基于动态阈值TOT的多通道核脉冲读出新方法研究

多通道探测器核信号并行读出和数字化新方法的研究，除科学研究意义外，还是核辐射成像、射线安全监测等应用领域基础研发的迫切需要。本项目提出一种基于动态阈值TOT的脉冲幅度读出新方法，将脉冲幅度最大值转化为超过动态阈值的时间宽度信息，由时间测量实现脉冲幅度数字化。动态TOT技术克服了现有固定阈值TOT思想的严重缺陷，具有线性度好、动态范围大、对噪声干扰敏感度低，信噪比高等优点。动态TOT方法前端电路简单，结合基于FPGA技术的TDC可以实现低成本的高集成度，能够满足中低能量分辨的多通道探测器的系统要求。本项目通过理论分析、仿真验证和实验测试等手段，研究实现动态阈值的关键电路、实现与TDC技术的有机结合、分析各参数对系统性能的影响，实现最优化设计和尽可能高的集成度。本项目研发的原理样机和我们的"基于神经网络定位的PET探测器"结合，通过性能测试并与原有读出系统做比较，进一步说明本方法的先进与优越。

辐射成像技术和半导体像素探测器的快速发展，迫切需要高集成度和高性能的多通道核信号并行读出和数字化新技术。近年来广泛研究的过阈时间（TOT）核信号幅度数字化技术虽然具有高集成度，但测量性能较差。本课题提出的一种动态阈值过阈时间（TODT）数字化方法能够克服TOT技术的主要缺点，具有线性度好、动态范围大、对噪声干扰敏感度低、信噪比高等优点，同时可以实现高集成度。本课题的研究内容主要是TODT方法的理论研究，关键技术研究，以及原理样机的设计和实现。.本课题圆满完成了课题任务计划书的各项研究内容：从理论上分析和证明了TODT方法能够克服TOT技术的固有缺陷，可以实现高性能的核信号数字化，同时具有和TOT一样的高集成度；研究了动态阈值产生的理论，给出三种可以实际应用的动态阈值产生电路并实验测试验证；为了在单片FPGA上实现多通道的时间测量（TDC），我们在目前基于FPGA的TDC设计技术的基础上，研究使用多相位时钟资源实现高性能TDC，不仅可以达到现有TDC的性能指标，还可以在单片FPGA上实现多通道设计；综合应用各部分关键技术，针对基于连续晶体PET探测器数据获取系统（DAQ）的需要，我们设计实现了64通道的核信号读出和数字化系统，尽管该系统目前是基于分离商用器件实现，其体积已经小到可以附加在探测器的基座上，实验测试表明，该系统的测量性能好于基于12bitADC（模拟数字变换器）波形数字化技术的DAQ系统。TODT新方法具有很好的应用前景。此外，在本课题的资助下，我们还继续开展原有的基于连续晶体PET探测器的高性能定位算法研究，也取得很好的研究成果。.到目前为止，本课题研究内容在IEEE NSS-MIC和IEEE I2MTC国际大会上发表论文共6篇，在IEEE Transactions on Nuclear Science期刊上发表论文2篇，在Physics in Medicine and Biology期刊上发表论文1篇，获得国家发明专利1项，并提出PCT国际专利申请1项（包括美国、日本和欧盟三个国家和地区）。