液体闪烁体探测器n／γ甄别方法的现状与发展

液体闪烁体探测器n／γ甄别方法的现状与发展 液体闪烁体探测器n,γ甄别方法的现状与 发展 第3O卷第6期 2010年6月 核电子学与探测技术 NuclearElectronics&DetectionTechnology V6L3ONo.6 June.20lO 液体闪烁体探测器n/y甄别方法的现状与发展 罗晓亮,刘国福,杨俊,林存宝 (国防科学技术大学仪器科学与技术系,湖南长沙410073) 摘要::n/T射线甄别是中子探测的一个关键技术.简要阐述了液体闪烁体探测器中利用脉冲形状 甄别n/T射线的基本原理,综述了传统的基于模拟技术的n/T射线甄别方法和近年来出现的基于数字 技术的n/T射线甄别方法,同时探讨了各种方法的原理和特点,并指出n/T射线甄别方法的发展趋势. 关键词:液体闪烁体探测器;n/T射线甄别;脉冲形状甄别 中图分类号:TL812+.2文献标识码:A文章编号:0258-0934(2010)06-0802-05 1931年,英国物理学家JamesChadwick 通过实验发现了中子的存在.此后几十年问, 中子探测技术得到了广泛而深入的研究和应 用.当前,中子探测技术已经广泛应用于测井, 违禁品检测,环境辐射检测,医学以及军事领 域.然而,由于中子与周围环境的非弹性散射, 慢化中子的辐射俘获等原因,存在中子的场合 几乎都伴随着大量的伽马射线本底[】].而许多 中子探测器对伽马射线又是灵敏的,因此为了 排除射线的干扰,中子与伽马射线(n/y)甄 别就成为了中子探测的一个关键技术. 液体闪烁体是将联三苯等发光物质溶解于 甲苯,二甲苯等液体溶剂中配置而成的.中子 和光子均呈电中性,可以通过与液体闪烁体 作用产生次级带电粒子而被探测到.对于液体 闪烁体探测器而言,n/v甄别方法的发展是与 电子器件和信号处理技术的发展相适应的.在 模拟信号处理占主导地位的时期,传统的n/y 甄别主要采用上升时间法[2-z],电荷比较法[4-5] 等基于模拟技术的方法.近年来,随着DSP (数字信号处理器)处理速度的大幅度提高,高 收稿日期:2010-01-21 作者简介:罗晓亮(1986--),男,福建龙岩人,硕士研 究生,从事中子探测技术研究. 802 速ADC(模数转换器)的出现,FPGA(现场可 编程门阵列)的高速发展,n/T射线甄别方法正 朝着数字化的方向发展.为此,国内外学者提 出了神经网络法[删,脉冲梯度法,小波变 换法[1引,相关法[1等基于数字技术的甄别方 法,大大提高了n/7甄别性能. 1n/射线甄别原理 由于液体闪烁体探测器具有良好的时间响 应特性和n/T射线甄别性能,且易于制备成各 种形状和大小,因此适合于n/T混合场中的中 子探测[1].如图1所示,典型的液体闪烁体探 测器装置由液体闪烁体,光导,光电倍增管和电 子仪器等组成.在实用中常将液体闪烁体,光 电倍增管,分压管及射极跟随器都安装在一个 暗盒中,统称为探头.电子仪器的组成单元则 根据闪烁探测器的用途而异,常用的有线性放 大器,单道或多道脉冲幅度分析器等. 液体闪烁计数器的工作原理可分为五个相 互联系的过程[1引: (1)当入射粒子进入液体闪烁体时,损失部 分或全部能量使液体闪烁体的分子或原子电离 和激发; (2)受激原子,分子退激时发射荧光光子; (3)利用反射物和光导将闪烁光子尽可能 多地收集到光电倍增管的光阴极上,由于光电 效应,光子在光阴极上击出光电子; (4)光电子在光电倍增管的各级打拿极上 倍增,最后电子流在阳极负载上产生电信号,通 液体闪 常为电压或电流脉冲; (5)此信号由前置放大器或射极跟随器输 出,被电子仪器和分析处理. 光阴极光电倍增管阳极射极跟随器 图1液体闪烁探测器的组成和工作原理 对于液体闪烁体而言,入射粒子激发的荧 光脉冲通常可用指数衰减的快,慢成分来表示. 在液体闪烁体中形成平均电离密度为p的带电 粒子所产生的光脉冲形状可描述如下: N()?N/(p)e~/+_l/rJ(1) t|tl 式(1)中N(f)是光子发射率随时间的变 化,(1D),NJ(1D)分别为一次闪光中快,慢成分 所包含的光子数,r,,分别为快,慢成分的衰 减时间.一般情况下,f,为ns量级,r』为s量 级.对同一闪烁体,快,慢成分的强度比与入射 粒子的类型有关.研究表明,中子与闪烁体作 用产生的荧光脉冲快成分的份额小,慢成分的 份额大,而7射线则恰好相反.因此,如图2所 示,中子与7射线在闪烁体中产生的脉冲形状 就有所不同.这些脉冲波形的差异可作为鉴别 粒子的根据.从根本上说,现有的n/T射线甄 别方法都是利用脉冲形状的不同来进行甄别 的. 2基于模拟技术的n/Y甄别方法 传统的n/y甄别主要采用上升时间法,电 荷比较法等基于模拟技术的方法,需要专用的 电子插件.虽然传统方法的n/甄别性能不 如数字化甄别方法,但在一般的应用中也能得 到比较满意的结果,所以依然在使用之中. 2.1上升时间法fi2-3] 由于中子和7射线在闪烁体中引起的荧光 图2不同粒子在闪烁体中的发光衰减曲线 的快,慢成分不同,光电倍增管输出的脉冲上升 时间必定有所差异.上升时间法将这种脉冲上 升时间的差异变成了脉冲幅度差异,它是由时 间幅度变换器来实现的[1引.其原理如图3所 示,光电倍增管输出的信号经基线恢复器分 两路分别送入下恒比定时甄别器(例如在脉冲 高度10处给出定时脉冲输出)和上恒比定时 甄别器(例如在脉冲高度90处给出定时脉冲 输出).基线恢复器用来消除基线漂移的影响, 以提高测量精度.上,下恒比定时甄别器输出 定时信号和.和在相加电路中相 加,输出信号.的宽度为两个定时信号 和之间的时间间隔,由时幅变换器变换成 信号,经线性门输出.所以输出脉冲 的幅度与输入信号的上升时间大小成正比, 通过比较脉冲的幅度就可以甄别中子和7 射线. 803 一一一一一一一一 基 一定时 一————输入?线 相加热———————-.-_————?-线性门恢厂.-1复 器 - qF恒比定时Jv:l—————— 图3上升时间法的原理框图 2O世纪7O年代我国原子能研究院研制出 了利用脉冲上升时间法分辨中子和7射线的中 子探测器,探头由蔗晶体和58AVP光电倍增 管组成.利用此n/甄别系统可把绝大部分 的7射线排除,漏人中子区的7射线不超过 3%E].在国外,ORTEC公司已根据这种方法 生产了商品化的仪器ORTE@552,也有不少实 验室将这种仪器用于快中子实验中的n/y甄 别. 2.2电荷比较法D-s] 上升时间法需要粒子甄别用的专用仪器. 在用几十个,甚至上百个中子探测器的大型实 验中,如此多的专用仪器不仅使电子线路非常 复杂,而且价格十分昂贵.电荷比较是适 用于大型实验的更经济,方便的好方法. 由于中子和7射线产生的光脉冲的快,慢 成分比例不同,因此它们相应于快成分(或慢成 分)的电荷与总电荷之比亦有差异.如图4所 示[1引,慢成分电荷O_s(或快成分电荷QF)和总 电荷Q是通过开门脉冲来得到的.QDC(电 荷数字转换器)将QS(或G-)和QT转换成数 字,用计算机数据获取系统记录下来.因此可 以通过比较不同带电粒子形成电荷脉冲的QS/ Q丁和QF/Qr的差异来鉴别带电粒子,也可以 配合ADC(模数转换器),关联慢(快)成分与能 量信号E,鉴别带电粒子. 3基于数字技术的n/Y甄别方法 近年来,高速ADC的出现使得完整记录 数字化脉冲波形成为可能,而DSP,FPGA等 数字器件的迅猛发展又为全数字化的n/7甄 别方法提供了必要的平台.与传统的模拟方法 相比,这些基于软件算法的数字化n/T甄别方 法大大提高了甄别性能,具有其不可比拟的优 势. 3.1神经网络法] 误差反向传播(Back-Propagation,BP)神 804 门 黾盥 ,// /一. 『 时间— 图4电荷比较法中的信号和门脉 冲之问的关系 经网络由于具有很强的非线性映射能力和灵活 的网络结构,在模式识别等领域得到了极其广 泛的应用.如图5所示,BP网络的结构具有输 出层,隐含层(可以一层或多层)和输出层. 输入层隐含层输出层 图5BP神经网络的结构 将BP神经网络应用于n/7射线甄别中主 要分为三步j: 步骤一:BP网络结构的确定.由于中子和 射线引起的脉冲在上升沿部分基本相同,而 下降沿部分却有很大的不同.为了减少输入的 样本数以减轻计算量,仅选取下降沿的样本. 大量的实验结果c9-]表明,脉冲波峰之后的2O , 4Ons之间的样本个数就足够进行n/7甄 别.文献E6]中的实验采用了8GSas-的采样 率,选取样本区间为32ns,得到了256个样本. 根据仿真结果,选取一个具有12个节点的隐 层.由于仅需要对中子和7射线两种类型进行 甄别,故输出层的节点数就选为1.因此BP网 络结构就确定为256X12×1的多层结构. 步骤二:BP网络的训练过程.将标准的中 子和7射线的脉冲波形分别作为输入的学习样 本,对应于这两种事件的网络输出设置为1和一 1.通过网络训练,确定网络各节点间的权值系 数. 步骤三:BP网络对样本的甄别.将待甄别 的脉冲波形输人BP网络,若网络输出大于0, 则判定为中子引起的脉冲;若网络输出小于0, 则判定为7射线引起的脉冲. 神经网络法与其他甄别算法最大的不同在 于无需提取脉冲信号的某种特征或设置阈值, 而是通过训练BP神经网络达到记忆,分类样 本的目的. 3.2脉冲梯度法[“](PulseGradientAnaly- sis,PGA) 由于中子和7射线的脉冲衰减时间不同, 脉冲梯度也就有所差异.在PGA法中,选取 脉冲波峰和波峰后的一个样本点来计算出脉冲 梯度,再利用脉冲梯度的不同来判别入射粒子 的类型.图6为根据Marrone模型口]作出的 中子和7射线的标准化脉冲. 馨 是 羞 霍 擘 图6中子和7射线的标准化脉冲 由图6中可以看出,脉冲梯度可表示为: m一? ay一 7n表示脉冲梯度;Y表示脉冲波峰的幅 度,Ya表示所选取的一个样本点的幅度;t,ta 分别表示脉冲波峰以及所选取的样本点发生的 时刻.在实际应用中,通常先将脉冲标准化,使 脉冲波峰的幅度为1,以消除脉冲幅度对脉冲 梯度的影响.大量实验表明,脉冲波峰与选取 的样本点之间的时间跨度?,的最优取值范围 是15~25ns,具体取值需根据闪烁探测器的材 料以及光电倍增管的特性来确定.当脉冲标准 化并确定后,式(2)中仅剩为唯一的变 量.所以实际上,在PGA法中只需要比较所 选取的样本点的幅度大小就可以甄别中子 和7射线,由此大大简化了算法.另外,由于 PGA法选取的样本点位于脉冲波形衰减的早 期,因此较不易受脉冲堆积的影响,可减少系统 的死时间. 3.3小波变换法[.] 小波变换由于在低频部分有较高的频率分 辨力和较低的时间分辨力,而在高频部分具有 较高的时间分辨力和较低的频率分辨力,被誉 为”数学显微镜”.设fit)是平方可积函数, (t)是母小波函数,则称:w,(口,6)一<厂,仇.6> 一 f?蓦,(t)’()dt为f(t)的小波变换. 4aI 式中口为尺度因子,b为反映时间位移. 由于闪烁探测器输出的脉冲是非平稳信 号,首先应将厂1<O.5的脉冲判 定为噪声加以排除;当0.5<<2,>1.15 或者别方法发展的主流趋势. 参考文献: [130.FKnolkRadiationDetectionandMeasurement EM].thirded.,NewYork,Wiley,2000. [2]CGuet,CSignarbieux,P.Perrin,eta1.Adetailed investigationofthetherma1neutroninducedternary . fissionof2.U[J].NuclearPhysics.A,1979,314 (1):1-4. [33uNowicki,EPiaseeki,J.Sobolewski,eta1.In— vestigationofpolaremissioninGand0.U-t-nth fission[J].NuclearPhysics.A,1982,375(2): 187—192. [4]F.nBrooks.Ascintillationcounterwithneutron andgamma-raydiscriminators[J].NuclearInstru— menspinall,XMa,eta1.Aninvestiga一 ? tionofthedigitaldiscriminationofneutronand rayswithorganicscintillationdetectorsusinganar— tificialneuralnetwork[J].NuclearInstruments andMethods.A,2009,607(3):62628. 806 [7]z.Cao,LF.Miller,M.Buckner.Implementa— tionofdynamicbiasforneutron-photonpulseshape discriminationbyusingneuralnetworkclassifiers [J].NuclearInstrumentsandMethods,A,1998, 3):438-445. 416(2— [8]BEsposito,eta1.Neuralneutron/gammadis— criminationinorganicscintillatorsforfusionappli— cations[C].IEEEInternationalJointConference onNeuralNetworks,2004:2931-2936. [9]13.D.Mellow,MDAspinall,R0.Mackin,eta1. DigitaldiscriminationofneutronsandT-raysinliq— uidscintillatorsusingpulsegradientanalysis[J]. NuclearInstrumentsandMethods.A,2007,578 (1):191-197. [10]MnAspinall,BI3.Mellow,RO.Mackin,et a1.Theempiricalcharacterizationoforganicliquid scintillationdetectorsbythenormalizedaverageof digitizedpulseshapes[J].NuclearInstrumentsand Methods.A,2007,578(1):261-266. [11]BI]LMellow.Digitalprocessinginneutron spectrometry[D].LancasterUniversity,2006. [12]MD.Aspinal1.Realtimedigitalassayofmixed radiationfields[D].LancasterUniversity,2008. [133&Yousefi,LLucehese,M13.Aspinal1.Digital discriminationofneutronsandgammaraysinliquid scintillatorsusingwavelets[J].NuclearInstru— mentsandMethods.A,2009,598(2):551-555. [143N.V.Kornilov,V.AKhriatchkov,MDunaev, eta1.Neutronspectroscopywithfastwaveform digitizerD].NuclearInstrumentsandMethods.A, 2003,497(2-3):467-478. [153汪晓莲,李澄,邵明,陈宏芳.粒子探测技术[M]. 合肥:中国科技大学出版社,2008. [16]丁大钊,叶春堂,赵志祥.中子物理学[M].北京: 原子能出版社,2001. [17]Then—TOFcollaboration,SMarrone,D.Cano~ ott,eta1.Pulseshapeanalysisofliquidscintillators forneutronstudies[J].NuclearInstrumentsand Methods.A,2002,490(1-2):299—307. (下转第762页,Continuedonpage762) 于馈人电压的峰值. 通过改变短路线的长度和特性阻抗,可以 调节双极脉冲的相对位置和双极脉冲幅值的比 率.这种脉冲波形的稳定性完全由高功率脉冲 源产生的单极脉冲的稳定性决定. 参考文献: [1]AndreevYuA,BuyanovYuI,EfremovAM,et a1.Highpowerultrawidebandelectromagneticra— diationgenerator[C]//.ThellthIEEEInterna— tionalPulsedPowerConference,Maryland,1997: 730-735. [2]ShpakVG,ShunailovSA,UlmaskulovMR,et a1.Generationofhighpowerbroadbandelectro- magneticpulsewithpdof100pps[C].The10th IEEEInternationalPulsedPowerConference.AI— buquerque,NewMexic0,1995:666-671. [3]DyadkovAN,IvanovSN,UImaskulovMR Pulsegeneratorswithsubnanosecondfrontson mercuryreedrelays[J].InstrumentsandExperi— mentalTechniques,1998,41(3):358-361. PSPICESimulationofBipolarPulseConverterBasedon Short-circuitedCoaxialTransmissionLine SHILei,FANYa-jun (NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an.710024.China) Abstract:TheoperatingprincipleofthebipolarpulseconverterbasedOnshort -circuitedcoaxialtransmis- sionlinetypeisgiven.TheoutputbipolarpulsesaresimulatedbyusingPSPIC Eprogramonconditionof differentelectriclengthanddifferentimpedanceoftheshort-cireuitedcoaxialtransmissionline.Thebipo一 1arpulsesaregeneratedbyusingunipolarpulsewithpulsewidthof2nsinexperiment,theexperimental resultfitwellwiththesimulationresult. Keywords:short—circuitedcoaxialtransmissionline,bipolarpulseconverter,unipolarpulse,bipolar pulse.PSPICEsimulation (上接第806页,Continuedfrompage806) DevelopmentoftheDiscriminationofNeutronsand GammaRaysinLiquidScintillators LUOXiao-liang,LIUGuo-fu,YANGJun,LINCun-bao (DepartmentofInstrumentScienceandTechnology,Natiom@University ofDefenseTechnology,Changsha410073,China) Abstract:Thediscriminationofneutronsandgammaraysisakeytechniqueinthefieldofneutrondetec— tion.Ithasdiscussedthebasicprincipleoftheneutrons/T-raysdiscriminationmakinguseofthepulse shapeinliquidscintillatorsbrieflyandsummarizedtheconventionalanalogtechniquesandrecentdigital techniquesonwhichtheneutrons/’/..raysdiscriminationisbased.Theprincip leandfeatureofeachtech—? niquehasbeenanalyzedandthedevelopmenttrendofneutrons/’/--raysdiscriminationhasalsobeenpros-- pected. Keywords:liquidscintillators,neutrons/’/-raysdiscrimination,pulseshaped iscrimination 762 gt;2,>1.2时,可判定为中子产生的 脉冲;其余情况判定为7射线产生的脉冲.由 于小波变换甄别方法中的信号特征是在与两个 低频成分相关的尺度512和1024上提取的,而 噪声大部分集中在信号的高频部分,所以小波 变换甄别方法与基于时域的甄别方法相比具有 较强的抗噪声能力. 4结论 作为传统的n/射线甄别方法,脉冲上升 805 1.2 1.别方法发展的主流趋势. 参考文献: [130.FKnolkRadiationDetectionandMeasurement EM].thirded.,NewYork,Wiley,2000. [2]CGuet,CSignarbieux,P.Perrin,eta1.Adetailed investigationofthetherma1neutroninducedternary . fissionof2.U[J].NuclearPhysics.A,1979,314 (1):1-4. [33uNowicki,EPiaseeki,J.Sobolewski,eta1.In— vestigationofpolaremissioninGand0.U-t-nth fission[J].NuclearPhysics.A,1982,375(2): 187—192. [4]F.nBrooks.Ascintillationcounterwithneutron andgamma-raydiscriminators[J].NuclearInstru— menspinall,XMa,eta1.Aninvestiga一 ? tionofthedigitaldiscriminationofneutronand rayswithorganicscintillationdetectorsusinganar— tificialneuralnetwork[J].NuclearInstruments andMethods.A,2009,607(3):62628. 806 [7]z.Cao,LF.Miller,M.Buckner.Implementa— tionofdynamicbiasforneutron-photonpulseshape discriminationbyusingneuralnetworkclassifiers [J].NuclearInstrumentsandMethods,A,1998, 416(2—3):438-445. [8]BEsposito,eta1.Neuralneutron/gammadis— criminationinorganicscintillatorsforfusionappli— cations[C].IEEEInternationalJointConference onNeuralNetworks,2004:2931-2936. [9]13.D.Mellow,MDAspinall,R0.Mackin,eta1. DigitaldiscriminationofneutronsandT-raysinliq— uidscintillatorsusingpulsegradientanalysis[J]. NuclearInstrumentsandMethods.A,2007,578 (1):191-197. [10]MnAspinall,BI3.Mellow,RO.Mackin,et a1.Theempiricalcharacterizationoforganicliquid scintillationdetectorsbythenormalizedaverageof digitizedpulseshapes[J].NuclearInstrumentsand Methods.A,2007,578(1):261-266. [11]BI]LMellow.Digitalprocessinginneutron spectrometry[D].LancasterUniversity,2006. [12]MD.Aspinal1.Realtimedigitalassayofmixed radiationfields[D].LancasterUniversity,2008. [133&Yousefi,LLucehese,M13.Aspinal1.Digital discriminationofneutronsandgammaraysinliquid scintillatorsusingwavelets[J].NuclearInstru— mentsandMethods.A,2009,598(2):551-555. [143N.V.Kornilov,V.AKhriatchkov,MDunaev, eta1.Neutronspectroscopywithfastwaveform digitizerD].NuclearInstrumentsandMethods.A, 2003,497(2-3):467-478. [153汪晓莲,李澄,邵明,陈宏芳.粒子探测技术[M]. 合肥:中国科技大学出版社,2008. [16]丁大钊,叶春堂,赵志祥.中子物理学[M].北京: 原子能出版社,2001. [17]Then—TOFcollaboration,SMarrone,D.Cano~ ott,eta1.Pulseshapeanalysisofliquidscintillators forneutronstudies[J].NuclearInstrumentsand Methods.A,2002,490(1-2):299—307. (下转第762页,Continuedonpage762) 于馈人电压的峰值. 通过改变短路线的长度和特性阻抗,可以 调节双极脉冲的相对位置和双极脉冲幅值的比 率.这种脉冲波形的稳定性完全由高功率脉冲 源产生的单极脉冲的稳定性决定. 参考文献: [1]AndreevYuA,BuyanovYuI,EfremovAM,et a1.Highpowerultrawidebandelectromagneticra— diationgenerator[C]//.ThellthIEEEInterna— tionalPulsedPowerConference,Maryland,1997: 730-735. [2]ShpakVG,ShunailovSA,UlmaskulovMR,et a1.Generationofhighpowerbroadbandelectro- magneticpulsewithpdof100pps[C].The10th IEEEInternationalPulsedPowerConference.AI— buquerque,NewMexic0,1995:666-671. [3]DyadkovAN,IvanovSN,UImaskulovMR Pulsegeneratorswithsubnanosecondfrontson mercuryreedrelays[J].InstrumentsandExperi— mentalTechniques,1998,41(3):358-361. PSPICESimulationofBipolarPulseConverterBasedon Short-circuitedCoaxialTransmissionLine SHILei,FANYa-jun (NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an.710024.China) Abstract:TheoperatingprincipleofthebipolarpulseconverterbasedOnshort-circuitedcoaxialtransmis- sionlinetypeisgiven.TheoutputbipolarpulsesaresimulatedbyusingPSPICEprogramonconditionof differentelectriclengthanddifferentimpedanceoftheshort-cireuitedcoaxialtransmissionline.Thebipo一 1arpulsesaregeneratedbyusingunipolarpulsewithpulsewidthof2nsinexper iment,theexperimental resultfitwellwiththesimulationresult. circuitedcoaxialtransmissionline,bipolarpulseconvert Keywords:short— er,unipolarpulse,bipolar pulse.PSPICEsimulation (上接第806页,Continuedfrompage806) DevelopmentoftheDiscriminationofNeutronsand GammaRaysinLiquidScintillators LUOXiao-liang,LIUGuo-fu,YANGJun,LINCun-bao (DepartmentofInstrumentScienceandTechnology,Natiom@University ofDefenseTechnology,Changsha410073,China) Abstract:Thediscriminationofneutronsandgammaraysisakeytechniqueinthefieldofneutrondetec— tion.Ithasdiscussedthebasicprincipleoftheneutrons/T-raysdiscriminationmakinguseofthepulse shapeinliquidscintillatorsbrieflyandsummarizedtheconventionalanalogtechniquesandrecentdigital techniquesonwhichtheneutrons/’/..raysdiscriminationisbased.Theprincip leandfeatureofeachtech—? niquehasbeenanalyzedandthedevelopmenttrendofneutrons/’/--raysdiscri minationhasalsobeenpros-- pected. Keywords:liquidscintillators,neutrons/’/-raysdiscrimination,pulseshaped iscrimination 762