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0 引言
核能譜輻射測量技術(shù)是一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，是核探測技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科相互交叉滲透的產(chǎn)物。具有現(xiàn)場、多元素快速分析等特點(diǎn)。核能譜輻射測量技術(shù)已經(jīng)不僅用于核研究，也在地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、考古學(xué)等學(xué)科扮演著越來越重要的角色。由于閃爍記數(shù)器、半導(dǎo)體探測器等核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比關(guān)系，因此，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量。然而，脈沖幅度的測量在核能譜輻射探測中則是一個重要問題。
多道脈沖幅度分析器不僅能自動獲取能譜數(shù)據(jù)，而且一次測量就能得到整個能譜，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時間，與此同時，其測量精度也顯著提高。自從20世紀(jì)50年代以來，多道脈沖幅度分析器發(fā)展迅速，現(xiàn)在已成為獲取核能譜數(shù)據(jù)的通用儀器。
傳統(tǒng)的核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上大多采用分離元器件以及8位單片機(jī)來設(shè)計(jì)，故其功耗大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低并且難于調(diào)試；而在軟件設(shè)計(jì)上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)效率低、可移植性差、性能難以保證。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一些新型低功耗集成電路、ASIC集成電路、微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷引入，使核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能日益完善和強(qiáng)大，也為核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向輕便化、智能化、微機(jī)一體化以及網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展提供了必要條件。
多道分析任務(wù)是將被測量的脈沖幅度范圍平均分成2n個幅度間隔，然后測量幅度在每一個幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)，最后得到輸入信號的脈沖幅度分布曲線。其測量采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A／D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。
在計(jì)算機(jī)的存儲器中開辟一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個計(jì)數(shù)器，每一個脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個對應(yīng)的計(jì)數(shù)器。多道脈沖幅度分析時，可在微處理器的控制下，將被分析的脈沖信號首先送往模數(shù)變換器，經(jīng)A／D變換形成一個代表脈沖幅度的數(shù)字量(道址)。然后用微處理器將該數(shù)字量變換成所對應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址。并使該地址對應(yīng)的計(jì)數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計(jì)數(shù)加一)。這樣，經(jīng)過一段時間的測量，存儲器內(nèi)計(jì)數(shù)器緩沖中各計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的多少就可反映輸入脈沖的幅度分布。
1 多道脈沖幅度分析器結(jié)構(gòu)
一臺完整的核地球物理儀器通�？煞譃閮刹糠郑汉溯椛涮綔y器和嵌入式系統(tǒng)。而多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分。多道脈沖幅度分析器一方面采集來自放大器的信號并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果；另一方面將存儲的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并直接顯示譜線，或通過計(jì)算機(jī)接口送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和譜線顯示。
本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。脈沖信號在通過甄別電路和控制電路時，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對脈沖信號峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在片上FLASH中，然后由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
2 多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)
2．1 脈沖線性主放大器
多道脈沖幅度分析器由甄別電路、控制電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、ARM嵌入式系統(tǒng)組成，其控制核心為嵌入式系統(tǒng)。它的基本功能是按輸入脈沖的幅度分類計(jì)數(shù)。多道脈沖幅度分析器將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個幅度間隔，幅度間隔的個數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù)，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器的道寬。道數(shù)越多，幅度分布分析的越精細(xì)，各個道的計(jì)數(shù)相應(yīng)減少，需要測量的時間就要加長，硬件電路也隨之復(fù)雜。因此，不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常要求，在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有5～10道。對于采用NaI探測器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，往往128道至256道就能滿足測量要求。而對于半導(dǎo)體探測器，則需要1024~8196道。本文使用半導(dǎo)體探測器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道，但采用并道的方式來顯示1024道。
主放大器應(yīng)放在前置放大電路和甄別電路之間，但需要增益調(diào)節(jié)來補(bǔ)償核輻射探測器輸出脈沖幅度的變化。由于探測器輸出的脈沖信號幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏)，脈沖寬度比較窄，因此。為了能進(jìn)行信號幅度分析，實(shí)現(xiàn)能譜測量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形。針對脈沖特點(diǎn)，要求放大器具有以下技術(shù)指標(biāo)特性：
首先是放大倍數(shù)應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}沖信號幅度一般可以調(diào)至幾百毫伏左右，而放大器輸出脈沖幅度在1～5V范圍內(nèi)，所以其放大倍數(shù)應(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號幅度有差異，其放大倍數(shù)應(yīng)可調(diào)試。
其次是放大器的頻帶寬度。由于前放輸出的脈沖寬度會受有關(guān)電路影響，一般為幾個μs，因此，要求放大器的頻帶寬度為1～2MHz。
第三是放大器的噪聲�？紤]到來自前放的信號幅度比較小，要求選用的放大器的輸入噪聲應(yīng)盡可能的小。一般地，選用低噪聲的運(yùn)算放大器組件可以有效減少電路內(nèi)部固有的噪聲。
另外，諸如放大器的輸入阻抗、抗計(jì)數(shù)過載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等，在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時也應(yīng)予以考慮。由于α脈沖信號通過整形后大概有1~2個微秒的脈沖寬，γ脈沖信號通過整形后大概有3～5個微秒的脈沖寬，所以，在選用運(yùn)算放大器時，要考慮到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、溫漂小等特點(diǎn)。
2．2 峰值檢測電路
峰值檢測電路由甄別電路和控制電路兩部分構(gòu)成，甄別電路的作用是檢測信號時序，控制電路則根據(jù)甄別電路的時序?qū)δM開關(guān)、ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制�？刂齐娐繁仨毟鐒e電路的時序嚴(yán)格結(jié)合在一起，才能完成峰值檢測任務(wù)。
由于核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比，因此，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量�？梢姡}沖幅度測量技術(shù)在核能譜測量中是一個重要的問題。甄別電路需要解決三個與信號相關(guān)的信息：一是超過閾值信號的信息；二是過峰時間信息，即啟動ADC轉(zhuǎn)換的時間信息；三是ADC完成轉(zhuǎn)換的時間信息。甄別電路中也存在三個關(guān)鍵問題，研究中要予以注意：
首先，由于放大器輸出的α和γ射線脈沖寬度比較窄(約1μs到5μs)，而本系統(tǒng)選用的ADC轉(zhuǎn)換速度為10μs，所以，要對脈沖信號峰值進(jìn)行峰值展寬。采樣保持電路要求采樣速度快，以使保持時間能達(dá)到ADC采樣時間指標(biāo)。
其次，由于脈沖信號的隨機(jī)性，為了防止信號來的過密而引起漏計(jì)，本系統(tǒng)采用10μs轉(zhuǎn)換速度的ADC，所以，從理論上分析，如果兩個信號相隔10μs內(nèi)，則會引起漏計(jì)。而由于CPU處理速度等問題的存在，實(shí)際上，這個時間間隔可能長3～10倍，即在30～100μs之間(根據(jù)CPU處理速度及代碼量而定)，甚至更多，也就是說，實(shí)際信號出現(xiàn)這種情況的幾率很少，所以，可以忽略這個問題。
另外，還要解決信號過密而引起的幅度信號錯誤紀(jì)錄，而高能區(qū)的信號也可能被誤計(jì)為低能區(qū)的信號，容易引起低能計(jì)數(shù)偏大而高能計(jì)數(shù)偏小的問題。
圖2所示是甄別電路和控制電路的原理圖。甄別電路的主要功能是完成過峰檢測和去除信號噪聲，可通過設(shè)定閉值將信號中能量小于閥值的噪聲去。峰值通過后，提供信息給控制電路；控制電路的主要功能是完成對A/D讀入／轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制�？刂齐娐房捎�74HC74觸發(fā)器構(gòu)成。
