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摘要：根據探測器輸出信號的特點，設計出基于探測陣列的核電子學讀出電路。通過分析電路原理進行整體的電路設計，包括重心定位電路、整形電路及甄別電路等模塊的設計。實驗證明，該電路具有較強的可行性，可應用于多種探測器，為此類電路的研究提供理論參考。
關鍵詞：探測器陣列；核電子學；讀出電路
引言
探測器陣列是微光檢測裝置，被廣泛用于核物理、醫學影像及生命科學等前沿學科。核電子學是結合電子學和核科學而產生的交叉學科。核電子學的內容包括：高能物理和核技術中有關核輻射探測的電子技術；核技術應用中所需的核電子技術[1]。基于核電子學，讀出電路是探測器陣列信號的檢測和處理裝置，可從電信號中提取攜帶的核素和核反應信息，如幅度代表粒子能量、計數率代表輻射強度及時間代表粒子飛行的速度、路跡等。
1重心定位電路原理分析
重心定位電路的基本工作原理是探測器陣列從抽頭接入電阻網絡，在電阻網路的4個對角線分別引出A、B、C、D四路微弱信號給前置放大器。利用重心法檢測位置信息[2]，重心定位電路的整體原理如圖1所示。探測器陣列由4×4的半導體探測器組成。探測器在Bias偏置電壓的作用下，檢測到光子射入時發生雪崩擊穿。通過猝滅電子產生脈沖電流，并注入到電阻網路的抽頭上。探測器陣列中的通道數量很大，若通過一對一的讀出電路讀出，將導致探測器陣列的核電子學讀出電路規模龐大，且增加功耗。利用這種電阻網絡組成的重心定位電路，將探測器陣列的電信號從4個對角線分別引出[3]。位于4個對角線的放大器分別將輸出的電流脈沖放大成電壓信號。根據式（1）分別求出被擊中的探測器陣列的位置坐標(X,Y)。
2核電子學讀出電路設計與實現
核電子學讀出電路采用單片集成的方式，芯片上同時分布重心定位電路、采樣電路、甄別電路、偏置電路及FPAG處理電路五部分，整體架構如圖2所示。由圖2可知，重心定位電路分別輸出A、B、C、D四路信號到4個獨立的采樣電路和甄別電路。采樣電路由CR-RC電路和模擬積分器組成，用于將指數脈沖整形為類高斯形，并經模擬積分器得到平穩的電荷峰值，從而使脈沖攜帶的能量被ADC精確采樣。甄別電路由閾值設定DAC和過閾觸發器組成，脈沖信號超過閾值時被觸發形成定時信號。高壓電源偏置電路通過DAC設定探測器陣列的偏置電壓，通過適當調節偏置電壓可改變探測器的輸出增益，保持所有探測器輸出幅值一致。
2.1整形電路
探測器電路的輸出電流脈沖伴隨有噪聲。當探測器的電流脈沖近似為沖擊信號且前置放大器中的趨于無窮時，濾波器的輸入噪聲電壓為：在最大信噪比下采樣電路采集信號。時間常數RC=τc的CR微分電路可作白噪聲化濾波器。CR電路替代具有低通特性的白噪聲化濾波器，RC積分電路替代具高通特性的匹配濾波器。CR-RC濾波器存在最佳時間常數τopt=τc，則此時信噪比為：階數m增大，峰值減小，峰位后移。當m→∞時，呈高斯形；當m=4時，輸出接近高斯形。所以，一般采用CR-(RC)4整形電路。在最佳信噪比下，階數m增大，峰值建立時間減小，脈沖寬度變窄。在高計數率下，CR-(RC)m整形電路可減少脈沖堆積的發生，提高能量分辨率。隨著階數的增加，能量畸變增加，這與提高能量分辨率是矛盾的，需要采取折中辦法。
2.2甄別電路
在核電子學讀出電路中，甄別電路用于識別有效的探測器脈沖，并產生定時信號給TDC以測量時間。甄別電路由閾值設置和過閾觸發電路組成，其定時誤差源于時間游動、時間晃動及時間漂移3個因素。時間游動稱為Timewalk，是輸入脈沖幅度和波形變化引起測量電路輸出產生時間的移動，包括幅度變化和上升時間變化。時間晃動稱為Timejitter，是探測器輸出信號的統計性漲落（如渡越時間分散）和噪聲引起測量電路輸出產生時間的統計性漲落。時間漂移稱為Timedrift，是測量電路和探測器中對溫度、電源電壓敏感及易老化的元器件引起的時間測量誤差。這種誤差是一種慢變化誤差。輸入甄別器電路的信號為：V1為信號幅度，tM為信號達峰時間。前沿觸發時間為：當探測器接收同一種粒子時，輸出脈沖上升時間相同而幅度不同，觸發時間將沿時間軸產生游動，如：
2.3電路實現
設計電路的模型和原理圖后，可實現整個讀出電路。按照原理圖構建元件電路，由于核電子學讀出電路用于時間測量，要求每個信號通道傳輸線嚴格等長。前級放大器應靠近探測器擺放，盡量減少寄生。通道間保持足夠間隙，保證有效的隔離度，避免串擾。整形和模擬積分電路與ADC的模擬端就近放置，與后面的FPAG電路距離較遠。放置數字信號促使采樣通道的噪聲增加，高速數據總線應保證信號完整性。信號線下面設置完整的地平面，電源需用內墊層分割。
3電路測試結果
探測器陣列核電子學讀出電路的PCBA在實驗室屏蔽間測試能量分辨率，放射源為Na-22點源，晶體為LYSO3mm×3mm×20mm。通過實驗得到核電子學讀出電路的能量分辨率和散點圖，如圖3所示。讀出電路除信號信息外，還需考慮噪聲數據的信息。通過實際電路的實驗室測試，充分證明該電路的可行性。
4結論
探測器陣列在各個領域都有極其廣泛的應用，研究探測器陣列中的核電子學讀出電路意義重大。目前，讀出電路逐漸成為探測器陣列性能的決定性因素，可為此類技術的研究提供參考。
參考文獻：
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作者：張軍 楊龍 趙玉秋 單位：東軟醫療系統有限公司