液闪探测器的几种n/γ甄别方法研究

李奎念，张显鹏,2，李 阳，张 美，张忠兵，李斌康，张小东，刘 军

(1.西北核技术研究所，陕西 西安 710024；2.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

在中子辐射源中通常有伴生γ射线，且中子与周围环境的非弹性散射、慢化中子的辐射俘获等[1]均会产生γ射线。而目前用于测量中子的探测器大多对γ射线有响应，为排除γ射线的干扰，对n/γ甄别技术进行了深入而广泛的研究。

根据波形的特征，可将甄别方法分为时域方法和频域方法。时域方法根据波形的前、后沿等时域特征对波形加以区分，这类方法形象直观，发展较早，具有成熟的理论和硬件体系。常用的有上升时间法[2]、过零时间法[3]、电荷比较法[4]、脉冲梯度分析[5]等。频域方法先对波形进行傅里叶变换[6]或小波变换[7]，利用频域特征构建甄别参数，使波形的差异在变换后最大。每种波形甄别方法均可理解为根据波形构建甄别参数，然后对每个波形计算其相应的甄别参数，据此参数对粒子进行甄别。

近年来，随着数字信号处理速度的大幅提升、高速模数转换器(FADC)的出现以及现场可编程门阵列(FPGA)的高速发展，大数据量的实时处理技术得到快速发展，基于FPGA的小型化实时甄别系统成为主流研究方向。目前，国外已报道了采用上升时间法、电荷比较法及脉冲梯度分析实现的数字化实时甄别系统[8-10]，配合不同的探测器实现了对不同粒子的甄别。在频域算法方面，刘国福等[11]提出了基于傅里叶变换的频率梯度分析，称该法具有好的n/γ甄别效果，且有望应用于实时甄别系统[12]中。目前，未见将这些方法进行系统比较的报道。

本文为找到一种针对液闪探测器甄别效果好、运算简单，且便于在实时甄别系统中实现的n/γ甄别方法，基于数字化采集技术，利用MATLAB软件，分别采用上升时间法、电荷比较法、脉冲梯度分析和频率梯度分析等4种方法对Am-Be中子源产生的n/γ混合场进行离线波形甄别，对比分析4种方法的甄别效果，最后利用基于MPD-4甄别插件[13]的CAMAC系统[14]对n/γ甄别结果进行验证。

1 波形甄别原理及方法

1.1 波形甄别原理

带电粒子在闪烁体中发生能量沉积，闪烁体退激发光，发光过程分为瞬发和缓发[15]。中子入射液体闪烁体时，能量沉积密度较大，退激发光过程中的缓发光子份额较大，形成电信号的衰减时间较长。γ射线入射时，能量沉积密度较小，形成电信号的衰减时间较短。中子或γ射线在闪烁体探测器中产生脉冲电信号形状的不同使得n/γ甄别成为可能。图1为EJ-301液闪探测器输出的典型中子、γ信号波形，图中信号已进行了归一化，可看到，两种粒子信号的差异主要体现在脉冲后沿15～40 ns的时间范围内。

图1 EJ-301液闪探测器输出的典型中子、γ信号

1.2 几种波形甄别方法

上升时间法是较早使用的波形甄别方法之一，近年来，该方法在数字化领域也得到了实现。利用数字化技术获得一系列如图1所示的探测器信号后，在计算机端对每个信号积分，利用积分信号的上升时间进行n/γ甄别。考虑到脉冲基线的噪声水平，为获得好的甄别效果，上升时间的选取区间一般为最大脉冲幅度的5%～95%或10%～90%。

电荷比较法以信号不同区间积分幅度的比值作甄别参量进行粒子甄别。对探测器输出的信号进行数字化采样后，在计算机上针对脉冲快、慢成分，对信号不同时间区间积分，积分幅度的比值用于粒子甄别。

脉冲梯度分析是近年提出的一种简单的数字化甄别方法，选取脉冲峰值和峰值后的一个样本点计算脉冲梯度，利用梯度的不同判别入射粒子的类型。通常情况下，脉冲波峰与选取样本点之间的时间跨度Δt的最优取值范围为15～25 ns[5]，具体取值需根据闪烁探测器的材料以及光电倍增管的特性确定。

2 波形采集及分析

2.1 波形采集

探测器选用自组装液闪探测器(φ50 mm×50 mm EJ-301+9815型光电倍增管)和标准探测器(φ50 mm×50 mm BC501A+R329型光电倍增管)，用Tek公司的DPO 7104型示波器进行数字化采样。由于示波器动态范围的限制，选用某一触发阈值时不能完整记录下所有波形。采用示波器Fast Frame功能的runt触发模式可设置采样信号的峰值上、下阈，记录多个具有一定峰值范围的粒子波形信号。采用多个上、下阈在相同时间进行测量可获得某阈值以上的全部粒子的波形信号。为使各阈值衔接良好，不致出现“断层”，各上、下阈间有一定交叠，在数据处理中扣除重复记录的波形。

实验中，探测器距Am-Be源80 cm，如图2所示，示波器采样率为10 G/s，每个信号的时间长度为100 ns，即每个信号具有1 000个离散化采样点，满足数字化波形甄别算法的分析。设置5个交叠的阈值区间分段采集，每个阈值段采集1 min。为排除小信号噪声干扰，在用示波器采集自组装探测器信号时，最小阈值设置为50 mV，采集标准探测器信号时，最小阈值设置为100 mV。

图2 示波器信号采集原理

2.2 结果分析

为分析不同方法的甄别效果，选择一定能量段的粒子信号进行甄别。图3为分别采用上升时间法、电荷比较法、脉冲梯度分析、频率梯度分析等4种方法对自组装EJ-301探测器输出的1 000个粒子事件进行甄别处理的结果，信号峰值在150～430 mV(电子能量约353～834 keV)之间。图4为采用4种甄别方法对BC501A标准探测器输出的1 000个粒子事件进行甄别处理的结果，信号峰值在1～4.2 V(电子能量约562～2 254 keV)之间。

表1列出采用不同方法对两种探测器信号算得的中子、γ数，并根据图3、4中的事件数随甄别参量的分布利用高斯双峰拟合曲线求出了每种方法的品质因子(FOM)。品质因子是表征n/γ甄别能力的参数，其值为两高斯峰的距离与两高斯峰半高宽之和的比。

图3 4种方法对1 000个EJ-301探测器事件信号甄别处理的结果

图4 4种方法对1 000个BC501A探测器事件信号甄别处理的结果

表1 不同甄别方法的两种探测器信号的n、γ数及品质因子

从甄别效果看，上升时间法的甄别效果最佳，电荷比较法和频率梯度分析的甄别效果相当，脉冲梯度分析的甄别效果最差，这与甄别算法所利用的信号特征有关。由前述可知，中子、γ信号波形的差异主要集中在信号后沿的一段时间，上升时间法在甄别参数构造中兼顾了整个脉冲宽度，将两种信号波形的差异最大化地体现出来。电荷比较法和频率梯度分析主要利用信号后沿部分采样点构造甄别参数，但电荷比较法在一定程度上将信号前沿部分的差异考虑在内，故电荷比较法的甄别效果略好于频率梯度分析，但不及上升时间法。脉冲梯度分析只选用后沿某时刻的幅度作为甄别参量，甄别效果极大依赖于后沿时刻点的选择，不能最大化地体现中子、γ信号的差异，所以脉冲梯度分析效果较其他方法的差。

从甄别结果的一致性看，对于1 000个粒子信号，4种方法判读出的中子、γ数具有一致性。自组装EJ-301探测器输出的峰值范围在150～430 mV的1 000个粒子事件中，约有250个中子事件；BC501A标准探测器输出的峰值范围在1～4.2 V的1 000个粒子事件中，有335个中子事件。两探测器的中子数不一致是由信号的能量取值不同造成的，因为Am-Be源不同能量范围的n、γ数之比不同，且两探测器对信号的放大倍数(与光电倍增管的放大系数及闪烁体的光响应有关)也有差异。

从运算速度看，4种离线分析的数字化方法均能在2 s内给出处理结果。但当不同方法应用在实时甄别系统中时，由于4种方法甄别参数的构造不同，所占用的硬件资源量不同，实时处理速度有所不同。上升时间法、电荷比较法及脉冲梯度分析是时域上的分析方法，在基于FPGA的实时系统中只需计数器、环形存储器、累加器、比较器等模块即可完成甄别参数的获取；频率梯度分析需先对信号进行傅里叶变换，占用较多的硬件资源，在相同硬件条件下，处理速度不及时域分析方法。

综合来看，上升时间法甄别效果最好，在实时甄别的硬件电路中处理速度快，是小型化实时甄别系统中甄别算法的理想选择。

对于小幅度信号(低能粒子)，由于两探测器的灵敏度不同，数字化甄别方法能甄别出粒子的最小电子能量也不同。自组装探测器灵敏度较低，当探测器信号低于70 mV时，甄别方法不能区分出中子或γ，对应的最小电子能量约为215 keV；标准探测器灵敏度高，几种甄别方法能区分出信号幅度为120 mV以上的粒子信号，对应的最小电子能量约为97 keV。

3 验证实验及分析

3.1 验证实验

采用Mesytec公司生产的MPD-4甄别单元验证甄别方法的可靠性。MPD-4是一种基于模拟技术的四通道波形甄别单元，可配合液闪探测器进行粒子甄别。每个通道经探测器阳极输入信号后可同时提供积分幅度谱(Amp)、过零时间信号(TAC，为n/γ甄别参数)以及门信号(Gate)。图5为基于甄别插件MPD-4的CAMAC微机系统工作原理图。

本方案中，将Gate送入扇入/扇出单元，一分为二，一路送入定标器A，一路送入后端逻辑单元。由于CAMAC系统的数据处理能力有限，当事件率太大时，会有一定的死时间，利用逻辑单元的Veto输入(由ADC的Busy端输出)，可使在其作用时间内后续门信号不起作用，以避免系统死机。这样，定标器A记录MPD-4处理的事件数，定标器B记录ADC多道处理的事件数，相同时间内这两个定标器的数值可用来计算多道单元的死时间。

MPD-4的阈值可在0～255这256个无单位数值内进行调节，为确定MPD-4的真实阈值(即该阈值信号输入示波器时对应的幅度)，在同一阈值对示波器与MPD-4采集到的波形进行对比，采用如下方法对MPD-4的阈值进行标定。首先，保证采集时示波器的阈值远小于MPD-4的阈值。采用示波器与图5所示的系统

分别进行采集。对示波器采集到的波形进行数据处理，由小到大调整阈值，统计大于某一阈值的波形数，当波形数等于定标器A记录事件的个数时，这一阈值即为MPD-4的真实阈值。在相同信号峰值范围内比较示波器采集事件及CAMAC系统采集事件的n、γ数之比(n/γ数)，验证数字化甄别方法的正确性。

探测器能量的标定借助于22Na、60Co、137Cs 3种放射源，通过电子能量-多道道址、MPD-4阈值-起始道址、MPD-4阈值-最小峰值3个线性关系式，确定电子能量-信号峰值的对应关系。

3.2 结果分析

表2列出了MPD-4的验证结果，用两种探测器分别进行了验证，定标器和示波器的采集时间均为1 min，CAMAC系统采集时间为5 min。表中列出了MPD-4不同阈值对应的事件最小峰值、最小电子能量、示波器采集和CAMAC采集事件的n/γ数及误差，并利用定标器A和定标器B的计数计算多道的死时间，示波器采集事件的n/γ数由上升时间法给出。表2中的最后一行是BC501A探测器前挡厚度为5 cm的铅砖，屏蔽部分γ射线本底后得到的结果。

由表2结果可知，MPD-4的每个阈值对应一个最小峰值即最小电子能量，在同一探测器、确定阈值下，示波器采集事件的n/γ数与CAMAC系统采集事件的n/γ数一致，两种方法测得的n/γ数最大误差为4.32%，表明数字化波形甄别的结果是正确可靠的。虽然ADC多道单元有20%以上的死时间，但中子、γ是成比例舍弃的，对最终的n/γ数影响不大。同一探测器、不同阈值下的n/γ数不同，因为Am-Be源不同能量范围的n/γ数不同；同一阈值、不同探测器下的n/γ数也不同，这与探测器对信号的响应能力有关，同一阈值虽然对应了同一最小峰值，但对应粒子的最小电子能量却不同。

图5 基于MPD-4的CAMAC系统工作原理

表2 MPD-4的验证结果

在BC501A探测器前挡5 cm厚铅砖，由于其对γ射线的屏蔽，n/γ数由0.350 3变为0.528 5，且数字化甄别结果和MPD-4甄别结果一致。所以，两种方法算得的Am-Be源不同能量范围内的n/γ数是可信的。这里要说明的是，由于本底的扣除要将中子源移开或对中子源进行足够屏蔽，而实验室条件是不允许的，因此，本实验中未扣除本底。因本底大部分是γ射线，所以本工作中求得的n/γ数可能偏小。

4 结论

本文分别用上升时间法、电荷比较法、脉冲梯度分析和频率梯度分析等4种数字化甄别方法，对EJ-301及BC501A液闪探测器获得的Am-Be中子源波形信号进行了数据处理分析，并利用MPD-4波形甄别单元验证了数字化方法的可靠性。研究结果表明，几种甄别方法具有较好的一致性，且其与实验结果在误差范围内有较好的一致性。从甄别效果看，上升时间法是一种效果优良的甄别方法，能最大化地利用中子、γ信号形状的差异进行甄别，且该方法运算简单，是基于FPGA的小型化实时甄别系统甄别算法的理想选择。另外3种方法的有效性依次为：电荷比较法、频率梯度分析与脉冲梯度分析。

感谢中国原子能科学研究院核物理研究所阮锡超研究员对数据获取系统及测量方法提供的有益指导以及西北核技术研究所苗亮亮为使用Am-Be中子源提供的便利。

参考文献：

[1] KNOLL G F. Radiation detection and measurement[M].US: Wiley, 2010.

[2] 骆志平，SUZUKI C，KOSAKO T，等. 上升时间甄别法测量中子能谱[J]. 辐射防护，2009，29(4):219-224.

LUO Zhiping, SUZUKI C, KOSAKO T, et al. Neutron spectrum measurement using rise-time discrimination method[J]. Radiation Protection, 2009，29(4): 219-224(in Chinese).

[3] NAKHOSTIN M, WALKER P M. Application of digital zero-crossing technique for neutron-gamma discrimination in liquid organic scintillation detectors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2010, 621(1): 498-501.

[4] 陈宇，王子敬，毛泽普，等. 电荷比较法测量液体闪烁体n，γ分辨性能[J]. 高能物理与核物理，1999，23(7):616-621.

CHEN Yu, WANG Zijing, MAO Zepu, et al. Charge comparison used to discriminate photons and neutrons in liquid scintillators[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 1999, 23(7): 616-621(in Chinese).

[5] D’MELLOW B, ASPINALL M D, MACKIN R O, et al. Digital discrimination of neutrons and γ-rays in liquid scintillators using pulse gradient analysis[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2007, 578(1): 191-197.

[6] 段绍节. 实验核物理测量中的粒子分辨[M]. 北京：国防工业出版社，1999.

[7] YOUSEFI S, LUCCHESE L, ASPINALL M D. Digital discrimination of neutrons and gamma-rays in liquid scintillators using wavelets[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2009, 598(2): 551-555.

[8] LEE P S, LEE C S, LEE J H. Development of FPGA-based digital signal processing system for radiation spectroscopy[J]. Radiation Measurements, 2013, 48: 12-17.

[9] KIM H J, KIM E J, KIM S Y. Development of a neutron tagger module using a digital pulse shape discrimination method[C]∥2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. Dresden, Germany: IEEE, 2008: 2 917-2 919.

[10] JOYCE M J, ASPINALL M D, CAVE F D, et al. Real-time, digital pulse-shape discrimination in non-hazardous fast liquid scintillation detectors: Prospects for safety and security[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2011, 59(4): 1 245-1 251.

[11] LIU G, JOYCE M J, MA X, et al. A digital method for the discrimination of neutrons and γ-rays with organic scintillation detectors using frequency gradient analysis[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2010, 57(3): 1 682-1 691.

[12] YANG Jun, LUO Xiaoliang, LIU Guofu, et al. Digital discrimination of neutrons and γ rays with organic scintillation detectors in an 8-bit sampling system using frequency gradient analysis[J]. Chinese Physics C, 2012, 36(6): 544-551.

[13] RUBEN A, HOAGLAND T E, FOX R, et al. A new four channel pulse shape discriminator[C]∥2007 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. US: IEEE, 2007: 681-684.

[14] 王经瑾，范天民，钱永庚，等. 核电子学[M]. 北京：原子能出版社，1985.

[15] KASCHUCK Y, ESPOSITO B. Neutron/γ-ray digital pulse shape discrimination with organic scintillators[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2005, 551(2): 420-428.