液闪读出电子学数据采集解决方案在辐射探测领域应用
发布日期：2024-05-12 浏览次数：110
01背景介绍
液闪探测器（Liquid Scintillation Detector）是一种利用闪烁液体作为探测介质的辐射探测器，可用于对辐射的探测和测量，其基本组成包括：
液体闪烁剂：液体闪烁剂是液体形式的闪烁介质，这些闪烁剂在受到辐射激发后会发出特定波长的光信号。
光电倍增管（PMT）或硅光电倍增管（SiPM）：液体闪烁体发出的光信号被光电器件所探测，这些光电子器件能够将光信号转换为电子信号，并放大以进行后续处理。
读出电子学系统：读出电子学系统用于采集、处理和分析光电器件输出的信号。这些系统通常包括模拟信号处理电路、数字信号处理电路和数据获取软件。
▲液闪探测器示意图
液体闪烁体探测器具备高闪点、低温或高温稳定性强、发光衰减时间短、具有脉冲鉴别能力等优势，因此在核物理实验、放射性测量、放射性药物检测、放射性碳定年等领域有着广泛的应用。
02面临挑战
液闪读出电子学系统在液闪探测器系统中扮演着至关重要的角色，负责采集、处理和分析光电器件输出的快瞬态信号，需要具备高速、高精度、高密度等特点。
此外，在中子辐射源中通常有伴生γ射线，且中子与周围环境的非弹性散射、慢化中子的辐射俘获等均会产生γ射线。而目前用于测量中子的探测器大多对γ射线有响应，为排除γ射线的干扰，需要进行对ｎ／γ甄别技术进行研究。基于波形数字化技术和数字脉冲甄别算法PSD，可以实现对中子（n）和γ射线（gamma）的有效甄别和区分，因此在许多实验中得到了广泛应用。[1]
▲PSD甄别谱
液闪读出电子学系统在处理高事例率时面临着非常高的数据处理与传输的压力。以500MSPS采样率、1MHz事例率、采集长度250ns为例，单通道的原始波形数据率在500MB/s，庞大的数据量将无法支持将所有的原始波形进行存储。
03解决方案
中科采象团队针对液闪探测器的读出需求，采用高速ADC对液闪快瞬态脉冲信号进行波形采集，得到原型脉冲波形片段，采用可编程芯片FPGA对波形片段进行实时算法处理（PSD、CFD、PHA、QDC等），得到脉冲参数特征，大大降低数据量，并通过模块化仪器技术提供易扩展、可升级的电子学系统，能够灵活适配各种应用需求和场景。
▲液闪信号采集分析系统构成及组成部件
应用场景一：核数据测量
白光中子源是一个极其有用的核数据测量研究工具，可以为新型核能设施设计、核天体物理研究、基础物理科学以及核技术应用等领域提供关键核数据。其中 C6D6探测器系统由4个探测器单元、支架以及和样品架组成，其优点首先是它的探测效率可以和入射伽马射线的能量线性相关，其次是采用了无氢闪烁体从而减少了散射中子对实验的干扰，最后其结构简单，成本较低，适合在Back-n建成的前期开展（n，γ）反应截面测量的实验。
应用场景二：辐射环境监测
伴随2023年8月24日日本福岛核污染水正式排海，核污水检测刻不容缓。氚核素作为核污水中最大放射性核素之一，是检测的关键。液闪探测器系统通过测量水样中氚的活度浓度，实现辐射环境检测。
应用场景三：地震预警数据检测
氡是断裂带中的惰性气体，由于其化学性质稳定，能够反映出地壳内部物质的运移，氡异常被国际上广泛认可为地震灾害前兆之一。液闪探测器系统通过甄别氡衰变过程中特有的β-α级联衰变事件，进而稳定、准确地测量氡浓度，为地震预警数据检测奠定稳固基础。
注：[1] 李奎念,张显鹏,李阳,等.液闪探测器的几种 n/γ甄别方法研究[J].原子能科学技术,2014,48(5):7.DOI:10.7538/yzk.
声明：本平台部分图文参考来源于网络，如图文涉及版权和其他问题，请于30日内联系本平台修改或删除。
