自19世纪末以来，得益于微电子、半导体和材料等技术的进步，核辐射的研究、应用与探测技术在相关学科的相互促进中发展迅速，其中γ射线源的定位（成像）在天文物理、核设施监测与退役、核废物处理、核素示踪等领域具有重要的意义^[1]，若结合中子活化法，可对非放射性物质进行探测，在质子/重离子治疗领域，对瞬发γ光子的探测可用于辐照区域的在线监测^[2]。

γ射线源的定位技术主要包括小孔成像原理的γ相机和康普顿散射原理的康普顿相机^[3-4]。γ相机发展较早，优点是探测系统简单，缺点是小孔或编码孔板限制了探测效率，γ射线能量高于数百keV时，板厚、空间分辨、探测效率和视野等的矛盾将更加凸显；康普顿相机通过对康普顿散射事件的探测确定放射源的位置，因此探测效率高，数百keV以上空间分辨好，视野可达4π，缺点是探测系统较复杂，探测器需同时具备位置分辨和能量分辨能力。

根据康普顿成像原理可知，进行康普顿成像需要已知入射γ射线发生第一次康普顿散射的位置和散射角，其可以通过探测入射光子的第一次康普顿散射及其散射光子的光电吸收事件得到，也可以通过探测入射光子的多次康普顿散射事件得到，后者又称为康普顿望远镜，在数MeV能量时效率更高。在具体探测系统实现上，按作用点的分布可分为两类：一类是使用多层探测器，单次散射和吸收事件发生在不同层探测器中分别探测，需要较多探测单元，如Takeda等人研制的ASTROCAM 7000HS^[5]；另一类是使用单块探测器同时探测散射和吸收事件，需要较厚的单块探测器和更复杂的信号处理电路，如He Zhong等人研制的Polaris-H^[6]。

20世纪末以来，国外在康普顿相机研究中成果较多，已经有商业产品问世，但国内发展较晚，近几年取得了一些初步成果，包括探测器、模拟和成像算法研究等^[7-14]。本工作针对核设施辐射热点成像的实际应用场景，设计研制了康普顿相机所需的成像探测系统，该系统通过数据采集逻辑和控制程序实现对成像所需事件的有效甄别采集，并可针对像素型探测器的每个通道分别进行能量与位置分辨的测试与校准。该系统为康普顿相机的成功研制奠定了基础，同时对其他γ成像系统设计也具有借鉴意义。

1 材料与方法 1.1 探测器选型

现有研究中，半导体、闪烁体和气体探测器等均有被用于康普顿相机的研制，由于成像效果与探测器的位置分辨和能量分辨直接相关^[10]，故半导体探测器优势明显，考虑到探测效率和实用性，本工作选择碲锌镉（CZT）探测器作为康普顿相机基本探测器，其可在室温下工作，无需制冷，对数百keV的γ光子探测效率较高。由于CZT中空穴寿命较短，简单的平面型CZT探测器在百keV以上低能尾现象非常明显，恶化了能量分辨，弗里希栅、共面栅、准半球和像素型等特殊电极设计的探测器可有效克服低能尾现象^[14]，考虑到前三者在多单元集成、信号处理和位置分辨等方面的困难，像素型CZT探测器更为合适，其主要利用小像素效应改善能量分辨^[15]。最终实际研制中选择了DT-PA02型像素CZT探测器，见图1，其中探测器尺寸为25.4 mm × 25.4 mm× 5.0 mm，共256路通道。

1.2 读出电子学系统设计

γ光子在CZT探测器中产生的微弱电荷信号中包含了康普顿散射的位置、能量和时间信息，需要设计复杂的读出电子学系统对大量的输出信号进行放大、处理、传输和存储。受益于近年来CMOS集成电路的发展和应用，拟采用多通道核信号处理专用芯片（ASIC）构建本像素型CZT探测器的读出电子学系统。

1.2.1 专用芯片选型

根据所选ASIC的不同，像素型CZT探测器的信号读出可分为三维位置灵敏^{[7, 16]}和二维位置灵敏^[17]两类，前者需要较好的时间分辨以及同时处理公共电极（阴极）信号的能力，现有型号较少，且需要单块厘米级厚度的CZT晶体配合构成康普顿相机的三维位置灵敏探测器，晶体良率较低；而后者读出ASIC型号较多，技术成熟，其配套CZT晶体可选范围大，质量可控良率高。因此本工作选择了CZT探测器专用的SRE4002模块^[17]，结合两块DT-PA02型CZT探测器构成双层探测器结构的康普顿相机，该探测系统也可用于γ相机或γ相机与康普顿相机的混合系统^[18]。

SRE4002模块内部级联两片IDE4184芯片，该芯片在前级内置128路电荷灵敏放大、滤波成形、峰保持和过阈比较电路，后级根据比较电路的输出产生触发信号、击中通道数信号和通道地址信号，并同时输出相应通道的峰保持模拟量。SRE4002的默认成形时间为350 ns，即其触发信号的时间分辨好于350 ns，而电离电子在5 mm厚CZT中的最大漂移时间约500 ns，故满足康普顿散射事件与散射光子吸收事件的符合需求。

1.2.2 方案设计

康普顿相机电子学系统设计方案如图2所示，高压电源滤波后向CZT提供负偏置电压，CZT阳极像素的信号经紧邻的SRE4002模块进行放大和处理，放大处理后的模拟信号经信号处理板进行电流-电压转换后进入ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换）板进行模数转换，转换结果传输至以ZYNQ 7020 SoC（System-on-a-Chip）为核心的主控板（下文简称SoC板）进行处理。SRE4002输出的事件地址信号、击中通道数信号等经信号处理板进行转换和处理后传输至SoC板。SoC板与计算机经千兆以太网传输数据和命令。

SRE4002的输出信号多数为电流信号，信号处理板对不同的信号进行电流-电压转换或电平移动，其工作所需的电源由低压电源板提供，后者采用低噪声LDO（低压差线性稳压器）对输入电源进行降压稳压。

ADC板对信号幅值进行16位10MSPS的高精度模数转换，其采样由SoC板根据接收到的击中通道数信号进行控制，故可同时获得探测器信号的能量和时间信息。

SoC板以ZYNQ ZC7020 SoC芯片为核心，用于获取事件的地址（位置）信息，同时也是整个系统的控制中枢，用于配置SRE4002模块，控制ADC采样，获取ADC数据，与计算机进行命令和数据传输等。ZYNQ系列SoC集成了ARM处理器和FPGA，同时具备FPGA的实时性和逻辑可编程特性以及ARM处理器的灵活易用特性。在该电子学系统中，实时性要求高的部分，如ADC采样控制与ADC数据获取、SRE4002数据获取等采用FPGA部分实现；而通信、配置和数据传输等则采用ARM处理器实现，满足系统需求的同时节约了系统开发的时间和硬件成本。

计算机与SoC板采用千兆以太网进行通信，使用TCP/IP协议，具有高速、可靠和程序接口标准等特点，数据的发送和接收采用高效率的C语言编写。

1.2.3 系统实现

实际实现时，康普顿成像探测系统主要分为前端和后端两部分，前端包括两块CZT探测器、SRE4002模块、信号处理板和低压电源板，为减小CZT正后方的电路对康普顿散射的影响，两块CZT探测器面对面放置，间距约6.3 cm；后端由左至右依次为ADC板、转接板和SoC板。前后端通过同轴线和HDMI线缆连接。整个系统置于铝屏蔽箱中。

数据采集通过SoC板上ARM处理器部分的C语言编程、FPGA部分的Verilog语言逻辑设计和两者的数据交互来实现。入射光子在任一CZT探测器内产生电离电荷后，SRE4002产生相应的输出信号，持续时间约为1 us，FPGA收到击中通道数信号后，控制两块ADC板以10MSPS的速率同步采样，同时对地址信号进行采样直至击中通道数信号结束，之后准备下次采样，同时将数据发送至ARM处理器，后者以TCP/IP协议将数据传输至计算机。即使入射光子仅与单层CZT发生相互作用，系统也将对两层CZT进行数据采样，并保留了各种类型事件的详细信息，这样既便于计算机端提取单层CZT输出数据进行快速能谱测量，同时也利于两层CZT的有效康普顿散射事件信息的提取，包括作用位置、沉积能量和时间间隔等。鉴于100 ns的采样时间间隔和约1 us的总时间足以获取两层CZT均发生相互作用的事件信息，系统中以一个符合程度量表示测量到两个事件的时间重合程度，用于成像计算时筛选有效事件。

2 结果 2.1 位置分辨测试

将⁵⁷Co放射源紧邻CZT探测器放置，使用该成像探测系统对入射光子在CZT探测器不同像素单元内的相互作用事件进行收集测量，最终统计得到的事件分布图如图3所示，其中使用颜色标尺表示入射光子在不同像素中发生的相互作用事件数量，由该图可清楚判断放射源的位置，这验证了该系统采集相互作用位置信息的能力。考虑到像素间距1.6 mm，CZT晶体厚度5 mm，若取像素中心位置作为测量值，则该探测器横向的位置误差小于0.8 mm，纵向则小于2.5 mm。

2.2 能量校准与能量分辨

首先使用ORTEC 419脉冲发生器和5 pF电容在未连接探测器时测量读出系统的电荷响应，将产生的电荷信号输入至一个信号通道，调节脉冲幅度，测量得到的输出幅度（ADC值）与输入之间的关系如图4中“419 pulse”散点曲线所示，其中CZT的平均电离能取4.6 eV；然后使用放射源（²⁴¹Am，⁵⁷Co，¹⁵²Eu，¹³⁷Cs）和CZT探测器测量读出系统的电荷（能量）响应，测得的结果如图4中“CZTsource”散点所示。由图比较可见两种测量方法结果一致，系统的能量（电荷）响应存在一定的非线性，能量在700 keV以内的非线性约为5%，且主要由SRE4002模块贡献。

图4所示曲线是单个通道的测量结果，除非线性因素外，对于系统的512个通道，其能量响应很难一致，这主要由于芯片内电荷灵敏前放的增益有差别，且CZT探测器不同像素的电荷收集效率可能不同，因此本工作直接采用γ放射源而非脉冲发生器对系统的所有通道进行校准。

采用²⁴¹Am，⁵⁷Co，¹⁵²Eu和¹³⁷Cs四种γ放射源对系统的所有通道进行了能量校准，校准用能量为59.54 keV，121.78 keV，244.7 keV，344.3 keV和661.66 keV。首先使用上述放射源测得各通道的能谱，然后分别拟合得到各全能峰的峰位ADC，最后对每一个通道采用四次曲线计算其能量-ADC曲线，利用该曲线可将实验测得的ADC值转为γ光子与CZT探测器相互作用时沉积的能量。测量结果如图5所示，图中以不同颜色表示不同通道测量结果，共计466个通道。由图可见不同通道的能量-ADC曲线差异明显。

图6给出了校准前后单块CZT探测器所有像素累计的⁵⁷Co和¹³⁷Cs能谱。可见经过校准后，总能谱的能量分辨分别为4.3%和2.6%，较校准前改善明显。

对校准后两块CZT探测器各像素通道的能量分辨率进行了统计，结果如表1所示，其中可用通道指不含明显有问题的通道，对于1号CZT共计230个可用通道，2号CZT共计236个可用通道。由表可见1号CZT探测器对各个能量的能量分辨均稍好于2号CZT探测器，两块CZT探测器均与常规像素型CZT探测器性能一致^[14]，符合康普顿相机系统设计预期^[10]。

3 讨论

本工作针对核设施热点成像应用情景设计了康普顿相机的成像探测系统，该系统主要由像素型CZT探测器、SRE4002读出模块、模数转换板、SoC板和计算机等构成，在硬件和逻辑程序设计方面针对康普顿成像需求进行了散射和吸收事件符合等处理。与单块体素型探测器方案相比，本系统对CZT晶体良率要求低，校准工作较简单，专用芯片的选择更灵活；与闪烁体探测器方案相比，本系统的位置分辨和能量分辨更好。针对能量非线性和能量响应不一致的问题，利用该系统开展了对探测器所有像素通道的校准测试，校准后系统的位置分辨和能量分辨均符合预期。本工作为下阶段康普顿散射成像研究提供了硬件支持，并为类似成像探测系统的研发积累了经验。