本發(fā)明屬于核輻射測(cè)量和粒子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，可用于α/γ混合輻射場(chǎng)的粒子實(shí)時(shí)分辨。

背景技術(shù)：
α/γ射線入射到CsI(Tl)閃爍探測(cè)器上，形成的光電脈沖信號(hào)形狀不同，波形甄別是根據(jù)信號(hào)形狀的差異來(lái)判別入射粒子種類的核物理診斷技術(shù)，在暗物質(zhì)探測(cè)、中微子探測(cè)、深空探測(cè)及核反應(yīng)微分截面測(cè)量中有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)方式的波形甄別基于模擬電子技術(shù)，需要專用的核儀器插件或采用微機(jī)自動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)，雖能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)甄別，但儀器復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、脈沖計(jì)數(shù)率低、穩(wěn)定性差，且甄別方法單一。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展為波形甄別開(kāi)辟了嶄新空間，基于數(shù)字化的思想，首先對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣，然后送入上位機(jī)進(jìn)行離線甄別。這使得用示波器等數(shù)字化儀器替換龐大的模擬插件成為可能，大大縮小了系統(tǒng)規(guī)模，并且甄別方法更加靈活，但這種方式不能實(shí)時(shí)輸出甄別結(jié)果，甄別效率低。數(shù)字化的信號(hào)處理是核物理診斷技術(shù)的發(fā)展方向，便攜式、實(shí)時(shí)化的波形甄別能夠有效內(nèi)嵌在基于數(shù)字化的核物理電子學(xué)系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)模擬方式相比省去了大量的硬件部分，與數(shù)字式離線甄別方式相比大大提高了波形甄別的速度和精度，具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決傳統(tǒng)波形甄別方式的系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差及數(shù)字化離線波形甄別方式的效率低下等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法，利用脈沖后沿信號(hào)積分量與總信號(hào)的積分量實(shí)現(xiàn)α/γ數(shù)字化波形的實(shí)時(shí)甄別。本發(fā)明的技術(shù)解決方案：基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法，其特殊之處在于：所述實(shí)時(shí)甄別方法所用的設(shè)備包括摻鉈碘化銫無(wú)機(jī)閃爍探測(cè)器、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA及上位機(jī)，所述摻鉈碘化銫無(wú)機(jī)閃爍探測(cè)器依次通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路及FPGA與上位機(jī)連接，甄別的步驟具體如下：1)α/γ射線入射到摻鉈碘化銫無(wú)機(jī)閃爍探測(cè)器上，采集摻鉈碘化銫無(wú)機(jī)閃爍探測(cè)器的陽(yáng)極信號(hào)，經(jīng)14bit、100MSPS的AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號(hào)；2)FPGA對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)閾值判斷，閾值預(yù)設(shè)為數(shù)字化幅度值，取值范圍為8500-9500，對(duì)滿足閾值條件的信號(hào)進(jìn)行分流處理，其中有一路為甄別數(shù)據(jù)流；3)從甄別數(shù)據(jù)流中提取波形甄別參數(shù)，送入串口發(fā)送模塊，發(fā)送給上位機(jī)；4)上位機(jī)接收甄別參數(shù)并顯示甄別參數(shù)二維分布及α/γ甄別譜。上述步驟2)具體如下：2.1)將數(shù)字化信號(hào)送入FPGA中的FIFO緩存，逐點(diǎn)讀取FIFO數(shù)字化采樣值；2.2)若采樣點(diǎn)的幅值超過(guò)預(yù)設(shè)的觸發(fā)閾值，則判斷在該采樣點(diǎn)后的連續(xù)5個(gè)采樣點(diǎn)值是否均超過(guò)觸發(fā)閾值；2.3)若是，則從第一個(gè)滿足閾值條件的采樣點(diǎn)開(kāi)始，連續(xù)將276個(gè)采樣點(diǎn)存儲(chǔ)在與采樣長(zhǎng)度相同長(zhǎng)度的寄存器組中，供后續(xù)處理；若否，則不進(jìn)行存儲(chǔ)；2.4)讀取寄存器組中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，其中一路送入算法甄別模塊，用于提取甄別參數(shù)。上述步驟3)具體如下：3.1)取第261至276個(gè)采樣點(diǎn)為基線信號(hào)，取數(shù)字化平均值作為基線平均值，記為Vbase-line；3.2)將第1至260個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)字化幅值累計(jì)相加，減去260個(gè)基線平均值，得到波形甄別參數(shù)之一總信號(hào)積分量，記為q_total；3.3)將信號(hào)峰值后第50至199個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)字化幅值累計(jì)相加，減去150個(gè)基線平均值，得到波形甄別參數(shù)之二后沿信號(hào)積分量，記為q_slow；3.4)將總信號(hào)積分量q_total及后沿信號(hào)積分量q_slow通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上述步驟2)中滿足閾值的信號(hào)進(jìn)行分流處理，其中有一路為計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)流，所述計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)流用于顯示事件計(jì)數(shù)。上述步驟1)中還包括信號(hào)調(diào)理的步驟，具體是：將摻鉈碘化銫無(wú)機(jī)閃爍探測(cè)器的陽(yáng)極信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字化采樣。上述FPGA選用內(nèi)嵌AlteraCycloneIVEP4CE115F29型的DE2-115開(kāi)發(fā)板，所述AD轉(zhuǎn)換電路選用內(nèi)嵌14位的AD9524型ADC的AlteraDataConversionHSMC采集卡。上述FPGA選用內(nèi)嵌AlteraCycloneIVEP4CE115F29型的DE2-115開(kāi)發(fā)板，所述AD轉(zhuǎn)換電路選用內(nèi)嵌14位的AD9524型ADC的AlteraDataConversionHSMC采集卡。上述步驟1)中還包括信號(hào)調(diào)理的步驟，具體是：將摻鉈碘化銫無(wú)機(jī)閃爍探測(cè)器的陽(yáng)極信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字化采樣。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所具有的有益效果：1、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)波形甄別方式的體積龐大、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)和不足，使甄別系統(tǒng)便攜、穩(wěn)定性好。2、本發(fā)明克服了數(shù)字化離線波形甄別效率低下的缺點(diǎn)，能實(shí)時(shí)甄別，計(jì)數(shù)率達(dá)3×105/s，實(shí)時(shí)甄別品質(zhì)因子大于1.4。3、本發(fā)明的甄別方法簡(jiǎn)單、可靠，可嵌入到數(shù)字化核電子學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)成小型化的核電子儀器。附圖說(shuō)明圖1是歸一化后的α、γ粒子在CsI(Tl)探測(cè)器中的脈沖波形；圖2是本發(fā)明提出的基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明提出的基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法的設(shè)計(jì)原理圖；圖4是用本發(fā)明提出的基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法實(shí)驗(yàn)測(cè)量的原理圖；圖5-13分別是采用不同的信號(hào)長(zhǎng)度和后沿長(zhǎng)度進(jìn)行甄別的波形甄別參數(shù)的兩維分布；圖14是用本發(fā)明提出的基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法得到的α/γ甄別譜。具體實(shí)施方式下面從本發(fā)明的原理出發(fā)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法進(jìn)一步介紹：CsI(Tl)是摻鉈碘化銫無(wú)機(jī)閃爍晶體，密度大，平均原子序數(shù)高，發(fā)射光譜峰在540nm～550nm間。CsI(Tl)晶體與光譜響應(yīng)相匹配的光電倍增管耦合在一起，構(gòu)成CsI(Tl)無(wú)機(jī)閃爍探測(cè)器。當(dāng)α和γ入射CsI(Tl)探測(cè)器，兩種粒子在CsI(Tl)中的電離密度不同。α粒子入射閃爍體時(shí)，能量沉積密度較大，激發(fā)的熒光脈沖衰減時(shí)間較短；而伽馬射線入射時(shí)，能量沉積密度較小，激發(fā)的熒光脈沖衰減時(shí)間較長(zhǎng)。這樣，α、γ在CsI(Tl)中的發(fā)光衰減時(shí)間不同，由光電倍增管輸出的α、γ的單粒子信號(hào)波形也就不同，波形甄別就是根據(jù)信號(hào)形狀的差異來(lái)判別入射粒子的種類，圖1是歸一化后的α、γ粒子在CsI(Tl)探測(cè)器中的脈沖波形，可看到，α、γ信號(hào)都是微秒量級(jí)，但γ信號(hào)要比α信號(hào)的衰減時(shí)間長(zhǎng)，據(jù)此，可甄別α、γ信號(hào)。圖2是本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、算法執(zhí)行及參數(shù)接收軟件等構(gòu)成，F(xiàn)PGA是算法執(zhí)行中的主控制器和數(shù)據(jù)處理器。探測(cè)器輸出的陽(yáng)極信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊放大、濾噪，轉(zhuǎn)為差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化實(shí)時(shí)甄別。FPGA選用內(nèi)嵌AlteraCycloneIVEP4CE115F29型的DE2-115開(kāi)發(fā)板；AD轉(zhuǎn)換模塊選用內(nèi)嵌14位的AD9524型ADC的AlteraDataConversionHSMC采集卡，AD9524工作在100MSPS采樣率下。參數(shù)接收軟件基于RS232串口、由VisualBasic6.0開(kāi)發(fā)，能將接收到的甄別參數(shù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在mdb格式數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，并能調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)顯示甄別參數(shù)二維分布和甄別譜。圖3是本發(fā)明提出的基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法的設(shè)計(jì)原理圖，包括PLL_1、Charge_Comparison_Method和Uart_RS232等3個(gè)模塊。PLL_1是時(shí)鐘模塊，利用FPGA內(nèi)部的鎖相回路為其它模塊提供固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)。以DE2-115開(kāi)發(fā)板的50MHz晶振為輸入時(shí)鐘，經(jīng)倍頻和分頻后，PLL_1輸出分別為0度相位和180度相位的100MHz頻率的時(shí)鐘信號(hào)以及1.84MHz頻率的時(shí)鐘信號(hào)。Charge_Comparison_Method模塊是甄別算法的核心部分，以數(shù)字化后的14位數(shù)據(jù)為輸入，輸出包括表征兩信號(hào)間隔的計(jì)數(shù)器信號(hào)counter_distance[31..0]、用以記錄事件個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器信號(hào)counter_event[19..0]，以及總信號(hào)積分量q_total[15..0]和后沿信號(hào)積分量q_slow[15..0]。該模塊執(zhí)行的算法包括如下步驟：(1)將數(shù)字化信號(hào)送入FPGA中的FIFO緩存，逐點(diǎn)讀取FIFO數(shù)字化采樣值；(2)若采樣點(diǎn)的幅度超過(guò)預(yù)設(shè)的觸發(fā)閾值，則判斷在該采樣點(diǎn)后的連續(xù)5個(gè)采樣點(diǎn)值是否均滿足閾值條件；(3)若滿足，則從第一個(gè)滿足閾值條件的采樣點(diǎn)開(kāi)始，連續(xù)將276個(gè)采樣點(diǎn)存儲(chǔ)在相同長(zhǎng)度的寄存器組中，供后續(xù)處理；若不全部滿足閾值條件，則不進(jìn)行存儲(chǔ)。步驟(2)和步驟(3)中的閾值判斷可以減少FPGA的資源占用，提高處理速度，抑制大量的小幅度噪聲和基線噪聲，并且可以抑制由光電倍增管快脈沖噪聲(脈沖信號(hào)半寬約10ns)引起的誤觸發(fā)。(4)讀取寄存器組中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，一路送入事件計(jì)數(shù)模塊，輸出記錄事件個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器信號(hào)counter_event[19..0]，并在液晶模塊顯示事件計(jì)數(shù)；(5)取第261至276個(gè)采樣點(diǎn)為基線信號(hào)，取數(shù)字化平均值作為基線平均值，來(lái)消除基線噪聲對(duì)總信號(hào)積分量及后沿信號(hào)積分量的影響；(6)將第1至260個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)字化幅值累計(jì)相加，減去260個(gè)基線平均值，得到波形甄別參數(shù)之一：總信號(hào)積分量q_total[15..0]；(7)將信號(hào)峰值后第50至199個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)字化幅值累計(jì)相加，減去150個(gè)基線平均值，得到波形甄別參數(shù)之二；后沿信號(hào)積分量q_slow[15..0]，信號(hào)峰值為276個(gè)采樣點(diǎn)中的最大值；Uart_RS232模塊通過(guò)RS232串口將甄別參數(shù)q_total[15..0]和q_slow[15..0]送入上位機(jī)采集軟件。RS232串口使用的比特率為115200bps，在Uart_RS232模塊中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)雙端口RAM，Charge_Comparison_Method模塊發(fā)送來(lái)的甄別參數(shù)在100MHz時(shí)鐘控制下寫(xiě)入雙口RAM，當(dāng)雙口RAM寫(xiě)滿，在1.84MHz時(shí)鐘控制下向上位機(jī)傳送16位RAM數(shù)據(jù)。串口發(fā)送模塊可將消除了基線影響的甄別參數(shù)(總信號(hào)積分量、后沿信號(hào)積分量)通過(guò)基于VB語(yǔ)言的串口采集軟件傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并能用圖形實(shí)時(shí)顯示甄別結(jié)果。計(jì)數(shù)器信號(hào)counter_distance[31..0]用來(lái)控制甄別參數(shù)寫(xiě)入RAM中的時(shí)間點(diǎn)。圖4是用本發(fā)明提出的基于數(shù)字化波形實(shí)時(shí)甄別α/γ混合輻射場(chǎng)粒子的方法實(shí)驗(yàn)測(cè)量的原理圖：直徑30mm、厚度35mm的圓柱形CsI(Tl)無(wú)機(jī)晶體與9813型光電倍增管直接耦合構(gòu)成CsI(Tl)探測(cè)器。探測(cè)器將陽(yáng)極信號(hào)送入ADC，F(xiàn)PGA接收ADC數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)甄別。RS232串口將甄別參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，JTAG鏈用來(lái)將實(shí)時(shí)甄別算法下載到FPGA。實(shí)驗(yàn)中，采用的γ源為60Co(活度為104Bq)，α源為241Am(活度為105Bq)。圖5-13分別是采用不同的信號(hào)長(zhǎng)度和后沿長(zhǎng)度進(jìn)行甄別的波形甄別參數(shù)的兩維分布，坐標(biāo)數(shù)值是數(shù)字化單位，僅表示大小，對(duì)象是采集到的2000個(gè)γ粒子和2000個(gè)α粒子，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示：表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表2給出了每一種參數(shù)設(shè)置下的甄別品質(zhì)因子，品質(zhì)因子是表征α/γ甄別能力的參數(shù)，其值為甄別譜(見(jiàn)圖14)上兩高斯峰的距離與兩高斯峰半高寬之和的比，品質(zhì)因子越大，代表甄別效果越好。表2不同參數(shù)設(shè)置下的甄別品質(zhì)因子(“\”代表甄別不出兩種粒子)由圖5-13及表2可以看出：a、信號(hào)長(zhǎng)度一定時(shí)，后沿信號(hào)區(qū)間末端固定，起始端越靠后，甄別效果越好，因?yàn)椴ㄐ蔚牟町愔饕w現(xiàn)在信號(hào)后沿離峰值較遠(yuǎn)的一段區(qū)間，隨著起始端遠(yuǎn)離峰值位置，不同粒子信號(hào)后沿的特征得到加強(qiáng)，從而使甄別效果變好；b、信號(hào)長(zhǎng)度一定時(shí)，后沿信號(hào)區(qū)間起始端固定，末端越靠后，甄別效果越好，這也同樣是由于a中所述原因，末端越靠后，不同信號(hào)的后沿特征越明顯；c、信號(hào)長(zhǎng)度不同，后沿區(qū)間一定時(shí)，后沿信號(hào)積分量在總信號(hào)積分量中占的比重越大，甄別效果越好；在信號(hào)長(zhǎng)度為2.6μs、后沿長(zhǎng)度為峰值后第50-199個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)對(duì)α/γ粒子的甄別效果最佳，甄別品質(zhì)因子可達(dá)1.4152，甄別譜如圖14所示。橫軸為后沿信號(hào)積分量與總信號(hào)積分量的比值，無(wú)單位，縱軸為事件計(jì)數(shù)，單位為個(gè)，圖中α和γ各2000個(gè)事件，在該最優(yōu)參數(shù)設(shè)置下，F(xiàn)PGA在接收到滿足閾值條件的260個(gè)采樣點(diǎn)序列(信號(hào)長(zhǎng)度2.6μs)后，能在后續(xù)的40個(gè)時(shí)鐘周期(0.4μs)內(nèi)將甄別參數(shù)傳送到上位機(jī)，即實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)能在3μs內(nèi)給出單粒子信號(hào)的甄別參數(shù)，事件計(jì)數(shù)率可達(dá)3×105/秒，甄別結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。從以上分析來(lái)看，后沿信號(hào)的區(qū)間選擇是影響該方法甄別效果的關(guān)鍵因素，后沿區(qū)間長(zhǎng)，并且遠(yuǎn)離信號(hào)峰值位置，會(huì)得到好的甄別效果。但是，在特定信號(hào)長(zhǎng)度下，長(zhǎng)的后沿區(qū)間和遠(yuǎn)離峰值位置是相互矛盾的，在實(shí)際的參數(shù)設(shè)置時(shí)，要權(quán)衡二者的關(guān)系，盲目?jī)?yōu)化單一的參數(shù)，得不到理想的甄別效果。