基于小波变换的双指数信号高斯脉冲成形算法研究

高斯脉冲具有信噪比高、弹道亏损小的优点，因此，在核辐射测量系统中常将核辐射探测器输出信号成形为高斯波形。核辐射探测器实际输出的核脉冲信号更接近于双指数信号，因此在小波变换的基础上，利用卷积运算的微分特性，提出了双指数信号高斯脉冲成形算法，并建立了成形系统的冲激响应。采用模拟核脉冲信号，从时域和频域两方面研究了成形参数对成形脉冲形状、滤波特性的影响规律；采用FAST硅漂移探测器（Silicon Drift Detector,SDD）测量标准Mn样品获得实测核脉冲信号，分别进行高斯脉冲成形算法和梯形脉冲成形算法处理，并生成能谱；通过对比5.89 keV特征峰峰面积、能量分辨率，研究两种成形算法在能量分辨率和堆积脉冲分离方面的性能。结果表明：当达峰时间为3.2～6.4μs时，两种成形算法所得能谱的能量分辨率最佳，此时，两者之差小于5 eV；在相同达峰时间条件下，高斯脉冲成形算法的堆积脉冲分离能力优于梯形脉冲成形算法。     

实时核信号数字化脉冲成形关键技术研究

本文对理想核脉冲信号和实际探测器输出信号分别进行了计算机模拟仿真与分析,总结了不同成形时间的核脉冲信号的数字梯形成形参数的确定方法。在高计数率场合时提高了有效测量计数率,消除了部分脉冲的堆积并减少了系统死时间。同时,采用256点和512点数字三角成形方法测试了Si-PIN半导体探测器的性能,并与模拟电路成形方法进行了对比测试。测试结果表明,脉冲数字成形处理方法提高了探测器计数率和分辨率。     

基于数值微分核脉冲信号数字处理方法

核反应堆核测量系统测量探测器输出的核脉冲信号,该信号后沿拖尾很长,在计数率较高时容易产生信号堆积和基线漂移等问题,导致源区计数率测量上限仅能达到105 Hz左右。文中基于数值微分方法,采用数字处理技术,在时域上分析了核脉冲信号经过前置放大、信号成形、低通滤波和脉冲甄别后的输出,并利用探测器实测信号进行了仿真。仿真结果表明,基于数值微分的数字处理方法可以实现相邻0.4 μs脉冲信号的识别和测量,将源区测量计数率上限提升到2×106 Hz以上。      

核脉冲计数数据采集系统研制

为满足核辐射探测器输出脉冲信号数据采集的需求,基于西门子PLC(S7-200)高速计数器HC4、HC5,研发了核脉冲计数数据采集系统。根据S7-200内嵌高速计数器原理,设计了周期脉冲计数数据采集实验,实验发现符合TTL标准的脉冲信号并不一定能被PLC高速计数器正确进行计数率测量。为此特别设计的甄别电路,满足了核辐射探测器输出信号经过放大器与甄别电路后转换为适合S7-200高速计数器HC4和HC5的输入信号。此外利用S7-200丰富的指令系统,执行核脉冲计数率连续测量和数据处理,并通过文本显示单元完成系统数据实时显示,实现了对核脉冲计数数据采集。     

用于核反应测量的脉冲波形数字甄别系统设计方案

针对核物理实验对核反应测量脉冲波形甄别系统的性能要求,提出了基于多片高速A/D和高端FPGA的数字化脉冲波形甄别系统设计方案。高速A/D完成对探测器输出波形信号的数字化,而后通过可编程的方式在FPGA内部采用先进的数字信号处理算法完成对信号的甄别,可以解决模拟电子线路对超大信号难以处理的问题,进而对探测器输出不同粒子特征进行准确提取,实现准确实时地触发高速数据采集主板系统。     

基于共振的激光脉冲飞行时间测距时刻探测技术

提出了一种基于共振的激光脉冲飞行时间测距时刻探测技术.通过理论分析了单极性准高斯脉冲通过RLC振荡电路后成形的双极性脉冲特性,结果表明,成型后的双极性脉冲信号的过零点与输入信号的幅值无关,因而消除了信号幅度变化对定时精度的影响.介绍了脉冲激光飞行时间探测电路设计,测量了双极性脉冲波形和经过时刻甄别电路后的输出波形,其单次时间测量精度优于67 ps,能够满足高精度脉冲激光测距的要求.     

基于Flash ADC的闪烁探测信号测量装置研制

介绍了一种基于Flash ADC和FPGA的探测器信号测量装置,此装置基于高速ADC对信号波形进行数字化采样,通过FPGA逻辑对波形进行缓冲存储和数字化分析,获得探测信号的幅度、时间、脉冲形状等信息,应用USB接口或光纤接口实现与计算机的数据通讯。该装置可实现对多种常规探测器输出信号进行采集,并实现脉冲形状分析功能。文中首先对装置的硬件组成和软件设计进行了详细描述,之后给出了测量装置实物照片,并通过一个测试实例展示了它的脉冲信号测量和波形甄别功能。     

基于FPGA的单光子脉冲信号发生器设计

针对光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)批量测试实际需求和单光电子谱精确测试光源的要求,通过对光电倍增管性能测试系统进行分析,设计制造了一种多通道输出可调的脉冲信号发生器的控制板,可用于光电倍增管单光电子谱的性能测试。该脉冲信号发生器在上升时间、下降时间等参数性能方面优于目前测试系统采用的商用信号源RIGOO-DG5352 350 MHz。用此脉冲信号发生器对光电倍增管进行单光电子测试,其输出信号能满足单光子测试的基本要求,利用其多路信号输出的特点,通过性能扩展即可用于光电倍增管的批量测试。     

逆滤波器法在能谱测量中的应用

由于传统测量能谱的方法是采用单道、多道的方法,其有一定的分辨时间,并且无法克服相近脉冲的叠加效应,提出了采用逆滤波器法测量能谱的方法。该方法将探测器系统看作具有某一传递函数的线性系统,对探测器系统的输出进行采样,构造系统的离散逆系统,使采样信号通过逆系统,即可取得原始入射粒子的能量与入射时间。仿真结果表明,采用该方法不仅能准确测量原始入射射线的能量,并能测出其入射时间,克服了传统单道、多道进行能谱测量的一些缺点。     

核辐射堆积脉冲数字化判别

基于探测器能量收集特性及探测器输出脉冲的时间-幅度变化关系,研究提出用二项高斯公式拟合其变化曲线,根据拟合的6个参数判别脉冲是否堆积及其堆积形式。通过实际采集的脉冲信号验证了该方法的正确性。     

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。     

BaF2闪烁体探测器信号数字化方法研究

应用数字化方法对BaF₂闪烁体探测器脉冲信号进行了研究,信号的测量通过FADC和计算机系统实现,并对所采集的脉冲波形进行了离线分析。通过计算脉冲波形的面积提取了射线的能量信息,重建了能谱,并与传统电子学模拟信号测量方法得到的能谱进行了比较;应用过阈定时方法提取了脉冲的时间信息,测量并给出了4πBaF₂探测器系统的时间分布谱;应用脉冲形状甄别法对α粒子和γ射线进行了鉴别研究,根据脉冲信号快/慢成分比的差别清楚地将α粒子从γ射线中鉴别开来。本工作为在γ全吸收型4πBaF₂探测器系统中应用FADC进行多通道、多参数、大数据量数字化数据获取积累了经验。     

一种快速准确有效的面积谱获取方法

在脉冲辐射测量中,为了获取精确的辐射脉冲面积谱需要完整的脉冲信号信息,针对普通数字化多道无法实现直接对辐射探测器输出的脉冲信号进行完整采集,介绍了一种快速准确有效的辐射脉冲信号面积谱获取方法。通过结合高采样高带宽率数字示波器和仪器远程控制、数据采集处理上位机软件,可实现对高计数率、高宽带的脉冲信号实现自动采集,并利用软件批处理的方式实现数据的重建和面积信息获取,最后完成脉冲信号面积谱的自动统计生成,可大大提高辐射脉冲测量工作的效率。     

ICF中子飞行时间测量电路设计与实现

在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)实验中,为诊断等离子体区域温度信息,需要通过中子飞行时间法测量中子的能谱,即转化为对探测器的输出信号相对于激光同步脉冲的延迟时间进行精确测量。本文介绍了一种对中子飞行时间进行高精度测量的设计方案,该方案采用恒比定时方法(Constant Fraction Discriminator,CFD)对探测器输出信号进行定时,并利用德国ACAM公司生产的TDC-GP21芯片进行精确时间测量。基于该方案完成的测量电路电子学分辨时间在1 500 ns量程内均优于200 ps。同时,其电子学分辨时间加上探测器分辨时间典型测量结果为217.5 ps。     

双脉冲法精确测量PMT脉冲线性电流的实验设计

PMT脉冲线性电流是PMT在脉冲工作方式下的重要参数,它直接关系到实验结果的可靠性。本文对比各种测量PMT脉冲线性电流方法的优缺点,从提高测量精度方面考虑,设计了基于双脉冲法的测量PMT脉冲线性电流的实验,通过挑选稳定性高的LED作为光源,利用DG2020信号发生器给LED灯供电,采用通道循环功能加长信号时间间隔,使用分路输出到两台示波器接收信号,应用示波器多次采集自动取平均的功能等方法在实验细节上进行设计,提高测量精度。通过实验测到了PMT脉冲输出电流偏离线性直线1%处的电流,并获得了PMT脉冲输出的mA级至A级电流全曲线。     

基于基线自动恢复技术的数字多道能谱仪

不同放射性强度的测量应用中,探测器输出核脉冲信号的基线将发生漂移,进而造成多道能谱仪的谱线漂移和能量分辨率损失。尽管采用数字基线估计方法可以对核脉冲信号的基线进行正确估计,但纯数字基线恢复算法无法有效处理核脉冲信号基线漂移对前端电路的影响。采用最小平均值基线估计方法,先在现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)中进行数字基线估计;然后通过SPI总线将基线估计值传入微控制器(Micro-Controller Unit,MCU),MCU根据基线值判断是否进行基线调节,将基线估计值传入数模转换器(Digital-to-analog Converter,DAC);最后在前端电路中实现核脉冲信号的基线恢复。基于La Br3(Ce)探测器的测试结果表明:采用该基线自动恢复技术的数字化多道能谱仪能够实现核脉冲信号的基线自动恢复。在高放射性测量条件下,测量系统能够解决因基线漂移引起的谱线漂移问题,使系统能量分辨率保持稳定。     

用于γ辐射场测量的差分电离室的设计

设计了一种用于测量γ辐射场的高气压差分电离室。采用双电离室、单输出的探头结构和添加铅屏蔽体相结合的方法,实现了强γ辐射场中特定方位γ辐射信号的差分测量技术。通过蒙特卡罗模拟和试验测试,在探头外包裹锡带的探测器获得了较好的能量响应线性。同时,还介绍了与差分电离室相配套的弱信号放大电路的设计。     

一种用于核电站硼浓度测量远距离传输快响应前置放大器的研制

论文介绍了一种基于CPNB24涂硼计数管输出的小电流脉冲信号远距离传输快响应前置放大器的研制及性能测试结果。通过辐射探测器输出的小电流脉冲信号的远距离传输与放大,硼浓度得以快速准确地测量。为了后续计算堆芯硼浓度,该快速响应的前置放大器通过约100 m的低噪声同轴电缆与探测器连接。文中给出了该前放的基本原理图及测试方法及结果。     

宽量程核测量系统中裂变室输出信号的仿真研究

为建立一个实验室可用的宽量程核测量系统输入信号,本工作进行了宽量程核测量系统中裂变室输出信号的仿真研究,完成了裂变室输出的单个脉冲信号和脉冲叠加信号的仿真计算,并实现了仿真结果的物理输出,为宽量程核测量系统的算法设计和调试打下了基础。     

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。