CN105093261A - 一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，包括探测器、放大成形电路、数字采集卡以及上位机甄别模块；探测器用于探测待测辐射场的中子、γ信号，并将中子、γ信号传输给放大成形电路；放大成形电路用于接收探测器传输的信号并将该信号放大成形后传输给数字采集卡；数字采集卡用于接收放大成形电路传输的信号并将该信号由模拟信号转化为数字信号后传输给上位机甄别模块；上位机甄别模块用于接收数字采集卡传输的数字信号并将该数字信号采用实时甄别算法来甄别中子、γ射线。本发明甄别***解决了过零时间法、上升时间法需要复杂、庞大的电子学插件***以及电荷比较法、脉冲梯度分析数字甄别算法只能采用离线处理不能实时甄别的难题。

Description

一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***

技术领域

本发明属于中子能谱测量领域，具体涉及一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***。

背景技术

在快中子场中，γ射线总是与中子相伴而生。中子探测器往往对γ射灵敏，因此，如何在中子、γ射线混合场中区别出中子事件、γ事件是测量中子注量谱和中子剂量当量的关键。

液体闪烁探测器中的有机闪烁体由电子或者粒子激发退激产生的荧光信号有270ns～3ns不同的生命期。最后一个打拿极或者阳极输出的脉冲会有一个很快的上升期，主要由光电管(1.66～3)ns的性能决定。脉冲信号同时会拖出一个尾巴，存在270ns的慢成分和30ns的快成分。慢成分会随着次级带电粒子的阻止能量的增加而增加。闪烁体脉冲形状谱，如图5所示，分别为闪烁体γ射线、α射线脉冲形状谱。

中子和γ射线都可以使闪烁体发出闪烁荧光。中子事件闪烁体发出磷光，而γ事件闪烁体发出荧光。直观结构就是中子事件具有长长的尾巴。这就使进行两种脉冲类型的形状甄别成为可能。

以下分别介绍目前采用最多的中子、γ甄别技术：

1.过零法

这种方法是Alexander与1961年最早使用的。随后经过多人研究，日趋完善。CANBERRA公司已做成标准电子插件，使之成为商业产品。目前世界上很多中子物理实验室都用它。参考文献：AlexandarTK,GouldingFS.Nucl.Instr.Meth.1961,13:244；

2.上升时间法

光电倍增管的电流脉冲经积分后，由于中子和γ射线引起的荧光的快慢成份的差异，在脉冲的上升时间上反映出来。上升时间法将这种脉冲上升时间的差异变成了脉冲幅度的差异，它是由上升时间幅度变化器来实现的。光电倍增管的打拿极信号经放大后，分两路分别送入下恒比定时甄别器和上恒比定时甄别器，然后用混和相加与非门将这两个定时脉冲之间的时间间隔变成脉冲宽度，再由时间幅度变化器将之变为幅度。

参考文献：

FurutaY,etal.Nucl.Instr.Meth.,1970,84:269；

王光宇，高维祥.原子能科学技术，1975，4:319；

过零时间法和上升时间法主要缺点在于：1.这两种方法都需要复杂的电子学电路来实现，经济成本高，电路体积十分庞大，不利于实现现场中子能谱测量过程中中子、γ射线甄别；2.中子、γ甄别商用电子学电路需要调节的参数很多，如果要取得好的中子、γ射线甄别效果，需要有丰富经验的实验人员反复调节相关参数，才能取得较好的甄别效果。不利于实现数字化中子谱仪智能化、傻瓜化操作要求。

3.电荷比较法以信号不同区间积分幅度的比值作甄别参量进行粒子甄别。对探测器输出的信号进行数字化采集后，在计算机上针对脉冲快、慢成份，对信号不同时间区间积分，积分幅度的比值用于粒子甄别。

4.脉冲梯度分析是今年提出的一种简单的数字化甄别方法，选取脉冲峰值和峰值后的一个样本点计算脉冲梯度，利用梯度的不同判别入射粒子的类型。通常情况下，脉冲波峰与选取样本点之间的时间跨度Δt的最优取值范围为15～25ns，具体取值需要根据闪烁探测器的材料以及光电倍增管的特性确定。

电荷比较法和脉冲梯度分析技术主要问题在于：由于需要告诉数字采样，采样率需要大于1G/s、分辨率需要>12位，一个采样点数据大小为2字节，每秒数据量往往大于2G，目前的FPGA处理速度处理如此大的数据量无法实现复杂处理算法，因此很难实现脉冲信号数字化实时甄别，现场中子谱仪由于受体积和数据总线的限制，更是难以实现脉冲信号的数字化实时甄别。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，解决了过零时间法、上升时间法需要复杂、庞大的电子学插件***以及电荷比较法、脉冲梯度分析数字甄别算法只能采用离线处理不能实时甄别的难题；实现智能化、傻瓜化操作，不需要谱仪使用者具有丰富的核电子学调试经验就能取得较好的甄别效果；体积小。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，包括探测器、放大成形电路、数字采集卡以及上位机甄别模块，所述探测器用于探测待测物品的脉冲信号，并将该脉冲信号传输给放大成形电路；所述放大成形电路用于接收探测器传输的脉冲信号并将该脉冲信号放大成形后传输给数字采集卡；所述数字采集卡用于接收放大成形电路传输的脉冲信号并将该脉冲信号由模拟信号转化为数字信号后传输给上位机甄别模块；所述上位机甄别模块用于接收数字采集卡传输的数字信号并将该数字信号采用实时甄别算法，即脉冲衰减时间甄别算法来甄别中子、γ射线。

进一步，所述脉冲衰减时间甄别算法，是根据脉冲信号衰减成份主要包括慢成份和快成份，中子脉冲信号以慢成份为主，γ射线脉冲信号以快成份为主，脉冲信号峰值衰减到不同比例时间差Δt来实时甄别中子和γ射线。

进一步，所述脉冲信号峰值衰减到不同比例时间差，是先在模块中建立一个响应函数，在响应函数中接受一个脉冲数据单元的地址，寻址该数据单元最大值对应的时间信息，然后寻址该最大值X％对应的时间信息，接着寻址最大值Y％对应的时间信息，两者时间之差Δt绘制时间多道谱；建立脉冲最大幅值和最大幅值X％与Y％时间差的一一映射关系，在甄别判断时，输入甄别时间道，如果时间差大于甄别时间道，则是中子事件，如果时间差小于甄别时间道，则是γ事件。

进一步，所述数据采集卡采用双通道AutoDMA设计模式，即数据采集卡将数据写入板载内存的同时将该数据传输到计算机内存；所述数据采集卡包括高速存储***，该高速存储***利用大规模磁盘阵列存储及信号分析处理技术结合，用于采集和记录复杂环境中各种调制形式的中频和设频信号，并将获取的原始信号数据通过高速存储到磁盘阵列中。

进一步，所述探测器采用液闪探测器，该液闪探测器采集的信号通过光电倍增管的打拿极引出。

进一步，所述放大成形电路保持脉冲信号下降沿时间特性，使用相对低的采样率实现脉冲衰减时间的离散点采样，在配合后端的上位机甄别模块中衰减时间比例分析算法，实现入射粒子的实时甄别。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的中子、γ甄别***，解决了过零时间法、上升时间法需要复杂、庞大的电子学专用插件***的问题，有效的减少了设备体积、质量和经济成本；

(2)本发明采用数字化甄别模块实现智能化、傻瓜化操作，不需要谱仪使用者需要丰富的核电学调试经验就能取得较好的甄别效果，操作简单；该数字化甄别模块，液闪打拿级信号经过一次简单放大成形后，进行数字采样甄别，体积小，提高谱仪的便携性；

(3)本发明解决电荷比较法、脉冲梯度分析数字甄别算法只能采用离线处理，难以实现实时甄别的问题。

附图说明

图1是本发明数字化中子谱仪的中子、γ甄别***的结构示意图；

图2是探测器的放大成形电路；

图3a是下降沿90％和10％时间差甄别效果图；

图3b是下降沿70％和30％时间差甄别效果图；

图3c是下降沿60％和40％时间差甄别效果图；

图3d是下降沿85％和15％时间差甄别效果图；

图3e是下降沿80％和20％时间差甄别效果图；

图4是中子能谱测量中子、γ射线实时甄别谱；

图5是现有技术中闪烁体γ射线、α射线脉冲形状谱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本发明数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，该***包括液闪探测器、放大成形电路、数字采集卡、上位机甄别模块。探测器用于探测待测物品的脉冲信号，并将该脉冲信号传输给放大成形电路；放大成形电路用于接收探测器传输的脉冲信号并将该脉冲信号放大成形后传输给数字采集卡；数字采集卡用于接收放大成形电路传输的脉冲信号并将该脉冲信号由模拟信号转化为数字信号后传输给上位机甄别模块；上位机甄别模块用于接收数字采集卡传输的数字信号并将该数字信号利用实时甄别算法来甄别中子、γ射线。

其各部分主要如下：

1.探测器部分

探测器采用液闪探测器，探测器不同致电离粒子电离密度不同，在液闪探测器中脉冲衰减时间不同，从而甄别中子、γ信号。探测器采用BC501A，规格5.08cm×5.08cm，脉冲信号从光电倍增管打拿极引出，探测器所加高压为-1700V。

2.放大成形电路

电路设计力求采用最少电子元器件，积分电路电阻值在5MΩ-6MΩ之间，优选5MΩ，电容值在0.01μF-0.1μF之间，优选0.01μF，微分电路在保持脉冲信号下降沿时间特性，同时将当个脉冲宽度控制在1μs左右。信号衰减时间长度在500ns-800ns之间，优选800ns。如图2所示，电路***需要的直流电压为±6V、±12V，探测器传输的脉冲信号经过研制的简单放大成形电路之后，其衰减时间拉长到800ns，同时电路保留了不同入射粒子衰减时间的比例特征，这样就可以使用相对低的采样率实现脉冲衰减时间的离散点采样，在配合后端上位机甄别模块中衰减时间比例分析算法，该算法特点是只计算脉冲峰值信号衰减到不同比例的时间差，计算量相对较少，从而实现了入射粒子的实时甄别。

3.数字采集卡(AD转换模块)

数字采集卡要求采样率250M/s-500M/s之间，分辨率12位-16位之间。数字采集模式采用双通道AutoDMA模式设计，数字采集卡将数据写入板载内存的同时将板载内存数据传输到计算机内存，数据写入板载内存和数据从板载内存到计算机内存的过程是并行进行，这样就不会丢失真实信号。数字采集卡设计异步AutoDMA算法，采用硬件中断的方式，从而实现***CPU占用率低、数据直接复制到计算机内存，DMA重启时间快等优点。该数字采集卡可以采用加拿大AlazarTeck公司的ATS9350采集卡，采样率设置500M/s，分辨率12位，数据总线采用PCI-E×8总线结构，采样率为500MS/s时，一个脉冲的采样点在150个左右。使数据流到计算机内存速度达到>1.4GB/s，利用大规模磁盘阵列存储及现代信号分析处理技术融合在一起，用于实现采集和记录复杂环境现场环境中各种调制形式的中频或射频信号，将获取的原始信号数据以高达1.4GB/s速度直接存储到磁盘阵列中，磁盘阵列采用SATA3协议利用RAID磁盘阵列卡挂载10块硬盘实现10T磁盘阵列，实现数据通过8GB/s的高速内部总线提交给CPU高速处理器，完成信号高速处理及分析。根据核设施周围混合场辐射特性及工作环境要求，采用ARP690便携式加固机箱。

4.上位机甄别模块

上位机甄别模块采用实时甄别算法对中子、γ射线进行甄别。实时甄别算法采用脉冲衰减时间甄别算法，脉冲信号衰减成份主要包括两部分，慢成份和快成份，慢成份衰减时间在500ns-800ns之间，快成份衰减时间在30ns-100ns之间。中子脉冲信号慢成份为主，γ射线脉冲信号快成份为主。实时甄别算法采用衰减时间法，脉冲信号峰值衰减到不同比例时间差Δt来实时甄别中子和γ射线。其中，脉冲信号衰减比例可随意确定，最优化甄别比例为：上脉冲定时区间60％-90％，下脉冲定时区间40％-10％。

具体算法如下：

voidCMyView::OnRecvData(WPARAMwParam,LPARAMlParam)

在该模块中建立响应函数OnRecvData，在响应函数中接受一个脉冲数据单元的地址指针，将该指针指向的地址空间复制到栈上开辟的内存空间，寻址该数据单元最大值对应的时间信息，然后寻址最大值80％对应的时间信息，接着寻址最大值20％对应的时间信息，两者时间之差Δt绘制时间多道谱。

粒子甄别关键代码如下：

建立脉冲最大幅值和最大幅值X％与Y％时间差的一一映射关系，在甄别判断时，输入甄别时间道，如果时间差>甄别时间道，则是中子事件，如果时间差<甄别时间道，则是光子事件。模块可以自动给出只有中子事件的脉冲幅度谱和只有光子事件的脉冲幅度谱。

需要通过实验确定中子、光子甄别最佳X，Y的比例值。实验设计了X＝90％，Y＝10％；X＝80％，Y＝20％；X＝85％，Y＝15％；X＝70％，Y＝30％；X＝60％，Y＝40％等四组不同比例数据，实验用源为²⁴¹Am-Be标准源。甄别效果如图3a-3e所示，最终X、Y比例选取了X＝80％，Y＝20％这一结果。

综上所述，本发明采用简单放大成形电路，在保持脉冲衰减时间比例特性的前提下，信号衰减时间在500ns-800ns之间。相比电荷比较法、脉冲梯度分析法时间窗在100ns以内，衰减时间有效拖长。衰减时间拖长的目的在于，这样就可以避免采用1G-10G/s高速采样分析，因为在800ns衰减时间长度内，500M/s采样率1个脉冲宽度可以有接近500个采样点，足够进行衰减时间比例分析。相对较低的采样率使得每秒计算的数据量得到下降到1G以内，同时脉冲下降时间比例甄别算法相比其他算法更简单，每秒计算量下降，配合PCI-E×8高速数据总线结构，实现了中子、γ实现数字化甄别。相比目前常用的过零时间法、上升时间法，采用数字甄别算法减去了大量的电子学插件，有效减少了设备体积、质量和经济成本。采用过零时间法、上升时间法电子学***包括：NIM机箱电源、ORTEC113快前放、ORTEC460线性延迟放大器、2个ORTEC583恒比定时甄别器、ORTEC552SCA、ORTEC567时幅转换器；全部电子学需要大约需要15万元人民币，占用空间在1m²左右，质量在10kg左右，采用本甄别方法，只需要一个简单的放大成形电路，成本在500元人民币，占用空间50cm²，有效节约了成本和谱仪的便携性。数字化甄别模块实现智能化、傻瓜化操作，不需要谱仪使用者需要丰富的核电子学调试经验就能取得较好的甄别效果。实现了中子、γ射线的数字化实时甄别，测量中子能谱过程中可实时给出中子、γ射线甄别谱。现有数字化甄别技术电荷比较法、脉冲梯度分析法是基于数据采集完成后的离线分析，由于其每秒数据量的巨大和甄别算法的复杂性，尚未实现实时甄别。本发明利用脉冲信号经过简单放大成形电路，然后进行脉冲衰减时间分析，每秒数据量小于1GB，甄别算法简单，因此实现了测量过程中的实时甄别，测量脉冲幅度谱过程中的实时甄别谱，如图4所示，图中下方曲线是中子脉冲幅度谱，图中甄别窗内是中子、γ实时甄别谱。

本发明的数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，包括探测器、放大成形电路、数字采集卡以及上位机甄别模块，其特征是：所述探测器用于探测待测辐射场的脉冲信号，并将该脉冲信号传输给放大成形电路；所述放大成形电路用于接收探测器传输的脉冲信号并将该脉冲信号放大成形后传输给数字采集卡；所述数字采集卡用于接收放大成形电路传输的脉冲信号并将该脉冲信号由模拟信号转化为数字信号后传输给上位机甄别模块；所述上位机甄别模块用于接收数字采集卡传输的数字信号并将该数字信号采用实时甄别算法，即脉冲衰减时间甄别算法来甄别中子、γ射线。

2.如权利要求1所述的一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，其特征是：所述脉冲衰减时间甄别算法，是根据脉冲信号衰减成份主要包括慢成份和快成份，中子脉冲信号以慢成份为主，γ射线脉冲信号以快成份为主，脉冲信号峰值衰减到不同比例时间差Δt来实时甄别中子和γ射线。

3.如权利要求2所述的一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，其特征是：所述脉冲信号峰值衰减到不同比例时间差，是先在模块中建立一个响应函数，在响应函数中接受一个脉冲数据单元的地址，寻址该数据单元最大值对应的时间信息，然后寻址该最大值X％对应的时间信息，接着寻址最大值Y％对应的时间信息，两者时间之差Δt绘制时间多道谱；建立脉冲最大幅值和最大幅值X％与Y％时间差的一一映射关系，在甄别判断时，输入甄别时间道，如果时间差大于甄别时间道，则是中子事件，如果时间差小于甄别时间道，则是γ事件。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，其特征是：所述数据采集卡采用双通道AutoDMA设计模式，即数据采集卡将数据写入板载内存的同时将该数据传输到计算机内存；所述数据采集卡包括高速存储***，该高速存储***利用大规模磁盘阵列存储及信号分析处理技术结合，用于采集和记录复杂环境中各种调制形式的中频和设频信号，并将获取的原始信号数据通过高速存储到磁盘阵列中。

5.如权利要求4所述的一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，其特征是：所述探测器采用液闪探测器，该液闪探测器采集的信号通过光电倍增管的打拿极引出。

6.如权利要求5所述的一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别***，其特征是：所述放大成形电路保持脉冲信号下降沿时间特性，使用相对低的采样率实现脉冲衰减时间的离散点采样，在配合后端的上位机甄别模块中衰减时间比例分析算法，实现入射粒子的实时甄别。