n-γ脈沖信號(hào)的仿真及其波形甄別技術(shù)研究

左廣霞 何 彬 許 鵬 邱曉林 馬文彥 黎素芬

（第二炮兵工程大學(xué) 西安 710025）

中子在無損檢測(cè)、測(cè)井、輻射醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，對(duì)中子測(cè)量水平也提出了更高要求。由于中子與周圍環(huán)境的非彈性散射、慢化中子俘獲等原因，中子測(cè)量中都伴隨著大量的 γ射線本底[1]。而許多中子探測(cè)器對(duì)γ射線靈敏，為提高中子測(cè)量水平，須排除γ射線的干擾，n-γ甄別就成為中子探測(cè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

n-γ甄別技術(shù)的發(fā)展與電子器件和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)。模擬信號(hào)處理占主導(dǎo)地位時(shí)，n-γ甄別主要采用基于模擬技術(shù)的上升時(shí)間法[3]、電荷比較法[4]等，需專用的電子學(xué)插件。近年來，高速ADC的出現(xiàn)使完整記錄數(shù)字化脈沖波形成為可能，而DSP、FPGA等數(shù)字器件的發(fā)展又為全數(shù)字化的n-γ甄別法提供了方便。早期的數(shù)字化n-γ甄別還曾沿用傳統(tǒng)的甄別思想，如電荷比較法、脈沖持續(xù)時(shí)間法等，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者很快采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、脈沖梯度法[6]、小波變換法[7]等基于數(shù)字技術(shù)的甄別方法。與模擬方法相比，數(shù)字化甄別法省去了大量的硬件，且大大提高了n-γ甄別的速度和精度。因此，數(shù)字化將成為n-γ甄別方法發(fā)展的主流趨勢(shì)[8,9]。

在數(shù)字化n-γ甄別算法的研究過程中，常需n-γ數(shù)字化核輻射信號(hào)對(duì)其功能進(jìn)行驗(yàn)證。本文基于Windows和LabVIEW平臺(tái)，建立一種閃爍體中子探測(cè)器的n-γ脈沖信號(hào)數(shù)值仿真方法，并利用該仿真信號(hào)開展電荷比較法和脈沖持續(xù)時(shí)間法的數(shù)字化甄別研究。

1 n-γ脈沖信號(hào)的仿真實(shí)現(xiàn)

液體閃爍體探測(cè)器具有良好的時(shí)間響應(yīng)特性和n-γ甄別性能，且易于制成各種形狀和大小，適合于n-γ混合場(chǎng)中的中子探測(cè)。對(duì)于閃爍體而言，入射粒子激發(fā)的熒光脈沖通常可用指數(shù)衰減的快、慢成分來表示。在液體閃爍體中形成的帶電粒子所產(chǎn)生的光脈沖形狀可描述為[2]：

式中，L為總熒光強(qiáng)度，Lf、Ls分別為快、慢成分的發(fā)光強(qiáng)度，τf、τs分別為快、慢成分的發(fā)光衰減時(shí)間，τf即為ns量級(jí)，τs為μs量級(jí)。對(duì)同一閃爍體，快、慢成分的強(qiáng)度比與入射粒子的類型有關(guān)。研究表明，中子與閃爍體作用產(chǎn)生的熒光脈沖快成分的份額小，慢成分的份額大，而γ射線則恰好相反。因此，中子與γ射線在閃爍體中產(chǎn)生的脈沖形狀就有所不同(圖1)，這些脈沖波形的差異可作為鑒別粒子的根據(jù)。現(xiàn)有的n-γ甄別方法都是利用脈沖形狀的不同來進(jìn)行甄別，稱為脈沖形狀甄別法。

圖1 n、γ引起的熒光脈沖形狀Fig.1 Flight pulse shape of neutrons and gamma-rays.

當(dāng)光電倍增管工作在線性范圍時(shí)，從陽極或某個(gè)打拿極引出的電流脈沖形狀反映了閃爍體發(fā)射的光脈沖形狀，即電流脈沖：

式中，τf、τs及If(ρ)、Is(ρ)分別是快、慢成分的衰減時(shí)間及電流脈沖最大值。

由于n-γ脈沖信號(hào)是核輻射信號(hào)，因此仿真時(shí)必須體現(xiàn)出核輻射信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性特征：(1) 脈沖信號(hào)的幅度是服從高斯分布；(2) n、γ脈沖信號(hào)出現(xiàn)的相對(duì)比例是固定的，而時(shí)間是隨機(jī)的。

在LabVIEW編程時(shí)，采用條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷，綜合運(yùn)用高斯噪聲脈沖、雙指數(shù)函數(shù)和隨機(jī)函數(shù)來仿真n、γ核隨機(jī)脈沖信號(hào)，真假兩分支分別代表n、γ脈沖信號(hào)的產(chǎn)生分支。

2 n-γ波形甄別技術(shù)研究

2.1 電荷比較法的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

基于模擬技術(shù)的電荷比較法的原理為：用一個(gè)時(shí)間常數(shù)很大的積分回路對(duì)電流脈沖積分可得總電荷Q=∫0–∞I(t)dt=If(ρ)τf+Is(ρ)τs=Qf(ρ) +Qs(ρ)。即電荷脈沖由快、慢兩部分組成，都是帶電粒子在閃爍體中形成電離密度ρ的函數(shù)。不同帶電粒子形成的Q、Qf(ρ)/Qs(ρ)、Q/Qf(ρ)或Q/Qs(ρ)都不一樣，由此可來鑒別粒子類型。電荷比較法電路調(diào)節(jié)較為復(fù)雜，需要仔細(xì)調(diào)節(jié)各延遲信號(hào)的延遲時(shí)間，使電路調(diào)整至最佳工作狀態(tài)[10]。

由電荷比較法的工作原理，其實(shí)質(zhì)是對(duì)電流脈沖信號(hào)進(jìn)行積分，即求電流脈沖所包圍的面積，利用不同的積分面積來甄別n-γ信號(hào)。由于仿真脈沖信號(hào)是離散的一維數(shù)組，故經(jīng)積分可得總電荷量，然后取適當(dāng)?shù)牡缹?，?duì)總電荷量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布。電荷比較法LabVIEW實(shí)現(xiàn)的程序框圖如圖2所示。

圖2 電荷比較方法LabVIEW實(shí)現(xiàn)的程序框圖Fig.2 Programm diagram of charge comparison method on LabVIEW.

2.2 脈沖持續(xù)時(shí)間法的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

探測(cè)器產(chǎn)生的n、γ脈沖的持續(xù)時(shí)間是不同的，n脈沖持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng)，而γ脈沖稍短，因此我們可以進(jìn)行n-γ甄別。脈沖持續(xù)時(shí)間法LabVIEW實(shí)現(xiàn)的程序框圖如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)處理

理想的n-γ甄別方法應(yīng)把中子和γ事件完全區(qū)分開。衡量 n-γ甄別性能的優(yōu)劣可以用品質(zhì)因數(shù)FOM(Figure of Merit)來表示，其定義為[1]

式中，ΔD為 γ射線和中子對(duì)應(yīng)峰位之間的距離，F(xiàn)WHMγ和FWHMn分別為γ射線和中子射線對(duì)應(yīng)峰的半高寬。

為了比較電荷比較法和脈沖持續(xù)時(shí)間法的 n-γ甄別性能，設(shè)置n、γ隨機(jī)脈沖信號(hào)的幅度均值、幅度標(biāo)準(zhǔn)偏差、噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差相同，而其它波形參數(shù)如表1所示。

表1 n與γ射線脈沖波形參數(shù)Table 1 Neutron-gamma pulse wave parameters

圖3 脈沖持續(xù)時(shí)間法LabVIEW實(shí)現(xiàn)的程序框圖Fig.3 Programm diagram of pulse duration method on LabVIEW.

控制 LabVIEW 程序隨機(jī)產(chǎn)生 10,000個(gè) n、γ脈沖信號(hào)，其產(chǎn)生的比例為 1:1，分別用電荷比較法和脈沖持續(xù)時(shí)間法進(jìn)行n-γ甄別。用電荷比較法進(jìn)行 n-γ甄別的結(jié)果為FOM=ΔD/(FWHMγ+FWHMn)=1.32(圖4)。

利用脈沖持續(xù)時(shí)間法進(jìn)行 n-γ甄別的結(jié)果為FOM=2.08(圖5)。

圖4 電荷比較法的甄別結(jié)果Fig.4 Discrimination results using the charge comparison method.

圖5 持續(xù)時(shí)間法的甄別結(jié)果Fig.5 Discrimination results using the pulse duration method.

4 結(jié)語

本文基于Windows和LabVIEW平臺(tái)，建立了一種閃爍體中子探測(cè)器的n-γ脈沖信號(hào)數(shù)值仿真方法，并利用該仿真信號(hào)開展了電荷比較法和脈沖持續(xù)時(shí)間法的數(shù)字化甄別研究。數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，持續(xù)時(shí)間法的品質(zhì)因數(shù)要大于電荷比較法的，即持續(xù)時(shí)間法的甄別能力要優(yōu)于電荷比較法，與基于模擬技術(shù)的波形甄別結(jié)論是相符的。

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