低強(qiáng)度脈沖中子束的數(shù)字式n/γ分辨測(cè)量

田 耕 歐陽(yáng)曉平 渠紅光 張顯鵬,2 劉金良 李海濤

低強(qiáng)度脈沖中子束的數(shù)字式n/γ分辨測(cè)量

田 耕1歐陽(yáng)曉平1渠紅光1張顯鵬1,2劉金良1李海濤1

1（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）
2（西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 西安 710049）

針對(duì)低強(qiáng)度脈沖中子束測(cè)量，使用高速數(shù)字示波器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，配合BC501A液體閃爍體探測(cè)器組建了數(shù)字式脈沖形狀甄別(Digital Pulse Shape Discrimination, DPSD)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中子的n/γ分辨測(cè)量。系統(tǒng)工作時(shí)采集并存儲(chǔ)探測(cè)器輸出的中子與γ射線的脈沖波形及其記錄時(shí)刻，利用DPSD方法甄別中子實(shí)現(xiàn)了中子脈沖高度譜統(tǒng)計(jì)；系統(tǒng)具有連續(xù)記錄和具備時(shí)間戳的采集窗記錄兩種工作方式以適應(yīng)不同的脈沖中子束強(qiáng)度，并通過分析數(shù)據(jù)記錄中脈沖波形的位置或時(shí)間戳，實(shí)現(xiàn)了中子事件的時(shí)間信息統(tǒng)計(jì)。使用該系統(tǒng)在Am-Be中子源上使用采集窗工作模式開展了實(shí)驗(yàn)，成功獲得中子脈沖幅度譜、中子時(shí)間譜以及n/γ甄別譜。

脈沖中子束，中子能譜，時(shí)間譜，n/γ分辨，數(shù)字式脈沖形狀甄別

在圍繞加速器和托卡馬克裝置等大型物理設(shè)施所開展的各類實(shí)驗(yàn)研究中，脈沖中子束測(cè)量是重要的研究方向，對(duì)于物理過程診斷具有重要意義。中子束流中通常伴隨有γ射線，對(duì)中子測(cè)量形成干擾。在脈沖中子束的強(qiáng)度較高時(shí)，各個(gè)粒子在探測(cè)器中形成的電流脈沖大量堆積，無(wú)法區(qū)分單個(gè)粒子的脈沖波形。這種情況下通常采用電流型探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或材料選擇等途徑，使探測(cè)裝置在物理原理上只對(duì)中子靈敏，以此排除γ射線對(duì)測(cè)量的干擾[1]。在脈沖中子束的強(qiáng)度較低、單個(gè)粒子在探測(cè)器中形成的電流波形多數(shù)不堆積時(shí)，上述電流型探測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的幅度往往過低而不能有效測(cè)量。此時(shí)可以采用具備脈沖形狀甄別(Pulse Shape Discrimination, PSD)能力的探測(cè)器，組建計(jì)數(shù)型PSD系統(tǒng)進(jìn)行n/γ分辨測(cè)量。但傳統(tǒng)模擬式PSD系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率較低，在測(cè)量脈沖中子束時(shí)難以獲得足夠數(shù)量的事件。同時(shí)，測(cè)量中有時(shí)需要獲得中子束流強(qiáng)度隨時(shí)間變化的信息，在束流強(qiáng)度較低時(shí)可通過測(cè)量每個(gè)粒子的入射時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)。模擬式PSD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該功能需要額外的電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。目前PSD技術(shù)向數(shù)字式測(cè)量的方向發(fā)展，即采用高速數(shù)字化設(shè)備記錄探測(cè)器輸出的電流脈沖，并利用數(shù)字式PSD (Digital PSD, DPSD)等數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行n/γ分辨測(cè)量，以期獲得比模擬系統(tǒng)更高的計(jì)數(shù)率和更優(yōu)的甄別效果，并實(shí)現(xiàn)粒子時(shí)間信息統(tǒng)計(jì)等功能[2?4]。因此，采用數(shù)字式n/γ分辨測(cè)量技術(shù)有望較好實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度脈沖中子束測(cè)量。

本文利用BC501A液體閃爍體探測(cè)器和高帶寬數(shù)字示波器建立了數(shù)字式低強(qiáng)度脈沖中子束測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了n/γ甄別DPSD算法以及粒子入射時(shí)刻統(tǒng)計(jì)算法。該系統(tǒng)具備連續(xù)記錄和采集窗記錄兩種工作方式，以適應(yīng)不同強(qiáng)度的脈沖中子束以及穩(wěn)態(tài)中子束的測(cè)量。使用該系統(tǒng)在Am-Be中子源上開展實(shí)驗(yàn)，采用具備時(shí)間戳的采集窗記錄方式獲取了BC501A探測(cè)器在中子和γ射線入射時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖波形；利用離線數(shù)據(jù)處理的方式用DPSD等算法得到n/γ甄別譜和中子脈沖幅度譜，并通過處理時(shí)間戳得到中子的時(shí)間譜。

1 測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 測(cè)量原理

某些探測(cè)器在不同種類粒子入射時(shí)輸出脈沖的形狀不同，PSD技術(shù)即利用該性質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子分辨測(cè)量。對(duì)于n/γ分辨，目前液體閃爍體探測(cè)器效果較好，常用閃爍體牌號(hào)有BC501A、EJ301和較早的NE213等，其性能相近。這些液體閃爍體在粒子入射時(shí)所產(chǎn)生的熒光脈沖包含持續(xù)時(shí)間不同的快、慢成分，其中慢成分的衰減時(shí)間常數(shù)與粒子種類有關(guān)。反映在探測(cè)器輸出的電流波形上，即脈沖下降沿的速度與入射粒子的種類相關(guān)。具體到n/γ分辨測(cè)量，表現(xiàn)為中子產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的下降沿比γ射線產(chǎn)生的要慢。在DPSD測(cè)量中，利用高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備采集探測(cè)器輸出的電流波形，并用數(shù)字信號(hào)處理的方法提取脈沖波形的形狀信息即可實(shí)現(xiàn)粒子分辨測(cè)量。

對(duì)于低強(qiáng)度脈沖中子束的測(cè)量，按照具體的束流強(qiáng)度，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作方式可分為連續(xù)記錄和采集窗記錄兩種。連續(xù)記錄方式即在觸發(fā)信號(hào)的控制下開始連續(xù)采集數(shù)據(jù)，直至存儲(chǔ)器記滿或在指令信號(hào)控制下停止采集。此方法適合測(cè)量強(qiáng)度相對(duì)較高的中子束，這種情況下有效的波形數(shù)據(jù)在整體測(cè)量數(shù)據(jù)中占較大成分、基線數(shù)據(jù)相對(duì)較少，例如歐洲聯(lián)合環(huán)(Joint European Torus, JET)和國(guó)內(nèi)的HL-2A等裝置的放電過程中D-D及D-T聚變中子測(cè)量[2?3]。而對(duì)于強(qiáng)度較低的中子束，有效事件占總時(shí)間的比例較低，用連續(xù)記錄方法測(cè)量到的數(shù)據(jù)中會(huì)包含大量無(wú)用的基線數(shù)據(jù)，浪費(fèi)了存儲(chǔ)空間，使得能夠獲取的有效事件數(shù)目減小。在這種情況下，更為有效的采集方法是采集窗記錄方式。該方法在有符合記錄條件的信號(hào)到來時(shí)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，而在無(wú)有效信號(hào)的時(shí)間段中不進(jìn)行采集記錄。用這種方法能夠有效實(shí)現(xiàn)較低強(qiáng)度中子束的測(cè)量。且該方法可以通過給每一段記錄數(shù)據(jù)標(biāo)記時(shí)間戳的方法記錄每一個(gè)事件的采集時(shí)刻信息，在測(cè)量中可利用該時(shí)間戳獲取束流強(qiáng)度隨時(shí)間變化的情況。例如Riva等[4]利用該方法在JET上開展粒子束測(cè)量。以上方法均使用數(shù)字化儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特點(diǎn)是采樣率較低（數(shù)百M(fèi)S·s?1）而幅度分辨率（也稱垂直分辨率，以下簡(jiǎn)稱分辨率）較高（12bits及以上）。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由Am-Be中子源和測(cè)量系統(tǒng)組成，其中測(cè)量系統(tǒng)主要包括液體閃爍體探測(cè)器、高速數(shù)字示波器、實(shí)驗(yàn)控制PC計(jì)算機(jī)以及其它輔助設(shè)備等，如圖1所示。探測(cè)器使用的閃爍體為BC501A，封裝的尺寸為?50.8 mm×50.8 mm；光電倍增管為濱松R329-02，與閃爍體一起封裝在鋁外殼中，工作時(shí)加高壓?1700 V，在探測(cè)Am-Be源時(shí)陽(yáng)極輸出脈沖信號(hào)的上升沿tr≈5 ns，底寬tw≈50 ns。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of experimental setup.

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的指標(biāo)對(duì)測(cè)量有直接影響，最重要的指標(biāo)是采樣率、分辨率和存儲(chǔ)長(zhǎng)度。S?derstr?m等[5]指出，影響DPSD算法的n/γ甄別效果的參數(shù)是分辨率和采樣率。存儲(chǔ)長(zhǎng)度直接決定能夠測(cè)量的脈沖中子束的持續(xù)時(shí)間，無(wú)論是在連續(xù)記錄方式或是采集窗記錄方式下，增加存儲(chǔ)深度都將延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。目前常用于數(shù)字式粒子測(cè)量的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要為數(shù)字化儀和數(shù)字示波器，前者具有量化位數(shù)高、記錄長(zhǎng)度長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但通常觸發(fā)控制、基線調(diào)節(jié)、增益設(shè)置等能力較弱。而這些能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)某些測(cè)量功能較為重要。數(shù)字示波器通常設(shè)置靈活，在這些方面具備優(yōu)勢(shì)，但多數(shù)數(shù)字示波器的分辨率較低，限制了DPSD算法的效果，同時(shí)大存儲(chǔ)深度的示波器價(jià)格較高。因此在脈沖中子束的測(cè)量中，為獲得最優(yōu)的測(cè)量效果，理想的數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)兼具數(shù)字示波器的設(shè)置靈活，以及數(shù)字化儀的量化精度高、存儲(chǔ)長(zhǎng)度大的特點(diǎn)。

本文選用數(shù)字示波器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備是因?yàn)槠湓诓蓸勇?、觸發(fā)功能、偏置設(shè)置和增益調(diào)節(jié)等方面具有優(yōu)勢(shì)，適用于n/γ分辨測(cè)量和DPSD算法研究[6?8]。具體型號(hào)選用美國(guó)泰克公司Tektronix的DPO7104，因其具備較強(qiáng)的采集窗功能，能夠以自觸發(fā)的方式進(jìn)行采集并生成精確到1 ps的時(shí)間戳；該示波器的帶寬(?3 dB)為1 GHz，分辨率為8 bits，實(shí)驗(yàn)中采樣率為10 GS·s?1。裝置中BC501A探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)的上升沿tr≈5 ns，可以估算出其頻譜主要處在70 MHz以下，故實(shí)際采樣率遠(yuǎn)高于量化該脈沖信號(hào)所需的最低采樣率，因此數(shù)據(jù)采集設(shè)備指標(biāo)對(duì)n/γ甄別效果的影響主要來源于分辨率。實(shí)驗(yàn)中采用運(yùn)行Window XP的PC計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)(Local Area Network, LAN)控制示波器，在程序控制下完成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。該實(shí)驗(yàn)控制程序利用Visual C++和虛擬儀器軟件架構(gòu)(Virtual Instrument Software Architecture, VISA)開發(fā)，可兼容多種型號(hào)示波器[9]。數(shù)據(jù)處理采用離線方式進(jìn)行，這是由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣率較高、數(shù)據(jù)的吞吐率較大，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理較困難。利用Visual BASIC.net開發(fā)接口程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、格式轉(zhuǎn)換、計(jì)算結(jié)果存盤和部分圖形繪制等功能，使用MATLAB實(shí)現(xiàn)DPSD算法，在數(shù)據(jù)處理工作中由接口程序調(diào)用MATLAB計(jì)算引擎完成甄別數(shù)據(jù)計(jì)算。

測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試在采集窗方式下最大計(jì)數(shù)率可達(dá)3×105s?1，該指標(biāo)主要受到記錄設(shè)備死時(shí)間的限制。在連續(xù)記錄模式下能夠達(dá)到更高的計(jì)數(shù)率，具體指標(biāo)與探測(cè)器的響應(yīng)速度有關(guān)，探測(cè)器在粒子入射下輸出脈沖的寬度越小計(jì)數(shù)率越高。利用LaBr3:Ce無(wú)機(jī)閃爍體探測(cè)器在穩(wěn)態(tài)γ射線源上對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行考核，得到當(dāng)輸入信號(hào)脈沖底寬為100 ns、堆疊事件率小于20%時(shí)，計(jì)數(shù)率可達(dá)到2.2×106s?1。測(cè)量系統(tǒng)可滿足上述探測(cè)器事件率范圍內(nèi)的低強(qiáng)度脈沖中子束的測(cè)量。

2 數(shù)據(jù)處理算法

2.1 DPSD算法

目前國(guó)內(nèi)外的研究人員[5?8,10?13]研究了各種DPSD算法，其效果各異。DPSD算法的甄別效果與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣率和分辨率有關(guān)[5]，而本文組建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)是分辨率低但采樣率較高，在這種情況下，不同DPSD算法的n/γ甄別效果差異較明顯。本文實(shí)現(xiàn)了三種常用的DPSD算法。

2.1.1 電荷比較法(Charge Comparison Method, CC)

閃爍體探測(cè)器在粒子入射時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的積分表征了該脈沖包含的電荷量。γ射線和中子在液體閃爍體探測(cè)器中形成的脈沖，其下降沿的速度不同，則在給定的兩個(gè)不同的時(shí)間區(qū)間上分別對(duì)脈沖波形積分，積分值的比與粒子種類相關(guān)。設(shè)脈沖信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后得到長(zhǎng)度為N的離散序列w(n)，甄別因子QCC可按式(1)定義：

式中，n1、n2、n3、n4為采樣點(diǎn)序號(hào)，其中n1,n3∈[1,N)，n2,n4∈(1,N]，且[n1,n2]≠[n3,n4]；kCC為比例系數(shù)。本文利用脈沖下降沿積分與總積分之比作為甄別參數(shù)。

2.1.2 脈沖梯度分析法(Pulse Gradient Analysis Method, PGA)

由于γ射線和中子產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的下降速度不同，故在脈沖上給定兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)波形上的兩點(diǎn)可確定一條直線，該直線的斜率與粒子種類相關(guān)。設(shè)脈沖信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后得到長(zhǎng)度為N的離散序列w(n)，甄別因子QPGA可按式(2)定義：

式中，n1、n2為采樣點(diǎn)序號(hào)，其中n1,n2∈[1,N]，且n1≠n2；kPGA為比例系數(shù)。本文以距脈沖波形峰值某一固定距離的波形與峰值幅度的比作為甄別參數(shù)。

2.1.3 積分上升時(shí)間法(Integrated Rise Time Method, IRT)

將脈沖按時(shí)間積分，獲得的積分曲線的上升時(shí)間可反映脈沖下降沿的速度，即積分曲線上升時(shí)間與粒子種類相關(guān)。設(shè)脈沖信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后得到長(zhǎng)度為N的離散序列w(n)。按式(3)定義wI(n)：

式中，n∈[1,N]。記wI(n)的最大值為Amax，則甄別因子QIRT可按式(4)定義：

式中，kIRT、k1、k2為比例系數(shù)，其中k1,k2∈(0,1)，且k1≠k2。本文選取k1=0.10，k2=0.75。

2.2 時(shí)間信息統(tǒng)計(jì)

在連續(xù)記錄方式下，通過確定每個(gè)脈沖事件在整個(gè)數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度中的位置即可完成事件的時(shí)間信息統(tǒng)計(jì)。在具備時(shí)間戳的采集窗記錄方式下，該功能需要通過分析每個(gè)事件的時(shí)間戳來完成。本文采用的DPO7104數(shù)字示波器所產(chǎn)生的時(shí)間戳不但包含年、月、日信息，且具有1 ps的精度，無(wú)法直接利用軟件開發(fā)工具提供的函數(shù)庫(kù)進(jìn)行處理。因此在事件時(shí)間信息統(tǒng)計(jì)程序中，采用面向?qū)ο蟮腃++程序設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了此類時(shí)間戳的判讀、比較、時(shí)間間隔計(jì)算及統(tǒng)計(jì)等功能[9]。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

在Am-Be中子源上開展測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置在PC計(jì)算機(jī)控制下以自動(dòng)測(cè)量的方式獲取了50組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)記錄5000個(gè)事件。使用上述三種DPSD算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其結(jié)果顯示，IRT方法的甄別效果較好，獲得了n/γ甄別譜；并且可根據(jù)甄別參數(shù)與脈沖幅度的分布情況對(duì)甄別參數(shù)進(jìn)行修正，以提高甄別的效果。而CC方法和PGA方法的甄別效果均不如IRT方法，無(wú)法有效區(qū)分中子和γ射線。通過對(duì)判讀為中子的事件利用直接比較法進(jìn)行脈沖幅度統(tǒng)計(jì)可以得到中子脈沖幅度譜[14]；對(duì)其時(shí)間戳進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得中子的時(shí)間譜。各組數(shù)據(jù)處理結(jié)果的情況一致。

以其中的某一組數(shù)據(jù)的處理為例，分別利用CC、PGA和IRT方法處理每個(gè)事件的波形數(shù)據(jù)，得到各個(gè)粒子的甄別參數(shù)，并按照甄別參數(shù)-計(jì)數(shù)繪制甄別譜。n/γ分辨測(cè)量的效果可以用優(yōu)質(zhì)因子(Figure of Merit, FOM)來衡量。設(shè)甄別譜中γ射線形成的峰的半高寬為Wγ，中子形成的峰的半高寬為Wn，兩個(gè)峰的距離為ΔD，則FOM由式(5)定義[15]：

利用雙高斯函數(shù)擬合甄別譜，由式(5)得到FOM。各算法的FOM及運(yùn)算耗時(shí)如表1所示。

表1 CC、PGA和IRT算法的FOM與運(yùn)算耗時(shí)Table 1 FOMs and time consumptions of CC, PGA and IRT.

按甄別參數(shù)與脈沖幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到DPSD散點(diǎn)圖、按甄別參數(shù)與計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)得到n/γ甄別譜，如圖2?4所示。

根據(jù)表1中不同算法的耗時(shí)數(shù)據(jù)可知，三種算法的計(jì)算量相當(dāng)。從FOM值可見IRT方法的甄別效果優(yōu)于CC方法和PGA方法。在圖2?4給出的散點(diǎn)圖和甄別譜中，IRT方法得到的散點(diǎn)圖分成較清晰的兩部分，在甄別譜曲線上表現(xiàn)為中子峰與γ峰基本沒有重疊；而CC方法和PGA方法得到的散點(diǎn)圖中表示中子與γ射線的散點(diǎn)不能清晰分開，在甄別譜曲線上表現(xiàn)為中子峰與γ峰有部分重疊。

圖2 CC方法的n/γ甄別結(jié)果(a) QCC—脈沖高度散點(diǎn)圖，(b) n/γ甄別譜Fig.2 n/γ discrimination with CC method. (a) QCC vs. pulse height, (b) Counts vs. QCC

圖3 PGA方法的n/γ甄別結(jié)果(a) QPGA—脈沖高度散點(diǎn)圖，(b) n/γ甄別譜Fig.3 n/γ discrimination with PGA method. (a) QPGA vs. pulse height, (b) Counts vs. QPGA

圖4 IRT方法的n/γ甄別結(jié)果(a) QIRT—脈沖高度散點(diǎn)圖，(b) n/γ甄別譜Fig.4 n/γ discrimination with IRT method. (a) QIRT vs. pulse height, (b) Counts vs. QIRT

按照甄別效果最佳的IRT方法的數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)粒子種類進(jìn)行判讀。選取甄別譜的中子峰與γ峰之間計(jì)數(shù)率最小值處的甄別參數(shù)值作為界限區(qū)分中子和γ射線，得到該組數(shù)據(jù)的中子計(jì)數(shù)共2330個(gè)。將判讀為中子的事件利用直接比較法進(jìn)行脈沖高度統(tǒng)計(jì)，得到中子脈沖高度譜。根據(jù)時(shí)間戳數(shù)據(jù)計(jì)算得到此次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔約為45.92 s。將此時(shí)間間隔等分為50個(gè)時(shí)間段，按每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的中子事件計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)得到中子時(shí)間譜。由于所測(cè)的源在測(cè)量時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)的，因此中子時(shí)間譜以一均值為中心呈隨機(jī)漲落，其統(tǒng)計(jì)量為均值Na=46.6，標(biāo)準(zhǔn)差σ=6.9，符合輻射測(cè)量計(jì)數(shù)的1/aN規(guī)律。中子脈沖高度譜和時(shí)間譜如圖5所示。當(dāng)束流強(qiáng)度在測(cè)量時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，利用該方法可測(cè)得強(qiáng)度隨時(shí)間變化的情況。

圖5 中子脈沖高度譜(a)和時(shí)間譜(b)Fig.5 Pulse height spectrum (a) and time spectrum (b) of neutrons.

4 結(jié)語(yǔ)

采用BC501A液體閃爍體探測(cè)器、高速數(shù)字示波器、PC計(jì)算機(jī)以及基于VISA技術(shù)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)控制程序，組建了適用于低強(qiáng)度脈沖中子束測(cè)量的數(shù)字式n/γ分辨測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備連續(xù)記錄和具有時(shí)間戳的采集窗記錄等兩種工作方式，能夠適用于不同事件率的測(cè)量場(chǎng)合，最大計(jì)數(shù)率達(dá)到2.2×106s?1。研究中開發(fā)了CC、PGA和IRT三種DPSD算法以及時(shí)間信息統(tǒng)計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖中子束的n/γ分辨測(cè)量和中子時(shí)間信息測(cè)量。在Am-Be中子源上開展了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，獲得了甄別散點(diǎn)圖、n/γ甄別譜、中子脈沖幅度譜以及中子時(shí)間譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的分辨率較低而采樣率較高時(shí)，IRT方法的n/γ甄別效果較好，獲得甄別譜的優(yōu)質(zhì)因子FOM=1.38。

基于FPGA的硬件并行算法等新興數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在提高數(shù)據(jù)處理速度方面具有良好前景。通過在低強(qiáng)度脈沖中子束數(shù)字式n/γ分辨測(cè)量研究中開發(fā)此類技術(shù)，并結(jié)合使用具有高分辨率、高采樣率和大存儲(chǔ)深度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將可進(jìn)一步擴(kuò)展測(cè)量功能并提高測(cè)量的質(zhì)量和效率，而且有望實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)處理。

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CLC O571.53, TN152

Digital n/γ discrimination measurement of low intensity pulsed neutron

TIAN Geng1OUYANG Xiaoping1QU Hongguang1ZHANG Xianpeng1,2LIU Jinliang1LI Haitao1
1(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China)
2(School of Nuclear Science and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

Background: The traditional measurement methods in which the detectors are working in counting mode or current mode all have limitations in the measurement of low intensity pulsed neutron. Purpose: We aim to establish a method for low intensity pulsed neutron measurement to acquire the spectra of energy and time by digitalizing and analyzing the fast current pulse generated by detector as each single neutron induced. Methods: A digital pulse shape discrimination (DPSD) system for low intensity pulsed neutron measurement has been developed, which employs wideband digital oscilloscope as data acquisition device. With BC501A liquid scintillator detector, the system can acquire and store the waveforms of neutrons and γ-rays, and discriminate neutrons from all waveforms by DPSD algorithms. The system has two operation modes as “continuous acquisition” and “acquisition window with time stamp” for different event rates according to the intensity of pulsed neutron. Results: The function of pulse height analysis of neutrons is achieved, and time information of neutron's arriving can be acquired by the analysis of the position of the waveform in the record or the time stamps. Experiment has been carried out with Am-Be neutron source with the operation mode of acquisition window, and the neutron pulse height spectrum, time spectrum and n/γ discrimination spectrum have been acquired. Conclusion: The spectra of energy and time of low intensity pulsed neutron can be measured by the digital method which employees wideband digital oscilloscope and digital signal processing algorithms, and has the advantage that all original waveforms of neutrons and γ-rays can be stored for further analysis.

Pulsed neutron, Neutron spectrum, Time spectrum, n/γ discrimination, DPSD

O571.53，TN152

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060204

No.11305129)資助

田耕，男，1978年出生，2007年于西北核技術(shù)研究所獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)楹穗娮訉W(xué)和脈沖射線束測(cè)量

2015-02-10，

2015-04-16