數(shù)字核譜儀系統(tǒng)中脈沖堆積識(shí)別方法的研究

張懷強(qiáng)， 吳和喜， 湯 彬， 張雄杰

(1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013;2.東華理工大學(xué)核工程與地球物理學(xué)院，江西撫州 344000)

數(shù)字核譜儀系統(tǒng)中脈沖堆積識(shí)別方法的研究

張懷強(qiáng)1，2， 吳和喜2， 湯 彬1，2， 張雄杰1

(1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013;2.東華理工大學(xué)核工程與地球物理學(xué)院，江西撫州 344000)

數(shù)字核譜儀系統(tǒng)中的脈沖堆積直接影響到信號(hào)幅度的有效提取，進(jìn)而影響到核譜儀的能量分辨率。為了減小脈沖堆積對(duì)核譜儀能量分辨率的影響，引入時(shí)間比較脈沖堆積識(shí)別方法，對(duì)識(shí)別到的堆積脈沖直接丟棄處理，將降低數(shù)字信號(hào)處理時(shí)間，同時(shí)可減小脈沖堆積對(duì)能量分辨率的影響，對(duì)計(jì)數(shù)率的影響可以通過簡(jiǎn)單的校正方法來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)率的補(bǔ)償。采用上述方法對(duì)實(shí)際的核脈沖堆積信號(hào)進(jìn)行了處理，然后對(duì)其進(jìn)行了計(jì)數(shù)率校正，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

數(shù)字核譜儀;脈沖堆積;識(shí)別方法;計(jì)數(shù)率校正

張懷強(qiáng)，吳和喜，湯彬，等.2012.數(shù)字核譜儀系統(tǒng)中脈沖堆積識(shí)別方法的研究［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，35(3)：281-284.

Zhang Huai-qiang，Wu He-xi，Tang Bin，et al.2012.Methods of pulse pile-up identification in digital nuclear spectrometer system［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：281-284.

核事件的發(fā)生具有隨機(jī)性，無論何種計(jì)數(shù)率，都可能在短時(shí)間內(nèi)相繼發(fā)生多次核事件(Wilkinson，1990)。由于探測(cè)器輸出的核脈沖具有一定的寬度與較長(zhǎng)的下降沿，從而導(dǎo)致脈沖之間相互重疊，形成脈沖堆積，影響到脈沖信號(hào)幅度的有效提取，進(jìn)而影響到核譜儀的能量分辨率(Grzywacz，2003)。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者采用傳統(tǒng)核譜儀模擬電路的方式實(shí)現(xiàn)脈沖堆積判棄功能。如弟宇鳴等(2008)采用曲線擬合的方式對(duì)脈沖堆積進(jìn)行識(shí)別，該方法計(jì)算復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng);陳世國(guó)等(2006)對(duì)高斯成形后的脈沖堆積進(jìn)行識(shí)別與校正，該方法只針對(duì)高斯成形，通用性不強(qiáng)。因此，筆者提出一種簡(jiǎn)單的時(shí)間比較脈沖堆積識(shí)別方法，可以直接對(duì)識(shí)別到的堆積脈沖進(jìn)行丟棄處理而勿需堆積校正，這樣可以降低數(shù)字信號(hào)處理時(shí)間，又減小脈沖堆積對(duì)能量分辨率的影響，還可以通過簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)率校正方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)率影響的補(bǔ)償。

1 數(shù)字核信號(hào)處理結(jié)構(gòu)

數(shù)字核譜儀系統(tǒng)是以高速ADC為核心，對(duì)探測(cè)器輸出的信號(hào)勿需太多的調(diào)理，直接通過高速、高分辨率的ADC對(duì)前端輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣，然后通過后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理器(FPGA或DSP器件)實(shí)現(xiàn)濾波成形、堆積判棄、基線恢復(fù)、幅度提取以及計(jì)數(shù)率校正等功能(圖1)。

對(duì)ADC采集到的數(shù)字核信號(hào)還需進(jìn)行濾波成形處理。濾波成形包括一個(gè)快濾波成形通道與慢濾波成形通道，快濾波成形獲得脈沖之間的時(shí)間間隔，用于堆積識(shí)別，同時(shí)得到快通道計(jì)數(shù)率用于計(jì)數(shù)率校正。慢濾波成形通道與快濾波成形通道相比，具有更長(zhǎng)的濾波成形時(shí)間，主要實(shí)現(xiàn)幅度提取與基線估計(jì)，數(shù)字核信號(hào)的濾波成形、基線恢復(fù)、幅度提取等內(nèi)容見相關(guān)文獻(xiàn)(Simoes et al.，1995)

2 時(shí)間比較脈沖堆積識(shí)別方法

以梯形濾波成形后的脈沖堆積識(shí)別為例，該方法比較脈沖時(shí)間間隔(tI)與梯形成形上升沿時(shí)間(ta)和平頂寬度(D)之和(tb)的大小，當(dāng)tI≥tb時(shí)，兩個(gè)脈沖是可分的，即不存在脈沖堆積，當(dāng)tI＜tb時(shí)，兩個(gè)脈沖不可分，則發(fā)生脈沖堆積(陳亮，2009)。在梯形成形的上升沿時(shí)間+平頂寬度為4 μs時(shí)，不同脈沖時(shí)間間隔的脈沖堆積情況分為:不堆積、部分堆積與完全堆積(圖2，3，4)。

在脈沖間隔時(shí)間一定的情況下，減小梯形成形的上升沿時(shí)間與平頂?shù)膶挾?，降低脈沖堆積的概率。比如當(dāng)梯形成形的上升沿時(shí)間+平頂寬度為2 μs，脈沖不會(huì)發(fā)生堆積(圖4c)。

圖2，3，4c都可以對(duì)脈沖幅度進(jìn)行有效的提取(梯形的平頂未重疊)，不存在脈沖堆積與幅度校正的問題;圖4b不能對(duì)脈沖幅度進(jìn)行有效的提取，發(fā)生脈沖堆積。

發(fā)生堆積的脈沖無法正確地提取出信號(hào)的幅度信息，且由于校正方法復(fù)雜，加之?dāng)?shù)字信號(hào)處理器需要實(shí)現(xiàn)濾波成形、幅度提取、堆積識(shí)別、基線估計(jì)等功能，故而可直接丟棄堆積的脈沖，造成的計(jì)數(shù)率損失由計(jì)數(shù)率校正方法進(jìn)行補(bǔ)償。

3 計(jì)數(shù)率校正

由于系統(tǒng)中存在著死時(shí)間以及堆積拒絕的原因(余西垂等，2009)，存在一定的計(jì)數(shù)率損失，為了準(zhǔn)確得到能譜的計(jì)數(shù)信息，需要對(duì)計(jì)數(shù)率進(jìn)行校正。以梯形濾波成形為例，設(shè)其快濾波成形通道內(nèi)所測(cè)脈沖的計(jì)數(shù)率為Rfast，系統(tǒng)實(shí)際輸入的脈沖計(jì)數(shù)率為Rln，快成形通道中死時(shí)間大小為成形的上升沿時(shí)間(τrise)+平頂寬度(τflat)，由于快成形通道內(nèi)的死時(shí)間為非擴(kuò)展型死時(shí)間，可以通過下式計(jì)算出系統(tǒng)實(shí)際輸入的脈沖計(jì)數(shù)率:

圖4 脈沖時(shí)間間隔3 μs的堆積圖Fig.4 The pile-up when pulse interval of 3 μs

由于快成形通道中(τrise+τflat)的值很小，Rfast(τrise+τflat)的值也很小，比如當(dāng)Rfast=2×104cps，τrise+ τflat=500 ns時(shí)，Rfast(τrise+ τflat)=10－2，Rfast的大小與Rln相當(dāng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，有時(shí)近似的將快通道內(nèi)測(cè)量的脈沖計(jì)數(shù)率作為系統(tǒng)的實(shí)際計(jì)數(shù)率。

對(duì)于慢通道內(nèi)的計(jì)數(shù)率，死時(shí)間的大小等于成形的上升沿時(shí)間(τrise')+平頂寬度(τflast')，慢成形通道內(nèi)的死時(shí)間為擴(kuò)展型死時(shí)間(Jenkins et al.，1995)，設(shè)慢通道所測(cè)的脈沖計(jì)數(shù)率為Rslow，則Rslow與系統(tǒng)實(shí)際輸入的脈沖計(jì)數(shù)率具有如下關(guān)系式:

由于慢通道中為了噪聲抑制、彈道虧損補(bǔ)償以及幅度提取，(τrise'+τflat')一般取值較大，比如當(dāng)Rln=2 × 104cps，τrise'+ τflat'=50 μs時(shí)，Rln(τrise'+τflat')=1，此時(shí) Rslow=Rln/e，可見當(dāng) Rln一定時(shí)，慢通道成形時(shí)間越長(zhǎng)，Rslow越小，Rslow小于Rfast，更小于Rln。

對(duì)于每道計(jì)數(shù)率的校正，可以采用如下方法，假設(shè)第k道測(cè)量所得的計(jì)數(shù)率為Rk_measure，而第k道實(shí)際的計(jì)數(shù)率為Rk_true，二者具有式(3)表達(dá)式，其中的Rln，Rslow可分別由式(1)和式(2)計(jì)算得到。

4 結(jié)果與討論

采用Moxtek公司的XPIN-XT型SI-PIN探測(cè)器與MAGNUM系列的50 kV的X光管作為激發(fā)源，測(cè)量某鋼尺，設(shè)定光管電壓為20 kV，電流為2，ADC前端信號(hào)調(diào)理電路輸出的核脈沖信號(hào)上升沿為50 ns，下降沿為 3.3 μA，ADC 采樣頻率為 20 MHz，快通道濾波成形時(shí)間為3 μA，慢通道濾波成形時(shí)間為25 μA時(shí)，不采用脈沖堆積拒絕，其能量分辨率約為300 eV(5.9 keV);采用脈沖堆積拒絕而不采用計(jì)數(shù)率校正，其能量分辨率約為200 eV;采用上述的時(shí)間比較脈沖堆積識(shí)別方法進(jìn)行堆積拒絕，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)率校正，其能量分辨率約為220 eV(圖5)。

從圖5可以看出，不采用脈沖堆積拒絕，由于堆積的脈沖對(duì)脈沖幅度提取的準(zhǔn)確性的影響，進(jìn)而影響到能譜的能量分辨率，表現(xiàn)出最大的計(jì)數(shù)率，最小的能量分辨率。而采用脈沖堆積拒絕，能量的分辨率大大改進(jìn)，但是沒有采用計(jì)數(shù)率校正，使得在同樣測(cè)量條件下，計(jì)數(shù)率有所減小。而采用脈沖堆積拒絕與計(jì)數(shù)率校正的方式，在保證高能量分辨率的情況下，可以對(duì)計(jì)數(shù)率進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。通過上述的測(cè)試表明，該脈沖堆積識(shí)別方法具有良好的應(yīng)用效果。

陳亮.2009.核素識(shí)別算法及數(shù)字化能譜采集系統(tǒng)研究［D］.北京:清華大學(xué)工程物理系.

陳世國(guó)，令孤榮鋒.2006，脈沖堆積識(shí)別與校正的數(shù)字處理方法［J］.黔西南民族師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，(2):77-81.

弟宇鳴，方國(guó)明，邱曉林，等.2008.核輻射堆積脈沖數(shù)字化判別［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，242(4):370-372.

圖5 不同處理方法得到的能譜圖Fig.5 Energy spectrum of different processing methods

余西垂，沈懿，邵飛，等.2011.高含量閃爍γ測(cè)井儀研制與應(yīng)用［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版:34(2):168-173.

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Methods of Pulse Pile-up Identification in Digital Nuclear Spectrometer System

ZHANG Huai-qiang1，2， WU He-xi2， TANG Bin1，2， ZHANG Xiong-jie1
(1.Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China Institute of Technology，Nanchang，JX 330013，China;2.Faculty of Nuclear Engineering and Geophysics，East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China)

The pulse amplitude’s extraction and energy resolution can be affected by the pulse pile-up in digital nuclear spectrometer system.In order to reduce the effect，this article introduces a time comparison identification method to identify the situation of pulse pile-up，which will reduce the digital signal processing time and the effects of energy resolution.The impact of the count rate can be corrected by a simple correction method.Finally，the actual pile-up pulse and count rate have been processed by this mothod，the results of this method have been verified in practical applications.

digital nuclear spectrometer;pulse pile-up;identification method;count rate correction

TL817;TL822

A

1674-3504(2012)03-0281-04

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.013

2011-11-23 責(zé)任編輯:吳志猛

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(B3420110006);東華理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(DHBK201111)

張懷強(qiáng)(1981—)，男，博士，講師，主要從事核輻射探測(cè)技術(shù)與智能核儀器研究。