γ-γ符合测量系统的新型前端读出电路研制

颜俊伟，牛晓阳，柯凌云，杨海波，陈金达，杜成名，张秀玲，孙志朋，苏 弘，孔 洁,*

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；(2.中国科学院大学 核科学与技术学院，北京 100049)

中国科学院近代物理研究所基于重离子研究装置(HIRFL)和重离子冷却储存环(CSR)[1-2]，开展了关于重离子治癌关键科学技术问题的研究[3]，进而开展了重离子治癌装置的产业化[4-7]。重离子束具有倒转的深度剂量分布——Bragg曲线[8]和高相对生物效应(RBE)[9]的优势，对健康组织损伤小、治愈率高，因此重离子放疗被认为是目前最佳的临床放疗方法[10-11]。高能重离子束在贯穿靶物质期间会发生弹核碎裂，产生正电子发射体，正电子在径迹末端遇负电子发生湮灭，产生2个同一直线上沿相反方向发射的511 keV γ光子，通过两个511 keV γ光子的符合测量来确定正电子放射性活度[12]。符合法测量因可排除非有效事件对测量结果的影响，被广泛应用于正电子放射性活度的精确测量。通过监测放射性活度的分布及强度可反推出入射束流位置及剂量分布，从而确保病人的安全及治疗方案的准确实施[3]。针对重离子治癌装置发展和升级的需求，研究人员开展了用于重离子治癌装置的符合测量原型系统的研究，双头平面型探测器原型由LYSO闪烁晶体阵列和位置灵敏平板型的光电倍增管H8500[13]组成，位置灵敏平板型的光电倍增管采用离散位置读出电路(DPC)简化读出方式[14]，将64路输出信号转化为4路信号，用于计算γ光子入射晶体的具体位置。每个光电倍增管有4路能量信号，1路打拿极信号作为时间信号，整个探测器系统共10路输出信号。

为满足重离子治癌装置中符合测量原型系统的研究与测量需求，本文设计一种新型前端读出电路以替代原有的CAMAC数据获取系统，实现探测器输出能量及时间信号的测量。

1 读出电子学架构

符合测量原型系统架构如图1所示。前端读出电路包括能量链、时间链和数据处理单元，8路能量链用于DPC输出的能量测量，2路时间链用于位置灵敏平板型的光电倍增管打拿极信号(时间信号)的测量，数据处理单元用于数据的预处理、组帧和传输。PC机用于配置数据处理单元的控制命令及接收处理后的科学数据(符合事件的能量和时间信息)。

图1 符合测量原型系统架构Fig.1 Structure of coincidence measurement prototype system

2 硬件电路设计

重离子治癌装置符合测量原型系统前端读出电路主要包括能量链、时间链和数据处理单元3部分。

2.1 能量链

能量链原理图如图2所示，包括反向放大电路、抗混叠滤波电路和模数转换器(ADC)采样电路。原始信号经能量链进行信号放大、滤波成形后被板载14位ADC采样转换为数字信号。模拟信号输入端连接1个50 Ω电阻(R0)，用于实现阻抗匹配；反向放大电路采用德州仪器公司的双通道、高带宽、低功耗电流反馈运算放大器OPA2694，负向端作为脉冲信号的输入，正向端作为可编程参考电平的输入，电路增益GAIN=-R2/R1=-2，带宽690 MHz。为获得最佳信噪比，将反向放大电路输出的脉冲滤波为准高斯波形，使信号的上升沿和顶部变得较平滑，便于后端14位ADC进行采样量化。滤波电路选用ADI公司截止频率7 MHz抗混叠滤波器LTC6605-7，通带增益GAIN=1且具有线性相位理想的贝塞尔特性，作为ADC的差分输入驱动，其输出共模电平通过可编程数模转换器(DAC)完成配置。

2.2 时间链

时间链定时甄别电路原理图如图3所示，包括快放大电路、高速比较甄别电路、电平转换电路3部分。打拿极输出的原始信号经直流耦合输入至时间链，首先经固定增益为5的快放大器THS4302放大，然后馈入高速比较甄别电路；考虑到快放大器输出存在基线漂移，快放大器的输出采用交流耦合连接至高速比较甄别电路；定时甄别电路选用MAXIM公司高速比较器MAX9601，具有低传播延迟色散(约30 ps)，输出由正负输入的相对电压决定。正输入极阈值电平通过可编程DAC提供，构成阈值可调的前沿定时甄别电路。高速比较器输出的PECL信号由电平转换电路SY55855产生LVDS，并馈送至现场可编程门阵列(FPGA)中的时间数字转换器(TDC)功能模块，确定事件脉冲到达时间的时间戳。

2.3 数据处理单元

基于核心器件FPGA设计的数据处理单元，采用Altera公司的Cyclone Ⅴ系列FPGA芯片。FPGA逻辑功能示意图如图4所示，主要包括积分面积算法模块、TDC模块、封装打包模块、DAC模块和通信模块。通过积分面积算法模块获得事件脉冲的能量信息，TDC模块测得事件脉冲的时间信息，封装打包模块完成数据的组帧与打包，通信模块用于与上位机的通信。

DAC模块接收上位机设定的电平数据并馈送至板载DAC上，用于控制能量链共模参考电平和高速比较器阈值参考电平。TDC模块接收来自时间链的触发脉冲，记录事件发生的时间T，同时产生Hit flag信号以启动计数器计数，从而用于控制基线计算和脉冲积分面积求和。积分面积算法模块将能量链ADC采样量化的能量数字样本暂存于先进先出缓冲器#1(FIFO #1)中。在前8个时钟周期中取出FIFO #1中的8个采样样本用于计算基线平均值，自第9个时钟计数周期开始，逐个时钟周期取出FIFO #1中的1个采样样本并减去基线值，然后累加求和得到脉冲的积分面积，获得能量信息E。封装打包模块将E和T按指定的数据格式组帧打包暂存于FIFO #2中，然后通过通信模块实现和PC机交互，完成数据传输和控制指令的发送。

图2 能量链滤波和采样电路原理图Fig.2 Block diagram of filter and sampling circuit in energy measurement chain

图3 时间链定时甄别电路原理图Fig.3 Block diagram of timing discrimination circuit in time measurement chain

图4 FPGA逻辑功能示意图Fig.4 Diagram of logic function in FPGA

3 性能测试与讨论

3.1 实验室测试

图5 能量链各通道模拟输出与模拟输入的线性关系Fig.5 Linearity of analog output and analog input in energy measurement chain channel

为检测读出电子学电路的性能，在实验室进行了电子学系统性能的测试与评估。利用Tektronix公司的AFG3252[15]信号发生器模拟探测器输出信号并馈送至前端读出电路。调节信号的幅度为-600～-50 mV，步进为50 mV，测试结果如图5所示，通道的线性好于0.8 %(全范围)，且不同输入幅度下平均噪声小于0.8 mV(RMS)。定时测量精度的测试采用信号源设定延迟间隔法，即将AFG3252的两通道输出脉冲设置一定的时间间隔，并分别馈入两个时间链，通过计算两通道间的时间差进行验证。图6为两通道时间间隔为10 ns时获得的时间谱，其中时间分辨率为342.2 ps(FWHM)。前端读出电路的主要参数列于表1。

图6 两通道间隔时间为10 ns的时间谱Fig.6 Time spectrum of two channels with interval of 10 ns

表1 前端读出电路主要参数Table 1 Main parameter of front-end readout circuit

3.2 探测器联合测试与系统性能对比

为测试验证前端读出电路的实际应用性能，联合探测器进行了测试，并与基于NIM插件和CAMAC数据获取系统的实验测试系统进行了性能对比。

基于CAMAC获取系统的测试系统如图7所示[16]。光电倍增管打拿极输出的信号经倒向放大、恒比甄别、延时产生及符合后，由门产生器产生的Gate信号(200 ns)作为系统TDC触发信号，TDC记录两个甄别器输出信号(Start in和Stop in)的时间信息。门控信号能使ADC记录光电倍增管阳极输出的能量信号幅值，从而获得能量为511 keV的符合事件。

图7 基于CAMAC获取系统的测试系统Fig.7 Test system based on CAMAC acquisition system

本文研制的基于前端读出电路的测试系统如图8所示。两套测试系统均采用22Na放射源进行验证测试，探测单元由两个相对的探测器组成，分别位于放射源同一水平线的两侧。

图8 基于前端读出电路的测试系统Fig.8 Test system based on front-end readout circuit

1) 能量分辨

采用两个系统对由φ25 mm×25 mm LaBr3晶体条耦合XP20D0组成的探测器的阳极输出信号进行能谱测量。图9a为采用前端读出电路测试系统测得的511 keV γ能谱，其能峰分辨率为4.5%(FWHM)；图9b为采用CAMAC系统测得的511 keV γ能谱，其能峰分辨率为4.4%(FWHM)。

2) 位置分辨

位置分辨测量使用的探测器采用由22×22个2 mm×2 mm×15 mm LYSO晶体条组成的晶体阵列耦合H8500构成，通过DPC电路输出4路能量信号A、B、C、D，分别接入前端读出电路的能量链，信号被采样量化后馈送至数据处理单元，用于计算γ射线击中探测器晶体的位置。计算公式[16]为：

E=A+B+C+D

(1)

式中：E为总能量；x、y为γ射线入射到晶体阵列的位置。

两个测试系统获得的x、y方向一维位置谱分别如图10和11所示，对x和y方向的一维位置谱进行拟合得到标准差和中心值，结合晶体尺寸可获得晶体的位置分辨。表2列出两个测量系统的一维位置分辨对比。

由表2可知，前端读出电路测试系统的位置分辨好于CAMAC系统。将x、y位置量化到1 024边长的整数格点方阵上，可得到LYSO/PSPMT探测器在两个系统中的二维位置谱(图12)。图12a中晶体阵列每个点的直径很小，可被清晰地分辨开，20×20晶体阵列能很好地被分割开，但二维位置谱边界被压缩。可进行两方面改进：1) 校正晶体尺寸和H8500的灵敏区间使得单个晶体条落在单独的灵敏区间内，以获得更好的位置分辨；2) 优化DPC板电路，以获得更好的位置分辨。

图9 511 keV γ能谱Fig.9 γ spectrum at 511 keV

图10 前端读出电路测试系统的一维位置谱Fig.10 One-dimensional position spectrum of front-end readout circuit test system

图11 CAMAC系统的一维位置谱Fig.11 One-dimensional position spectrum of CAMAC system

表2 前端读出电路测试系统和CAMAC系统一维位置分辨比较Table 2 Comparison of one-dimensional position resolution of front-end readout circuit test system and CAMAC system

4 结论

本文研制了一种可用于符合测量系统的前端读出电路，主要包括8通道能量链、2通道时间链和基于FPGA设计的数据处理单元模块，具有结构简单、集成度高、低噪声、低成本的特点。经实验测试，电路的线性度优于0.8%，噪声小于0.8 mV(RMS)，时间链时间分辨率为342.2 ps(FWHM)，能量分辨达4.5%(FWHM)，位置映射散点图清晰易于分割。本文研制的前端读出电路测试系统的主要性能达到或优于CAMAC系统，且可大幅消减电子学的规模、功耗及设备体积和成本。实验结果表明，该前端读出电路性能指标达到设计预期，可用于重离子治癌装置中的符合测量系统。

a——前端读出电路；b——CAMAC系统图12 晶体位置映射图对比Fig.12 Comparison of crystal flood map