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复合双闪烁体粒子甄别技术研究

复合双闪烁体粒子甄别技术研究

作者：韩文秋成都理工大学

学位级别：硕士

随着各国在核技术领域的研究越来越深入,无论是在军用还是民用都发挥了重要的作用。在享受核技术带来的好处的同时,也必须加强对核辐射的监管,避免核辐射对人体造成危害。因此在核辐射领域以及环境监测领域,对混合场中的粒子甄别成为了... 详细信息

随着各国在核技术领域的研究越来越深入,无论是在军用还是民用都发挥了重要的作用。在享受核技术带来的好处的同时,也必须加强对核辐射的监管,避免核辐射对人体造成危害。因此在核辐射领域以及环境监测领域,对混合场中的粒子甄别成为了当前的科研热点。常见的α,β放射性粒子具有电离能力强,内辐射强的特点,若过量摄入将导致内辐照对人体产生巨大危害,因此必须对放射性物质进行严格监控,保证公众的生命安全。本文通过对粒子甄别方法进行研究,并在此基础上进行改进,设计出一种基于小波变换的光滑系数法(Smooth Coefficient Method,SCM)进行α/β粒子甄别。本文采用小波分析算法理论和实验实测数据相结合验证的方法对双闪烁体α/β粒子甄别进行甄别。首先对α,β粒子探测原理进行介绍,选取合适的闪烁体和光电倍增管,分析了放射性粒子在复合双闪烁体中的作用过程,最后搭建测试平台获取原始数字波形数据(Am和Ni信号),并介绍了粒子波形甄别的3类方法,指出小波分析法在粒子甄别中的能够聚焦信号局部特征的优势。根据小波变换原理提出光滑系数法。对小波变换方法进行了理论介绍,根据小波变换中的信号奇异点正则性能够描述信号奇异点附近的光滑程度,符合β信号峰值点的下降衰减率大于α信号峰值点的下降衰减率,β信号在峰值点的正则性将小于α信号,提出可以通过计算信号奇异点的Lipschitz指数进行粒子甄别的光滑系数法,这是α/β粒子甄别理论基础。对原始信号的采样后采用映射法对数据归一化处理,接着在降噪中对平均滤波降噪和小波阈值软降噪算法进行比较,得到小波阈值软降噪算法有好的降噪结果,同时根据小波分析后的模极大值分布图看出,小波阈值软降噪减少了噪声的模极大值点个数,同时使得信号奇异点锥内模极大值点取得唯一性。接着对经过降噪算法后的脉冲数据进行小波变换处理,通过寻找奇异点锥内模极大值点程序获得到时间-尺度图上模极大值点曲线,再从时间-尺度图转到尺度-模极大值图,对模极大值曲线进行拟合计算斜率,得到两个样本信号的不同的Lipschitz值(α=0.01,β=-0.3),证明了两者的Lipschitz存在差别,且通过SCM法可以得到两种粒子在奇异点正则性。接着通过对大量的Am和Ni数据进行SCM法证明了α,β粒子可以通过对Lipschitz值的判断进行甄别,并得到了α粒子和β粒子的Lipschitz阈值为-0.2,Lipschitz大于-0.2是α粒子,Lipschitz小于-0.2是β粒子。在α,β粒子探测平台的对不同放射源(Po,Sr,Ti放射源)通过光滑系数法得到不同α/β源的Lipschitz值也符合以-0.2为阈值的判定。混合源中对SCM法的粒子甄别错误率进行计算,得到小于3%的结果,证明了SCM法能够有效甄别α/β粒子。最后采集数据对SCM法和电荷比较法进行FOM的比较,得到SCM法的FOM值(1.12)大于电荷比较法的FOM值(0.92),证明了SCM法的优越性。基于复合双闪烁体的α/β信号采用SCM法能够有效进行粒子甄别,在未来的α,β探测领域有重大的使用价值。

关键词：粒子甄别双闪烁体光滑系数法小波阈值降噪

基于蒙特卡洛数值模拟的β-γ混合场探测器探头设计

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基于蒙特卡洛数值模拟的β-γ混合场探测器探头设计

作者：秦庆兰州大学

学位级别：硕士

β-γ混合场是核设施施工场所常见的辐射场,但是由于γ光子在物质中沉积能量的最终形式也是电子,这使得β与γ的甄别要比其他粒子甄别更加困难,许多的辐射场所仍然在使用误差极大的二次测量法,因此准确的甄别测量β-γ混合场对于我国的... 详细信息

β-γ混合场是核设施施工场所常见的辐射场,但是由于γ光子在物质中沉积能量的最终形式也是电子,这使得β与γ的甄别要比其他粒子甄别更加困难,许多的辐射场所仍然在使用误差极大的二次测量法,因此准确的甄别测量β-γ混合场对于我国的核安全事业具有重大意义。中核某公司某核设施施工场所同时存在β射线和γ射线,而国内外对于混合辐射场的研究主要聚焦于α-β甄别和n-γ甄别,对于β-γ混合场的甄别则相对较少,并且市面上并无相关的成熟产品。为了提高核设施施工场所的安全性,该公司委托本课题组设计一β-γ混合场探测器探头,要求能够准确甄别50ke V～3.6Me V能量范围内的β粒子和γ粒子。本文结合相关粒子甄别技术的Phoswich探测器与符合测量的优缺点,提出一种新的甄别方案:采用多层闪烁体互相叠加的结构,将每一层闪烁体的信号分别导出,每一层的信号同步采集到数据采集卡中,最后根据2(其中n为闪烁体层数)种信号组合方式,最终在多通道分析仪中舍弃其中的几类信号,分别保存其中的几类信号,即可分别获取β-γ混合场中的β谱和γ谱。在探头设计上,本文采用蒙特卡洛程序FLUKA对β粒子和γ光子在探测器中能量沉积过程进行了比较详细的模拟,从β(γ)误甄别率/记录率/识别率/误识别率等多方面考虑,通过计算“过滤型”闪烁体需要的厚度、探头应该设计的层数、第一层闪烁体的厚度以及判定阈值,系统地阐述了整个探头的设计过程,以及每一个设计参数的由来,得到了最优化(在0.05Me V～3.6Me V范围内综合性价比最高)的设计方案——“快塑料闪烁体+BC444+Na I(Tl)”方案。最终模拟该方案的探头对几种放射源(Cs、Co、Sr/Y、Cl和Mn)的能谱测量情况,结果表明:在γ通道中几乎不会产生由β粒子入射而引起的计数,相反的是γ光子会在β通道中产生一些少量计数,但实际上已经达到甄别β粒子和γ光子的目的。综上所述,该方案对β-γ混合场表现出较好的甄别性能,理论上可行。

关键词： β-γ混合场 FLUKA 粒子甄别探测器

基于Geant4的多层闪烁体荧光模拟研究及原理样机研制

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基于Geant4的多层闪烁体荧光模拟研究及原理样机研制

作者：李铎兰州大学

学位级别：硕士

核工业场所存在n-γ、β-γ及α-γ等不同射线组成的混合辐射场,目前混合辐射场中粒子甄别测量成熟产品主要针对n-γ及α-γ混合场,而对β-γ混合场甄别测量技术多停留在科研研究领域,并无成熟产品。本课题组应中核某公司需求,在Phoswic... 详细信息

核工业场所存在n-γ、β-γ及α-γ等不同射线组成的混合辐射场,目前混合辐射场中粒子甄别测量成熟产品主要针对n-γ及α-γ混合场,而对β-γ混合场甄别测量技术多停留在科研研究领域,并无成熟产品。本课题组应中核某公司需求,在Phoswich探测器的基础上,研制新型多层闪烁体β-γ甄别探测器。本论文通过理论模拟,研究了独立收集各层闪烁体内部沉积能量产生的荧光,反演入射粒子事件在各层闪烁体的沉积能量,通过判断信号逻辑是否为“100”、“110”和“001”,实现甄别率更高的β-γ混合场甄别精准。其中,荧光收集效率与粒子在闪烁体中的沉积能量精确反演密切相关,决定着逻辑判断能否有效进行,是影响甄别测量技术和样机研发是否可行的关键因素。本论文工作基于Geant4,分别探究了荧光收集方式、闪烁体尺寸和类型等重要指标对多层闪烁体探测器的影响。同时结合实际工艺技术加工了原理性样机并开展了部分测试。本文工作如下:1)对“闪烁体+光纤+光电转换器件”、“闪烁体+光导+光电转换器件”以及“闪烁体+Si PM阵列”三种荧光收集方式的荧光传输效率进行模拟,模拟结果表明,荧光收集最优方式为“闪烁体+Si PM阵列”。2)对多层闪烁体探测器第二、三层闪烁体材料及厚度,探测器探测端面大小对荧光传输效率的影响进行模拟,模拟结果表明,最佳的探测器结构各层厚度为“0.5 mm塑料闪烁体”+“18 mm塑料闪烁体”+“20 mm无机闪烁体”。3)加工了原理样机,对其部分性能进行了测试。发现实验测量与理论模拟数据能较好的符合,说明本文的荧光模拟研究能够为探测器荧光收集提供可靠的理论基础。

关键词： β-γ混合场粒子甄别 Geant4 荧光收集原理样机

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混合场β/γ能谱探测器的研制

原子能科学技术 2017年第7期51卷 1296-1304页

作者：陈立张庆利程建平中国辐射防护研究院山西太原030006 清华大学工程物理系北京100084

为解决β/γ混合场两种射线能谱测量过程中的互相干扰问题,研制了一台含有3层闪烁晶体的叠层闪烁探测器样机,设计了脉冲形状甄别算法,实现了β/γ射线类型的甄别,并研究了同时获取两种射线能谱的方法。在^(14)C、^(36)Cl和^(90)Sr/^(90)... 详细信息

为解决β/γ混合场两种射线能谱测量过程中的互相干扰问题,研制了一台含有3层闪烁晶体的叠层闪烁探测器样机,设计了脉冲形状甄别算法,实现了β/γ射线类型的甄别,并研究了同时获取两种射线能谱的方法。在^(14)C、^(36)Cl和^(90)Sr/^(90)Y 3枚β源实验中,样机将β粒子误甄别为γ的概率均小于0.1%。在^(241)Am、^(137)Cs和(60)Co 3枚γ源实验中,将γ误甄别为β的概率均低于1%。通过β/γ混合源实验,验证了样机能在粒子甄别的基础上,通过一次测量就能同时获取两种射线的能谱。

关键词： β/γ混合场粒子甄别叠层闪烁探测器脉冲形状甄别算法 β能谱 γ能谱

基于数字化脉冲处理器的α/β射线甄别方法研究

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原子能科学技术 2021年第8期55卷 1478-1484页

作者：段再煜李荐民胡锐肖明清华大学工程物理系北京100084 92609部队北京100077 中广核久源(成都)科技有限公司四川成都610200

表面污染检测设备多采用ZnS(Ag)和塑料闪烁体组成的复合探测器对α/β射线进行同时测量,其中α/β射线的甄别方法至关重要。传统的甄别方法主要有脉冲幅度甄别法和脉冲宽度甄别法,其受模拟元件参数的影响而甄别稳定性降低。本文基于数... 详细信息

表面污染检测设备多采用ZnS(Ag)和塑料闪烁体组成的复合探测器对α/β射线进行同时测量,其中α/β射线的甄别方法至关重要。传统的甄别方法主要有脉冲幅度甄别法和脉冲宽度甄别法,其受模拟元件参数的影响而甄别稳定性降低。本文基于数字化脉冲处理器对α/β射线进行甄别,在FPGA内部构建电流恢复器、两路方形滤波器、比值计算器计算两路方形滤波器的输出峰值的比值。α/β射线在比值统计图中的不同区间呈高斯分布,由此实现对α/β射线的甄别。结果表明:该甄别方法能实时甄别出α/β射线,甄别品质因子为3.52,串道比均小于0.5%。对α、β探测效率分别不小于57.7%、37%。

关键词：复合探测器 α/β测量粒子甄别

掺钆液闪探测器用于锦屏地下实验室的快中子本底测量

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四川大学学报（自然科学版） 2021年第4期58卷 117-124页

作者：王桢何汉涛刘书魁林兴德幸浩洋朱敬军四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室成都610064 中国原子能院北京102413 四川大学物理学院成都610064

文章采用掺杂0.5%Gd液闪探测器测量了中国锦屏地下实验室(CJPL)的快中子本底通量及中子能谱.掺钆液闪探测器对于核反冲信号和电子反冲信号优异的甄别性能用于中子候选事例的筛选,并采用钆对热中子的俘获特性进行时间甄别.对有效采数时间... 详细信息

文章采用掺杂0.5%Gd液闪探测器测量了中国锦屏地下实验室(CJPL)的快中子本底通量及中子能谱.掺钆液闪探测器对于核反冲信号和电子反冲信号优异的甄别性能用于中子候选事例的筛选,并采用钆对热中子的俘获特性进行时间甄别.对有效采数时间为206 d的数据进行分析,获得锦屏地下实验室的聚乙烯室(PE)内1~10 MeV快中子通量为4.45×10^(-8)cm^(-2)·s^(-1).采用相似的方式分析了掺钆液闪探测器(Gd-Ls)中天然放射系的α本底程度,来源于^(238)U,^(235)U,^(232)Th的α粒子含量分别为(0.0227±0.0001)s^(-1),(0.0329±0.0001)s^(-1)和(0.1471±0.0002)s^(-1).与世界上其他深地实验室的快中子通量进行对比,CJPL的快中子通量处于极低水平,是进行稀有事例测量实验的理想场所.

关键词： CJPL 暗物质快中子粒子甄别 α本底掺钆液闪探测器

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手足表面α、β污染检测仪的研制

手足表面α、β污染检测仪的研制

作者：杨万里南华大学

学位级别：硕士

物体表面的α、β污染检测设备大多采用Zn S（Ag）和塑料闪烁体组成的复合探测器对α、β射线进行同时测量。由于α、β射线甄别方法上的差异,不同种类的表面污染检测仪的甄别效果不尽相同。常规的甄别方法主要有脉冲幅度甄别法和脉冲... 详细信息

物体表面的α、β污染检测设备大多采用Zn S（Ag）和塑料闪烁体组成的复合探测器对α、β射线进行同时测量。由于α、β射线甄别方法上的差异,不同种类的表面污染检测仪的甄别效果不尽相同。常规的甄别方法主要有脉冲幅度甄别法和脉冲宽度甄别法,它们都会受到模拟元件参数（模拟电路的成形时间）的影响而降低甄别效果。论文针对常规甄别方法存在的问题,提出了一种基于数字化脉冲处理的α、β射线甄别方法。数字化甄别电路采用模拟电路+FPGA的架构。模拟电路对α、β复合探测器输出的电流脉冲进行预处理,达到数字化处理的要求,FPGA对脉冲信号进行处理,完成α、β甄别和计数工作。探测器探测到的α、β脉冲信号被模拟信号调节电路转换为不同宽度的脉宽信号以后,经过AD转换电路、FPGA及其外围电路等进行数字化处理,实现数字信号甄别和计数,所得到的计数信息再由微型控制器分析处理以后传送至上位机进行显示。电源电路包括模拟电源、数字电源和高压电源三个模块,模拟电源采用低压差线性稳压（LDO）电源提供,数字电源采用DC-DC变换技术,高压电源则由滨松的可调高压模块实现。程序编写主要采用微软WPF、Visual Studio 2017和C#语言进行程序开发与设计。通过在FPGA内部构建电流恢复器、两路方形滤波器、比值计算器计算出两路方形滤波器的输出峰值的比值R,形成以比值R为横轴、计数率为纵轴的正态分布曲线。通过对α、β射线在比值统计图中的不同区间呈高斯分布分析,来实现对α、β射线的甄别。对所研制的表面污染检测仪的性能进行了实验测试和样品测量与分析。测量结果表明,该甄别方法能实时甄别出α、β射线,甄别品质因子为3.52,串道比均小于0.5%。α、β探测效率分别不小于50.14%、35.7%,达到了预期目标。

关键词：复合探测器 α、β测量粒子甄别 FPGA 方形滤波器

复合晶体α-β探测器数字化波形甄别模拟研究

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复合晶体α-β探测器数字化波形甄别模拟研究

作者：曹真伟南华大学

学位级别：硕士

复合晶体探测器是一种由不同材质的闪烁层叠合在一起构成一个组合闪烁体并共用一个光电倍增管来进行核探测的闪烁体探测器。由于不同材质闪烁体与不同射线的相互作用有所差异,因此这一款探测器可以用来实现粒子甄别。本论文提出了一种... 详细信息

复合晶体探测器是一种由不同材质的闪烁层叠合在一起构成一个组合闪烁体并共用一个光电倍增管来进行核探测的闪烁体探测器。由于不同材质闪烁体与不同射线的相互作用有所差异,因此这一款探测器可以用来实现粒子甄别。本论文提出了一种可用于同时探测β粒子和α粒子的复合晶体探测器的初步设计方案,方案中对闪烁体、光电倍增管等材料和配件的选择以及几何尺寸设计进行了描述和讨论。随后利用GATE软件对探测器几何结构、材料组成、β放射源214Bi和α放射源214Po以及粒子输运过程进行了模拟,并尝试了利用幅度甄别法甄别β粒子和α粒子,结果出现了α粒子和β粒子的幅度甄别谱出现重叠的问题。调研表明为了取得更好的甄别效果,可以考虑采用波形甄别的方法。本论文最后基于matlab软件先根据核信号波形的统计特性进行了闪烁体探测器的α粒子与β核脉冲信号波形仿真,再利用电荷比较法、上升时间法和脉冲梯度分析法对仿真信号开展α、β粒子甄别研究,比较了电荷比较法、上升时间法以及脉冲梯度分析法等方法的数字波形甄别效果,结果表明三种波形甄别方法中电荷比较法较好。由于214Bi和214Po是两种氡子体,因此这一甄别方法在氡及其子体以及人工放射性气溶胶的测量上具有研究意义。

关键词：复合晶体探测器粒子甄别 GATE MATLAB

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核探测信号波形采样数据处理算法研究

核探测信号波形采样数据处理算法研究

作者：王宏波四川大学

学位级别：硕士

本论文主要进行有关核信号波形高速采样数据处理的算法研究,主要内容包括:核信号波形离散数字序列的滤波及对能谱分辨率等的影响;核信号波形识别算法的研究等。采用基于Kaiser窗口函数的有限长冲击响应高通滤波器,对叠加有各种低频噪... 详细信息

本论文主要进行有关核信号波形高速采样数据处理的算法研究,主要内容包括:核信号波形离散数字序列的滤波及对能谱分辨率等的影响;核信号波形识别算法的研究等。采用基于Kaiser窗口函数的有限长冲击响应高通滤波器,对叠加有各种低频噪声的信号进行滤波,研究滤波对能谱特征的影响。在不同的截止频率、不同的噪声信号幅度下,滤波后的能谱分辨率明显提高。但是当噪声与信号幅度比达到20%时,滤波后的能谱虽有所改善,但是分布明显偏离正常的高斯分布。提高滤波器截止频率,有助于增加能谱分辨,而且滤波后的信号幅度正比与滤波前的信号幅度,即具有线性。但是,截止频率太高时,幅度损失太多,能谱峰明显左移。因此,实际工作中要权衡。对于相同的数据源,采用自适应滤波器进行了研究。滤波后信号幅度的衰减比较小,没有像高通数字滤波器滤波后能谱峰的中心位置有明显的向左偏移现象。滤波后有很好的高斯分布对称形状。而且自适应滤波器滤波后的能谱峰宽度要比高通滤波后的峰宽窄,这说明在低频噪声干扰的情况下,自适应滤波器较高通滤波器优越。因此,对采样数据进行数据处理的时候,因该优先考虑使用自适应噪声抵消滤波器来进行滤波。但是算法复杂,即算效率相对低些。对波形甄别技术进行了初步研究。提出了三种甄别算法,即零穿越法、电荷积分法、模式提取法。对于两种类型的信号波形,当它们的信号幅度、上升时间、信号宽度等之间相差在一定范围内时,研究发现,在不同情况下,不同

关键词：波形采样数字滤波粒子甄别 DSP 核能谱