低强度脉冲中子束的数字式n/γ分辨测量

田 耕 欧阳晓平 渠红光 张显鹏,2 刘金良 李海涛

低强度脉冲中子束的数字式n/γ分辨测量

田 耕1欧阳晓平1渠红光1张显鹏1,2刘金良1李海涛1

1（西北核技术研究所 西安 710024）
2（西安交通大学 核科学与技术学院 西安 710049）

针对低强度脉冲中子束测量，使用高速数字示波器作为数据采集设备，配合BC501A液体闪烁体探测器组建了数字式脉冲形状甄别(Digital Pulse Shape Discrimination, DPSD)测量系统，实现了中子的n/γ分辨测量。系统工作时采集并存储探测器输出的中子与γ射线的脉冲波形及其记录时刻，利用DPSD方法甄别中子实现了中子脉冲高度谱统计；系统具有连续记录和具备时间戳的采集窗记录两种工作方式以适应不同的脉冲中子束强度，并通过分析数据记录中脉冲波形的位置或时间戳，实现了中子事件的时间信息统计。使用该系统在Am-Be中子源上使用采集窗工作模式开展了实验，成功获得中子脉冲幅度谱、中子时间谱以及n/γ甄别谱。

脉冲中子束，中子能谱，时间谱，n/γ分辨，数字式脉冲形状甄别

在围绕加速器和托卡马克装置等大型物理设施所开展的各类实验研究中，脉冲中子束测量是重要的研究方向，对于物理过程诊断具有重要意义。中子束流中通常伴随有γ射线，对中子测量形成干扰。在脉冲中子束的强度较高时，各个粒子在探测器中形成的电流脉冲大量堆积，无法区分单个粒子的脉冲波形。这种情况下通常采用电流型探测系统进行测量，通过结构设计或材料选择等途径，使探测装置在物理原理上只对中子灵敏，以此排除γ射线对测量的干扰[1]。在脉冲中子束的强度较低、单个粒子在探测器中形成的电流波形多数不堆积时，上述电流型探测系统输出信号的幅度往往过低而不能有效测量。此时可以采用具备脉冲形状甄别(Pulse Shape Discrimination, PSD)能力的探测器，组建计数型PSD系统进行n/γ分辨测量。但传统模拟式PSD系统的计数率较低，在测量脉冲中子束时难以获得足够数量的事件。同时，测量中有时需要获得中子束流强度随时间变化的信息，在束流强度较低时可通过测量每个粒子的入射时刻来实现。模拟式PSD系统实现该功能需要额外的电路，增加了系统的复杂程度。目前PSD技术向数字式测量的方向发展，即采用高速数字化设备记录探测器输出的电流脉冲，并利用数字式PSD (Digital PSD, DPSD)等数字信号处理方法进行n/γ分辨测量，以期获得比模拟系统更高的计数率和更优的甄别效果，并实现粒子时间信息统计等功能[2−4]。因此，采用数字式n/γ分辨测量技术有望较好实现低强度脉冲中子束测量。

本文利用BC501A液体闪烁体探测器和高带宽数字示波器建立了数字式低强度脉冲中子束测量系统，实现了n/γ甄别DPSD算法以及粒子入射时刻统计算法。该系统具备连续记录和采集窗记录两种工作方式，以适应不同强度的脉冲中子束以及稳态中子束的测量。使用该系统在Am-Be中子源上开展实验，采用具备时间戳的采集窗记录方式获取了BC501A探测器在中子和γ射线入射时产生的电流脉冲波形；利用离线数据处理的方式用DPSD等算法得到n/γ甄别谱和中子脉冲幅度谱，并通过处理时间戳得到中子的时间谱。

1 测量原理与实验装置

1.1 测量原理

某些探测器在不同种类粒子入射时输出脉冲的形状不同，PSD技术即利用该性质实现粒子分辨测量。对于n/γ分辨，目前液体闪烁体探测器效果较好，常用闪烁体牌号有BC501A、EJ301和较早的NE213等，其性能相近。这些液体闪烁体在粒子入射时所产生的荧光脉冲包含持续时间不同的快、慢成分，其中慢成分的衰减时间常数与粒子种类有关。反映在探测器输出的电流波形上，即脉冲下降沿的速度与入射粒子的种类相关。具体到n/γ分辨测量，表现为中子产生的脉冲信号的下降沿比γ射线产生的要慢。在DPSD测量中，利用高速模拟数字转换设备采集探测器输出的电流波形，并用数字信号处理的方法提取脉冲波形的形状信息即可实现粒子分辨测量。

对于低强度脉冲中子束的测量，按照具体的束流强度，数据采集设备的工作方式可分为连续记录和采集窗记录两种。连续记录方式即在触发信号的控制下开始连续采集数据，直至存储器记满或在指令信号控制下停止采集。此方法适合测量强度相对较高的中子束，这种情况下有效的波形数据在整体测量数据中占较大成分、基线数据相对较少，例如欧洲联合环(Joint European Torus, JET)和国内的HL-2A等装置的放电过程中D-D及D-T聚变中子测量[2−3]。而对于强度较低的中子束，有效事件占总时间的比例较低，用连续记录方法测量到的数据中会包含大量无用的基线数据，浪费了存储空间，使得能够获取的有效事件数目减小。在这种情况下，更为有效的采集方法是采集窗记录方式。该方法在有符合记录条件的信号到来时进行采集并存储一定长度的数据，而在无有效信号的时间段中不进行采集记录。用这种方法能够有效实现较低强度中子束的测量。且该方法可以通过给每一段记录数据标记时间戳的方法记录每一个事件的采集时刻信息，在测量中可利用该时间戳获取束流强度随时间变化的情况。例如Riva等[4]利用该方法在JET上开展粒子束测量。以上方法均使用数字化仪作为数据采集设备，其特点是采样率较低（数百MS·s−1）而幅度分辨率（也称垂直分辨率，以下简称分辨率）较高（12bits及以上）。

1.2 实验装置

实验装置由Am-Be中子源和测量系统组成，其中测量系统主要包括液体闪烁体探测器、高速数字示波器、实验控制PC计算机以及其它辅助设备等，如图1所示。探测器使用的闪烁体为BC501A，封装的尺寸为ø50.8 mm×50.8 mm；光电倍增管为滨松R329-02，与闪烁体一起封装在铝外壳中，工作时加高压−1700 V，在探测Am-Be源时阳极输出脉冲信号的上升沿tr≈5 ns，底宽tw≈50 ns。

图1 实验装置结构Fig.1 Structure of experimental setup.

数据采集设备的指标对测量有直接影响，最重要的指标是采样率、分辨率和存储长度。Söderström等[5]指出，影响DPSD算法的n/γ甄别效果的参数是分辨率和采样率。存储长度直接决定能够测量的脉冲中子束的持续时间，无论是在连续记录方式或是采集窗记录方式下，增加存储深度都将延长测量时间。目前常用于数字式粒子测量的数据采集设备主要为数字化仪和数字示波器，前者具有量化位数高、记录长度长的优点，但通常触发控制、基线调节、增益设置等能力较弱。而这些能力对于实现某些测量功能较为重要。数字示波器通常设置灵活，在这些方面具备优势，但多数数字示波器的分辨率较低，限制了DPSD算法的效果，同时大存储深度的示波器价格较高。因此在脉冲中子束的测量中，为获得最优的测量效果，理想的数据采集设备应兼具数字示波器的设置灵活，以及数字化仪的量化精度高、存储长度大的特点。

本文选用数字示波器作为数据采集设备是因为其在采样率、触发功能、偏置设置和增益调节等方面具有优势，适用于n/γ分辨测量和DPSD算法研究[6−8]。具体型号选用美国泰克公司Tektronix的DPO7104，因其具备较强的采集窗功能，能够以自触发的方式进行采集并生成精确到1 ps的时间戳；该示波器的带宽(−3 dB)为1 GHz，分辨率为8 bits，实验中采样率为10 GS·s−1。装置中BC501A探测器输出脉冲信号的上升沿tr≈5 ns，可以估算出其频谱主要处在70 MHz以下，故实际采样率远高于量化该脉冲信号所需的最低采样率，因此数据采集设备指标对n/γ甄别效果的影响主要来源于分辨率。实验中采用运行Window XP的PC计算机通过局域网(Local Area Network, LAN)控制示波器，在程序控制下完成数据自动采集。该实验控制程序利用Visual C++和虚拟仪器软件架构(Virtual Instrument Software Architecture, VISA)开发，可兼容多种型号示波器[9]。数据处理采用离线方式进行，这是由于数据采集设备的采样率较高、数据的吞吐率较大，实时数据处理较困难。利用Visual BASIC.net开发接口程序实现数据读取、格式转换、计算结果存盘和部分图形绘制等功能，使用MATLAB实现DPSD算法，在数据处理工作中由接口程序调用MATLAB计算引擎完成甄别数据计算。

测量系统经测试在采集窗方式下最大计数率可达3×105s−1，该指标主要受到记录设备死时间的限制。在连续记录模式下能够达到更高的计数率，具体指标与探测器的响应速度有关，探测器在粒子入射下输出脉冲的宽度越小计数率越高。利用LaBr3:Ce无机闪烁体探测器在稳态γ射线源上对系统的数据采集部分进行考核，得到当输入信号脉冲底宽为100 ns、堆叠事件率小于20%时，计数率可达到2.2×106s−1。测量系统可满足上述探测器事件率范围内的低强度脉冲中子束的测量。

2 数据处理算法

2.1 DPSD算法

目前国内外的研究人员[5−8,10−13]研究了各种DPSD算法，其效果各异。DPSD算法的甄别效果与数据采集设备的采样率和分辨率有关[5]，而本文组建的数据采集系统的特点是分辨率低但采样率较高，在这种情况下，不同DPSD算法的n/γ甄别效果差异较明显。本文实现了三种常用的DPSD算法。

2.1.1 电荷比较法(Charge Comparison Method, CC)

闪烁体探测器在粒子入射时产生的脉冲信号的积分表征了该脉冲包含的电荷量。γ射线和中子在液体闪烁体探测器中形成的脉冲，其下降沿的速度不同，则在给定的两个不同的时间区间上分别对脉冲波形积分，积分值的比与粒子种类相关。设脉冲信号经数字化后得到长度为N的离散序列w(n)，甄别因子QCC可按式(1)定义：

式中，n1、n2、n3、n4为采样点序号，其中n1,n3∈[1,N)，n2,n4∈(1,N]，且[n1,n2]≠[n3,n4]；kCC为比例系数。本文利用脉冲下降沿积分与总积分之比作为甄别参数。

2.1.2 脉冲梯度分析法(Pulse Gradient Analysis Method, PGA)

由于γ射线和中子产生的脉冲信号的下降速度不同，故在脉冲上给定两个时间点，所对应波形上的两点可确定一条直线，该直线的斜率与粒子种类相关。设脉冲信号经数字化后得到长度为N的离散序列w(n)，甄别因子QPGA可按式(2)定义：

式中，n1、n2为采样点序号，其中n1,n2∈[1,N]，且n1≠n2；kPGA为比例系数。本文以距脉冲波形峰值某一固定距离的波形与峰值幅度的比作为甄别参数。

2.1.3 积分上升时间法(Integrated Rise Time Method, IRT)

将脉冲按时间积分，获得的积分曲线的上升时间可反映脉冲下降沿的速度，即积分曲线上升时间与粒子种类相关。设脉冲信号经数字化后得到长度为N的离散序列w(n)。按式(3)定义wI(n)：

式中，n∈[1,N]。记wI(n)的最大值为Amax，则甄别因子QIRT可按式(4)定义：

式中，kIRT、k1、k2为比例系数，其中k1,k2∈(0,1)，且k1≠k2。本文选取k1=0.10，k2=0.75。

2.2 时间信息统计

在连续记录方式下，通过确定每个脉冲事件在整个数据记录长度中的位置即可完成事件的时间信息统计。在具备时间戳的采集窗记录方式下，该功能需要通过分析每个事件的时间戳来完成。本文采用的DPO7104数字示波器所产生的时间戳不但包含年、月、日信息，且具有1 ps的精度，无法直接利用软件开发工具提供的函数库进行处理。因此在事件时间信息统计程序中，采用面向对象的C++程序设计技术实现了此类时间戳的判读、比较、时间间隔计算及统计等功能[9]。

3 实验及数据处理

在Am-Be中子源上开展测量，实验装置在PC计算机控制下以自动测量的方式获取了50组数据，每组数据记录5000个事件。使用上述三种DPSD算法对数据进行处理，其结果显示，IRT方法的甄别效果较好，获得了n/γ甄别谱；并且可根据甄别参数与脉冲幅度的分布情况对甄别参数进行修正，以提高甄别的效果。而CC方法和PGA方法的甄别效果均不如IRT方法，无法有效区分中子和γ射线。通过对判读为中子的事件利用直接比较法进行脉冲幅度统计可以得到中子脉冲幅度谱[14]；对其时间戳进行统计可得中子的时间谱。各组数据处理结果的情况一致。

以其中的某一组数据的处理为例，分别利用CC、PGA和IRT方法处理每个事件的波形数据，得到各个粒子的甄别参数，并按照甄别参数-计数绘制甄别谱。n/γ分辨测量的效果可以用优质因子(Figure of Merit, FOM)来衡量。设甄别谱中γ射线形成的峰的半高宽为Wγ，中子形成的峰的半高宽为Wn，两个峰的距离为ΔD，则FOM由式(5)定义[15]：

利用双高斯函数拟合甄别谱，由式(5)得到FOM。各算法的FOM及运算耗时如表1所示。

表1 CC、PGA和IRT算法的FOM与运算耗时Table 1 FOMs and time consumptions of CC, PGA and IRT.

按甄别参数与脉冲幅度进行统计得到DPSD散点图、按甄别参数与计数统计得到n/γ甄别谱，如图2−4所示。

根据表1中不同算法的耗时数据可知，三种算法的计算量相当。从FOM值可见IRT方法的甄别效果优于CC方法和PGA方法。在图2−4给出的散点图和甄别谱中，IRT方法得到的散点图分成较清晰的两部分，在甄别谱曲线上表现为中子峰与γ峰基本没有重叠；而CC方法和PGA方法得到的散点图中表示中子与γ射线的散点不能清晰分开，在甄别谱曲线上表现为中子峰与γ峰有部分重叠。

图2 CC方法的n/γ甄别结果(a) QCC—脉冲高度散点图，(b) n/γ甄别谱Fig.2 n/γ discrimination with CC method. (a) QCC vs. pulse height, (b) Counts vs. QCC

图3 PGA方法的n/γ甄别结果(a) QPGA—脉冲高度散点图，(b) n/γ甄别谱Fig.3 n/γ discrimination with PGA method. (a) QPGA vs. pulse height, (b) Counts vs. QPGA

图4 IRT方法的n/γ甄别结果(a) QIRT—脉冲高度散点图，(b) n/γ甄别谱Fig.4 n/γ discrimination with IRT method. (a) QIRT vs. pulse height, (b) Counts vs. QIRT

按照甄别效果最佳的IRT方法的数据处理结果对粒子种类进行判读。选取甄别谱的中子峰与γ峰之间计数率最小值处的甄别参数值作为界限区分中子和γ射线，得到该组数据的中子计数共2330个。将判读为中子的事件利用直接比较法进行脉冲高度统计，得到中子脉冲高度谱。根据时间戳数据计算得到此次数据采集的时间间隔约为45.92 s。将此时间间隔等分为50个时间段，按每个时间段内的中子事件计数统计得到中子时间谱。由于所测的源在测量时间内可认为是稳态的，因此中子时间谱以一均值为中心呈随机涨落，其统计量为均值Na=46.6，标准差σ=6.9，符合辐射测量计数的1/aN规律。中子脉冲高度谱和时间谱如图5所示。当束流强度在测量时间内发生变化时，利用该方法可测得强度随时间变化的情况。

图5 中子脉冲高度谱(a)和时间谱(b)Fig.5 Pulse height spectrum (a) and time spectrum (b) of neutrons.

4 结语

采用BC501A液体闪烁体探测器、高速数字示波器、PC计算机以及基于VISA技术开发的实验控制程序，组建了适用于低强度脉冲中子束测量的数字式n/γ分辨测量系统。该系统具备连续记录和具有时间戳的采集窗记录等两种工作方式，能够适用于不同事件率的测量场合，最大计数率达到2.2×106s−1。研究中开发了CC、PGA和IRT三种DPSD算法以及时间信息统计算法，实现了对脉冲中子束的n/γ分辨测量和中子时间信息测量。在Am-Be中子源上开展了验证实验，获得了甄别散点图、n/γ甄别谱、中子脉冲幅度谱以及中子时间谱。实验结果表明，当数据采集设备的分辨率较低而采样率较高时，IRT方法的n/γ甄别效果较好，获得甄别谱的优质因子FOM=1.38。

基于FPGA的硬件并行算法等新兴数字信号处理技术在提高数据处理速度方面具有良好前景。通过在低强度脉冲中子束数字式n/γ分辨测量研究中开发此类技术，并结合使用具有高分辨率、高采样率和大存储深度的数据采集设备，将可进一步扩展测量功能并提高测量的质量和效率，而且有望实现测量数据的在线实时处理。

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CLC O571.53, TN152

Digital n/γ discrimination measurement of low intensity pulsed neutron

TIAN Geng1OUYANG Xiaoping1QU Hongguang1ZHANG Xianpeng1,2LIU Jinliang1LI Haitao1
1(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China)
2(School of Nuclear Science and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

Background: The traditional measurement methods in which the detectors are working in counting mode or current mode all have limitations in the measurement of low intensity pulsed neutron. Purpose: We aim to establish a method for low intensity pulsed neutron measurement to acquire the spectra of energy and time by digitalizing and analyzing the fast current pulse generated by detector as each single neutron induced. Methods: A digital pulse shape discrimination (DPSD) system for low intensity pulsed neutron measurement has been developed, which employs wideband digital oscilloscope as data acquisition device. With BC501A liquid scintillator detector, the system can acquire and store the waveforms of neutrons and γ-rays, and discriminate neutrons from all waveforms by DPSD algorithms. The system has two operation modes as “continuous acquisition” and “acquisition window with time stamp” for different event rates according to the intensity of pulsed neutron. Results: The function of pulse height analysis of neutrons is achieved, and time information of neutron's arriving can be acquired by the analysis of the position of the waveform in the record or the time stamps. Experiment has been carried out with Am-Be neutron source with the operation mode of acquisition window, and the neutron pulse height spectrum, time spectrum and n/γ discrimination spectrum have been acquired. Conclusion: The spectra of energy and time of low intensity pulsed neutron can be measured by the digital method which employees wideband digital oscilloscope and digital signal processing algorithms, and has the advantage that all original waveforms of neutrons and γ-rays can be stored for further analysis.

Pulsed neutron, Neutron spectrum, Time spectrum, n/γ discrimination, DPSD

O571.53，TN152

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060204

No.11305129)资助

田耕，男，1978年出生，2007年于西北核技术研究所获硕士学位，研究领域为核电子学和脉冲射线束测量

2015-02-10，

2015-04-16