CN113628521B - 基于纳秒光源的核探测模拟装置及核信号反演技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳秒光源的核探测模拟装置及核信号反演技术，包括上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡(TF‑CARD)、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道；用电子学电路和核脉冲电流信号驱动蓝光LED发出核脉冲光信号，模拟闪烁体接受伽马辐射发光；并且可以模拟点源和面源、有机闪烁体探测器和无机闪烁体、闪烁效率和探测效率、放射源、快成分和慢成分、多类型核脉冲信号、核脉冲统计涨落的现象、电子对效应、康普顿效应、光电效应、闪烁体自身的辐射、生成对应能谱曲线、脉冲信号堆积、生成谱线、环境本底谱线；3D可视化操作、并且核信号探测过程可动画演示。因此不仅可以作为专业测试设备，还可以作为教学仪器。

Description

基于纳秒光源的核探测模拟装置及核信号反演技术

技术领域

本发明属于核脉冲能谱仪技术领域，尤其涉及一种基于纳秒光源的核探测模拟装置及核信号反演技术。

背景技术

核脉冲能谱仪能够应用于系统开发、核领域教学实验、放射性相关领域的教学实验等。如果直接购买放射源和探测器，由于放射源有较强的放射性，会对人产生电离辐射，威胁人类的生命安全，因此在实验教学过程中要采取一定的辐射防护措施，而这便会增加大量的资金成本并且降低了教学效果。为了针对上述问题就有必要开发一套核脉冲发生器系统。

目前主流的核信号发生器的一般有两种做法：第一种：FPGA根据数学算法产生一系列幅值符合高斯分布的随机核脉冲数字信号，DAC将数字信号转换为模拟核脉冲信号，这样的实现方式算法设计实现非常复杂，效率低下。第二种则是采用ARM代替FPGA来实现核脉冲信号的输出，而这种方式明显的缺点就是运行速率非常的低，无法实现高带宽输出的需求。

而且对于核脉冲信号发生器的使用也是相当的繁琐，需要通过进行相当复杂的参数设置才能够得以使用，因此对于非专业人士极其不友好。并且传统的核脉冲信号发生器功能单一，仅仅是作为一个信号产生单元。对于教学实验的存在一定的门槛。

发明内容

本发明提供一种基于纳秒光源的核探测模拟装置，以解决现有技术的不足。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于纳秒光源的核探测模拟装置，包括上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡(TF-CARD)、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道；所述上位机分别通过1000M以太网、USB3.0、RS232与ZYNQ SoC处理器连接；所述同步时钟、DDR3、SD卡分别与ZYNQ SoC处理器连接，所述ZYNQ SoC处理器与模拟核脉冲信号输出通道连接。

作为上述技术方案的进一步描述：所述ZYNQ SoC处理器包括FPGA单元和ARM单元，所述FPGA单元与ARM单元通过AXI总线连接。

作为上述技术方案的进一步描述：所述LCD屏幕直接通过IO口与ZYNQ SoC处理器的FPGA单元连接。

作为上述技术方案的进一步描述：所述SD卡与ZYNQ SoC处理器的ARM单元连接。

作为上述技术方案的进一步描述：所述同步时钟同时连接ZYNQ SoC处理器的FPGA和ARM单元为其提供同步的时钟。

作为上述技术方案的进一步描述：所述模拟核脉冲信号输出通道包括DAC、电流放大器、LED、滤光片、光电倍增管和高压分压管座；所述DDR3与ZYNQ的ARM单元连接；所述DAC输入引脚通过IO口与ZYNQ的FPGA单元进行并行连接；所述电流放大器与DAC的输出引脚相连；所述LED与电流放大器的输出引脚相连；所述LED紧贴着滤光片；所述滤光片直接贴在光电倍增管(PMT)的受光面；所述PMT与高压分压管座(前置放大器)相连。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述系统还包括电源，所述电源分别与上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道连接。

基于纳秒光源的核探测模拟装置的核信号反演技术，包括如下步骤：

(1)上位机根据用户选择的功能设置相应的参数，再根据参数采用蒙特卡洛模拟和大量真实数据生成对应存在统计涨落现象的能谱曲线，并且可以将闪烁体探测器和谱仪对放射源的探测过程进行动画演示；

(2)上位机将谱线和设置的参数发送给ZYNQ SoC处理器，或者将谱线预先存入SD卡中；

(3)ZYNQ SoC处理器的ARM单元将谱线反演为一系列随机的核脉冲信号的幅度信息；或者当选择对放射源的模拟时，ZYNQ SoC处理器直接生成一系列符合放射源本身特性的随机核脉冲幅值信息；

(4)ZYNQ SoC处理器的ARM单元根据闪烁体类型判断是否包含快成分、慢成分，以及是否自身会发生辐射等参数和发生电子对效应，根据相关计算出包含的快成分、慢成分、自身辐射的核脉冲信号比例关系，结合随机核脉冲幅值信息生成一系列包含不同上升时间、下降时间、幅值的随机的核脉冲信号序列数据；

(5)ZYNQ SoC处理器的ARM单元将数据发送给FPGA单元；

(6)FPGA单元根据产生均匀随机数、再根据均匀随机数产生指数分布随机数作为各个核脉冲信号的输出时间间隔；

(6)根据闪烁体探测器的闪烁效率和探测效率调整输出时间间隔；

(7)FPGA单元设置了一路计数器，当计数器的值与时间间隔相等的时候，根据核脉冲信号序列依次输出核脉冲数字信号，这里当时间间隔小于核脉冲信号脉宽时会输出堆积的核脉冲信号，并且最高可达十重堆积；

(8)将核脉冲数字信号经过DAC转化为模拟核脉冲信号，再经过电流放大器放大后驱动LED输出核脉冲光信号，光信号经滤光片衰减后照射光电倍增管，光电倍增管将光信号转化为电信号后从阳极输出。

作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(1)中，所述动画演示包括伽玛射线被闪烁体探测器吸收后产生荧光光子的过程、荧光光子被光电倍增管转化为电信号并进行多级放大的过程、经前置放大器后信号变化、能谱仪如何在前置放大器输出的信号中提取出其中包含的信息。

作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(1)中，所述用户选择的功能包括闪烁体类型的模拟、放射源与探测器的相对位置模拟、放射源强度模拟、点源或面源放射源种类模拟、放射源活度模拟、光电效应的模拟、康普顿散射的模拟、电子对效应的模拟、闪烁体的闪烁效率的模拟、闪烁体探测器的探测效率模拟、环境本底的模拟、模拟输出全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰、模拟闪烁体探测器内输出快成分和慢成分的核脉冲信号；模拟输出包含多种上升时间和下降时间、幅值的核脉冲信号；射线在探测器内被吸收并输出核脉冲信号后存在统计涨落的现象模拟。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种基于ZYNQ SoC处理器的核脉冲信号发生器，ZYNQ SoC处理器分为双核ARM和FPGA逻辑资源两个单元。因此本发明将谱线的反演、均匀随机数的产生、高斯分布随机数的产生放在ZYNQ的ARM单元处理，而均匀随机数、指数分布随机数、随机核脉冲信号的产生放在ZYNQ的FPGA单元进行处理，这两部分采用同步时钟作为时钟源，并且通过AXI总线进行高速传输，从而并行、高效、快速的实现了算法处理，克服了传统的核脉冲信号发生器全部算法由FPGA单元实现导致算法实现逻辑复杂的弊端、和部分算法全部由ARM单元实现导致运行速率低下的弊端。

本发明采用大量真实放射源测量的数据和蒙特卡洛模拟的数据进处理，获取到单一放射源或多种放射源环境下不同探测器探测的能谱曲线，获取到的能谱曲线更加真实可靠。克服了传统核脉冲信号发生器只能通过经验数学公式来计算出某种放射源环境下的能谱曲线；或直接通过蒙特卡洛模拟出能谱曲线而不能模拟出环境本底的缺陷。

本发明采用线性移位寄存器的输出异或于细胞自动机输出，得到的结果作为最终的均匀分布随机数输出。并且采用32级寄存器，序列周期为232-1，从而尽可能的模拟真随机数。并将产生的均匀随机数作为指数分布概率表的数据查询地址，从而产生指数分布随机数。

本发明设计实现了将能谱曲线数据直接反演为随机核脉冲信号的幅值信息。

本发明可以通过用户设置的放射性源种类、位置、活度等参数生成不同的能谱曲线，从而模拟实现不同放射性源种类、位置、活度环境下核脉冲信号的产生；并且可以实现改变闪烁体大小、种类的功能，因此可以实现多场合、多条件下的运用。克服了传统核脉冲信号发生器性能单一、使用场合单一的缺陷。

本发明设置了SD卡存储功能，可以将谱线数据预先存入SD卡中，因此实现在离线的条件下核脉冲信号器根据用户设置的参数读取相应数据，从而实现了离线条件下依旧可以实现核脉冲输出功能。

本发明实现了了模拟信号堆积的状态，设计了十组信号发生模块，采用例化信号发生模块的方式，当脉冲发生堆积时，将脉冲流分流到信号发生模块，十路信号发生模块以触发的方式工作，其输出信号进入加法器进行叠加，最后输出。

本发明将原来的闪烁体替换为了一个LED灯，来代替闪烁体接受伽马辐射发出荧光光子，这样极大保留了探测器的完整度。

本发明可以实现多功能的模拟，如闪烁体接受伽马辐射发出荧光光子；系统能够实现对点源和面源的探测过程的模拟；能够模拟有机闪烁体探测器和无机闪烁体探测器的探测过程；可以模拟不同闪烁体探测器的不同闪烁效率和探测效率；根据放射源被探测的过程模拟输出核脉冲信号；模拟实现闪烁体探测器内输出快成分和慢成分的核脉冲信号；能够输出包含多种上升时间和下降时间、幅值的核脉冲信号；模拟射线在探测器内被吸收并输出核脉冲信号后存在统计涨落的现象；也能够模拟输出全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰；能够模拟闪烁体探测器发生的康普顿散射；模拟闪烁体探测器自身的辐射所产生的核脉冲信号；可以根据闪烁体类型、放射源位置、放射源强度、放射源种类等参数生成对应能谱曲线，并反演输出核脉冲信号；可以实现最多十重堆积的核脉冲信号输出；实现了在FPGA中高斯分布随机数的产生、均匀随机数的产生、指数分布随机数的产生。上位机能够根据大量的实验实测数据和蒙特卡洛模拟生成谱线、可以模拟配置输出多种环境本底谱线、操作过程实现3D可视化操作。

本发明在上位机上采用对整个设备装置及操作进行动画演示等功能。用户可以用输入参数和拖动鼠标的形式进行操作，整个操作简单易懂、直观形象，克服了传统核脉冲信号发生器只能通过对复杂多样、晦涩难懂的参数设置，来对其进行操作等问题。使核脉冲信号发生器不再只是专业人员才能操作的设备工具，还能成为适用于学生教学使用的教学仪器。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于纳秒光源的核探测模拟装置的结构示意图；

图2为软件程序框图；

图3为系统程序功能框图；

图4为下位机功能目标实现图；

图5为谱线反演过程示意图；

图6为均匀随机数输出示意图；

图7为90/150细胞自动机的结构图；

图8为概率呈指数分布图；

图9为堆积现象示意图；

图10为脉冲堆积原理示意图；

图11为探测器内部结构示意图；

图12为LED光源设计内部结构示意图；

图13为上位机程序流程图；

图14为ARM流程图；

图15为闪烁体探测器的发射波长分布示意图；

图16为传统闪烁体对电子的相对能量响应曲线示意图；

图17为波长范围的连续谱示意图；

图18为本发明所选LED的发光波长范围示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，基于纳秒光源的核探测模拟装置，包括上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡(TF-CARD)、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道。

在本实施例中，所述上位机分别通过1000M以太网、USB3.0、RS232与ZYNQ SoC处理器连接；所述同步时钟、DDR3、SD卡分别与ZYNQ SoC处理器连接，所述ZYNQ SoC处理器与模拟核脉冲信号输出通道连接；所述ZYNQ SoC处理器包括FPGA单元和ARM单元，所述FPGA单元与ARM单元通过AXI总线连接；所述LCD屏幕直接通过IO口与ZYNQ SoC处理器的FPGA单元连接；所述SD卡与ZYNQ SoC处理器的ARM单元连接；所述同步时钟同时连接ZYNQ SoC处理器的FPGA和ARM单元为其提供同步的时钟；所述模拟核脉冲信号输出通道包括DAC、电流放大器、LED、滤光片、光电倍增管和高压分压管座；所述DDR3与ZYNQ的ARM单元连接；所述DAC输入引脚通过IO口与ZYNQ的FPGA单元进行并行连接；所述电流放大器与DAC的输出引脚相连；所述LED与电流放大器的输出引脚相连；所述LED紧贴着滤光片；所述滤光片直接贴在光电倍增管(PMT)的受光面；所述PMT与高压分压管座(前置放大器)相连；

在本实施例中，所述系统还包括电源，所述电源分别与上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道连接，也就是说电源为整个系统供电。

上位机根据闪烁体类型、放射源位置、放射源强度、放射源种类等参数生成对应的能谱曲线，并且可以将探测器对放射源的探测过程进行动画演示；演示部分包括伽玛射线被闪烁体探测器吸收后产生荧光光子的过程、荧光光子被光电倍增管转化为电信号并进行多级放大的过程、经前置放大器后信号变化、能谱仪如何在前置放大器输出的信号中提取出其中包含的信息；上位机将谱线发送给ZYNQ处理器；或者将谱线预先存入SD卡中。

LCD屏幕实时显示上位机设置的系统参数。ZYNQ处理器的ARM单元将谱线反演为一系列随机的核脉冲信号的幅度信息，ARM也可以根据不同的参数直接生成核脉冲信号的幅值信息，再通过AXI总线发送给ZYNQ的FPGA单元；FPGA单元根据选择的闪烁体类型从对应的ROM中读出核脉冲信号再乘上幅度信息，就得到了一个完整的核脉冲数字信号。FPGA单元产生均匀随机数，均匀随机数通过数学运算算法产生负指数分布的随机数，将负指数分布的随机数作为核脉冲信号输出的时间间隔；FPGA设置了一路计数器，当计数器的值与时间间隔相等的时候，输出一个完整的核脉冲数字信号，这里当时间间隔小于核脉冲信号脉宽时会发生信号的堆积，本发明支持最多十重信号堆积；此数字信号经过DAC转化为模拟核脉冲信号，再经过电流放大器放大后驱动LED输出核脉冲光信号，光信号经滤光片衰减后照射光电倍增管；光电倍增管将光信号转化为电信号后从阳极输出。

基于纳秒光源的核探测模拟装置的核信号反演技术，包括如下步骤：

(1)上位机根据用户选择的功能设置相应的参数，再根据参数采用蒙特卡洛模拟和大量真实数据生成对应存在统计涨落现象的能谱曲线，并且可以将闪烁体探测器和谱仪对放射源的探测过程进行动画演示；

(2)上位机将谱线和设置的参数发送给ZYNQ SoC处理器，或者将谱线预先存入SD卡中；

(3)ZYNQ SoC处理器的ARM单元将谱线反演为一系列随机的核脉冲信号的幅度信息；或者当选择对放射源的模拟时，ZYNQ SoC处理器直接生成一系列符合放射源本身特性的随机核脉冲幅值信息；

(4)ZYNQ SoC处理器的ARM单元根据闪烁体类型判断是否包含快成分、慢成分，以及是否自身会发生辐射等参数和发生电子对效应，根据相关计算出包含的快成分、慢成分、自身辐射的核脉冲信号比例关系，结合随机核脉冲幅值信息生成一系列包含不同上升时间、下降时间、幅值的随机的核脉冲信号序列数据；

(5)ZYNQ SoC处理器的ARM单元将数据发送给FPGA单元；

(6)FPGA单元根据产生均匀随机数、再根据均匀随机数产生指数分布随机数作为各个核脉冲信号的输出时间间隔；

(6)根据闪烁体探测器的闪烁效率和探测效率调整输出时间间隔；

(7)FPGA单元设置了一路计数器，当计数器的值与时间间隔相等的时候，根据核脉冲信号序列依次输出核脉冲数字信号，这里当时间间隔小于核脉冲信号脉宽时会输出堆积的核脉冲信号，并且最高可达十重堆积；

(8)将核脉冲数字信号经过DAC转化为模拟核脉冲信号，再经过电流放大器放大后驱动LED输出核脉冲光信号，光信号经滤光片衰减后照射光电倍增管，光电倍增管将光信号转化为电信号后从阳极输出。

在所述步骤(1)中，所述动画演示包括伽玛射线被闪烁体探测器吸收后产生荧光光子的过程、荧光光子被光电倍增管转化为电信号并进行多级放大的过程、经前置放大器后信号变化、能谱仪如何在前置放大器输出的信号中提取出其中包含的信息。

在所述步骤(1)中，所述用户选择的功能包括闪烁体类型的模拟、放射源与探测器的相对位置模拟、放射源强度模拟、点源或面源放射源种类模拟、放射源活度模拟、光电效应的模拟、康普顿散射的模拟、电子对效应的模拟、闪烁体的闪烁效率的模拟、闪烁体探测器的探测效率模拟、环境本底的模拟、模拟输出全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰、模拟闪烁体探测器内输出快成分和慢成分的核脉冲信号；模拟输出包含多种上升时间和下降时间、幅值的核脉冲信号；射线在探测器内被吸收并输出核脉冲信号后存在统计涨落的现象模拟。

具体实施例

(1)上位机系统程序设计

本发明上位机能够实现任意放射源模拟、任意能谱模拟、相同源在不同的位置和方向、不同类型闪烁体的发光特性模拟，程序框图如图13所示。

现在大部分的核脉冲信号发生器都是通过产生幅值符合高斯分布、在时间上符合指数分布的随机数，然后输出核脉冲信号。这种方式能够对呈典型能量分布及任意能量分布的核信号，进行脉冲幅度随机特性和相邻脉冲时间间隔随机特性进行模拟。但是却无法模拟出入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的康普顿现象。碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，散射光子的能量和运动方向发生变化,不同角度下探测器测量到的散射光子计数不仅与当时的康普顿散射微分截面有关。也跟探测器对中心散射样品张开的立体角及探测器对入射γ射线的本征探测效率有关。因此传统的依靠经验公式无法解决这类问题。而本发明采用蒙特卡洛方法实现对任意能量的放射源和能谱的模拟。

由于放射源在相对于探测器的位置、方向不同会对和信号的探测产生较大影响，因此本发明上位机还可以通过蒙特卡洛的方法实现放射源相对于闪烁体的位置及方向进行模拟。并且本发明还可以根据不同闪烁体的发光特性实现不同闪烁体，不同闪烁体大小的模拟，并且通过3D仿真技术和动画演示实现在上位机上可视化操作，让用户更方便、更直观的感受整个物理操作过程。以满足多场合的应用研究。

(2)下位机系统程序设计

下位机实现不同类型闪烁体发光特性的核脉冲信号输出、能谱反演功能。由于放射源的衰减是随机的，并且两个脉冲信号的时间间隔根据放射源的位置、活度，闪烁体的种类、大小不同而有所差异。因此本发明为了实现模拟源的种类、位置、活度、闪烁体大小等功能，下位机具备根据上位机的参数产生相应随机的幅值信息和符合指数分布的时间间隔信息。由于不同类型闪烁体发光特性不同，产生核脉冲信号的时间信息不尽相同，因此本发明可以根据不同类型闪烁体产生符合闪烁体特性的核脉冲信号。系统程序功能框图如图14所示，其中包括软件算法功能、各模块运行驱动并且各程序单元分别在ARM和FPGA中实现，ARM和FPGA之间采用AXI总线进行通讯，如图4所示为下位机需要实现的功能，即将谱线推算为一系列的随机核脉冲信号。

1、谱线反演的实现

为了适用于模拟任意的放射源，因此用户可以任意的编辑放射源信息，如放射源的位置、强度、方向、种类等，然后生成对应的能谱曲线；再根据用户编辑的能谱曲线，生成一系列符合曲线特征的随机数据作为核脉冲信号的幅度信息。

ARM通过千兆网口或SD卡获取用户编辑的能谱曲线，存入数组A，数组A的数值代表对应能量的计数率，地址代表能量也即能谱道址。能谱曲线的反演是将数组A转化为数组B，如图5所示。

反演过程：将数组A的地址转化为数组B的数值，该数值的个数等于数组A的数值。然后产生一个均匀随机数作为数组B的地址读出对应的值，再乘以一个特定系数，便得到随机的核脉冲信号幅度值X。

2、均匀随机数的产生

由于实际放射源的衰变过程是随机的，并且均匀分布可以通过相应变换得到指数分布和高斯分布，所以首先需要产生均匀随机数。本发明采用线性移位寄存器的输出异或于细胞自动机输出，得到的结果作为最终的均匀分布随机数输出，如图6所示。

由于细胞自动机的随机序列周期具有有限性，为了尽可能的模拟真随机数，可以利用FPGA高速时钟驱动一个长周期序列，本发明采用32级寄存器，序列周期为232-1。为了增加均匀分布序列的无序性，本发明采用线性移位寄存器(LFSR)截断输出与90/150线性细胞自动机输出异或得到最终结果的方式。如图7为90/150线性细胞自动机的结构图：

线性反馈移位寄存器和细胞自动机都是特殊形式的线性有限状态机广义上的说，细胞自动机可以看为反馈移位寄存器的扩展。本文采用32阶的90/150的零边界的加性细胞状态机，其所对应的特征多项式为：

f(x)＝x32+x28+x27+…+1 (1-1)

3、随机核脉冲信号的产生

由于实际放射源的衰变过程是随机的，并且时间间隔近似呈现指数分布，如图8所示。时间间隔t1与t2、t3的值是随机的，并且概率呈指数分布。

因此关键技术之一是设计产生随机且呈负指数分布的随机数，作为两个核脉冲信号之间的时间间隔。

本发明在FPGA内部产生指数分布的随机数。先将呈指数分布的概率表存在FPGA的ROM中，再由(2)所述，先采用线性移位寄存器的输出异或于细胞自动机输出，得到的结果作为最终的均匀分布随机数输出，再将此随机数作为概率表的地址，依次读取出其中的数值，从而获取负指数分布的随机时间序列。

本发明还FPGA内部设置400M时钟的计数器，当计数值等于时间序列值时，产生一个触发信号，当接收到随机时间间隔的触发信号时，从ROM中读出核脉冲信号并乘上幅度值X，再输出，从而产生随机核脉冲信号。

4、核脉冲堆积的实现

由于实际放射源的衰变过程是随机的，当两个随机脉冲发生时间间隔小于核脉冲信号的脉宽时，就会出现堆积，如图9所示。本发明为了模拟堆积的情况，设计了十组信号发生模块，采用例化信号发生模块的方式，当脉冲发生堆积时，将脉冲流分流到信号发生模块，十路信号发生模块以触发的方式工作，其输出信号进入加法器进行叠加，最后输出至DAC。这里以三路信号发生模块为例，如图9所示。其结构简单，效果显著，如图10所示。

5、模拟多种探测器的方法

由于不同的闪烁体探测器具有不同的发光特性，因此不同的探测器所产生核脉冲信号有一定的差异，如NaI闪烁体探测器的所产生的核脉冲信号相较于溴化澜探测器的上升时间更长，并且能量分辨率、探测效率不同。因此根据这些参数，本发明先将多种包含探测器特征参数的核脉冲信号预先存入FPGA的ROM中。当需要产生核脉冲信号时，便可以根据用户选择的探测器类型输出对应的核脉冲信号。

6、LED光源的结构设计

一般的NaI探测器的结构如图11所示。闪烁体和光导、光电倍增管贴在一起。当进行放射源测量的时候，闪烁体接受伽马辐射发出荧光光子，光子进入光电倍增管进行光信号到电信号的转换放大。而本发明的基于纳秒光源的核探测模拟装置大的LED部分结构如图12所示。将原来的闪烁体替换为了一个LED灯，来代替闪烁体接受伽马辐射发出荧光光子，这样极大保留了探测器的完整度。

本发明可以模拟点源和面源被闪烁体探测器探测的过程。根据点源或者面源与闪烁体探测器类型等特征用蒙特卡洛模拟出对应能谱曲线，下位机将能谱曲线反演为随机核脉冲输出。

对于真实闪烁体探测过程为：首先辐射射入闪烁体并在闪烁体中损耗能量，引起闪烁体原子的电离和激发，然后受激发的原子退激发出波长位于可见光或临近可见光的闪烁光子，并且闪烁体受辐射粒子激发后所发射的并不是单色的光，而是具有一定波长范围的连续谱，如图17所示；因此为了模拟闪烁体受辐射发光，本发明采用电子学电路输出核脉冲电流信号驱动LED发光，生成核脉冲光信号，LED照射PMT将光信号转化为电信号。以此实现对闪烁体探测器的工作过程模拟；并且本发明选用蓝色LED灯，如图18为本发明所选LED的发光波长范围；因为蓝色LED发出的光的波长在闪烁体探测器产生的波长连续谱范围内，也在PMT的光谱响应最敏感范围内，如图15所示，并且相对于其它彩色LED，蓝色LED受温度影响发光强度变化较小。

由于不同的放射源在探测器内部的产生核脉冲信号有所区别，本发明在下位机中根据不同的放射源在不同的探测器中产生不同核脉冲信号的机理，能够直接随机生成单一的核脉冲信号。而上位机只需要传入放射源类型、探测器类型等参数即可。

由于根据闪烁体的发光机理不同，闪烁体可以分为有机闪烁体和无机闪烁体，而两者在对于相同能量的下引起闪烁效率有所不同，也即电子的相对能量响应不同，如图16所示，无机闪烁体的闪烁效率一般较大，因此针对此类现象，本发明设计实现了在模拟相同放射源环境下根据不同类型的闪烁体随机输出核脉冲信号的频率不同，来模拟有机闪烁体和无机闪烁体两者在对于相同能量的下引起闪烁效率有所不同。

对于有机闪烁体在吸收辐射时闪烁体除了有荧光光子的发射外，还可以观察到有和荧光一样但时间迟后的延迟荧光，也就是有机闪烁体的闪烁光脉冲有快成分和慢成分之分。针对这一现象本发明设计实现一种模拟有机闪烁体发光时，会输出和快成分特征相同的核脉冲，延迟一定时间后再输出一个符合慢成分特征的核脉冲信号。而快成分和慢成分的特征除了输出时间不同外还有就是核脉冲信号所包含的上升时间、下降时间不同和能量不同。

由于闪烁体探测的类型不同，受辐射时所发出的核脉冲信号的上升时间、下降时间不同。因此本发明可以根据闪烁体探测的类型不同输出包含对应上升时间、下降时间核脉冲信号。

虽然闪烁体探测器输出的脉冲幅度正比于入射粒子在闪烁体内部损耗的能量，但由于统计涨落的原因，即使对能量全部损失在闪烁体探测器内的单能带电粒子，每个粒子对应的输出脉冲幅度也有统计涨落的，使单能带电粒子的脉冲幅度谱近似呈高斯分布，这也是每个闪烁体探测器能量分辨率有所差异的原因之一。本发明实现模拟出这一现象，对于输出单能的核脉冲信号输出时，其输出核脉冲信号的幅值会有一定的随机统计涨落，并且幅值呈高斯随机分布。

本发明能够模拟在闪烁体探测器中，能量沉积产生光子及后续光电转换过程均存在统计涨落，则单能带电粒子对应的脉冲幅度围绕平均值成一定的分布，反映在脉冲幅度谱上，全能峰、逃逸峰等均产生展宽，康普顿沿也不再陡峭变得平缓的现象。本发明采用的方法是：在输出相同能量核脉冲信号时，按照此能量的射线在探测器中被吸收并输出核脉冲信号的统计涨落特性，随机改变核脉冲信号的幅值。而统计涨落呈高斯分布。

伽马射线进入探测器后，与探测器物质的相互作用过程有12种之多，但主要是光电效应、康普顿效应和电子对效应。当射线的全部能量被闪烁体吸收，发生光电效应会在能谱中产生一个全能峰。而本发明能够蒙特卡洛模拟对应放射源在探测器中产生光电效应、生成全能峰并且在下位机将全能峰反演为随机的核脉冲信号输出。

当射线进入探测器后可能发生康普顿散射，而本发明可以用蒙特卡洛模拟实现放射源在闪烁体内发生康普顿散射并生成能谱曲线，下位机将能谱曲线反演为随机的核脉冲信号输出，一次模拟放射源发生康普顿散射现象。

当伽马射线的能量高于1.02MeV时，伽马射线进入探测器后与探测器中的介质可能会发生电子对效应。当正电子的动能全部损失完毕时，其很容易与碰撞到的负电子发生湮没，然后发射出两个能量均为0.511MeW且运动方向相反的伽马射线，此时会出现三种情况；即当发射出的两条伽马射线都没有与探測器中的物质发生相互作用就会产生双逃逸峰、当发射出的两条伽马射线的其中一条与探测器中的物质发生相互作用而被全部吸收，另一条射线从晶体中逃逸而不被探测器探测到就会产生单逃逸峰、当发射出的两条γ射线都与探测器中的物质发生相互作用并全部被吸收，则在对应能量的伽马能谱位置将会产生一个脉冲，就会产生全能峰。本发明基于这个理论知识，实现在产生的核脉冲信号所包含的能量大于1.02MeV时，会根据电子对的逃逸比列关系随机的产生并输出形成双逃逸峰、单逃逸峰和全能峰的核脉冲信号。

对于相同探测器探测情况下，如果放射源不同也会在探测器中生成不同的核脉冲信号。本发明能够模拟多种放射源射线在探测器中被吸收产生核脉冲信号；本发明根据放射源的类型，产生对应能量的核脉冲信号的概率不同，以此来生成不同的随机核脉冲信号。

闪烁体探测器的探测效率主要取决于射线在闪烁体内产生次级电子的概率，这将由射线与闪烁体的相互作用截面、闪烁体的大小形状、源与探测器的相对位置等因素决定。因此本发明会根据射线与闪烁体的相互作用截面、闪烁体的大小形状、源与探测器的相对位置等因素，调整输出核脉冲信号的频率，来模拟不同闪烁体探测器的不同探测效率。

有部分闪烁体探测器如LaBr3(Ce)探测器本身会存在一定的辐射，也会产生核脉冲信号，本发明针对这种现象根据闪烁体的类型、是否自身存在辐射、辐射的特性长生与之对应的核脉冲信号，也即可以模拟输出闪烁体探测器自身的辐射所产生的核脉冲信号。

本发明能够模拟核脉冲信号在探测器中出现堆积的情形，并且最多支持十重堆积。

本发明提供的一种基于纳秒光源的核探测模拟装置核信号反演技术，包括上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡(TF-CARD)、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道；用电子学电路和核脉冲电流信号驱动蓝光LED发出核脉冲光信号，模拟闪烁体接受伽马辐射发出荧光光子；系统能够实现对点源和面源的探测过程的模拟；能够模拟有机闪烁体探测器和无机闪烁体探测器的探测过程；可以模拟不同闪烁体探测器的不同闪烁效率和探测效率；根据放射源被探测的过程模拟输出核脉冲信号；模拟实现闪烁体探测器内输出快成分和慢成分的核脉冲信号；能够输出包含多种上升时间和下降时间、幅值的核脉冲信号；模拟射线在探测器内被吸收并输出核脉冲信号后存在统计涨落的现象；也能够模拟输出全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰；能够模拟闪烁体探测器发生的康普顿散射；模拟闪烁体探测器自身的辐射所产生的核脉冲信号；可以根据闪烁体类型、放射源位置、放射源强度、放射源种类等参数生成对应能谱曲线，并反演输出核脉冲信号；可以实现最多十重堆积的核脉冲信号输出；实现了在FPGA中高斯分布随机数的产生、均匀随机数的产生、指数分布随机数的产生。上位机能够根据大量的实验实测数据和蒙特卡洛模拟生成谱线、可以模拟配置输出多种环境本底谱线、操作过程实现3D可视化操作、并且对于闪烁体探测器的核信号探测过程进行动画演示。因此不仅可以作为专业人员设备工具，还能成为适用于学生教学使用的教学仪器。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于纳秒光源的核探测模拟装置的核信号反演方法，所述核探测模拟装置，包括上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡TF-CARD、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道；所述上位机分别通过1000M以太网、USB3.0、RS232与ZYNQ SoC处理器连接；所述同步时钟、DDR3、SD卡分别与ZYNQ SoC处理器连接，所述ZYNQ SoC处理器与模拟核脉冲信号输出通道连接；所述ZYNQ SoC处理器包括FPGA单元和ARM单元，所述FPGA单元与ARM单元通过AXI总线连接；所述LCD屏幕直接通过IO口与ZYNQ SoC处理器的FPGA单元连接；所述SD卡与ZYNQSoC处理器的ARM单元连接；所述同步时钟同时连接ZYNQ SoC处理器的FPGA和ARM单元为其提供同步的时钟；所述模拟核脉冲信号输出通道包括DAC、电流放大器、LED、滤光片、光电倍增管和高压分压管座；所述DDR3与ZYNQ的ARM单元连接；所述DAC输入引脚通过IO口与ZYNQ的FPGA单元进行并行连接；所述电流放大器与DAC的输出引脚相连；所述LED与电流放大器的输出引脚相连；所述LED紧贴着滤光片；所述滤光片直接贴在光电倍增管PMT的受光面；所述PMT与前置放大器相连；所述装置还包括电源，所述电源分别与上位机、ZYNQ SoC处理器、同步时钟、DDR3、SD卡、LCD显示屏和模拟核脉冲信号输出通道连接，其特征在于，包括如下步骤：

一、上位机根据用户选择的功能设置相应的参数，再根据参数采用蒙特卡洛模拟和大量真实数据生成对应存在统计涨落现象的能谱曲线，并且可以将闪烁体探测器和谱仪对放射源的探测过程进行动画演示；

二、上位机将谱线和设置的参数发送给ZYNQ SoC处理器，或者将谱线预先存入SD卡中；

三、ZYNQ SoC处理器的ARM单元将谱线反演为一系列随机的核脉冲信号的幅度信息；或者当选择对放射源的模拟时，ZYNQ SoC处理器直接生成一系列符合放射源本身特性的随机核脉冲幅值信息；

四、ZYNQ SoC处理器的ARM单元根据闪烁体类型判断是否包含快成分、慢成分，以及是否自身会发生辐射等参数和发生电子对效应，根据相关计算出包含的快成分、慢成分、自身辐射的核脉冲信号比例关系，结合随机核脉冲幅值信息生成一系列包含不同上升时间、下降时间、幅值的随机的核脉冲信号序列数据；

五、ZYNQ SoC处理器的ARM单元将数据发送给FPGA单元；

六、FPGA单元根据产生均匀随机数、再根据均匀随机数产生指数分布随机数作为各个核脉冲信号的输出时间间隔；

七、根据闪烁体探测器的闪烁效率和探测效率调整输出时间间隔；

八、FPGA单元设置了一路计数器，当计数器的值与时间间隔相等的时候，根据核脉冲信号序列依次输出核脉冲数字信号，这里当时间间隔小于核脉冲信号脉宽时会输出堆积的核脉冲信号，并且最高可达十重堆积；

九、将核脉冲数字信号经过DAC转化为模拟核脉冲信号，再经过电流放大器放大后驱动LED输出核脉冲光信号，光信号经滤光片衰减后照射光电倍增管，光电倍增管将光信号转化为电信号后从阳极输出。

2.根据权利要求1所述的基于纳秒光源的核探测模拟装置的核信号反演方法，其特征在于，所述步骤一中，所述动画演示包括伽玛射线被闪烁体探测器吸收后产生荧光光子的过程、荧光光子被光电倍增管转化为电信号并进行多级放大的过程、经前置放大器后信号变化、能谱仪如何在前置放大器输出的信号中提取出其中包含的信息。

3.根据权利要求1所述的基于纳秒光源的核探测模拟装置的核信号反演方法，其特征在于，所述步骤一中，所述用户选择的功能包括闪烁体类型的模拟、放射源与探测器的相对位置模拟、放射源强度模拟、点源或面源放射源种类模拟、放射源活度模拟、光电效应的模拟、康普顿散射的模拟、电子对效应的模拟、闪烁体的闪烁效率的模拟、闪烁体探测器的探测效率模拟、环境本底的模拟、模拟输出全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰、模拟闪烁体探测器内输出快成分和慢成分的核脉冲信号；模拟输出包含多种上升时间和下降时间、幅值的核脉冲信号；射线在探测器内被吸收并输出核脉冲信号后存在统计涨落的现象模拟。

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