一种数字化α/β射线甄别方法与流程

本发明属于射线测量技术领域，具体涉及到一种针对α/β射线进行甄别的方法。

背景技术：

α/β表面污染仪、低本底α/β测量仪可以采用由zns(ag)和塑料闪烁体构成的复合闪烁体与光电倍增管构成探头，对α/β射线进行同时探测。zns(ag)对α射线的探测效率很高，但对β射线不灵敏，β射线可穿透zns(ag)镀层到达塑料闪烁体被吸收。复合闪烁体放出的光子被光电倍增管转换为电流脉冲信号，电流信号可被后级信号处理链处理，电流脉冲信号序列既有α信号、也有β信号，后级信号处理链必须要对两种脉冲信号进行实时甄别，才能分别进行脉冲计数，达到同时测量α/β射线的目的。

α/β射线目前主要的甄别方法有两种：第一种是幅度法，原理是α射线的信号幅度比较大，β射线的信号幅度比较小，通过设置幅度比较器的阈值对两种射线进行甄别。第二种是脉冲宽度法，原理是光电倍增管输出的电流信号经过i-v转换后形成的电压脉冲信号，α射线的脉冲宽度比较宽，β射线的脉冲宽度比较窄，通过对脉冲宽度的测量，可以对两种信号进行甄别。对于幅度法，由于α、β信号在幅度上有比较大的重叠，对于重叠区域的射线就会出现相互串扰的情况，而且由于判断标准是幅值，因此整个系统的增益稳定性对粒子的甄别效果影响较大。对于脉冲宽度法，脉冲幅度和基线噪声对脉冲的开始和结束位置判定影响比较大，造成脉冲的宽度测量不准确，会影响粒子的甄别效果。对于上述两种方法，还有共同的缺陷，关键甄别参数都由模拟器件控制，在幅度法中，脉冲的幅度受光电倍增管、放大电路的影响较大，阈值受参考电压的稳定性影响；在脉冲宽度法中，脉冲宽度受光电倍增管的外围元件的影响。当环境变化，器件老化时，这些关键参数都会发变化，整个甄别效果的稳定性受到影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种数字化的α/β射线甄别方法，该甄别方法可大大降低信号幅度、模拟器件性能变化对甄别效果的影响。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下方式来实现：

一种数字化α/β射线甄别方法，其具体的步骤如下：

1)α/β射线被由闪烁体和光电倍增管构成的探测器探测后，光电倍增管输出指数衰减函数波形的电流脉冲信号；

2)步骤1)中的电流脉冲信号经rc反馈型电荷灵敏放大器转换后，形成双指数电压信号，同时降低输入电流脉冲信号带宽；

3)双指数电压信号通过adc进行数字化，形成数字脉冲信号进入fpga进行数字化信号处理；

4)所述的fpga包括电流波形恢复器、方形滤波器、峰值保持器和比值比较器，首先利用电流波形恢复器消除步骤2)rc反馈型电荷灵敏放大器形成的长指数衰减信号，让信号恢复到原始的电流脉冲波形便于后级处理；然后利用构建两路平行的数字化方形滤波器，根据zns(ag)、塑料闪烁体的衰减时间设置2us和0.2us两个滤波器宽度，对电流波形恢复器的输出信号进行处理；再峰值保持器针对方形滤波器自动追踪并输出其峰值；最后利用比值比较器获得两路峰值保持器的比值，根据比值进行α/β射线脉冲甄别，超过设定阈值的α计数器进行计数，低于阈值的β计数器进行计数，根据比值进行α/β射线脉冲甄别；

5)α/β射线甄别后，产出α、β计数器的计数自增使能信号，待接收到自增使能信号后，计数器进行加一操作，完成一次计数任务。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

该发明的α、β甄别的参数仅与闪烁体的衰减时间常数和方波滤波器的宽度有关，闪烁体的衰减时间常数比较固定，方形滤波器由数字技术实现参数固定。因此该甄别技术可以大大降低信号幅度的影响和模拟期间参数的影响，且对系统增益变化不敏感，便于采用数字技术实现，有利于提高系统的稳定性和便于调试生产。

附图说明

图1为数字化α/β射线甄别方法处理电路结构图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的α/β射线甄别方法具体过程：

1)α/β射线被由闪烁体和光电倍增管构成的探测器探测后，光电倍增管输出指数衰减函数波形的电流脉冲信号i(t)，表达如式(1)所示；

τ0闪烁体衰减时间常数，zns(ag)闪烁体的时间衰减常数为200ns左右，塑料闪烁体为几十ns；i0为电流脉冲最大值。

2)步骤1)中的电流脉冲信号经rc反馈型电荷灵敏放大器转换后，形成双指数电压信号，同时降低输入电流脉冲信号带宽；便于后级电路处理，输出电压信号v(t)，如式(2)所示。

a是信号幅值，τrc是rc反馈网络成形时间，且满足τrc>>τ0。

3)双指数电压信号通过adc(数模转换器，下同)进行数字化，形成数字脉冲信号进入fpga进行数字化信号处理，adc采用80m的采样速率。

4)所述fpga包括电流波形恢复器、方形滤波器、峰值保持器和比值比较器，首先在fpga内采用verilog语言构建数字化电流波形恢复器消除步骤2)rc反馈型电荷灵敏放大器形成的长指数衰减信号，让信号恢复到原始的电流脉冲波形便于后级处理；其中包含了闪烁体的衰减时间常数固有特征：

输出信号为式(2)的频域表达式：

目标输出信号q(t)具有探测器输出电流波形参见式(1)，时域表达式：

式(4)的频域表达式为：

式(2)信号经过传输函h(t)的转换输出式(4)的信号，那么式(4)信号就是式(2)与电流波形恢复器的传输函数h(t)的卷积：

q(t)＝v(t)*h(t)(6)

式(6)的频域表达式为：

q(jω)＝v(jω)·h(jω)(7)

将式(3)和式(5)带入式(7)可导出：

系数k中包含式(8)中所有常数因子，系数k归一化到输出信号的系数a′中，传输函数的频域方程：

h(jω)＝1+jωτrc(9)

传输函数的连续时域表达式：

在fpga内采用verilog语言构建两路平行的数字化方形滤波器，根据zns(ag)、塑料闪烁体的衰减时间设置2us和0.2us两个滤波器宽度，两路方形滤波器同时对电流波形恢复器的输出信号进行处理；再在fpga内采用verilog语言构建峰值保持器，针对方形滤波器自动追踪并输出其峰值；最后利用比值比较器获得两路峰值保持器的比值，根据比值进行α/β射线脉冲甄别，超过设定阈值的α计数器进行计数，低于阈值的β计数器进行计数，根据比值进行α/β射线脉冲甄别；

经电流波形恢复器输出的信号用方形滤波器进行处理，方形滤波器b(t)的表达式(11)

t为方形滤波器宽度。

式(4)信号通过方形滤波器后得到的响应函数为：p(t)

由(13)式可知，t>>τ0时p(t)达到最大值a′·τ0，否则最大幅度为

采用两路方形滤波器平行处理，两个方形滤波器的宽度不一样，如果较宽的方形滤波器采用宽度t1>>τ0，较窄的方形滤波器宽度t2与τ0相当，根据上述结论可推导出两个滤波器输出信号的比值r为：

由式(14)可知，两个方形滤波器的输出信号的比值，仅与较窄方波滤波器的宽度和闪烁体的衰减时间常数有关，与信号幅度无关。

较宽的方形滤波器宽度t1为2us，较窄的方形滤波器宽度t2为0.2us，β射线被塑料闪烁体探测，形成的电流脉冲时间常数仅为几十ns，两个方形滤波器输出的信号幅度比接近于1。α射线被zns(ag)闪烁体探测，形成的电流脉冲时间常数为0.2us，两个方波滤波器输出信号比约为1.5倍，采用幅度比值，即可甄别两种粒子。

5)α/β射线甄别后，产出α、β计数器的计数自增使能信号，待接收到自增使能信号后，计数器进行加一操作，完成一次计数任务。

以上所述仅是本发明的实施方式，再次声明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也列入本发明权利要求的保护范围内。