数字核谱仪系统中脉冲堆积识别方法的研究

张怀强， 吴和喜， 汤 彬， 张雄杰

(1.东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，江西南昌 330013;2.东华理工大学核工程与地球物理学院，江西抚州 344000)

数字核谱仪系统中脉冲堆积识别方法的研究

张怀强1，2， 吴和喜2， 汤 彬1，2， 张雄杰1

(1.东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，江西南昌 330013;2.东华理工大学核工程与地球物理学院，江西抚州 344000)

数字核谱仪系统中的脉冲堆积直接影响到信号幅度的有效提取，进而影响到核谱仪的能量分辨率。为了减小脉冲堆积对核谱仪能量分辨率的影响，引入时间比较脉冲堆积识别方法，对识别到的堆积脉冲直接丢弃处理，将降低数字信号处理时间，同时可减小脉冲堆积对能量分辨率的影响，对计数率的影响可以通过简单的校正方法来实现计数率的补偿。采用上述方法对实际的核脉冲堆积信号进行了处理，然后对其进行了计数率校正，在实际应用中取得了良好的效果。

数字核谱仪;脉冲堆积;识别方法;计数率校正

张怀强，吴和喜，汤彬，等.2012.数字核谱仪系统中脉冲堆积识别方法的研究［J］.东华理工大学学报：自然科学版，35(3)：281-284.

Zhang Huai-qiang，Wu He-xi，Tang Bin，et al.2012.Methods of pulse pile-up identification in digital nuclear spectrometer system［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：281-284.

核事件的发生具有随机性，无论何种计数率，都可能在短时间内相继发生多次核事件(Wilkinson，1990)。由于探测器输出的核脉冲具有一定的宽度与较长的下降沿，从而导致脉冲之间相互重叠，形成脉冲堆积，影响到脉冲信号幅度的有效提取，进而影响到核谱仪的能量分辨率(Grzywacz，2003)。国内部分学者采用传统核谱仪模拟电路的方式实现脉冲堆积判弃功能。如弟宇鸣等(2008)采用曲线拟合的方式对脉冲堆积进行识别，该方法计算复杂，实用性不强;陈世国等(2006)对高斯成形后的脉冲堆积进行识别与校正，该方法只针对高斯成形，通用性不强。因此，笔者提出一种简单的时间比较脉冲堆积识别方法，可以直接对识别到的堆积脉冲进行丢弃处理而勿需堆积校正，这样可以降低数字信号处理时间，又减小脉冲堆积对能量分辨率的影响，还可以通过简单的计数率校正方法来实现对计数率影响的补偿。

1 数字核信号处理结构

数字核谱仪系统是以高速ADC为核心，对探测器输出的信号勿需太多的调理，直接通过高速、高分辨率的ADC对前端输出的信号进行采样，然后通过后续的数字信号处理器(FPGA或DSP器件)实现滤波成形、堆积判弃、基线恢复、幅度提取以及计数率校正等功能(图1)。

对ADC采集到的数字核信号还需进行滤波成形处理。滤波成形包括一个快滤波成形通道与慢滤波成形通道，快滤波成形获得脉冲之间的时间间隔，用于堆积识别，同时得到快通道计数率用于计数率校正。慢滤波成形通道与快滤波成形通道相比，具有更长的滤波成形时间，主要实现幅度提取与基线估计，数字核信号的滤波成形、基线恢复、幅度提取等内容见相关文献(Simoes et al.，1995)

2 时间比较脉冲堆积识别方法

以梯形滤波成形后的脉冲堆积识别为例，该方法比较脉冲时间间隔(tI)与梯形成形上升沿时间(ta)和平顶宽度(D)之和(tb)的大小，当tI≥tb时，两个脉冲是可分的，即不存在脉冲堆积，当tI＜tb时，两个脉冲不可分，则发生脉冲堆积(陈亮，2009)。在梯形成形的上升沿时间+平顶宽度为4 μs时，不同脉冲时间间隔的脉冲堆积情况分为:不堆积、部分堆积与完全堆积(图2，3，4)。

在脉冲间隔时间一定的情况下，减小梯形成形的上升沿时间与平顶的宽度，降低脉冲堆积的概率。比如当梯形成形的上升沿时间+平顶宽度为2 μs，脉冲不会发生堆积(图4c)。

图2，3，4c都可以对脉冲幅度进行有效的提取(梯形的平顶未重叠)，不存在脉冲堆积与幅度校正的问题;图4b不能对脉冲幅度进行有效的提取，发生脉冲堆积。

发生堆积的脉冲无法正确地提取出信号的幅度信息，且由于校正方法复杂，加之数字信号处理器需要实现滤波成形、幅度提取、堆积识别、基线估计等功能，故而可直接丢弃堆积的脉冲，造成的计数率损失由计数率校正方法进行补偿。

3 计数率校正

由于系统中存在着死时间以及堆积拒绝的原因(余西垂等，2009)，存在一定的计数率损失，为了准确得到能谱的计数信息，需要对计数率进行校正。以梯形滤波成形为例，设其快滤波成形通道内所测脉冲的计数率为Rfast，系统实际输入的脉冲计数率为Rln，快成形通道中死时间大小为成形的上升沿时间(τrise)+平顶宽度(τflat)，由于快成形通道内的死时间为非扩展型死时间，可以通过下式计算出系统实际输入的脉冲计数率:

图4 脉冲时间间隔3 μs的堆积图Fig.4 The pile-up when pulse interval of 3 μs

由于快成形通道中(τrise+τflat)的值很小，Rfast(τrise+τflat)的值也很小，比如当Rfast=2×104cps，τrise+ τflat=500 ns时，Rfast(τrise+ τflat)=10－2，Rfast的大小与Rln相当。在实际的应用中，有时近似的将快通道内测量的脉冲计数率作为系统的实际计数率。

对于慢通道内的计数率，死时间的大小等于成形的上升沿时间(τrise')+平顶宽度(τflast')，慢成形通道内的死时间为扩展型死时间(Jenkins et al.，1995)，设慢通道所测的脉冲计数率为Rslow，则Rslow与系统实际输入的脉冲计数率具有如下关系式:

由于慢通道中为了噪声抑制、弹道亏损补偿以及幅度提取，(τrise'+τflat')一般取值较大，比如当Rln=2 × 104cps，τrise'+ τflat'=50 μs时，Rln(τrise'+τflat')=1，此时 Rslow=Rln/e，可见当 Rln一定时，慢通道成形时间越长，Rslow越小，Rslow小于Rfast，更小于Rln。

对于每道计数率的校正，可以采用如下方法，假设第k道测量所得的计数率为Rk_measure，而第k道实际的计数率为Rk_true，二者具有式(3)表达式，其中的Rln，Rslow可分别由式(1)和式(2)计算得到。

4 结果与讨论

采用Moxtek公司的XPIN-XT型SI-PIN探测器与MAGNUM系列的50 kV的X光管作为激发源，测量某钢尺，设定光管电压为20 kV，电流为2，ADC前端信号调理电路输出的核脉冲信号上升沿为50 ns，下降沿为 3.3 μA，ADC 采样频率为 20 MHz，快通道滤波成形时间为3 μA，慢通道滤波成形时间为25 μA时，不采用脉冲堆积拒绝，其能量分辨率约为300 eV(5.9 keV);采用脉冲堆积拒绝而不采用计数率校正，其能量分辨率约为200 eV;采用上述的时间比较脉冲堆积识别方法进行堆积拒绝，然后进行计数率校正，其能量分辨率约为220 eV(图5)。

从图5可以看出，不采用脉冲堆积拒绝，由于堆积的脉冲对脉冲幅度提取的准确性的影响，进而影响到能谱的能量分辨率，表现出最大的计数率，最小的能量分辨率。而采用脉冲堆积拒绝，能量的分辨率大大改进，但是没有采用计数率校正，使得在同样测量条件下，计数率有所减小。而采用脉冲堆积拒绝与计数率校正的方式，在保证高能量分辨率的情况下，可以对计数率进行一定程度的补偿。通过上述的测试表明，该脉冲堆积识别方法具有良好的应用效果。

陈亮.2009.核素识别算法及数字化能谱采集系统研究［D］.北京:清华大学工程物理系.

陈世国，令孤荣锋.2006，脉冲堆积识别与校正的数字处理方法［J］.黔西南民族师范高等专科学校学报，(2):77-81.

弟宇鸣，方国明，邱晓林，等.2008.核辐射堆积脉冲数字化判别［J］.原子能科学技术，242(4):370-372.

图5 不同处理方法得到的能谱图Fig.5 Energy spectrum of different processing methods

余西垂，沈懿，邵飞，等.2011.高含量闪烁γ测井仪研制与应用［J］.东华理工大学学报:自然科学版:34(2):168-173.

Grzywacz R.2003.Applications of digital pulse processing in nuclear spectroscopy［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，204:649-659.

Jenkins R，Gould R W.1995.Quantitative X-ray Spectrometry［M］.Marcel Dekker.

Simoes J B，Simoes S，Correia C.1995，Nuclear spectroscopy pulse height analysis based on digital signal processing techniques［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，42:700-704.

Wilkinson D H.1990.Pulse pile-up Iahort pulses［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，297:230-243.

Methods of Pulse Pile-up Identification in Digital Nuclear Spectrometer System

ZHANG Huai-qiang1，2， WU He-xi2， TANG Bin1，2， ZHANG Xiong-jie1
(1.Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China Institute of Technology，Nanchang，JX 330013，China;2.Faculty of Nuclear Engineering and Geophysics，East China Institute of Technology，Fuzhou，JX 344000，China)

The pulse amplitude’s extraction and energy resolution can be affected by the pulse pile-up in digital nuclear spectrometer system.In order to reduce the effect，this article introduces a time comparison identification method to identify the situation of pulse pile-up，which will reduce the digital signal processing time and the effects of energy resolution.The impact of the count rate can be corrected by a simple correction method.Finally，the actual pile-up pulse and count rate have been processed by this mothod，the results of this method have been verified in practical applications.

digital nuclear spectrometer;pulse pile-up;identification method;count rate correction

TL817;TL822

A

1674-3504(2012)03-0281-04

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.013

2011-11-23 责任编辑:吴志猛

国防基础科研项目(B3420110006);东华理工大学博士科研启动基金项目(DHBK201111)

张怀强(1981—)，男，博士，讲师，主要从事核辐射探测技术与智能核仪器研究。