基于LaBr3(Ce)探测器的γ能谱采集系统及其信号处理算法研究

According to the test requirement for portable RID drawn up by IAEA, we research the theories about LaBr3(Ce) γ spectra measurement and data analysis. The digital γ spectra acquisition system is designed, which is based on ADC, FPGA, DSP and ARM. All modules of multi-channel pulse height analysis, including digital pulse shaping, threshold denoising, pileup rejection, baseline estimation and height extraction are integrated in a FPGA chip and a DSP chip. The LaBr3(Ce) detectors is modeled using Geant4 Monte Carlo simulation program package, and its γ responses is calculated. A series of algorithms suitable for portable RID is studied and verified, such as digital nuclear signals processing, γ spectra data processing, nuclide identification. The research work of this project lays the foundation for the research and development of high performance digital spectroscopy.

根据IAEA关于便携式谱仪的检测规范，本项目研究基于LaBr3(Ce)探测器的γ能谱采集系统的原理及其数据处理方法。开发基于高速ADC+FPGA+DSP+ARM的数字化γ能谱采集处理装置，在FPGA和DSP芯片中实现了多道脉冲幅度分析功能，包括数字脉冲成形、阈值去噪、堆积判弃、基线估计及幅度提取；采用和实验相结合的方法，利用蒙特卡罗程序模拟研究LaBr3(Ce)探测器的γ射线响应谱，为验证能谱处理及核素识别算法提供了很好的依据；研究一套适合于便携式γ谱仪系统的数字化核脉冲信号处理算法、γ能谱数据处理算法和核素识别算法，并验证各种算法的有效性，逐步完善装置性能，为今后国内研制高性能数字化多道谱仪系统做好基础研究工作。

该项目研究了基于LaBr3(Ce)探测器的γ能谱采集系统的原理及其数据处理方法。利用蒙特卡罗模拟软件包Geant4，结合实验数据对LaBr3(Ce)探测器的γ能谱进行了模拟计算和特性研究，论证了便携式核素识别仪中使用LaBr3(Ce)探测器的可行性。在铀矿钻孔条件下最大能选择∅1.5×2英寸LaBr3(Ce)单晶，为了研究在铀矿测井中效果最优的特征能量，备选特征能量光子的探测能否获得较高的相对计数率是一个重要指标，此外，还要考虑是否存在重峰情况及受康普顿散射谱的影响程度。基于此，建立计算相对计数率的数学模型，以及与实际钻孔探测条件一致的峰探测效率数值模拟计算模型，计算备选各特征能量的峰探测效率，进而求出可表征各分支相对计数率的指标，通过比较并结合实测仪器谱，分别选出了在该探测条件下对铀组、镭组和钍系核素定量分析最合适的特征能量。设计并实现了基于FPGA的数字化多道γ能谱获取系统，在FPGA中实现了多道脉冲幅度分析功能，包括数字脉冲成形、阈值去噪、堆积判弃、基线估计及幅度提取。核素识别算法的核心在于寻峰算法的准确性，依据Sterlinski峰面积法最优峰宽计算理论，可以设计最优峰宽判别寻峰法，但是该方法对本底扣除算法的依赖性较强，为此设计了自适应峰型切削技术进行全谱本底扣除。通过IAEA标准谱及实测谱的分析发现，整套算法的寻峰能力强于GammaVision 32与Genie2000软件。最终在Visual Studio 2013的平台上完成核素识别软件的编写。本项目组不仅完成了申报书规定的研究内容，还将本项目的相关技术应用到了铀矿测井中，针对铀矿γ测井的需求，对LaBr3(Ce)探测器输出的窄脉冲γ射线的全脉冲采样技术和基于FPGA的数字化γ能谱处理技术进行了深入的研究。