n-γ核信號的matlab仿真及其數字波形甄別方法研究

曹真偉,顏擁軍,付德順,王慶震,易凌帆

(南華大學核科學技術學院,湖南 衡陽421001)

n-γ核信號的matlab仿真及其數字波形甄別方法研究

曹真偉,顏擁軍,付德順,王慶震,易凌帆

(南華大學核科學技術學院,湖南 衡陽421001)

由于中子射線中常常混有γ射線,所以在探測器探測到中子信號的同時也可能會探測到γ信號,而對不同的核信號進行區分具有重大意義。本文利用matlab軟件開展了中子和γ粒子數字化核信號波形仿真研究,并利用幾種核脈沖波形甄別方法對仿真波形進行甄別,最后對不同方法的甄別效果展開了分析討論。結果表明,電荷比較法、上升時間法和脈沖梯度分析法都是穩定的甄別方法,可有效實現n-γ甄別,其中電荷比較法的甄別效果相對較好。

matlab;數字核信號;仿真;波形甄別

基于模擬電路的核脈沖波形甄別發展至今已比較成熟,常用的方法有電荷比較法、上升時間法等等[1-2]。其中,電荷比較法是一種較為經典的方法,常常用于n-γ、α-β(γ)甄別等;上升時間法通過對信號進行積分起到了平滑處理信號的作用,可以得到一定的甄別效果。然而隨著技術要求的提高,模擬電子電路過于復雜,處理能力有限和不穩定性等弊端越發地明顯,這正好促進了數字化核脈沖波形甄別的發展,特別是在以高速模數轉換器(ADC)為代表的數字器件得到廣泛應用之后,數字核脈沖波形甄別的研究取得了較大進步[3]。

中子射線中往往混有γ射線,這兩類射線射入閃爍體時會產生大量的次級帶電粒子,中子和γ粒子的質量阻止本領不同,從而能量沉積密度也就不同,于是中子和γ粒子的從光電倍增管中出來的電流信號脈沖在形狀上就會有差異,這就是n-γ波形甄別的依據。

本研究根據核脈沖信號的特征,利用matlab軟件編寫了n-γ數字核脈沖波形數值仿真程序,并將仿真的核脈沖分別用電荷比較法、上升時間法和脈沖梯度分析法進行波形甄別,最后比較了這三種方法的甄別效果。

1 核信號的特征和仿真

1.1 核信號數學模型

閃爍體探測器探測效率高,對射線靈敏,時間分辨好,環境適應性強,有著良好的n-γ分辨能力。在有機閃爍體中,中子和γ粒子激發的熒光脈沖含有快、慢兩種成分。實驗證明,有機閃爍體內中子和γ粒子所產生的熒光脈沖可表示為:

其中:τf——快成分的衰減時間;

τs——慢成分的衰減時間;

If——快成分強度;

Is——慢成分強度。

往往τs比τf大一個量級,而If和Is的相對大小與入射粒子類型有關,一般而言,由中子引起的次級帶電粒子能量沉積密度較γ粒子的大,這就使得在退激發光過程中,中子的Is不小于If,而γ粒子的情況則相反[4]。因此,中子與γ粒子在閃爍體中產生的熒光脈沖的形狀就存在差異,如圖1所示。

當光電倍增管工作在線性范圍時,從它的

圖1 中子與γ粒子對應的熒光脈沖形狀Fig.1 The Fluorescence Pulse of Neutron and Gamma Particle

最后一級倍增極引出的電流脈沖形狀應當反映閃爍體發射的光脈沖形狀,近似為[4]:

式中:if——電流脈沖中與熒光脈沖相對應的

快成分最大值;

is——電流脈沖中與熒光脈沖相對應的

慢成分最大值。

本研究以(2)式作為仿真核信號數學模型。

1.2 核信號統計特性

(1)脈沖時間間隔E(t)滿足指數分布規律:

其中:C——脈沖的平均計數率。

在本研究對仿真核脈沖信號的甄別處理中,由于脈沖時間間隔對不會影響到甄別效果,故為簡化程序,仿真核脈沖以固定時間間隔出現。

(2)脈沖幅度分布H(A)滿足正態分布:

式中:A——平均幅度;

σA——幅度標準差,與探測器固有能量分辨率Rd有如下關系:

其中:E0——能譜峰中心值;

FWHM ——峰半高寬。

(3)脈沖白噪聲分布h(a)滿足正態分布規律:

式中:a——噪聲平均幅度;

σa——噪聲幅度標準差。

1.3 核脈沖信號仿真

本研究的數字核脈沖信號仿真,為了對比電荷比較法、上升時間法和脈沖梯度分析法的n-γ甄別性能,設置n、γ核脈沖信號的幅度均值、幅度標準偏差、噪聲標準偏差相同,而其他波形參數見表1[5],仿真出的一組幅度不等的濾波之前和濾波之后的n、γ波形圖例如圖2、圖3所示,仿真程序流程見圖4。

圖2 濾波前n-γ仿真波形Fig.2 n-γSimulation Pulse Shape before Filtering

圖3 濾波后n-γ仿真波形Fig.3 n-γSimulation Pulse Shapeafter Filtering

表1 中子射線和γ射線部分波形參數Table 1 Partial Parameter of Neutron and GammaPulse Shape

2 數字波形甄別方法

2.1 電荷比較法

通過上述可知,光電倍增管出來的電流脈沖也包含快慢成分,那么在閃爍體探測器等效

圖4 仿真程序流程圖Fig.4 Simulation Program Flow Chart

輸出回路的電容上積累的電荷也由快、慢成分組成:

其中:Q f——電荷的快成分;

Qs——電荷的慢成分。

由于中子和γ粒子所產生的核脈沖波形不同,就導致了中子和γ粒子的Q f/Q、Qs/Q、Q s/Q f等比值有較大差異。因此可以通過比較不同帶電粒子的這些比值中的任何一個值來鑒別粒子。

本研究選擇比值Q f/Q來作為中子和γ粒子的甄別依據,對于快成分電荷,采用從電流波形的起始到波形下降至峰值的25%處這一段波形的積分作為快成分電荷Q f;總電荷積分Q則采用全電流波形積分。

具體的程序原理:在matlab中建立一個單元型變量,將濾波后的各個波形作為該單元型變量的各個元素存儲在該單元型變量中,再對每一個波形進行尋峰,求出對應的峰值時刻和峰值大小,再根據峰值求出波形下降至峰值25%時的對應時刻,將此時刻設為t1,波形起始時刻作為t0,波形基本衰減完全的對應時刻為t2。t0－t1時間對應的電流脈沖積分作為波形的快成分積分Q f,而t0－t2時間對應的電流脈沖積分作為波形的總積分Q,選擇比值Q f/Q作為中子和γ粒子的電荷比較法波形甄別因子。

波形甄別效果的好壞往往用品質因子FOM來衡量:

式中 Δt——甄別譜上γ粒子峰位和中子峰位之間的距離;

FWHMn——甄別譜上中子峰的半高寬;

FWHMγ——甄別譜上γ粒子峰的半高寬。

FOM值越大,則甄別效果越好。

本次仿真分別產生中子波形和γ粒子波形各2 500個,運行程序所得到的仿真波形的甄別因子Q f/Q散點圖如圖5所示,其中橫軸為仿真波形的序號,縱軸為Q f/Q數值,甄別譜如圖6所示,得到甄別品質因子FOM＝1.35。

圖5 電荷比較法甄別因子散點圖Fig.5 Scatter Chart of Discrimination Factor for Charge Comparison Method

圖6 電荷比較法甄別譜Fig.6 Discrimination Spectrum of Charge Comparison Method

2.2 上升時間法

圖1 所示的核信號波形是有個先上升后下降,最后下降衰減至零的過程。這就意味著如果對這個波形求積分,那么其積分值F(t)最后應該會接近一個常值,設為F。設常數a、b滿足:a＜b,且a∈[0,1],b∈[0,1],在積分值增加至F的過程中存在一小一大的兩個不同時刻T a、T b,在這兩個時刻時分別有F(T a)＝aF,F(T b)＝bF,定義ΔT＝T b－T a為上升時間。

分別對中子和γ粒子的核信號波形進行積分。對于中子核信號積分,設a F n增加至b F n所對應的時間ΔTn為其上升時間;對于γ粒子核信號積分,再設a Fγ增加至b Fγ所對應的時間ΔTγ為其上升時間,由于γ粒子核信號衰減較中子核信號快,所以ΔTγ要比ΔTn小[6]。

在仿真中取a＝0.15,b＝0.85,分別仿真中子和γ粒子核信號各2 500個,上升時間散點圖和甄別譜分別如圖7、8所示,得到甄別品質因子FOM＝1.20。

圖7 上升時間法甄別因子散點圖Fig.7 Scatter Chart of Discrimination Factor for Risetime Method

圖8 上升時間法甄別譜Fig.8 Discrimination Spectrum of Risetime Method

2.3 脈沖梯度分析法

脈沖梯度分析法又稱為PGA(Pulse Gradient Analysis)方法,是隨著數字技術的發展而開發出的一種數字波形甄別方法[6]。其原理在于:中子核信號比γ粒子核信號衰減得更慢,這也表明中子核信號下降部分的梯度比γ粒子核信號的更小,通過不同核脈沖梯度的差異便可實現波形甄別[7]。

在仿真中,設脈沖梯度估計值:

其中:yp——脈沖峰值;

ys——另一個采樣點的幅值,在波形下降沿中選取;

ΔT——兩個采樣點的時間間隔。

分別仿真中子和γ粒子核信號各2 500個,ys在峰值大小15%的對應點上取,G值散點圖和甄別譜分別如圖9、10所示,得到甄別品質因子FOM＝0.99。

圖9 脈沖梯度分析法散點圖Fig.9 Scatter Chart of PGA Method

圖10 脈沖梯度分析法甄別譜Fig.10 Discrimination Spectrum of PGA Method

2.4 三種方法的甄別效果對比

先后分別仿真中子和γ波形目各1 500個、2 000個、2 500個,求出這些波形目分別在上述三種方法下的甄別品質因子,如圖11所示。

圖11 三種方法甄別效果比較圖Fig.11 Dicrimination Effect Comparison Chart of the Three Different Methods

由圖11可以看出,隨著仿真波形數目的增多,各個方法的FOM值近似線性地增大,但增幅很小,并沒有因為波形的增多而產生較為劇烈的波動,說明在其他條件不變的情況下,仿真波形的數目不會對三種甄別方法的效果產生較大影響,這些方法都較為穩定。在甄別效果上電荷比較法較好,上升時間法次之,脈沖梯度分析法較差,這是因為脈沖梯度分析法在原理上只利用了核信號波形中的兩個有效的采樣點,對完整的波形的利用率不高,而電荷比較法比起另外兩種方法更多地利用了全部脈沖所包含的信息,因此FOM更高,這一結論是與相關文獻[9]的結論相似的。

3 結論

本研究基于matlab軟件先根據核信號波形的統計特性進行了閃爍體探測器的n-γ核脈沖信號波形仿真,再利用電荷比較法、上升時間法和脈沖梯度分析法對仿真信號開展甄別研究。這三種波形甄別方法看似不同,但實際上都是尋找一個能將不同粒子的核信號在波形衰減上的差異表征出來的量作為甄別依據進行粒子鑒別。三種甄別方法的結果表示,三種方法都是穩定的甄別方法,可有效實現n-γ甄別,其中電荷比較法由于更多地利用了波形信號而得到相對較好的甄別效果。

[1] Brooks.Nucl.Instr.and Method,1959,4:151．

[2] Roush M L,Wilson M A,Hornyak W F．Nucl．Instr．and Method,1964,31:112．

[3] Simoes J．Basilio,Correia Carlos M.B.A,Pulse processing architectures,Nucl．Instr．and Method 1972,99:525-539．

[4] 凌球,郭蘭英.核輻射探測[M]．北京:原子能出版社,2002．

[5] 左廣霞,何彬,等．n-γ脈沖信號的仿真及其波形甄別技術研究[J]．核技術,2012,35(5):365-368．

[6] Mellow B D,et a1.Digital discrimination of neutrons and γ-rays in liquid scintillators using pulse gradient analysis[J]．Nuclear Instruments and Methods A,2007,578(1):191-197．

[7] S.D.Jastaniah,P.J.Sellin.Digital techniques for n/γ pulse shape discrimination and capture-gated neutron spectroscopy using liquid scintillators[J]．NIM A,2004,517:202-210．

[8] 陳小輝.基于氘化液閃探測器的數字化γ射線探測研究[D]．綿陽:中國工程物理研究院,2013:15-16．

[9] 黃林.基于數字化技術的芪晶體探測器脈沖形狀甄別方法研究[J]．核電子學與探測技術,2012,32(9):993-997．

The Research on Matlab Simulation and Digital Pulse Shape Discrimination for n-γNuclear Signal

CAO Zhen-wei,YAN Yong-jun,FU De-shun,WANG Qing-zhen,YI Ling-fan
(University of South China,Hengyang of Hunan Prov.421001,China)

Neutron radiation usually mingle withγradiation,as a result of it,the neutron signal of radiation detector usually mixγsignal．It is significant to discriminate different nuclear signal．In this study,we use matlab to simulate n-γnuclear pulse shape digital signal and to discriminate them by pulse shape discrimination methods,then,we discuss the discrimination effect of different method．The result shows that charge comparison method,rising time method and pulse gradient analysis are all stable and reliable for n-γdiscrimination,and charge comparison method is relatively better．

Matlab;Digital Nuclear Signal;Simulation;Pulse Shape Discrinimation

TL812

A

0258-0918(2016)01-0293-06

2015-07-27

湖南省研究生科研創新項目(2015SCX23)

曹真偉(1989—),男,湖南郴州人,南華大學核科學技術學院碩士研究生,研究方向為核測控

顏擁軍:yan_jason＠163．com