一种利用支持向量机进行脉冲甄别的正电子湮没寿命谱仪
阅读说明：本技术 一种利用支持向量机进行脉冲甄别的正电子湮没寿命谱仪 (Positron annihilation life spectrometer for pulse discrimination by using support vector machine ) 是由 赵秋贺 董赟 叶邦角 刘建党 张宏俊 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用支持向量机进行脉冲甄别的正电子湮没寿命谱仪,包括：学习训练装置和正电子湮没寿命测量装置；所述的学习训练装置包括第一探测器模块、第一数据采集模块、处理终端；所述第一探测器模块包括闪烁体与光电倍增管；所述第一数据采集模块对探测器脉冲进行数字采样,使模拟信号数字化,使其能够进行后续的数字化处理；其中,所述处理终端包括数据处理与分类模块和支持向量机训练模块,所述数据处理与分类模块对数据采集模块采集的探测器脉冲数据进行处理与分类；正确事例与错误事例将组成训练集用于后续训练；利用支持向量机算法对训练集样本进行学习训练,获得分类模型并验证其可靠性,分类模型将用于正电子湮没寿命测量装置。(The invention relates to a positron annihilation lifetime spectrometer for pulse discrimination by using a support vector machine, which comprises: a learning training device and a positron annihilation lifetime measuring device; the learning training device comprises a first detector module, a first data acquisition module and a processing terminal; the first detector module comprises a scintillator and a photomultiplier tube; the first data acquisition module performs digital sampling on the detector pulse, so that an analog signal is digitized and can be subjected to subsequent digital processing; the processing terminal comprises a data processing and classifying module and a support vector machine training module, wherein the data processing and classifying module processes and classifies the detector pulse data acquired by the data acquisition module; the correct cases and the error cases form a training set for subsequent training; and (3) learning and training the training set sample by using a support vector machine algorithm to obtain a classification model and verify the reliability of the classification model, wherein the classification model is used for a positron annihilation life measuring device.)
技术领域
本发明涉及正电子湮没寿命领域，特别涉及一种利用支持向量机进行脉冲甄别的正电子湮没寿命谱仪及其方法。
背景技术
正电子湮没谱学广泛应用在材料科学方面的研究。正电子经过慢化等过程后与样品内电子发生湮没。湮没产生的伽马光子可以反映材料内部的电子密度等信息。正电子容易被材料内部的缺陷捕获，因此是目前最敏感的材料缺陷探针。正电子的湮没寿命可以反映出湮没位置的电子浓度，进一步可获取相应的结构信息。正电子寿命谱学作为一种无损且敏感的材料缺陷表征手段，在材料科学领域有着独有的优势。
正电子寿命测量中，使用22Na作为正电子源。22Na在发生正电子衰变的同时会释放一个能量约为1.28MeV的伽马光子，此光子可以认为是正电子寿命的起始信号。正电子与电子发生湮没，会转化为一对能量为0.511MeV的湮没光子，该光子被视为正电子寿命的终止信号。测量终止信号与起始信号的时间差可以获得正电子寿命，对正电子寿命进行统计即可获得正电子寿命谱。
常规的正电子寿命谱仪由闪烁体、光电倍增管(PMT)、高压、恒比定时甄别器(CFDD)、延时器、时幅转换器(TAC)、多道分析器(MCA)、以及计算机组成。如图1所示，两个闪烁探测器分别作为起始探测器与终止探测器测量起始信号与终止信号。信号经过恒比定时甄别器幅度甄别与定时后转化为时间信号，两时间信号的时间差经时幅转换器转换为幅度与时间线性相关的脉冲信号，经多道分析器采集传输至计算机分析即可获得最终的正电子湮没寿命谱。
传统的寿命谱仅对脉冲进行简单的幅度甄别，无法甄别外界干扰造成的畸变脉冲，致使寿命谱结果会受拟合参数影响，测量精度难以得到保障。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用支持向量机进行脉冲甄别的正电子湮没寿命谱仪，利用支持向量机进行脉冲甄别，有效提高谱仪对错误脉冲的甄别效率，改善谱仪测量精度。
本发明的技术方案为：一种利用支持向量机进行脉冲甄别的正电子湮没寿命谱仪，包括：学习训练装置和正电子湮没寿命测量装置；
所述的学习训练装置包括第一探测器模块、第一数据采集模块、处理终端；
所述第一探测器模块包括闪烁体与光电倍增管；
所述第一数据采集模块对探测器脉冲进行数字采样，使模拟信号数字化，使其能够进行后续的数字化处理；
其中，所述处理终端包括数据处理与分类模块和支持向量机训练模块，所述数据处理与分类模块对数据采集模块采集的探测器脉冲数据进行处理与分类，将其分为正确事例、错误事例、与无法辨别的事例三类样本；其中正确事例与错误事例将组成训练集用于后续训练；所述支持向量机训练模块利用支持向量机算法对训练集样本进行学习训练，获得分类模型并验证其可靠性，分类模型将用于正电子湮没寿命测量装置；
所述正电子寿命测量装置包括起始探测器、终止探测器、第二数据采集模块、数据处理模块、数字定时单元、分类模型单元、符合单元、数据分析模块。
进一步的，所述闪烁体选用氟化钡晶体、溴化镧晶体、硅酸钇镥晶体或塑料闪烁体；探测器模块接收22Na放射源产生的衰变伽马光子与正电子湮没伽马光子，将其转化为电脉冲信号。
进一步的，所述正电子寿命测量装置中：
起始探测器用于探测放射源衰变产生的1.28MeV伽马光子，结构与学习训练装置中第一探测器模块相同；
终止探测器用于探测正电子湮没产生的0.511MeV伽马光子，结构与起始探测器相同；
数据处理模块用于将探测器脉冲数据转化为可供后续模块使用的数据格式；
数字定时模块用于提取起始、终止探测器脉冲数据的时间信息；
分类模型单元：用于将探测器脉冲进行分类，将其标记为正确事例或错误事例；
符合逻辑单元用于对标记为正确事例的起始信号和终止信号进行时间上的符合判定，计算符合时间条件的起始信号与终止信号间的时间差；
数据分析模块用于统计起始信号与终止信号的时间差，绘制寿命谱。
根据本发明的另一方面，提出甄别正电子湮没寿命的方法，包括如下步骤：
步骤1、使用单个探测器模块对22Na放射源产生的伽马光子进行测量，探测器模块中的闪烁体与光电倍增管通过硅油耦合接触，第一数据采集模块种的数字采集卡采集脉冲数据传输至计算机保存；使用数据处理与分类模块对脉冲数据进行处理与分类，将脉冲数据分为正确事例，错误事例以及无法辨别的事例利用支持向量机算法学习训练得到分类模型；并利用采集并分类的离线数据验证模型；
步骤2、正电子湮没寿命实验测量时，放射源与样品成三明治结构，放射源位于两片待测样品中间，两个探测器模块成直角摆放；一个探测器模块作为起始探测器，测量放射源衰变产生的1.28MeV的伽马光子，另一个探测器作为终止探测器，测量正电子湮没产生的0.511MeV的伽马光子；
步骤3、两路探测器的脉冲通过同轴线缆同时输入至第二数据采集模块的数据采集卡，数据采集卡采集数据后传输至计算机进行处理；探测器脉冲数据经分类模型单元分类，被标记为正确事例与错误事例，同时经数字定时模块计算时间；数据输入至符合逻辑单元，当两路信号时间差小于100ns且同为正确事例时，为一组符合事例，对符合事例的时间差进行统计处理，得到正电子寿命谱。
有益效果：
(1)本发明利用机器学习中的支持向量机算法，对已分类波形进行学习训练，对未知样本进行分类，可以有效甄别出畸变脉冲，使测量结果不易受到拟合参数影响，结果置信度得到提升。
(2)使用数据采集设备对探测器脉冲进行直接采样，数据传输至计算机中利用软件进行数据处理，硬件结构大幅简化，并采用模块化的软件设计理念，方便升级与维护。
附图说明
图1为传统正电子寿命谱仪；
图2为本发明的学习训练装置；
图3为本发明的正电子寿命测量装置；
图4为本发明的一个实施例示意图；
图5为分类样本；
图6为测量结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的一种利用支持向量机进行脉冲甄别的正电子湮没寿命谱仪，包括：学习训练装置和正电子湮没寿命测量装置。
如图2所示，所述的学习训练装置包括第一探测器模块、第一数据采集模块、处理终端；
所述第一探测器模块包括闪烁体与光电倍增管；闪烁体可选用氟化钡晶体、溴化镧晶体、硅酸钇镥晶体或塑料闪烁体。第一探测器模块接收22Na放射源产生的衰变伽马光子与正电子湮没伽马光子，将其转化为电脉冲信号。
所述第一数据采集模块对探测器脉冲进行数字采样，使模拟信号数字化，使其能够进行后续的数字化处理；
其中，所述处理终端包括数据处理与分类模块和支持向量机训练模块，所述数据处理与分类模块对数据采集模块采集的探测器脉冲数据进行处理与分类，将其分为正确事例、错误事例、与无法辨别的事例三类样本；其中正确事例与错误事例将组成训练集用于后续训练；所述支持向量机训练模块利用支持向量机算法对训练集样本进行学习训练，获得分类模型并验证其可靠性，分类模型将用于正电子湮没寿命测量装置；
根据本发明的一个实施例，利用支持向量机算法对正电子寿命谱仪中探测器脉冲信号进行甄别分类，筛除错误事例，提高实验结果精度。
如图3所示，所述正电子寿命测量装置包括起始探测器、终止探测器、第二数据采集模块、数据处理模块、数字定时单元、分类模型单元、符合单元、数据分析模块。
起始探测器用于探测放射源衰变产生的1.28MeV伽马光子，结构与学习训练装置中探测器模块相同。
终止探测器用于探测正电子湮没产生的0.511MeV伽马光子，结构与起始探测器相同。
数据处理模块用于将探测器脉冲数据转化为可供后续模块使用的数据格式。
数字定时模块用于提取起始、终止探测器脉冲数据的时间信息。
分类模型单元：将探测器脉冲进行分类，将其标记为正确事例或错误事例。
符合逻辑单元用于对标记为正确事例的起始信号和终止信号进行时间上的符合判定，计算符合时间条件的起始信号与终止信号间的时间差。
数据分析模块用于统计起始信号与终止信号的时间差，绘制寿命谱。
根据本发明的一个实施例，正电子湮没寿命谱仪利用两块直径25毫米，高15毫米的圆柱形溴化镧晶体和两个光电倍增管，通过数字采集卡采集数据，通过计算机终端处理数据并完成支持向量机甄别，得到正确的正电子湮没寿命谱，如图4所示。
首先，使用单个探测器模块对22Na放射源产生的伽马光子进行测量，第一探测器模块中的溴化镧晶体与光电倍增管通过硅油耦合接触，第一数据采集模块中的数字采集卡采集脉冲数据传输至计算机保存。对脉冲数据进行处理与分类，将脉冲数据分为正确事例，错误事例以及无法辨别的事例，如图5所示。将30组正确事例与100组错误事例组为训练集，利用支持向量机算法学习训练得到分类模型。并利用采集并分类的离线数据验证模型。
正电子湮没寿命实验测量中，放射源与样品成三明治结构，放射源位于两片待测样品中间，两个探测器模块成直角摆放，相较于直线型摆放，可以大幅减少0.511MeV和1.28MeV两种光子的堆积信号带来的影响。一个探测器模块作为起始探测器，测量放射源衰变产生的1.28MeV的伽马光子，另一个探测器作为终止探测器，测量正电子湮没产生的0.511MeV的伽马光子。
两路探测器模块脉冲通过同轴线缆同时输入至数据采集卡，数据采集卡采集数据后传输至计算机进行处理。探测器脉冲数据经分类模型分类，被标记为正确事例与错误事例，同时经定时模块计算时间。数据输入至符合逻辑单元，当两路信号时间差小于100ns且同为正确事例时，为一组符合事例。对符合事例的时间差进行统计处理，得到正电子寿命谱，如图6所示。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
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