CN106021723B - 蒙特卡罗虚拟探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蒙特卡罗虚拟探测器，此虚拟探测器由蒙特卡罗方法模拟仿真射线与虚拟探测器作用的物理过程，产生的具有物理意义的核脉冲信号的幅度、形状、时间间隔等信息，并形成数字核脉冲信号，然后利用FPGA对数字核脉冲信号进行缓存之后送DAC转换成模拟核脉冲信号，再通过滤波电路滤除高频噪声，最终输出模拟核脉冲电信号。本发明可按需设置探测器参数，如探测器材料、探测器尺寸、以及射线与探测器作用的物理过程，还能按需设置放射源的强度、位置、射线的能量，所产生的模拟核脉冲电信号具有射线与探测器作用的各种物理过程的物理意义。可广泛用于科学研究、教学实验、核辐射监测系统开发等领域。

Description

蒙特卡罗虚拟探测器
技术领域
本发明涉及一种虚拟探测器，尤其涉及一种蒙特卡罗虚拟探测器。
背景技术
在科学研究、教学实验、核辐射监测系统开发等领域中，往往由于缺少放射源、探测器、核物理实验室等条件，工作人员难以开展核辐射测量的科学研究、实验、仪器开发等工作。目前，人们一般采用信号发生器产生周期正余弦信号、方波信号、指数信号来代替核脉冲信号，或者采用MATLAB、FPGA等产生伪核脉冲信号，这些信号不包含体现探测器材料、探测器尺寸、射线与探测器作用的物理过程等信息，也不包含放射源的强度、位置、射线的能量等信息，所以不能反映射线在实际探测器中发生的各种物理过程，不具有核辐射测量的相关物理意义，难以满足科学研究、教学实验、核辐射监测系统开发等的相关工作的实际需求，具有非常大的局限性。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，可以模拟多种不同类型的虚拟探测器，能实现核脉冲信号幅度信息随射线与物质发生相互作用沉积的能量而变化，可以根据选择不同探测器类型选择核脉冲信号的时间常数，可以利用核脉冲信号时间间隔和事件发生的次数来代表放射源的活度的蒙特卡罗虚拟探测器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种蒙特卡罗虚拟探测器，
（1）根据需要模拟的探测器信息、放射源射线信息，建立探测器模型，采用蒙特卡罗方法模拟仿真射线与探测器作用的物理过程，得到射线在探测器中的能量沉积，并将该能量沉积转化为核脉冲信号的幅度；
（2）根据物理探测器的响应模型和步骤（1）中的能量沉积建立单次射线与探测器模型作用所产生的核脉冲信号；
（3）根据放射源的射线衰变规律，计算核脉冲信号之间的时间间隔；
（4）将单次核脉冲信号与时间间隔结合，获得数字核脉冲信号序列；
（5）将数字核脉冲信号序列通过USB接口发送给FPGA；
（6）FPGA对数字核脉冲信号进行缓存之后送DAC转换成模拟核脉冲信号，再通过滤波电路滤除高频噪声，并输出模拟核脉冲电信号。
作为优选：步骤（1）中，探测器信息包括探测器尺寸、材料，所述放射源射线信息包括放射源的强度、位置、射线的能量。
作为优选：步骤（3）中，根据放射源的射线衰变规律是指核脉冲信号之间时间间隔服从指数分布。
与现有技术相比，本发明的优点在于：根据需要模拟的探测器信息，通过蒙特卡罗模拟的方法，得到虚拟探测器的幅度信息、信号形状信息、时间间隔信息。再根据幅度信息和时间常数建立单次射线与探测器模型作用所产生的核脉冲信号，再结合时间间隔，产生数字核脉冲信号序列，再将数字核脉冲信号序列通过USB接口发送给FPGA，由FPGA对数字核脉冲信号进行缓存之后送DAC转换成模拟核脉冲信号，再通过滤波电路滤除噪声，并输出模拟核脉冲电信号。
这个输出的模拟核脉冲电信号，具有反应射线在实际探测器中发生各种物理过程的物理意义。本发明可按需设置探测器参数，如探测器材料、探测器尺寸、射线与探测器材料发生的物理过程，还能按需设置放射源的强度、位置、射线的能量。而数字核脉冲信号时间间隔能反应放射源的活度信息。本发明可以模拟多种不同类型的探测器。
其中，虚拟探测器的幅度、信号形状、时间间隔采用以下方法得到：
设置探测器信息和放射源信息，利用射线与虚拟探测器的物质发生相互作用，从而沉积能量，沉积的能量与幅度信息成正比关系，得到沉积能量值，就能计算出核脉冲信号的幅度信息；
核脉冲信号时间常数由探测器类型和入射射线类型确定；不同的时间常数代表不同的信号形状，根据模拟的探测器选定时间常数，从而确定信号形状；
又因为放射源衰变服从泊松分布之原理，可以得知核脉冲之间的时间间隔服从指数分布，然后通过计算得到时间间隔。
本发明蒙特卡罗虚拟探测器可以用于科学研究，教学实验，核辐射测量系统的开发等领域。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为图1中放射源信息图；
图3为图1中探测器信息图；
图4为利用本发明产生的一种数字核脉冲信号序列图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1到图3，一种蒙特卡罗虚拟探测器；
（1）根据需要模拟的探测器信息、放射源射线信息，建立探测器模型，采用蒙特卡罗方法模拟仿真射线与探测器作用的物理过程，得到射线在探测器中的能量沉积，并将该能量沉积转化为核脉冲信号的幅度；其中，探测器信息包括探测器尺寸、材料，所述放射源射线信息包括放射源的强度、位置、射线的能量；
（2）根据物理探测器的响应模型和步骤（1）中的能量沉积建立单次射线与探测器模型作用所产生的数字核脉冲信号，并将该能量沉积转化为核脉冲信号的幅度；
（3）根据时间间隔服从指数分布的规律，计算核脉冲信号之间的时间间隔，该时间间隔能反应反射源的活度信息；
（4）将单次核脉冲信号与时间间隔结合，获得数字核脉冲信号序列；
（5）将数字核脉冲信号序列通过USB接口发送给FPGA；
（6）FPGA对数字核脉冲信号进行缓存之后送DAC转换成模拟核脉冲信号，再通过滤波电路滤除高频噪声，并输出模拟核脉冲电信号。输出的模拟核脉冲电信号也是信号序列，这个信号序列具有反应射线在实际探测器中发生各种物理情况的物理意义；
本发明步骤（1）（2）（3）分别用于模拟产生信号的幅度、形状、时间间隔；（4）是产生数字核脉冲信号序列，以上步骤均在计算机、平板电脑等能运行程序的上位机中完成，再将信号通过USB接口发送给FPGA。
本发明将集成形成具有物理意义的数字核脉冲信号，并将其转换成了电信号。数字核脉冲信号具有反应射线在实际探测器中发生各种物理过程物理意义。而数字核脉冲信号时间间隔能反应放射源的活度信息。结合不同的放射源信息和探测器信息，可以模拟多种不同类型的虚拟探测器。
参见图4，其中横坐标表示时间，纵坐标表示归一化幅度值。从图中可以看出：虚拟探测器输出核脉冲信号幅度、形状、时间分布与实际物理探测器输出信号吻合，显著区别与一般的信号发生器所产生的信号。

Claims (2)

1.一种蒙特卡罗虚拟探测器，其特征在于：
(1)根据需要模拟的探测器信息、放射源射线信息，建立探测器模型，采用蒙特卡罗方法模拟仿真射线与探测器作用的物理过程，得到射线在探测器中的能量沉积，并将该能量沉积转化为核脉冲信号的幅度；
(2)根据物理探测器的响应模型和步骤(1)中的能量沉积建立单次射线与探测器模型作用所产生的核脉冲信号；
(3)根据放射源的射线衰变规律，计算核脉冲信号之间的时间间隔,所述放射源的射线衰变规律是指核脉冲信号之间时间间隔服从指数分布；
(4)将单次核脉冲信号与时间间隔结合，获得数字核脉冲信号序列；
(5)将数字核脉冲信号序列通过USB接口发送给FPGA；
(6)FPGA对数字核脉冲信号进行缓存之后送DAC转换成模拟核脉冲信号，再通过滤波电路滤除高频噪声，并输出模拟核脉冲电信号。
2.根据权利要求1所述的蒙特卡罗虚拟探测器，其特征在于：步骤(1)中，探测器信息包括探测器尺寸、材料，所述放射源射线信息包括放射源的强度、位置、射线的能量。
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