一种能谱分析方法、能谱分析系统及伽马射线探测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] -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：
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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：
[0015] 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。
[0016] 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)。
[0017] 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(t)和 f2(t) O
[0018] 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T 2，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
[0019] 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A(VA)和 f2(t/A) 〇
[0020] 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
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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Α η+1=Αη+Δ，其中n为非负的整数， A为固定值，使每一段脉冲宽度W对应一个存储地址，其中K W〈W n+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。
[0026] 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