一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统及方法

1.本发明涉及同步辐射核电子学领域，更具体地涉及一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统及方法。


背景技术：

2.同步辐射装置从第一代发展到第二代、第三代，光子通量提高了几个数量级，探测器水平必须同步发展，才能充分发挥先进光源为实验研究提供的巨大潜力。
3.近年来，随着科学技术的不断发展，半导体探测器在同步辐射中的应用越来越广泛。半导体探测器具有很高的能量分辨率和极低的检测极限(最低可达几个ppm)，成为同步辐射装置中谱学线站测量低浓度样品的标准配备，是用户开展高水平实验的重要设备基础。
4.目前半导体探测器的电子学系统的相关研究都是基于前放输出的直流(rc)式信号类型进行研究，这类设备应用于x光机源等计数率不高的情况。然而，同步辐射装置的信号源具有特殊性，信号的能量密度和强度远远超过x光机，因此会导致普通半导体探测器的电子学系统无法在短时间内实时处理大量的数据，造成系统的死时间过大、实验数据信噪比下降、实验图谱质量下降，甚至会严重影响实验结果。人为地衰减光强虽然能一定程度上解决这个问题，但没有从根本上解决死时间的问题，特别是对处于高计数率高能量分辨率环境下的实验影响很大。
5.现有技术中的商业半导体探测器的电子学设备主要是xia公司的dxp板卡，采用dsp和fpga结合的硬件结构来处理信号的各类算法。但对于第三代同步辐射光源装置的信号强度，dsp的处理能力已经无法适应大计数率的应用场合，经常产生死时间过大的问题。此外dxp板卡基于pxi总线，供电和数据传输都依赖于pxi机箱，体积庞大且通讯稳定性差。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中的问题，针对同步辐射的高强度、高计数率的特点，本发明提出一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统及方法，能够有效地降低系统死时间，减小系统体积，提高通讯稳定性。
7.本发明提供的一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统，包括依次连接的模拟前端、adc数字采样模块、fpga算法处理模块、控制单元、通讯接口以及具有能谱分析模块的上位机，且所述模拟前端与所述控制单元连接；
8.其中，所述上位机设置为所述能谱分析模块预设参数，并将预设的参数通过所述通讯接口传输至所述控制单元；
9.所述控制单元设置为根据所述预设的参数生成第一控制指令和第二控制指令，并将所述第一控制指令传输至所述模拟前端，所述第二控制指令传输至所述fpga算法处理模块；
10.所述模拟前端设置为接收半导体探测器前置放大器输出的初始模拟信号，并根据
所述第一控制信号对所述初始模拟信号进行预处理，得到预处理后的模拟信号；
11.所述adc数字采样模块设置为接收所述预处理后的模拟信号，将所述预处理后的模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号；
12.所述fpga算法处理模块设置为接收所述数字信号，并根据所述第二控制指令对所述数字信号进行分析处理，提取单个信号的幅值，获取具有相同光子能量信息的统计数据；
13.所述控制单元还设置为判断单个信号的幅值是否在预设范围内，若是，则将具有相同光子能量信息的统计数据通过所述通讯接口传输至所述上位机；若否，则生成一反馈信号，并将所述反馈信号传输至所述模拟前端，更新预处理后的模拟信号，并将更新的预处理后的模拟信号重新传输至所述adc数字采样模块；
14.所述上位机还设置为接收具有相同光子能量信息的统计数据，所述能谱分析模块对所述统计数据分析处理后，在所述上位机进行能谱图显示。
15.进一步地，所述模拟前端包括依次连接的信号耦合和阻抗匹配电路、减法电路、增益模块以及低通滤波电路，所述减法电路还与滤波器、范围dac模块依次连接，所述增益模块还通过乘法器与增益dac模块连接。
16.进一步地，所述信号耦合和阻抗匹配电路设置为接收所述初始模拟信号，以使初始模拟信号中的交流分量被隔离，并保持直流分量无损，得到直流模拟信号；
17.所述减法电路设置为接收所述直流模拟信号以及所述第一控制指令中的经幅度调整和平滑滤波后的大阶梯波，以将直流模拟信号分割为若干段模拟信号；
18.所述增益模块设置为接收所述若干段模拟信号，将信号幅值放大若干倍，得到放大后的模拟信号；
19.所述低通滤波电路设置为接收所述放大后的模拟信号，滤除噪声，得到预处理后的模拟信号。
20.进一步地，所述增益dac模块设置为接收所述控制单元产生的反馈信号，调节增益参数，并将调节后的增益参数传输至所述乘法器。
21.本发明还提供一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析方法，包括：
22.步骤s1，提供上述的应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统；
23.步骤s2，上位机将能谱分析模块中预设的参数通过通讯接口传输至控制单元，所述控制单元生成第一控制指令和第二控制指令，所述第一控制指令传输至模拟前端，所述第二控制指令传输至fpga算法处理模块；
24.步骤s3，所述模拟前端接收初始模拟信号，并根据所述第一控制指令对所述初始模拟信号进行预处理，得到预处理后的模拟信号；
25.步骤s4，adc数字采样模块接收所述预处理后的模拟信号，并将所述预处理后的模拟信号转换为数字信号；
26.步骤s5，fpga算法处理模块接收所述数字信号，并根据所述第二控制指令对数字信号进行分析处理，提取单个信号的幅值，获取具有相同光子能量信息的统计数据；
27.步骤s6，所述控制单元判断单个信号的幅值是否在预设的合理范围内，若是，则进入步骤s7，若否，则生成一反馈信号，并将所述反馈信号传输至所述模拟前端，更新预处理后的模拟信号，重复步骤s4-步骤s5；
28.步骤s7，所述控制单元将具有相同光子能量信息的统计数据传输至所述上位机，
所述能谱分析模块对所述统计数据分析处理后，在所述上位机进行能谱图显示。
29.进一步地，所述步骤s3包括：
30.步骤s31，所述初始模拟信号进入信号耦合和阻抗匹配电路，以使所述初始模拟信号中的交流分量被隔离，并保持直流分量无损，得到直流模拟信号；
31.步骤s32，所述直流模拟信号进入减法电路，所述第一控制指令中的大阶梯波经幅度调整和平滑滤波后也进入减法电路，所述直流模拟信号与经幅度调整和平滑滤波的大阶梯波进行减法运算，将直流模拟信号分割为若干段模拟信号；
32.步骤s33，所述若干段模拟信号进入增益模块，将信号幅值放大若干倍，得到放大后的模拟信号；
33.步骤s34，所述放大后的模拟信号进入低通滤波电路，滤除噪声，得到预处理后的模拟信号。
34.进一步地，所述步骤s5包括：
35.步骤s51，所述数字信号并行进入快成形滤波器和慢成形滤波器，产生脉冲事件；快成形滤波器捕获到达的脉冲事件及每个脉冲事件的到达时间，慢成形滤波器检测每个脉冲事件的幅值；
36.步骤s52，根据捕获的脉冲事件和每个脉冲事件的到达时间，进行脉冲堆积检测，提取单个脉冲事件对应的光子能量信息；
37.步骤s53，对提取出的光子能量信息进行分类，获取并保存具有相同光子能量信息的统计数据。
38.进一步地，所述步骤s52包括：
39.步骤s521，对捕获的脉冲事件两两分组，并计算每组中两个脉冲事件的到达时间差；
40.步骤s522，判断每组中两个脉冲事件的到达时间差是否小于慢成形滤波的平顶宽度与上升沿时间之和，若是，则丢弃该组中的两个脉冲事件，计入死时间；若否，则提取该组中两个脉冲事件各自的幅值作为单个脉冲事件对应的光子能量信息。
41.进一步地，所述步骤s6中更新预处理后的模拟信号的步骤包括：
42.步骤s61，将所述反馈信号传输至所述模拟前端中的增益dac模块，调节增益参数；
43.步骤s62，经所述增益模块得到的放大后的模拟信号与调节后的增益参数做乘法运算，得到调节后的模拟信号。
44.步骤s63，调节后的模拟信号进入所述低通滤波电路，滤除噪声，得到更新的预处理后的模拟信号。
45.本发明针对同步辐射领域半导体探测器前放输出的reset式信号，提出了一种新的分析系统及方法，能够克服传统模拟电路处理速度慢和不灵活的特点。本发明针对半导体探头输出信号动态范围大的特点，采用减法电路，将信号调整到合适的范围，间接增加了adc采样的分辨率，进而提升了整个系统的能量分辨率。本发明针对同步辐射的高强度、高计数率的特点，采用快慢滤波器，对信号进行堆积识别和幅度提取，有效降低了系统死时间。同时，本发明能够减小系统体积，提高通讯稳定性。
附图说明
46.图1(a)是半导体探测器的前置放大器输出的信号示意图，图1(b)是图1(a)的局部放大图。
47.图2是按照本发明的应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统的结构示意图。
48.图3是本发明的应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统的模拟前端的结构图。
49.图4是是利用快慢成形滤波器实现脉冲堆积检测的原理图。
具体实施方式
50.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
51.本发明的分析系统及方法针对的是半导体探测器前置放大器输出的复位(reset)式信号，reset式信号更适用于快速响应的系统，当信号累积到一定电压阈值时，信号复位重新进入新一轮的累积。reset式信号的产生原理为：半导体探头在高压电源的作用下，探测到随机的不同能量的光信号，光信号进入低压电源作用下的前置放大器，通过内部的电荷灵敏放大器，将光信号转换为模拟信号。reset式信号为阶梯式信号，表示携带不同能量光子信息的模拟信号叠加在一起，如图1(a)所示。图1(b)是图1(a)的局部放大图，横轴是时间轴，单位是秒；纵轴是信号幅值，单位是伏。信号在纵向方向的跳跃，表示半导体探头接受到某个能量的光子，跳跃的高度表示光子的能量值。
52.如图2所示，本发明提高的应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统100，包括依次连接的模拟前端1、adc数字采样模块2、fpga算法处理模块3、控制单元4、通讯接口5以及具有能谱分析模块的上位机6，且模拟前端1与控制单元4连接。在图2中，空心粗箭头表示模拟数据，实心粗箭头表示数字数据，实心细箭头表示控制信号。
53.其中，上位机6设置为上位机6中的能谱分析模块预设所需的参数，并将预设的参数通过通讯接口5传输至控制单元4。
54.控制单元4设置为根据预设的参数生成第一控制指令和第二控制指令，并将第一控制指令传输至模拟前端1，第二控制指令传输至fpga算法处理模块3。其中，第一控制指令携带模拟前端1所需的参数，第二控制指令携带fpga算法处理模块3所需的参数。
55.模拟前端1设置为接收半导体探测器前置放大器输出的初始模拟信号，并根据第一控制信号对初始模拟信号进行预处理，得到预处理后的模拟信号。
56.adc数字采样模块2设置为接收预处理后的模拟信号，将预处理后的模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号。
57.fpga算法处理模块3设置为接收adc数字采样模块2输出的数字信号，并根据第二控制指令对数字信号进行分析处理，提取单个信号的幅值，获取具有相同光子能量信息的统计数据。
58.控制单元4设置为判断单个信号的幅值是否在预设范围内，若是，则将具有相同光子能量信息的统计数据通过通讯接口5传输至上位机6；若否，则生成一反馈信号，并将该反馈信号传输至模拟前端1，更新预处理后的模拟信号，并将更新的预处理后的模拟信号重新传输至adc数字采样模块2。
59.上位机6还设置为接收具有相同光子能量信息的统计数据，能谱分析模块对统计数据分析处理后，在上位机的显示界面进行能谱图显示。
60.如图2所示，模拟前端1包括依次连接的信号耦合和阻抗匹配电路11、减法电路12、增益模块13以及低通滤波电路14，减法电路12还与滤波器15、范围dac模块16依次连接，增益模块13还通过乘法器与增益dac模块17连接。
61.其中，信号耦合和阻抗匹配电路11设置为接收上述初始模拟信号，以使初始模拟信号中的交流分量被隔离，并保持直流分量无损，得到直流模拟信号。
62.减法电路12设置为接收直流模拟信号以及第一控制指令中的经幅度调整和平滑滤波后的大阶梯波，以将直流模拟信号分割为若干段模拟信号。大阶梯波在控制单元4中产生，进入模拟前端1中的范围dac模块16调整幅度，以根据直流模拟信号的范围适度放大阶梯波信号，从而匹配后续adc数字采样模块2的采样范围。调整幅度后的大阶梯波进入滤波器15，进行平滑滤波，以和直流模拟信号匹配，能够进行减法运算。
63.增益模块13设置为接收若干段模拟信号，将幅值放大若干倍，得到放大后的模拟信号。增益模块13中包括幅值调节电路，若干段模拟信号先后进入幅值调节电路后，幅值被放大若干倍。
64.低通滤波电路14设置为接收放大后的模拟信号，将叠加在模拟信号上的噪声滤除，得到预处理后的模拟信号。
65.增益dac模块17设置为接收控制单元4产生的反馈信号，调节增益参数，并将调节后的增益参数传输至乘法器。
66.上述各模块在分析过程中的具体作用、功能以及原理将在下文的一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析方法部分介绍。
67.本发明提供的一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析方法，包括以下步骤：
68.步骤s1，提供上述应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统。
69.步骤s2，上位机6将能谱分析模块中预设的参数通过通讯接口5传输至控制单元4，控制单元4生成第一控制指令和第二控制指令，第一控制指令传输至模拟前端1，第二控制指令传输至fpga算法处理模块3。其中，第一控制指令携带模拟前端1所需的参数，包括耦合方式、大阶梯波、增益参数和滤波器参数；第二控制指令携带fpga算法处理模块3所需的参数，包括快慢成形滤波器的上升沿时间和平顶宽度、用于快成形的脉冲触发识别的基线数值、是否死时间校正、探测器厂家提供的电压幅值与光子能量的比例系数。
70.步骤s3，模拟前端1接收半导体探测器前置放大器输出的初始模拟信号，并根据第一控制指令对初始模拟信号进行预处理，得到预处理后的模拟信号。其中，初始模拟信号包括具有不同能量光子信息的若干模拟信号。
71.在模拟前端1中对初始模拟信号进行预处理的作用为：隔离无用分量，放大有用信号，滤除噪音信号。具体地，步骤s3包括：
72.步骤s31，初始模拟信号进入信号耦合和阻抗匹配电路11，以使初始模拟信号中的交流分量被隔离，并保持直流分量无损，得到直流模拟信号。同时，阻抗匹配电路也可使得半导体探头的阻抗和下游电路的阻抗相匹配，实现模拟信号最大功率传输。
73.步骤s32，直流模拟信号进入减法电路12，第一控制指令中的大阶梯波经幅度调整
和平滑滤波后也进入减法电路12，直流模拟信号与经幅度调整和平滑滤波的大阶梯波进行减法运算，将直流模拟信号分割为若干段模拟信号。
74.将直流模拟信号与大阶梯波做减法运算是为了将整段信号分割成若干段，以降低信号的动态范围，间接提高adc采样的分辨率。大阶梯波在控制单元4中产生，进入模拟前端1中的范围dac模块16调整幅度，以根据直流模拟信号的范围适度放大阶梯波信号，从而匹配后续adc数字采样模块2的采样范围。调整幅度后的大阶梯波进入滤波器15，进行平滑滤波，以和直流模拟信号匹配，能够进行减法运算。
75.步骤s33，若干段模拟信号进入增益模块13，将幅值放大若干倍，得到放大后的模拟信号。增益模块15中包括幅值调节电路，若干段模拟信号先后进入幅值调节电路后，幅值被放大若干倍，幅值调节电路根据第一控制指令中的增益参数来进行调节。
76.步骤s34，放大后的模拟信号进入低通滤波电路14，滤除叠加在模拟信号上的噪声，此时，滤除了噪声的模拟信号即为预处理后的模拟信号，低通滤波电路14根据第一控制指令中的滤波器参数来进行调节。
77.步骤s4，adc数字采样模块2接收预处理后的模拟信号，并将预处理后的模拟信号转换为数字信号。
78.步骤s5，fpga算法处理模块3接收步骤s4中的数字信号，并根据第二控制指令对数字信号进行分析处理，提取单个信号的幅值，获取具有相同光子能量信息的统计数据。
79.步骤s5具体包括：
80.步骤s51，步骤s4中的数字信号并行进入快成形滤波器和慢成形滤波器，产生脉冲事件；利用快成形滤波器捕获到达的脉冲事件及每个脉冲事件的到达时间，利用慢成形滤波器检测每个脉冲事件的幅值。若仅使用快成形滤波器，由于上升沿时间短，容易造成系统能量分辨率差；若仅使用慢成形滤波器，则容易造成高计数率下死时间过大。本发明采用快慢两个成形滤波器，可以提高系统的处理速度，降低发生死时间的概率，比单一的滤波成形更加高效和准确。
81.步骤s52，根据捕获的脉冲事件和每个脉冲事件的到达时间，进行脉冲堆积检测，提取单个脉冲事件对应的光子能量信息。步骤s52包括：
82.步骤s521，对捕获的脉冲事件两两分组，并计算每组中两个脉冲事件的到达时间差。
83.步骤s522，判断每组中两个脉冲事件的到达时间差是否小于慢成形滤波的平顶宽度与上升沿时间之和，若是，则丢弃该组中的两个脉冲事件，计入死时间；若否，则提取该组中两个脉冲事件各自的幅值。
84.图4是本发明利用两个滤波器实现脉冲堆积检测的原理图。在图4中，最上方的曲线为初始模拟信号，一个台阶表示发生一个脉冲事件；中间的曲线表示快成形滤波，下方的曲线表示慢成形滤波。假设第一个脉冲事件到达的时间为t1，第二个脉冲事件到达的时间为t2，慢成形滤波的平顶宽度为d，慢成形滤波的上升沿时间为t。当两个随机的脉冲事件到达时，会出现三种情况：
85.(1)脉冲事件a和脉冲事件b先后发生，且到达时间相隔较远，t
2-t1≥2t d，快成形滤波捕获到两个独立的脉冲事件，慢成形滤波可以分别检测出脉冲事件a和脉冲事件b的幅值，完成滤波成形。
86.(2)脉冲事件c和脉冲事件d先后发生，且到达时间相邻，d t≤t
2-t1《2t d，快成形滤波捕获到两个脉冲事件，尽管两者的波形发生了部分融合，但慢成形滤波仍可以分别检测出脉冲事件c和脉冲事件d的幅值，完成滤波成形。
87.(3)脉冲事件e和脉冲事件f先后发生，且到达时间足够接近，t
2-t1《d t，快成形滤波捕获到两个脉冲事件，但此时两者的波形发生了完全融合，无法分辨各自的幅值，慢成形滤波无法分别检测出脉冲事件e和脉冲事件f的幅值，则丢弃本次滤波成形，计入死时间。
88.其中，每个脉冲事件的幅值即对应单个脉冲事件的光子能量信息。因此，提取单个脉冲事件的光子能量信息的原理为：在快成形滤波捕获到的脉冲事件到达时间上，对应的慢成形梯形滤波的平顶高度就是该脉冲事件对应的光子能量信息。由于梯形成形后的平顶并非是个理想的平顶，各处的幅值有一定的涨落。因而为获取更好的能量分辨率，采用多点平均的方式来提取幅值信息，可以一定程度上减少噪音和adc非线性的影响。
89.步骤s53，对提取出的光子能量信息进行分类，获取并保存具有相同光子能量信息的统计数据。
90.另外，在fpga算法处理模块3中，还可根据第二控制指令中的“是否死时间校正”的设置参数来计算当前的计数率和死时间。计算方法如下：
91.若设置参数为没有选择死时间校正，则按照下式计算死时间：
[0092][0093]
式中，r
fast
表示快成形滤波中检测到的脉冲事件个数，r
slow
表示慢成形滤波中检测到的脉冲事件个数(为了计算死时间，慢成形滤波会统计经过堆积识别判断后的脉冲个数)；r
fast
近似等于脉冲堆积检测前的输入脉冲事件个数；r
slow
近似等于脉冲堆积检测后的脉冲事件个数。
[0094]
若设置参数为选择死时间校正，考虑滤波器本身会导致某些脉冲事件被漏检，则根据下述公式(2)-(5)计算：
[0095]
快成形滤波的死时间为非拓展型死时间，通过下式计算：
[0096][0097]
式中，r
in
表示fpga算法处理模块3实际接收到的脉冲事件个数，r
fast
表示快成形滤波器检测到的脉冲事件个数，τ
f_rise
为快成形滤波器的上升沿时间，τ
f_flat
为快成形滤波器的平顶宽度。
[0098]
慢成形滤波的死时间为拓展型死时间，通过下式计算：
[0099][0100]
式中，r
slow
为慢成形滤波器检测到的脉冲事件个数，τ
s_rise
为慢成形滤波器的上升沿时间，τ
s_flat
为慢成形滤波器平顶宽度。
[0101]
因此，第k通道计数校正后的特定能量值r
k_true
按照下式计算：
[0102][0103]
式中，表示能谱分析模块中第k通道的测量值。
[0104]
如此，选择死时间校正的死时间按照下式计算：
[0105][0106]
步骤s6，控制单元4判断单个信号的幅值是否在预设的合理范围内，若是，则进入步骤s7，若否，则生成一反馈信号，并将该反馈信号传输至模拟前端1，更新预处理后的模拟信号，重复步骤s4-步骤s5。在本实施例中，预设的合理范围为adc幅值的5％-10％之间。
[0107]
其中，更新预处理后的模拟信号的步骤具体为：
[0108]
步骤s61，将反馈信号传输至模拟前端1中的增益dac模块17，调节增益dac模块17的增益参数。
[0109]
步骤s62，经增益模块13得到的放大后的模拟信号与调节后的增益参数做乘法运算，得到调节后的模拟信号。
[0110]
步骤s63，将调节后的第一控制指令中的滤波器参数传输至低通滤波电路14，以调节低通滤波电路14的滤波器参数；随后将调节后的模拟信号输入低通滤波电路14，滤除噪声，得到更新的预处理后的模拟信号。
[0111]
步骤s7，控制单元4将具有相同光子能量信息的统计数据通过通讯接口5传输至上位机6，上位机6中的能谱分析模块对统计数据分析处理后，在上位机6的显示界面进行能谱图显示。
[0112]
在能谱图中，可以局部放大数据，观测数据质量。例如，可以查看关键指标“半宽高(fwhm)”和“死时间(deadtime)”。在高分辨率采集中，若感兴趣能量区域的fwhm过大时，可以调大快慢成形滤波器的成形时间等算法参数，重复上述步骤。在大计数率采集中，若deadtime过大，可以调小快慢成形滤波器的成形时间等算法参数，进行下一次采集。
[0113]
针对同步辐射的高强度、高计数率的特点，本发明提出一种应用于同步辐射领域的半导体探测器的分析系统，解决高计数率下半导体探测器的脉冲堆积和能量分辨率的问题。本发明可以提升半导体探测器水平，充分发挥先进光源为实验研究提供的巨大潜力。
[0114]
本发明针对同步辐射领域半导体探测器前放输出的reset式信号，对信号采用数字化处理方式，克服了传统模拟电路处理速度慢和不灵活的特点；针对半导体探头输出信号动态范围大的特点，采用减法电路，将信号调整到合适的范围，间接增加了adc采样的分辨率，进而提升了整个系统的能量分辨率；针对同步辐射的高强度、高计数率的特点，采用快慢滤波器，对信号进行堆积识别和幅度提取，有效降低了系统死时间。
[0115]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。