直线成形方法在基于SDD探测器的TXRF仪能谱测量中的应用研究

因全反射X射线荧光仪中入射X射线与全反射X射线形成驻波,导致样品被激发产生的特征X射线成周期变化,且在驻波峰区探测器产生的核脉冲重叠严重,有必要提高后续分析电路的重叠核脉冲幅度准确提取能力,进一步提升全反射X射线荧光仪的性能。由于SDD探测器产生的核脉冲下降沿依衰减系数τ_rc呈指数规律衰减,依据衰减补偿原则,建立直线成形方法并推导应用于数字化核脉冲的递归公式。实验发现：在ADC转换器的取样周期为T下,当k≥T/τ_rc时直线成形后的核脉冲顶部才能形成一条直线;在k=T/τ_rc时上升沿最短,重叠核脉冲分辨能力亦最好。直线成形后的核脉冲上升沿及平顶分布与上升时间参数最小时的梯形成形结果相同但前者的平顶更为光滑;由于直线成形后的核脉冲不存在下降沿,使得其宽度更窄,有利于分离相距更近的重叠核脉冲。通过拟合直线成形后的核脉冲分布规律,确定了直线成形方法可准确提取幅度值的最窄重叠核脉冲间隔;且直线成形方法对不同幅度核脉冲的放大倍数一致,证实直线成形方法不会改变谱仪的能量线性。直线成形方法能可靠应用的前提是准确定位核脉冲的起始位置,为此建立起冲击成形递归公式,验证发现冲击成形后的核脉冲仅在其起始位置出现幅度约等于核脉冲幅度的冲击响应,利用阈值判别就能准确定位所有核脉冲起始位置。最后在FPGA内实现上述算法,并进行10组比对实验,实验结果显示直线成形方法在堆积平台与和峰压制能力、峰背比和能量分辨率三个方面均优于梯形成形与模拟式能谱测量系统,证实直线成形方法能极大地提升全反射X射线荧光仪的性能。     

基于FPGA的数字反符合γ谱仪系统设计

本文设计了基于FPGA的数字反符合γ谱仪系统来降低天然本底和康普顿散射对低活度放射性测量的影响。该系统选用Φ145 mm×95 mm×80 mm的NaI （Tl）环形探测器与Φ75 mm×75 mm的NaI （Tl）主探测器构成反符合探测器,采用FPGA和高速ADC同步采样主探测器脉冲信号和反符合环形探测器输出信号。在FPGA中实现了核脉冲信号采集、缓存、反符合甄别、梯形成形等相关算法。在天然本底测量实验中,数字反符合γ谱仪系统的计数率为191.80 cps,本底抑制系数为2.69;对137Cs放射源的测量实验表明,在反符合探测器端面中心处,反符合测量峰总比为0.41,能量分辨率为6.99%;在反符合探测器侧面中间部位,反符合测量峰总比为0.30,能量分辨率为7.48%。实验结果表明,基于FPGA的数字反符合γ谱仪系统明显降低了天然环境本底和康普顿散射对测量的影响,适用于低活度放射性测量、现场就地放射性测量。     

高能脉冲X射线能谱测量

给出了高能脉冲X射线能谱测量的基本原理及实验结果.采用Monte-Carlo程序计算了高能光子在能谱仪中每个灵敏单元内的能量沉积,利用能谱仪测量了"强光Ⅰ号"加速器产生的高能脉冲X射线不同衰减程度下的强度,求解得到了具有时间分辨的高能脉冲X射线能谱,时间跨度57ns,时间步长5ns,光子的最高能量3.0MeV,平均能量1.04MeV,能量在0.2—0.9MeV之间的光子数目最多,占46.5%.也利用二极管的电压电流波形理论计算了光子的能谱,并与利用能谱仪测得的能谱进行了比较,两种方法所得结果基本一致.     

相关光子定标的符合测量精度分析

采用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生参量下转换效应,搭建了相关光子辐射定标实验装置,使用时间数字转换和时间幅度转换两种符合测量方法进行比对测量,定标了不同光子速率下雪崩光电二极管在737nm波段的探测效率,分析了在高光子计数率下死时间和后脉冲等因素对符合测量选取符合门宽和意外符合的影响,比较了不同光子计数速率的测量结果并分析符合测量的修正因素,修正后两种测量结果的相对偏差优于0.25%.采用时间间隔技术测量了不同光子计数率的后脉冲概率,为提高单光子探测器的计数精度和相关光子定标的精度提供依据.     

高能X射线源焦斑尺寸的时间分辨诊断

将门控分幅相机与快闪烁晶体结合,构成时间分辨X射线诊断系统,对神龙一号直线感应加速器产生的高能脉冲X射线源焦斑进行了测量,在时间间隔为10 ns的情况下,获得了焦斑尺寸随时间的变化曲线。在此基础上,设计了单像素尺寸为0.78 mm×0.78 mm的LYSO闪烁晶体阵列,并进行了X射线照射晶体阵列发光的初步实验,结果表明该阵列可用于高能X射线源焦斑的时间分辨诊断,并能显著提高成像的空间分辨力。     

X射线光谱中特征峰漂移校正算法的研究

针对采用数字慢三角成形算法的高性能硅漂移探测器在开关复位型前放中出现的突变脉冲以及该类脉冲在成形后因幅度受损造成的特征峰漂移问题,提出了一种基于突变脉冲修复的特征峰漂移校正算法,该算法包括以下几个流程,首先将该电路输出的弱电流信号经CR微分电路进行转换得到负指数信号,然后负指数信号经三级放大电路放大后的幅度范围为0～2 V,该幅度范围保持在后端模数转换器的处理范围中,对放大后的负指数信号进行模数转换得到数字化的负指数脉冲序列,通过对上述负指数脉冲序列的采样点进行判断,当出现连续多个为零的采样点时就标记该脉冲为突变脉冲,最后对突变脉冲分别调用快校正和慢校正算法进行修复,并将修复后的负指数脉冲序列分别进行数字梯形成形,其成形结果存储到FIFO中进行多道成谱。实验以自制的铁矿样品为测量对象,将未进行校正的原始谱与采用不同校正方法得到的谱图进行对比,校正后铁和锶特征峰的影子峰所在道址区间的计数相比于未校正的原始谱的计数率有了明显的降低,与此同时,铁和锶两个特征峰所在道址区间的计数相比于不校正则有了明显的提高。由于特征峰计数率的漂移正是产生影子峰的根本原因,因此同一种元素在影子峰区域计数率的减小值与在特征峰区域计数率的增加值在数值上应趋于一致,实验结果中铁元素的影子峰和特征峰所在区间快校正和慢校正前后的计数率差值基本符合这一趋势,但锶元素影子峰和特征峰所在区间的快校正前后计数率差值相差较大,不符合影子峰计数减小值即为特征峰计数增加值的规律。造成这种结果的根本原因在于快校正对突变脉冲的修复不完整,而慢校正可以较好地实现所有采样点的修复,最后得出的修复效率也表明对于同样的区间,慢校正法得到的修复效率更高,对特征峰漂移的校正效果更好。结果表明特征峰漂移校正算法可以有效地消除特征峰前面的影子峰,实现对特征峰漂移的校正,这对获取精细X射线谱具有重要意义。     

基于小波分析的高斯脉冲成形的递归实现

基于小波分析的指数衰减信号高斯脉冲成形滤波器,可以进一步表示为高斯函数及其导数的线性组合.以高斯函数及其导数的递归近似实现算法为基础,研究了基于小波分析的指数衰减信号高斯脉冲成形的递归近似实现算法.仿真指数衰减信号和实际采样指数衰减信号的高斯脉冲成形表明,递归近似高斯脉冲成形与直接卷积高斯脉冲成形符合得非常好,体现了基于小波分析的高斯脉冲成形的特点.研究成果为进一步研究高斯脉冲成形在数字芯片上的实现提供了必要的数字算法基础. 关键词： 高斯脉冲成形 递归实现 小波分析     

远紫外光子计数成像探测器的感应电荷读出方法

为了满足空间远紫外波段成像高空间分辨率和高计数率的探测需求,阐述了光子计数成像探测器的感应电荷读出方法,用于对地球电离层进行远紫外波段遥感探测的成像光谱仪.研究了具有成形网路的电荷灵敏放大器各参数间的关系,从理论上分析了电荷灵敏放大器的上升时间及成形网络的成形时间常数对电荷读出噪声和探测系统计数率的影响,并建立了它们之间的定量关系.提出了电荷读出网络参数的设计和选取原则,并采用适合空间环境的分立电子元件研制出基于楔条形阳极光子计数式成像探测器的电荷读出电路.实验结果表明,所设计的感应电荷读取链路在成形时间为500 ns时链路等效输入噪声电荷约为230 e,电荷灵敏放大器上升时间小于8 ns,与建立的模型计算值有较好的一致性.在入射光强计数率86.2 kcps条件下,所测图像的空间分辨率达到7.13 lp/mm,满足空间远紫外波段成像光谱仪的使用要求.     

HL-2A 装置上动态斯塔克效应偏振仪研究

在HL-2A 装置上发展了两类动态斯塔克效应(MSE)偏振仪并应用于磁场倾斜角的测量。其中被称为比值法的MSE 系统误差可以被控制在±0.15°以内。在HL-2A 装置实验中,利用该方法成功获得7 个空间点、径向覆盖范围为24cm 的磁场倾斜角剖面分布,其时间分辨可达到40ms。应用平衡重建代码(EFIT)结合MSE 测量数据的限定,可以得到安全因子(q)的径向分布,其中q=1 面的位置与软X 射线测量得到锯齿振荡反转面的位置一致。调制法MSE 在标定实验中误差也可控制在±0.15°以内。实验结果表明偏振片透振方向与双光学弹性调制器 (dual PEM)快轴夹角平分线的偏差对系统的线性和误差均有较大的影响。目前,该系统已经建成一个空间通道,测得磁场倾斜角的时间分辨可以达到20ms。     

辐射致折射率变化用于MeV级脉冲辐射探测的初步研究

MeV级脉冲辐射的高时间分辨测量是惯性约束核聚变诊断领域迫切需要解决的难题,国际上尚无成熟的解决方案.利用脉冲辐射对半导体折射率的超快调制效应,有望建立新的解决方案.为研究体材料半导体折射率对MeV级脉冲辐射的响应规律,分析了系统输出与入射辐射强度的对应关系,分析了基于半导体折射率变化测量MeV级脉冲辐射系统的时间分辨的影响因素.基于自由载流子折射率调制原理,建立了半导体材料在MeV级脉冲辐射作用下折射率调制测量系统,整个系统的时间分辨1 ns.在最大能量为0.2 MeV的电子束和X射线束轰击下,本征GaAs折射率恢复时间约30 ns,比可见光激发下要长,分析其原因是高能激发下GaAs内部陷阱参与了载流子复合过程.X射线光子束轰击下,折射率建立时间比电子束轰击下长,光子沉积能量产生过剩载流子的时间过程可达到ns量级.基于建立的系统和分析方法,可对其他半导体在伽马脉冲辐射或电子束辐射作用下折射率变化开展系统的研究,为建立实际的可用于MeV级脉冲辐射测量的快响应探测系统奠定了基础.     

High-resolution positron lifetime measurement using ultra fast digitizers Acqiris DC211

This work demonstrates that a significant improvement of the timing resolution, simultaneously keeping coincidence count rate high enough, can be achieved by use of the state-of-the-art ultra fast 8-bit digitizers which replace the traditional analog timing modules. Performance of the digital spectrometer in conditions of a routine measurement is compared with that of the same detectors connected to the analog setup. It was found that employment of the digital setup leads to an improvement of timing resolution from 169 ps for the traditional analog setup down to 146 ps for the digital setup.     

Si-PIN与CdTe探测器应用于X射线荧光能谱测量的研究

半导体探测器具有优异的性能因而被广泛应用于能量色散X射线荧光测量,以传统型Si-PIN半导体探测器与复合型CdTe半导体探测器为研究对象,分别从材料属性、探测效率、能量分辨率等方面对两种探测器进行对比,重点分析探测器灵敏区厚度、入射X射线能量、后级电路成型时间等因素对其性能的影响,并对由逃逸峰、空穴拖尾效应所导致的X射线荧光能谱的差异进行分析;同时,针对探测器空穴收集不完全的问题,基于FPGA设计了带有上升时间甄别功能的数字多道脉冲幅度分析器,能够有效消除空穴拖尾的影响,提高能量分辨率。从实验结果可知:对能量低于15keV的射线,Si-PIN与CdTe探测器的探测效率基本相当;对能量大于15keV的射线,CdTe探测器的的探测效率明显占优;Si-PIN探测器的最佳成形时间约为10μs,CdTe探测器的最佳成形时间约为2.6μs,因而CdTe探测器更适用于高计数率条件;对于不同能量的X射线,Si-PIN探测器的能量分辨率优于CdTe探测器;CdTe探测器具有明显的空穴拖尾效应,将CdTe探测器与带上升时间甄别功能的数字多道脉冲幅度分析器配合使用,其能量分辨率显著提高。     

A boron-lined proportional counter (BLPC) used in a mixed field of reactors

A boron-lined proportional counter (BLPC) with a count rate limit close to the multi-wire proportional counter was manufactured to measure the mixed field around reactors. After measurement with a standard Am-Be neutron source (activity: 100 mCi), the results show that the operating voltage of the BLPC is 800 V, the plateau length is 100 V and the slope is 13.2%/100 V. The width and rise time of the output pulse of the BLPC are 1.26 μs and 370 ns, respectively. When the BLPC works at a count rate of 1.0×10⁵ count/s, the pulse pile-up probability of the BLPC is 3.6%. A clear peak can be seen in the pulse height spectrum of the BLPC. and the performances illustrate that a BLPC working in pulse mode can serve as a source range detector of reactors.     

ARDESIA: A fast silicon drift detector X-ray spectrometer for synchrotron applications

ARDESIA, a four-channel X-ray spectrometer based on silicon drift detectors (SDDs), is presented. It has been developed for synchrotron applications targeting especially X-ray fluorescence (XRF) and X-ray absorption spectroscopy (XAS) with good energy resolution at high count rates (a few Mcps per second). The main target applications are XRF and XAFS techniques. The system features a 2 × 2 monolithic array of 5-mm-pitch SDDs cooled with a double Peltier scheme and coupled to a four-channel CUBE charge preamplifier. Different digital pulse processors allowing operation in Mcps per second count rates are employed. The results of preliminary characterization measurements performed at both the LNF DAΦNE-Light DXR1 beamline and the ESRF LISA BM-08 are reported, in particular, XRF measurements on low atomic number elements (down to the Carbon K-line, 270 eV) and extended X-ray absorption fine structure of trace materials in pyrite.     

Counting‐loss correction for X‐ray spectroscopy using unit impulse pulse shaping

High‐precision measurement of X‐ray spectra is affected by the statistical fluctuation of the X‐ray beam under low‐counting‐rate conditions. It is also limited by counting loss resulting from the dead‐time of the system and pile‐up pulse effects, especially in a high‐counting‐rate environment. In this paper a detection system based on a FAST‐SDD detector and a new kind of unit impulse pulse‐shaping method is presented, for counting‐loss correction in X‐ray spectroscopy. The unit impulse pulse‐shaping method is evolved by inverse deviation of the pulse from a reset‐type preamplifier and a C‐R shaper. It is applied to obtain the true incoming rate of the system based on a general fast–slow channel processing model. The pulses in the fast channel are shaped to unit impulse pulse shape which possesses small width and no undershoot. The counting rate in the fast channel is corrected by evaluating the dead‐time of the fast channel before it is used to correct the counting loss in the slow channel.     

EDXRF with an audio digitizer

We utilized an audio digitizer in energy‐dispersive X‐ray fluorescence (EDXRF) with a silicon drift detector and achieved a full width at half maximum (FWHM) of 178 eV at Mn Kα (92‐µs peaking time). To confirm the ability of EDXRF with an audio digitizer, we also examined energy versus channel number linearity and output count rate. We applied it to EDXRF analysis of (ZnCd)S : Ag and showed a proper energy versus channel number linearity from 5.9 keV (Mn Kα) to 26.1 keV (Cd Kβ). And, the maximum output count rate of more than 10 kcps was obtained with 23‐µs peaking time (296‐eV FWHM). Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

A simple digital TDPAC spectrometer

We present a simplified digital time differential perturbed γ???γ angular correlation (TDPAC) spectrometer that demonstrates that such instruments can be built using primarily commercial components and with relatively modest coding effort. The system handles data rates of 70 kcps/detector with a timing resolution of better than 500 ps, and has been used with both ¹¹¹In and ¹⁸¹Hf.     

Analysis of three digital n/γ discrimination algorithms for liquid scintillation neutron spectrometry

In mixed neutron/γ radiation fields, particle identification based on different filter algorithms and radiation intensities is an important issue for liquid scintillation neutron spectrometry. We have compared the performance of three algorithms for digital neutron/γ discrimination in a deuterated liquid scintillator. The effects of both digital filters and simulated pile-up events on the performance of these techniques were investigated. The discrimination methods utilized are the digital charge comparison (CC) method, simplified digital charge collection (SDCC) method and pulse gradient analysis (PGA) method. The results show that the SDCC and the CC methods are preferred choices when applied in low count-rates fields, whereas PGA method with a seven-point average running filter is favorable when pile-up signals constitute a large fraction of the detected events. All these discrimination approaches are potentially suitable for developing a compact digital neutron spectrometer in mixed neutron/γ radiation fields for use in various applications.