基于FPGA和ARM的中子能谱测量系统设计
时间：2023-04-21 09:55:05 来源：千叶帆 本文已影响人
彭 征，刘延飞，吕 宁
(火箭军工程大学，陕西西安 710025)
在大力发展新能源的时代背景下，核能得到了不断的推广运用[1]，在核能利用过程中，会产生大量中子，给现场操作人员和仪器设备带来了辐照风险。因此，现场中子快速测量仪器的研究不断深入，传统的多球中子谱仪具有测量能量范围广、灵敏度高和各向同性的优点[2]，但同时又因为体积庞大不便于携带、测量时间长、操作过程复杂等问题，不便于中子能谱的现场快速测量。
为了解决中子能谱现场快速测量的问题，研究人员基于多球中子谱仪的测量原理，对单球中子谱仪的设计与实现进行了研究。文献[3-4]使用6LiF-7LiF对热释光剂量计和镝活化片作为探测单元，设计单球中子谱仪，模拟和实验结果表明谱仪能够准确测量中子能谱，从原理上验证了谱仪设计的可行性，但由于使用的探测单元需要通过后续处理读取数据，但该研究中没有对于后端电子学系统的设计；
在此基础上，文献[5]使用热中子脉冲探测器(TNPD)替代了原有探测器，并将供电电路、前置放大器、主放大器等功能进行了集成，而后利用计算机进行信号的采集与处理，推动了单球中子谱仪的工程实现；
国内研究人员也开展了单球中子谱仪的相关研究工作，文献[6-7]使用6Li-7Li 玻璃闪烁体与光电倍增管耦合设计了单球中子谱仪，通过模拟与实验相结合的方法对其能响矩阵和解谱性能进行了测试，并完成了原理样机的搭建。上述研究从理论上建立了单球中子谱仪的结构模型，并通过实验验证了其可行性。但在谱仪的小型化、集成化以及基于嵌入式系统的软硬件开发等方面有待进一步研究。
本文以单球中子谱仪的结构模型为基础，将6Li玻璃闪烁体与SiPM耦合制成中子探测单元，分布于直径为30 cm的单慢化球中，设计了一种针对多探测器数据并行采集与处理的嵌入式系统，实现了中子谱仪的小型化与集成化，系统各项测试符合标准要求。
1.1 中子能谱测量原理
核辐射探测的基本原理是：辐射粒子与探测器靶物质的原子核发生碰撞，损失能量，使靶物质原子核电离或激发，产生电脉冲信号，从而实现辐射探测，一般情况下电脉冲的幅度与射线能量正相关。
对于中子探测来说，由于中子不带电，对其探测实质上是探测中子与物质发生反应产生的次级带电粒子；
同时，中子能量为10-2～107eV，跨9个数量级，且不同能量段使用的探测器材料和发生反应的类型有较大区别，由此造成了中子能谱测量的特殊性。
中子能谱测量的思路：先用不同尺寸的慢化材料将不同能量的中子慢化成热中子(0.025 3 eV)，然后利用热中子探测效率高的探测器进行探测，最后通过能谱反解算法求解得到辐射场中子能谱。其数学模型为[8]：
假设有不同尺寸的慢化球m个(对应m个中子探测器)，将中子能量范围分成n个能群，被测量中子能谱为φ(E)，则第i个探测器的计数Ni为
将其离散化之后，可得
式中Ri(Ej)为能量响应函数，描述的是谱仪的第i个探测器对第j个中子能群的响应。
则其矩阵表达式为
式中：Rm×n为能量响应矩阵，Rij与Ri(Ej)含义相同；
φn×1为中子能谱；
φi即中子能谱第i个能群的注量；
Nm×1为m个探测器的计数。
得到能量响应矩阵和探测器计数之后，通过欠定方程(n>m)求解算法即可反解出中子能谱。
1.2 系统设计
由前述可知，多球中子谱仪采用一个探测器配多个慢化球的方式测量能谱，而单球中子谱仪是将多个探测器分布于同一慢化球的不同深度实现能谱测量，因此针对单球中子谱仪的设计需要从改进探测器结构形状与优化嵌入式系统着手。本文设计的单球中子谱仪主要由探测模块、整形模块和采集处理模块构成，系统结构如图1所示。
图1 单球中子谱仪系统结构图
辐射场中子经过慢化球慢化，转化成能量较低的热中子，到达位于不同深度的中子探测单元敏感区域，与6Li玻璃闪烁体发生6Li(n,α)T反应，产生的T和α使闪烁体发出光子，光子再被SiPM探测产生电流脉冲信号，经过互阻放大器转换成电压脉冲信号并放大；
探测模块输出的电压脉冲信号先经过主放大器滤波成形，提高信号的信噪比与带负载能力，然后通过高速比较器进行幅度甄别，最后通过单稳态触发电路将信号整形成固定宽度的矩形脉冲信号，输入采集处理系统；
利用Verilog HDL实现FPGA对18路矩形脉冲信号的采集计数，STM32通过SPI通信控制FPGA的计数过程，并将计数结果通过LCD屏显示；
矩阵按键用于设置系统参数和选择工作模式，RS485接口用于远程通讯；
同时，由于SiPM的增益受温度影响，系统设计了温度反馈偏压控制功能，STM32采集探测单元的温度，控制偏压电路调整SiPM的偏置电压，从而达到稳定增益的目的。
本系统的硬件模块主要包括：电源电路、前置放大器、整形电路、FPGA最小系统、STM32最小系统、矩阵按键、LCD接口电路以及RS485接口电路。其中偏压控制电路、前置放大器、整形电路和主控电路是实现系统功能和保证系统稳定性的关键。
2.1 偏压控制电路
与APD一样，SiPM增益也与温度有关。随着温度升高，晶格振动变得更强。这增加了载流子在加速载流子能量足够大之前撞击晶体的可能性，使得电离难以发生。为了使电离更容易发生，应增加反向电压以增大内部电场。为了保持增益恒定，必须调整反向电压以匹配环境温度，或者元件温度必须保持恒定。因此，为满足各种环境温度下的中子能谱测量，设计了温度反馈偏压控制电路，根据环境温度调整偏置电压，稳定增益。电路原理如图2所示。
图2 偏压控制电路
采用MAX1932作为SiPM的偏压芯片，MAX1932支持2.7～5.5 V的电压输入，可实现4.5～90 V的可调输出，与硅光电倍增管的供电需求匹配；
在20～60 V输出时，可提供的最大供电电流为5 mA，满足该项目最大计数率条件下的探测器功耗需求；
同时该芯片具备内置DAC和SPI接口，可由STM32实现对其输出电压的实时动态调整。根据SiPM温度-增益关系曲线调整偏置电压，即可达到在不同环境温度下稳定SiPM增益的效果。
2.2 前置放大器
核辐射探测器输出的信号一般比较微弱，需要经过放大器放大才能被后续电路采集处理，而前置放大器就是紧跟探测器对信号进行初步放大和传输匹配的模块。根据SiPM工作原理，SiPM由雪崩二极管(APD)阵列组成，每个APD串联一个淬灭电阻[9]。当SiPM加上反向偏压之后，光子进入APD的耗尽层，引起雪崩效应，产生较大电流；
随着电流增大，淬灭电阻上的分压增大，导致APD偏压下降雪崩停止，产生一个电流脉冲信号；
所有APD的电流信号累加起来形成了SiPM的输出信号，其淬灭时间为ns级。为实现对SiPM输出电流信号的快速获取，采用互阻放大器作为前置放大器，将电流信号转化成电压信号并提高信噪比。互阻放大器电路如图3所示。
图3 互阻放大器电路
LMH6629是采用SiGe技术制造的高速、超低噪声放大器,专为要求宽带宽、高增益和低噪声的应用而设计，其工作电压范围为2.7～5.5 V，-3 dB带宽可以达到900 MHz，压摆率为1 600 V/μs。本文设计的互阻放大器工作在5 V单电源供电状态下，R1、C1、R2、C2构成的电阻电容网络，用于限流和减小电源纹波，稳定SiPM的偏置电压；
正-负端输入电阻R4、R5用于避免低温下的高频振荡；
反馈电阻R6决定互阻放大器的放大倍数，反馈电容C4作为补偿电容能够防止电路自激；
同时电路需要通过同轴电缆连接示波器或者后端电子学系统，在其输出端串接50 Ω电阻(R7)用于阻抗匹配。
2.3 整形电路
要实现中子能谱测量，本质上是需要准确测量各探测器的计数，为准确获取脉冲计数并简化系统设计，采用高速比较器与单稳态触发相结合的方式对脉冲信号进行整形，而后使用FPGA对整形后的矩形脉冲进行上升沿计数。电路原理如图4所示。
图4 整形电路
设计中采用AD8065作为主放大器，其扩展带宽为145 MHz，具有6.4 mA的低电源电流和1 pA的输入偏置电流，是实现低功耗设计的理想运放，主放采用5 V单电源供电和同相比例运算电路结构，通过调整R2、R3即可改变放大倍数；
比较器电路采用超快、低功耗、高精度比较器芯片TL3016，本设计中芯片采用±5 V电源供电，并通过滞环消除边沿抖动，调节R5、R6阻值大小控制甄别阈，信号从反相输出端输出；
单稳态触发电路采用SN74LS123芯片，根据其真值表，当引脚A接地，引脚B上升沿触发时，正相输出端输出一个矩形脉冲，脉冲宽度由电阻R9和电容C7决定。
2.4 主控电路
主控电路采用FPGA+ARM结构，其电路结构框图如图5所示。FPGA采用CycloneⅡ EP2C5T144C8N，它拥有4 608个逻辑单元和119 808 bit片内RAM，外部时钟源为50 MHz，完全满足对多路信号的采集、计数和存储的需求；
ARM采用STM32F103VCT6，它具有丰富的资源和强大的控制能力，CPU主频为72 MHz，通过SPI接口控制FPGA的采集过程，矩阵按键和LCD屏为人机交互和系统可视化提供了便利。
图5 主控电路结构图
系统软件主要包含2部分：一是基于FPGA的多路信号采集程序，利用FPGA的高速、并行以及可编程特性，实现对多路探测器输出信号的采集计数；
二是基于STM32的系统控制程序，将国产嵌入式实时操作系统RT-Thread移植到硬件平台上，通过调用API函数完成对底层程序和多线程的编写。
3.1 FPGA软件设计
FPGA软件设计基于Quartus Ⅱ平台，使用Verilog HDL，可以方便快速地进行开发。该系统FPGA软件设计主要包括时钟模块设计、SPI通信模块设计、检测模块设计和存储模块设计。FPGA主程序流程图如图6所示。
图6 FPGA主程序流程图
时钟模块使用FPGA内部锁相环(PLL)，将50 MHz外部时钟源引入芯片内部，通过分频和倍频处理，产生系统各模块工作所需的时钟。其中，SPI通信模块时钟为50 MHz，脉冲检测模块时钟为100 MHz，存储模块时钟为20 MHz。检测模块通过上升沿检测实现脉冲计数，前端电路输出的信号脉冲宽度为250 ns，100 MHz的检测时钟完全可以满足上升沿检测需求，每次上升沿到来则计数值加1。存储模块每隔1 s对各探测器的计数值进行一次存储，并将计数值发送给ARM芯片，便于实时观测检测结果。
3.2 STM32软件设计
STM32软件设计基于Keil uVision4开发平台，使用C语言编程。由于STM32控制的功能模块较多，为保证对各模块的实时控制，合理分配硬件资源，采用RT-Thread进行线程设计。RT-Thread是开源RTOS，具有简单易用、跨芯片平台、中间件丰富和高度可伸缩的特点，被广泛应用于工业控制、智能家居、智能穿戴等众多领域[10]。主程序的线程设计流程图如图7所示。
图7 STM32线程设计流程图
系统测试主要通过实验和仿真相结合的方法，对探测单元输出信号特性、整形电路功能参数、程序稳定性进行了测试。
4.1 探测单元输出信号测试
为测试探测单元的信号特性，分别测试了偏置电压为+52、+52.5、+53、+53.5、+54、+54.5、+55 V条件下的噪声幅度。测试结果见表1。
表1 探测单元噪声幅度数据表
随着偏压增大，SiPM暗电流增大，经过互阻放大器放大，表现为信号噪声幅度增大。将探测单元置于241Am-Be中子源辐射场中，当偏压为+55 V时，输出脉冲信号如图8所示，脉冲幅度为-2.80 V，脉冲宽度为325 ns，存在一个幅度为-88 mV，宽度为363 ns的拖尾。从测试结果可以看出：探测单元能够有效地将辐射信号转换为电信号输出，且输出信号稳定，信噪比高，符合设计要求。
图8 探测单元输出信号图
4.2 整形电路功能参数测试
为减少实验过程中人员受辐照剂量，根据4.1探测单元输出信号测试结果，在实验室利用函数发生器产生等效脉冲，对整形电路进行测试。调整主放的放大倍数为1.6倍，比较器阈值为2.5 V，得到测试结果如图9所示。
图9 整形电路输出信号图
从图9可以看出，整形电路可以对探测单元输出信号进行有效处理，整形之后的信号幅度为3.0 V，宽度为250 ns，便于主控电路采集处理，满足设计要求。同时，验证了用函数发生器替代真实辐射脉冲的可行性，为后续实验测量提供了便利。
4.3 程序稳定性测试
FPGA采集计数模块是系统稳定运行的关键所在，利用Quartus Ⅱ Simulator进行功能仿真和时序仿真，仿真结果如图10所示。从仿真结果可以得出，信号上升沿与计数值增加之间存在一个时钟脉冲的延迟，功能仿真与时序仿真之间延时误差极小，证明采集计数模块的设计结构简单，功能稳定。
图10 FPGA时序仿真图
同时利用函数发生器产生18路频率为1 kHz，宽度为200 ns，幅度为3.0 V的矩形脉冲信号，供FPGA采集计数，计数时间为1 min，计数结果见表2。
表2 FPGA采集计数数据表
仿真和实验结果均表明，FPGA采集计数模块程序设计稳定可靠，采集漏计数率低于1%，满足设计需求。
本文介绍了基于FPGA和ARM结构的中子能谱测量系统的软硬件设计，给出了中子探测单元，信号整形、采集、处理电路和系统软件的设计方案。通过实验和仿真测试了探测单元的输出信号特性、整形电路的功能参数以及软件稳定性。结果表明：该探测单元输出信号稳定、信噪比高；
整形电路功能可靠，输出信号宽度满足采集要求；
系统软件设计合理，能够实现稳定采集和数据存储。为中子能谱测量仪器的集成化、小型化和便携式设计提供了解决方案。
