CN102279408A - 多道能谱测量的处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体诊断计算机处理领域，具体涉及一种多道能谱测量的处理方法和装置。所述处理方法，包括如下步骤：采集探头发出的脉冲信号，并转换为数字脉冲信号；对数字化脉冲信号进行计数和归类，得到计数谱；将计数谱转化为能谱；根据光子经过探头内的铍箔产生的能量衰减，还原第三步得到的能谱；对还原后的能谱进行平滑寻峰和拟合求出电子温度。所述处理装置，包括脉冲信号产生模块、高速采集卡、模拟/数字信号转换模块、高速缓存模块，还包括具有能量计数模块和温度计算模块的处理器单元。解决了常见多道能谱测量处理方法存在硬件费用高、设备专用性强、能量道数受限和时空分辨率较低且无法保存原始信号等问题。

Description

多道能谱测量的处理方法和装置

技术领域

本发明属于等离子体诊断计算机处理领域，具体涉及一种多道能谱测量的处理方法和装置。

背景技术

在托卡马克装置和其它磁约束核聚变装置上，通常使用脉冲高度分析系统测量软X射线辐射能谱，以此可以获得一些重要的等离子体信息，如电子温度、电子速率分布、重金属杂质含量等信息。目前，在核电子学能谱测量中，传统上采用模数转换器(ADC)等硬件方法进行脉冲高度分析，例如线性放电型ADC(Wilkinson型)，但因为受到变换时间的限制，不能用于高计数率的能谱测量，并且存在噪声大、计数率不高、堆积和基线漂移严重，以及能量亏损现象。

近几年随着数字信号处理技术在核能谱中的应用，可以直接利用商业产品的高速或高精度ADC(例如闪电型、逐次逼近型)和数字信号处理技术相结合的方法。例如直接采购仪器系统生产厂家，如CABENRRA、ORTEC、CAEN和FAST ComTec公司的产品，这种专用的多道幅度分析器能谱仪中采用的电子学部分包括前放、主放大器、探测器、高压电源、定时单道、线性门和展宽器等，虽然模块性能水平较高，但是缺点是专用性强、价格昂贵，维护受限。

综上所述，采用硬件进行多道能谱测量，由于实际等离子体放电过程中，硬件探测器测量会受到电磁干扰和来自非等离子体的X射线和γ射线辐射以及中子辐射的影响，所造成的堆积和干扰现象在硬件中不能彻底清除，并且硬件设备专用的多道仪购置和维护费用高；同时设备自带的专用处理方法无法保存原始信号，使得放电结束后，不能灵活调整时间分辨率和能量道数以便进行进一步的物理诊断分析。因此，为了提高计数率和能量分辨率，减少能量亏损，需要一种能够降低成本，具有高时空分辨率和能量道数，可灵活配置参数并能保存原始信号的多道能谱测量处理方法。

发明内容

本发明的目的是针对常见多道能谱测量处理方法存在硬件费用高、设备专用性强、能量道数受限和时空分辨率较低且无法保存原始信号等限制，提供一种基于通用设备的多道能谱测量的处理方法和装置。

本发明的技术方案是：

一种多道能谱测量的处理方法，包括如下步骤：

第一步、采集探头发出的脉冲信号，并转换为数字脉冲信号；

第二步、对数字化脉冲信号进行计数和归类，得到计数谱；

第三步、将第二步得到的计数谱转化为能谱；

第四步、根据光子经过探头内的铍箔产生的能量衰减，还原第三步得到的能谱；

第五步、对第四步还原后的能谱进行平滑寻峰和拟合求出电子温度。

如上所述的一种多道能谱测量的处理方法，其中：所述第二步进行如下步骤：

(2.1)从脉冲信号数据文件中读取一道探头脉冲数据，预设时间片长度、时间片间隔、计数道个数；

(2.2)将采集的脉冲信号分成若干个等长时间片，每个时间片有2ⁿ个不同计数道，n取整数；

(2.3)将每个时间片的脉冲信号分计数道进行计数，得到计数谱线：多个时间片的计数谱线组成计数谱。

如上所述的一种多道能谱测量的处理方法，其中：所述第三步包括如下步骤：

(3.1)对标准放射源进行绝对能量标定，得到标定后的能谱；

(3.2)通过标定后的能谱对计数道和能量进行线性拟合，得到能谱标定系数E；

(3.3)将计数谱中的计数道乘以能谱标定系数E进而将计数谱转换为能谱。

如上所述的一种多道能谱测量的处理方法，其中：所述第四步包括如下步骤：

(4.1)根据公式

对计数值进行还原得到待还原的计数值N₀，其中N是计数值，N₀是待还原的计数值，u_m是质量衰减系数，x是铍箔厚度，ρ是铍箔的物质密度；

(4.2)将还原后的计数值乘以能谱标定系数E，取对数或通过指数拟合方法得到还原后的能谱Y。

如上所述的一种多道能谱测量的处理方法，其中：第五步包括如下步骤：

(5.1)在每个时间片内，用高斯拟合求得能谱的峰值和峰值道址i₀；

(5.2)从(5.1)求得的峰值道址处往后依次取若干道；做线性拟合；

(5.3)根据(5.2)线性拟合结果求得斜率k，再计算电子温度T＝-1/k。

如上所述的一种多道能谱测量的处理方法，其中：所述标准放射源选取3种以上放射核素。

如上所述的一种多道能谱测量的处理方法，其中：所选标准放射核素为Mn、Cu、Rb、Mo。

一种多道能谱测量的处理装置，包括脉冲信号产生模块、高速采集卡、模拟/数字信号转换模块、高速缓存模块，还包括具有能量计数模块和温度计算模块的处理器单元；脉冲信号产生模块通过具备一定能量的光子进入硅漂移探头而产生脉冲信号；该脉冲信号经高速采集卡及模拟/数字信号转换后，保存在高速缓存模块中；能谱计数模块用于脉冲信号的计数、归类以及转换，得到能谱，形成能量的时空分布图；温度计算模块在能谱计数模块得到的能谱数据的基础上，对能谱线进行拟合插值处理，计算出该时刻的等离子体电子温度。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过采集卡以及能量计数模块和温度计算模块的结合可以完成256-1024道能谱的多道分析处理(甚至更高达8192-16384道，取决于采集板卡的板载容量)，提高了系统的适应性和灵活性，消除能量亏损和堆积效应，经过滤波、修正基线漂移处理，脉冲形状甄别精确，有效提高了系统的能量分辨率。

2.由于高速采集系统的海量数据快速存储问题，历来是放射性核信号采集与分析处理的难点，光子信号脉冲宽度为5us左右，30M采样速率的高速采集卡全速运行时，每秒产生60M左右的数据，如此大规模数据高速传输和存储，对于常规仪器已无法实现。而本发明通过高精度快速A/D信号采集器，不但能够解决海量数据传输存储，还能记录原始的光脉冲信号，并提取无堆积的有效信号进行多道能谱分析处理，有效地提高了系统的稳定性、可靠性。

3.在能谱处理过程中，通过对谱线进行平滑、寻峰、能量标定、计数还原、温度计算等一系列操作，最后得到温度结果。在谱线平滑与寻峰过程中，通用的二阶多项式五点拟合平滑方法，平滑后峰顶畸变较大，会丢失弱峰或出现假峰，净峰面积计算误差变大，能量分辨率变坏，难以在高本底上寻找弱峰或分辩相距很近的重叠峰。本发明采用指数拟合和最小二乘法，将能谱信号分解为非线性的阈值函数，再通过线性拟合重构得到消除统计涨落的平滑能谱曲线；由高斯拟合捕获峰值和道址，再经最小二乘法处理得到峰值道址。此种方法平滑寻峰，谱线峰性变化较小，且相对线性平滑可以很好消除统计涨落的影响，对重峰和弱峰分析的效果很好。

4.本发明通过铍箔还原计数的定量计算，得到的温度结果与其他测量方法得到的温度结果有较好的一致性。并且在预先确定的实验误差允许范围内，该处理方法还能通过配置文件改变脉冲计数的时间段大小和能谱信号道数，同时识别数百道能谱信号，能按不同的时间分辨率进行能谱统计处理，大大增强了系统处理的灵活性。

附图说明

图1是本发明提出的一种多道能谱测量的处理装置的结构框图；

图2是本发明提出的一种多道能谱测量的处理方法的流程图；

图3是用标准放射源Mn、Cu、Rb、Mo标定后得到的能谱线；

图4是用本发明提供的一种多道能谱测量的处理方法得到的计数道和能量道之间的对应函数关系；

图5是本发明提出的一种多道能谱测量的处理方法得到的温度和其他方式得到的温度对比结果。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明提出的一种多道能谱测量的处理方法进行进一步的介绍：

如图1所示，一种多道能谱测量的处理装置，包括脉冲信号产生模块、高速采集卡、模拟/数字信号转换模块、高速缓存模块、具有能量计数模块和温度计算模块的处理器单元；其中：脉冲信号产生模块通过具备一定能量的光子进入硅漂移探头而产生脉冲信号，即通过放电产生脉冲信号；该脉冲信号经高速采集卡及模拟/数字信号转换后，保存在高速缓存模块中；能谱计数模块用于脉冲信号的计数并归类以及转换，得到能谱，形成能量的时空分布图；温度计算模块在能谱计数模块得到的能谱数据的基础上，对谱线进行拟合插值处理，计算出该时刻的等离子体电子温度。本发明通过对一系列时间段能谱数据的计算，获得若干时刻的电子温度，最后以电子温度时变曲线的形式及时地在大屏幕上显示出来；还可将每道能谱数据保存在数据库中，在放电结束后，根据放电条件任意设置时间分辨率大小、电平能级数、最低和最高电平以及电平甄别域值和脉冲改善等参数，对能谱信号进行针对性的分析处理。与常见的硬件多道能谱测量方法相比较，软件处理的灵活度和精确度大为增加。在任何放电条件下，均可获得较精确地平均电子温度数据及其他相关信息，提高了测量的精确度和可靠性。

采集卡可选用PCI-9820高速采集卡，PCI-9820采集卡有两个同步的A/D采集通道，两通道并行工作的最高采样频率为65MS·s^-1，A/D的分辨率为14bit，板卡上带512M数据字的缓存，可提供长达数秒的储存空间，保证原始信号无丢失。如果使用单通道采集方式，最大采集时间为4s，完全可以满足目前tokamak装置的工程实验要求。在实际使用时，采集器工作频率为30MHz·s^-1，采样间隔为0.033μs。采集卡对应有效A/D量程为8192～16383，量程精度为5V，量化精度为3×10^-4，完全能够满足测量光子脉冲宽度的要求。当采集通道增加时，还可利用同步接口完成多片卡自行同步工作。约定使用UDP单播或广播方式和计算机处理器之间通讯，设计了时序触发的收发消息指令模式，以保证采集和处理之间的时序性。

算法原理：等离子体中软X射线辐射主要有轫致辐射、复合辐射及线辐射。在1keV以上能量区域，基本上由前两种辐射构成软X射线连续谱，而线辐射则叠加在连续谱上。轫致辐射与复合辐射之和可表示为：

$\frac{\mathrm{dW}}{\mathrm{dE}}=3\×{10}^{-15}{\mathrm{\γ}}_i{n}_e{n}_i{Z}_i{T}_e^{-1/2}{g}_{\mathrm{ff}}\exp (-E/T_e)---\left(1\right)$

式中，dW/dE表示每单位体积密度在dE能量段的辐射功率。因为dW/dE＝Edn/dE，而dn/dE是实测软X射线能谱，可视为电子的速率分布，n是计数，对式(1)两边取对数，从而得到以X射线能量E为变量的直线方程的斜率K＝-1/Te，故若从能谱测量中求出半对数直线段的斜率，就可得到电子温度绝对值。

如图2所示，一种多道能谱测量的处理方法，包括如下步骤：

第一步、采集原始脉冲信号并建立相应的模拟数据文件，可利用高速采集卡通过PCI总线采集脉冲信号，再将模拟脉冲信号经模拟/数字信号转换模块后的数字信号存储在缓存中；采集卡读取多道探头的脉冲数据并分别进行保存；并记录电平阀值参数，通常由采集卡决定，例如为0-5V。

第二步、能谱计数模块读取缓存中的脉冲信号数据文件，并对脉冲信号进行计数和归类，得到计数谱，其过程具体为：

(2.1)从脉冲信号数据文件中读取一道探头脉冲数据，预设时间片长度、时间片间隔、计数道个数等参数值，建立计数参数和计数数据文件；

(2.2)将采集的脉冲信号分成若干个等长时间片，每个时间片有2ⁿ，(n＝1，2，...N)个不同计数道(通常n选择8、9或10)，即将电平阀值划分为2ⁿ份，将每个脉冲信号根据其电平值划分入不同的计数道内；

(2.3)对脉冲电平分计数道进行计数，得到计数谱：即在等分的时间片内按照计数道划分，在各个计数道内对脉冲个数进行累加，得到单个时间片内的计数谱线。例如，设时间片长度为50ms、时间片间隔为1ms、计数道为256个；则在放电时间范围内，首先按1ms间隔顺序读取脉冲数据，统计第一个时间片(50ms)内的计数，把1～50ms内的脉冲按256个计数道分别累加，得到不同计数道的计数值，形成第一个时间片的计数谱线；再把2～51ms的脉冲按计数道分别累加，形成第二个时间片的计数谱线，直至处理完所有时间片，得到计数谱。

第三步、将第二步得到的计数谱转化为能谱。其过程具体为：

(3.1)对标准放射源进行绝对能量标定，得到标定后的能谱。通常选取3种以上放射核素，本实施例中选择标准放射核素Mn、Cu、Rb、Mo进行绝对能量标定，即对标准放核素Mn、Cu、Rb、Mo按照计数道进行计数。又已知放射源的能量分别为Mn(5.90keV，6.49keV)、Cu(8.05keV，8.91keV)、Rb(13.4keV，14.96keV)、Mo(17.48keV，19.61keV)；则标定后的能谱如图3所示，横轴为能量(keV)，纵轴为计数值。

(3.2)通过标定后的能谱对计数道和能量进行线性拟合，得到能谱标定系数E。如图4所示，横轴表示计数道，纵轴表示能量(keV)，本实施例中各计数道和能量之间的对应函数关系表达式为y＝0.2093x+0.3949。能谱标定系数E为0.2093。拟合过程中，设R为拟合的线性相关系数，可得R²＝0.9997(越接近1结果越好)，说明该方法的标定结果非常好。

(3.3)将计数谱中的计数道乘以能谱标定系数E进而将计数谱转换为能谱。

(3.4)在计算机硬盘上保存原始脉冲信号数据、计数值、计数道、能谱标定系数，并将时间片长度、时间片间隔、计数道个数等描述参数信息逐一写入数据库，用以形成三维时空分布的能谱图，并且可以为放电后的重新计算提供基础。

第四步、根据光子经过探头内的铍箔产生的能量衰减，还原第三步得到的能谱。光子通过铍箔时发生质量衰减，用温度计算模块对铍箔进行计数还原再得到各道能量；算法思路为：其中，N是计数值，N₀是待还原的计数值，u_m是质量衰减系数(单位cm²/g)，x是铍箔厚度(cm)，ρ是铍箔的物质密度；具体还原步骤为：

(4.1)根据公式

对计数值进行还原得到待还原的计数值N₀；用多项式内插法对在1～20keV区域之间的质量衰减系数进行回归分析，找出r光子在1～20keV之间任意点的质量衰减系数。例如，对1keV能量的光子，u_m＝596(cm²/g)，质量衰减系数(u_m)描述物质对γ射线的衰减，u_m＝μ/ρ(cm²/g)，其中μ为线衰减量，查表得铍箔介质密度ρ为1.848g/cm³。选择铍箔厚度0.001cm，则N＝N₀*e^{-596*0.001*1.848}，N₀＝N/0.33。

(4.2)将还原后的计数值乘以能谱标定系数E，取对数或通过指数拟合方法得到还原后的能谱Y。例如，本实施例中采用Y＝ln(E*dN₀/dE)，N₀为(4.1)中得到的还原计数值，所述能谱标定系数E由第三步获得。

第五步、对第四步还原后的能谱进行平滑寻峰和拟合求出电子温度。

(5.1)在每个时间片内，用高斯拟合求得能谱的峰值和峰值道址i₀。本实施例中可采用公式LnN_i＝ai²+bi+c，经最小二乘法处理得到峰值道址i₀＝-b/2a；其中N_i为第i道的峰值，i₀为峰值道址，a、b、c为拟合系数。

(5.2)从(5.1)求得的峰值道址处往后依次取若干道(比如20道)做线性拟合，拟合过程可以采用最小二乘法、多项式拟和线性插值等方法；

(5.3)根据(5.2)线性拟合结果求得斜率k，再计算电子温度T＝-1/k。

图5给出了根据本发明提出的多道能谱测量的处理方法得到的温度和利用其他电子温度测量手段得到的测量结果；其中，横轴表示小半径(cm)，纵轴表示能量(keV)；ECE为电子回旋辐射仪所测结果，TLS为汤姆逊散射仪所测结果，SDD SMCA为本发明提出的多道能谱测量的处理方法所得结果。结果显示，本发明方法所测结果准确可靠。

Claims (8)

1.一种多道能谱测量的处理方法，包括如下步骤：

第一步、采集探头发出的脉冲信号，并转换为数字脉冲信号；

第二步、对数字化脉冲信号进行计数和归类，得到计数谱；

第三步、将第二步得到的计数谱转化为能谱；

第四步、根据光子经过探头内的铍箔产生的能量衰减，还原第三步得到的能谱；

第五步、对第四步还原后的能谱进行平滑寻峰和拟合求出电子温度。

2.如权利要求1所述的一种多道能谱测量的处理方法，其特征在于：所述第二步进行如下步骤：

(2.1)从脉冲信号数据文件中读取一道探头脉冲数据，预设时间片长度、时间片间隔、计数道个数；

(2.2)将采集的脉冲信号分成若干个等长时间片，每个时间片有2ⁿ个不同计数道，n取整数；

(2.3)将每个时间片的脉冲信号分计数道进行计数，得到计数谱线：多个时间片的计数谱线组成计数谱。

3.如权利要求1所述的一种多道能谱测量的处理方法，其特征在于：所述第三步包括如下步骤：

(3.1)对标准放射源进行绝对能量标定，得到标定后得能谱；

(3.2)通过标定后的能谱对计数道和能量进行线性拟合，得到能谱标定系数E；

(3.3)将计数谱中的计数道乘以能谱标定系数E进而将计数谱转换为能谱。

4.如权利要求1所述的一种多道能谱测量的处理方法，其特征在于：所述第四步包括如下步骤：

(4.1)根据公式对计数值进行还原得到待还原的计数值N₀，其中N是计数值，N₀是待还原的计数值，u_m是质量衰减系数，x是铍箔厚度，ρ是铍箔的物质密度；

(4.2)将还原后的计数值乘以能谱标定系数E，取对数或通过指数拟合方法得到还原后的能谱Y。

5.如权利要求1所述的一种多道能谱测量的处理方法，其特征在于：第五步包括如下步骤：

(5.1)在每个时间片内，用高斯拟合求得能谱的峰值和峰值道址i₀；

(5.2)从(5.1)求得的峰值道址处往后依次取若干道；做线性拟合；

(5.3)根据(5.2)线性拟合结果求得斜率k，再计算电子温度T＝-1/k。

6.如权利要求3所述的一种多道能谱测量的处理装置，其特征在于：所述标准放射源选取3种以上放射核素。

7.如权利要求6所述的一种多道能谱测量的处理装置，其特征在于：所选标准放射核素为Mn、Cu、Rb、Mo。

8.如权利要求1所述的一种多道能谱测量的处理装置，包括脉冲信号产生模块、高速采集卡、模拟/数字信号转换模块、高速缓存模块、其特征在于：还包括具有能量计数模块和温度计算模块的处理器单元；脉冲信号产生模块通过具备一定能量的光子进入硅漂移探头而产生脉冲信号；该脉冲信号经高速采集卡及模拟/数字信号转换后，保存在高速缓存模块中；能谱计数模块用于脉冲信号的计数、归类以及转换，得到能谱，形成能量的时空分布图；温度计算模块在能谱计数模块得到的能谱数据的基础上，对能谱线进行拟合插值处理，计算出该时刻的等离子体电子温度。

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