一种数字化中子谱仪的中子、γ甄别系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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甄别系 统。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 以下分别介绍目前采用最多的中子、γ甄别技术：
[0006] L过零法
[0007] 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：Alexandar T K, Goulding F S. Nucl. Instr. Meth. 1961，13:244 ;
[0008] 2.上升时间法
[0009] 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。
[0010] 参考文献：
[0011] Furuta Y, et al. Nucl. Instr. Meth. , 1970, 84:269 ；
[0012] 王光宇，高维祥.原子能科学技术，1975,4:319 ;
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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A t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。
[0016] 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lG/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】
[0017] 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甄别系 统，解决了过零时间法、上升时间法需要复杂、庞大的电子学插件系统以及电荷比较法、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。
[0018] 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 甄别系统，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。
[0019] 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At来实时甄别中子和γ射线。
[0020] 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Υ%对应的时间信息，两者时 间之差At绘制时间多道谱；建立脉冲最大幅值和最大幅值X%与Υ%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。
[0021] 进一步，所述数据采集卡采用双通道AutoDM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系统，该高 速存储系统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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 本发明的有益技术效果在于：
[0025] (1)本发明的中子、γ甄别系统，解决了过零时间法、上升时间法需要复杂、庞大 的电子学专用插件系统的问题，有效的减少了设备体积、质量和经济成本；
[0026] (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；
[0027] (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】
[0028] 图1是本发明数字化中子谱仪的中子、γ甄别系统的结构示意图；
[0029] 图2是探测器的放大成形电路；
[0030] 图3a是下降沿90%和10%时间差甄别效果图；
[0031] 图3b是下降沿70%和30%时间差甄别效果图；
[0032] 图3c是下降沿60%和40%时间差甄别效果图；
[0033] 图3d是下降沿85%和15%时间差甄别效果图；
[0034] 图3e是下降沿80%和20%时间差甄别效果图；
[0035] 图4是中子能谱测量中子、γ射线实时甄别谱；
[0036] 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】
[0037] 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。
[0038] 如图1所示，是本发明数字化中子谱仪的中子、γ甄别系统，该系统包括液闪探测 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。
[0039] 其各部分主要如下：
[0040] 1.探测器部分
[0041] 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. 08cmX5. 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。
[0042] 2.放大成形电路
[0043] 电路设计力求采用最少电子元器件，积分电路电阻值在5ΜΩ-6ΜΩ之间，优选 5M Ω，电容值在〇. 〇1 μ F-0. 1 μ F之间，优选0. 01 μ F，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1 μ s左右。信号衰减时间长度在500ns-800ns之间，优 选800ns。如图2所示，电路系统需要的