低噪声波形数字化电路的研制

由于电子学噪声的存在,往往会影响核信号测量的精度。为了解决降低电路本底噪声这一难点,从减小模拟电路噪声、降低数字电路和电源干扰方面对低噪声波形数字化电路的设计进行了研究。研制和实现噪声水平为0.120 mV的低噪声波形数字化电路,利用该电路和高纯锗探测器搭建了能谱测量系统。对152EU放射源进行能谱测试,在778.9 keV处测得的能量分辨率为0.29%,结果优于高精度示波器HDO6104,达到了国外商用数字化仪的性能。     

探测器信号波形离散序列的多项式与双指数曲线拟合及其在数字化核能谱中的应用

对NaI(Tl)探测器输出的信号进行波形采样,获得信号幅度随时间变化的离散时间序列。基于非线性最小二乘原理,采用多项式和双指数拟合方法,对信号波形离散时间序列进行拟合,根据拟合曲线提取信号幅度。获得了137Csγ射线的数字化γ能谱。分别对多项式拟合和双指数拟合方法获得的数字化能谱与传统模拟多道系统的能谱进行了比较,结果表明,在50 MHzAD采样率下,数字化能谱的能量分辨与传统多道系统能量分辨相当甚至更优。     

参数最优化数字核能谱获取系统研究

为建立最优能量分辨的数字化核能谱装置,探讨了一种参数最优化数字核能谱获取系统的设计原理及软件实现,通过对核信号预采样和自学习,给出最优化滤波方案和前端条件线路最佳参数。与相同条件下模拟多道系统获取的能谱相比,该数字化能谱获取系统优于模拟系统。     

NaI晶体谱仪采集X射线能谱测量方法研究

为准确测量轫致辐射X射线能谱,利用NaI晶体谱仪对于测量光子的能谱展宽效应,结合理论模拟分析,提出了采用变能量矩阵求解法实现X射线能谱的重建。该方法通过合理选择能量区间,可有效消除能谱响应矩阵中各矢量的相关性,从而实现能谱的准确重建。并分别以均匀能谱分布和实际轫致辐射X射线能谱为例,进行了X射线的能谱重建。获得结果与原始能谱的相关性约为0.98。     

HPGe测量连续硬X射线能谱的解谱方法研究

结合数值模拟得到的单能光子在HPGe探测器上能量响应函数，用改进的剥谱法对测量得到的连续硬X射线能谱进行解谱。扣除测量谱中康普顿、反散射等效应产生的计数对测量能谱的影响，得到了仅反映探测器对光电效应的能量响应的能谱。最后，通过效率修正，完成了测量谱到实际能谱的还原,为连续硬X射线能谱解析提供了可靠方法。     

基于LabVIEW的核脉冲信号获取与数字处理系统设计

基于LabVIEW研发一套核脉冲信号高速采集与数字化处理系统,通过PXIe-5122高速采集卡获取核脉冲信号,以Lab VIEW与MATLAB相结合的方式实现其数字成形,堆积识别以及幅度提取,进而获取其能谱信息。平台可在同一界面下,实现原始核信号、数字成形信号与能谱信息的显示与存储,经测试:该平台测量¹³⁷Cs(NaI)γ能谱的能量分辨率为7.2%,测量⁵⁵ Fe(Si-PIN)特征X射线的能量分辨率为180 eV,系统稳定性良好,为核脉冲信号处理方法的研究与平台研制提供了参考。     

数字化能谱获取中梯形成形研究

在数字化能谱采集系统中,往往需要添加适当的脉冲成形算法对数字化核信号进行处理,以提升系统能量分辨率等指标。梯形成形算法因具有实现简单、成形脉冲窄等诸多优势而得到广泛的应用。从探测器输出的脉冲信号进行数学模型建立及简化出发,对信号模型的梯形成形算法进行分析讨论,并利用Simulink在现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)上实现并改进梯形成形算法,通过实验测试了成形算法的可行性及其在能谱测量过程中对能量分辨率的提升。     

铀矿伽马能谱测井核脉冲信号数字化处理技术

在铀矿勘查中,可采用伽马能谱测井获取钻孔地层的铀、钍含量。相对于传统的模拟构架,基于数字化核脉冲信号处理技术构建的伽马能谱测井仪具有计数率高、信号噪声低和稳定性好等优点。通过采用核脉冲信号数字化处理技术,实现了伽马能谱的数字化采集,在放射性勘查模型井上进行了测试。混合模型的能谱测量铀、钍含量与标称含量的误差均小于5%,符合铀矿伽马能谱测井相关规范要求。     

基于静电分析器的全自动高精度能谱测量系统

本文实现了一种基于静电分析器的全自动高精度能谱测量系统,并成功用于微团簇离子束同石墨烯薄膜相互作用的实验研究。基于该高精度能谱测量系统,研究了1.8 MeV的H⁺₂微团簇同4层石墨烯薄膜的相互作用过程,测量了库仑爆炸后的质子能谱和透射的H⁺₂能谱,实现了全自动的能谱采集,极大提高了数据获取速度,降低了实验误差。测量结果表明,该系统在H⁺₂的入射能量1.8 MeV处的能量分辨约为0.6 keV,对于下一步开展基于加速器的高精度能谱测量研究具有重要意义。     

航空伽玛能谱测量系统标定技术与标定程序

航空伽玛能谱测量是直接寻找铀矿和进行区域地质调查的重要技术手段,在地质勘探、环境辐射评价、核应急和军控核查等方面具有重要作用。航空伽玛能谱仪探测K、U、Th核素衰变系列的伽玛射线窗口计数,要将测量计数率换算成地面放射性核素含量就需要对航空伽玛能谱测量系统进行标定,系统标定是航空伽玛能谱测量中最为复杂的程序,也是航空伽玛能谱测量的一项关键技术。论文系统介绍了目前中国国土资源航空物探遥感中心实施的航空伽玛能谱测量系统标定技术及相应的标定程序,这对理解航空伽玛能谱测量及资料应用具有实际意义。     

大体积NaI(Tl)数字式车载γ能谱仪的研制

车载γ能谱仪主要应用于区域放射性核素活度测量、放射源搜索及核污染检测,而数字化技术是提高车载γ能谱仪灵敏度与快速响应的有效方法。本文研制了可支持1～5个4 L大体积NaI(Tl)的数字式车载γ能谱仪系统。该系统采用数字核脉冲处理技术独立获取多个NaI（Tl）晶体的能谱,并通过无线WiFi、快速以太网、RS232等3种方式发送谱线数据给军用计算机。本系统在计算机上实现了实时核素识别、数字成图、色差能谱显示、ROI监控、数据回放等功能。结果表明,本系统采用数字技术后提升了车载γ能谱仪的能量分辨率、低能射线识别度和能量线性度,且具备更加稳定精确的数字稳谱效果。该系统不仅可用于放射性资源勘查,也可用于快速核应急、核污染检测、放射源搜索等。     

基于Si-PIN探测器的电流型计数式α粒子测量

为解决基于Si-PIN探测器的传统计数型粒子测量系统在测量低强度脉冲辐射场时存在的计数率低和不能直接测量粒子时间信息的问题,提出了电流型计数测量方法。其原理是对电流型Si-PIN探测器在粒子入射时输出的脉冲信号进行线性放大和高速数字化,并使用数字信号处理算法进行数据分析以获得粒子测量信息。利用电流型Si-PIN探测器、电流型前置放大器和高带宽数字示波器组建了电流型计数测量系统,并在241 Am-244 Cm和239 Pu源上开展了α粒子测量实验。实现了脉冲幅度谱和粒子入射时间的联合测量,同时利用FIR及IIR型数字滤波器改善了能谱测量的能量分辨率。系统的最大计数率达2×106 s-1,适用于低强度脉冲辐射场测量。     

数字快成形算法用于慢衰减闪烁体的高计数率能谱读出

慢衰减型闪烁体(NaI(Tl)、CsI(Tl)等)探测器经过前放输出的脉冲信号具有较长的上升时间,造成电荷在收集的过程中出现严重的弹道亏损。在后续脉冲成形中为了降低弹道亏损对能量分辨率的影响,一般采用较宽的成形平顶来增加电荷的收集时间。但在高辐射粒子注量率的场合下,由于慢衰减型闪烁体输出的脉冲堆积严重,采用传统的滤波成形方式获得的脉冲计数率和能量分辨率明显降低。为解决此问题,本文提出了一种以数字反褶积为核心的数字快成形算法。该算法可去掉慢衰减型闪烁体探测系统的衰减电流拖尾,获得一理想的冲激脉冲电流,然后再通过滤波成形为一窄脉冲,并彻底消除弹道亏损的影响。通过对~(137) Csγ源测量,使用传统成形算法的能谱测量系统在成形时间为1.5μs时,其光电峰能量分辨率为6.99%,计数率为68 000s~(-1);而使用数字快成形系统,在相同情况下获得6.37%的能量分辨率,计数率可达102 000s~(-1)。因此数字快成形算法可有效地修复在高辐射粒子注量率下,窄脉冲成形引起的信号变形和拖尾,从而提高了脉冲堆积甄别能力。     

核信号数值仿真方法的研究及应用

提出并建立了一种数值仿真方法,通过计算机模拟,生成各种数字化核信号波形,以此作为工具开展核信号数字处理方法的研究.通过准高斯滤波、梯形滤波和匹配滤波算法对数字核信号处理结果的研究与比较表明,提出的方法是准确而可行的.     

基于FPGA的高速峰值检测

针对研发数字多道的实际需求,提出了一种基于FPGA的高速峰值检测技术,并且采用ARM+FPGA的架构实现了基于该技术的数字多道系统。通过Modelsim仿真分析了FPGA峰值检测算法的理论,该算法可精确获取高斯信号的最值并获得幅度值。最后通过CZT探测器进行~(241)Am源实测γ射线能谱,实验结果表明该峰值检测算法及数字多道系统设计可准确并且快速获得能谱图。通过合理设置峰值检测算法的高低阈值,可以测试不同基线值的前放信号。     

基于BEPC Ⅱ的数字束流位置探测器信号处理算法的FPGA实现

数字束流位置探测器(BPM)算法是数字BPM系统最核心的部分,其对束流位置测量的精度起决定作用。本文在完成数字BPM算法MATLAB模拟工作的基础上,将模拟优选出的数字BPM算法在自制的电子学硬件上进行FPGA实现。首先介绍了数字BPM算法的总体设计和实现方案;其次介绍了数字BPM算法各功能模块的设计原理及其在FPGA中的具体实现方法;最后在输入信号频率499.8 MHz、强度-10 dBm、BPM探头灵敏度系数23的条件下进行了实验室测试。实验结果显示：逐圈位置分辨达2.96 μm,快响应位置分辨达0.65 μm,闭轨位置分辨达0.33 μm,验证了本算法在束流位置测量中具有良好性能。     

剂量仪中数字滤波器设计

单探测器宽量程剂量仪测量范围能超过8个数量级,远大于常规脉冲计数法的剂量仪。在单探测器宽量程剂量仪中,平均等待时间的计算误差直接关系到最终辐射强度或剂量率的计算精度。平均时间求取的实质是采用低通滤波器处理等待时间。信号处理领域中成熟的数字滤波器设计的基础是信号频谱分析,没有考虑核探测中的随机因素,由其设计的滤波器不能同时提高响应速度与测量精度这两个指标。针对单探测器宽量程剂量仪测量等待时间与数字滤波器设计方法的特点,本文提出了基于多目标粒子群优化的滤波器设计方法。理论分析与实验结果均表明：与传统方法所设计的滤波器相比,本文方法所设计的滤波器在相同测量精度条件下具有最快的响应速度;在相同响应速度条件下,具有最高的测量精度。本方法适用于设计宽量程剂量仪或其他类型辐射测量装置的数字滤波器。     

4π(PPC)X-γ数字符合法测量88Y活度

本文介绍了采用4π(PPC)X-γ数字符合测量装置绝对测量⁸⁸Y放射性活度的方法。为提高对X射线的探测效率,实验采用高气压正比计数器,测量比较了甲烷和氩甲烷作为其工作气体的坪曲线,后者具有探测效率高、起始坪电压低的优势,因此采用氩甲烷为工作气体。采集原始谱数据后,选择不同的感兴趣γ窗进行离线数字符合计算,并分析了效率外推的结果和测量的不确定度。     

基于能谱等效的合金补偿方法研究

针对连续能谱X射线厚度测量中的合金补偿问题,利用能谱等效思想,根据单能射线下合金补偿系数与射线能量之间及连续能谱射线下合金补偿系数与材料厚度之间均存在单值对应关系,以合金补偿系数为参考,将连续能谱射线下的合金补偿问题转化为单能射线下的合金补偿问题。提出了系统标定、厚度标定、单能标定及能量等效的具体方案。利用蒙特卡罗程序建立了适用于X射线厚度测量的仿真模型,对能谱等效结果进行了验证。结果表明,30种不锈钢材料板按能谱等效结果进行合金补偿后,厚度测量相对误差90%以上小于0.1%,表明基于能谱等效思想的合金补偿方法可行性高、适用性广。该方法中的能谱等效结果对连续能谱射线硬化研究有参考意义。