数字高斯成形技术在常压脉冲电离室系统的应用研究

发布时间：2020-07-25 11:25

【摘要】：气体探测器是核科学技术中最早使用的探测器之一,它在早期的核物理发展中起了很大作用。其中因为脉冲电离室具有有能量响应好、稳定性高、本底较低的优点,使其广泛应用于辐射连续监测领域。脉冲电离室是在饱和区工作的,此时收集极可以吸收带电粒子与气体发生相互作用而产生的全部正离子-电子对,但其输出信号相对较弱,易受到噪声、弹道亏损和脉冲堆积的影响。脉冲信号成形为具有高斯波形的信号后,可以提高信噪比,减少弹道亏损,提高探测器的能量分辨率。F.S.Goulding在理论上证明了高斯成形技术能够使探测器最终的能量分辨率最接近其固有分辨率。从上世纪90年代开始,伴随电子技术和芯片制造业的快速发展,核仪器的设计和开发也越来越多地采用这些技术,预示着核仪器的数字化将成为未来的主流。数字脉冲成形技术是对核仪器进行数字化最关键的技术,也是核仪器设计与制造领域最吸引人才的方向。以数字技术来实现脉冲信号的成形既可以简单地实现以前复杂的模拟滤波成形电路才能实现的功能,从而提高了测量系统整体的稳定性,还可以提高测量系统的灵活性、可扩展性和可维护性。此外,模拟系统也难以达到真正的高斯成形理论能实现的反因果效果。论文为了适应核仪器数字化的需求,从核信号的放大、脉冲数据采集、脉冲信号数字成形技术出发,研究并实现了一种基于Sallen-Key滤波器的数字高斯成形方案,并利用FPGA芯片实现了设计要求,最后应用于常压电离室测氡仪系统中。论文研究基于分立元件的Sallen-Key滤波器,利用基尔霍夫电流定律建立电压传递模型,运用数值递推方法实现了核信号的数字高斯成形;利用MATLAB工具软件对核信号进行仿真,并结合高斯成形的数字递推模型完成了数字高斯成形方法的计算机验证。性能测试及初步实验表明,高斯滤波成形应用在常压脉冲电离室上是可行的。
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL81
【图文】：

电荷灵敏放大器,基本电路,前置,探测器

由于技术的瓶颈不可能达到理量与探测器的输出电荷不是严格一一对应计涨落，最终得到的能谱将不再是一条直了核辐射探测器的能量分辨率[11,58~61]，这分辨率。探测器，该探测器所构成核仪器的能量分此，实现核仪器数字化的优势是能够使探量分辨率。作过程是先将输出的电流脉冲信号通过大器、线性主放大电路和数据采集等模块使用中，因为电阻和电容等分立元器件存题，会使电流转化为电压的电路中的电容。

辐射探测器,弹道,脉冲

图 2-2 辐射探测器在不同脉冲情况下的弹道亏损Figure 2-2 Ballistic loss of radiation detectors in different pulses-2 (a)表示的是经过积分电路后的输出电压信号：曲线①表示表示 T 为上升时间的准阶跃脉冲信号。图 2-2 (b)表示 a 图中的波形。积产生是有一定概率的，符合一定的统计规律，但具体到某一射事件同时产生，由于探测器和后续相关电子学电路的局限处理能力，使脉冲信号之间产生相互干扰就会形成脉冲论情况下，探测器探测到无脉冲堆积时具有某一能量的核脉条直线不发生展宽，如图 2-3 所示。但是在探测器中如果发到的谱线将有一定的展宽，且形状不尽相同。图 2-4 和图在不同情况下时对能谱形状的不同改变。

谱线,无脉冲,脉冲形状,谱线

图 2-2 辐射探测器在不同脉冲情况下的弹道亏损Figure 2-2 Ballistic loss of radiation detectors in different pulses其中图 2-2 (a)表示的是经过积分电路后的输出电压信号：曲线①表示阶跃脉信号；曲线②表示 T 为上升时间的准阶跃脉冲信号。图 2-2 (b)表示 a 图中的脉冲号经过成形后的波形。2.1.3 脉冲堆积核辐射的产生是有一定概率的，符合一定的统计规律，但具体到某一时刻时可以有多个辐射事件同时产生，由于探测器和后续相关电子学电路的局限，如果过测量系统的处理能力，使脉冲信号之间产生相互干扰就会形成脉冲堆积效[11,58~61]。在理论情况下，探测器探测到无脉冲堆积时具有某一能量的核脉冲信号成的能谱是一条直线不发生展宽，如图 2-3 所示。但是在探测器中如果发生脉冲积，那么所得到的谱线将有一定的展宽，且形状不尽相同。图 2-4 和图 2-5 是脉堆积效应产生在不同情况下时对能谱形状的不同改变。

【参考文献】