基于纳秒光源的能谱仪多参数测试标定系统及方法与流程

1.本发明属于谱仪设备领域，涉及一种基于纳秒光源的能谱仪多参数测试标定系统及测试标定方法。


背景技术：

2.伽马能谱仪的研究对于放射源的分析具有重要意义，并且在环境监测、核试验物理研究、医疗行业、核物理教学实验、国防安全等领域都具有不可忽视的意义。而伽马能谱仪的各项参数性能也是决定着能谱仪的作用范围。现在的能谱仪逐渐向多参数的提取方向发展。但是对于谱仪参数性能却没有一个专业化的设备对其进行标定和测试。
3.为了解决以上问题，本发明设计实现了一套基于纳秒光源的能谱仪多参数测试标定系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的为提供基于纳秒光源的能谱仪多参数测试标定系统，可以对符合反符合仪器设备的精度、效率等性能进行测量。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.基于纳秒光源的能谱仪多参数测试标定系统，包括上位机、zynq soc处理器、ddr3、emmc、供电单元、核脉冲信号输出主通道和核脉冲信号输出符合通道，所述上位机与zynq soc处理器连接，所述ddr3和emmc分别与zynq soc处理器连接，所述zynq soc处理器分别与核脉冲信号输出主通道和核脉冲信号输出符合通道连接，所述核脉冲信号输出主通道和核脉冲信号输出符合通道分别与上位机连接。
7.作为上述技术方案的进一步描述：所述上位机与zynq soc处理器通过网口连接。
8.作为上述技术方案的进一步描述：所述zynq soc处理器包括arm单元和fpga单元，所述arm单元通过axi总线与fpga单元连接，所述emmc与zynq soc处理器的arm单元通过通用io口连接。
9.作为上述技术方案的进一步描述：所述核脉冲信号输出主通道包括数模转换芯片(dac)、差分转单端单元、led、滤光片、pmt、前置放大器、待测谱仪系统；所述dac与zynq soc处理器的fpga单元连接，所述差分转单端单元的输入与dac的输出引脚连接，所述差分转单端单元的输出与led连接，所述滤光片贴在pmt与led之间，所述pmt的输出端与前置放大器连接，所述前置放大器与待测谱仪系统的主通道相连。
10.作为上述技术方案的进一步描述：所述核脉冲信号输出主通道包括数模转换芯片(dac)、差分转单端单元、led、滤光片、pmt、前置放大器、待测谱仪系统；所述dac与zynq soc处理器的fpga单元连接，所述差分转单端单元的输入与dac的输出引脚连接，所述差分转单端单元的输出与led连接，所述滤光片贴在pmt与led之间，所述pmt的输出端与前置放大器连接，所述前置放大器与待测谱仪系统的康普顿散射反符合测量通道相连。
11.作为上述技术方案的进一步描述：所述待测谱仪系统与上位机通过usb3.0连接。
12.作为上述技术方案的进一步描述：所述上位机为电脑pc。
13.作为上述技术方案的进一步描述：所述供电单元分别与上位机、zynq soc处理器、ddr3、emmc、核脉冲信号输出主通道和核脉冲信号输出符合通道连接。
14.一种基于纳秒光源的能谱仪多参数测试标定系统的测试标定方法，包括如下步骤：
15.(1)上位机根据用户选择的功能，用大量的实测数据和蒙特卡洛模拟获取到关于主通道需要输出的能谱曲线1和符合通到需要输出的能谱曲线2；
16.(2)若zynq soc处理器获取能谱曲线1，将能谱曲线1反演为一系列核脉冲信号，或者根据用户选择的不同功能，直接输出包含一种或多种上升时间、下降时间的核脉冲信号，并且将核脉冲信号根据不同功能做相应处理后，在主通道以随机或者固定时间间隔进行输出；
17.(3)zynq soc处理器根据用户设置的功能和参数计算出符合通道输出的核脉冲信号与主通道的核脉冲信号的相关性；
18.(4)zynq soc处理器获取能谱曲线2，将能谱曲线2反演为一系列核脉冲信号，根据主通道核脉冲信号与符合通道的核脉冲信号相关性，在符合通道进行输出核脉冲信号；
19.(5)将各通道输出的核脉冲信号被待测谱仪采集之后，将采集到的信息与根据用户设置的参数生成的数据进行对比，从而测试和标定能谱仪的多项参数。
20.作为上述技术方案的进一步描述：所述主通道和符合通道输出核脉冲信号的方法为：dac将数字信号转换为模拟核脉冲信号，差分转单端将差分信号转化为单端核脉冲信号，led将核脉冲电流信号转化为光信号，pmt将光信号转化为电信号，前置放大器将pmt阳极信号进行调理输出，待测谱仪系统将两个通道的核脉冲信号接收后，与根据用户设置的参数生成的数据进行对比。从而测试和标定能谱仪的多项参数。
21.作为上述技术方案的进一步描述：在所述步骤(1)中，所述用户选择的功能包括多项参数的标定和测试，如谱仪符合反符合性能测试标定；谱线经过谱仪探测后的展宽测试；谱仪分辨率测试和标定；谱线的失真程度；谱仪的通过率、计数率测试和标定；谱仪的死时间测试和标定；谱仪的基线恢复能力和直流偏移精度；谱仪的能量探测范围；谱仪的稳谱性能测试和标定；谱仪的信噪比提升能力；多种前放的工作性能测试；波形甄别能力；提取核脉冲信号的上升时间、衰减时间精度测试和标定；成形算法效果测试；分析出谱仪的信号采集精度；谱仪的稳定性测试。
22.作为上述技术方案的进一步描述：在所述步骤(2)中，所述相应处理为：当选测试谱仪的基线恢复能力时，对核脉冲信号耦合一个直流偏移；当选择谱仪的信噪比提升能力测试功能时，会在核脉冲信号上耦合一个高频噪声，选择其他功能时不做任何处理。
23.本发明具有如下有益效果：
24.本发明用大量的实测数据和蒙特卡洛模拟获取到的康普顿散射谱线更接近于真实数据；并且明确了峰康比的真实值，将谱线在下位机中进行反演，生成随机的核脉冲信号；并且根据康普顿散射原理，随机的在主通道输出核脉冲的同时符合通道也输出与主通道信号相关的核脉冲信号，而相关性表现在两个核脉冲信号的能量之和不大于未发生康普顿散射时核脉冲信号的能量，进一步还原了真实放射源在探测器中发生康普顿散射的情景。
soc处理器的arm单元通过通用io口连接。
44.在本实施例中，所述核脉冲信号输出主通道包括数模转换芯片(dac)、差分转单端单元、led、滤光片、pmt、前置放大器、待测谱仪系统；所述dac与zynq soc处理器的fpga单元连接，所述差分转单端单元的输入与dac的输出引脚连接，所述差分转单端单元的输出与led连接，所述滤光片贴在pmt与led之间，所述pmt的输出端与前置放大器连接，所述前置放大器与待测谱仪系统的主通道相连。
45.在本实施例中，所述核脉冲信号输出主通道包括数模转换芯片(dac)、差分转单端单元、led、滤光片、pmt、前置放大器、待测谱仪系统；所述dac与zynq soc处理器的fpga单元连接，所述差分转单端单元的输入与dac的输出引脚连接，所述差分转单端单元的输出与led连接，所述滤光片贴在pmt与led之间，所述pmt的输出端与前置放大器连接，所述前置放大器与待测谱仪系统的康普顿散射反符合测量通道相连。
46.在本实施例中，所述待测谱仪系统与上位机通过usb3.0连接；优选的，所述上位机为电脑pc。
47.对于其他参数的测试和标定：类似于康普顿散射符合反符合测量，根据上位机设置的参数，上位机产生能谱曲线，在下位机将能谱曲线反演为随机的核脉冲信号输出；或是根据上位机选择的测量功能，在zynq中直接输出多种带有不同上升时间、下降时间和幅值的核脉冲信号，并且核脉冲信号的输出时间也可以任意设置。
48.根据设置的参数，输出不同的符合测量核脉冲信号。模拟在真实辐射环境下因为其探测器的不同、探测效率不同、放射源的不同等情况导致其康普顿散射的概率、能量等粒子信息的不同。
49.基于上述硬件的平台本发明能够完成谱仪的多项参数的测试和标定，分别可以实现谱仪符合反符合性能测试标定；谱线经过谱仪探测后的展宽测试；谱仪对核脉冲信号的分辨率测试和标定；通过谱仪形成的谱线与本系统输出的谱线进行对比，以获取谱仪谱线的失真程度；改变系统的核脉冲信号输出频率以测试和标定谱仪的通过率、计数率；当本系统按一定的规律输出核脉冲信号也可以测试和标定谱仪的死时间；并且当在输出的核脉冲信号上添加一个直流偏移以测试和标定谱仪的基线恢复能力和直流偏移精度；当一定的线性关系输出不同幅度大小的核脉冲信号以测试和标定谱仪的能量探测范围；并且可以测试和标定谱仪的稳谱性能；当在输出的核脉冲信号耦合一路噪声时测试谱仪的信噪比提升能力；并且本发明可以更换电压、电流和电荷灵敏前放，以测试多种前放的工作性能；按一定时间规律输出包含不同上升时间、衰减时间的多种核脉冲信号以测试谱仪的波形甄别能力；提取核脉冲信号的上升时间、衰减时间精度测试和标定；并且还可以测试和标定谱仪的成形算法；通过对比本系统的输出波形与谱仪的采集波形幅值，分析出信号采集精度问题；通过一定的规律的核脉冲信号输出以测试和标定谱仪的稳定性。
50.工作原理：
51.上位机用大量的实测数据和蒙特卡洛模拟获取到相同放射源环境条件下，具有较小峰康比的能谱曲线1和较大峰康比能谱曲线2，将两条能谱曲线进行算法处理就可以得到一条理想的且只包含康普顿散射的能谱曲线3；若zynq soc处理器获取能谱曲线1，将谱线反演为一系列核脉冲信号，将在主通道进行随机性输出；若zynq soc处理器获取能谱曲线4，将反演为一系列概率分布表，根据概率表随机性的选择主通道部分核脉冲进行标记，在
主通道输出被标记的核脉冲的同时，符合通道也输出核脉冲信号，并且两个通道同时输出的核脉冲信号的幅度信息存在一定的比例关系，而主通道在输出未被标记的核脉冲信号时符合通道关闭。
52.一种基于纳秒光源的能谱仪多参数测试标定系统的测试标定方法，包括如下步骤：
53.(1)上位机根据用户选择的功能，用大量的实测数据和蒙特卡洛模拟获取到关于主通道需要输出的能谱曲线1和符合通到需要输出的能谱曲线2；
54.(2)若zynq soc处理器获取能谱曲线1，将能谱曲线1反演为一系列核脉冲信号，或者根据用户选择的不同功能，直接输出包含一种或多种上升时间、下降时间的核脉冲信号，并且将核脉冲信号根据不同功能做相应处理后，在主通道以随机或者固定时间间隔进行输出；
55.(3)zynq soc处理器根据用户设置的功能和参数计算出符合通道输出的核脉冲信号与主通道的核脉冲信号的相关性；
56.(4)zynq soc处理器获取能谱曲线2，将能谱曲线2反演为一系列核脉冲信号，根据主通道核脉冲信号与符合通道的核脉冲信号相关性，在符合通道进行输出核脉冲信号；
57.(5)将各通道输出的核脉冲信号被待测谱仪采集之后，将采集到的信息与根据用户设置的参数生成的数据进行对比，从而测试和标定能谱仪的多项参数。
58.在本实施例中，所述主通道和符合通道输出核脉冲信号的方法为：dac将数字信号转换为模拟核脉冲信号，差分转单端将差分信号转化为单端核脉冲信号，led将核脉冲电流信号转化为光信号，pmt将光信号转化为电信号，前置放大器将pmt阳极信号进行调理输出，待测谱仪系统将两个通道的核脉冲信号接收后，与根据用户设置的参数生成的数据进行对比。从而测试和标定能谱仪的多项参数。
59.在所述步骤(1)中，所述用户选择的功能包括多项参数的标定和测试，如谱仪符合反符合性能测试标定；谱线经过谱仪探测后的展宽测试；谱仪分辨率测试和标定；谱线的失真程度；谱仪的通过率、计数率测试和标定；谱仪的死时间测试和标定；谱仪的基线恢复能力和直流偏移精度；谱仪的能量探测范围；谱仪的稳谱性能测试和标定；谱仪的信噪比提升能力；多种前放的工作性能测试；波形甄别能力；提取核脉冲信号的上升时间、衰减时间精度测试和标定；成形算法效果测试；分析出谱仪的信号采集精度；谱仪的稳定性测试。
60.在所述步骤(2)中，所述相应处理为：当选测试谱仪的基线恢复能力时，对核脉冲信号耦合一个直流偏移；当选择谱仪的信噪比提升能力测试功能时，会在核脉冲信号上耦合一个高频噪声，选择其他功能时不做任何处理。
61.本发明可实现两路核脉冲信号输出，并且两路信号输出信号是随机的，根据设置的参数，输出不同的符合测量核脉冲信号。因此下面是具体的实现方式：
62.1、主通道核脉冲信号输出
63.将上位机发送的谱线通过一定的算法反演生成一系列幅值和时间随机的核脉冲信号，再将核脉冲信号通过主通道进行输出，如图2所示。
64.2、康普顿散射判别
65.在主探测器的能谱曲线1进行反演过程中，将生成的单个核脉冲信号以康普顿谱线2为条件随机性的标记为康普顿散射。实现过程如下：以1024道分辨率的谱线为例。
66.假设主探测器能谱曲线的第n道有a个计数，其能量为en，康普顿散射能谱曲线的第n道有b个计数，由康普顿散射原理可知b<a，并且主探测器模拟输出100个能量为en的核脉冲信号时，其中的b个核脉冲信号为康普顿散射。而这b个核脉冲信号随机的分布在a个核脉冲之中。如图3所示，为a＝20，b＝5，能量为en。其他1023道的数据同理。
67.3、康普顿散射随机性标记
68.在2的条件下可知，第n道需要反演生成a个核脉冲信号，而其中有b个核脉冲信号需要标记为康普顿散射的核脉冲信号。因此本发明使用均匀分布算法，将随机数分布范围设置为0
‑
a，并产生b个不重复的均匀随机数；将随机数作为序数，并将这些序数的核脉冲信号标记为康普顿散射的核脉冲信号，如图4所示。同理将其他1023道生成的核脉冲信号进行康普顿散射随机性标记；本发明采用的标记方式为将需要标记的核脉冲信号的幅值的高24位设置为1，如图5所示。
69.4、符合通道与主探测器通道核脉冲信号输出
70.当主通道在输出核脉冲信号时，先判断其核脉冲信号幅值信息的第24位是否为高，若判断为高，则在通道1输出核脉冲信号时，通道2同时输出核脉冲信号，否则关闭通道2信号输出，符合设计流程框图如图6所示。
71.5、待测系统的反康普顿性能量化。
72.实验：
73.在闪烁体探测器中发生康普顿散射会对谱仪探测放射源信号产生极大的影响，现在的谱仪一般会想方法进行符合反符合测量，尽可能地减少康普顿散射的影响。而一般做法是在主探测器的周围再放一个符合探测器，当发生康普顿散射时，主探测器和符合探测器都会输出核脉冲信号，以此谱仪选择性的处理掉康普顿散射核脉冲信号，如图12为康普顿散射扣除前后的对比图；而本发明通过设置两路信号输出，分别模拟主探测器信号输出和符合探测器输出，通过调整两个通道的信号输出规律，可以对谱仪的符合反符合性能进行测试和标定。
74.本发明设计了两路核脉冲信号输出，第1路模拟输出主探测探测到的核脉冲信号，第2路模拟输出符合探测器因康普顿散射输出的核脉冲信号。
75.本发明设计了根据上位机发送的康普顿散射谱线，计算出主通道(1通道)输出的核脉冲信号是否为康普顿散射信号。
76.当主通道输出核脉冲信号时，若微处理器判断为康普顿散射，则主通道(1通道)和符合通道(2通道)同时输出核脉冲信号。模拟在真实的康普顿散射一定程度上就可以认为：散射光子发生光电效应的光电子与入射γ光子产生的康普顿电子是同时发生的事件。
77.符合测量通道(2通道)的核脉冲信号输出是随机的，模拟在真实的情况下主探测器输出的核脉冲信号是随机的，并且康普顿散射也是随机的，因此在符合探测器上产生的核脉冲信号也是随机。
78.本发明根据设置的参数，输出不同的符合测量核脉冲信号；模拟在真实辐射环境下因为其探测器的不同、探测效率不同、放射源的不同等情况导致其康普顿散射的概率、能量等粒子信息的。
79.虽然闪烁探测器输出脉冲幅度正比于入射粒子在闪烁体内损耗的能量，但由于统计涨落的存在，即使对能量全部损失在闪烁体内的单能带电粒子，每个粒子对应的输出脉
冲幅度也是有涨落的，使单能带电粒子的脉冲幅度谱近似呈高斯型分布。同时，由于光电倍增管噪声和电子学噪声(一般，光电倍增管噪声是主要的)的存在，在幅度谱上还有一与入射粒子能量无关的连续低能分布。当工作电压升高时，光电倍增管的倍增系数迅速变大，则对应一定能量的脉冲幅度变大，脉冲幅度谱上的单峰将向右方移动。同时，噪声幅度增大，与噪声相应的低能连续谱也将向右方延伸等。这些因素都会导致谱仪采集到的能谱与真实的能谱有一定的畸变。为此本发明通过上位机产生能谱曲线，下位机反演为一系列随机的核脉冲信号输出，信号进入待测谱仪被采集后形成能谱，将此能谱发送到上位机，与上位机产生的能谱进行对比便能够测试谱仪形成的能谱畸变情况，如图8所示。
80.在谱仪探测核脉冲信号过程中，对于计数率的指标也非常重要。本发明通过改变主通道输出的核脉冲信号频率，将此信号输入待测谱仪，获取到谱仪采集到的信号频率，依次进行对比，从而测试待测和标定谱仪的计数率和通过率性能。
81.在谱仪工作过程中由于脉冲信号的采集存在充电和放电过程，而放电过程、放射性粒子的随机性以及电子学系统对信号的收集、甄别、转换、存储等都需要一定时间，这就引起了谱仪系统的失效时间即死时间；本发明通过特定规律输出不同的核脉冲信号，从而能够测试和标定谱仪的死时间等问题。
82.由于不同探测器包括前放电路在参数上不能做到完全一致，因此在采用直流耦合的模拟前端电路中会导致信号存在不同幅度的直流偏置，且由于模拟电路存在温漂和时漂，在测量过程中极有可能随时间的推移产生不确定的直流基线漂移，若始终按照设定基线提取脉冲幅度会产生严重偏差，因此一般会进行基线恢复处理，即单独提取每个信号的基线，再进行扣除。本发明就通过根据参数对每个信号添加一个直流偏移，从而测试和标定谱仪的基线恢复能力。
83.由于核脉冲信号是一种非周期性的脉冲信号，在交流耦合状态下，信号的基线会随着脉冲计数率变化产生较大幅度的偏移，对经模数转换后的数字信号在提取基线时造成困难。为尽可能保证信号处理过程中基线不会产生较大偏移，模拟前端电路全部采用直流耦合的方式进行设计，因此需要在信号进入模数转换器之前对信号的直流偏移进行调节；而本发明则通过对全部的信号进行添加一个直流偏移，并且可以任意调节直流偏移输出，从而测试和标定谱仪的直流偏移能力。
84.对于不同闪烁体探测器，其探测辐射能量的范围有所差异。因此本发明可以输出符合相应探测器核脉冲信号，并且通过改变核脉冲信号的幅值等参数来模拟不同能量的信号，从而测试和标定谱仪的能量探测范围。
[0085]“谱漂”是影响伽马能谱仪准确度的主要因素；谱漂是指伽马能谱仪在某条件下的仪器谱与既定条件下的“标准谱”(对同一物体)相比较，其峰位或谱形发生变化的情况。谱漂主要由以下两方面因素造成：其一，是环境温度的变化，因为探测器(目前大多采用闪烁计数器)输出信号受工作温度的影响，伽马能谱仪的电子学系统(主要是脉冲放大器、脉冲幅度分析器、高压电源)也具有一定的温度系数；其二，是仪器的不稳定性，包括元器件的疲劳效应、老化现象及仪器连续工作稳定性能、抗干扰能力等。因此，在能谱仪中一般都采取某种形式的稳谱装置或稳谱系统。因此标定谱仪的稳谱性能具有重要意义。本发明通过调节输出核脉冲信号的增益是谱线左移或者右移特定的道数，通过改变增益的大小调节谱线漂移的道数，此时再测量谱仪稳谱情况，从而标定出谱仪的稳谱性能。
[0086]
前置放大器根据工作方式不同，可以分为电压型前放、电流型前放和电荷灵敏前放。前放的信号调理能力也是衡量谱仪性能的重要参数。本发明根据不同的前放输出不同的核脉冲信号、并且可以任意调节信号的输出时间间隔，并且在核脉冲信号中耦合一个噪声信号共同输出到led，led照射pmt，pmt输出信号经过前置放大器后便可以测试和标定前置反放大器对信噪比的提升性能、死时间、通过率等性能。
[0087]
线性脉冲所携带的有用信息是其幅度(和发生的时间)。但是，在核测量中有些场合脉冲波形也呈现某种重要性。大多数波形差别起因于辐射相互作用在探测器中产生的电流的时间分布的差异。如果快线性脉冲是在探测器处以短收集时间常数产生的，则脉冲波形复现这个电流随时间历经过程，因而将直接复现这些差异.在较常见的应用中，以大时间常数收集这个电流得到的线性曳尾脉冲仅在其前沿特性上展示这些变化，脉冲波形甄别(psd)方法是为检测这样一些事件之间的差别而设计的；并且波形甄别也能运用在区分快成分和慢成分、脉冲堆积后的信号恢复等问题上，先甄别信号，再进行恢复，如图10如信号堆积，图11为堆积信号的恢复。本发明则在主通道上输出包含不同上升时间、下降时间、幅值的核脉冲信号，包括有堆积和不堆积的核脉冲信号，并且不同的核脉冲信号输出时间设置一定的规律，从而观测谱仪探测到此信号时的甄别情况。便可以测试和标定谱仪的波形甄别能力。
[0088]
因为核脉冲信号的上升时间、下降时间都包含着不同的重要信息，对这些参数的提取精度对信息的提取起着至关重要的作用，如图14为包含不同上升时间、下降时间、幅值的脉冲信号。本发明通过输出特定上升时间、下降时间的核脉冲信号，当谱仪采集到此核脉冲信号时，通过分析采集到的核脉冲信号，就可以标定谱仪对上升时间、下降时间等信息提取精度。
[0089]
波形成形对核脉冲信号幅值的提取，也即能量的提取非常重要，这也是谱仪主要考虑的参数，幅值的提取精度决定着谱仪的分辨率等问题，如图9为波形采用梯形成形后的形状。为了测试谱仪的信号精度采集问题，本发明通过输出一个特定幅值大小的核脉冲信号给待测谱仪，当谱仪采集到核脉冲信号后，与原始脉冲进行对比，就可以测试和标定谱仪的信号采集精度和分辨率。
[0090]
本发明能够对谱仪的稳定性进行测试，通过在高频和长时间测量的情况下，测试和标定谱仪的稳定性。
[0091]
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。