一种小型闪烁体探测器的信号处理方法和装置与流程

本发明属于核辐射探测技术领域，具体是一种小型闪烁体探测器的信号处理方法和装置。

背景技术：

塑料闪烁体探测器由于其制作简单、加工方便、具有较好的光传输性能和耐辐射性能等特性而广泛应用于辐射探测领域。与其它的探测器相比，塑料闪烁体探测器的具有以下特点：探测效率较高；可用于测量能谱；即可探测带电粒子也可用于探测不带电粒子；时间特性好，往往能实现纳秒量级的时间分辨。

塑料闪烁体探测器主要包括了塑料闪烁体、光电转换装置和后端的电子学系统，有的塑料闪烁体还配备光导实现位置分辨或达到高的光收集效率。塑料闪烁体探测器所探测到的电脉冲信号不仅包括了真实事件信号，还掺杂了大量的噪声信号。

时间符合测量技术是利用信号的时间特征，将有时间关联的事件挑选出来。对于长条形闪烁体来说，同一粒子信号会在闪烁体两侧输出端输出光信号，且两信号之间存在一定的时间关联。对于尺寸较大的单长条形的闪烁体可通过两端信号的时间关联特征进行信号符合，可以实现cm量级的位置甄别和真事件挑选。而当塑料闪烁体尺寸较小、所处辐射场较弱的情况下，真实信号很容易被背景噪声所淹没，无法实现有效探测和能谱测量。此时，需要对真实信号进行筛选和处理。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种小型闪烁体探测器的信号处理方法和装置，采用时间符合方法处理所获取的粒子信号，以提取真事件信号、抑制噪声并结合最优化平均算法实现了测量能谱的优化。

为了达到上述的发明目的，本发明提供一种小型塑料闪烁体探测器的信号处理方法，包括：

获取小型塑料闪烁体探测器的两端信号；

获取不同时间窗符合后的信号和闪烁体探测器探测效率的关系；

根据时间窗符合后的信号和闪烁体探测器效率之间的关系得到最佳的数据符合时间窗区间，所述最佳数据筛选区间为两端信号的符合时间窗大于15ns；

同时获取不同时间窗符合后两端信号的能谱；

根据不同时间窗信号符合后能谱关系优化最佳筛选区间，所述优化后的最佳数据删选区间为两端信号的符合时间窗为15ns；

在探测器数据采集时，根据所述符合时间窗对所采集的数据进行筛选和处理。

进一步地，

所述时间窗符合后的信号和闪烁体探测器探测效率的关系包括：根据闪烁体探测器两端获取的信号时间差即时间窗进行信号的符合，绘制多个符合时间窗与探测效率的曲线图；

所述不同时间窗符合后两端信号能谱包括：在对探测器两端标定的前提下，分别获得两端得到的能谱分别为e1、e2，根据光传输理论推导，可使用最优平均化算法对双端能谱进行合并获得探测器输出能谱；

所述不同时间窗信号符合后能谱关系包括：根据闪烁体探测器两端获取信号的时间差进行信号符合，绘制多个符合时间窗的能谱图。

本发明提供一种小型闪烁体探测器的信号处理装置，所述装置包括：

双端信号采集单元，主要用于采集闪烁体探测器两端的电子学信号；根据获取的两端信号的时间关联，绘制多个时间窗条件下的探测效率曲线；同时采用最优化平均算法绘制不同符合时间条件下的能谱曲线，提取特征峰值；

符合时间窗筛选单元，根据不同时间窗符合后的信号和闪烁体探测器探测效率的关系、和能谱的关系获得并优化最佳信号筛选区间，所述最佳信号筛选区间为两端信号时间差即时间窗为15ns；

事件筛选单元，主要用于根据最佳的信号符合时间窗对采集信号进行筛选和处理。

本发明的一种小型闪烁体探测器的信号处理方法和装置，实现小型闪烁体探测器的两端信号输出。通过最佳符合时间窗设计后端符合电路，有效抑制了噪声信号的干扰。本发明的方法设计了最优平均化能谱合并算法，优化能谱，凸显能谱的特征参数。本发明的方法和装置适用于尺寸较小塑料闪烁体探测器及辐射场较弱的测试研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作一简单地介绍。显而易见，这些附图仅是本发明的部分实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其他附图。

图1是本发明实施例一种塑料闪烁体探测器的系统框图；

图2是本发明实施例一种塑料闪烁体探测器中直接到达与多次反射信号并延时后的

对比图；

图3是本发明实施例小型塑料闪烁体探测器的信号处理方法的基本流程示意图；

图4是本发明实施例塑料闪烁体内部光传输示意图；

图5是本发明实施例1小型塑料闪烁体探测器的信号处理方法的流程示意图；

图6是本发明实施例1不同符合时间下真事件探测效率变化曲线；

图7是本发明实施例1不同符合时间下对双端能谱进行最优平均化合并后的co-60

γ能谱；

图8是本发明实施例1单端输出、同样尺寸的小型塑料闪烁体探测器输出能谱；

图9为本发明实施例1双端输出的小型塑料闪烁体探测器两端信号相加后获得能谱；

图10为本发明实施例1双端输出的小型塑料闪烁体探测器两端信号通过最优化平

均算法后获得的能谱；

图11为本发明实施例2中小型塑料闪烁体探测器的信号处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和效果更加清楚。完整，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

塑料闪烁体探测器是利用粒子在与闪烁体材料相互作用产生的闪烁光在闪烁体中传播并最后到达光电转换装置转变为电信号的装置，因此，利用光转换为电信号的特征可实现标的探测。常见采用双端读出的塑料闪烁体探测器多为长条形，尺寸在米量级，其目的是为了减少光的传输衰减和实现位置分辨，而小型的闪烁体探测器均为单端读出，由于小型的塑料闪烁体探测效率较低，在被测辐射场较弱时，真实信号被噪声信号淹没，无法实现辐射场能谱的有效探测。

因此，本发明实施例首先提供了一种信号双端输出的小型闪烁体探测装置，整个探测系统框图，参见图1，包括：

小尺寸塑料闪烁体产生闪烁光、两端的光电倍增管用于收集光信号并转化为电信号放大、供电模块为光电倍增管供电、前置放大模块及后续的数字化用于信号的进一步放大和数字化获取等。

本发明需要利用两端信号的时间差，因此首先需要说明的是闪烁体探测系统两端所输出的电信号存在一定的时间差δt：

δt=δt闪烁体+δt光电+δt电子学

其中δt闪烁体为闪烁光到达两端pmt的时间差，δt光电为两端光电倍增管的渡越时间差，δt电子学为由后端电子学系统产生的时间差。对于小尺寸的闪烁体，由于光传输的速度为3×10⁸m/s，可认为δt闪烁体≈0，因此：

δt=δt光电+δt电子学

更进一步的，由于塑料闪烁体两端端面与有效光收集面积存在较大差异，光子会在塑料闪烁体内多次反射，会造成信号的展宽。图2为由于信号的时间差和反射所造成的信号的延迟和展宽。

本发明实施例提供一种小型塑料闪烁体探测器的信号处理方法，参见图3，包括：

步骤301：获取塑料闪烁体探测器两端信号的符合时间窗大小与探测效率的关系；

步骤302：获取塑料闪烁体探测器两端信号的不同时间窗符合后的能谱；

步骤303：根据塑料闪烁体探测器两端信号的符合时间窗大小与探测效率的关系和不同符合时间窗下的粒子能谱，得到最佳符合时间窗，所述最佳符合时间窗为15ns；

步骤304：在闪烁体探测器数据采集时，根据最佳符合时间窗对采集数据进行筛选和处理；

优选地，获取塑料闪烁体探测器两端信号的符合时间窗大小与探测效率的关系包括：通过设定多个符合时间窗对探测信号进行筛选，绘制多个符合时间窗与探测效率的曲线图；

优选地，塑料闪烁体探测器两端信号的不同时间窗符合后的能谱包括：两端信号符合后优化符合能谱，可使用最优平均化算法对双端能谱进行合并获得探测器输出能谱曲线；并根据闪烁体探测器两端信号的时间差进行信号符合，绘制多个符合时间窗和能谱特征峰值之间曲线图。

见图4对最优化平均算法进行说明：

由于光子在塑料闪烁体中多次反射时存在自吸收与散射，所以在计算双端信号合并时必须考虑到光子的能量衰减。假设发光点距离塑料闪烁体两端分别为x和l-x，初始光强分别是i1和i2，两端的反射率分别为r1和r2，硅光电倍增管有效收集面积s1，整个端面面积s2，塑料闪烁体中光衰减函数而每面上平均光收集效率为则经过多次反射后每端面硅光电倍增管收集到的有效光强分别为：

利用化简无穷级数得到

同样的，另外一端硅光电倍增管收集到的有效光强为

将（3）式与（4）式相乘，有：

由（5）式可以看出计算得到的光强乘积与距离x，最后得到的能量e正比于光强a，所以双端能谱的最优平均化方法为

下面以特定的闪烁体探测器为示例，描述本发明所提供的小型塑料闪烁体探测器信号符合处理方法和装置。

实施例1：

本发明实施例1提供了一种时间窗符合方法对小型塑料闪烁体信号进行处理的技术。同一粒子在小尺寸闪烁体中产生的光信号可认为同时到达闪烁体两端，因此两端信号的时间差由pmt和后端电子学系统造成而为一固定值。利用这一特性，并结合不同时间差所挑选出来的信号对探测器的探测效率和能谱紧密关联，可选出最佳的符合时间窗。在能谱算法中，利用两端信号取平均值这种最优化能谱算法，可更有效的反映能谱特征。

本实施例采用的聚甲基苯乙烯材料的塑料闪烁体探测器，闪烁体为立方体，尺寸大小为30×30×130mm³，两端使用时间响应快、灵敏度高、尺寸小的硅光电倍增管作为光电转换器件与后续电子学系统搭建成了测试使用的塑料闪烁体探测器。测试用放射源为标准⁶⁰co放射源进行测试，信号经pmt转化为电信号后，分别经过前置放大器放大，数字化，数据获取和处理。具体步骤参见图5为：

步骤501：获取塑料闪烁体探测器两端信号的符合时间窗大小与探测效率的关系；

本步骤中，取28v工作电压下的数据为例，首先可以根据闪烁体探测器两端信号的时间差的设置挑选事件信号，绘制不同时间窗与探测效率之间的关系，见图7。

步骤502：获取塑料闪烁体探测器两端信号的不同时间窗符合后的能谱；

本步骤中，首先选择不同的时间窗口对事件信号进行筛选，然后对筛选出的两端信号，采用最优化平均算法，来绘制能谱，见图8。

步骤503：根据塑料闪烁体探测器两端信号的符合时间窗大小与探测效率的关系和不同符合时间窗下的粒子能谱，得到最佳符合时间窗；

本步骤中，通过观察图6可知，当符合时间窗小于15ns时，真事件探测效率显著上升，而当符合时间窗大于15ns时，真事件探测效率趋于平缓。此时，初步把大于15ns作为比较合适的符合时间窗区间。同时，通过观察图7可知，使用标准γ源⁶⁰co测试时，因为塑料闪烁体内c、h的原子序数较小，γ能谱中康普顿峰较为明显，符合时间t为60ns时，能谱中包含了大量假事件；而当符合时间窗为15ns以下时，adc台阶和噪声信号明显降低，但低于10ns时能谱的康普顿峰也明显下降，15ns的符合时间窗在保证降低adc台阶、抑制噪声信号的前提下，同时也可保证康普顿特征峰。因此，可得到最佳的符合时间窗为15ns。

步骤504：在闪烁体探测器数据采集时，根据最佳符合时间窗对采集数据进行筛选和处理，并设计符合电路。

在本步骤中，根据最佳符合时间窗15ns对两端信号进行筛选，并用最优化平均算法绘制能谱，可明显观察到康普顿特征峰。见图8为同尺寸闪烁体单端输出的能谱、图9为筛选后的两端能谱相加获得的能谱和图10为筛选后最优化平均算法所得能谱。图8～10可以明显看出同一辐射场，单端信号输出时，无法显示出特征峰；两端能谱标定后相加获得的能谱与平均最优化算法获得的能谱均能看出特征峰，但平均最优化算法能谱岐离更小。

实施例2：

本发明实施例2提供一种小型塑料闪烁体探测器的信号处理装置，对应发明实例1，参加图11，包括：信号获取单元1101、信号符合单元1102、信号筛选单元1103，其中：

获取单元1101用于闪烁体探测器两端探测信号的获取，以及获取不同符合时间窗与探测效率的关系、不同符合时间窗下的能谱及其特征峰；

信号符合单元1102用于分析闪烁体探测器符合时间窗与探测效率关系图，得到最佳时间窗区间；同时结合分析不同符合窗下，采用最优化平均算法绘制的能谱及其特征峰，获得最佳符合时间窗。

信号筛选单元1103用于在小型闪烁体探测数据采集时，根据所述最佳的符合时间窗对数据进行筛选和处理。

需要说明的是本发明实例能够应用于针对同一粒子信号的双端读出系统，可根据不同系统的时间窗来源和分析不同时间窗符合后的信号来确定最佳符合时间窗。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。