基于FPGA的CZT核探测器的数据采集系统

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随着半导体制作工艺的技术的不断发展,碲锌镉(CdZnTe)材料的制作工艺的逐步成熟,CZT材料具备优越于其他核探测器的许多性能凸显出来,使得采用CZT材料制作成理想的高分辨率核探测器变成可能。在室温核探测领域特别是在对高能射线探测的领域,CZT核探测器是最近一二十年研究的热点。对CZT核探测器的研究主要是在:对CZT材料生长的研究、对CZT电极的研究和对CZT读出电路系统的研究。本文初步研究了CZT核探测器的读出系统,主要分两个部分:前端模拟电路部分以及数字能谱处理部分。在模拟电路部分本文首先分析、研究了电荷灵敏前置放大器。对国内常采用的分离器件的电荷灵敏前置放大器进行了简单的理论分析和电路仿真。针对高压和偏置电阻上的噪声,设计并提出了两种消除电源噪声以及偏置电阻热噪声的电路,并对其进行了仿真与实验测试。然后,对信号调理电路各个部分进行了理论分析、电路设计、电路仿真以及简单的实验测试,主要包括极零相消、高斯成型以及基线恢复电路。针对各电路模块出现的问题提出了一些解决措施。本文采用的电路仿真软件是ORCAD Capture和NI公司的仿真软件Multisim10.1。最后,制作了模拟部分的PCB测试电路板,对模拟前端进行了简单的功能测试。数字能谱处理部分主要目标是完成多道分析仪的功能,实现对能谱信息的记录并将其输出。该部分也包含模拟电路峰值检测和甄别电路的理论分析,并采用Multisim10.1对其进行了电路仿真。在Quartus II软件中采用Verilog HDL语言设计了基于FPGA的简单的多道分析仪模块,具体功能包括了A/D转换后的峰值检测、堆积判别、能谱信息存储与读出、总计数值的记录和RS232串口传输能谱。采用Modelsim-Altera6.6d软件对每个设计模块进行了时序仿真,实现了各个模块的功能。最后对整个系统进行了Quartus II的Gate Level(slow model)仿真,仿真结果表明能够实现对核能谱的记录以及传输。
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