基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法

摘要

本发明属于核辐射测量和粒子测量技术领域，具体涉及基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法。实时甄别方法包括如下步骤：采集CsI(Tl)探测器阳极信号，经100MSPS的ADC转换为数字化信号；对数字化信号进行阈值判断，对满足阈值条件的信号分两路数据流处理，一路用于计数，一路用于甄别；提取波形甄别参数，送入串口发送模块，发送给上位机；上位机软件接收甄别参数并显示甄别参数二维分布及α/γ甄别谱。解决了传统甄别方式的系统庞大、稳定性差和数字化离线甄别方式的效率低下等问题，具有算法准确可靠、系统简单便携、可实时甄别等优点。

说明书

技术领域

本发明属于核辐射测量和粒子测量技术领域，可用于α/γ混合辐射场的粒子 实时分辨。

背景技术

α/γ射线入射到CsI(Tl)闪烁探测器上，形成的光电脉冲信号形状不同，波 形甄别是根据信号形状的差异来判别入射粒子种类的核物理诊断技术，在暗物质 探测、中微子探测、深空探测及核反应微分截面测量中有重要应用。

传统方式的波形甄别基于模拟电子技术，需要专用的核仪器插件或采用微机 自动测量和控制系统，虽能实现实时甄别，但仪器复杂、系统庞大、脉冲计数率 低、稳定性差，且甄别方法单一。

数字技术的发展为波形甄别开辟了崭新空间，基于数字化的思想，首先对探 测器信号进行数字化采样，然后送入上位机进行离线甄别。这使得用示波器等数 字化仪器替换庞大的模拟插件成为可能，大大缩小了系统规模，并且甄别方法更 加灵活，但这种方式不能实时输出甄别结果，甄别效率低。

数字化的信号处理是核物理诊断技术的发展方向，便携式、实时化的波形甄 别能够有效内嵌在基于数字化的核物理电子学系统中，与传统模拟方式相比省去 了大量的硬件部分，与数字式离线甄别方式相比大大提高了波形甄别的速度和精 度，具有重要意义。

发明内容

为解决传统波形甄别方式的系统复杂、稳定性差及数字化离线波形甄别方式 的效率低下等问题，本发明提供了一种基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场 粒子的方法，利用脉冲后沿信号积分量与总信号的积分量实现α/γ数字化波形的 实时甄别。

本发明的技术解决方案：

基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法，其特殊之处在于：所 述实时甄别方法所用的设备包括掺铊碘化铯无机闪烁探测器、AD转换电路、 FPGA及上位机，所述掺铊碘化铯无机闪烁探测器依次通过AD转换电路及FPGA 与上位机连接，

甄别的步骤具体如下：

1)α/γ射线入射到掺铊碘化铯无机闪烁探测器上，采集掺铊碘化铯无机闪烁 探测器的阳极信号，经14bit、100MSPS的AD转换电路转换为数字化信号；

2)FPGA对数字化信号进行逐点阈值判断，阈值预设为数字化幅度值，取值 范围为8500-9500，对满足阈值条件的信号进行分流处理，其中有一路为甄别数 据流；

3)从甄别数据流中提取波形甄别参数，送入串口发送模块，发送给上位机；

4)上位机接收甄别参数并显示甄别参数二维分布及α/γ甄别谱。

上述步骤2)具体如下：

2.1)将数字化信号送入FPGA中的FIFO缓存，逐点读取FIFO数字化采样 值；

2.2)若采样点的幅值超过预设的触发阈值，则判断在该采样点后的连续5 个采样点值是否均超过触发阈值；

2.3)若是，则从第一个满足阈值条件的采样点开始，连续将276个采样点 存储在与采样长度相同长度的寄存器组中，供后续处理；若否，则不进行存储；

2.4)读取寄存器组中存储的数据，其中一路送入算法甄别模块，用于提取 甄别参数。

上述步骤3)具体如下：

3.1)取第261至276个采样点为基线信号，取数字化平均值作为基线平均 值，记为V_base-line；

3.2)将第1至260个采样点数字化幅值累计相加，减去260个基线平均值， 得到波形甄别参数之一总信号积分量，记为q_total；

3.3)将信号峰值后第50至199个采样点数字化幅值累计相加，减去150个 基线平均值，得到波形甄别参数之二后沿信号积分量，记为q_slow；

3.4)将总信号积分量q_total及后沿信号积分量q_slow通过串口传输到上 位机。

上述步骤2)中满足阈值的信号进行分流处理，其中有一路为计数数据流， 所述计数数据流用于显示事件计数。

上述步骤1)中还包括信号调理的步骤，具体是：将掺铊碘化铯无机闪烁探 测器的阳极信号转换为差分信号，送入AD转换电路进行数字化采样。

上述FPGA选用内嵌Altera Cyclone IV EP4CE115F29型的DE2-115开发板， 所述AD转换电路选用内嵌14位的AD9524型ADC的Altera Data Conversion  HSMC采集卡。

上述FPGA选用内嵌Altera Cyclone IV EP4CE115F29型的DE2-115开发板， 所述AD转换电路选用内嵌14位的AD9524型ADC的Altera Data Conversion  HSMC采集卡。

上述步骤1)中还包括信号调理的步骤，具体是：将掺铊碘化铯无机闪烁探 测器的阳极信号转换为差分信号，送入AD转换电路进行数字化采样。

本发明相对于现有技术所具有的有益效果：

1、本发明克服了传统波形甄别方式的体积庞大、稳定性差的缺点和不足， 使甄别系统便携、稳定性好。

2、本发明克服了数字化离线波形甄别效率低下的缺点，能实时甄别，计数 率达3×10⁵/s，实时甄别品质因子大于1.4。

3、本发明的甄别方法简单、可靠，可嵌入到数字化核电子学系统，构成小 型化的核电子仪器。

附图说明

图1是归一化后的α、γ粒子在CsI(Tl)探测器中的脉冲波形；

图2是本发明提出的基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法的 结构框图；

图3是本发明提出的基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法的 设计原理图；

图4是用本发明提出的基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法 实验测量的原理图；

图5-13分别是采用不同的信号长度和后沿长度进行甄别的波形甄别参数的 两维分布；

图14是用本发明提出的基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法 得到的α/γ甄别谱。

具体实施方式

下面从本发明的原理出发结合附图和实施例对本发明提出的基于数字化波 形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法进一步介绍：

CsI(Tl)是掺铊碘化铯无机闪烁晶体，密度大，平均原子序数高，发射光谱 峰在540nm～550nm间。CsI(Tl)晶体与光谱响应相匹配的光电倍增管耦合在 一起，构成CsI(Tl)无机闪烁探测器。当α和γ入射CsI(Tl)探测器，两种粒 子在CsI(Tl)中的电离密度不同。α粒子入射闪烁体时，能量沉积密度较大，激 发的荧光脉冲衰减时间较短；而伽马射线入射时，能量沉积密度较小，激发的荧 光脉冲衰减时间较长。这样，α、γ在CsI(Tl)中的发光衰减时间不同，由光电 倍增管输出的α、γ的单粒子信号波形也就不同，波形甄别就是根据信号形状的 差异来判别入射粒子的种类，图1是归一化后的α、γ粒子在CsI(Tl)探测器中 的脉冲波形，可看到，α、γ信号都是微秒量级，但γ信号要比α信号的衰减时 间长，据此，可甄别α、γ信号。

图2是本发明提出的一种基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方 法的结构框图，系统由信号调理、AD转换、算法执行及参数接收软件等构成， FPGA是算法执行中的主控制器和数据处理器。探测器输出的阳极信号经信号调 理模块放大、滤噪，转为差分信号进行数字化实时甄别。FPGA选用内嵌Altera  Cyclone IV EP4CE115F29型的DE2-115开发板；AD转换模块选用内嵌14位的 AD9524型ADC的Altera Data Conversion HSMC采集卡，AD9524工作在 100MSPS采样率下。参数接收软件基于RS232串口、由Visual Basic 6.0开发， 能将接收到的甄别参数实时存储在mdb格式数据库文件中，并能调用数据库显示 甄别参数二维分布和甄别谱。

图3是本发明提出的基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法的 设计原理图，包括PLL_1、Charge_Comparison_Method和Uart_RS232等3个模 块。PLL_1是时钟模块，利用FPGA内部的锁相回路为其它模块提供固定频率的 时钟信号。以DE2-115开发板的50MHz晶振为输入时钟，经倍频和分频后，PLL_1 输出分别为0度相位和180度相位的100MHz频率的时钟信号以及1.84MHz频 率的时钟信号。

Charge_Comparison_Method模块是甄别算法的核心部分，以数字化后的14 位数据为输入，输出包括表征两信号间隔的计数器信号counter_distance[31..0]、 用以记录事件个数的计数器信号counter_event[19..0]，以及总信号积分量 q_total[15..0]和后沿信号积分量q_slow[15..0]。

该模块执行的算法包括如下步骤：

(1)将数字化信号送入FPGA中的FIFO缓存，逐点读取FIFO数字化采样 值；

(2)若采样点的幅度超过预设的触发阈值，则判断在该采样点后的连续5 个采样点值是否均满足阈值条件；

(3)若满足，则从第一个满足阈值条件的采样点开始，连续将276个采样 点存储在相同长度的寄存器组中，供后续处理；若不全部满足阈值条件，则不进 行存储。

步骤(2)和步骤(3)中的阈值判断可以减少FPGA的资源占用，提高处 理速度，抑制大量的小幅度噪声和基线噪声，并且可以抑制由光电倍增管快脉 冲噪声(脉冲信号半宽约10ns)引起的误触发。

(4)读取寄存器组中存储的数据，一路送入事件计数模块，输出记录事件个 数的计数器信号counter_event[19..0]，并在液晶模块显示事件计数；

(5)取第261至276个采样点为基线信号，取数字化平均值作为基线平均值， 来消除基线噪声对总信号积分量及后沿信号积分量的影响；

(6)将第1至260个采样点数字化幅值累计相加，减去260个基线平均值， 得到波形甄别参数之一：总信号积分量q_total[15..0]；

(7)将信号峰值后第50至199个采样点数字化幅值累计相加，减去150个 基线平均值，得到波形甄别参数之二；后沿信号积分量q_slow[15..0]，信号峰值 为276个采样点中的最大值；

Uart_RS232模块通过RS232串口将甄别参数q_total[15..0]和q_slow[15..0]送 入上位机采集软件。RS232串口使用的比特率为115200bps，在Uart_RS232模 块中，设计了两个双端口RAM，Charge_Comparison_Method模块发送来的甄别 参数在100MHz时钟控制下写入双口RAM，当双口RAM写满，在1.84MHz 时钟控制下向上位机传送16位RAM数据。串口发送模块可将消除了基线影响的 甄别参数(总信号积分量、后沿信号积分量)通过基于VB语言的串口采集软件 传输到上位机，存储在数据库中，并能用图形实时显示甄别结果。计数器信号 counter_distance[31..0]用来控制甄别参数写入RAM中的时间点。

图4是用本发明提出的基于数字化波形实时甄别α/γ混合辐射场粒子的方法 实验测量的原理图：直径30mm、厚度35mm的圆柱形CsI(Tl)无机晶体与9813 型光电倍增管直接耦合构成CsI(Tl)探测器。探测器将阳极信号送入ADC，FPGA 接收ADC数字化信号进行实时甄别。RS232串口将甄别参数传输到上位机，JTAG 链用来将实时甄别算法下载到FPGA。实验中，采用的γ源为⁶⁰Co(活度为10⁴Bq)， α源为²⁴¹Am(活度为10⁵Bq)。

图5-13分别是采用不同的信号长度和后沿长度进行甄别的波形甄别参数的 两维分布，坐标数值是数字化单位，仅表示大小，对象是采集到的2000个γ粒 子和2000个α粒子，具体参数设置如表1所示：

表1实验参数设置

表2给出了每一种参数设置下的甄别品质因子，品质因子是表征α/γ甄别能 力的参数，其值为甄别谱(见图14)上两高斯峰的距离与两高斯峰半高宽之和的 比，品质因子越大，代表甄别效果越好。

表2不同参数设置下的甄别品质因子(“\”代表甄别不出两种粒子)

由图5-13及表2可以看出：

a、信号长度一定时，后沿信号区间末端固定，起始端越靠后，甄别效果越 好，因为波形的差异主要体现在信号后沿离峰值较远的一段区间，随着起始端远 离峰值位置，不同粒子信号后沿的特征得到加强，从而使甄别效果变好；

b、信号长度一定时，后沿信号区间起始端固定，末端越靠后，甄别效果越 好，这也同样是由于a中所述原因，末端越靠后，不同信号的后沿特征越明显；

c、信号长度不同，后沿区间一定时，后沿信号积分量在总信号积分量中占 的比重越大，甄别效果越好；

在信号长度为2.6μs、后沿长度为峰值后第50-199个采样点时，实时甄别系 统对α/γ粒子的甄别效果最佳，甄别品质因子可达1.4152，甄别谱如图14所示。 横轴为后沿信号积分量与总信号积分量的比值，无单位，纵轴为事件计数，单位 为个，图中α和γ各2000个事件，在该最优参数设置下，FPGA在接收到满足阈 值条件的260个采样点序列(信号长度2.6μs)后，能在后续的40个时钟周期(0.4 μs)内将甄别参数传送到上位机，即实时甄别系统能在3μs内给出单粒子信号的 甄别参数，事件计数率可达3×10⁵/秒，甄别结果准确、可靠。

从以上分析来看，后沿信号的区间选择是影响该方法甄别效果的关键因素， 后沿区间长，并且远离信号峰值位置，会得到好的甄别效果。但是，在特定信 号长度下，长的后沿区间和远离峰值位置是相互矛盾的，在实际的参数设置时， 要权衡二者的关系，盲目优化单一的参数，得不到理想的甄别效果。