脉冲)信号，这种脉冲信号适合幅度检测，但不适合脉冲宽度检测。因此需要对该脉冲信号进行脉冲成形处理，以得到适合脉冲宽度检测的脉冲信号。本发明的能谱分析系统的流程框图如图3所示，首先按现有技术接收粒子，将粒子能量转化为初始脉冲信号，然后将其处理成阶跃脉冲信号A·u(t)，使阶跃脉冲信号的幅值A与粒子能量E相对应。接着将其脉冲成形为矩形脉冲信号。脉冲成形过程中，使矩形脉冲信号的脉冲幅度为一个定值，使矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的脉冲幅度A呈一一对应关系。该矩形脉冲信号实际上既是模拟信号，也是数字信号，因为其脉冲宽度为模拟值，而脉冲幅度则为数字值(只有高低之分)，因此，矩形脉冲信号可以直接接入数字电路，其脉冲宽度可以通过常规的计时器或者计数器来测量，通过分析各个脉冲宽度的脉冲计数，获得脉冲宽度谱。而根据矩形脉冲宽度和阶跃脉冲幅度的对应关系，脉冲宽度谱最终可以转换为脉冲幅度谱，或者根据矩形脉冲宽度和粒子能量的对应关系将脉冲宽度谱直接转换为粒子的能谱。
阶跃脉冲信号转化为矩形脉冲信号的方法包括如下步骤：
a：将阶跃脉冲信号A·u(t)通过放大和成形转化为成形脉冲信号h(A,t)，其中，h(A,t)的脉冲宽度和脉冲幅度为非零有限值。
b：采用定阈值比较方法将步骤a得到的成形脉冲信号h(A,t)转化为矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号的脉冲幅度为一定值，该矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的幅度A成连续的单调函数关系W＝F(A)。
在上述成型方法的思路下，可以选择如下两种具体算法成形。
算法一：成形脉冲信号具有函数形式A·f(t)，其中A是阶跃脉冲信号的脉冲幅度，
f(t)是线性或非线性的脉冲函数，该脉冲函数具有非零且为有限的脉冲宽度和脉冲幅度，
且脉冲峰值两边的上升沿和下降沿分别为连续的单调函数f1(t)和f2(t)。定阈值比较方法
中上升沿阈值为非零的T1，下降沿阈值为非零的T2，从而得到矩形脉冲信号的宽度W与阶跃
脉冲信号的幅值A成固定的函数关系
算法二：成形脉冲信号具有函数形式f(t/A)，其中A是阶跃脉冲信号的脉冲幅度，f(t/A)是线性或非线性的脉冲函数，该脉冲函数具有非零且为有限的脉冲宽度和脉冲幅度，且脉冲峰值两边的上升沿和下降沿分别为连续的单调函数f1(t/A)和f2(t/A)。定阈值比较方法中上升沿阈值为非零的T1，下降沿阈值为非零的T2，从而得到矩形脉冲信号的宽度W与阶跃脉冲信号的幅值A成固定的线性函数关系
为了成形最终的矩形脉冲信号，一般需要首先将阶跃脉冲信号进行放大，然后成形为脉冲幅度和脉冲宽度存在对应关系的脉冲信号，然后通过比较器或触发器将成形脉冲转换为对应脉冲宽度的矩形脉冲。根据幅度-脉宽的转换关系大致可以分为线性转换和非线性转换两大类，其中三角脉冲和梯形脉冲为典型的线性转换波形，而指数衰减脉冲和准高斯脉冲则为典型的非线性转换波形，考虑到测量的简单性、直接性和高精度，优选地采用幅度和脉宽成线性关系的脉冲成形方法。为简单起见，以下分别以三角脉冲成形和指数衰减脉冲成形的伽马射线能谱分析系统作为技术实施案例进行说明，但相关技术易于推广到基于其它脉冲波形的线性和非线性脉宽转换和脉宽测量系统，其应用并不局限于所述具体案例。
对应上述能谱分析方法，可以得到一种能谱分析系统，其接收探头用于将粒子能量转化为初始脉冲电流信号，其还包括前置放大器、极零相消电路、脉冲成形电路、定阈值比较器或触发器以及内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片。
其中，前置放大器将初始脉冲信号通过积分放大处理为脉冲幅度与粒子能量对应的阶跃脉冲信号；极零相消电路用于将阶跃脉冲信号转化为指数衰减脉冲信号并将信号幅值放大；脉冲成形电路用于将指数衰减脉冲信号转化为具有一定脉冲宽度和幅度的成形脉冲信号，定阈值比较器用于将该成形脉冲信号转化为矩形脉冲信号，使该矩形脉冲的脉冲幅度为固定值，使该矩形脉冲的脉冲宽度等于成形脉冲信号在阈值处的脉冲宽度；可编程逻辑芯片用于测量矩形脉冲信号的脉冲宽度和脉冲计数，并根据测量所获得的一系列脉冲宽度和对应的计数值得到脉冲宽度谱，最后通过脉冲宽度和脉冲幅度的对应关系可以将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱，或者根据脉冲宽度和粒子能量的对应关系直接将脉冲宽度谱转换为粒子的能谱。
上述脉冲成形电路采用冲击响应的时域波形与成形后的脉冲波形相一致的准三角脉冲成形电路。不过，准三角脉冲成形还可以采用峰值保持电路结合恒流充电或放电电路，其可以实现直角或非直角的三角形脉冲成形；或者采用模拟的对数运算脉冲放大电路，其将指数衰减脉冲信号转换为线性衰减的直角三角形脉冲。
可编程逻辑芯片进行脉冲宽度检测的过程可以为：首先将矩形脉冲信号通过D触发器与时钟信号同步；然后将同步后的矩形脉冲信号与时钟信号相与，获得时间长度为矩形脉冲宽度的时钟信号；最后用计数器对获得的矩形脉冲宽度时长的时钟信号进行脉冲计数，计数值代表矩形脉冲信号的脉冲宽度。
可编程逻辑芯片进行脉冲宽度检测的过程也可以为：用矩形脉冲信号控制计数器对时钟信号进行脉冲计数，计数值代表矩形脉冲信号的脉冲宽度。
可编程逻辑芯片进行脉冲计数的过程可以为：把矩形脉冲信号的脉冲宽度计数值按线性关系转换为存储地址，每获得一个存储地址就对该地址的存储值加1，测量完成后顺序读取该存储器的数据即得到脉冲宽度谱。
可编程逻辑芯片进行脉冲计数的过程也可以为：根据矩形脉冲的脉冲宽度和阶跃脉冲的脉冲幅度的对应关系W＝F(A)，把矩形脉冲信号的脉冲宽度计数值按线性或非线性的函数关系分段Wn＝F(An)且An+1＝An+Δ，其中n为非负的整数，Δ为固定值，使每一段脉冲宽度(Wn≤W<Wn+1)对应一个存储地址，每获得一个存储地址就对该地址的存储值加1，测量完成后顺序读取该存储器的数据即得到线性的脉冲宽度谱，即该脉冲宽度谱中的脉冲宽度与阶跃脉冲的脉冲幅度为线性关系。
可编程逻辑芯片进行脉冲计数的过程还可以为：根据矩形脉冲的脉冲宽度和阶跃脉冲的脉冲幅度的对应关系W＝F(A)，把矩形脉冲信号的脉冲宽度计数值W做反函数运算A＝F-1(W)转换为脉冲幅度，然后将脉冲幅度A按线性关系转换为存储地址，每获得一个存储地址就对该地址的存储值加1，测量完成后顺序读取该存储器的数据即得到脉冲幅度谱。
以下分线性和非线性幅度-脉宽转换来举例说明本发明的能谱分析系统。
基于线性的三角脉冲成形的能谱分析系统的流程图如图4所示，其实现过程如下：
a：采用半导体探测器接受粒子，并将粒子能量转换为初始的脉冲电流。
b：采用电荷灵敏前置放大器将初始的脉冲电流转换为近似的阶跃脉冲信号。
c：采用极零相消电路将阶跃脉冲信号转化为指数衰减脉冲信号，即通常所说的尖脉冲信号，在此过程中脉冲信号的脉宽被压缩而幅度被放大。
d：采用冲击响应近似为直角三角形的准三角脉冲成形电路将指数衰减脉冲转换为三角脉冲，且三角脉冲的脉冲宽度与其脉冲幅度成线性关系。
e：采用固定阈值(可以接近于零)的单限或滞回比较器将三角脉冲转换为矩形脉冲，矩形脉冲的幅值为标准数字信号幅值，其脉冲宽度对应阈值处的三角脉冲宽度。
f：采用FPGA芯片内部的D触发器将矩形脉冲信号整形为一个同步矩形脉冲信号，该同步矩形脉冲的上升沿和下降沿均与FPGA芯片内部时钟的上升沿同步。
g：采用FPGA芯片内部的与门电路将同步的矩形脉冲信号和时钟信号相与，输出时间长度等于矩形脉冲宽度的时钟脉冲。
h：采用FPGA芯片内部的计数器对时长等于矩形脉冲宽度的时钟脉冲进行计数，计数值即为矩形脉冲宽度。
i：将脉冲宽度的计数值转换为FPGA芯片内部存储器的存储地址，转换方式是一个(或每相邻的若干个)脉冲宽度值对应一个存储地址，且存储地址随脉冲宽度值顺序递增(或递减)。
j：检测存储地址的有效性(如是否为零)，每获得一个有效地存储地址就在存储器相应地址的存储值进行加1操作。
k：测量时间结束时，将存储器内存储的数据顺序读出，并将存储地址转换为脉冲宽度值，即可获得脉冲宽度谱。
l：最后，根据矩形脉冲宽度与阶跃脉冲幅度和粒子能量的线性关系，可将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱和粒子能谱。
基于非线性的指数衰减脉冲成形的能谱分析系统的。流程图如图5所示，其原理流程如下：
a：采用半导体探测器接受粒子，并将粒子能量转换为初始的脉冲电流。
b：采用电荷灵敏前置放大器将初始的脉冲电流转换为近似的阶跃脉冲信号。
c：采用极零相消电路将阶跃脉冲信号转化为指数衰减脉冲信号，该指数衰减脉冲的时间常数为一定值。
d：采用固定阈值(非零)的单限或滞回比较器将指数衰减脉冲转换为矩形脉冲，矩形脉冲的幅值为标准数字信号幅值，其脉冲宽度对应阈值处的指数衰减脉冲宽度。
e：采用矩形脉冲控制CPLD芯片内部的计数器对时钟脉冲进行计数，计数时间长度即为矩形脉冲宽度，因而计数器的计数值对应矩形脉冲宽度。
f：将矩形脉冲宽度值转换为CPLD芯片内部存储器的存储地址，转换方式是按线性(或对数)方式把脉冲宽度值分段，每一段脉冲宽度值对应一个存储地址，且存储地址随脉冲宽度值顺序递增(或递减)。
g：检测存储地址的有效性(如是否为零)，每获得一个有效地存储地址就在存储器相应地址的存储值进行加1操作。
h：测量时间结束时，将存储器内存储的数据顺序读出，并将存储地址按线性方式再转换为脉冲宽度值，即可获得脉冲宽度谱。
i：最后，根据指数衰减脉冲的脉冲宽度与脉冲幅度和粒子能量的对数(或线性)对应关系，可将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱和粒子能谱。
将上述能谱分析方法和系统运用到伽马射线探测系统中，接收伽马光子的固态半导体探测器、电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、脉冲成形电路、定阈值比较器和内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片。电荷灵敏前置放大器对固态半导体探测器输出的脉冲光电流进行积分放大，使其转换为阶跃脉冲信号。
当脉冲成形电路为三角形或梯形脉冲成形电路等线性脉冲成形电路时，极零相消电路将阶跃脉冲信号转换为指数衰减脉冲信号并对信号幅值进行放大，线性脉冲成形电路将指数衰减脉冲成形为线性(波形)脉冲，定阈值比较器将线性(波形)脉冲信号转换为对应脉冲宽度的矩形脉冲，内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片测量矩形脉冲的脉冲宽度和脉冲计数，并根据测得的一系列脉冲宽度对应的脉冲计数得到脉冲宽度谱，最后根据脉冲宽度和脉冲幅度与粒子能量的线性关系，可以最终得到伽马光子的脉冲幅度谱和能谱。
当脉冲成形电路为指数衰减脉冲或准高斯脉冲成形电路等一类的非线性脉冲成形电路时，极零相消电路将阶跃脉冲信号转换为指数衰减脉冲信号并对信号幅值进行放大，非线性脉冲成形电路将指数衰减脉冲成形为非线性(波形)脉冲，定阈值比较器将非线性(波形)脉冲信号转换为对应脉冲宽度的矩形脉冲，内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片测量矩形脉冲的脉冲宽度和脉冲计数，将测得的一系列脉冲宽度按非线性函数方式分段，使得脉冲宽度与线性的幅值相对应，并根据各段所对应的脉冲计数得到脉冲宽度谱，最后根据脉冲宽度和脉冲幅度与粒子能量的线性关系，可以最终得到伽马光子的脉冲幅度谱和能谱。
Claims (8)
1.一种能谱分析方法，包括将粒子能量转化为初始脉冲信号的步骤，其特征在于，还包括如下步骤：
①将所述初始脉冲信号通过积分放大处理为阶跃脉冲信号A·u(t)，使阶跃脉冲信号的幅值A与粒子能量E相对应；
②将阶跃脉冲信号进行脉冲成形后转化为矩形脉冲信号，使矩形脉冲信号的脉冲幅度为一个定值，使矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的脉冲幅度A呈一一对应关系；
③测量矩形脉冲信号的脉冲宽度并对矩形脉冲信号进行脉冲计数，根据测得的一系列脉冲宽度和对应的脉冲计数的统计结果得到脉冲宽度谱；
④根据矩形脉冲宽度与阶跃脉冲幅度的对应关系将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱，或者根据矩形脉冲宽度和粒子能量的对应关系将脉冲宽度谱直接转换为粒子的能谱；
所述步骤②中阶跃脉冲信号转化为矩形脉冲信号的方法包括如下步骤：
a：将阶跃脉冲信号A·u(t)通过放大和成形转化为成形脉冲信号h(A,t)，其中，h(A,t)的脉冲宽度和脉冲幅度为有限非零值；
b：采用定阈值比较方法将步骤a得到的成形脉冲信号h(A,t)转化为矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号的脉冲幅度为一定值，该矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的幅度A成连续的单调函数关系W＝F(A)；
所述步骤a中的成形脉冲信号具有函数形式A·f(t)，其中A是阶跃脉冲信号的脉冲幅度，f(t)是线性或非线性的脉冲函数，该脉冲函数具有非零且为有限的脉冲宽度和脉冲幅度，且脉冲峰值两边的上升沿和下降沿分别为连续的单调函数f1(t)和f2(t)；
所述步骤b的定阈值比较方法中上升沿阈值为非零的T1，下降沿阈值为非零的T2，从而得到矩形脉冲信号的宽度W与阶跃脉冲信号的幅值A成固定的函数关系
t表示时间。
2.一种能谱分析方法，包括将粒子能量转化为初始脉冲信号的步骤，其特征在于，还包括如下步骤：
①将所述初始脉冲信号通过积分放大处理为阶跃脉冲信号A·u(t)，使阶跃脉冲信号的幅值A与粒子能量E相对应；
②将阶跃脉冲信号进行脉冲成形后转化为矩形脉冲信号，使矩形脉冲信号的脉冲幅度为一个定值，使矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的脉冲幅度A呈一一对应关系；
③测量矩形脉冲信号的脉冲宽度并对矩形脉冲信号进行脉冲计数，根据测得的一系列脉冲宽度和对应的脉冲计数的统计结果得到脉冲宽度谱；
④根据矩形脉冲宽度与阶跃脉冲幅度的对应关系将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱，或者根据矩形脉冲宽度和粒子能量的对应关系将脉冲宽度谱直接转换为粒子的能谱；
所述步骤②中阶跃脉冲信号转化为矩形脉冲信号的方法包括如下步骤：
a：将阶跃脉冲信号A·u(t)通过放大和成形转化为成形脉冲信号h(A,t)，其中，h(A,t)的脉冲宽度和脉冲幅度为有限非零值；
b：采用定阈值比较方法将步骤a得到的成形脉冲信号h(A,t)转化为矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号的脉冲幅度为一定值，该矩形脉冲信号的脉冲宽度W与阶跃脉冲信号的幅度A成连续的单调函数关系W＝F(A)；
所述步骤a中的成形脉冲信号具有函数形式f(t/A)，其中A是阶跃脉冲信号的脉冲幅度，f(t/A)是线性或非线性的脉冲函数，该脉冲函数具有非零且为有限的脉冲宽度和脉冲幅度，且脉冲峰值两边的上升沿和下降沿分别为连续的单调函数f1(t/A)和f2(t/A)；
所述步骤b的定阈值比较方法中上升沿阈值为T1，下降沿阈值为T2，从而得到矩形脉冲信号的宽度W与阶跃脉冲信号的幅值A成固定的线性函数关系
t表示时间。
3.根据权利要求1或2所述的一种能谱分析方法，其特征在于：所述成形脉冲信号为线性的三角形脉冲信号或梯形脉冲信号，或者为非线性的指数衰减脉冲信号或准高斯脉冲信号。
4.一种实现权利要求1或2所述方法的能谱分析系统，包括转化粒子能量的接收探头，接收探头用于将粒子能量转化为初始脉冲电流信号，其特征在于：还包括前置放大器、极零相消电路、脉冲成形电路、定阈值比较器以及内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片；
其中，前置放大器将初始脉冲信号通过积分放大处理为脉冲幅度与粒子能量对应的阶跃脉冲信号；极零相消电路用于将阶跃脉冲信号转化为指数衰减脉冲信号并将信号幅值放大；脉冲成形电路用于将指数衰减脉冲信号转化为具有一定脉冲宽度和幅度的成形脉冲信号，定阈值比较器或触发器用于将该成形脉冲信号转化为矩形脉冲信号，使该矩形脉冲的脉冲幅度为固定值，使该矩形脉冲的脉冲宽度等于成形脉冲信号在阈值处的脉冲宽度；可编程逻辑芯片用于测量矩形脉冲信号的脉冲宽度和脉冲计数，并根据测量所获得的一系列脉冲宽度和对应的计数值得到脉冲宽度谱，最后通过脉冲宽度和脉冲幅度的对应关系可以将脉冲宽度谱转换为脉冲幅度谱，或者根据脉冲宽度和粒子能量的对应关系直接将脉冲宽度谱转换为粒子的能谱。
5.根据权利要求4所述的能谱分析系统，其特征在于：所述脉冲成形电路采用冲击响应的时域波形与成形后的脉冲波形相一致的准三角脉冲成形电路。
6.根据权利要求5所述的一种能谱分析系统，其特征在于：所述准三角脉冲成形电路采用模拟的对数运算脉冲放大电路，其将指数衰减脉冲信号转换为线性衰减的直角三角形脉冲。
7.根据权利要求4所述的一种能谱分析系统，其特征在于：
可编程逻辑芯片进行脉冲宽度检测的过程为：首先将矩形脉冲信号通过D触发器与时钟信号同步；然后用矩形脉冲信号控制计数器对时钟信号进行脉冲计数，则计数值代表矩形脉冲信号的脉冲宽度；
可编程逻辑芯片进行脉冲计数的过程为：根据矩形脉冲的脉冲宽度和阶跃脉冲的脉冲幅度的对应关系W＝F(A)，把矩形脉冲信号的脉冲宽度计数值按线性或非线性的函数关系分段Wn＝F(An)且An+1＝An+Δ，其中n为非负的整数，Δ为固定值，使每一段脉冲宽度W对应一个存储地址，其中Wn≤W＜Wn+1，每获得一个存储地址就对该地址的存储值加1，测量完成后顺序读取所有存储地址的数据即得到线性的脉冲宽度谱。
8.一种利用权利要求1或2所述方法的基于线性脉宽测量的伽马射线探测系统，包括接收伽马光子的固态半导体探测器，其特征在于：还包括电荷灵敏前置放大器，极零相消电路、准三角形或指数衰减型的脉冲成形电路、定阈值比较器以及内含计数器或计时器的可编程逻辑芯片；
电荷灵敏前置放大器对固态半导体探测器输出的脉冲光电流进行积分放大，使其转换为阶跃脉冲信号；极零相消电路将阶跃脉冲信号转换为指数衰减脉冲信号并对信号幅值进行放大；脉冲成形电路将指数衰减脉冲信号成形为有限脉冲宽度的脉冲信号；定阈值比较器或触发器将成形后的脉冲信号转换为对应脉冲宽度的矩形脉冲；可编程逻辑芯片测量矩形脉冲的脉冲宽度和脉冲计数，并根据测得的一系列脉冲宽度对应的脉冲计数得到脉冲宽度谱，最后根据脉冲宽度和脉冲幅度与粒子能量的对应关系，可以最终得到伽马光子的脉冲幅度谱和能谱。
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