CN104020484A - 一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统及方法，解决了脉冲辐射场波形测量中，由单套闪烁探测系统实现系统触发和脉冲全波形测量诊断的技术问题。系统的主要特点：一方面，运用无源滤波技术，有效回避了宇宙射线及暗噪声对探测器触发功能的影响；另一方面充分利用了无源宽带衰减器对正向、反向信号都衰减的独特性能，有效克服了由于阻抗失配造成时域反射对探测器全波形测量带来的影响。同时利用低噪声放大器放大信号，保证该路信号幅度不变。从而既保证了可靠触发，又保证了滤波电路对另外一路的全波形测量不产生影响。有效提高了探测系统效能，系统具有可靠实时监测其运行状态功能。

Description

一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统及方法

技术领域

本发明涉及辐射测量技术领域，特别是涉及一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统及方法。

背景技术

由光电倍增管(PMT)配合闪烁体构成的闪烁探测系统是脉冲辐射场波形测量中应用最广的一类探测系统。其主要组成结构为闪烁体、光收集部分及光电转换器件，它的工作过程是当辐射脉冲进入闪烁体，其中的原子受激产生荧光，利用光收集部件将荧光收集照射到PMT光阴极表面，光子在光阴极上打出光电子，光电子在各倍增极上倍增，被阳极收集输出电流信号，通过测量分析这些电信号的特征对脉冲辐射波形的类别、强度、能量等参数做出诊断。

在脉冲辐射场测量中，对脉冲辐射源产生的单个辐射脉冲或者多个具有时间和物理因果关系的辐射类型相同或不同的辐射脉冲，通过相对或绝对时间关联，建立起时间维度的关系，对分析相关脉冲辐射及其发展过程、研究它们之间的内在规律很有意义(刘庆兆等，脉冲辐射场诊断技术，科学出版社，1994)。应用闪烁体配合光电倍增管组成的闪烁探测器作为触发关联探测系统，选取某脉冲波形前沿幅度对应的时间阈值(即时间特征点)做触发信号，经过传输系统到达信号记录端，再经相应的电子学处理后，触发其他辐射脉冲波形的电子学系统，将各相关辐射脉冲统一在同一时间坐标上，完成特征时间关联。对于具有此类功能的探测系统称为触发探测系统。

脉冲辐射场测量实施过程中，通常将触发测量系统和脉冲辐射全波形探测系统分别置放于设计好的测试空间位置对目标量进行探测。各探测系统具有独立的测试空间和独立的测量目标，探测器的设计、调试要求明确，功能划分清晰。但在实际的测量实施中，由于受实验要求和操作空间的约束，探测系统的布放数量受到限制。这种情况下，使用尽量少的探测系统完成尽量多的测量和实验功能，是解决复杂信号多参数测量诊断的关键。

在低强度脉冲辐射测量时，使用闪烁探测器同时实现测量和触发功能面临着很多困难。

常规独立使用时，两项功能探测系统的使用要求不同：用于测量全波形的探测器要求信号无畸变、波形光滑、统计起伏小、数据准确可靠。这就要求尽可能选择大体积、低灵敏度、高信噪比、线性动态范围大的探测系统；而用于触发的探测器要求信号输出幅度大、触发精确、可靠性强，要求探测系统具有好的抗干扰能力。同时由于触发点必须选择在脉冲波形的起始端，此时脉冲辐射粒子通量密度低，对应的触发探测器必须选择高灵敏度探测系统。

一方面，在低强度脉冲辐射测量时，由于总的粒子数有限，到达探测器的粒子数目比较少，统计起伏对探测器输出波形的影响较为严重。为了保证波形质量，通常采用增大探测器的有效受照面积增加接收到的粒子数，以降低统计起伏对目标信号测量的影响。但是由于宇宙射线无处不在，高能宇宙射线很容易在大体积的闪烁体中沉积能量，从而产生大幅度的干扰信号，造成触发系统的误动作，影响触发系统的可靠性。

另一方面，为了克服光电倍增管暗脉冲或宇宙射线脉冲等随机干扰信号的影响，需要根据干扰信号与目标信号频谱特征的不同，设计专用的滤波电路。由于使用同一个探测器，这一为解决触发关联功能的可靠性而应用的技术对全波形测量也会带来严重的影响，突出表现在由于阻抗的不匹配和微分电路导致的波形畸变。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统及方法，用于解决脉冲辐射场波形测量实施中，受测量要求及操作空间约束条件限制，由单套闪烁探测系统兼顾触发关联功能和全波形测量诊断的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统，其特殊之处是，包括单只闪烁体探测器及信号传输分路2、触发关联传输及记录系统3、全波形测量传输及记录系统4；

所述单只闪烁体探测器及信号传输分路包括闪烁探测器21、分路器23、稳压电源24；所述闪烁探测器21、分路器23由射频同轴电缆22连接；

所述触发关联传输及记录系统3包括依次连接的阻抗匹配单元31、选通调相单元32、分路器33、触发关联记录系统；所述阻抗匹配单元31包括依次连接的同轴衰减器a、低噪声放大器b，所述选通调相单元32包括依次连接的低通滤波器c、反相器d，所述触发关联记录系统包括分别与分路器33输出端相连的多路触发记录单元341、342、……、34N；

所述全波形测量传输及记录系统4包括分路器41、幅度调整单元42、全波形记录系统；所述幅度调整单元42包括多个并联的衰减器或放大器e、f、……、g，所述全波形记录系统包括与衰减器或放大器一一对应连接的全波形记录单元431、432、……、43N。

上述稳压电源为闪烁探测器提供稳定电压；所述探测器由闪烁体、光收集部分和光电倍增管构成；所述分路器为阻抗50Ω同轴功率等分或不等分功率分配器；所述触发关联传输系统阻抗匹配单元由50Ω同轴功率衰减器和低噪声放大器构成；所述选通调相单元由低通滤波器和反相器构成，低通滤波器选通触发信号频率的脉冲波形，再通过反相器将负信号反相为正信号；所述触发记录单元由精密同步机记录通道及示波器记录信道构成，记录触发、关联电信号；所述波形幅度调整单元由低噪声放大器和同轴功率衰减器组成，对分路后的全波形电信号根据测量要求进行低噪声放大或衰减；所述全波形记录单元由示波器记录信道构成，记录全波形电信号。

上述光电探测器包括具有电磁屏蔽功能的外壳D，以及设置在外壳D内的大体积ST401闪烁体A、光电倍增管B以及为光电倍增管B提供工作电压的分压基座C；所述光电倍增管B由外壳上的高压供电端口HV提供稳定工作电压，其电流信号经信号输出端口Signal输出。

上述光电倍增管B的增益为1×10⁶倍数、脉冲上升时间响应为2ns。

一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测方法，包括以下步骤：

1)光电探测器系统设计和灵敏度刻度：

根据将要测量的脉冲辐射波形信号特征，选择光电探测器，对预标定灵敏度范围进行计算，并按照预标定范围在相关辐射模拟装置和放射源上对探测器的中子、伽马灵敏度进行刻度；

2)探测器接收信号：

开启稳压电源系统，为探测器提供工作电压，探测器接收、收集脉冲辐射信号，将脉冲辐射信号转化为脉冲电流信号；

3)电流信号沿射频同轴电缆传输至分路器，通过等比或不等比分路方式分为两路：

其中一路信号分路至触发关联传输系统，经阻抗匹配单元、选通调相单元传输至触发记录单元；再根据触发信号幅度大小及分路情况，设置触发关联信号精密同步机记录系统动作的电压阈值；最后记录该信号作为触发信号；

另一路信号分路至全波形测量传输系统，经波形幅度调整单元传输至全波形记录单元；再根据信号到达记录单元的幅度设置示波器垂直灵敏度，最后记录该全波形信号。

上述方法还包括电流信号沿射频同轴电缆传输至分路器前实时监控探测器工作状态的步骤：

通过设置实时监测示波器或将沿射频同轴电缆传输至记录端的信号直接接入触发关联长扫程示波器和全波形记录示波器某信道中，即可实时监控探测器工作状态。

上述方法中实时监控探测器工作状态,可以由单独的示波器信道监测完成，也可在信号到达波形记录系统未分路前由触发关联长扫程示波器和全波形示波器的某个信道来监测。

上述方法还包括触发关联探测器系统回避宇宙射线干扰的方法：通过无源滤波技术实现触发信号和干扰信号的甄选。

上述方法还包括无畸变全波形测量方法：在触发关联传输端加50Ω阻抗匹配单元，抑制无源滤波、反向器件引起的阻抗失配造成时域反射对全波形信号测量带来的影响。

上述光电探测器包括具有电磁屏蔽功能的外壳D，以及设置在外壳D内的大体积ST401闪烁体A、光电倍增管B以及为光电倍增管B提供工作电压的分压基座C；所述光电倍增管B由外壳上的高压供电端口HV提供稳定工作电压，其电流信号经信号输出端口Signal输出；所述光电倍增管B的增益为1×10⁶倍数、脉冲上升时间响应为2ns。

本发明的有益效果：

本发明用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统及方法，采用通过同轴功率分配器，将单个探测器输出信号分路，在两路测量信号的传输记录端，运用无源滤波技术和先衰减再放大的特殊阻抗匹配方法，解决了误触发和波形测量畸变的问题。

一般通过同轴功率分配器分配信号不需要考虑阻抗匹配问题，本发明的新颖之处在于充分利用了无源宽带衰减器对正向、反向信号都衰减的独特性能，有效克服了反射波形的影响。同时利用低噪声放大器放大信号，保证该路信号幅度不变。从而既保证了可靠触发，又保证了滤波电路对另外一路的全波形测量不产生影响。

测量技术方面，实现了单套闪烁探测系统同时完成两项测试目标；测量方法方面，有效提高了探测系统效能；测量工程实施中，节省测量空间的同时节约了探测系统所占的传输系统资源；探测系统具有可靠实时监测其运行状态功能；工程成本核算中，降低了工程实施成本。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明方法的步骤图；

图3是本发明中高灵敏度闪烁探测器结构示意图；

其中：A-大体积ST401闪烁体，B-光电倍增管，C-分压基座，D-外壳，HV-高压供电端口，Signal-信号输出端口。

具体实施方式

一种用于波形测量和系统触发的高灵敏度闪烁探测系统，包括：单只闪烁体探测器及信号传输分路2：闪烁探测器21、射频同轴电缆22、分路器23、稳压电源24；

触发关联传输及记录系统3：阻抗匹配单元31包括同轴衰减器a、低噪声放大器b，选通调相单元32包括低通滤波器c、反相器d，分路器33，触发关联记录系统包括341、342、34N；

全波形测量传输及记录系统4：分路器41，幅度调整单元42包括衰减器或放大器e、衰减器或放大器f、衰减器或放大器g，全波形记录系统包括431、432、43N。

探测器通过射频同轴电缆与电流信号分配器连接，分配器将探测器输出信号分为两路，一路信号依次通过阻抗匹配单元、选通调相单元、分路器最后进入到各触发关联系统；另一路信号通过分路器、幅度调整单元最终进入各全波形记录系统；

探测器由闪烁体、光收集部分和光电倍增管构成；

电流信号分配器为阻抗50Ω同轴功率等分或不等分功率分配器；

触发关联传输系统阻抗匹配单元由低噪声放大器和50Ω同轴功率衰减器构成；

选通调相单元由低通滤波器和反相器构成，低通滤波器选通触发信号频率的脉冲波形，再通过反相器将负信号反相为正信号；

触发关联信号的记录系统由精密同步机记录通道及示波器记录信道构成，记录触发、关联电信号；

波形幅度调整单元由低噪声放大器和同轴功率衰减器组成，对分路后的全波形电信号根据测量要求进行低噪声放大或衰减；

全波形测量信号的记录系统由示波器记录信道构成，记录全波形电信号。

还包括高压电源供电系统与探测器分压网络连接，为探测器正常工作提供稳定电压。

一种用于波形测量和系统触发的闪烁探测系统应用的方法，包括以下步骤：

1)光电探测器系统设计和灵敏度刻度：根据将要测量的脉冲辐射波形信号特征及探测器兼顾两项功能的需要，对构成探测器的器件进行设计选型，对预标定灵敏度范围进行计算，并按照预标定范围在相关辐射模拟装置和放射源上对探测器的中子、伽马灵敏度进行刻度；

2)开启稳压电源系统，为探测器提供工作电压，探测器接收、收集脉冲辐射信号，将脉冲辐射信号转化为脉冲电流信号；

3电流信号沿射频同轴电缆传输至分路器前，通过设置实时监测示波器或将沿射频同轴电缆传输至记录端的信号直接接入触发关联长扫程示波器和全波形记录示波器某信道中，即可实时监控探测器工作状态。

4)电流信号沿射频同轴电缆传输至分路器，进行等比或不等比分路：

a.分路至触发关联传输系统的电信号经阻抗匹配器件，滤波、反相器件传输至其记录系统；

b.根据触发信号幅度大小及分路情况，设置触发关联信号精密同步机记录系统动作的电压阈值；

c.分路至全波形测量传输系统的电信号经同轴功率分配器件，低噪声放大或衰减器件传输至其记录系统；

d.根据信号到达全波形记录系统的幅度设置示波器垂直灵敏度。

上述探测器工作状态实时监测的方法,可以由单独的示波器信道监测完成，也可在信号到达波形记录系统未分路前由触发关联长扫程示波器和全波形示波器的某个信道来监测。

上述触发关联探测器系统回避宇宙射线干扰的方法，通过无源滤波技术实现触发信号和干扰信号的甄选。

上述无畸变全波形测量方法，是在触发关联传输端加50Ω阻抗匹配单元，抑制无源滤波、反向器件引起的阻抗失配造成时域反射对全波形信号测量带来的影响。

附图2是本发明的具体实例实施方法步骤图，附图3高灵敏度闪烁探测器的结构示意图，结合附图2、附图3，对本发明做进一步说明。

S1：分析待测脉冲全波形特征，结合触发关联探测器和全波形测量探测器两种测量目标要求，选择大体积ST401闪烁体A，增益为1×10⁶倍数、脉冲上升时间响应为2ns的光电倍增管B，以及为管子提供工作电压的分压基座C构成高灵敏度闪烁探测器，先对光电倍增管PMT器件的性能参数进行测试选择，再将A、B、C装配于具有电磁屏蔽功能的外壳D中，由高压供电端口HV提供稳定工作电压，其电流信号经信号输出端口Signal输出。确定探测器灵敏度量程，并在相应辐射模拟装置和不同的放射源上对其中子、伽马灵敏度进行刻度。

S2：将刻度好的闪烁探测器安装布放到测量位置，由稳压电源供电系统S2a为探测器提供工作电压，并对探测器在加电运行后的性能进行实施监测S2b。

S3：采用射频同轴电缆作为探测器输出电信号的传输介质，根据电信号幅度、带宽、传输距离、实施工程条件等综合因素确定传输电缆的型号。

S4：电信号在进入触发关联和全波形测量的传输、记录系统前根据需要由同轴功率分配器先进行等比例或不等比例的分配。

S5：分配至触发关联传输系统上的电信号，由射频同轴电缆先接入阻抗匹配单元，阻抗匹配的目的是防止触发关联信号在传输电缆上由无源滤波、反相器件引起阻抗失配造成的时域反射影响全波形信号测量。本单元器件包括衰减器S5a和低噪声放大器S5b。

S6：信号经过阻抗匹配单元后再由射频同轴电缆接入选通、反相单元。由于高灵敏度闪烁探测器对宇宙射线的响应会影响触发关联探测器的可靠触发，通过分析探测器响应宇宙射线的波形频率特征和脉冲辐射信号的波形频率特征，运用无源滤波技术能够有效回避宇宙射线对触发可靠性的影响。触发关联信号的反相处理是为满足触发关联精密同步机记录系统输入需求，将光电倍增管输出的负信号进行反相，变为正信号。本单元使用的器件包括低通滤波器S6a和反相器S6b。

S7：分路至全波形传输系统上的电信号，由射频同轴电缆传输经过同轴功率分配器S7a将信号分路，并依据分路后波形幅度大小和记录系统垂直灵敏度量程安排，对波形幅度进行衰减S7b1、S7b2或低噪声放大S7b3、S7b4处理，再由电缆传输至记录系统。

S8：由S6步骤低通、反相单元输出的触发信号由电缆传输至同轴功率分配器，将其等分为2路，为复合触发系统提供所需信号，并由信号电缆将相关测量信号传输至触发关联记录系统进行记录。

S9：触发关联记录系统由精密同步机和长扫程示波器或时间间隔测量仪构成，精密同步机S9a1、S9a2输入电信号极性为正，其触发阈值根据信号分路后的幅度大小和可靠触发需要进行设置。为时间关联需要，同步机的输出信号由OUT1端口经电缆传输至本例中的长扫程示波器S9b1、S9b2，用来记录触发信号和其他辐射脉冲信号的时间间隔关系。

S10：全波形记录系统由测量需要安排相应数量的宽带示波器记录信道S10a1、S10a2、S10a3、S10a4构成，记录探测器输出全波形信号的幅度、半宽度、上升时间、波形面积等信号特征，示波器信道的垂直灵敏度、时基、触发电平等设置根据记录波形的特征进行调整。

Claims (10)

1.一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统，其特征在于：包括单只闪烁体探测器及信号传输分路(2)、触发关联传输及记录系统(3)、全波形测量传输及记录系统(4)；

所述单只闪烁体探测器及信号传输分路包括闪烁探测器(21)、分路器(23)、稳压电源(24)；所述闪烁探测器(21)、分路器(23)由射频同轴电缆(22)连接；

所述触发关联传输及记录系统(3)包括依次连接的阻抗匹配单元(31)、选通调相单元(32)、分路器(33)、触发关联记录系统；所述阻抗匹配单元(31)包括依次连接的同轴衰减器(a)、低噪声放大器(b)，所述选通调相单元(32)包括依次连接的低通滤波器(c)、反相器(d)，所述触发关联记录系统包括分别与分路器(33)输出端相连的多路触发记录单元(341、342、……、34N)；

所述全波形测量传输及记录系统(4)包括分路器(41)、幅度调整单元(42)、全波形记录系统；所述幅度调整单元(42)包括多个并联的衰减器或放大器(e、f、……、g)，所述全波形记录系统包括与衰减器或放大器一一对应连接的全波形记录单元(431、432、……、43N)。

2.根据权利要求1所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统，其特征在于：所述稳压电源为闪烁探测器提供稳定电压；所述探测器由闪烁体、光收集部分和光电倍增管构成；所述分路器为阻抗50Ω同轴功率等分或不等分功率分配器；所述触发关联传输系统阻抗匹配单元由50Ω同轴功率衰减器和低噪声放大器构成；所述选通调相单元由低通滤波器和反相器构成，低通滤波器选通触发信号频率的脉冲波形，再通过反相器将负信号反相为正信号；所述触发记录单元由精密同步机记录通道及示波器记录信道构成，记录触发、关联电信号；所述波形幅度调整单元由低噪声放大器和同轴功率衰减器组成，对分路后的全波形电信号根据测量要求进行低噪声放大或衰减；所述全波形记录单元由示波器记录信道构成，记录全波形电信号。

3.根据权利要求1或2所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统，其特征在于：所述光电探测器包括具有电磁屏蔽功能的外壳(D)，以及设置在外壳(D)内的大体积ST401闪烁体(A)、光电倍增管(B)以及为光电倍增管(B)提供工作电压的分压基座(C)；所述光电倍增管(B)由外壳上的高压供电端口(HV)提供稳定工作电压，其电流信号经信号输出端口(Signal)输出。

4.根据权利要求3所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测系统，其特征在于：所述光电倍增管(B)的增益为1×10⁶倍数、脉冲上升时间响应为2ns。

5.一种用于系统触发和波形测量的闪烁探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)光电探测器系统设计和灵敏度刻度：

根据将要测量的脉冲辐射波形信号特征，选择光电探测器，对预标定灵敏度范围进行计算，并按照预标定范围在相关辐射模拟装置和放射源上对探测器的中子、伽马灵敏度进行刻度；

2)探测器接收信号：

开启稳压电源系统，为探测器提供工作电压，探测器接收、收集脉冲辐射信号，将脉冲辐射信号转化为脉冲电流信号；

3)电流信号沿射频同轴电缆传输至分路器，通过等比或不等比分路方式分为两路：

其中一路信号分路至触发关联传输系统，经阻抗匹配单元、选通调相单元传输至触发记录单元；再根据触发信号幅度大小及分路情况，设置触发关联信号精密同步机记录系统动作的电压阈值；最后记录该信号作为触发信号；

另一路信号分路至全波形测量传输系统，经波形幅度调整单元传输至全波形记录单元；再根据信号到达记录单元的幅度设置示波器垂直灵敏度，最后记录该全波形信号。

6.根据权利要求5所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测方法，其特征在于：

还包括电流信号沿射频同轴电缆传输至分路器前实时监控探测器工作状态的步骤：

通过设置实时监测示波器或将沿射频同轴电缆传输至记录端的信号直接接入触发关联长扫程示波器和全波形记录示波器某信道中，即可实时监控探测器工作状态。

7.根据权利要求6所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测方法，其特征在于：所述实时监控探测器工作状态,可以由单独的示波器信道监测完成，也可在信号到达波形记录系统未分路前由触发关联长扫程示波器和全波形示波器的某个信道来监测。

8.根据权利要求5或6或7所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测方法，其特征在于：还包括触发关联探测器系统回避宇宙射线干扰的方法：通过无源滤波技术实现触发信号和干扰信号的甄选。

9.根据权利要求5或6或7所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测方法，其特征在于：还包括无畸变全波形测量方法：在触发关联传输端加50Ω阻抗匹配单元，抑制无源滤波、反向器件引起的阻抗失配造成时域反射对全波形信号测量带来的影响。

10.根据权利要求5或6或7所述的用于系统触发和波形测量的闪烁探测方法，其特征在于：

所述光电探测器包括具有电磁屏蔽功能的外壳(D)，以及设置在外壳(D)内的大体积ST401闪烁体(A)、光电倍增管(B)以及为光电倍增管(B)提供工作电压的分压基座(C)；所述光电倍增管(B)由外壳上的高压供电端口(HV)提供稳定工作电压，其电流信号经信号输出端口(Signal)输出；所述光电倍增管(B)的增益为1×10⁶倍数、脉冲上升时间响应为2ns。