一种核辐射探测器的串联读出电路及位置识别方法

本发明涉及核辐射探测领域，尤其涉及一种核辐射探测器的串联读出电路及位置识别方法。

背景技术：

1、近年来，随着现代核工业的迅速发展，作为核能领域研究重点的核探测技术，被广泛应用于医学成像、物理学、军事、能源等领域。同时，核安全保障也成为日益关注的话题。核辐射的探测以及准确定位对核安全、核保障措施、环境监测和国土安全至关重要。随着核工业技术的进步，核辐射探测器能够在广阔的视野内准确识别和定位放射源，大大提高了辐射检测效率。如何对探测器输出的核脉冲信号进行处理，是一个重要的研究领域。

2、目前，传统处理核辐射探测的核脉冲信号存在以下途径：

3、1.核辐射探测器通过电荷灵敏前置放大器的信号读出电路，再经过多道脉冲幅度分析器，模拟多道包括极零相消、滤波成形、峰值保持，进入低速adc采样，最后给处理器进行设计处理。探测器输出的脉冲信号采用模拟电路进行处理，完成多道脉冲分析幅度功能，获得能谱。

4、2.核辐射探测器通过电荷灵敏前置放大器的信号读出电路，借助高速adc采集脉冲波形，并通过数字信号处理电路进行梯形成形、脉冲波形甄别、基线恢复、脉冲抗堆积、脉冲幅度分析等处理，最终获取能谱。

5、核辐射探测器是将射线转换为电信号,电信号通过电荷灵敏前置放大器进行处理。常见的核辐射探测器有气体电离探测器、半导体探测器、闪烁体探测器等。闪烁体探测器可以广泛应用于各种常见的辐射探测领域，包括安检、工业检测、空间探测和医疗成像等，也是被应用得较多的一类核辐射探测器。

6、在核辐射检测系统中，前置放大器读出电路探测器的输出信号幅度较小，因此需要搭配前置放大电路对其信号进行放大。核辐射探测器的核心前置放大电路主要有电荷灵敏、电压灵敏、电流灵敏3类。由于电荷灵敏前置放大电路在增益稳定性以及噪声性能上的优势，电荷灵敏前置放大电路在核辐射探测领域应用更广泛。在选择电荷灵敏前置放大器电路的核心运放芯片时，通常要求运放芯片有足够的增益、较高的带宽以及尽量小的电流噪声。

7、当核辐射探测器用于射线成像时，需要的探测器数量较多，一般每个探测器采用单独的读出电路，以保证探测性能。如果采用横竖方向电阻分流方式进行四角信号读出，能够大幅度减少读出电子学通道数量，但其电荷分流会造成电荷损耗，输出信号幅值会衰减。同时多通道电子学共享，也会使得噪声增加，从而影响能量分辨率。

技术实现思路

1、为了克服或缓解以上一个或多个技术问题，本发明目的是提供一种核辐射探测器的串联读出电路及位置识别方法，可以解决对多个探测器、多个通道电路读出电子学电路数量较多的问题，利用串联读出电路减少读出电子学通道数量，并保证较好的能量分辨率，再通过两个前放的读出信号幅度和时间信息识别探测器的位置。

2、本发明提供了如下的技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种核辐射探测器的串联读出电路，其包括串联分流电阻网络、位于所述串联分流电阻网络两端的电荷灵敏前置放大器以及共有线路；所述串联分流电阻网路包括n个探测器接入所述共有线路，所述探测器用于核辐射探测，n为大于2的自然数；每两个相邻的所述探测器接入所述共有线路的接入点之间设有分流电阻r，所述分流电阻r的数量为n-1个；单个所述电荷灵敏前置放大器包括运算放大器g、反馈电容cf和反馈电阻rf，cf与rf均并联在运算放大器g的负向输入和输出端，两个运算放大器分别为g1和g2。

4、在上述实施方式中，对于一种核辐射探测器的串联读出电路，其结构特征包括n(n>2)个核辐射探测器、2个电荷灵敏前置放大器，n-1个分流电阻r。电荷灵敏前置放大器由运算放大器g1、g2，反馈电容cf和反馈电阻rf组成。探测器可以通过导线直接连接到分流电阻，也可以通过电容交流耦合到分流电阻。然后通过导线串连到两个电荷灵敏前置放大器，实现探测器产生的电荷信号分流读出s1(t)、s2(t)。该串联读出电路减少了读出电子学的通道数量，并保障了较好的电荷收集，从而提高读出信号的信噪比。

5、根据一些实施方式，所述探测器接入所述共有线路之前还连接有交流耦合的电容c。

6、在上述实施方式中，探测器与分流电阻耦接方式分为直接耦合和交流耦合。直接耦合是将探测器输出的脉冲信号直接接入运算放大器的输入端。交流耦合是为了去除探测器输出的直流偏移量，通过电容接入运算放大器的输入端。

7、第二方面，本发明提供了一种如上述核辐射探测器的串联读出电路的位置识别方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

8、s0:组装串联读出电路：首先组装所述串联分流电阻网路，其包括n个探测器接入所述共有线路；每两个相邻的所述探测器接入所述共有线路的接入点之间设有分流电阻r，所述分流电阻r的数量为n-1个；在组装好的所述串联分流电阻网络的共用线路的两端分别设置两个所述电荷灵敏前置放大器，对两个所述电荷灵敏前置放大器的供电方式为双电源供电或单电源供电；

9、s11:检测输出信号s1(t)和s2(t)：对两个电荷灵敏前置放大器输出信号进行检测，这两个信号代表探测器两端的响应，两个电荷灵敏前置放大器分别输出信号s1(t)、s2(t)，其信号波形为指数衰减信号；

10、s12:计算输出信号s1(t)、s2(t)的幅度，用于提取放大系数，分别记为a1和a2，计算式如下：

11、

12、其中b1、b2为常数，a1、a2为运算放大器的放大系数，b1、b2常数由探测器的参数决定；i为具体的分流电阻的序号；

13、s13:计算公式单个读出信号幅度与两个读出信号总幅度的比值f，计算式如下：

14、

15、s14:确定比值f与位置关系：在已知位置下，通过模拟和大量实验得到位置与比值直接的关系，所述大量实验即为循环执行步骤s11～s13，直至确定不同探测器位置对应的比值f的范围，建立探测器位置与比值f的关系图表；

16、s15:确定探测器位置：正式测量时，通过执行s11～s13测量当前信号的比值f，并利用s14步骤中建立的关系图表来确定探测器的位置。

17、在上述实施方式中，计算输出信号s1(t)、s2(t)的信号幅度，用于提取放大系数a1、a2，然后利用a1、a2进行位置识别。基于两个电荷灵敏放大器输出信号的大小,通过大量测试确定不同探测器位置的比值f范围，其中f为单端个读出信号幅度与两个读出信号总幅度的比值；然后通过测量比值f与事先求得的探测器位置与比值f的关系来确定探测器的位置。该读出方法直接处理放大器后端的模拟信号，提供了更好的电荷收集，同时最小化了电阻性读出链的噪声贡献。

18、根据一些实施方式，还包括校正步骤s3，具体如下：

19、s31:根据步骤s12，在获得的能峰图中，得到实际测试能量epi，每个放射源的标准能量为er不同的放射源能量不同,同一个放射源标准能量相同，并记录相应的实际测试能量ep；

20、s32:求取校正系数ki和偏移量ai，对每个位置i，使用标准能量er和实际测试能量epi进行线性回归，求取校正系数ki和偏移量ai，匹配步骤s14建立的关系图表，建立对应的校正关系图表；将测得的比值f与预先建立的关系图表匹配，找到最接近的位置i；

21、s33:补偿计算，进行精确校正：

22、根据s32匹配到的位置i，使用对应的校正系数ki和偏移量ai，对实际测试能量epi进行校正，校正公式如下：

23、er＝ki·epi+ai                            (7)

24、校正后的能量e等于标准能量er。

25、第三方面，本发明还提供了一种如上述核辐射探测器的串联读出电路的位置识别方法，其依次包括以下步骤：

26、s0:组装串联读出电路：首先组装所述串联分流电阻网路，其包括n个探测器接入所述共有线路；每两个相邻的所述探测器接入所述共有线路的接入点之间设有分流电阻r，所述分流电阻r的数量为n-1个；在组装好的所述串联分流电阻网络的共用线路的两端分别设置两个所述电荷灵敏前置放大器，对两个所述电荷灵敏前置放大器的电源供电选择双电源供电；

27、s21:检测输出信号s1(t)和s2(t)：对两个电荷灵敏前置放大器输出信号进行检测，这两个信号代表探测器两端的响应，两个电荷灵敏前置放大器分别输出信号s1(t)、s2(t)；

28、s22:提取上升时间τ1和τ2：根据输出信号s1(t)、s2(t)的上升时间，直接读取测量信号从基线到峰值的一段时间或通过计算提取时间常数分别记为τ1和τ2，计算式如下；

29、τ1＝rf·cf·(k-1)                   (3)

30、τ2＝rf·cf·(n-k)                   (4)；

31、s23:比值t：计算单个读出信号上升时间与两个读出信号总上升时间的比值t，计算式如下：

32、

33、s24:确定比值t与位置关系：在已知位置下，通过模拟和大量实验得到位置与比值直接的关系，所述大量实验即为循环执行步骤s21～s23，直至确定不同探测器位置对应的比值t的范围，建立探测器位置与比值t的关系图表；

34、s25:确定探测器位置：正式测量时，通过执行s21～s23测量当前信号的比值t，并利用s24步骤建立的关系图表确定探测器的位置。

35、在上述实施方式中，计算输出信号s1(t)、s2(t)的上升时间,用于提取时间常数τ1和τ2，然后利用τ1和τ2进行位置识别。基于两个电荷灵敏放大器两端输出信号的,上升时间，通过大量测试确定不同探测器位置的比值t范围，其中t为单个读出信号上升时间与两个读出信号总上升时间的比值；然后通过测量的比值t与事先求得的探测器位置与比值t的关系来确定探测器的位置。

36、根据一些实施方式，还包括校正步骤s3，具体如下：

37、s31:步骤s22，在获得的能量峰图中，得到实际测试能量epi，每个放射源的标准能量为er不同的放射源能量不同,同一个放射源标准能量相同，并记录相应的实际测试能量ep；

38、s32:求取校正系数ki和偏移量ai，对每个位置i，使用标准能量er和实际测试能量epi进行线性回归，求取校正系数ki和偏移量ai，匹配步骤s24建立的关系图表，建立对应的校正关系图表；将测得的比值f与预先建立的关系图表匹配，找到最接近的位置i；

39、s33:补偿计算，进行精确校正：

40、根据s32匹配到的位置i，使用对应的校正系数ki和偏移量ai，对实际测试能量epi进行校正，校正公式如下：

41、er＝ki·epi+ai                            (7)

42、校正后的能量e等于标准能量er。

43、在上述实施方式中，核辐射探测器共享两个电荷灵敏放大器进行信号读出，核辐射探测器产生的电荷量会在分流的过程中部分耗散在串连的电阻网络上，导致两个电荷灵敏放大器的读出信号的总幅度变小，其不再与探测器中的能量沉积大小，也就是探测器产生的总电荷量成正比。因此根据由比值f和t识别核辐射探测器的位置，然后根据探测器的位置对其读出信号总幅度进行校正，使探测器中能量沉积的大小与读出信号的总幅度成正比关系。

44、相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：

45、与传统的多通道读出电子学相比，本发明大幅减少了电子学通道数，仅包含2个电子学通道数，并且具有较好的信噪比、降低了电子学功耗。将n个探测器产生的电荷信号通过电阻分流为2个电荷信号输出，串联读出电路的结构简单。信号只分成2份使得提取到的信号幅度大，噪声小，通过对双端读出电路的脉冲幅度进行分析，统计能量分辨率以及响应探测器的具体位置，对核辐射探测器相应通道进行准确辨别。同时减少了电路的运算量，降低相关电路的功耗和面积，也降低了低能成像装置的体积和重量。

46、本发明与现有其它读出电路通道相比在大幅度减少电子学读出通道数量的同时保证了较好的信噪比，并实现了对多个探测器位置的准确定位。同时减少电路的规模，降低相关电路的功耗和面积，也减小低能成像装置的体积和重量，使得系统结构简单便于搭建，能够以低成本实现位置的准确定位，有利于便携式射线成像设备的研制。

技术特征：

1.一种核辐射探测器的串联读出电路，其特征在于：其包括串联分流电阻网络、位于所述串联分流电阻网络两端的电荷灵敏前置放大器以及共有线路；所述串联分流电阻网路包括n个探测器接入所述共有线路，所述探测器用于核辐射探测，n为大于2的自然数；每两个相邻的所述探测器接入所述共有线路的接入点之间设有分流电阻r，所述分流电阻r的数量为n-1个；单个所述电荷灵敏前置放大器包括运算放大器g、反馈电容cf和反馈电阻rf，cf与rf均并联在运算放大器g的负向输入和输出端，两个运算放大器分别为g1和g2。

2.根据权利要求1所述核辐射探测器的串联读出电路，其特征在于：所述探测器接入所述共有线路之前还连接有交流耦合的电容c。

3.一种如权利要求1～2任一所述核辐射探测器的串联读出电路的位置识别方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述位置识别方法，其特征在于：还包括校正步骤s3，具体如下：

5.一种如权利要求1～2任一所述核辐射探测器的串联读出电路的位置识别方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述位置识别方法，其特征在于：还包括校正步骤s3，具体如下：

技术总结
本发明涉及核辐射探测领域技术领域，其公开了一种核辐射探测器的串联读出电路及位置识别方法，串联读出电路包括串联分流电阻网络、位于所述串联分流电阻网络两端的电荷灵敏前置放大器以及共有线路；所述串联分流电阻网路包括n个探测器接入所述共有线路；每两个相邻的所述探测器接入所述共有线路的接入点之间设有分流电阻R，所述分流电阻R的数量为n‑1个；单个所述电荷灵敏前置放大器包括运算放大器G、反馈电容C<subgt;f</subgt;和反馈电阻R<subgt;f</subgt;，C<subgt;f</subgt;与R<subgt;f</subgt;均并联在运算放大器G的负向输入和输出端。本发明与传统的多通道读出电子学相比，大幅减少了电子学通道数，仅包含2个，并且提高了信噪比、降低了电子学功耗，进行响应探测器的快速定位，实现准确位置识别。

技术研发人员：杨剑,曾国强,李欣月,邓皓文,胡传皓,杨新宇,田成帅,欧阳晓平
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23