段再煜，李薦民，胡 銳，肖 明

(1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.92609部隊，北京 100077； 3.中廣核久源(成都)科技有限公司，四川 成都 610200)

表面污染檢測設(shè)備是輻射防護(hù)常用檢測設(shè)備之一，主要用于檢測放射性場所及人員是否受到污染，以保證放射性工作環(huán)境和人員的安全。表面污染檢測設(shè)備多采用ZnS(Ag)和塑料閃爍體組成復(fù)合探測器對α/β射線進(jìn)行同時測量，根據(jù)α/β射線的不同特性實現(xiàn)對α/β射線的甄別。目前主要的甄別方法有脈沖幅度甄別法和脈沖寬度甄別法。幅度法原理：α射線相對于β射線的信號幅度較大，通過設(shè)置幅度甄別器的閾值對兩種射線進(jìn)行甄別[1-3]。脈沖寬度甄別法原理：信號成形后，α射線相對于β射線的脈沖寬度較寬，通過對脈沖寬度的測量，可對兩種粒子進(jìn)行甄別[4-6]。由于α、β射線的信號在幅度上有較大的重疊區(qū)域[7]，因此脈沖幅度甄別法會出現(xiàn)明顯的串道現(xiàn)象，且信號幅值依賴于整個系統(tǒng)的增益，因此增益對粒子的甄別效果的穩(wěn)定性影響較大。脈沖寬度甄別法中脈沖幅度和基線噪聲對脈沖的開始和結(jié)束位置判定影響較大，造成脈沖的寬度測量不準(zhǔn)確，也會影響粒子的甄別效果。

隨著數(shù)字化甄別技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化甄別方法[8-10]逐漸成為粒子甄別方法的首選。數(shù)字化甄別技術(shù)一般將算法集成在FPGA中，探測器輸出信號經(jīng)過FPGA數(shù)字化處理，根據(jù)信號的不同特征(幅度、波形等)甄別出不同粒子。數(shù)字化粒子甄別方法與傳統(tǒng)的甄別方法相比具有實時化、小型化、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，能對不同粒子快速做出甄別。本文針對ZnS(Ag)和塑料閃爍體組成的復(fù)合探測器[11]，設(shè)計基于數(shù)字化脈沖處理器的α/β射線甄別方法。

1 理論

圖1為基于數(shù)字化脈沖處理器的α/β射線甄別方法的設(shè)計框圖。α/β射線被復(fù)合探測器探測后，光電倍增管輸出電流脈沖信號經(jīng)RC反饋型電荷靈敏放大器轉(zhuǎn)換形成雙指數(shù)電壓信號。再通過ADC進(jìn)行采樣形成離散脈沖信號進(jìn)入FPGA進(jìn)行處理。FPGA采用電流波形恢復(fù)器消除RC反饋型電荷靈敏放大器形成的長指數(shù)衰減信號，再用兩路數(shù)字化方形濾波器并行處理。根據(jù)ZnS(Ag)、塑料閃爍體的發(fā)光衰減時間設(shè)置方形濾波器的寬度。峰值保持器自動鎖存方形濾波器輸出信號的峰值。比值計算器計算出峰值保持器P1和P2的比值R。比值比較器根據(jù)設(shè)定的比值區(qū)間產(chǎn)生α、β計數(shù)器自增使能信號，待接收到自增使能信號后，完成計數(shù)任務(wù)。

圖1 基于數(shù)字化脈沖處理器的α/β射線甄別方法框圖Fig.1 Block diagram of α/β ray discrimination method based on digital pulse processor

α/β射線被復(fù)合探測器探測后，光電倍增管輸出指數(shù)衰減的電流脈沖信號It：

(1)

其中：τ0為閃爍體發(fā)光衰減時間，其中ZnS(Ag)閃爍體為200 ns左右，塑料閃爍體為幾十ns；I0為電流脈沖最大值。

信號It經(jīng)RC反饋型電荷靈敏放大器轉(zhuǎn)換后形成雙指數(shù)電壓信號V(t)，同時降低信號帶寬，便于后級電路處理。

(2)

其中：τRC為RC反饋型電荷靈敏放大器的成形時間；τ0為閃爍體發(fā)光衰減時間，且滿足τRC?τ0；A為信號幅值。

信號Vt通過ADC進(jìn)行數(shù)字化形成離散脈沖信號進(jìn)入FPGA進(jìn)行數(shù)字化處理，其中ADC的采樣速率是60 MHz。FPGA內(nèi)部包含電流波形恢復(fù)器、方形濾波器、峰值保持器、比值計算器和比值比較器等。

電流波形恢復(fù)器的作用是消除信號Vt中電荷靈敏放大器的成形部分(參數(shù)τRC)，恢復(fù)到只包含以閃爍體發(fā)光衰減時間為參數(shù)的波形，便于后級處理。信號Vt經(jīng)過電流恢復(fù)濾波器后得到響應(yīng)函數(shù)Qt，設(shè)它的傳輸函數(shù)為ht。

信號Vt的頻域表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

信號Qt與信號It波形相同，時域和頻域表達(dá)式分別為式(4)、(5)。

(4)

(5)

信號Qt、Vt滿足如下卷積式。

Qt=Vt*ht

(6)

式(6)的頻域表達(dá)式如下：

Qjω=VjωHjω

(7)

將式(3)和式(5)代入式(7)可導(dǎo)出式(8)。

(8)

系數(shù)K中包含式(8)中所有常數(shù)因子，系數(shù)K歸一化到信號Vt的系數(shù)A′中，傳輸函數(shù)h(t)的頻域方程可簡化為式(9)。

Hjω=1+jωτRC

(9)

傳輸函數(shù)的連續(xù)時域表達(dá)式如下：

(10)

式(10)離散表達(dá)式如下：

Q[n]=V[n]+M(V[n]-V[n-1])

(11)

由式(11)構(gòu)造出數(shù)字電流波形恢復(fù)器，如圖2所示。

圖2 數(shù)字電流波形恢復(fù)器Fig.2 Digital current waveform restorer

方形濾波器用式(12)表示。

(12)

T為方形濾波器寬度。用圖3構(gòu)建數(shù)字方波濾波器。

圖3 數(shù)字方形濾波器Fig.3 Digital box filter

信號Qt通過方形濾波器后得到的響應(yīng)函數(shù)為pt，可用式(13)、(14)描述。

(13)

(14)

采用兩個方形濾波器并行處理信號Qt，兩個方形濾波器的寬度不一樣。濾波器的寬度可根據(jù)ZnS(Ag)、塑料閃爍體的發(fā)光衰減時間設(shè)置。一個方形濾波器寬度T1?τ0(后文稱寬方形濾波器)，另一個方形濾波器寬度T2與τ0相當(dāng)(后文稱窄方形濾波器)，根據(jù)式(14)中得出的結(jié)論可推導(dǎo)出兩個濾波器輸出信號的比值R為：

(15)

由式(15)可知，兩個方形濾波器的輸出信號的比值，僅與窄方波濾波器的寬度和閃爍體發(fā)光衰減時間有關(guān)，與信號幅度A′、模擬電路成形時間τRC無關(guān)。

設(shè)寬方形濾波器寬度T1為4 μs，窄方形濾波器寬度T2為0.2 μs。塑料閃爍體僅對β射線靈敏，β射線被探測后形成的電流脈沖衰減時間僅為幾十ns。由于兩個方形濾波器的寬度遠(yuǎn)大于幾十ns，所以R接近于1。ZnS(Ag)閃爍體僅對α射線靈敏，α射線被探測后形成的電流脈沖衰減時間為0.2 μs，得出R約1.5。對R進(jìn)行統(tǒng)計，形成以R為橫軸、計數(shù)為縱軸的比值統(tǒng)計圖。比值統(tǒng)計圖中，α/β射線在各自的比值區(qū)間呈高斯分布，由此可甄別兩種粒子。計算高斯分布的總面積得出對應(yīng)粒子的總計數(shù)。

2 實驗

實驗系統(tǒng)如圖4所示。數(shù)字化甄別電路采用模擬電路+FPGA的架構(gòu)。模擬電路對α/β復(fù)合探測器輸出的電流脈沖進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到數(shù)字化處理的要求。FPGA對脈沖信號進(jìn)行處理，完成α/β甄別和計數(shù)工作。用241Am(α標(biāo)準(zhǔn)源)和90Sr-90Y(β標(biāo)準(zhǔn)源)、帶測試軟件的上位機(jī)對本甄別方法進(jìn)行實驗。

圖4 基于數(shù)字化脈沖幅度處理器的甄別電路系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of discrimination circuit system based on digital pulse processor

測量高壓選擇950 V，增益選擇100，觸發(fā)閾值選擇45 mV，窄方形濾波器寬度為230 ns，測量時間為300 s，測量結(jié)果如圖5所示。圖5a為本底測量結(jié)果，α、β的本底計數(shù)率分別為0.05、11 s-1。圖5b、c分別為α和β放射源的測量結(jié)果，圖5d為α/β射線同時測量結(jié)果。從圖5可知，α射線的高斯分布中心位置為R等于2.3左右，β射線為R等于1左右，符合該甄別理論。

圖5 α、β射線比值統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical graph of ratio of α and β rays

采用α標(biāo)準(zhǔn)源和β標(biāo)準(zhǔn)源分別對串道比和探測效率進(jìn)行測量，α標(biāo)準(zhǔn)源和β標(biāo)準(zhǔn)源的發(fā)射率分別為4 610、3 700 2π·s-1。測試結(jié)果列于表1、2。

從表1、2可知，α射線對β射線的串道比和β射線對α射線的串道比均小于0.5%。α射線和β射線的探測效率分別為57.7%和37%，滿足表面污染檢測設(shè)備中對探測效率的要求。

表1 α標(biāo)準(zhǔn)源實驗測試數(shù)據(jù)Table 1 Experimental test data of α standard source

信號甄別效果可用品質(zhì)因子來評價。品質(zhì)因子越大，甄別效果越好。圖6為比值統(tǒng)計圖中比值峰位(簡稱峰位)和品質(zhì)因子隨窄方形濾波器的寬度變化的曲線。

表2 β標(biāo)準(zhǔn)源實驗測試數(shù)據(jù)Table 2 Experimental test data of β standard source

從圖6可知，窄方形濾波器寬度的改變會改變α/β射線的峰位。隨著寬度的增大，α射線的峰位逐漸左移，β射線的峰位基本在R等于1處附近，兩個峰位逐漸重合。當(dāng)寬度增大到2 500 ns后，兩個峰位完全重疊，無法對射線做出有效甄別?？傮w來說，品質(zhì)因子隨窄方形濾波器寬度的增大而減小，但窄方形濾波器的寬度為400～500 ns之間存在大值，該值表示甄別效果最好。

圖6 窄方形濾波器寬度對峰位和品質(zhì)因子的影響Fig.6 Effect of narrow box filter width on peak and quality factor

復(fù)合探測器與多道脈沖幅度分析器連接，分別測量α、β放射源的響應(yīng)能譜，測試結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，α射線在能譜中分布很寬，幾乎覆蓋所有的β射線區(qū)域。若采用幅度法對兩種射線進(jìn)行甄別，幅度甄別閾值設(shè)為200時，α對β的串道比為23%，遠(yuǎn)大于本文提出的方法。

圖7 復(fù)合探測器能譜測量Fig.7 Spectrum measurement of composite detector

3 結(jié)論

基于數(shù)字化脈沖處理器的α/β射線甄別是通過FPGA內(nèi)部構(gòu)建電流恢復(fù)器和兩路方形濾波器，比值計算器計算兩路方形濾波器輸出峰值的比值，α/β射線在比值統(tǒng)計圖中的不同區(qū)間呈高斯分布，實現(xiàn)對α/β射線的甄別。實驗表明該方法能較好甄別α、β粒子，且在合適參數(shù)下該甄別方法的品質(zhì)因子為3.52，具有較好的甄別效果。該甄別方法的參數(shù)僅與閃爍體的發(fā)光衰減時間和方形濾波器的寬度有關(guān)，閃爍體的發(fā)光衰減時間比較固定，方形濾波器由數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)參數(shù)固定。因此該甄別方法可極大降低信號幅度的影響和模擬器件參數(shù)的影響，且對系統(tǒng)增益變化不敏感，便于采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)，有利于提高甄別效果的穩(wěn)定性，便于調(diào)試生產(chǎn)。