液閃探測器的幾種n/γ甄別方法研究

李奎念，張顯鵬,2，李 陽，張 美，張忠兵，李斌康，張小東，劉 軍

(1.西北核技術研究所，陜西 西安 710024；2.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

在中子輻射源中通常有伴生γ射線，且中子與周圍環境的非彈性散射、慢化中子的輻射俘獲等[1]均會產生γ射線。而目前用于測量中子的探測器大多對γ射線有響應，為排除γ射線的干擾，對n/γ甄別技術進行了深入而廣泛的研究。

根據波形的特征，可將甄別方法分為時域方法和頻域方法。時域方法根據波形的前、后沿等時域特征對波形加以區分，這類方法形象直觀，發展較早，具有成熟的理論和硬件體系。常用的有上升時間法[2]、過零時間法[3]、電荷比較法[4]、脈沖梯度分析[5]等。頻域方法先對波形進行傅里葉變換[6]或小波變換[7]，利用頻域特征構建甄別參數，使波形的差異在變換后最大。每種波形甄別方法均可理解為根據波形構建甄別參數，然后對每個波形計算其相應的甄別參數，據此參數對粒子進行甄別。

近年來，隨著數字信號處理速度的大幅提升、高速模數轉換器(FADC)的出現以及現場可編程門陣列(FPGA)的高速發展，大數據量的實時處理技術得到快速發展，基于FPGA的小型化實時甄別系統成為主流研究方向。目前，國外已報道了采用上升時間法、電荷比較法及脈沖梯度分析實現的數字化實時甄別系統[8-10]，配合不同的探測器實現了對不同粒子的甄別。在頻域算法方面，劉國福等[11]提出了基于傅里葉變換的頻率梯度分析，稱該法具有好的n/γ甄別效果，且有望應用于實時甄別系統[12]中。目前，未見將這些方法進行系統比較的報道。

本文為找到一種針對液閃探測器甄別效果好、運算簡單，且便于在實時甄別系統中實現的n/γ甄別方法，基于數字化采集技術，利用MATLAB軟件，分別采用上升時間法、電荷比較法、脈沖梯度分析和頻率梯度分析等4種方法對Am-Be中子源產生的n/γ混合場進行離線波形甄別，對比分析4種方法的甄別效果，最后利用基于MPD-4甄別插件[13]的CAMAC系統[14]對n/γ甄別結果進行驗證。

1 波形甄別原理及方法

1.1 波形甄別原理

帶電粒子在閃爍體中發生能量沉積，閃爍體退激發光，發光過程分為瞬發和緩發[15]。中子入射液體閃爍體時，能量沉積密度較大，退激發光過程中的緩發光子份額較大，形成電信號的衰減時間較長。γ射線入射時，能量沉積密度較小，形成電信號的衰減時間較短。中子或γ射線在閃爍體探測器中產生脈沖電信號形狀的不同使得n/γ甄別成為可能。圖1為EJ-301液閃探測器輸出的典型中子、γ信號波形，圖中信號已進行了歸一化，可看到，兩種粒子信號的差異主要體現在脈沖后沿15～40 ns的時間范圍內。

圖1 EJ-301液閃探測器輸出的典型中子、γ信號

1.2 幾種波形甄別方法

上升時間法是較早使用的波形甄別方法之一，近年來，該方法在數字化領域也得到了實現。利用數字化技術獲得一系列如圖1所示的探測器信號后，在計算機端對每個信號積分，利用積分信號的上升時間進行n/γ甄別。考慮到脈沖基線的噪聲水平，為獲得好的甄別效果，上升時間的選取區間一般為最大脈沖幅度的5%～95%或10%～90%。

電荷比較法以信號不同區間積分幅度的比值作甄別參量進行粒子甄別。對探測器輸出的信號進行數字化采樣后，在計算機上針對脈沖快、慢成分，對信號不同時間區間積分，積分幅度的比值用于粒子甄別。

脈沖梯度分析是近年提出的一種簡單的數字化甄別方法，選取脈沖峰值和峰值后的一個樣本點計算脈沖梯度，利用梯度的不同判別入射粒子的類型。通常情況下，脈沖波峰與選取樣本點之間的時間跨度Δt的最優取值范圍為15～25 ns[5]，具體取值需根據閃爍探測器的材料以及光電倍增管的特性確定。

2 波形采集及分析

2.1 波形采集

探測器選用自組裝液閃探測器(φ50 mm×50 mm EJ-301+9815型光電倍增管)和標準探測器(φ50 mm×50 mm BC501A+R329型光電倍增管)，用Tek公司的DPO 7104型示波器進行數字化采樣。由于示波器動態范圍的限制，選用某一觸發閾值時不能完整記錄下所有波形。采用示波器Fast Frame功能的runt觸發模式可設置采樣信號的峰值上、下閾，記錄多個具有一定峰值范圍的粒子波形信號。采用多個上、下閾在相同時間進行測量可獲得某閾值以上的全部粒子的波形信號。為使各閾值銜接良好，不致出現“斷層”，各上、下閾間有一定交疊，在數據處理中扣除重復記錄的波形。

實驗中，探測器距Am-Be源80 cm，如圖2所示，示波器采樣率為10 G/s，每個信號的時間長度為100 ns，即每個信號具有1 000個離散化采樣點，滿足數字化波形甄別算法的分析。設置5個交疊的閾值區間分段采集，每個閾值段采集1 min。為排除小信號噪聲干擾，在用示波器采集自組裝探測器信號時，最小閾值設置為50 mV，采集標準探測器信號時，最小閾值設置為100 mV。

圖2 示波器信號采集原理

2.2 結果分析

為分析不同方法的甄別效果，選擇一定能量段的粒子信號進行甄別。圖3為分別采用上升時間法、電荷比較法、脈沖梯度分析、頻率梯度分析等4種方法對自組裝EJ-301探測器輸出的1 000個粒子事件進行甄別處理的結果，信號峰值在150～430 mV(電子能量約353～834 keV)之間。圖4為采用4種甄別方法對BC501A標準探測器輸出的1 000個粒子事件進行甄別處理的結果，信號峰值在1～4.2 V(電子能量約562～2 254 keV)之間。

表1列出采用不同方法對兩種探測器信號算得的中子、γ數，并根據圖3、4中的事件數隨甄別參量的分布利用高斯雙峰擬合曲線求出了每種方法的品質因子(FOM)。品質因子是表征n/γ甄別能力的參數，其值為兩高斯峰的距離與兩高斯峰半高寬之和的比。

圖3 4種方法對1 000個EJ-301探測器事件信號甄別處理的結果

圖4 4種方法對1 000個BC501A探測器事件信號甄別處理的結果

表1 不同甄別方法的兩種探測器信號的n、γ數及品質因子

從甄別效果看，上升時間法的甄別效果最佳，電荷比較法和頻率梯度分析的甄別效果相當，脈沖梯度分析的甄別效果最差，這與甄別算法所利用的信號特征有關。由前述可知，中子、γ信號波形的差異主要集中在信號后沿的一段時間，上升時間法在甄別參數構造中兼顧了整個脈沖寬度，將兩種信號波形的差異最大化地體現出來。電荷比較法和頻率梯度分析主要利用信號后沿部分采樣點構造甄別參數，但電荷比較法在一定程度上將信號前沿部分的差異考慮在內，故電荷比較法的甄別效果略好于頻率梯度分析，但不及上升時間法。脈沖梯度分析只選用后沿某時刻的幅度作為甄別參量，甄別效果極大依賴于后沿時刻點的選擇，不能最大化地體現中子、γ信號的差異，所以脈沖梯度分析效果較其他方法的差。

從甄別結果的一致性看，對于1 000個粒子信號，4種方法判讀出的中子、γ數具有一致性。自組裝EJ-301探測器輸出的峰值范圍在150～430 mV的1 000個粒子事件中，約有250個中子事件；BC501A標準探測器輸出的峰值范圍在1～4.2 V的1 000個粒子事件中，有335個中子事件。兩探測器的中子數不一致是由信號的能量取值不同造成的，因為Am-Be源不同能量范圍的n、γ數之比不同，且兩探測器對信號的放大倍數(與光電倍增管的放大系數及閃爍體的光響應有關)也有差異。

從運算速度看，4種離線分析的數字化方法均能在2 s內給出處理結果。但當不同方法應用在實時甄別系統中時，由于4種方法甄別參數的構造不同，所占用的硬件資源量不同，實時處理速度有所不同。上升時間法、電荷比較法及脈沖梯度分析是時域上的分析方法，在基于FPGA的實時系統中只需計數器、環形存儲器、累加器、比較器等模塊即可完成甄別參數的獲取；頻率梯度分析需先對信號進行傅里葉變換，占用較多的硬件資源，在相同硬件條件下，處理速度不及時域分析方法。

綜合來看，上升時間法甄別效果最好，在實時甄別的硬件電路中處理速度快，是小型化實時甄別系統中甄別算法的理想選擇。

對于小幅度信號(低能粒子)，由于兩探測器的靈敏度不同，數字化甄別方法能甄別出粒子的最小電子能量也不同。自組裝探測器靈敏度較低，當探測器信號低于70 mV時，甄別方法不能區分出中子或γ，對應的最小電子能量約為215 keV；標準探測器靈敏度高，幾種甄別方法能區分出信號幅度為120 mV以上的粒子信號，對應的最小電子能量約為97 keV。

3 驗證實驗及分析

3.1 驗證實驗

采用Mesytec公司生產的MPD-4甄別單元驗證甄別方法的可靠性。MPD-4是一種基于模擬技術的四通道波形甄別單元，可配合液閃探測器進行粒子甄別。每個通道經探測器陽極輸入信號后可同時提供積分幅度譜(Amp)、過零時間信號(TAC，為n/γ甄別參數)以及門信號(Gate)。圖5為基于甄別插件MPD-4的CAMAC微機系統工作原理圖。

本方案中，將Gate送入扇入/扇出單元，一分為二，一路送入定標器A，一路送入后端邏輯單元。由于CAMAC系統的數據處理能力有限，當事件率太大時，會有一定的死時間，利用邏輯單元的Veto輸入(由ADC的Busy端輸出)，可使在其作用時間內后續門信號不起作用，以避免系統死機。這樣，定標器A記錄MPD-4處理的事件數，定標器B記錄ADC多道處理的事件數，相同時間內這兩個定標器的數值可用來計算多道單元的死時間。

MPD-4的閾值可在0～255這256個無單位數值內進行調節，為確定MPD-4的真實閾值(即該閾值信號輸入示波器時對應的幅度)，在同一閾值對示波器與MPD-4采集到的波形進行對比，采用如下方法對MPD-4的閾值進行標定。首先，保證采集時示波器的閾值遠小于MPD-4的閾值。采用示波器與圖5所示的系統

分別進行采集。對示波器采集到的波形進行數據處理，由小到大調整閾值，統計大于某一閾值的波形數，當波形數等于定標器A記錄事件的個數時，這一閾值即為MPD-4的真實閾值。在相同信號峰值范圍內比較示波器采集事件及CAMAC系統采集事件的n、γ數之比(n/γ數)，驗證數字化甄別方法的正確性。

探測器能量的標定借助于22Na、60Co、137Cs 3種放射源，通過電子能量-多道道址、MPD-4閾值-起始道址、MPD-4閾值-最小峰值3個線性關系式，確定電子能量-信號峰值的對應關系。

3.2 結果分析

表2列出了MPD-4的驗證結果，用兩種探測器分別進行了驗證，定標器和示波器的采集時間均為1 min，CAMAC系統采集時間為5 min。表中列出了MPD-4不同閾值對應的事件最小峰值、最小電子能量、示波器采集和CAMAC采集事件的n/γ數及誤差，并利用定標器A和定標器B的計數計算多道的死時間，示波器采集事件的n/γ數由上升時間法給出。表2中的最后一行是BC501A探測器前擋厚度為5 cm的鉛磚，屏蔽部分γ射線本底后得到的結果。

由表2結果可知，MPD-4的每個閾值對應一個最小峰值即最小電子能量，在同一探測器、確定閾值下，示波器采集事件的n/γ數與CAMAC系統采集事件的n/γ數一致，兩種方法測得的n/γ數最大誤差為4.32%，表明數字化波形甄別的結果是正確可靠的。雖然ADC多道單元有20%以上的死時間，但中子、γ是成比例舍棄的，對最終的n/γ數影響不大。同一探測器、不同閾值下的n/γ數不同，因為Am-Be源不同能量范圍的n/γ數不同；同一閾值、不同探測器下的n/γ數也不同，這與探測器對信號的響應能力有關，同一閾值雖然對應了同一最小峰值，但對應粒子的最小電子能量卻不同。

圖5 基于MPD-4的CAMAC系統工作原理

表2 MPD-4的驗證結果

在BC501A探測器前擋5 cm厚鉛磚，由于其對γ射線的屏蔽，n/γ數由0.350 3變為0.528 5，且數字化甄別結果和MPD-4甄別結果一致。所以，兩種方法算得的Am-Be源不同能量范圍內的n/γ數是可信的。這里要說明的是，由于本底的扣除要將中子源移開或對中子源進行足夠屏蔽，而實驗室條件是不允許的，因此，本實驗中未扣除本底。因本底大部分是γ射線，所以本工作中求得的n/γ數可能偏小。

4 結論

本文分別用上升時間法、電荷比較法、脈沖梯度分析和頻率梯度分析等4種數字化甄別方法，對EJ-301及BC501A液閃探測器獲得的Am-Be中子源波形信號進行了數據處理分析，并利用MPD-4波形甄別單元驗證了數字化方法的可靠性。研究結果表明，幾種甄別方法具有較好的一致性，且其與實驗結果在誤差范圍內有較好的一致性。從甄別效果看，上升時間法是一種效果優良的甄別方法，能最大化地利用中子、γ信號形狀的差異進行甄別，且該方法運算簡單，是基于FPGA的小型化實時甄別系統甄別算法的理想選擇。另外3種方法的有效性依次為：電荷比較法、頻率梯度分析與脈沖梯度分析。

感謝中國原子能科學研究院核物理研究所阮錫超研究員對數據獲取系統及測量方法提供的有益指導以及西北核技術研究所苗亮亮為使用Am-Be中子源提供的便利。

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