技术领域
[0001] 本
发明具体涉及一种数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法。
背景技术
[0002] 根据Schweitzer J S,Ziehl W.Temperature Dependence of NaI(Tl)Decay Constant[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,1983,30(1):380-382的研究数据表明碘化钠晶体即NaI(Tl)晶体衰减时间常数在室温下(25℃)为230ns。如果
温度升高，NaI(Tl)晶体衰减时间常数会缓慢的减小。在180℃左右是减小到100ns。如果温度下降，衰减时间常数将会以接近5ns/℃的平均速率增加，-25℃时约为600ns，而且增加的速率越来越快，具有非线性的特点。在宽温度的使用环境下，温度变化范围超过～30℃～60℃，NaI(Tl)晶体衰减时间常数的范围约为650ns～200ns。由于NaI(Tl)晶体存在较长的衰减时间常数，将在成形
电路中引起弹道亏损，造成多道幅度分析器获取的
信号幅度不准确。而大范围的衰减时间常数变化，将引起测量能谱发生较大谱漂，造成测量数据不准确、甚至能谱测量系统谱漂失调和测量数据错误等严重故障，大大降低了系统的可靠性。因此对NaI(Tl)晶体衰减时间进行校正是十分必要的。
[0003] 目前通常的做法是，限制基于NaI(Tl)晶体为探测器的
辐射测量设备的
工作温度范围不低于-10℃，甚至是0℃以上，使衰减时间变化的影响可接受。或者是设置较长的弹道亏损恢复时间(需要大于衰减时间常数的5倍)，但这增加了成形时间，降低了系统的脉冲通过率，只能低
剂量率下使用。本
申请使用一种自动化的衰减时间校正方法，可以在宽温条件下自动完成相关校正，不影响系统的脉冲通过率。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对
现有技术的不足，提供一种数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法，该数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法可以很好地解决上述问题。
[0005] 为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法，该数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法包括如下步骤：
[0006] S1：射线被碘化钠晶体和
光电倍增管构成的探测器探测后，光电倍增管输出指数衰减函数
波形的
电流脉冲信号,信号定义为I(t)，晶体的衰减时间常数为τ0；
[0007] S2：电流脉冲信号I(t)经RC反馈型电荷灵敏
放大器转换后，形成双指数
电压信号，同时降低输入电流脉冲信号带宽，信号定义为V(t)；
[0008] S3：信号V(t)通过ADC进行数字化
采样，形成数字脉冲信号V(n)进入FPGA进行
数字化信号处理；
[0009] S4：FPGA先对V(n)进行指数成形逆卷积操作，输出的信号Q[n]波形是时间常数为τ0的单指数衰减信号；
[0010] S5：信号Q[n]一路用方形
滤波器进行成形，
输出信号定义为P(n)；
[0011] 一路用梯形成形滤波器进行成形，输出信号定义为S(n)；
[0012] 信号P(n)用于计算晶体衰减时间常数τ0；
[0013] 信号S(n)的平顶前沿和下降沿尾部，受晶体的衰减时间影响，会发生畸变；
[0014] 这些畸变会影响幅度获取、基线获取的准确性，用于能谱系统提取信号幅度会出现严重的谱线漂移现象，降低谱线
分辨率等；
[0015] S6：信号P(n)进行对数运算，得到信号L(n)；
[0016] 信号L(n)的后边沿是以 的斜率线性下降的，通过计算斜率可以计算
[0017] S7：采用直方统计图统计计算的斜率，斜率在直方统计图中形成高斯分布，高斯峰的峰位就是一个理想的斜率 的估计值；
[0018] S8：计算参数 用于指数成形逆卷积器对信号S(n)进行操作，输出信号为R[n]；
[0019] 信号R[n]完全消除了晶体衰减时间的影响，是标准的梯形；
[0020] 多道幅度分析器从R[n]获取的能谱会大大降低谱线漂移现象。
[0021] 该数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法具有的优点如下：
[0022] 该数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法的整个过程自动进行，在宽温度范围内，对于大范围变化的晶体衰减时间进行实时校正。大大降低由于晶体衰减时间变化引起的能谱测量设备谱线漂移现象。
附图说明
[0023] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0024] 图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的数字化实时校正晶体衰减时间的实现
框架图。
[0025] 图2示意性地示出了根据本申请一个实施例的信号Q[n]、P(n)、L(n)对应的操作和波形图。
[0026] 图3示意性地示出了根据本申请一个实施例的衰减时间常数计算器的
流程图。
[0027] 图4示意性地示出了根据本申请一个实施例的梯形成形信号畸变校正流程的推导图。
具体实施方式
[0028] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。
[0029] 在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。
[0030] 为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
[0031] 根据本申请的一个实施例，提供一种数字化实时校正碘化钠晶体衰减方法概述如下：碘化钠晶体在宽温度(～30℃～60℃)的使用环境下，衰减时间常数的范围约为200ns～650ns，较大的衰减时间会使多道系统会发生较大的谱漂移，降低谱线分辨率等。碘化钠探测器输出时间常数为τ0(晶体衰减时间常数)的单指数衰减信号I(t)。经过RC反馈型电荷灵敏放大器转换后形成双指数信号，经高速数字化采样后形成
数字信号V(n)进入FPGA芯片。
先对V(n)进行指数成形逆卷积操作，形成时间常数为τ0的单指数衰减信号Q[n]。信号Q[n]一路用方形滤波器进行成形，输出信号P(n)。一路用梯形成形滤波器进行成形，输出信号S(n)。信号P(n)用于计算晶体衰减时间常数校正参数D。信号S(n)受晶体衰减时间影响，发生畸变，不能直接用于多道能谱系统。校正参数D用于指数成形逆卷积器对信号S(n)进行校正，输出信号R[n]完全消除了晶体衰减时间的影响，用于多道系统可以大大降低能谱的谱漂现象。
[0032] 根据本申请的一个实施例，提供一种数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法，如图1-3所示，包括如下步骤：
[0033] S1：射线被碘化钠晶体和光电倍增管构成的探测器探测后，光电倍增管输出指数衰减函数波形的电流脉冲信号,信号定义为I(t)，晶体的衰减时间常数为τ0；
[0034] S2：电流脉冲信号I(t)经RC反馈型电荷灵敏放大器转换后，形成双指数电压信号，同时降低输入电流脉冲信号带宽，信号定义为V(t)；
[0035] S3：信号V(t)通过ADC进行数字化采样，形成数字脉冲信号V(n)进入FPGA进行数字化
信号处理；
[0036] S4：FPGA先对V(n)进行指数成形逆卷积操作，输出的信号Q[n]波形是时间常数为τ0的单指数衰减信号；
[0037] S5：信号Q[n]一路用方形滤波器进行成形，输出信号定义为P(n)；
[0038] 一路用梯形成形滤波器进行成形，输出信号定义为S(n)；
[0039] 信号P(n)用于计算晶体衰减时间常数τ0；
[0040] 信号S(n)的平顶前沿和下降沿尾部，受晶体的衰减时间影响，会发生畸变；
[0041] 这些畸变会影响幅度获取、基线获取的准确性，用于能谱系统提取信号幅度会出现严重的谱线漂移现象，降低谱线分辨率等；
[0042] S6：信号P(n)进行对数运算，得到信号L(n)；
[0043] 信号L(n)的后边沿是以 的斜率线性下降的，通过计算斜率可以计算
[0044] S7：采用直方统计图统计计算的斜率，斜率在直方统计图中形成高斯分布，高斯峰的峰位就是一个理想的斜率 的估计值；
[0045] S8：计算参数 用于指数成形逆卷积器对信号S(n)进行操作，输出信号为R[n]；
[0046] 信号R[n]完全消除了晶体衰减时间的影响，是标准的梯形；
[0047] 多道幅度分析器从R[n]获取的能谱会大大降低谱线漂移现象。
[0048] 根据本申请的一个实施例，现对该数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法具体进行阐述：探测器(S101)由碘化钠晶体和光电倍增管构成，光电倍增管输出指数衰减波形的电流脉冲信号I(t)(S102)，表达式如式(1)所示。
[0049]
[0050] τ0
闪烁体衰减时间常数，碘化钠晶体的衰减时间常数为在200ns～650ns范围。
[0051] 电流脉冲信号经RC反馈型电荷灵敏放大器(S103)转换后，形成双指数电压信号，同时降低输入电流脉冲信号带宽，便于后级电路处理。
输出电压信号V(t)(S104)，如式(2)所示。
[0052]
[0053] τRC是RC反馈网络成形时间，τ0闪烁体衰减时间常数，且满足τRC>>τ0；A是信号幅值。
[0054] 双指数电压信号通过ADC(S105)(
数模转换器，下同)进行数字化，形成数字脉冲信号V[n](S106)进入FPGA(S118)进行数字化信号处理，ADC采用65M的采样速率。
[0055] 根据文献V.T.Jordanov,Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A,805:63-71(2016)，指数成形逆卷积器(S107)可将指数信号恢复为权重化冲击脉冲信号。输入V[n](S106)与输出Q[n](S108)关系见式(3)、(4)。
[0056] Q[n]＝V[n]-D*V[n-1] (3)
[0057]
[0058] 其中Ts是ADC(S105)的采样间隔时间。
[0059] V[n](S106)经过指数成形逆卷积器(S107)处理后，Q[n](S108)已经不包含RC反馈型电荷灵敏放大器(S103)的时间常数τRC，Q[n](S108)可以表示为式(5)。
[0060]
[0061] 其中A’表示信号的幅度。
[0062] 方形滤波器(S109)可用(6)式描述。Q[n](S108)经过宽度为T的方形滤波器(S109)进行成形，响应波形为P(t)(S110)，可通过式(7)、(8)描述。
[0063]
[0064]
[0065]
[0066] 其中方形滤波器(S109)宽度T远大于晶体衰减时间常数τ0。那么式(8)可以简化为式(9)。
[0067]
[0068] 对P(t)(S110)进行对数变换运算，可以得到信号L(n)(S203),表达式为式(10)。过程见图2。从式(10)可知，当t>T时，L(n)(S203)以-1/τ0的斜率线性变化直到基线。晶体衰减时间常数包含在斜率-1/τ0中，这是衰减时间常数计算器(S111)的基本原理。
[0069]
[0070] 衰减时间常数计算器(S111)计算出参数D后用于指数成形逆卷积器(S115)，可对梯形成形(S113)的输出信号S[n](S114)进行校正，校正后波形R[n](S116)。信号S[n](S114)的平顶前沿和下降沿尾部，受晶体的衰减时间影响，会发生畸变。这些畸变会影响幅度获取、基线获取的准确性。特别是当晶体的衰减时间增加时，S[n](S114)的平顶前沿的
曲率更加严重，影响宽度增加，将降
低信号的幅度值，直接用多道幅度分析器(S117)从S[n](S114)获取的能谱会出现严重的谱线漂移现象。经过指数成形逆卷积后，晶体的衰减时间得到校正，梯形形态恢复到标准。多道幅度分析器(S117)从R[n](S116)获取的能谱会大大降低谱线漂移现象。
[0071] 信号Q[n](S108)到信号R[n](S116)的处理过程推导如图4所示。信号链S401表明单位冲击响应经过梯形成形(S113)处理可以直接成为梯形，梯形形态标准。信号链S402表明指数信号经过梯形成形(S113)处理后，梯形信号的平顶和下降沿尾部会发生畸变。信号链S403表明先通过指数成形逆卷积器(S115)处理后成为单位冲击响应，再经过梯形成形(S113)处理可以直接成为梯形，可以矫正由于晶体衰减时间较长形成的指数信号的影响。由于指数信号经过指数成形逆卷积器(S115)处理后的单位冲击响应，
信噪比会降低。为了保持信噪比，便于FPGA芯片处理，在实际处理中(图1中的相关部分)采用信号链S404进行处理。
[0072] 衰减时间常数计算器(S111)计算指数成形逆卷积器(S115)所需要的参数D(参见公式(4))，采用流程图3进行计算，周期性的更新参数D。
[0073] 步骤S301等待脉冲开始后T个时钟周期(S109的宽度)后，步骤S302对信号P(t)(S110)进行对数变换运算，得到信号L(t)(式(10)表示)。步骤S303用两个相邻数据的差值作为斜率。步骤S304将斜率存入直方图中(统计每个斜率值的个数)。步骤S305如果统计个数大于1000个，进入下一步，如果没有达到继续进行统计。S306对在直方图中搜索最大值，最大值对应的斜率最接近真实的斜率值。S307计算出指数成形逆卷积器(S115)所需要的参数D，然后清空直方图。
[0074] 根据本申请的一个实施例，该数字化实时校正碘化钠晶体衰减时间方法[0075] 以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述
权利要求为准。
