中子脉冲堆积信号处理方法研究

中子脉冲堆积信号处理方法研究
罗晓亮;江新标;张文首;苏春磊;于青玉;邬泽鹏
【摘要】在强辐射环境下探测中子时,探测器输出的脉冲信号时常会出现堆积的现象,从而导致脉冲波形和中子能谱的失真.本文针对脉冲堆积问题,提出了一种数字化的脉冲堆积判别与校正方法,首先通过计算脉冲信号一阶微分中的下冲过零点个数来判别脉冲堆积,然后基于构建的4种标准堆积脉冲模型(n+n、γ+γ、n+γ、γ+n)还原构成堆积的原始脉冲.实验结果表明,该方法能准确地判别脉冲堆积事件,在堆积脉冲时间间隔小至20 ns时仍能有效地还原原始脉冲,既提高了中子有效计数率又校正了畸变的中子能谱.%The issue of pulse pile-up is frequently encountered when the neutron is detected in intense radiation environment,which will distort the pulse shape and the neutron spectra.In this paper,a digital method of pulse pile-up identification and reconstruction was presented to solve the problem.The pulse pile-up was firstly identified by detecting the downward-going zero-crossings in the first-order derivative of the original signal,and then the constituent pulse was recovered based on four constructed models.The experiment results show that the method is capable of identifying pulse pile-up accurately,as well as disentangling two pulses with a minimum time interval of 20 ns,and it both improves neutrons' effective counting rate and corrects the distorted neutron pulse spectrum due to pile-up event.
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2017(051)008
【总页数】6页(P1478-1483)
【关键词】脉冲堆积;液体闪烁体探测器;中子能谱
【作者】罗晓亮;江新标;张文首;苏春磊;于青玉;邬泽鹏
【作者单位】西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,陕西西安 710024;西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,陕西西安 710024;西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,陕西西安 710024;西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,陕西西安 710024;西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,陕西西安 710024;西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,陕西西安 710024
【正文语种】中文
【中图分类】TL812.2
在高计数率的中子探测场合，探测器输出的相邻脉冲信号时常会出现部分甚至全部重合的情况，称为脉冲堆积[1]。

脉冲堆积会改变脉冲的波形及表观幅度，进而导
致中子能谱的失真[2]。

传统的解决脉冲堆积问题的方案是采用堆积拒绝电路方法
或基于软件的算法[3]。

堆积拒绝电路方法直接摒弃堆积的脉冲，但限制了系统的
脉冲通过率，同时增加了系统死时间。

基于软件的算法可还原部分构成堆积的单个脉冲(堆积脉冲时间间隔大于40～50 ns)，但计算量大，且拟合时不易收敛到最优值，需反复调试参数。

由于中子场几乎均伴随着一定量的γ射线本底，而常用的中子探测器，如液体闪
烁体探测器对γ射线较灵敏，因此探测器输出信号(包括堆积脉冲)实际上同时具有中子和γ射线脉冲[4]。

本文提出一种数字信号处理方法对堆积脉冲信号进行判别，
并还原组成堆积脉冲的原始脉冲，同时甄别中子和γ射线，排除γ射线的干扰。

在实验中将液体闪烁体探测器BC501A置于距252Cf中子源(放射性活度约为2 MBq)50 cm的位置(图1)，探测其发射的中子和夹杂的γ射线。

同时，将晶体闪
烁体探测器BaF2置于距252Cf源尽可能近的位置，用于探测γ射线并将其到达
时刻作为中子飞行时间测量的起始参考时刻。

通过移动铅块及调整252Cf源与探
测器BC501A间的距离，可得到不同计数率下的脉冲信号(包括堆积脉冲)。

探测器BC501A和BaF2的输出信号均由数字化仪Struck SIS 3350以500 MHz采样率、12 bit分辨率(有效位数为9.2)进行采样，飞行时间信号则由数字化仪Struck SIS 3302以200 MHz采样率、16 bit分辨率(有效位数约为13)进行采样。

实验中采
集的飞行时间信号与电荷比较法相结合用于提取纯净的中子脉冲信号，采集的
BC501A探测器输出信号将被用于脉冲堆积的识别与校正研究。

脉冲信号采集后，首先对其进行脉冲堆积判别，若判定为堆积脉冲，则对堆积脉冲进行校正，即还原出组成堆积脉冲的单个脉冲并甄别其类型(中子或γ射线)。

2.1 脉冲堆积的判别原理及实现
脉冲堆积的判别原则是：当单个脉冲持续时间内出现两个或两个以上的脉冲波峰时，该事件就被判定为脉冲堆积。

因此，判别脉冲堆积本质上就是探测一定时间区间内的波峰个数。

传统方法是寻找堆积波形中的极值点，但可能将脉冲毛刺和噪声扰动误判为波峰，尤其是对于低能粒子产生的脉冲，其脉冲幅度较小，且物理统计涨落、电子学噪声、模数转化的量化误差等因素导致脉冲的信噪比很低，所以出现误判的概率较高[5]。

图2为单个脉冲信号波形及其平滑后的一阶微分波形。

图2a中的脉冲实际是单个脉冲，但因其脉冲波形出现多个极值点，将被传统的寻极值法误判为脉冲堆积。

为减少脉冲堆积误判事件，本文提出一种脉冲微分法来判别脉冲堆积，其基本原理是：脉冲信号的一阶微分实际是原始脉冲波形的斜率，因此原始脉冲波形的上升区
间对应于一阶微分波形的正值部分，原始信号波形的下降区间对应于一阶微分波形的负值部分，而原始信号波形的波峰则对应于一阶微分波形中的下冲过零点。

因此，一阶微分波形中下冲过零点数等于原始信号波形的波峰数，且存在一一对应关系，原始脉冲信号的宽度越大，其一阶微分的波峰幅值越小。

该方法的具体实现过程为：首先对脉冲信号进行一阶微分，然后利用移动平均法对其进行平滑化处理，再通过对原始脉冲和一阶微分波形的幅值设定一阈值范围来排除平滑后的一阶微分波形中由过大、过小、过宽、过窄的原始脉冲波动造成的下冲过零点，最后计算有效的下冲过零点数N(若N>1则判定为脉冲堆积)。

由于一阶微分波形中仅有1个下冲过
零点，因此脉冲微分法准确地将其判别为单个脉冲，并未像寻极值法一样将其误判为脉冲堆积。

通过对实验中采集的92 239个脉冲应用本文提出的脉冲微分法进行脉冲堆积判别，判定了66 916个堆积脉冲，占脉冲总数的72.5%。

对所有脉冲进行逐个分析可发现，脉冲微分法的判别正确率高达98.3%，较传统的寻极值法提
高10.4%，大幅减少了误判的事例。

2.2 脉冲堆积的校正原理及实现
目前的脉冲堆积校正方法均是将堆积脉冲的两个组成脉冲视作独立的部分，分别进行分析和处理[6-8]，此类方法计算量大，且拟合时不易收敛到最优值。

本文提出
一种标准脉冲法来校正脉冲堆积，其将每个堆积脉冲波形看作一完整的个体波形，即两个单脉冲(中子或γ射线)的组合。

脉冲堆积波形可分为4种类型：中子脉冲与中子脉冲的叠加(n+n)、γ射线脉冲与γ射线脉冲的叠加(γ+γ)、中子脉冲与γ射
线脉冲的叠加(n+γ)及γ射线脉冲与中子脉冲的叠加(γ+n)。

此方法的基本原理是
基于构建的4种标准堆积脉冲模型(n+n、γ+γ、n+γ、γ+n)与堆积脉冲进行比对
来实现脉冲堆积校正。

通过电荷比较法和中子飞行法对脉冲信号进行n/γ甄别(图3)，可获取大量纯净的中子和γ射线脉冲信号。

分别对纯净的中子和γ射线脉冲信号进行平均、归一化，得到中子和γ射线的标
准脉冲信号，以一定的时间间隔对其进行组合叠加，归一化后构建成4种标准的
堆积脉冲模型。

图4为中子和γ射线的标准脉冲信号及其构建的4种堆积脉冲模
型的波形(时间间隔为20 ns)。

可看出，中子和γ射线的标准脉冲波形的衰减部分具有一定的差异，而由其构建的4种堆积脉冲模型的波形差异则更为显著，主要
集中在波谷、第2个波峰及第2个脉冲的衰减部分。

这种波形差异可为本文提出
的基于4种堆积脉冲模型的脉冲堆积校正方法提供依据。

对任何1个堆积脉冲，根据其特定的波形有两个参数是确定且唯一的，即该堆积
脉冲的第2个波峰与第1个波峰间的幅值比及时间间隔。

因此，针对某个待校正
的堆积脉冲，基于标准脉冲信号(n、γ)构建4种标准的堆积脉冲模型(n+n、γ+γ、n+γ、γ+n)，使模型的波峰幅值比及时间间隔与该堆积脉冲相同；将堆积脉冲幅
值归一化后再分别与4种标准的堆积脉冲模型进行比对，差异最小的模型的构成
脉冲则判定为造成堆积的单个脉冲类型，进而还原原始脉冲波形。

图5为γ+γ、
n+n、n+γ和γ+n类型的堆积脉冲及其对应的堆积脉冲模型(时间间隔为20 ns)。

可看出，堆积脉冲波形与其对应的堆积脉冲模型有较好的符合。

针对4种类型的堆积脉冲，分别对每种时间间隔(范围为20～60 ns，步长为4 ns)构建10 000个堆积脉冲，并运用本文方法对这些堆积脉冲进行校正，得到该方法对于具有不同时间间隔的堆积脉冲的校正准确率(图6)。

需指出的是，图6中的脉冲堆积校正的准确率是指该方法能正确还原构成堆积的原始脉冲的比率，而前文中脉冲堆积的判别正确率是指该方法判定脉冲堆积事件发生的准确率。

可看出，在时间间隔小至20 ns时，本文方法仍能有效还原构成堆积的单个脉冲，大幅缩减了
传统的双指数拟合法对堆积脉冲的时间间隔至少为40～50 ns的要求。

同时，当
时间间隔超过50 ns时，本文方法的错误校正率可控制在6%以下。

将该方法应用于实际的高计数率实验测量中，实验装置与图1基本相同，通过移
除铅板及调整252Cf源与中子探测器的距离，将中子探测器BC501A的计数率调
高至约200 kHz。

图7为实验采集的1个堆积脉冲及其对应的4种堆积脉冲模型。

虽然两个波峰的时间间隔较窄，波峰幅值比较大，但是γ+γ堆积脉冲模型与采集
的脉冲波形符合得最好。

因此，该脉冲被本文方法判别为两个γ射线脉冲相互堆积。

同时，本文方法还可还原出构成该堆积脉冲的两个原始脉冲波形，校正了失真的波形(图8)。

在测量脉冲幅度谱时，由于脉冲堆积效应会导致脉冲波形叠加，探测器分析系统会将两个组成脉冲的幅度之和作为1个脉冲的幅度来处理，因此将导致脉冲幅度谱
的失真。

传统的解决方法是摒弃所有堆积脉冲，但在高计数率条件下却损失大量包含各种时间和能量信息的原始信号。

本文提出的脉冲堆积的判别与校正方法能还原出实验中所测的堆积脉冲的两个构成脉冲波形，进行中子-γ射线甄别，获得中子
脉冲波峰幅值、发生时刻等原始信息，使得堆积脉冲也可用于脉冲幅度谱的测量。

首先利用脉冲微分法判别堆积脉冲，并确定每个堆积脉冲的两个波峰间的时间间隔。

对于时间间隔小于20 ns的堆积脉冲(占脉冲总数比例<3%)，由于本文方法对其校正准确率不高，因此将其摒弃。

对于时间间隔大于等于20 ns的堆积脉冲，利用
标准脉冲法对其进行校正，还原出构成这些堆积脉冲的单个脉冲波形，并用于脉冲幅度谱的测量。

图9为252Cf源在脉冲堆积校正前后的中子脉冲幅度谱。

可看出，若不对堆积脉冲进行校正，将导致脉冲幅度谱的严重失真，利用标准脉冲法对堆积脉冲进行校正后，脉冲幅度谱的畸变得到显著的修复。

本文针对强辐射环境下的脉冲堆积问题，提出了一种数字化的脉冲堆积信号识别与校正方法。

该方法基于计算脉冲信号一阶微分中的下冲过零点数来判别脉冲堆积，然后基于构建的4种标准堆积脉冲模型还原构成堆积的原始脉冲。

实验结果表明，该方法对脉冲堆积的判别正确率高达98.3%，在堆积脉冲时间间隔小至20 ns时
仍能有效地还原构成堆积的单个脉冲，在校正畸变中子能谱的同时又提高了中子的
有效计数率。

【相关文献】
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