辐射探测信号波形高速获取技术与脉冲特征量提取算法研究

探测器输出信号波形包含诸如粒子能量、种类、位置、时间等信息，传统的核电子学大多采用模拟电子技术对某一种信息进行获取与处理。如能将放映粒子信息的信号波形全部采集并进行处理，将对核电子学、辐射探测技术、核技术应用等具有重要意义。为此，本项目基于高速ADC和FPGA、DSP技术，研制采样速度在1-5GHz、转换精度在8-12bit、适用于核辐射探测信号波形高速数字化获取与处理的系统；用此系统对不同能量的γ射线以及中子在相应的探测器中产生的信号波形采样，研究从波形数字化序列中提取信号上升时间、衰减时间、信号幅度、宽度、信号积分、形状因子等特征量的方法，以及这些特征量随射线能量和种类的变化关系，研究信号波形表征以及波形识别算法；研究影响算法结果的因素，寻求在最简硬件配置条件下的最佳算法；在n-γ混合辐射场中，研究特定探测器识别n、γ信号的最优算法；研究利用波形信号提取时间信息及提高定时精度的方法。

在硬件研究方面：采用交替采样方式，结合FPGA,DSP技术，研制成功了GHz，12bit的高速采样电路，实现了对探测器信号波形的实时在线处理。数据传输率640Mbps/通道，存储空间256M（对于100ns的脉冲，最大可存储200,000个脉冲信号），数据传输率200Mbps×16位。数据处理速率为40bit*100MHz，可以完成对高速采样数据的实时处理。开发了Labwindows CVI虚拟仪器二次研发平台，整合了对探测器信号进行相关处理的功能算法如滤波、拟合、求幅度值、积分、微分、定时等功能，为基于波形采样的智能探测器发展打下了坚实基础。. 在算法研究方面：提出了波形数字化序列的多项式拟合、双指数拟合方法，设计了数字化信号波形幅度提取算法，用该算法实现了NaI(Tl)探测器数字化γ射线能谱测量，能量分辨率相当于或优于相同条件下传统模拟能谱结果；提出了n－γ数字化甄别方法：电荷积分方法和核脉冲信号宽度比较法，针对特定中子探测器进行了n-γ识别研究，获得了较好的识别效果；提出了用基于波形数字化的γ-γ符合方法：幅度与时间二维数字化符合方法，成功地应用于β+ 放射源绝对活度的测量。. 在推广应用方面：研制成功了γ射线成像核心单元：基于高速波形采样的位置能量读出系统，用于对二维位置灵敏光电倍增管的输出信号进行读出和处理，以得到视场中γ光子位置信息。该系统用于新型远场成像式γ相机，以检测一定区域内γ放射源的强度分布，并兼有核素识别功能，可用于重点区域或场所的放射源监控、搜寻等，有潜在推广价值；基于高速波形采样，研制成功了ICF中子飞行时间测量系统，实现了小于200ps的时间分辨，并且可以同时进行n-γ甄别，有效降低辐射场γ射线、x射线的干扰；在反应堆瞬发中子衰减常数测量、特殊核装置的参数检测、聚变－裂变混合能源堆中子学积分实验等研究中，提出和实现了一套高精度宽量程测定中子时间序列的测量系统，包含两个独立通道，每个通道时间测量量程1μs～100 ms，单次测量可记录中子数目104，系统的时间分辨小于200 ps；在基于波形数字化β+绝对活度测量基础上，研制成功了ICF质子诊断系统，可以实现高能质子产额的快速离线测量，为ICF诊断提供了技术支持。