CN112014872B - 基于脉冲波形甄别确定入射粒子类型或作用位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全波形统计特性的脉冲波形甄别获得的入射射线粒子类型或入射作用位置的方法，其包括利用探测器采集若干数量每一种类型的脉冲波形，记采集的归一化后的脉冲波形；对于所采集的每一种类型的脉冲波形，获取其每一个采样点的统计特性；根据每一个采样点的统计特性构建表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型进行脉冲波形甄别来判断粒子类型或作用位置。本发明直接从全波形的统计特性出发，构建表征脉冲波形形状特性的联合概率密度分布模型，进而利用极大似然估计方法判断未知类型波形脉冲所属脉冲波形类型，完成脉冲波形甄别。与现有技术相比，由于利用了全波形的统计特性，因此具有较强的抗噪能力和更强的波形甄别能力，尤其适用于脉冲波形类型比较多且各自的形状特性差别不明显的应用场景，提高了脉冲波形甄别能力。

Description

基于脉冲波形甄别确定入射粒子类型或作用位置的方法

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于脉冲波形甄别确定入射射线粒子类型或入射作用位置的方法，该方法基于全波形统计特性来进行脉冲波形类型识别。

背景技术

脉冲波形甄别技术在辐射探测领域具有广泛的应用。一方面，脉冲波形形状是粒子类型信息的重要载体。不同类型的射线粒子入射探测器产生的脉冲波形的形状不同，通过脉冲波形甄别，即可识别射线粒子的类型。例如，中子和伽马入射塑料闪烁体探测器通常会表现出不同的波形衰减时间特性，体现在脉冲波形尾端具有不同的形状特性，因此，可以用脉冲波形形状信息来甄别入射的射线粒子是中子还是伽马。当前，脉冲波形甄别已经是中子-伽马甄别的主要技术手段之一。另一方面，脉冲波形甄别技术在位置灵敏探测器中也有广泛应用基础，其中，将具有不同发光衰减时间常数的闪烁晶体组成“Phoswich”结构(层状闪烁体)，射线作用于不同类型晶体产生的脉冲信号波形各不相同，通过脉冲波形甄别即可识别射线粒子发生作用所在的晶体单元，进而获得射线粒子的作用位置信息。例如LSO/BGO/YSO的“Phoswich”探测器设计，其中LSO的发光衰减时间为40ns，BGO的发光衰减时间为300ns，YSO的发光衰减时间为70ns，这样当射线作用于不同的晶体时，脉冲波形形状会有差别，因此可以用脉冲波形甄别技术判断射线作用于哪种晶体，进而获取射线粒子的作用位置信息。

现有技术中，常用的脉冲波形甄别方法主要利用脉冲波形的时域信息，如电荷积分法(以波形尾部的积分值与波形整体的积分值的比值作为甄别因子)和波形梯度分析法(以波形峰值幅度值与一段特定时间后的波形值的比值作为甄别因子)。在波形形状相差比较大时，采用上述甄别方法往往能获得较好的甄别效果。然而，当不同类型的脉冲波形形状差别不明显时，受脉冲波形的统计噪声和电子学噪声的影响，以上方法往往甄别效果不佳，难以区别入射的射线粒子类型或者获得入射射线的作用位置。另一方面，当脉冲波形的种类增多时，如在“Phoswich”探测器设计中采用三种以上的晶体时，这样需要甄别的波形形状在三种以上，而且各种类型的脉冲波形形状又比较接近，以上甄别方法往往对噪声较敏感，不能获得理想的甄别效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全波形统计特性的脉冲波形甄别来确定辐射探测入射射线粒子类型或射线作用位置的方法，本发明摒弃了传统的对噪声敏感的电荷积分法和波形梯度分析法等脉冲波形甄别方法，直接从全波形的统计特性出发，构建表征脉冲波形形状特性的联合概率密度分布模型，进而利用极大似然估计方法判断未知类型波形脉冲所属脉冲波形类型，完成脉冲波形甄别，从而确定出辐射探测入射射线粒子的类型或射线作用位置。

本发明采用了如下的技术方案：

本发明的基于脉冲波形甄别确定辐射探测入射射线粒子类型的方法，包括以下步骤：

1)利用探测器采集若干数量的每一种类型的脉冲波形，每一种类型的脉冲波形可以是不同类型射线粒子的表征；记脉冲波形的类型总数为M，对于每一种类型的脉冲波形，采集N个事件，每个脉冲波形的采样点的个数为I，I要保证所采集脉冲波形包含主要的波形形状信息，至少包含一个完整的脉冲波形；对每一个采集的脉冲波形，对其进行面积归一化，记采集的归一化后的第m种类型的第n个脉冲波形为：

其中

为第m种类型的第n个脉冲波形的第i个采样点的归一化值；

公式(1)中

代表对于任意的m和n，

均成立，因为是对脉冲波形面积归一化的信号；

2)对于所采集的每一种类型的脉冲波形，基于高斯统计分布模型，获取每一种类型脉冲波形的每一个采样点的均值和标准差，即：

和

分别代表对于第m种波形，其第i个采样点的均值和标准差；

3)构建表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型，对于第m种类型的脉冲波形构建的表征波形形状信息的似然函数模型为：

其中

表征脉冲波形，x_i为脉冲波形的第i个采样点的归一化值；对似然函数取对数，相应的对数似然函数表征为:

Const.代表常数；

4)利用所构建的表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型进行脉冲波形甄别，其中，已经对脉冲波形面积归一化的情况下，未知类型波形脉冲

所属脉冲波形类型为：

即使得(4)式最大的脉冲波形类型为该未知类型波形脉冲所属脉冲波形类型，其中m的取值范围就是1≤m≤M，即未知类型波形脉冲

所属的第几种脉冲波形，在粒子甄别应用场景中，每一种脉冲波形代表一种粒子，确定了脉冲波形所属于的波形类型即确定了入射粒子的类型。

其中，探测器为有机闪烁体探测器和无机闪烁体探测器，优选芪晶体、CLYC和CLLB。

基于脉冲波形甄别确定辐射探测入射射线作用位置的方法，包括以下步骤：

1)利用多闪烁晶体层叠结构的探测器采集若干数量的每一种类型的脉冲波形，每一种类型的脉冲波形是射线作用于不同类型晶体的表征；记脉冲波形的类型总数为M，对于每一种类型的脉冲波形，采集N个事件，每个脉冲波形的采样点的个数为I，I要保证所采集脉冲波形包含主要的波形形状信息，至少包含一个完整的脉冲波形；对每一个采集的脉冲波形，对其进行面积归一化，记采集的归一化后的第m种类型的第n个脉冲波形为：

其中

为第m种类型的第n个脉冲波形的第i个采样点的归一化值；

公式(1)中

代表对于任意的m和n，

均成立，因为是对脉冲波形面积归一化的信号；

2)对于所采集的每一种类型的脉冲波形，获取其每一个采样点的统计特性即获取服从概率统计分布模型的所有N个脉冲波形中每一个采样点的均值和标准差，即：

和

分别代表对于第m种波形，其第i个采样点的均值和标准差；

3)构建表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型，对于第m种类型的脉冲波形构建的表征波形形状信息的似然函数模型为：

其中

表征脉冲波形，x_i为脉冲波形的第i个采样点的归一化值；对似然函数取对数，相应的对数似然函数表征为:

Const.代表常数；

4)利用所构建的表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型进行脉冲波形甄别，其中，已经对脉冲波形面积归一化的情况下，未知类型波形脉冲

所属脉冲波形类型为：

即使得(4)式最大的脉冲波形类型为该未知类型波形脉冲所属脉冲波形类型，其中m的取值范围就是1≤m≤M，即i所属的第几种脉冲波形，在多闪烁晶体层叠结构的应用场景里，每一个种脉冲波形代表射线发生作用位置的晶体类型，确定了脉冲波形所属于的波形类型即确定了入射粒子发生作用的晶体单元，即射线作用位置。

进一步地，探测器为多闪烁晶体层叠结构的探测器。

进一步地，多闪烁晶体层叠结构为LYSO、YSO、GAGG和BGO四种晶体组合到一起形成的多层phoswich结构。

其中，所述概率统计分布模型为高斯分布模型，即认为每一种类型的波形的每一个采样点的归一化采样值服从高斯分布，获取统计特性即计算其所服从的高斯分布的参数(高斯分布的均值和标准差值)。

本发明的优点在于：与传统的脉冲波形甄别方法相比，由于利用了全波形的统计特性信息，具有较强的抗噪能力，因而具有更强的波形甄别能力，尤其适用于脉冲波形类型比较多且各自的形状特性差别不明显的应用场景，提高了脉冲波形甄别能力。

附图说明

图1是本发明基于全波形统计特性的脉冲波形甄别方法的流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构进行详细说明，这些具体实施方式仅用来示例本发明，并不旨在对其保护范围进行任何限制。

参见图1，图1是本发明基于全波形统计特性的脉冲波形甄别方法的流程图；由图1可以看出，本发明的基于全波形统计特性的脉冲波形甄别方法可用于利用探测器采集若干数量每一种类型的脉冲波形，每一种类型的脉冲波形能是不同类型射线粒子的表征，也能是射线作用于不同类型晶体的表征。具体根据脉冲波形的甄别方法的应用场景来实现两种实施方式。

具体实施方式1(用于粒子类型甄别)：

本发明的基于全波形统计特性的中子/伽马粒子甄别方法有如下步骤：

所用探测器为CLYC晶体探测器，其中CLYC晶体尺寸为2.54cm(φ)×2.54cm(H)，即晶体尺寸为直径和高度均为2.54cm的圆柱。CLYC晶体的一端耦合PMT用于光电信号转换。伽马或者中子入射CLYC晶体会与其发生作用沉积能量产生闪烁光子，闪烁光子输运到PMT端，在PMT光阴极上打出光电子完成光电转换并输出脉冲波形信号。每一个中子或伽马光子事件均能产生一个脉冲信号波形。PMT后端电子学对PMT的输出脉冲信号进行模数变换并完成信号波形采集，其中采样频率为62.5MHz(即相邻采样点的时间间隔为16ns，可根据所用闪烁晶体及要甄别的粒子类型调整)，每个波形采集100个点(可根据闪烁晶体以及相应的脉冲波形宽度调整)。利用上述探测器实施本发明所提出的脉冲波形甄别方法进行中子/伽马甄别，具体步骤如下：

1)采集不同粒子事件的脉冲波形。

a)采集中子事件的脉冲波形。将上述探测器的晶体模块置于伽马屏蔽环境中(可用约12mm厚的铅包裹探测器的晶体模块)。将一个Am-Be中子源放置于距离探测器约50cm的位置，其中Am-Be中子源与探测器之间放置约40cm厚的聚乙烯慢化体用于慢化Am-Be中子源释放的中子。采用这种屏蔽方式可保证采集的脉冲波形信号基本只包含中子信号。利用该测量装置进行中子信号波形采集，记录不少于10000个中子事件的脉冲波形。对于每一个采集的脉冲波形，对脉冲波形面积进行归一化。记采集后的归一化的脉冲波形为：

其中I＝100

此处A_mn为第m种类型的第n个归一化脉冲波形，其中m＝1，代表第一种脉冲波形(对应中子脉冲波形信号)，I＝100，代表每一个波形的采样点数目，i代表第i个采样点，N代表总的中子事件数，根据采集要求，不少于10000。

b)采集伽马事件的脉冲波形。将上述探测器的置于无中子辐射环境中(保证测量时无中子源即可)。将一个¹³⁷Cs源放置于距离探测器约50cm的位置。¹³⁷Cs放射伽马光子到达探测器被探测器探测。利用所述探测器探测伽马光子，记录不少于10000个伽马事件的脉冲波形，其中总事件数与步骤a)中一样。对于每一个采集的脉冲波形，对脉冲波形面积进行归一化。记采集后的归一化的脉冲波形为：

其中I＝100

此处A_mn为第m种类型的第n个归一化脉冲波形，其中m＝2，代表第二种脉冲波形(对应伽马脉冲波形信号)，I＝100，代表每一个波形的采样点数目，i代表第i个采样点，N代表总的中子事件数，根据采集要求，不少于10000。

2)计算中子/伽马的脉冲波形的统计特性。对于所采集的中子或伽马事件的脉冲波形，计算其每一个采样点所服从高斯分布的均值和标准差，即：

其中I＝100

其中，

和

分别代表对于第m种波形(m＝1代表中子，m＝2代表伽马)，其第i个采样点所服从高斯分布的均值和标准差值。

3)构建表征中子和伽马事件脉冲波形的形状信息的似然函数模型。对于第m种类型的脉冲波形构建的表征波形形状信息的似然函数模型为：

其中

表征脉冲波形，x_i为脉冲波形的第i个采样点的归一化值；对似然函数取对数，相应的对数似然函数表征为:

4)利用上述利用所构建的表征中子和伽马事件脉冲波形的形状信息的似然函数模型进行中子/伽马甄别。未知类型波形脉冲(已经归一化)

所属粒子类型为：

其中m＝1代表粒子类型为中子，m＝2代表粒子类型为伽马

具体实施方式2(用于射线作用位置提取)

本发明的基于全波形统计特性的射线作用位置提取方法有如下步骤：

所用探测器为“Phoswich”探测器，所用的晶体类型分别为LYSO、YSO、GAGG和BGO，其发光衰减时间常数分别为40ns、60ns、140ns和300ns。晶体尺寸均为1.5mm×1.5mm×10mm，四种晶体组成一个2×2的阵列，其中晶体与晶体之间以及晶体外侧和顶面粘贴厚度约为0.1mm的ESR反射膜用于避免光串扰和光损失，晶体阵列的底面耦合到一个硅光电倍增器件SiPM单元上，所用SiPM产品型号为SensL FC30035。伽马光子入射晶体阵列发生作用沉积能量产生闪烁光子，闪烁光子输运到晶体阵列底部的SiPM，被SiPM探测并输出脉冲波形信号。每一个伽马光子事件对应一个脉冲信号波形。由于不同晶体的发光衰减时间常数不同，在不同晶体内作用的伽马事件产生的脉冲波形形状会有差异，因此可以用脉冲波形形状甄别伽马光子发生作用所在的晶体的单元，以此实现伽马光子作用位置信息的提取。SiPM后端电子学对SiPM的输出脉冲信号进行模数变换并完成信号波形采集，其中采样频率为62.5MHz(即相邻采样点的时间间隔为16ns，可根据所用闪烁晶体的类型调整)，每个波形采集50个点(可根据所用闪烁晶体的类型调整)。利用上述探测器实施本发明所提出的脉冲波形甄别方法进行伽马光子发生作用所在晶体单元甄别，具体步骤如下：

1)采集光子在不同晶体发生作用的输出信号波形。利用准直的¹³⁷Cs伽马源依次从晶体顶端垂直照射LYSO、YSO、GAGG和BGO晶体，准直的实现方式可以是在晶体和伽马源之间放置准直器，准直后的伽马源的作用位置与所述四种晶体对应，通过移动准直器的位置，即可改变伽马光子发生作用所在的晶体单元。对于每一种晶体，采集一定数量的伽马光子事件，根据所采集伽马事件的能谱剔除散射光子能谱，只保留光电峰区域的伽马光子事件以及该部分事件对应的脉冲波形(总的脉冲波形数应不少于10000)，对于每一种晶体的每一个采集的脉冲波形，对脉冲波形面积进行归一化。记采集后的归一化的脉冲波形为：

其中I＝50

此处A_mn为第m种类型的第n个归一化脉冲波形，其中m＝1,2,3,4，分别代表伽马光子在LYSO、YSO、GAGG和BGO晶体中发生作用，I＝50，代表每一个波形的采样点数目，i代表第i个采样点，N代表采集的每一种类型的脉冲波形数，根据采集要求，不少于10000。

2)计算伽马光子作用于不同类型晶体时输出的脉冲波形的统计特性。对于所采集的四种类型的晶体的脉冲波形，计算其每一个采样点所服从高斯分布的均值和标准差，即：

其中I＝50

其中，

和

分别代表对于第m种波形(m＝1代表LYSO，m＝2代表YSO，m＝3代表GAGG，m＝4代表BGO)，其第i个采样点所服从高斯分布的均值和标准差值。

3)构建表征不同类型晶体输出脉冲波形的形状信息的似然函数模型。对于第m种类型的脉冲波形构建的表征波形形状信息的似然函数模型为：

其中

表征脉冲波形，x_i为脉冲波形的第i个采样点的归一化值；对似然函数取对数，相应的对数似然函数表征为:

4)利用上述利用所构建的表征不同类型晶体输出脉冲波形的形状信息的似然函数模型进行伽马光子发生作用所在晶体单元提取。未知类型波形脉冲(已经归一化)

发生作用的位置所在的晶体类型为：

其中m＝1,2,3,4分别代表伽马光子发生作用所在的晶体单元为LYSO、YSO、GAGG和BGO，这样就能获取伽马光子发生作用所在的晶体单元，以此实现伽马光子的作用位置信息提取。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.基于脉冲波形甄别确定辐射探测入射射线粒子类型的方法，包括以下步骤：

1)利用探测器采集若干数量的每一种类型的脉冲波形，每一种类型的脉冲波形是不同类型射线粒子的表征；记脉冲波形的类型总数为M，对于每一种类型的脉冲波形，采集N个事件，每个脉冲波形的采样点的个数为I，I要保证所采集脉冲波形包含主要的波形形状信息，至少包含一个完整的脉冲波形；对每一个采集的脉冲波形，对其进行面积归一化，记采集的归一化后的第m种类型的第n个脉冲波形为：

其中:

为第m种类型的第n个脉冲波形的第i个采样点的归一化值；

公式(1)中

代表对于任意的m和n，

均成立，因为是对脉冲波形面积归一化的信号；

2)对于所采集的每一种类型的脉冲波形，基于概率统计分布模型，获取每一种类型脉冲波形的每一个采样点的均值和标准差，即：

和

分别代表对于第m种类型的脉冲波形，其第i个采样点的均值和标准差；

3)构建表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型，对于第m种类型的脉冲波形构建的表征波形形状信息的似然函数模型为：

其中:

表征脉冲波形，x_i为脉冲波形的第i个采样点的归一化值；对似然函数取对数，相应的对数似然函数表征为:

Const.代表常数；

4)利用所构建的表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型进行脉冲波形甄别，其中，已经对脉冲波形面积归一化的情况下，未知类型波形脉冲

所属脉冲波形类型为：

即使得(4)式最大的脉冲波形类型为该未知类型波形脉冲所属脉冲波形类型，其中m的取值范围就是1≤m≤M，即未知类型波形脉冲

所属的第几种脉冲波形，在粒子甄别应用场景中，每一种脉冲波形代表一种粒子，确定了脉冲波形所属于的波形类型即确定了入射粒子的类型。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述探测器包括有机闪烁体探测器和无机闪烁体探测器。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述探测器中的晶体类型为芪晶体、CLYC和CLLB。

4.基于脉冲波形甄别确定辐射探测入射射线作用位置的方法，包括以下步骤：

1)利用探测器采集若干数量的每一种类型的脉冲波形，每一种类型的脉冲波形是射线作用于不同类型晶体的表征；记脉冲波形的类型总数为M，对于每一种类型的脉冲波形，采集N个事件，每个脉冲波形的采样点的个数为I，I要保证所采集脉冲波形包含主要的波形形状信息，至少包含一个完整的脉冲波形；对每一个采集的脉冲波形，对其进行面积归一化，记采集的归一化后的第m种类型的第n个脉冲波形为：

其中:

为第m种类型的第n个脉冲波形的第i个采样点的归一化值；

公式(1)中

代表对于任意的m和n，

均成立，因为是对脉冲波形面积归一化的信号；

2)对于所采集的每一种类型的脉冲波形，获取其每一个采样点的统计特性即获取服从概率统计分布模型的所有N个脉冲波形中每一个采样点的均值和标准差，即：

和

分别代表对于第m种波形，其第i个采样点的均值和标准差；

3)构建表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型，对于第m种类型的脉冲波形构建的表征波形形状信息的似然函数模型为：

其中:

表征脉冲波形，x_i为脉冲波形的第i个采样点的归一化值；对似然函数取对数，相应的对数似然函数表征为:

Const.代表常数；

4)利用所构建的表征每一种类型的脉冲波形的形状信息的似然函数模型进行脉冲波形甄别，其中，已经对脉冲波形面积归一化的情况下，未知类型波形脉冲

所属脉冲波形类型为：

即使得(4)式最大的脉冲波形类型为该未知类型波形脉冲所属脉冲波形类型，其中m的取值范围就是1≤m≤M，即i所属的未知类型波形脉冲

第几种脉冲波形，在多闪烁晶体层叠结构的应用场景里，每一种脉冲波形代表射线发生作用位置的晶体类型，确定了脉冲波形所属于的波形类型即确定了入射粒子发生作用的晶体单元，即射线作用位置。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述探测器为多闪烁晶体层叠结构的探测器。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述多闪烁晶体层叠结构为LYSO、YSO、GAGG和BGO四种晶体组合到一起形成的多层phoswich结构。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中，所述概率统计分布模型为高斯分布模型，即认为每一种的波形的每一个采样点的归一化采样值服从高斯分布，获取统计特性即计算其所服从的高斯分布的参数。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述参数为高斯分布的均值和标准差值。

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