一种高计数率下的伽马能谱测量方法

技术领域

本发明涉及能谱测量技术领域，特别是涉及一种高计数率下的伽马能谱测 量方法。

背景技术

能量参数是核辐射所发射粒子或者射线的重要参数之一，在原子核物理的 基础研究及核辐射测量的各种应用中，获取射线的能量信息，即测量核辐射能 量或核辐射强度随能量的分布关系（即能谱），具有重要意义。

常规能谱测量方式是采用基于电离辐射的谱仪，如碘化钠谱仪、高纯锗谱 仪等。基于电离辐射的谱仪具有能量测量精度高、系统设计模块化，可以开发 便携式产品等优点，是最为常用的能谱测量手段。常规谱仪主要包括探测器、 前置放大器（简称前放）、主放大器（简称主放）和多道幅度分析器（简称多 道）等。其中，探测器用于将射线沉积能量转换为电信号。前放紧邻探测器放 置，用于放大探测器输出电信号并对其进行积分。主放用于对前放输出信号进 行成形和滤波，多道用于采集主放输出信号幅度，并对其数字化，同时依据数 字的大小选择相应的存储道址。为了保证系统输出信号的幅度正比于入射射线 能量，前放被设计成积分式放大器件，其输出脉冲宽度在百微秒到毫秒量级， 主放输出脉冲宽度一般在微秒量级。另外，多道系统的模拟数字转化过程也需 要几十微秒的时间。

在目前的技术水平下，探测器输出脉冲宽度一般都在百纳秒水平。因此， 整个谱仪系统的响应时间主要由前放、主放及多道系统决定，约为百微秒（10^-4s）量级。因此其可测射线计数一般率在10⁴cps以内。

在各种短寿命核的能谱测量、高强度辐射场能谱测量以及瞬发伽马中子活 化分析等研究工作中，为了在较短的时间内获取到统计分析的计数积累，需要 一种能够在10⁵cps，甚至是10⁶cps高计数率条件正常工作的高计数率谱仪系 统。通常的高计数率能谱技术发展思路主要是采用物理电子学的新技术，改善 前放、主放和多道数字化等组件的响应时间，常用的改进方式有采用晶体管复 位前级放大器技术、时间脉冲可变的成形放大器技术、基于滑动定标逐步接近 原理的模拟数字转换器技术、多道缓冲存储计数等。经过改进的高技术率谱仪， 可以在10⁴cps～10⁵cps下工作，但是这些改进，常常是以牺牲系统能量分辨率 为代价的，计数率在10⁵cps以上时，系统的能谱分辨率将难以保证。

通过对传统谱仪系统中各组成部分输出信号特性的分析可以知道，在目前 的技术水平下，传统谱仪系统计数率的限制因素主要在前放、主放及多道等电 子学线性电路部分，因此，如果舍弃谱仪中的传统电子学部分，基于数字信号 处理技术，采用直接将探测器输出电流脉冲信号(或经电流型前置放大器放大 后的电流脉冲信号)数字化，并对数字化波形进行分析处理进而获得能谱的谱 仪设计方法，电子学系统对谱仪高计数率的限制因素将大大降低，从而大大提 升谱仪系统的计数率限制。

近年来随着数字信号处理技术的快速发展，利用高速模拟数字转换(ADC) 和现场可编程逻辑门阵列技术(FPGA)技术可为脉冲信号数字化和数据采集、分 析提供强大支持。当前ADC器件可达到5GS/s采样率和16位分辨，即实现每 0.2ns完成一次数字化。在谱仪系统中，为保证波形测量的准确性（直接关系 到测量能谱的能量分辨率），要求达到一定数目的波形采样点。当波形内采样 点数为50时，即可得系统电子学部分的响应时间最短为10ns，假若选择响应 时间常数与之相当的闪烁探测器，则整个系统的响应时间约为几十纳秒，理论 对应最高计数率为10⁸cps。考虑到射线入射事件时间分布的随机性后，系统 可达到的最高计数率约在10⁶～10⁷cps。另外由于高速采集和转换电路对探测器 输出信号畸变较小，信号中的信息保存较为完整，能谱测量结果主要取决于后 端数据处理算法，因此即使在高计数率条件下，该系统也能够保证较高的能量 分辨率。

发明内容

为了克服传统电子学系统对谱仪测量计数率的限制，解决常规高计数率谱 仪能量分辨率难以保证的问题，本发明提供了一种适用于高计数率及常规计数 率的射线能谱测量方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种高计数率下的伽马能谱测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】获得探测器输出电流信号的积分电荷量与射线能量的转换关系：

1.1】分别放置若干能量已知的射线源，使探测器正对射线源；

1.2】将探测器输出信号直接转换为数字信号；

1.3】从数字信号中提取有效脉冲信号；

1.4】计算有效脉冲信号的峰下积分面积，即获得与射线源能量相对应的 探测器信号的积分电荷量；

2】探测器正对待测射线源；

3】将探测器输出电流信号直接转换为数字信号；

4】从数字信号中提取有效脉冲信号；

5】计算有效脉冲信号的峰下积分面积，得到待测射线源输出信号的积分 电荷量；

6】根据步骤1】获得的探测器信号的积分电荷量与射线能量的转换关系， 将待测射线源输出信号的积分电荷量转换成射线能量，统计不同能量的射线计 数，从而得到待测射线源的测量能谱。

上述将探测器输出电流信号直接转换为数字信号之前还包括采用低噪声 电流型放大器对探测器信号进行放大的步骤。

上述统计不同能量的射线计数的具体步骤为：根据测量精度将所测能量范 围划分为若干的区间，[0，E1,E2,…,Emax],对所有的入射粒子，根据其能量 值大小，将其划分到对应能量区间中，统计每个能量区间内的粒子数目，即得 到待测射线源的测量能谱。

上述从数字信号中取得有效脉冲信号是通过数字滤波方法的方法降低噪 声，剔除波形相互干扰或者重叠的信号；

所述待测射线源是X射线、α粒子、稳态源产生的伽马射线或者单次可重 复产生的伽马射线；

所述探测器是具有纳秒级～百纳秒快时间的半导体探测器或闪烁体探测 器；

所述将探测器输出信号直接转换为数字信号是采用高速模拟数字转换电 路、高速模拟数字转换模块或高采样率数字示波器。

上述数字信号处理器件采用复杂可编程逻辑器件、现场可编程逻辑门阵列 电路或计算机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.采用直接数字信号处理技术，省去了传统谱仪电子系统，使谱仪测量 事件率提高到10⁶cps或更高。

2.在事件率为10⁶cps或更高的测量条件下，测量能谱依然能够保证优良 的能量分辨率指标。

3.系统结构简单，成本低，可以便携化，易于推广应用。

附图说明

图1是本方法的原理示意图；

图2是本方法的应用实例示意图；

图3是本方法测量得到的¹³⁷Cs源产生的伽马射线能谱；

附图标记如下：1-放射源，2-屏蔽体，3-探测器，4-示波器，5-计算机， 6-高压电源。

具体实施方式

下面通过实例对本发明进一步说明。

高计数率下的伽马能谱测量方法，首先将探测器输出与高速模拟数字转换 器件输入相连接，高速模拟数字转换器件输出与数字信号处理器件输入相连 接。

在测量前采用若干能量已知的射线源对系统进行刻度，得到信号积分电荷 量与射线能量的转换关系。

然后将探测器的输出电流信号直接转换为数字信号，数字信号处理器件对 转换后的数字信号进行处理，提取出表征待测射线能量的信息，给出待测射线 的能量幅度谱。

图2是本发明的一个应用实例示意图。待测射线为9居里¹³⁷Cs放射源产生 的662keV伽马射线，探测器有效端面正对射线出射方向。探测器采用φ50mm 的溴化镧(LaBr₃:Ce)闪烁探测器，其输出脉冲信号宽度约20ns，探测器的光 电倍增管采用高压电源供电，光电倍增管工作电压为-1000V。高速模拟数字 转换器件采用5GS/s采样率4104型数字示波器。探测器输出端与示波器输入 端采用同轴信号电缆相连接。数字信号处理以及示波器控制采用计算机软件实 现。计算机与示波器采用网线连接进行数据交换，数据处理为离线方式。

采用标准电离室测量探测器位置处的伽马射线照射量率，换算出¹³⁷Cs源伽 马射线在溴化镧探测器灵敏体积上所产生的事件率为8.47×10⁵cps。实验表 明，该溴化镧探测器与常规谱仪电子学系统组成的谱仪在计数率为0.9×10⁴cps时，死时间约为28%，计数率为1.8×10⁴cps时，死时间达到43%，且分 辨率下降严重，对于当前实验条件下的计数率，常规谱仪已无法正常工作。

探测器的输出电流信号由高速示波器自动采集转换为数字信号传输到计 算机并存储在计算机硬盘中。随后编写相应的分析软件读取数字信号，完成数 字滤波、剔除重叠信号、识别有效信号等过程，对于有效信号，计算出其峰下 积分面积。该积分面积代表了探测器输出信号的电荷量，探测器输出信号电荷 量与入射射线的能量成正比，通过统计不同电荷量信号的个数，可以得到待测 伽马能谱。

统计不同能量的射线计数的具体步骤为：根据测量精度将所测能量范围划 分为若干的区间，[0，E1,E2,…,Emax],对所有的入射粒子，根据其能量值大 小，将其划分到对应能量区间中，统计每个能量区间内的粒子数目，即得到待 测射线源的测量能谱。

图3给出了本方法测量得到的¹³⁷Cs源产生的伽马射线能谱。可以计算出， 当前系统对662keV伽马峰的能量分辨率为5.1%，而低计数率(10²cps)下测 得该溴化镧探测器与常规电子学系统组成的谱仪对662keV伽马峰的能量分辨 率在4%～5%之间，由此可见在高计数率下本系统依然可以保证较好的能量分辨 率。

高计数率测量是指待测射线在探测器中产生的事件率为10⁴～10⁶cps或更 高，同时本方法对10⁴cps以下的常规计数率测量也同样适用。

射线是稳态源产生的或单次可重复产生的伽马射线，本方法也适用于X射 线、α粒子等。

探测器应是具有纳秒级～百纳秒快时间的半导体探测器或闪烁体探测器。

当探测器输出信号较低不满足高速模拟数字转换器件要求时，可采用低噪 声电流型放大器对探测器信号进行放大，再进行模拟数字转换处理。

高速模拟数字转换器件可以采用高速模拟数字转换电路、高速模拟数字转 换模块或高采样率数字示波器等。

数字信号处理器件可以采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程逻辑 门阵列(FPGA)电路或计算机等。

数字信号处理步骤包括：

a.通过数字滤波方法降低噪声，剔除波形相互干扰或者重叠的信号；

b.对于有效脉冲信号，计算其信号峰面积，即信号的积分电荷量；

c.将信号的积分电荷量转换成射线能量，统计不同能量的射线计数，从 而得到射线的测量能谱。

数字信号处理有在线方式、离线方式以及在线离线相结合的方式。在线方 式即实时处理高速模拟数字转换器件的输出信号，给出测量能谱；离线方式即 将高速模拟数字转换器件的输出信号先存储到存储器中，再由数字信号处理器 件读出并处理。