专利名称：高仿真核辐射信号产生方法
技术领域：
本发明涉及常用核辐射探测器(包括相应放大器)输出信号的模拟产生方法。
背景技术：
核辐射探测仪器在生产过程中需要采用放射源对仪器进行调试。整个调试周期中必然会多次使用放射源，这给放射源的管理带来不便；更严重的是，调试过程中，特别是在强辐射环境下进行调试，放射源发射的射线会影响调试人员的身心健康。如果一个信号发生器能逼真地模拟探测器(包括相应放大器)在所测量环境下的输出信号，那么将该信号发生器的输出信号作为核仪器后端电路的输入信号对后端电路进行调试，可使调试人员在非辐射环境下对仪器进行任意调试，并能大大减少调试人员受照射的剂量、降低放射源的使用频率，提高生产效率与生产安全性。常用的核辐射探测器输出信号可分为两类，一类是幅度与入射粒子能量无关的信号(如GM计数管输出信号)，另一类是幅度与入射粒子能量有关的信号(如正比计数管、闪烁体探测器等输出信号)。在没有重叠峰情况下，第一类信号的多个输出波形有高度的一致性，第二类信号的输出波形相似，但幅度大小有区别，即使在同一能量的同种粒子入射情况下，其幅度也有一定的分布。两种信号的相同点在于(1)信号的入射时间是随机的，但服从一定的分布；( 在辐射强度较高时，均会产生峰重叠现象；C3)不存在峰重叠现象时，两种信号均可由同一公式近似表示J^O =(1)式中，t > 0，即假设粒子入射时间为0 ；A为输出幅度比例，在第一类信号中为常数，在第二类信号中，其均值与粒子能量成正比；X1与λ2分别是信号上升时间常数与衰减时间常数之倒数，通常有X1远大于λ2当有峰重叠时，显然在第二个峰未出现时，输出信号将按式(1)的规律继续演化， 当第二个峰出现时，两类信号的输出表达式就会有所区别，设第二个峰相对于第一个峰产生的时间延迟为τ (该值是与辐射强度相关的一个随机变量)，则第一类信号的输出表达式为
_7]身 ’洲+ ι 叫你(2)式中，Td为死时间，即在该时间内，即使有粒子入射也不会产生信号输出，g ( τ )为恢复幅度比，其值随τ的增大而增大，最终等于1。第二类信号的输出表达式为yb ( = A1 (e-^ -e^'j+A,-e^) >τ(3)式中，A1为第一个粒子入射的幅度系数，A2为第二个粒子产生的幅度系数。式⑵与式(3)可用统一公式表式
y ( = A1 - e'^' ) + u(t-^g(T)A2 [e^ - e'M"T)) t>0(4)式中，函数u(t)为阶跃函数
Ο /<0^O = I1 ^0(5)函数为幅度恢复比，其意义与式(2)中的g(T)相同，只不过当τ <Td时， g( τ ) = O ；当信号是第一类信号时，A1 = A2,当信号是第二类信号时，A2的取值受控于入射粒子的能量，且存在一定的随机分布。所以有多个峰重叠情况下，两类信号可表示为y{t) = f,u{t-Ti) g {τ, - Tm ) 4 (一(叫)一 e-^) t>0(6)
/=1式中，Ti为第i个粒子入射的时间，且U(T1) =g(Tl) = 1。可以看出，不管是第一类信号还是第二类信号，均可归为同一个表达式，只要模拟过程中能正确模拟τ i与Ai的分布便可生成探测器(包括相应放大器)的输出信号。

发明内容
本发明是通过信号处理技术实现式(6)的信号输出。其关键是根据辐射场的特点与信号输出类型适时自动模拟生成参数λρ λ 2、幅度随机变量&、延时随机变量h、函数 Ua-Ti) ^(Ti-τ H)与采用信号处理技术快速地计算出输出波形。(1)参数λρλ2的生成参数λ。λ 2是由探测器本身决定的，本方法中此二参数为固定参数，在使用中根据探测器的实际进行设定。(2)幅度随机变量Ai的生成幅度随机变量与信号形式有关，当输出为第一类信号时，Ai值为一常数，在使用中根据实际进行设定。当输出信号为第二类信号时，其分布与辐射场能谱有关，其值根据设定的能谱分布随机生成，并保证输出脉冲幅度分布与设定能谱分布一致。(3)延时随机变量τ i的生成延时随机变量τ i反映辐射场的强度，当辐射场强度增大时τ ^ τ 的平均值减小。本方法根据辐射场强度随机生成延时随机变量Ti，并使其统计特性与设定值相同。(4)阶跃函数u (t- τ》的生成该函数的生成较为简单，只需要对现在时间与粒子到来时间进行比较，若现在时间小于粒子到来时间，则该值为O。否则，该值为1。(5)幅度系数g ( τ厂τ ^1)的生成该系数的取值与所模拟的探测器有关，当模拟的信号为第二类信号时，该系数恒为1，当模拟的信号为第一类信号时，其值随Ti的变化而变化，其变化规律见式O)的解释。(6)输出波形计算由式(6)可看出，当需要模拟较长时间的输出波形时，需要模拟的入射粒子会很多，需要计算的随机幅度、随机时延过多，使得式(6)的计算非常复杂。采用信号处理技术后，仅需考虑当前的输出结果与探测器工作状态，通过适时地加入新的粒子入射信号以快速生成输出波形。为了模拟实际信号中的噪声，在输出信号时，可根据设定的噪声功率，产生出伪随机数与输出信号相加。该方法的算法流程是⑴由辐射场强度生成粒子入射时间；(2)由信号类型、死时间Td、恢复时间 ；、能谱分布与粒子入射时间、设定的参数λ” λ 2共同生成实时脉冲幅度；(3)由设定参数λ ρ λ 2、粒子入射时间与实时脉冲幅度共同激励信号处理模块，输出无噪声信号；(4)根据设定噪声功率，由伪随机数发生器产生模拟噪声；将无噪声信号与模拟噪声相加产生模拟核辐射信号。整个算法关系方框图见附图1。


通过参照本发明的几种典型具体实施方式
的描述及

与附图，可以看出本发明的输出波形与真实辐射探测器输出波形极为相似，采用软件计算时，可用于虚拟核仪器算法的调试；配以硬件输出实际信号时，可以代替放射源与探测器(包括相应放大器)对核仪器后端处理电路进行调试；并可采用该方法，通过改变参数考查(虚拟)核仪器后端处理电路或算法对辐射场的适应性。附图中图1本发明算法关系方框2实施例1中单个脉冲输出波形图3实施例2中第一类信号有少量脉冲重叠时输出波形图4实施例2中第一类信号有大量脉冲重叠时输出波形图5实施例3中第二类信号单峰能谱中少量脉冲重叠时输出波形图6实施例3中第二类信号单峰能谱中大量脉冲重叠时输出波形图7实施例4中用于测试的多峰能谱图8实施例4中仿真脉冲幅度分布图9实施例4中少量脉冲重叠时测量能谱图10实施例4中大量脉冲重叠时测量能谱图11实施例5中用于测试的一般分布能谱图12实施例5中仿真脉冲幅度分布图13实施例5中少量脉冲重叠时测量能谱图14实施例5中大量脉冲重叠时测量能谱
具体实施例方式为了有力地说明本发明的可行性与输出效果，对几种典型情况进行仿真。实施例中设定信号上升时间常数均为5 μ S，下降时间常数均为30 μ S，噪声功率为1 μ W，能谱探测器的总道数为4096道。实施例1设仿真的探测器(包括相应的放大器)输出信号幅度为IV，脉冲输出无重叠，利用本发明方法产生的波形如图2所示。实施例2本例中，探测器(包括相应的放大器)输出信号为第一类信号，其正常脉冲信号幅
5度为IV，并假设探测器的死时间为40 μ S，恢复时间为80 μ S，利用本发明方法产生的一个脉冲重叠信号波形如图3所示，利用本发明方法产生有大量脉冲重叠的一段信号波形如图 4所示。实施例3本例中探测器输出信号为第二类信号，其正常脉冲信号幅度为IV，利用本发明方法产生的一个脉冲重叠信号波形如图5所示；利用本发明产生有大量脉冲重叠的一段信号波形如图6所示。实施例4本例中本发明模拟的信号为第二类信号，设辐射场中存在三个单能射线，其能量分别位于1000、2500、3100道，探测器接收到各能量粒子的数目比为1 2 3。假设探测器输出信号引起的能谱半宽度为30道。则理论上探测器测出的能谱分布应如图7所示。图 8为仿真生成的脉冲幅度分布，图9为当总辐射强度为lOOOcps时，本发明模拟仅有少量脉冲重叠的信号经虚拟多道能谱分析后测得的能谱；图10为当总辐射强度为lOOOOOcps时， 本发明模拟有大量脉冲重叠的信号经虚拟多道能谱分析后测得的能谱(图中4095道的计数为 10535)。实施例5本例中本发明模拟的信号为第二类信号，设辐射场为某一任意辐射场，其能量分布见图11所示，图12为仿真生成的脉冲幅度分布，图13为当总辐射强度为lOOOcps时，本发明模拟有少量脉冲重叠的信号经虚拟多道能谱分析后测得的能谱；图14为当总辐射强度为lOOOOOcps时，本发明模拟有大量脉冲重叠的信号经虚拟多道能谱分析后测得的能谱 (图中4095道的计数为1792)。由实施例1 3及图2 6可看出，采用本方法能够模拟无脉冲重叠、少量脉冲重叠与大量脉冲重叠时核探测器输出的第一类信号与第二类信号，与实际探测器输出信号波形非常接近。由实施例4、5及图7 14可看出，本方法能模拟任意分布的辐射脉冲信号 (见图7、8、11、12)，在辐射强度较低时产生的信号经过多道分析器后能正确测量辐射场能谱分布(见图9、13)，在辐射强度较高时，产生的信号经过多道分析器后不能正确测量辐射场能谱分布(见图10、14)，其原因是有大量的脉冲重叠，使得多道分析器所判断出的脉冲幅度不是单个脉冲的幅度，而是多个脉冲重叠时的幅度。实施例4、5的结果与真实多道分析器在低辐射强度与高辐射强度下的测量结果相近。所以，本发明采用软件计算时，可用于虚拟核仪器算法的调试；配以硬件输出实际信号时，可以代替放射源与探测器(包括前端放大器)对核仪器后端处理电路进行调试。在实际使用过程中，可通过改变参数(如辐射强度、能谱分布)来考查(虚拟)核仪器后端处理电路或算法对辐射场的适应性。
权利要求
1.高仿真核辐射信号产生方法，包括根据辐射场强度、信号类型、死时间Td、恢复时间 ；、能谱分布、设定参数X1和λ 2等，模拟生成相应条件下核辐射探测器(包括相应放大器)输出信号的方法。
2.权利要求1的方法进一步包括由辐射场强度生成粒子入射时间的方法。
3.权利要求1的方法进一步包括由信号类型、死时间Td、恢复时间 ；、能谱分布与粒子入射时间、设定的参数入工和λ 2共同生成实时脉冲幅度的方法。
4.权利要求1的方法进一步包括由设定参数λρ λ 2、粒子入射时间与实时脉冲幅度共同激励信号处理模块，输出无噪声信号的方法。
5.权利要求4的方法进一步包括信号处理模块的设计、使用方法。
6.一种计算机软件产品，包括计算机存贮于可读介质上的编码形式与运行于DSP、 FPGA、CPLD、ASIC、单片机等上的可编程软、硬件代码执行权利要求1 5的任何一项方法。
全文摘要
本发明涉及常用核辐射探测器(包括相应放大器)输出信号的模拟产生方法。该方法根据辐射场强度、信号类型、死时间Td、恢复时间Tr、能谱分布、设定参数λ1和λ2等，模拟生成相应条件下探测器(包括相应放大器)的输出信号。该输出信号与真实探测器输出信号相比有很高的仿真度，采用软件计算时，可用于虚拟核仪器算法的调试；配以硬件输出实际信号时，可以代替放射源与探测器(包括相应放大器)对核仪器后端处理电路进行调试；并可采用该方法，通过改变参数考查(虚拟)核仪器后端处理电路或算法对辐射场的适应性；有利于减少核仪器调试过程中放射源的使用次数，并大大减少调试人员受照射剂量、降低放射源的使用频率，提高生产效率与生产安全性。
文档编号G01T7/00GK102313899SQ20101021483
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者刘志强, 吴雪梅 申请人:吴雪梅