李奎念，張顯鵬,2，李 陽，張 美，張忠兵，李斌康，張小東，劉 軍

(1.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

在中子輻射源中通常有伴生γ射線，且中子與周圍環(huán)境的非彈性散射、慢化中子的輻射俘獲等[1]均會產(chǎn)生γ射線。而目前用于測量中子的探測器大多對γ射線有響應(yīng)，為排除γ射線的干擾，對n/γ甄別技術(shù)進(jìn)行了深入而廣泛的研究。

根據(jù)波形的特征，可將甄別方法分為時域方法和頻域方法。時域方法根據(jù)波形的前、后沿等時域特征對波形加以區(qū)分，這類方法形象直觀，發(fā)展較早，具有成熟的理論和硬件體系。常用的有上升時間法[2]、過零時間法[3]、電荷比較法[4]、脈沖梯度分析[5]等。頻域方法先對波形進(jìn)行傅里葉變換[6]或小波變換[7]，利用頻域特征構(gòu)建甄別參數(shù)，使波形的差異在變換后最大。每種波形甄別方法均可理解為根據(jù)波形構(gòu)建甄別參數(shù)，然后對每個波形計算其相應(yīng)的甄別參數(shù)，據(jù)此參數(shù)對粒子進(jìn)行甄別。

近年來，隨著數(shù)字信號處理速度的大幅提升、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(FADC)的出現(xiàn)以及現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)量的實時處理技術(shù)得到快速發(fā)展，基于FPGA的小型化實時甄別系統(tǒng)成為主流研究方向。目前，國外已報道了采用上升時間法、電荷比較法及脈沖梯度分析實現(xiàn)的數(shù)字化實時甄別系統(tǒng)[8-10]，配合不同的探測器實現(xiàn)了對不同粒子的甄別。在頻域算法方面，劉國福等[11]提出了基于傅里葉變換的頻率梯度分析，稱該法具有好的n/γ甄別效果，且有望應(yīng)用于實時甄別系統(tǒng)[12]中。目前，未見將這些方法進(jìn)行系統(tǒng)比較的報道。

本文為找到一種針對液閃探測器甄別效果好、運算簡單，且便于在實時甄別系統(tǒng)中實現(xiàn)的n/γ甄別方法，基于數(shù)字化采集技術(shù)，利用MATLAB軟件，分別采用上升時間法、電荷比較法、脈沖梯度分析和頻率梯度分析等4種方法對Am-Be中子源產(chǎn)生的n/γ混合場進(jìn)行離線波形甄別，對比分析4種方法的甄別效果，最后利用基于MPD-4甄別插件[13]的CAMAC系統(tǒng)[14]對n/γ甄別結(jié)果進(jìn)行驗證。

1 波形甄別原理及方法

1.1 波形甄別原理

帶電粒子在閃爍體中發(fā)生能量沉積，閃爍體退激發(fā)光，發(fā)光過程分為瞬發(fā)和緩發(fā)[15]。中子入射液體閃爍體時，能量沉積密度較大，退激發(fā)光過程中的緩發(fā)光子份額較大，形成電信號的衰減時間較長。γ射線入射時，能量沉積密度較小，形成電信號的衰減時間較短。中子或γ射線在閃爍體探測器中產(chǎn)生脈沖電信號形狀的不同使得n/γ甄別成為可能。圖1為EJ-301液閃探測器輸出的典型中子、γ信號波形，圖中信號已進(jìn)行了歸一化，可看到，兩種粒子信號的差異主要體現(xiàn)在脈沖后沿15～40 ns的時間范圍內(nèi)。

圖1 EJ-301液閃探測器輸出的典型中子、γ信號

1.2 幾種波形甄別方法

上升時間法是較早使用的波形甄別方法之一，近年來，該方法在數(shù)字化領(lǐng)域也得到了實現(xiàn)。利用數(shù)字化技術(shù)獲得一系列如圖1所示的探測器信號后，在計算機(jī)端對每個信號積分，利用積分信號的上升時間進(jìn)行n/γ甄別?？紤]到脈沖基線的噪聲水平，為獲得好的甄別效果，上升時間的選取區(qū)間一般為最大脈沖幅度的5%～95%或10%～90%。

電荷比較法以信號不同區(qū)間積分幅度的比值作甄別參量進(jìn)行粒子甄別。對探測器輸出的信號進(jìn)行數(shù)字化采樣后，在計算機(jī)上針對脈沖快、慢成分，對信號不同時間區(qū)間積分，積分幅度的比值用于粒子甄別。

脈沖梯度分析是近年提出的一種簡單的數(shù)字化甄別方法，選取脈沖峰值和峰值后的一個樣本點計算脈沖梯度，利用梯度的不同判別入射粒子的類型。通常情況下，脈沖波峰與選取樣本點之間的時間跨度Δt的最優(yōu)取值范圍為15～25 ns[5]，具體取值需根據(jù)閃爍探測器的材料以及光電倍增管的特性確定。

2 波形采集及分析

2.1 波形采集

探測器選用自組裝液閃探測器(φ50 mm×50 mm EJ-301+9815型光電倍增管)和標(biāo)準(zhǔn)探測器(φ50 mm×50 mm BC501A+R329型光電倍增管)，用Tek公司的DPO 7104型示波器進(jìn)行數(shù)字化采樣。由于示波器動態(tài)范圍的限制，選用某一觸發(fā)閾值時不能完整記錄下所有波形。采用示波器Fast Frame功能的runt觸發(fā)模式可設(shè)置采樣信號的峰值上、下閾，記錄多個具有一定峰值范圍的粒子波形信號。采用多個上、下閾在相同時間進(jìn)行測量可獲得某閾值以上的全部粒子的波形信號。為使各閾值銜接良好，不致出現(xiàn)“斷層”，各上、下閾間有一定交疊，在數(shù)據(jù)處理中扣除重復(fù)記錄的波形。

實驗中，探測器距Am-Be源80 cm，如圖2所示，示波器采樣率為10 G/s，每個信號的時間長度為100 ns，即每個信號具有1 000個離散化采樣點，滿足數(shù)字化波形甄別算法的分析。設(shè)置5個交疊的閾值區(qū)間分段采集，每個閾值段采集1 min。為排除小信號噪聲干擾，在用示波器采集自組裝探測器信號時，最小閾值設(shè)置為50 mV，采集標(biāo)準(zhǔn)探測器信號時，最小閾值設(shè)置為100 mV。

圖2 示波器信號采集原理

2.2 結(jié)果分析

為分析不同方法的甄別效果，選擇一定能量段的粒子信號進(jìn)行甄別。圖3為分別采用上升時間法、電荷比較法、脈沖梯度分析、頻率梯度分析等4種方法對自組裝EJ-301探測器輸出的1 000個粒子事件進(jìn)行甄別處理的結(jié)果，信號峰值在150～430 mV(電子能量約353～834 keV)之間。圖4為采用4種甄別方法對BC501A標(biāo)準(zhǔn)探測器輸出的1 000個粒子事件進(jìn)行甄別處理的結(jié)果，信號峰值在1～4.2 V(電子能量約562～2 254 keV)之間。

表1列出采用不同方法對兩種探測器信號算得的中子、γ數(shù)，并根據(jù)圖3、4中的事件數(shù)隨甄別參量的分布利用高斯雙峰擬合曲線求出了每種方法的品質(zhì)因子(FOM)。品質(zhì)因子是表征n/γ甄別能力的參數(shù)，其值為兩高斯峰的距離與兩高斯峰半高寬之和的比。

圖3 4種方法對1 000個EJ-301探測器事件信號甄別處理的結(jié)果

圖4 4種方法對1 000個BC501A探測器事件信號甄別處理的結(jié)果

表1 不同甄別方法的兩種探測器信號的n、γ數(shù)及品質(zhì)因子

從甄別效果看，上升時間法的甄別效果最佳，電荷比較法和頻率梯度分析的甄別效果相當(dāng)，脈沖梯度分析的甄別效果最差，這與甄別算法所利用的信號特征有關(guān)。由前述可知，中子、γ信號波形的差異主要集中在信號后沿的一段時間，上升時間法在甄別參數(shù)構(gòu)造中兼顧了整個脈沖寬度，將兩種信號波形的差異最大化地體現(xiàn)出來。電荷比較法和頻率梯度分析主要利用信號后沿部分采樣點構(gòu)造甄別參數(shù)，但電荷比較法在一定程度上將信號前沿部分的差異考慮在內(nèi)，故電荷比較法的甄別效果略好于頻率梯度分析，但不及上升時間法。脈沖梯度分析只選用后沿某時刻的幅度作為甄別參量，甄別效果極大依賴于后沿時刻點的選擇，不能最大化地體現(xiàn)中子、γ信號的差異，所以脈沖梯度分析效果較其他方法的差。

從甄別結(jié)果的一致性看，對于1 000個粒子信號，4種方法判讀出的中子、γ數(shù)具有一致性。自組裝EJ-301探測器輸出的峰值范圍在150～430 mV的1 000個粒子事件中，約有250個中子事件；BC501A標(biāo)準(zhǔn)探測器輸出的峰值范圍在1～4.2 V的1 000個粒子事件中，有335個中子事件。兩探測器的中子數(shù)不一致是由信號的能量取值不同造成的，因為Am-Be源不同能量范圍的n、γ數(shù)之比不同，且兩探測器對信號的放大倍數(shù)(與光電倍增管的放大系數(shù)及閃爍體的光響應(yīng)有關(guān))也有差異。

從運算速度看，4種離線分析的數(shù)字化方法均能在2 s內(nèi)給出處理結(jié)果。但當(dāng)不同方法應(yīng)用在實時甄別系統(tǒng)中時，由于4種方法甄別參數(shù)的構(gòu)造不同，所占用的硬件資源量不同，實時處理速度有所不同。上升時間法、電荷比較法及脈沖梯度分析是時域上的分析方法，在基于FPGA的實時系統(tǒng)中只需計數(shù)器、環(huán)形存儲器、累加器、比較器等模塊即可完成甄別參數(shù)的獲取；頻率梯度分析需先對信號進(jìn)行傅里葉變換，占用較多的硬件資源，在相同硬件條件下，處理速度不及時域分析方法。

綜合來看，上升時間法甄別效果最好，在實時甄別的硬件電路中處理速度快，是小型化實時甄別系統(tǒng)中甄別算法的理想選擇。

對于小幅度信號(低能粒子)，由于兩探測器的靈敏度不同，數(shù)字化甄別方法能甄別出粒子的最小電子能量也不同。自組裝探測器靈敏度較低，當(dāng)探測器信號低于70 mV時，甄別方法不能區(qū)分出中子或γ，對應(yīng)的最小電子能量約為215 keV；標(biāo)準(zhǔn)探測器靈敏度高，幾種甄別方法能區(qū)分出信號幅度為120 mV以上的粒子信號，對應(yīng)的最小電子能量約為97 keV。

3 驗證實驗及分析

3.1 驗證實驗

采用Mesytec公司生產(chǎn)的MPD-4甄別單元驗證甄別方法的可靠性。MPD-4是一種基于模擬技術(shù)的四通道波形甄別單元，可配合液閃探測器進(jìn)行粒子甄別。每個通道經(jīng)探測器陽極輸入信號后可同時提供積分幅度譜(Amp)、過零時間信號(TAC，為n/γ甄別參數(shù))以及門信號(Gate)。圖5為基于甄別插件MPD-4的CAMAC微機(jī)系統(tǒng)工作原理圖。

本方案中，將Gate送入扇入/扇出單元，一分為二，一路送入定標(biāo)器A，一路送入后端邏輯單元。由于CAMAC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力有限，當(dāng)事件率太大時，會有一定的死時間，利用邏輯單元的Veto輸入(由ADC的Busy端輸出)，可使在其作用時間內(nèi)后續(xù)門信號不起作用，以避免系統(tǒng)死機(jī)。這樣，定標(biāo)器A記錄MPD-4處理的事件數(shù)，定標(biāo)器B記錄ADC多道處理的事件數(shù)，相同時間內(nèi)這兩個定標(biāo)器的數(shù)值可用來計算多道單元的死時間。

MPD-4的閾值可在0～255這256個無單位數(shù)值內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，為確定MPD-4的真實閾值(即該閾值信號輸入示波器時對應(yīng)的幅度)，在同一閾值對示波器與MPD-4采集到的波形進(jìn)行對比，采用如下方法對MPD-4的閾值進(jìn)行標(biāo)定。首先，保證采集時示波器的閾值遠(yuǎn)小于MPD-4的閾值。采用示波器與圖5所示的系統(tǒng)

分別進(jìn)行采集。對示波器采集到的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由小到大調(diào)整閾值，統(tǒng)計大于某一閾值的波形數(shù)，當(dāng)波形數(shù)等于定標(biāo)器A記錄事件的個數(shù)時，這一閾值即為MPD-4的真實閾值。在相同信號峰值范圍內(nèi)比較示波器采集事件及CAMAC系統(tǒng)采集事件的n、γ數(shù)之比(n/γ數(shù))，驗證數(shù)字化甄別方法的正確性。

探測器能量的標(biāo)定借助于22Na、60Co、137Cs 3種放射源，通過電子能量-多道道址、MPD-4閾值-起始道址、MPD-4閾值-最小峰值3個線性關(guān)系式，確定電子能量-信號峰值的對應(yīng)關(guān)系。

3.2 結(jié)果分析

表2列出了MPD-4的驗證結(jié)果，用兩種探測器分別進(jìn)行了驗證，定標(biāo)器和示波器的采集時間均為1 min，CAMAC系統(tǒng)采集時間為5 min。表中列出了MPD-4不同閾值對應(yīng)的事件最小峰值、最小電子能量、示波器采集和CAMAC采集事件的n/γ數(shù)及誤差，并利用定標(biāo)器A和定標(biāo)器B的計數(shù)計算多道的死時間，示波器采集事件的n/γ數(shù)由上升時間法給出。表2中的最后一行是BC501A探測器前擋厚度為5 cm的鉛磚，屏蔽部分γ射線本底后得到的結(jié)果。

由表2結(jié)果可知，MPD-4的每個閾值對應(yīng)一個最小峰值即最小電子能量，在同一探測器、確定閾值下，示波器采集事件的n/γ數(shù)與CAMAC系統(tǒng)采集事件的n/γ數(shù)一致，兩種方法測得的n/γ數(shù)最大誤差為4.32%，表明數(shù)字化波形甄別的結(jié)果是正確可靠的。雖然ADC多道單元有20%以上的死時間，但中子、γ是成比例舍棄的，對最終的n/γ數(shù)影響不大。同一探測器、不同閾值下的n/γ數(shù)不同，因為Am-Be源不同能量范圍的n/γ數(shù)不同；同一閾值、不同探測器下的n/γ數(shù)也不同，這與探測器對信號的響應(yīng)能力有關(guān)，同一閾值雖然對應(yīng)了同一最小峰值，但對應(yīng)粒子的最小電子能量卻不同。

圖5 基于MPD-4的CAMAC系統(tǒng)工作原理

表2 MPD-4的驗證結(jié)果

在BC501A探測器前擋5 cm厚鉛磚，由于其對γ射線的屏蔽，n/γ數(shù)由0.350 3變?yōu)?.528 5，且數(shù)字化甄別結(jié)果和MPD-4甄別結(jié)果一致。所以，兩種方法算得的Am-Be源不同能量范圍內(nèi)的n/γ數(shù)是可信的。這里要說明的是，由于本底的扣除要將中子源移開或?qū)χ凶釉催M(jìn)行足夠屏蔽，而實驗室條件是不允許的，因此，本實驗中未扣除本底。因本底大部分是γ射線，所以本工作中求得的n/γ數(shù)可能偏小。

4 結(jié)論

本文分別用上升時間法、電荷比較法、脈沖梯度分析和頻率梯度分析等4種數(shù)字化甄別方法，對EJ-301及BC501A液閃探測器獲得的Am-Be中子源波形信號進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理分析，并利用MPD-4波形甄別單元驗證了數(shù)字化方法的可靠性。研究結(jié)果表明，幾種甄別方法具有較好的一致性，且其與實驗結(jié)果在誤差范圍內(nèi)有較好的一致性。從甄別效果看，上升時間法是一種效果優(yōu)良的甄別方法，能最大化地利用中子、γ信號形狀的差異進(jìn)行甄別，且該方法運算簡單，是基于FPGA的小型化實時甄別系統(tǒng)甄別算法的理想選擇。另外3種方法的有效性依次為：電荷比較法、頻率梯度分析與脈沖梯度分析。

感謝中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所阮錫超研究員對數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及測量方法提供的有益指導(dǎo)以及西北核技術(shù)研究所苗亮亮為使用Am-Be中子源提供的便利。

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