一种252犆犳裂变中子源的中子、γ射线飞行时间谱测量新方

书书书　第２１卷第１１期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１１　　２００９年１１月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＮｏｖ．，２００９　文章编号：　１００１４３２２（２００９）１１１７１９０５一种２５２犆犳裂变中子源的中子、γ射线飞行时间谱测量新方法任　勇１，　魏　彪２，　米德伶２，　冯　鹏２（１．重庆大学通信工程学院，重庆４０００４４；　２．重庆大学光电工程学院，重庆４０００４４）　　摘　要：　针对２５２Ｃｆ快中子、γ射线的飞行时间谱测量要求，提出并建立一种基于高速数据采集卡的新型测量系统。采用１ＧＨｚ高速Ａ／Ｄ转换单元和现场可编程门阵列高速处理单元，进行脉冲时间序列的在线检测，时间精度为１ｎｓ。使用相关函数法，通过ＰＣ机的数据处理、互相关函数计算和数值统计等实现中子、γ射线飞行时间谱的测量。实验结果表明，该系统可以获得２５２Ｃｆ自发裂变中子源的中子、γ射线飞行时间谱，与经典的飞行时间谱测量方法相比较，其图谱表达及数值结果有着很高的吻合度。　　关键词：　２５２Ｃｆ中子源；　飞行时间谱；　脉冲序列；　纳秒精度；　相关函数　　中图分类号：　ＴＬ８１１；　ＴＰ２７４　　　　文献标志码：　Ａ　　２５２Ｃｆ每自发裂变一次，放射出约４个快中子并伴随６个γ光子（也即γ射线），通常作为自发裂变中子源，广泛应用于实验室主动式核物理参数测量研究中［１］。飞行时间（ＴＯＦ）谱测量的目的就是要测定中子、γ射线飞行时间的分布数据，它是精确测量快中子能谱的有效方法；同时，还可以验证２５２Ｃｆ随机脉冲源方法λ测量系统的定时性能、检验核探测系统的时间响应特性和对ｎγ分辨系统的分辨效果进行检验［２］。目前，在实际２５２Ｃｆ自发裂变中子源的飞行时间谱测量任务中，主要方法是通过时幅变换器再加多道脉冲分析器进行测量［２３］。本文提出并建立了一种新型的飞行时间谱测量方法，其主要思想是基于高速数据采集卡和相关函数法，用以精确测得中子、γ射线的飞行时间谱。１　中子、γ射线飞行时间谱测量的基本原理　　γ射线在空气中的飞行速度为光速（３０ｃｍ／ｎｓ），在飞行距离一定的情况下，所用的飞行时间是相同的；而中子飞行时间的长短与它的能量有关，能量高的中子飞行时间短，能量低的中子飞行时间长，总体都比γ射线飞行速度低。与测量带电粒子或γ射线的能量不同，中子的能量至今还没有一种方法进行直接测量，但人们可以测量中子的速度。如果知道了中子的速度狏，在非相对论近似的情况下，则可根据犈＝犿狏２／２得到中子的能量，因为中子的静止质量犿是精确知道的。中子的速度狏是通过测量中子穿过一定的距离犾所需的时间狋来得到的，中子能量犈＝犿狏２／２＝犿（犾／狋）２／２或狋＝犾（犿／２犈）１／２。因此，欲得到中子的飞行时间，需精确给出中子的起飞时刻和到达时刻，到达时刻是由中子探测器给出的，起飞时刻则是由伴随中子产生的带电粒子或γ射线给出。　　由此可知，对于２５２Ｃｆ自发裂变中子源的中子、γ射线飞行时间谱测量，其基本原理是：２５２Ｃｆ快电离室是一种具有特殊定时功能的电离室，它利用２５２Ｃｆ一次裂变同时产生裂变碎片和瞬发中子的特性，由电离室本身探测裂变碎片，给出准确的裂变定时信号，相当于给出中子和γ射线放出（起飞）时刻的信号。另外，采用液体闪烁探测器探测２５２Ｃｆ裂变产生的中子、γ射线信号，将２５２Ｃｆ镀片中心与液体闪烁体灵敏区中心相隔一定距离摆放，由２５２Ｃｆ裂变放出的一部分中子、γ射线飞行一段距离后被闪烁探头探测，获得中子、γ射线到达时刻的信号，从而实现２５２Ｃｆ自发裂变中子源的中子能谱测定。２　脉冲时间序列检测的硬件设计　　２５２Ｃｆ源自发裂变时，其产生的中子、γ射线需要经过前端电子学电路形成随机窄脉冲序列［４５］。由于２５２Ｃｆ快电离室采用窄间距平行极板设计，其源强较强，中子自发裂变率达到１０５ｓ－１，通过探测自发裂变碎片，其瞬收稿日期：２００９０２１８；　　修订日期：２００９０７０７基金项目：国防科技基础研究基金项目作者简介：任　勇（１９６６—），男，副教授，研究方向为数据采集与处理、嵌入式系统、核电子；[e-mail]。书书书发中子发射时间的定时精度能达到ｎｓ量级［６］，经过前端电子学电路形成随机窄脉冲序列同样为ｎｓ量级快逻辑窄脉冲序列。因此，飞行时间测量的首要条件就是要求对裂变中子、γ射线的脉冲序列的探测定时精度也达到ｎｓ量级；同时，要求测量是在线、高速、大容量、高度同步地进行的。时间检测是事件型随机信号分析应用中的关键环节，这个过程通常称为ＴＤＣ（时间数字转换）。特别是，对于ｎｓ级反应时间的随机事件，在１ｎｓ精度范围内快速而精确地检测脉冲时间，一直以来属于事件型随机信号分析应用中的关键和难点。　　为了准确、高效地捕获来源于前端的ｎｓ级时间精度的快反应中子、γ射线发生时间序列信号，本系统首先设计了其脉冲序列信号检测的硬件系统，其关键组件为ＰＣＩ插卡形式，并由ＰＣ主机控制管理的高速数据采集卡，而采集卡的核心是高速Ａ／Ｄ转换单元和大容量、高性能的ＦＰＧＡ处理器单元，如图１所示。系统工作的基本过程为：前端电子学电路产生的快逻辑窄脉冲信号进入采集卡的输入通道后，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，再经过Ａ／Ｄ采样量化成ＦＰＧＡ可以处理的数字信号缓存到存储器。在ＰＣ主机端的计算机应用程序的交互控制管理下，进行模拟通道的阻抗匹配、放大器增益大小、偏置、采样方式、采样频率、每次采样点数、启动ＡＤＣ及转换结束的识别等控制，并将采集到的数据通过ＰＣ主机的ＰＣＩ总线接口传输到计算机内存，以供主机对数据进行存储、分析、处理、显示及打印输出等工作。为满足１ｎｓ的检测精度，采集卡的８ｂｉｔｓＡＤＣ器件采用ＡＤＣ０８Ｄ１０００［７］，采样率设为１ＧＨｚ，高速数据采集卡按ＴＤＣ方式采集记录信号，即通过ＸｉｌｉｎｘＶｉｒｔｅｘ４ＦＰＧＡ［８］在线处理固件对采集到的脉冲信号执行边沿检测［９１０］以得到脉冲发生时间。Ｆｉｇ．１　Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｐｕｌｓｅｔｉｍｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ图１　脉冲时间序列检测系统的原理框图３　中子、γ射线飞行时间谱测量系统的构成　　２５２Ｃｆ自发裂变中子源的中子、γ射线飞行时间谱测量系统构成原理框图如图２所示。它包含虚线部分在内的为经典的飞行时间谱测量系统，以及粗线框在内的本文提出的飞行时间谱测量系统。系统分成３个部分，第１部分是由２５２Ｃｆ快电离室、前置放大器、快放大器、恒比定时器Ⅰ及延时器等组成的２５２Ｃｆ裂变信号定时单元；第２部分由液体闪烁体ＢＣ５０１、光电倍增管（ＰＭＴ）和恒比定时器Ⅱ等构成探测单元，提供中子或γ射线入射到闪烁体的时间信息；第３部分为时间记录单元。其中，经典测量系统中的第３部分由时幅变换器、多道分析器等构成。当２５２Ｃｆ发生裂变时，２５２Ｃｆ快电离室给出代表中子或γ射线发出时刻的信号，液体闪烁体给出到达信号，通过时幅变换器测量出飞行这段距离的时间。经过多次测量由多道分析器记录，即可得到飞行时间Ｆｉｇ．２　Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｉｍｅｏｆｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）ｓｐｅｃｔｒｕｍｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｏｒ２５２Ｃｆｆａｓｔｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｆｉｓｓｉｏｎｎｅｕｔｒｏｎａｎｄγｒａｙ图２　２５２Ｃｆ快电离室中子、γ射线飞行时间谱测量框图０２７１强激光与粒子束第２１卷的幅度谱。　　本文提出的２５２Ｃｆ快电离室中子、γ射线飞行时间谱测量系统中，将图２虚线后面的时幅变换器和多道分析器，撤换为图１所示的基于高速数据采集卡的脉冲时间序列检测系统，也即第３部分使用高速数据采集卡进行时间记录，在ＰＣ机端进行飞行时间谱测量。４　飞行时间谱测量的数据处理　　新型的中子、γ射线飞行时间谱测量方法，是利用高速数据采集卡的脉冲时间序列检测能力，将脉冲时间序列信息传到ＰＣ进行数据处理和相关性分析。系统前端直接沿用传统电子学电路的快逻辑脉冲形成机制，将代表飞行开始的２５２Ｃｆ快电离室通道的中子、γ探测器输出信号送到高速采集卡的第１通道，而将代表飞行停止的液体闪烁体ＢＣ５０１通道的中子、γ探测器输出信号送到高速采集卡的第２通道。在ＰＣ机端将采集检测得到两通道的以脉冲发生时间为记录形式的原始数据流，经过识别、还原、分块，形成按Ｂｌｏｃｋ分块的时间仓轴上“０”、“１”序列，即“１”代表有中子或γ脉冲发生，“０”则代表没有中子或γ脉冲发生。　　由于裂变中子、γ信号在时间轴上出现的概率服从泊松分布［１１］，对这个平稳随机过程的主要处理方法是用已检测到的一定数量的样本数据进行相关函数计算统计，而相关函数结果的最大特征就是能够反应随机事件之间的时间关联度，相关函数的分布状态与中子、γ射线飞行时间谱有着完全对应的关系。基于此，新型的测量系统将采集到的数据序列按Ｂｌｏｃｋ分块，一个Ｂｌｏｃｋ数据块是整个数据序列的一段，各通道均需１０８～１０９个Ｂｌｏｃｋ的大数据量同步样本。每个Ｂｏｌｃｋ的大小取为１０２４个时间仓，而其中时间仓的间隔为１ｎｓ。　　相关函数法的飞行时间谱的测量，主要考虑使用两个通道之间的互相关函数。实际数据处理时，使用离散化后的互相关函数，并且做分块处理犆犆犻１２（τ）＝１犖犖－１犽＝０犡犻（犽）犢犻（犽＋τ）（１）犆犆１２（τ）＝犕－１犻＝０犆犆犻１２（τ）（２）式中：犖为Ｂｌｏｃｋ的大小；犻为Ｂｌｏｃｋ的序号数；犕为Ｂｌｏｃｋ总数；犡犻（犽）为通道１也即２５２Ｃｆ快电离室探测器的第犻个Ｂｌｏｃｋ在犽时刻的信号值，而犢犻（犽＋τ）为通道２也即ＢＣ５０１探测器的第犻个Ｂｌｏｃｋ在犽＋τ时刻的信号值，τ定义为时间延迟，其取值－（犖－１）≤τ≤犖－１。在对通过公式（１）计算所得的犕个Ｂｌｏｃｋ的互相关函数结果进行累加、归一化处理，就可得到反映中子、γ飞行时间的互相关谱数据。５　实验结果与讨论　　系统构建完成后，对实际的２５２Ｃｆ裂变中子源的中子、γ射线随机脉冲序列进行了飞行时间谱的测量实验，并将所测结果与现有的飞行时间谱测量结果进行了比较分析。变换通道２的ＢＣ５０１探测器与通道１的２５２Ｃｆ源快电离室探测器之间的距离，分别使用经典的飞行谱测量系统和新建的飞行谱测量系统进行相同条件下的比对测量实验。测量时Ｂｌｏｃｋ总数犕为３×１０８以上，时间仓大小为１ｎｓ。表１　飞行时间谱测量的数值分布犜犪犫犾犲１　犞犪犾狌犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犗犉狊狆犲犮狋狉狌犿ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｃｍγｐｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎ／ｎｓＦＷＨＭ（γ）／ｎｓｎｅｕｔｒｏｎｐｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎ／ｎｓ４０２２＜２４０３０２２＜２３５２０２２＜２３１１０２１＜２２９　　图３分别为４０，３０，２０，１０ｃｍ距离情况下的测得的飞行时间谱，其坐标纵轴为互相关函数犆犆１２统计结果，其坐标横轴单位为时间，宽度取为与多道分析器道宽相同的１００ｎｓ。在互相关函数犆犆１２谱的曲线分布中出现的两个峰正是中子、γ射线飞行时间集中带，尖锐峰对应于经典测量法得到的γ峰，其后的缓变峰对应于经典测量法得到的中子飞行时间谱。多次测量后的统计平均数值分布如表１所示。　　对于测量量值为时间的测量系统来说，它的定时精度是重要指标，其中γ峰半高宽是检验测量系统工作性能的关键参数。本试验系统中的各个部分，均已经过细致调节处于ｎｓ级精确定时状态，如果新加入的脉冲时间序列检测单元以及ＰＣ机测量计算单元处于不良或错误工作状态，会灵敏地反映在γ峰上。因此，用γ峰半高宽能准确检验整个系统的定时精度和飞行计算结果，通常要求γ峰半高宽为ｎｓ量级。从本测量系统的飞行时间谱图和表１的具体数值可以看出，γ峰集中于互相关谱很窄范围内，其半高宽小于２ｎｓ，是十分理想的，且１２７１第１１期任　勇等：一种２５２Ｃｆ裂变中子源的中子、γ射线飞行时间谱测量新方法优于Ｍｉｈａｌｃｚｏ在其２５２Ｃｆ随机脉冲源测量系统中的飞行时间谱２．７ｎｓ的γ峰半高宽［１２］。另外，γ峰之后的２５２Ｃｆ裂变中子谱为连续分布，随着ＢＣ５０１探测器的放置距离的减小，中子飞行谱的密集区域宽度逐