基于數字化脈沖處理器的α/β射線甄別方法研究

段再煜，李薦民，胡 銳，肖 明

(1.清華大學 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)

表面污染檢測設備是輻射防護常用檢測設備之一，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境和人員的安全。表面污染檢測設備多采用ZnS(Ag)和塑料閃爍體組成復合探測器對α/β射線進行同時測量，根據α/β射線的不同特性實現對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，通過設置幅度甄別器的閾值對兩種射線進行甄別[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域[7]，因此脈沖幅度甄別法會出現明顯的串道現象，且信號幅值依賴于整個系統的增益，因此增益對粒子的甄別效果的穩定性影響較大。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束位置判定影響較大，造成脈沖的寬度測量不準確，也會影響粒子的甄別效果。

隨著數字化甄別技術的發展，數字化甄別方法[8-10]逐漸成為粒子甄別方法的首選。數字化甄別技術一般將算法集成在FPGA中，探測器輸出信號經過FPGA數字化處理，根據信號的不同特征(幅度、波形等)甄別出不同粒子。數字化粒子甄別方法與傳統的甄別方法相比具有實時化、小型化、穩定性高等優點，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合探測器[11]，設計基于數字化脈沖處理器的α/β射線甄別方法。

1 理論

圖1為基于數字化脈沖處理器的α/β射線甄別方法的設計框圖。α/β射線被復合探測器探測后，光電倍增管輸出電流脈沖信號經RC反饋型電荷靈敏放大器轉換形成雙指數電壓信號。再通過ADC進行采樣形成離散脈沖信號進入FPGA進行處理。FPGA采用電流波形恢復器消除RC反饋型電荷靈敏放大器形成的長指數衰減信號，再用兩路數字化方形濾波器并行處理。根據ZnS(Ag)、塑料閃爍體的發光衰減時間設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。比值比較器根據設定的比值區間產生α、β計數器自增使能信號，待接收到自增使能信號后，完成計數任務。

圖1 基于數字化脈沖處理器的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射線被復合探測器探測后，光電倍增管輸出指數衰減的電流脈沖信號It：

(1)

其中：τ0為閃爍體發光衰減時間，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RC反饋型電荷靈敏放大器轉換后形成雙指數電壓信號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為閃爍體發光衰減時間，且滿足τRC?τ0；A為信號幅值。

信號Vt通過ADC進行數字化形成離散脈沖信號進入FPGA進行數字化處理，其中ADC的采樣速率是60 MHz。FPGA內部包含電流波形恢復器、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τRC)，恢復到只包含以閃爍體發光衰減時間為參數的波形，便于后級處理。信號Vt經過電流恢復濾波器后得到響應函數Qt，設它的傳輸函數為ht。

信號Vt的頻域表達式如式(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)的頻域表達式如下：

Qjω=VjωHjω

(7)

將式(3)和式(5)代入式(7)可導出式(8)。

(8)

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

Hjω=1+jωτRC

(9)

傳輸函數的連續時域表達式如下：

(10)

式(10)離散表達式如下：

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

(11)

由式(11)構造出數字電流波形恢復器，如圖2所示。

圖2 數字電流波形恢復器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構建數字方波濾波器。

圖3 數字方形濾波器Fig.3 Digital box filter

信號Qt通過方形濾波器后得到的響應函數為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ZnS(Ag)、塑料閃爍體的發光衰減時間設置。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(后文稱窄方形濾波器)，根據式(14)中得出的結論可推導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光衰減時間有關，與信號幅度A′、模擬電路成形時間τRC無關。

設寬方形濾波器寬度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進行統計，形成以R為橫軸、計數為縱軸的比值統計圖。比值統計圖中，α/β射線在各自的比值區間呈高斯分布，由此可甄別兩種粒子。計算高斯分布的總面積得出對應粒子的總計數。

2 實驗

實驗系統如圖4所示。數字化甄別電路采用模擬電路+FPGA的架構。模擬電路對α/β復合探測器輸出的電流脈沖進行預處理，達到數字化處理的要求。FPGA對脈沖信號進行處理，完成α/β甄別和計數工作。用241Am(α標準源)和90Sr-90Y(β標準源)、帶測試軟件的上位機對本甄別方法進行實驗。

圖4 基于數字化脈沖幅度處理器的甄別電路系統框圖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，測量結果如圖5所示。圖5a為本底測量結果，α、β的本底計數率分別為0.05、11 s-1。圖5b、c分別為α和β放射源的測量結果，圖5d為α/β射線同時測量結果。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射線比值統計圖Fig.5 Statistical graph of ratio of α and β rays

采用α標準源和β標準源分別對串道比和探測效率進行測量，α標準源和β標準源的發射率分別為4 610、3 700 2π·s-1。測試結果列于表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備中對探測效率的要求。

表1 α標準源實驗測試數據Table 1 Experimental test data of α standard source

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

表2 β標準源實驗測試數據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。總體來說，品質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因子的影響Fig.6 Effect of narrow box filter width on peak and quality factor

復合探測器與多道脈沖幅度分析器連接，分別測量α、β放射源的響應能譜，測試結果如圖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射線區域。若采用幅度法對兩種射線進行甄別，幅度甄別閾值設為200時，α對β的串道比為23%，遠大于本文提出的方法。

圖7 復合探測器能譜測量Fig.7 Spectrum measurement of composite detector

3 結論

基于數字化脈沖處理器的α/β射線甄別是通過FPGA內部構建電流恢復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射線在比值統計圖中的不同區間呈高斯分布，實現對α/β射線的甄別。實驗表明該方法能較好甄別α、β粒子，且在合適參數下該甄別方法的品質因子為3.52，具有較好的甄別效果。該甄別方法的參數僅與閃爍體的發光衰減時間和方形濾波器的寬度有關，閃爍體的發光衰減時間比較固定，方形濾波器由數字技術實現參數固定。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的影響，且對系統增益變化不敏感，便于采用數字技術實現，有利于提高甄別效果的穩定性，便于調試生產。