基于脉冲波形采样技术的核辐射多参数测量系统

引言

核辐射作为一种能量传递形式，其参数特征（如幅度、上升时间、脉冲宽度等）蕴含着辐射源类型、能量分布及物理过程的关键信息。精确测量核辐射多参数对于辐射安全评估、核物理研究及相关应用场景至关重要。传统测量系统多采用阈值触发与单参数分析模式，难以满足复杂辐射场中多参数同步测量需求。脉冲波形采样技术通过高速模数转换与数字信号处理技术，实现对核辐射脉冲波形的全信息采集，为多维度参数解析提供了数据基础。本文构建基于该技术的测量系统架构，探讨其工作机制与性能优势，为核辐射测量技术的创新发展提供理论支撑。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统硬件组成

基于脉冲波形采样技术的核辐射多参数测量系统由信号采集、数据处理与参数分析三大硬件模块协同工作。信号采集模块通过辐射探测器（如闪烁探测器、半导体探测器）将核辐射能量转换为微伏级电脉冲信号，经前置放大器进行增益放大与带通滤波后，由高速模数转换器（ADC）以纳秒级采样率完成波形数字化，实现脉冲幅度、上升沿等细节特征的精准捕获。数据处理模块以FPGA 或 DSP 为核心，搭载高速数据缓存与并行运算架构，对海量波形数据实施实时基线校正、噪声抑制及特征参数提取，通过多通道流水线技术保障每秒百万级脉冲的处理能力。参数分析模块依托上位机软件平台，对提取的脉冲幅度、衰减时间等参数进行多维统计分析与动态可视化呈现，结合多参数关联模型实现辐射能谱重构、脉冲形状甄别及辐射场空间分布解析，为核素识别与辐射场特性研究提供量化依据。

1.2 工作原理

核辐射多参数测量系统基于脉冲波形全信息分析原理运行：当核辐射粒子与探测器相互作用时，其能量沉积过程会生成具有特定波形特征的电脉冲信号，其幅度、时域形态与粒子类型（如α、β、γ）、能量及探测器物理特性直接关联。系统采用高速ADC 以纳秒级分辨率对脉冲信号进行全波形等间隔采样，完整捕获上升沿、峰值平台与衰减尾部的数字化序列，相较传统阈值触发采样可避免前沿丢失与幅度失真问题。特征参数提取环节通过数字信号处理算法实现多维度解析：峰值检测算法定位脉冲最大幅值以表征粒子能量；微分斜率分析计算10%-90% 上升时间反映电荷收集速度；非线性最小二乘法对衰减段进行指数拟合获取时间常数，揭示探测器闪烁体或半导体材料的本征响应特性。最终，基于海量脉冲参数的统计分布（如幅度谱、上升时间直方图）与多参数关联矩阵（如幅度 - 上升时间二维分布），结合模式识别算法实现辐射粒子种类甄别、能谱重建及辐射场时空特性反演，为核素识别与辐射场诊断提供多维度量化依据。

2 系统测试实验

2.1 信号的实时采样

核辐射多参数测量系统的性能验证通过脉冲信号捕捉能力与参数反演精度测试实现。在信号捕捉测试中，采用放射性同位素标准源及标准波形发生器作为输入信号源，分别模拟真实核辐射脉冲与理想化测试波形。针对不同幅度与时间特性的脉冲信号，高速 ADC 以百 MHz 级采样率对微秒级脉冲实现数百点采样，确保波形重构时能精确还原上升沿斜率、峰值平台及指数衰减尾部形态。通过动态调节前置放大器增益（如20-60dB 可调）与ADC 触发阈值（覆盖 μV 至 V 量程），验证系统在微弱信号（接近本底噪声水平）与强信号（接近 ADC满量程）下的动态响应能力，确保信号捕捉过程中无幅度截断或噪声淹没现象。参数测试阶段通过标准波形发生器注入已知参数的模拟脉冲（如幅度1V、上升时间 10ns 的阶跃信号，衰减常数 2μs 的指数信号），利用系统内置数字信号处理算法反演关键参数。将实测上升时间、峰值幅度及衰减常数与理论值对比，量化系统测量误差（如上升时间误差 ⩽±0.5ns ，幅度相对误差 <1% ）。实验重点探究采样率与量化位数对参数精度的影响：采样率需满足奈奎斯特采样定理（≥信号最高频率分量的 5 倍），例如对 100MHz 带宽信号需配置 500MS/s 以上采样率；量化位数（如14 位ADC）则决定幅度分辨率，低位宽可能导致小幅度信号量化误差累积。通过正交试验确定最优采样条件组合（如 1GS/s 采样率、14 位分辨率），为系统在复杂辐射场中的多参数高精度测量提供理论支撑[1]。

2.2 传统阈值采样与脉冲波形采样技术的对比分析

传统阈值触发采样系统通过预设幅度阈值截取脉冲波形，仅保留超过阈值的峰值段数据，导致上升沿起始阶段与下降沿尾部信息丢失。实验对比显示，传统方法在计算脉冲上升时间时因前沿截断引入系统性误差（如 10% 阈值截断可能导致上升时间低估 15%-20% ），且无法获取衰减常数等尾部特征参数，限制辐射粒子能量与类型的精确反演。而脉冲波形采样技术通过完整记录脉冲时间序列，可基于微分斜率分析准确定义上升沿起点，结合非线性拟合提取衰减常数，显著提升参数完整性。例如，对同一 ∝ 粒子脉冲，脉冲波形采样技术系统测得的上升时间标准差较传统方法降低 40% ，能谱分辨率提升约 1.5 倍，验证了全波形数据在多参数关联分析中的必要性。

2.3 基于上升时间分布的辐射类型甄别验证

通过采集 α 粒子（ ²⁴¹Am 源）与 γ 光子（ ¹³⁷Cs 源）在闪烁探测器中的脉冲波形，系统统计了数千个事件的上升时间分布。实验结果表明， ∝ 粒子因电离密度高、闪烁体光子发射速率慢，其脉冲上升时间集中于80-120ns 区间；而γ 光子因相互作用机制差异，上升时间分布峰值位于 20-40ns 区间，两者直方图呈现显著分离特征。系统通过设定动态阈值（如 60ns 分界值）实现 α/γ 事件的实时分类，分类准确率达 95% 以上。该特性可用于混合辐射场中粒子类型的快速甄别，为辐射防护与核素识别提供关键判据，凸显了脉冲波形采样技术在多参数协同分析中的技术优势 [2]。

3 结果分析

3.1 幅度谱特征图对比

对比脉冲波形采样技术与传统采样方式获取的幅度谱。传统采样因丢失低幅度脉冲的上升沿信息，可能导致幅度谱低能端数据失真；而脉冲波形采样技术通过完整捕捉脉冲波形，确保了各能量区间信号的准确计数，幅度谱峰位更清晰，能量分辨率显著提升。实验结果表明，脉冲波形采样技术的幅度谱半高宽（FWHM）较传统方式降低 10%～15% ，体现出更高的能量测量精度。

4 结论

基于脉冲波形采样技术的核辐射多参数测量系统通过全波形采集与多参数解析，突破了传统测量模式的局限性，在信号完整性、参数精度与辐射类型甄别能力方面具有显著优势。高速ADC 与数字信号处理技术的结合，实现了核辐射脉冲信号的精细化捕捉与实时分析，为复杂辐射环境下的多参数同步测量提供了有效解决方案。未来研究可进一步优化采样速率与算法效率，拓展系统在动态辐射场监测与新型探测器适配中的应用，推动核辐射测量技术向智能化、多元化方向发展。

参考文献：

[1] 王乾丞. 核脉冲的参数识别及自适应成形方法[D]. 成都理工大学，2021.

[2] 杨大战 ， 闫海霞 ， 周冬亮 ， 等 . 基于 FPGA 的核辐射脉冲信号发生器研究[J]. 黑龙江科学 ， 2023， 14（4）：84-86.DOI：10.3969/j.issn.1674-8646.2023.04.024.