用于中子活化分析儀的數(shù)字能譜儀關鍵算法

張偉 李存磊 孫義 鄭效陽 趙洪濤

摘 要：數(shù)字能譜儀能夠對探測器脈沖進行信號數(shù)字處理，可以滿足中子活化分析儀對高計數(shù)通過率和高分辨率的要求。從極零補償、梯形成形、堆疊判別及校正三方面，對數(shù)字能譜儀的關鍵算法進行研究：一是將長尾部的雙指數(shù)衰減信號成形為短尾部的單指數(shù)衰減信號，并構造極零補償?shù)臒o限脈沖響應（IIR）濾波器，降低脈沖堆疊率;二是將指數(shù)衰減信號成形為同等幅度的等腰梯形形狀，提高對脈沖幅度的分析精度。經仿真驗證表明：算法具有較強靈活性，可以根據(jù)信號的特點確定相關定制算法，在不改動硬件情況下可以實現(xiàn)對不同信號的處理。

關鍵詞：數(shù)字能譜儀;中子活化分析儀;無限脈沖響應濾波器;梯形成形;堆疊判別;信號數(shù)字處理

隨著核技術的發(fā)展，傳統(tǒng)模擬能譜儀在中子活化分析儀中的應用局限性擴大。與此同時，數(shù)字能譜儀應運而生。以往的數(shù)字能譜儀在分析核脈沖信號時，直接對探測器脈沖進行分析，并對堆疊的脈沖進行抑制;雖然易于實現(xiàn)，但無法完全滿足中子活化分析儀對高計數(shù)通過率和高分辨率的要求。此外，模擬能譜儀還受電路硬件參數(shù)和溫度的影響，穩(wěn)定性和可靠性受到限制。因此，研制出適用于中子活化分析儀的數(shù)字能譜儀，尤其是研究核脈沖信號數(shù)字處理關鍵算法并付諸實現(xiàn)，具有現(xiàn)實意義。

1 數(shù)字能譜儀應用優(yōu)勢

近幾年，伴隨著國內高速、高分辨率ADC器件、各種數(shù)字化器件、實時操作系統(tǒng)及微處理器的進一步發(fā)展，數(shù)字化系統(tǒng)更新速度也得到明顯提升，已實現(xiàn)了多道脈沖幅度提取與分析的數(shù)字化處理。在系統(tǒng)應用中，起到決定性作用的當屬數(shù)字化核能譜儀，相較于傳統(tǒng)的模擬核能譜儀，數(shù)字化核能譜儀應用優(yōu)勢異常突出，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 靈活性能和適應性能

在傳統(tǒng)模擬核能譜儀系統(tǒng)中，對于不同功能信號的處理需由不同硬件負責，而在數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)中，就減少了多個硬件的麻煩，可利用最少硬件的科學配置達到多種復雜信號同步處理目的，這也是該系統(tǒng)能夠獲得較大應用市場的主要原因。

1.2 性能良好

在數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)中，各類數(shù)據(jù)計算分析有不同探測器完成，而不同探測器所接收/發(fā)送的信息不同，因此，呈現(xiàn)出的算法存在較大差異，為實現(xiàn)計算準確性，就要求對各類探測器進行適當調整，確保核能信號處理達到最佳狀態(tài)。

1.3 穩(wěn)定性強

在信號處理方面，數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)所采用的方法是采用數(shù)字信號進行處理，這一操作方法最大優(yōu)點就是其穩(wěn)定性較強，不會受到外界環(huán)境變化而改變，更不會因器件老化而改變。

1.4 抗干擾性強

抗干擾性強是數(shù)字核能譜儀的又一顯著應用優(yōu)勢，數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)在核能信號傳輸與處理過程中，受外界干擾因素的影響較小，另外，所有器件性能也不會因外界干擾而發(fā)生改變。

1.5 不失真性

無論何種系統(tǒng)，主要應用要求就是數(shù)據(jù)傳輸真實性，相較于傳統(tǒng)的模擬核能譜儀，數(shù)字核能譜儀在傳輸數(shù)據(jù)時，脈沖信號會被數(shù)字化，處理后的信號就會很完整，并不失真地進行保存，以便于離線處理和數(shù)據(jù)完整傳輸。

2 數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)的工作原理

數(shù)字化多道能譜幅度分析器是數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)的核心裝置，之所以該系統(tǒng)能獲得較大應用范圍，皆因為數(shù)字化多道能譜幅度分析器具備較強的實際應用功能，具體表現(xiàn)如下：

（1）實時接收核輻射探測器輸出的核能脈沖信號;

（2）對各個單一核能脈沖信號進行快速的模數(shù)轉換;

（3）對所采集到的數(shù)據(jù)進行相關算法處理，然后得到核脈沖幅值，在被相關算法處理后，形成能譜圖，以方便現(xiàn)場實際應用;

（4）傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)字化多道能譜分析器的技術核心是對脈沖信號峰值進行提取和量化，該系統(tǒng)具體工作原理如圖1所示。

對于數(shù)字化多道能譜儀分析器系統(tǒng)的工作原理，可結合圖1概括如下：

（1）將被量化的幅度范圍平均分成兩個幅度區(qū)間，即道數(shù);

（2）利用ADC芯片將脈沖信號轉換為與脈沖信號幅度對應的數(shù)字量，即道址;

（3）在存儲器內設置兩個計數(shù)器，每個計數(shù)器對應一個道址，當信號處理器接收到各個單一道址值后，運用計數(shù)器進行加計，經一定時間的積累，就可獲得輸入脈沖幅度數(shù)據(jù)信息的分布情況，即核能能譜數(shù)據(jù)[1]。

3 數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)的關鍵技術

為了能夠在研究數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)關鍵技術的同時，獲得系統(tǒng)理論驗證的最佳設計方案，系統(tǒng)采用能譜儀系統(tǒng)關鍵技術測試平臺設計，這一設計方式能夠實現(xiàn)數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)中的濾波形成、峰值提取、保持以及數(shù)字化信號處理與顯示等，除此之外，該設計方式一方面能夠準確處理采樣脈沖信號，另一方面還可以對所得數(shù)據(jù)進行仿真處理[2]。

3.1 脈沖信號的峰值保持技術

經前端處理模塊對核探測器所輸出核脈沖信號的放大整形后，對峰值檢測電路電壓進行保持，以便于后續(xù)ADC采樣分析，而作為該系統(tǒng)的關鍵技術——峰值檢測保持電路主要由軟件、硬件相互結合來實現(xiàn)。對于峰值保持的主要優(yōu)勢就在于其速度較快、對ADC要求較低及同等條件下的多道能譜儀性能更好。

峰值檢測電路一般分為兩種形式，一種是微分式峰值檢測電路，另一種則是比較式峰值檢測電路。從脈沖真正峰值產生時刻方面而言，微分式峰值檢測電路晚于前端處理模塊輸入時刻，換言之就是無源微分檢測電路所檢測出的脈沖峰值位置會出現(xiàn)延遲現(xiàn)象;另外，該檢測電路靈敏度較低，所以只適用于低速脈沖峰值檢測與保持;比較式峰值檢測電路是直接從保持電容上提取電壓，并與輸入電壓進行對比，發(fā)現(xiàn)檢測電壓滯后于輸入電壓，但在性能方面，要比微分式峰值檢測電路穩(wěn)定得多[3]。

3.2 脈沖信號峰值提取技術

數(shù)字多道能譜儀系統(tǒng)的關鍵技術之一就是核輻射脈沖信號的幅度提取，而在測量系統(tǒng)中，能譜信息和信號脈沖幅度的最大值是相對應的，故其幅度提取成效將對量測結果及后續(xù)的分析產生直接影響。

4 用于中子活化分析儀的數(shù)字能譜儀關鍵算法

4.1 極零補償

4.1.1 算法研究

中子活化分析儀使用閃爍體探測器，閃爍體探測器使用電阻反饋式前置放大器將電流脈沖轉換成電壓脈沖。電阻反饋式前置放大器的核探測器輸出的信號是一個有很快上升沿和較長尾部的雙指數(shù)衰減信號，如圖2所示。

在實際應用中，中子活化分析儀的全譜計數(shù)率可達200kcps，由于雙指數(shù)衰減信號尾部較長，因此信號常常疊加在一起，且在高計數(shù)率時尤甚。為了減少探測器輸出信號的疊加，從而降低脈沖堆疊率以便于信號基線估計，本文考慮將長尾部的雙指數(shù)衰減信號成形為短尾部的單指數(shù)衰減信號[5-6]。

雙指數(shù)衰減信號可表示為：

4.1.2 仿真驗證

實際應用時采用S-M方法[3]，計算出極零補償?shù)腎IR濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子系數(shù)。極零補償在Matlab中的仿真結果，其中粗線條是輸入的長尾雙指數(shù)衰減信號，細線條是極零補償后的單指數(shù)衰減信號。

4.2 梯形成形

4.2.1 算法研究

極零補償后的探測器脈沖頂部比較尖，導致對脈沖幅度進行分析的精度較低。梯形成形算法應用原理是將探測器脈沖轉變?yōu)轫敳科教沟奶菪蚊}沖，而梯形成形則是數(shù)字能譜采集系統(tǒng)中常用的成形算法，已得到廣泛的應用，其核心就是將輸入的指數(shù)衰減信號成形為相同幅度的等腰梯形，梯形圖如圖3所示。因梯形成形濾波算法具備內建滑尺功能，因此，可對ADC微分非線性起到改善作用。當梯形平頂時間多于探測器電荷收集時間時，該算法便具備對彈道虧損免疫特性。架設成形后的梯形脈沖上升沿時間為t1，平頂時間為t2-t1，下降沿時間為t3-t2，幅度為U。

4.2.2 仿真驗證

在Matlab中對梯形成形算法進行仿真驗證。輸入信號為疊加白噪聲的單指數(shù)衰減信號，時間常數(shù)τ=3.2μs，信號幅度=2000mV，疊加的白噪聲標準差為80mV。梯形成形脈沖的上升沿時間為1.8μs，平頂時間為0.6μs，采樣周期為0.025μs。梯形成形算法仿真波形如圖4所示。從圖3中可以看出，梯形成形算法對噪聲具有抑制作用。將以上輸入信號中的單指數(shù)衰減信號幅度設為0，使輸入信號變?yōu)榘自肼?，在Matlab中進行仿真，計算得到輸入噪聲標準差為78.1999mV，輸出信號的噪聲標準差為12.184mV，噪聲濾除仿真結果。

結語

本文結合中子活化分析儀探測器脈沖特點，對數(shù)字能譜儀信號處理關鍵算法進行了推導和仿真，驗證了將關鍵算法付諸應用的可行性。與模擬能譜儀相比，數(shù)字能譜儀采用的算法具有更大的靈活性，可以根據(jù)信號的特點定制算法，在不改動硬件的情況下實現(xiàn)對不同信號的處理。數(shù)字化的信號處理算法不會像模擬能譜儀那樣受電路硬件參數(shù)和溫度的影響，穩(wěn)定性和可靠性大大提高;同時取代模擬能譜儀中相應功能的電路，更大程度地減小電路規(guī)模，實現(xiàn)儀器的小型化、精密化。在后續(xù)實際應用中，還要針對硬件的采集速度和噪聲對計算精度的影響等方面，開展更深入的研究。

參考文獻：

[1]李巖峰.基于數(shù)字多道技術的中子活化分析儀器穩(wěn)譜設計[J].工業(yè)技術創(chuàng)新，2021，8（2）：84-86，110.

[2]陳亞勇.MATLAB信號處理詳解[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[3]敖奇，魏義祥，屈建石.數(shù)字濾波器對FlashADC性能改善的研究[J].核電子學與探測技術，2009，29（3）：593-596.

基金項目：遼寧省“興遼英才計劃”項目（XLYC180 7168）;遼寧省中央引導地方科技發(fā)展專項資金項目（2021 JH6/10500191）

作者簡介：張偉（1980— ），男，漢族，黑龍江密山人，本科，高級工程師，主要從事儀器儀表研發(fā)工作。