具体实施方式

为了使本发明技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出的基于脉冲形状甄别的中子-γ周围剂量当量率仪，包括有机闪烁体探测器、光电转换器件、信号处理电路、脉冲形状甄别电路、仪器控制电路。其中

有机闪烁体探测器：用于对于中子和γ的作用发出在时间特性上存在差异的荧光信号；

光电转换器件：用于将有机闪烁体探测器发出的荧光信号转换成电压或电流脉冲信号；

信号处理电路：用于对光电转换器件输出的电压或电流脉冲信号进行处理，转换为信号幅度和阻抗与脉冲形状甄别电路相匹配的电压脉冲信号，并保留中子和γ信号的时间特性的差异；

脉冲形状甄别电路：用于将信号处理电路输出的电压脉冲信号进行数字转换，根据中子和γ信号的时间特性的差异对其甄别，完成信号的电荷积分计算，分别得到中子和γ脉冲信号的电荷积分；

仪器控制电路：用于将脉冲形状甄别电路处理得到的中子和γ脉冲信号的电荷积分转换成中子和γ周围剂量当量结果。

有机闪烁体探测器为化学合成材料，可以是液态的或固态的，可对于中子和γ的作用发出在时间特性上存在差异的荧光信号。有机闪烁体探测器的不同成分的含量对于中子剂量测量性能有一定的影响，主要包括探测器的能量响应性能和n-γ甄别性能。常见的用于n-γ脉冲形状甄别的有机闪烁体有BC系列、NE系列、EJ系列等，不同型号的有机闪烁体探测器在性能上有所差异，但是在化学成份上是类似的，本实施例优选EJ339A型闪烁体探测器，其在有机闪烁体材料中掺杂¹⁰B元素，以提高低能中子的响应。

闪烁探测器的工作原理是：(1)放射性粒子打到探测器上，并在闪烁体内产生闪光；(2)所产生的闪烁光子经光导传输到光电倍增管的光阴极上转换成光电子；(3)光阴极上产生的电子经光电倍增管系统的多次倍增产生足够大小的输出信号；(4)光电倍增管输出电信号经配套电子仪器放大、处理而提供所需要的信息。

在本发明的一个实施方式中，光电转换器件可以是光电倍增管或 SiPIN二极管，本实施例采用光电倍增管作为光电转换器件，将光电倍增管与EJ339A型闪烁体通过硅脂耦合后封装在铝合金外壳内，外壳内配套有磁屏蔽套、内置高压电源模块和分压器电路。

信号处理电路用于对光电转换器件输出的电压或电流脉冲信号进行初步处理，使之成为在信号幅度和阻抗方面与脉冲形状甄别电路相匹配的电压脉冲信号，且保留中子和γ信号的时间特性的差异。本实施例的信号处理电路为一个程控放大电路，可在不改变中子和γ信号时间特性差异的同时对光电倍增管输出的信号进行适当放大，使电压脉冲信号的幅度在0～1V之间，满足后续电路AD转换的要求。

脉冲形状甄别电路由高速AD转换部分和数字化脉冲信息处理部分组成。高速AD转换部分将经信号处理电路处理的电压脉冲进行数字转换，使之成为数字信号。数字化脉冲信息处理部分是一种数字化信号处理系统，可以根据中子和γ产生的脉冲的电压脉冲信号的时间特性的差异对它们进行甄别，同时可完成信号的电荷积分计算，分别得到中子和γ脉冲产生信号的电荷积分。

本实施例的脉冲形状甄别电路由高速AD转换电路和FPGA系统组成。高速AD转换电路采用AD9680芯片，采样率1GSps，采样精度14位，采用JESD204B高速数字接口与FPGA系统通讯。FPGA系统采用XC7K325T芯片，用于处理AD转换后的数字信号，最大数据率为12.5Gb/s。本实施例利用FPGA中的算法对中子和γ的脉冲信号进行脉冲形状甄别，可采用上升时间法、电荷比较法、脉冲梯度法和频率梯度法等不同的PSD算法，本实施例优选电荷比较法作为FPGA 中运行的PSD算法。光电倍增管输出的信号通过信号处理电路后，产生快速的指数衰减脉冲信号，信号经过高速ADC数字化后，由FPGA 实时获取，经过ADC采样的指数衰减脉冲信号如图2所示(图示横轴单位ns,纵轴单位mV)。

FPGA获取到ADC实时数据之后，首先判断信号幅度，当幅度超过设定触发阈值，系统认为这是一次有效的粒子脉冲事件，并将该事件的数据缓存到FPGA内部FIFO存储器中，FPGA内部的脉冲形状甄别模块同时启动运算，脉冲形状甄别模块根据设定的脉冲起始点确定方法自动寻找脉冲起始点位置和结束点位置，然后根据设定好的长门时间窗T_long，短门时间窗T_short对时间窗内的电荷进行积分，分别得出两个时间窗内的电荷积分Q_long和Q_short。同时，对脉冲信号的起始点位置到结束点位置时间段内的电荷进行积分，得出每个脉冲信号的电荷积分Q；再根据每一个脉冲的Q_long和Q_short、Q计算脉冲形状甄别 PSD值，通过PSD的取值区间分别对中子和γ计数，FPGA将计算结果发送给仪器控制电路。

仪器控制电路是一种运行有嵌入式软件的微处理器系统，可将脉冲形状甄别电路处理得到的中子和γ脉冲的电荷积分转换成中子和γ周围剂量当量结果。本实施例的仪器控制电路是一个单片机系统，仪器控制电路在接收到一个脉冲的计算结果之后，利用单片机内的嵌入式程序计算出该脉冲的PSD值，仪器控制电路根据该脉冲的PSD 值确定该脉冲是γ还是中子作用产生的。

每秒(s)内确定的不同电荷积分Q的伽马计数分布，根据该分布和不同电荷积分Q所对应的伽马电荷积分-剂量转换函数G_γ(Q)，单片机计算出伽马的剂量当量率。

每秒(s)内确定的不同电荷积分Q的中子计数分布，根据该分布和不同电荷积分Q所对应的中子电荷积分-剂量转换函数G_n(Q)，单片机计算出中子的剂量当量率。

仪器控制电路采用脉冲形状甄别方法区分中子和γ射线。脉冲形状甄别是利用n-γ射线在闪烁体中产生的闪烁光脉冲信号形状存在差异这一特征实现中子和γ射线的甄别。对同一闪烁体而言，闪烁体内入射粒子激发的荧光脉冲分为快成分、慢成分，不同的入射粒子，快、慢成分的强度比也不同，中子的快成分份额小、慢成分份额大，而γ射线快成分份额大、慢成分份额小，因而n-γ射线通过闪烁体探测器探测到的光脉冲信号形状就有所区别，如图3所示，通过对这种光脉冲信号形状区别的处理分析，就可以实现n-γ射线的甄别。

本实施例采用电荷比较法的脉冲形状甄别方法。本方法中，提到的电荷积分是单个脉冲信号幅值对时间的积分。

电荷比较法将脉冲信号中瞬发光子持续所产生的前沿的积分值定义为快成分，由缓发光子持续所产生的后沿的积分值定义为慢成分，两者之和称为总电荷积分。如图4所示，电荷比较法使用长门、短门来确定信号积分的位置，本实施例脉冲形状甄别PSD值作为甄别依据，PSD定义如下：

PSD＝(Q_long--Q_short)/Q_long

其中Q_long为脉冲信号长门的电荷积分，时间选取完整脉冲信号的长度；Q_short为脉冲信号短门的电荷积分，短门的积分时间选取信号波形的前沿。显然，Q_long即为总电荷积分，Q_long-Q_short即为慢成分电荷积分。由于中子比γ射线产生的脉冲信号的衰减速度慢，因而中子的脉冲形状甄别PSD值要比γ射线大。通过这样的定量区别即可实现 n-γ脉冲信号甄别。

电荷比较法实现过程中，根据脉冲信号起始点位置，设定好时间窗T_long和T_short，然后对时间窗内的电荷进行积分，分别得出两个时间窗内的电荷积分Q_long和Q_short。其中，T_long和T_short分别为长门、短门的时间域。

T_long和T_short的选取过程如下：当脉冲信号积分值第一次大于较小的数值(本仪器经实验摸索定义为30)时，定义该位置为起始位置时间t₀，则长门时间结束位置t_long＝t₀+Δt_long，短门时间结束位置 t_short＝t₀+Δt_short；Δt_long和Δt_short由操作时设定、调整甄别效果最佳的数值，则可得到T_long时间窗为[t₀，t_long]、T_short时间窗为[t₀，t_short]。通过脉冲信号对时间各个时间窗的积分获得Q_long、Q_short。由PSD的计算公式可得每一个脉冲信号的脉冲形状甄别PSD值，通过PSD值大小分布的不同区别开中子和γ。

电荷比较法实现的Matlab程序语言。本仪器实验中对某Am-Be 中子源的甄别效果如图5所示。

区别中子、γ粒子后，仪器控制电路根据不同粒子产生的脉冲的电荷积分值Q，以及电荷积分-剂量转换函数G_n(Q)和G_γ(Q)函数可计算出中子和γ所产生的剂量当量率，计算方法如下：

脉冲的电荷积分-剂量转换函数G_γ(Q)

某γ标准点源对空间某点处闪烁体探测器照射后，该点处的探测器使用G_γ(Q)计算的空气吸收剂量率可表示为：

其中，i＝1,2,3,…,n；n为探测器探测到γ能谱的道数；Q_i为探测器内一个电荷积分值；N(Q)为探测器测得的γ能谱分布；表示γ在探测器探测到电荷积分值为Q_i所对应的计数率；G_γ(Q_i)表示该道所对应的G_γ(Q)函数权重值。由于实验上标准点源的个数有限，所以采用最小二乘法求解G_γ(Q)函数。使G_γ(Q)表示为指数函数关系式，如下：

k为指数函数关系式的项数，k＝1，2，3，…；A_k为权重系数；则探测器根据G_γ(Q)函数计算得出的剂量率应为：

对于第j个标准γ源(j＝1，2，3，…)其根据G_γ(Q)函数计算对应的剂量率为：

其中，

若为第j个标准γ源在同一点的剂量率标准值，则与相对偏差S_j和偏差平方和S²分别为：

根据最小二乘法原理，若使与相对偏差最小，需下等式成立：

根据此等式，求出权重系数A_k各值，即可得出γ脉冲的电荷积分 -剂量转换函数G_γ(Q)。则探测器探测到的空间某点γ吸收剂量率为：

本实施例中的j的最大值一般取为6，k最大值取3～5。探测器探测到γ脉冲的电荷积分分布N(Q)和各个为已知，根据上式即可通过电子学仪器进行累加运算得到测量的γ吸收剂量率。

中子电荷积分-剂量转换函数G_n(Q)

测量中子周围剂量当量率时，通过使用反冲质子法测量中子。一般情况下，中子进入闪烁体后，与闪烁体内的氢原子发生弹性碰撞反应，设中子的能量为E_n，而反冲质子的能量为E_p，反冲角为θ,则存在以下关系式：

E_p＝E_ncosθ

由于反冲质子的能量与反冲角有关，所以即便入射的是单能中子，反冲质子的能量仍然是连续分布的，且最大值等于E_n。反冲质子法是利用中子同氢核的弹性散射产生反冲质子，在含氢物质靶相当薄的条件下，某一能量入射中子的注量率同产生的反冲质子数成正比，测定反冲质子数和其他相关的量，就绝对测定了中子注量率。

本EJ339A液体闪烁体探测器中，产生的反冲质子引起闪烁体发光，若发光后经过电子学线路探测得到的脉冲信号电荷量为Q，则Q 与入射中子的能量E_n成正比。中子通过闪烁体探测器探测后得到的脉冲高度分布为P(Q)，则探测器测量到的中子周围剂量当量率为：

其中P(Q)为探测器测得的中子脉冲高度分布。为探测器探测到的光输出为Q_i-1到Q_i的计数率。G_n(Q_i)是光输出大小为Q_i-1到Q_i的光谱权重值，Q_i-1<Q_i,i＝1,2,3,…,n。

实际中若使用多个单能中子源进行G_n(Q_i)计算，难度较大。通过基于蒙特卡罗方法的MCNP程序F8卡模拟多个单能中子源对空间某点闪烁体探测器进行照射，获得不同能量为E_n(n＝1,2,…,n；E_n-1<E_n) 单能中子源的脉冲高度分布矩阵P(E_p)(实际是也是反冲质子的脉冲高度分布矩阵)为：

P(E_pi，E_n)为单能中子能量为E_n时探测器反冲质子能量为E_p(i-1)到E_pi的概率。本实施中，将n和m最大值相等，则P(E_p)为方矩阵。通过MCNP计算EJ339A不同单能中子入射后的脉冲高度分布，如图 6所示。

设通过MCNP单能中子源计算出的脉冲高度分布对应的剂量转换函数为G(E_p)。矩阵G(E_p)：

[G(E_p1) G(E_p2) G(E_p3) ...... G(E_pm)]^T

G(E_pi)是脉冲高度大小为E_p(i-1)到E_pi的光谱权重值。

通过MCNP模拟计算的单能中子源在探测器位置中子周围剂量当量标准值为H,标准值由单能中子注量和ICRP74号数据给出的注量- 剂量转换系数乘积得到。不同单能中子源的中子周围剂量当量标准值矩阵H为：

那么探测器根据G(E_p)计算的中子周围剂量当量和MCNP模拟计算的中子周围剂量当量标准值相等的，则有下列等式：

表示为矩阵方程：H＝P(E_p)·G(E_p)，即：G(E_p)＝P^-1(E_p)·H

通过此方程可求出G(E_p)各个元素值。剂量转换系数曲线如图7 所示。

对G(E_p)和E_p拟合为四次曲线，可得G(E_p)函数为：

G(E_p)＝xE_p ³+yE_p ²+zE_p+t

其中x,y,z,t均为常数系数。本实施例中，最佳拟合曲线的x,y,z,t 数值分别为：4.253,10.9593，-1.273,0.0731。

当然求出G(E_p)对于实测还需要进行试验标定。由于探测器实际探测到的脉冲信号电荷Q和反冲质子能量、入射中子能量都是正比关系，可设比例系数为K，那么就存在：Q＝K˙E_p这样的关系，K为待定系数。显然，中子的剂量当量值通过MCNP和实验测得的两种结果也存在这样的比例关系。实际中，通过实验测量某一标准中子辐射场，根据不同位置剂量的不同，确定此待定系数。确定系数后，根据G(E_p) 函数拟合曲线的公式，将E_p值替换为Q即可得G_n(Q)函数式为：

G(Q)＝aQ³+bQ²+cQ+d

其中a,b,c,d均为常数系数。由此即可实现探测器在实际测量中子时获得中子周围剂量当量率：

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。