CN114740515A - 一种幅度定比弹道亏损校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决现有弹道亏损校正技术均采用绝对补偿的方式，亏损校正时采用逐点微分式校正存在单次校正量小、计算量大以及对低能射线校正能力有限等问题，而提供了一种幅度定比弹道亏损校正方法。该方法通过单延迟线成形去除核脉冲的长拖尾，然后对成形后的脉冲进行积分获得与理论最大幅度成定比例关系的归一化积分面积，从而可准确表征理论脉冲幅度，达到弹道亏损校正目的。

Description

一种幅度定比弹道亏损校正方法

技术领域

本发明属于核脉冲信号处理技术领域，具体涉及一种幅度定比弹道亏损校正方法。

背景技术

电荷灵敏前置放大器在高分辨测量领域应用十分广泛，图1为阻容反馈式电荷灵敏前置放大器的原理图，其中R_f的存在决定了这一类电荷灵敏前置放大器的一个固有属性，即信号幅度弹道亏损，图2中(U_m-U₁)即为幅度亏损的部分。

总体上，弹道亏损分为两类：一致性亏损和非一致性亏损。一致性亏损是指：如果所有信号上升时间一致，则所有信号的亏损比例也是一致的，此时对于能谱来说就不需要校正了，如闪烁体探测器的信号，其上升时间主要是光传输到光阴极的时间与电子倍增时间之和，这两者变化很小，所以信号幅度不需要校正。非一致性亏损是指：对于半导体探测器来说，粒子在晶体内作用位置不一样，电荷运动到电极被收集的时间就会有明显差异，具体与探测器的尺寸和载流子运动速度有关，这样就会带来不一致的弹道亏损。因此，该类探测器如果要获得好的能量分辨率，必须充分考虑弹道亏损的不一致性，只有在校正了弹道亏损后才能实现较高的能量分辨率，如高纯锗和CZT探测器等。

由于亏损大小与电荷被收集的时间相关，因此早期的弹道亏损校正技术是由F.Goulding等(F.Goulding等,Large coaxial germanium detectors-correction forballistic deficit and trapping losses,IEEE Transactions on Nuclear ScienceNS-37，1990)提出的在硬件电路上对信号上升时间进行补偿。随着数据信号处理技术的兴起，发展了包括梯形滤波在内的多种数字滤波成形技术(V.Radeka,TrapezoidalFiltering of Signals from Large Germanium Detectors at High Rates,IEEETransactions on Nuclear Science NS-19，1972；V.T.Jordanov等,Digital synthesisof pulse shapes in real time for high resolution radiation spectroscopy,Nuclear Instruments and Methods A 345，1994；A.Kalinin等，Pulse shaping for ge-spectrometers optimized for ballistic deficit and electronic noise,NuclearInstruments and Methods A 538，2005；Shefali Saxena等，Digital PulseDeconvolution with Adaptive Shaping for Real-time High-resolution High-throughput Gamma Spectroscopy，Nuclear Inst.and Methods in Physics Research,A，2018)。2016年，成都理工大学Chuan-Yun Xiong等人(Chuan-Yun Xiong等，Ballisticdeficit compensation method for a large-volume HPGe detector at high countrates，NUCL SCI TECH(2016)27:67)提出以数字信号处理的方式将信号上升时间补偿法应用到高纯锗探测器的弹道亏损校正上。

上述技术均采用绝对补偿的方式进行弹道亏损校正，即亏损多少就校正多少。亏损校正时采用逐点微分式校正方式，存在单次校正量小、计算量大以及对低能射线校正能力有限等问题，对于直接从前置放大器获取数字化信号进行处理的模式尤为显著，并不能适用于高、低能射线的弹道亏损校正。

发明内容

本发明的目的是解决现有弹道亏损校正技术均采用绝对补偿的方式，亏损校正时采用逐点微分式校正存在单次校正量小、计算量大以及对低能射线校正能力有限等问题，而提供了一种幅度定比弹道亏损校正方法。

本发明的思路是：先通过单延迟线成形去除核脉冲的长拖尾，然后对成形后的脉冲进行积分获得与理论最大幅度成定比例关系的归一化积分面积，从而可准确表征理论脉冲幅度，达到弹道亏损校正目的。该幅度定比弹道亏损校正方法显著减小了计算量，对于低能射线的能量校正适用性更强。

通过数学变换，使所有的信号幅度均可归结为kU_m的形式，k为恒定的比例系数，这样，所有的信号均与自身的理论幅度值形成了固定比例关系，这与一致性亏损原理是相同的。实际上，绝对校正技术是幅度定比校正技术中k＝1的特例。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种幅度定比弹道亏损校正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、利用单延迟线成形技术，以特定的脉冲延迟时间，对单个核脉冲进行成形，得到成形后的脉冲波形；

步骤2、计算成形后的脉冲波形总的积分面积，得到单个核脉冲信号幅值的比例系数k；

步骤3、选定增益系数z，z＞0，进行信号幅度归一化处理，求解得到校正系数k₀，完成核脉冲的幅度定比弹道亏损校正。

进一步地，步骤1中，所述单延迟线成形计算为：

其中，u_t为成形后的脉冲波形t时刻的数据；v_t为原始脉冲波形t时刻数据；

t_d为脉冲延迟时间，t_d≥t_r；t_r为信号上升时间；

为原始脉冲波形(t-t_d)时刻的数据；

λ为原始脉冲波形的衰减常数。

进一步地，步骤2具体为：

单延迟线成形后的脉冲波形，包括信号上升段，信号衰减段和信号下降段；

2.1、信号上升段1的积分面积S₁为：

其中，U_m为理论最大信号幅度；

2.2、信号衰减段2的积分面积S₂为：

2.3、信号下降段3的积分面积S₃为：

2.4、成形后的脉冲波形总的积分面积S_sum为：

2.5、单个核脉冲信号幅值的比例系数k：

令

求解得到：

进一步地，步骤3中，校正后的信号幅度U_out：

求解得到校正系数k₀：

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

本发明提出的幅度定比弹道亏损校正方法，通过单延迟线成形去除核脉冲的长拖尾，然后对成形后的脉冲进行积分获得与理论最大幅度成定比例关系的归一化积分面积，从而可准确表征理论脉冲幅度，达到弹道亏损校正目的，使所有的信号幅度均可归结为与理论最大信号幅度之间成恒定的比例系数关系，且比例系数与脉冲上升时间无关；利用本方法在弹道亏损校正时计算量显著减小，并且本方法对高、低能射线的弹道亏损的准确校正均适用。

附图说明

图1为电荷灵敏前置放大器的基本结构示意图；

图2为恒定电流收集模式理论脉冲及弹道亏损后的脉冲示意图；

图3为本发明幅度定比弹道亏损校正方法流程图；

图4为本发明实施例单延迟线成形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种幅度定比弹道亏损校正方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

以电荷灵敏前置放大器的输出核脉冲为研究对象，具体阐述采用本发明方法实现核脉冲幅度值的弹道亏损准确校正的过程。

如图1和图2所示，电荷灵敏前置放大器的基本结构示意图及其输出的脉冲信号图。

理论上电荷灵敏前置放大器输出的原始脉冲信号为恒定电流收集模式，如图2中曲线5，理论最大信号幅度为U_m，电荷灵敏前置放大器的时间常数为τ＝R_fC_f，其中R_f和C_f分别为反馈电阻和反馈电容，则原始脉冲波形的衰减常数为λ＝1/τ，信号上升时间为t_r。实际上，输出的原始脉冲信号存在弹道亏损，实际脉冲最大信号幅度为U₁，而且该弹道亏损随着脉冲信号上升时间t_r而改变，如图2中曲线4。

以上为初始条件，现通过幅度定比弹道亏损校正方法，将各种亏损不一致的实际脉冲幅度U₁变换成统一的幅度U_out，且U_out＝kU_m，其中比例系数k与信号上升时间t_r无关，也就是说，无论上升时间t_r如何变化，校正后的信号幅度U_out始终与理论最大信号幅度U_m成定比例系数k。

如图3所示，本实施例应用幅度定比弹道亏损校正方法对电荷灵敏前置放大器的输出核脉冲信号处理时，包括以下步骤：

步骤1、利用单延迟线成形技术，以特定的脉冲延迟时间t_d，对电荷灵敏前置放大器的输出的单个核脉冲进行成形，得到成形后的脉冲波形；

单延迟线成形计算为：

其中，u_t为成形后的脉冲波形t时刻的数据；v_t为原始脉冲波形t时刻数据；

t_d为脉冲延迟时间，t_d≥t_r；t_r为信号上升时间；

为原始脉冲波形(t-t_d)时刻的数据；

λ为原始脉冲波形的衰减常数。步骤2、单延迟线成形后的脉冲波形，如图4中的实线波形所示，包括信号上升段1，信号衰减段2和信号下降段3，计算成形后的脉冲波形总的积分面积，得到单个核脉冲信号幅值的比例系数k；

2.1、信号上升段1的积分面积S₁为：

2.2、信号衰减段2的积分面积S₂为：

2.3、信号下降段3的积分面积S₃为：

2.4、成形后的脉冲波形总的积分面积S_sum为：

2.5、单个核脉冲信号幅值的比例系数k：

令

求解得到：

λ对一个信号电路来说是定值，t_d为选定的固定值，可见，k为定值，所以，对于单个核脉冲信号，无论其最大幅值U₁亏损有多大，其成形后的积分面积与其理论最大的幅值U_m始终成定比例k的关系，且与脉冲上升时间t_r的无关。

步骤3、选定合适的增益系数z，z＞0，本实施例中选定z＝t_d，进行信号幅度进行归一化处理，得到校正后的信号幅度U_out：

求解得到校正系数k₀：

可以看出，k₀也是一个定值，与脉冲上升时间t_r无关。

于是校正后的信号幅度U_out与理论最大信号幅度U_m之间就是一个定比例关系k₀，不受信号核脉冲上升时间t_r的变化而变化，即无论原始信号弹道亏损有多大，校正后的幅度相对于自己理论最大脉冲幅度的比例均是固定的，从而达到了校正弹道亏损的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种幅度定比弹道亏损校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用单延迟线成形技术，以特定的脉冲延迟时间，对单个核脉冲进行成形，得到成形后的脉冲波形；

步骤2、计算成形后的脉冲波形总的积分面积，得到单个核脉冲信号幅值的比例系数k；

步骤3、根据脉冲信号幅值要求选定增益系数z，z＞0，进行信号幅度归一化处理，求解得到校正系数k₀，完成核脉冲的幅度定比弹道亏损校正。

2.根据权利要求1所述的幅度定比弹道亏损校正方法，其特征在于，步骤1中，所述单延迟线成形计算为：

其中，u_t为成形后的脉冲波形t时刻的数据；v_t为原始脉冲波形t时刻数据；

t_d为脉冲延迟时间，t_d≥t_r；t_r为信号上升时间；

为原始脉冲波形(t-t_d)时刻的数据；

λ为原始脉冲波形的衰减常数。

3.根据权利要求2所述的幅度定比弹道亏损校正方法，其特征在于，步骤2具体为：

单延迟线成形后的脉冲波形，包括信号上升段，信号衰减段和信号下降段；

2.1、信号上升段的积分面积S₁为：

其中，U_m为理论最大信号幅度；

2.2、信号衰减段的积分面积S₂为：

2.3、信号下降段的积分面积S₃为：

2.4、成形后的脉冲波形总的积分面积S_sum为：

2.5、单个核脉冲信号幅值的比例系数k：

令

求解得到：

4.根据权利要求3所述的幅度定比弹道亏损校正方法，其特征在于，步骤3中：

校正后的信号幅度U_out：

求解得到校正系数k₀：

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