放大器自身的反馈电阻R20-R24与反馈电容C19构成一个放电回路，时间常数为t2，C1 I与Rl I构成后级微分成形电路，其时间常数为τ3，为了使电路没有明显的极零点τ3必须小于Tl和τ2，据此要选择各个回路合适的电阻、电容值。输入信号通过ClO耦合至后级电路，同时直流电压被ClO隔离，从而保证输入级JFET有稳定的静态工作点。因为输入级JFET的Ciss与探测器等效电容相等时信噪比最高，因此需要根据每一行探测器数量的多少选择合适的JFET。当探测器较多时，其等效电容较大，此时选择2SK147、2N6550或者多个JFET并联；当探测器数量较少时，其等效电容较小，此时选择2SK152、2N4416。放大器的放大级采用折叠型结构，R12、R14、Q4与R2、R6、Q1分别构成两个恒流源，因为流入输入级JFET的电流为流过R2的电流减去流入Ql的电流，因此可以根据不同型号的JFET所需要的漏源电流确定两个恒流源的电流值，使得JFET有最大的增益。为了进一步提高信噪比，本发明采用0PA683型高速低噪声电流型运算放大器对前级输出的信号进行放大。由于前级输出信号的时间常数τ1，τ2较大，不能直接对该信号进行放大，否则在高计数率情况下，放大器的输出会满幅度过载，因此要先对前级放大器输出的信号进行CR微分整形，调整其成形时间，进而获得理想的双指数信号。
[0033]放大器输出的信号要分别经过加权单元与时间甄别单元的处理，再送入数字多道脉冲幅度分析器中。其中信号加权单元电路如图7所示，该电路以LMH6639型运算放大器为核心，构成反相求和电路，将各路放大器输出的信号进行叠加，得到总的单路能量信号。与此同时，每一路信号的噪声也会被加权电路叠加，导致单路能量信号的信噪比大幅降低，因此需要预先对各路信号进行滤波处理。滤波电路如图6所示，该电路以AD8011型运算放大器为核心，构成二阶RC有源滤波电路，可以有效滤除输入信号的高频噪声，从而降低叠加后单路能量信号的噪声，提高信噪比。时间甄别功能的实现过程如图5(a)所示，当电荷灵敏放大器有信号输出时，相应时刻产生与其对应的方波信号，从而形成对应通道的地址信号实现甄别功能。该时间甄别单元的电路如图5(b)所示，它以CMP402比较器为核心，通过设置输入端的参考电压(参考电压值应大于信号的噪声值，小于信号的幅值)，当输入信号大于参考电压时即可产生方波信号。
[0034]上述数字多道脉冲幅度分析器内部结构如图3所示，它以FPGA芯片为核心，单路能量信号与时间甄别信号被送入进行处理。由于RC有源滤波后的信号变为高斯信号，此时不利于数字多道进行处理，因此需要进行反褶积运算，将叠加后的能量信号还原为双指数信号，再分别送入快通道与慢通道中，经过数字梯形成形的幅度提取，最终形成能谱。
[0035]由于每一个S1-PIN探测器与每一路电荷灵敏放大器都不会完全一致，导致不同通道之间存在差异，因此必须对每一个通道进行离线校正才能进行谱线合成，否则无法保证合成谱的能量分辨率。离线校正功能的实现过程如图8所示，离线校正模块能够根据各时间甄别电路输出的方波信号判断出单路能量信号中的每一个信号所对应的通道地址，进而在慢通道梯形成形时乘以相应通道的校正因子(校正因子是根据各通道与基准通道之间的误差确立出的二元关系式)，从而得到精确的信号幅值，提高系统能量分辨率。
[0036]该方案的优点主要有以下三点:1.采用探测器阵列代替了常规的单一探测器增大了探测器灵敏区的有效面积，提高了探测器的计数率。2.采用电荷灵敏放大器阵列代替常规的单一电荷灵敏放大器，能够大幅减小等效输入电容，降低等效噪声电荷，提高信噪比。
3.增加离线校正功能，能够最精确的提取出信号幅值，提高系统能量分辨率。
[0037]虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1.一种基于S1-PIN探测器阵列的高分辨率X射线能谱仪，其特征在于，所述X射线能谱仪包括S1-PIN探测器阵列、电荷灵敏放大器阵列、RC有源滤波单元、信号加权单元、时间甄别单元及数字多道脉冲幅度分析器； 所述S1-PIN探测器阵列是由S1-PIN探测器组合成m行Xn列的探测器阵列，所有S1-PIN探测器阴极相连，每一行S1-PIN探测器阳极并联，并通过偏置电阻连接高压电源； 所述每一行S1-PIN探测器使用同一个电荷灵敏放大器，不同行间使用的电荷灵敏放大器组成电荷灵敏放大器阵列； S1-PIN探测器阵列将接收到的X射线转换为电荷信号，并通过电荷灵敏放大器阵列放大后获得核脉冲?目号。2.如权利要求1所述的基于S1-PIN探测器阵列的高分辨率X射线能谱仪，其特征在于，所述电荷灵敏放大器阵列是由η路低噪声电源模块分别供电的阻容反馈式电荷灵敏放大器阵列，且电荷灵敏放大器阵列中的每一路电荷灵敏放大器后分别连接时间甄别电路和RC有源滤波电路。3.如权利要求2所述的基于S1-PIN探测器阵列的高分辨率X射线能谱仪，其特征在于，经RC有源滤波电路滤波成形后的信号经加权电路叠加后形成单路的能量信号，该能量信号与时间甄别电路中的时间甄别信号一起输送入数字多道能谱仪中进行处理后，输出X射线能谱。4.如权利要求1所述的基于S1-PIN探测器阵列的高分辨率X射线能谱仪，其特征在于，所述时间甄别单元通过时间甄别电路判定各通道电流脉冲信号产生的时间，并根据所述时间确定总的单路能量信号中各个信号所对应的通道地址信息，以供离线校正模块进行处理。5.如权利要求1所述的基于S1-PIN探测器阵列的高分辨率X射线能谱仪，其特征在于，通过RC有源滤波单元中RC有源滤波电路和信号加权单元中信号加权电路将滤波加权后的能量信号反褶积处理，获得低噪声的双指数信号。6.如权利要求4所述的基于S1-PIN探测器阵列的高分辨率X射线能谱仪，其特征在于，所述离线校正模块根据时间甄别单元提供的η路时间信号判定单路能量信号的各信号所对应的通道地址，从而在梯形成形时乘以相应通道的校正因子提取到精确的脉冲幅度值。
【专利摘要】本发明公开了一种基于Si-PIN探测器阵列的高分辨率X射线能谱仪，能谱仪的探测器选用m行×n列的Si-PIN探测器阵列，每一行探测器共用一个电荷灵敏放大器，共有n列，探测器检测到的X射线经放大器放大后分别被送入时间甄别单元与信号滤波加权单元，形成n路时间信号和单路能量信号。在数字多道脉冲幅度分析器的内部，时间信号与能量信号经离线校正模块和梯形成形模块的处理，提取到精确的脉冲幅值，最终输出X射线的能谱。本发明的有益效果是增大了探测器检测X射线尤其是高能X射线时的探测效率，解决了常规情况下使用探测器阵列时引入较大噪声的问题，提高了信噪比，有效提高了X射线能谱仪的能量分辨率。
【IPC分类】G01T1/36
【公开号】CN105549064
【申请号】CN201610006293
【发明人】曾国强, 胡传皓, 欧阳晓平, 刘洋, 葛良全, 张开琪
【申请人】成都理工大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月5日