【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于核辐射探测，具体地说，是涉及一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统及方法。
技术介绍
1、在核物理实验和辐射探测领域，核脉冲发生器的使用至关重要。这些设备用于模拟真实的辐射探测信号，允许操作者在无放射源的受控环境中对核仪器进行校准和测试。尤其对于伽马射线能谱仪和x射线荧光分析仪等的探测，这种模拟技术在生成精确的脉冲信号波形和能量沉积谱分布方面起着关键作用。
2、传统核信号发生器的实现涉及几个关键要素。首先是模拟来自辐射探测器的典型脉冲，包括具有指数上升和下降形状的脉冲。这些脉冲的生成可以基于rc电路，或通过使用fpga控制的高速dac进行数字合成。此外，调整脉冲的幅度以模拟探测器内辐射产生的不同能量沉积至关重要，同时，脉冲速率的控制用以模仿辐射与探测器相互作用的变化速率。为了提高模拟信号的真实性，先进的脉冲发生器还会将受控噪声融入信号中。此外，核信号发生器在设计时还必须考虑能谱分布的预存储和采样，以确定脉冲信号的具体参数。然而，能谱分布数据需要通过预存储实测数据或使用蒙特卡罗模拟软件获得，可能会影响设备应用的灵活性和实时性。
3、以上技术的限制表明，需要一种能够实时模拟真实辐射探测过程并动态生成核脉冲信号的发生系统。这样的系统应该能够实时计算粒子输运过程，以生成具有与真实核事件统计特征相似的脉冲序列，同时动态生成符合指定类型探测器分辨率和电子系统特性的脉冲波形。这种方法与系统的设计和实现对于提高核辐射探测实验的便利性和安全性是非常有利的。
技术实现思路>
1、本专利技术的目的在于提供一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统及方法，主要解决现有模拟设备应用的灵活性和实时性差的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，包括上位机，经通信模块与上位机相连的脉冲信号成形模块，与脉冲信号成形模块相连的核信号序列发生模块，与核信号序列发生模块相连的谱线分布模拟计算模块，与谱线分布模拟计算模块相连的随机数生成模块，以及与脉冲信号成形模块相连的dac输出模块；其中，谱线分布模拟计算模块也与通信模块相连。
4、进一步地，在本专利技术中，所述脉冲信号成形模块包括依次连接的前端电路结构信息模块、前放电路传递函数模块、脉冲波形递推计算模块和脉冲成型器；其中，所述前端电路结构信息模块的输入端与通信模块相连，脉冲成型器的另一输入端与核信号序列发生模块相连，脉冲成型器的输出端与dac输出模块相连。
5、进一步地，在本专利技术中，所述核信号序列发生模块包括两个核事件序列模块，与两个核事件序列模块均相连的脉冲间隔模块，以及与脉冲间隔模块相连的能谱展宽模块；其中，两个核事件序列模块和能谱展宽模块的输入端与谱线分布模拟计算模块相连，能谱展宽模块的输出端与脉冲成型器相连。
6、进一步地，在本专利技术中，所述谱线分布模拟计算模块包括直接通过上位机设置的探测器信息获取模块、放射源信息获取模块、几何模型获取模块、材料列表获取模块和物理过程获取模块；以及与几何模型获取模块、材料列表获取模块和物理过程获取模块均相连的能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块；其中，几何模型获取模块还与探测器信息获取模块相连，物理过程获取模块还与放射源信息获取模块相连；能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块与两个核事件序列模块相连，探测器信息获取模块与能谱展宽模块相连。
7、进一步地，在本专利技术中，所述随机数生成模块采用lfsr随机数生成器，所述lfsr随机数生成器与能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块、脉冲间隔模块、能谱展宽模块均相连。
8、进一步地，在本专利技术中，所述dac输出模块包括与脉冲成型器相连的dac控制器，以及与dac控制器相连的多路滤波输出电路；所述滤波输出电路由相连的dac与滤波及放大电路构成；所述dac与dac控制器相连，所述滤波及放大电路连接至待测试设备。
9、进一步地，本专利技术还包括设置于脉冲信号成形模块与dac输出模块之间的信号混入模块；所述信号混入模块包括三个信号混入模块、数字基线模块、数字噪声模块、可调数字滤波器和adc；其中，脉冲信号成形模块输出的信号与数字基线模块输出的信号在第一信号混入模块中混合，第一信号混入模块输出的信号与数字噪声模块输出的信号在第二信号混入模块中混合，外部输入信号经adc转换后与第二信号混入模块输出的信号在第三信号混入模块中混合，第三信号混入模块输出混合后的信号至dac控制器；数字噪声模块的信号由lfsr随机数生成器输出数列转换成高斯白噪声序列送入可调控数字滤波器模块得到。
10、基于上述模拟系统，本专利技术还提供一种核辐射探测信号实时数字化模拟方法，包括以下步骤：
11、s1，通过上位机设置待模拟的辐射探测环境模型和输出信号的探测器及前端电路信息；并将设置的信息通过前放电路传递函数模块转换为数字系统高的差分方程，并得到脉冲成型器的算法参数设置；
12、s2，利用谱线分布模拟计算模块实时计算每次粒子输运过程，得到探测区域沉积的能量；
13、s3，利用核信号序列发生模块抽样得到核事件的时间间隔和谱展宽信息，并将得到的单个核事件信息送入核信号序列发生模块中的fifo队列，从队列中取出元素带入进行参数设置后的脉冲成型器输出脉冲波形；
14、s4，在脉冲成型器输出的脉冲波形中混入基线、噪声及外部输入信号并送入dac输出模块；
15、s5，dac输出模块输出幅度与时间分布和波形及噪声特征均拟真且可控的脉冲序列信号。
16、进一步地，在所述步骤s2的实时计算每次粒子输运过程中，若在指定计算区域中入射粒子给定特征的分布在区间[a,b]上的积分为c，概率密度函数为f(x)，则：
17、
18、式中ni>0为常数，0≤gi(x)≤1，且fi(x)是在区间[a,b]上的归一化概率密度函数，则以gi(x)为判据，可构造对fi(x)抽样来实现模拟对f(x)的抽样；在空间中的给定位置的粒子到发生下一次事件时，会在介质中通过一定的距离，其平均自由程为：
19、
20、式中n为介质中物质的种类，ni为第i种物质在介质中的比例，σ(zi,e)为物质对应材料的总微分反应截面；对于一段有多种介质路径，粒子经过平均自由程的数量为nλ，若nr为粒子从起点到发生核事件位置经过平均自由程的数量，则其分布为令ξ为在区间(0,1)上服从均匀分布的随机变量，则：
21、
22、即为从起点到发生核事件位置经过平均自由程数量的抽样，从而可以得到粒子发生一次作用的径迹长度δx，从而实现对粒子输运过程的模拟。
23、进一步地，在所述步骤s3的脉冲成型器输出脉冲波形中，探测器和前置放大器所组成的系统的传递函数为：
24、
25、式中pk为模拟系统的极点，以t为采样周期进行数字化后得到：
26、
27、通过整理后可得到：
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【技术保护点】
1.一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，包括上位机，经通信模块与上位机相连的脉冲信号成形模块，与脉冲信号成形模块相连的核信号序列发生模块，与核信号序列发生模块相连的谱线分布模拟计算模块，与谱线分布模拟计算模块相连的随机数生成模块，以及与脉冲信号成形模块相连的DAC输出模块；其中，谱线分布模拟计算模块也与通信模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述脉冲信号成形模块包括依次连接的前端电路结构信息模块、前放电路传递函数模块、脉冲波形递推计算模块和脉冲成型器；其中，所述前端电路结构信息模块的输入端与通信模块相连，脉冲成型器的另一输入端与核信号序列发生模块相连，脉冲成型器的输出端与DAC输出模块相连。
3.根据权利要求2所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述核信号序列发生模块包括两个核事件序列模块，与两个核事件序列模块均相连的脉冲间隔模块，以及与脉冲间隔模块相连的能谱展宽模块；其中，两个核事件序列模块和能谱展宽模块的输入端与谱线分布模拟计算模块相连，能谱展宽模块的输出端与脉冲成型器
4.根据权利要求3所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述谱线分布模拟计算模块包括直接通过上位机设置的探测器信息获取模块、放射源信息获取模块、几何模型获取模块、材料列表获取模块和物理过程获取模块；以及与几何模型获取模块、材料列表获取模块和物理过程获取模块均相连的能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块；其中，几何模型获取模块还与探测器信息获取模块相连，物理过程获取模块还与放射源信息获取模块相连；能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块与两个核事件序列模块相连，探测器信息获取模块与能谱展宽模块相连。
5.根据权利要求4所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述随机数生成模块采用LFSR随机数生成器，所述LFSR随机数生成器与能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块、脉冲间隔模块、能谱展宽模块均相连。
6.根据权利要求5所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述DAC输出模块包括与脉冲成型器相连的DAC控制器，以及与DAC控制器相连的多路滤波输出电路；所述滤波输出电路由相连的DAC与滤波及放大电路构成；所述DAC与DAC控制器相连，所述滤波及放大电路连接至待测试设备。
7.根据权利要求6所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，还包括设置于脉冲信号成形模块与DAC输出模块之间的信号混入模块；所述信号混入模块包括三个信号混入模块、数字基线模块、数字噪声模块、可调数字滤波器和ADC；其中，脉冲信号成形模块输出的信号与数字基线模块输出的信号在第一信号混入模块中混合，第一信号混入模块输出的信号与数字噪声模块输出的信号在第二信号混入模块中混合，外部输入信号经ADC转换后与第二信号混入模块输出的信号在第三信号混入模块中混合，第三信号混入模块输出混合后的信号至DAC控制器；数字噪声模块的信号由LFSR随机数生成器输出数列转换成高斯白噪声序列送入可调控数字滤波器模块得到。
8.一种核辐射探测信号实时数字化模拟方法，其特征在于，采用了如权利要求1～7任一项所述的模拟系统，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟方法，其特征在于，在所述步骤S2的实时计算每次粒子输运过程中，若在指定计算区域中入射粒子给定特征的分布在区间[a,b]上的积分为C，概率密度函数为f(x)，则：
10.根据权利要求9所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟方法，其特征在于，在所述步骤S3的脉冲成型器输出脉冲波形中，探测器和前置放大器所组成的系统的传递函数为：
...【技术特征摘要】
1.一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，包括上位机，经通信模块与上位机相连的脉冲信号成形模块，与脉冲信号成形模块相连的核信号序列发生模块，与核信号序列发生模块相连的谱线分布模拟计算模块，与谱线分布模拟计算模块相连的随机数生成模块，以及与脉冲信号成形模块相连的dac输出模块；其中，谱线分布模拟计算模块也与通信模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述脉冲信号成形模块包括依次连接的前端电路结构信息模块、前放电路传递函数模块、脉冲波形递推计算模块和脉冲成型器；其中，所述前端电路结构信息模块的输入端与通信模块相连，脉冲成型器的另一输入端与核信号序列发生模块相连，脉冲成型器的输出端与dac输出模块相连。
3.根据权利要求2所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述核信号序列发生模块包括两个核事件序列模块，与两个核事件序列模块均相连的脉冲间隔模块，以及与脉冲间隔模块相连的能谱展宽模块；其中，两个核事件序列模块和能谱展宽模块的输入端与谱线分布模拟计算模块相连，能谱展宽模块的输出端与脉冲成型器相连。
4.根据权利要求3所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在于，所述谱线分布模拟计算模块包括直接通过上位机设置的探测器信息获取模块、放射源信息获取模块、几何模型获取模块、材料列表获取模块和物理过程获取模块；以及与几何模型获取模块、材料列表获取模块和物理过程获取模块均相连的能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块；其中，几何模型获取模块还与探测器信息获取模块相连，物理过程获取模块还与放射源信息获取模块相连；能量沉积事件实时蒙特卡罗模拟模块与两个核事件序列模块相连，探测器信息获取模块与能谱展宽模块相连。
5.根据权利要求4所述的一种核辐射探测信号实时数字化模拟系统，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭成，贾晴晴，林宏健，孙江宏，田泽明，康小录，张志远，赵青，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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