（仪器科学与技术专业论文）基于模糊聚类分析的中子与γ射线甄别方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 中子探测技术在违禁品检测、环境辐射检测、军事以及深空探测等领域应用 广泛。由于存在中子的场合几乎都伴随着大量的 射线本底，同时中子探测器对 射线又比较灵敏，因而中子/ 射线（n/）甄别技术成为实现中子探测的一个关键 技术问题。论文对此进行了研究，并提出了一种基于模糊聚类分析（fcm）的 n/ 甄别方法。 论文工作采用仿真研究与实验验证相结合的方法来研究fcm甄别方法的有效 性与可行性。首先，针对液体闪烁体探测器 bc501a 的实际物理特性建立了粒子 脉冲信号模型，在不同信噪比的条件下对 fcm 聚类分析法的甄别能力进行了仿真 研究，结果表明在信噪比小于 12db 的信号环境下，该方法的错甄率保持在 1%以 下。然后，构建了由 bc501a 液体闪烁体探测器、光电倍增管（r329-02）、高压 电源模块（c9619-01）与数字存储示波器（dso6032a）组成的中子探测平台，采 集了环境中子和 射线，并用 25 点滑动平均滤波方法对粒子脉冲信号进行了预处 理，同时确定了模糊聚类算法中的最佳权重指数 m。n/ 甄别分别采用基于模糊聚 类分析的方法以及目前通用的方法脉冲斜度法（pga）对采集到的中子和 射 线进行甄别。实验结果表明：对大幅度脉冲的信号（大于 1000），基于模糊聚类 分析的 n/ 甄别方法取得了与 pga 法几乎相同的结果；而对小幅度脉冲的信号， 基于模糊聚类分析的 n/ 甄别方法取得了比 pga 法更好的甄别性能。最后，在大 量的实验基础上，确定了中子和 射线的聚类中心，实现了实时的 n/ 甄别。 基于模糊聚类分析的 n/ 甄别方法对噪声不敏感，抗干扰能力强，在中子探测 与中子能谱测量等领域具有广泛的应用前景。 主题词：中子探测；液体闪烁体；n/ 甄别；模糊聚类分析；模糊 c 均值 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 abstract neutron detection technology has been widely used in the fields of explosives detection, environmental radiation detection, military and deep space exploration. since almost all neutron fields coexist with an associated -ray component while neutron detectors are also sensitive to -ray photons, the discrimination between neutrons and gamma-rays (n/) becomes a key technical problem in the field of neutron detection. this paper has focused on this problem and proposed an novel method for the n/ discrimination based on fuzzy c-means (fcm) clustering. the validity and feasibility of the fcm n/ discrimination method was proved by combination of simulation and experimental verification. to begin with, the model of particle pulse signal was built according to the physical character of bc-501a liquid scintillator and the performance of fcm method was researched under different conditions of signal-to-noise ratio. the simulation results showed that the discrimination error ratio of fcm method could be kept under 1% if only the signal-to-noise was smaller than 12db. then a neutron detection platform which comprises a bc-501a liquid scintillator detector, a photomultiplier tube r329-02, a high voltage power supply unit c9619-01 and a digital storage oscilloscope dso6032a was set up to acquire the neutrons and gamma rays in the environment, after which the particle pulse signals were preprocessed by an 25 points moving average filter and meanwhile the the optimal fuzzy exponent m was fixed on. further more, the fcm clustering and the current methodpulse gradient analysis(pga) were applied to the same pulses dataset respectively and the results were compared to each other. it is shown that the discrimination results of the fcm clustering were almost consistent with those of pga when the peaks of the pulse signals were bigger than 1000. but for the pulse signals whose peaks were smaller than 1000, the fcm clustering exhibited better discrimination performance than that of pga. ultimately, the cluster centers of neutrons and gamma-rays were found based on abundant tests and the real-time n/ discrimination were available. the n/ discrimination method based on fcm clustering exhibited a strong insensitivity to noise and anti-interference ability, with which it would has a wide range of applications in the fields of neutron detection, neutron spectrum unfolding, and so on. key words：neutron detection; liquid scintillator; neutrons and gamma-rays discrimination; fuzzy cluster analysis; fuzzy c-means (fcm) 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iii 页 表 目 录 表 2.1 几种常见的闪烁体快慢发光衰减时间. 16 表 3.1 中子和 射线的模型参数值 . 29 表 3.2 基于 fcm 聚类的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法的错甄率. 32 表 4.1 数字存储示波器 dso6032a 的性能指标. 34 表 4.2 相同脉冲数据下采用 pga 法和 fcm 法得到的甄别结果. 56 表 4.3 fcm 法与 pga 法的性能比较. 57 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iv 页 图 目 录 图 1.1 论文组织结构图. 7 图 2.1 液体闪烁探测器的组成和工作原理. 14 图 2.2 不同粒子在闪烁体中的发光衰减曲线. 16 图 2.3 上升时间法的原理框图. 17 图 2.4 电荷比较法中的信号和门脉冲之间的关系. 18 图 2.5 bp 神经网络的结构. 19 图 2.6 中子和 射线的标准化脉冲 . 20 图 2.7 甄别参数 1 f和 2 f的散点图 . 21 图 3.1 仿真实验中的 n/ 甄别图. 31 图 4.1 中子探测平台的结构图. 33 图 4.2 r329-02 的增益特性曲线. 34 图 4.3 中子探测平台的实物图. 35 图 4.4 连续的粒子脉冲信号. 35 图 4.5 扣除基线后叠加的粒子脉冲信号. 36 图 4.6 标准化后的粒子脉冲. 37 图 4.7 flp 自适应滤波条件下的 n/ 甄别效果图 . 40 图 4.8 flp 自适应滤波条件下的脉冲分布比例图. 40 图 4.9 4 层多分辨分析树结构图. 41 图 4.10 小波阈值滤波条件下的 n/ 甄别效果. 42 图 4.11 小波阈值滤波条件下的脉冲分布比例图. 42 图 4.12 滑动平均滤波算法. 43 图 4.13 滑动平均滤波频率响应的幅度谱. 43 图 4.14 滑动平均滤波条件下的 n/ 甄别效果图. 44 图 4.15 滑动平均滤波条件下的脉冲分布比例图. 45 图 4.16 m=1.5 时的 n/ 甄别效果图. 46 图 4.17 m=1.5 时的脉冲分布比例图. 47 图 4.18 m=2 时的 n/ 甄别效果图. 47 图 4.19 m=2 时的脉冲分布比例图. 48 图 4.20 m=2.5 时的 n/ 甄别效果图. 48 图 4.21 m=2.5 时的脉冲分布比例图. 49 图 4.22 fcm 法对 100 个脉冲的 n/ 甄别效果图. 51 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 v 页 图 4.23 fcm 法对 100 个脉冲的甄别结果. 51 图 4.24 pga 法对 100 个脉冲的 n/ 甄别效果图. 52 图 4.25 fcm 法与 pga 法的甄别结果对比图. 53 图 4.26 改进后的 fcm 法对 100 个脉冲的 n/ 甄别效果图. 54 图 4.27 改进后的 fcm 法对 100 个脉冲的甄别结果. 54 图 4.28 pga 法对 100 个脉冲的 n/ 甄别效果图. 55 图 4.29 改进后的 fcm 法与 pga 法的甄别结果对比图. 55 图 4.30 pga 法对任意幅值脉冲的 n/ 甄别效果图. 56 图 4.31 改进后的 fcm 法对任意幅值脉冲的 n/ 甄别效果图. 57 图 4.32 改进后的 fcm 法对任意幅值脉冲的甄别结果. 57 图 4.33 n/ 甄别流程图. 58 图 4.34 中子和 射线脉冲的聚类中心 . 59 图 4.35 n/ 实时甄别示意图. 60 图 4.36 实验中采集的单个粒子脉冲. 60 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1 研究背景及意义 当前，中子探测技术已经广泛应用于违禁品检测、环境辐射检测、军事以及 深空探测等各领域。 随着世界政治经济格局的转变，全球的恐怖活动日益猖獗，各种贩毒集团也 从没停止过他们的贩毒活动。为了制止毒品泛滥、防止恐怖事件发生，对毒品、 爆炸物等违禁品的检查、探测引起了世界各国的高度重视。爆炸物和毒品的化学 元素组成主要是 c，h，o 和 n。日常用品的化学成分也主要是这四种元素，但其 元素含量比与前者有相当大的差别，只要能测定 c，h，o 和 n 的原子密度或相对 含量，就可判别是炸药毒品还是其它的有机物。早在 20 世纪 80 年代，国外就开 始了利用中子检测隐藏爆炸物方面的研究。几十年来，在炸药等隐藏爆炸物探测 技术方面已取得了很大的进展，提出了许多技术方案，主要有热中子法（tna）、 快中子法 （fna） 、 脉冲快中子法 （pfna） 、 脉冲快中子和热中子相结合法 （pftna） 、 快中子散射法（fnsa）、伴随粒子法/中子飞行时间法（api/tof）等。基于中 子的检测技术具有高探测灵敏度、高准确性、自动化程度高等特点，它越来越广 泛地应用到机场、海关和码头的安检系统中。 随着人类对环境质量认识的不断提高，建材中的放射性问题也越来越受到人 们的关注。在日常生活中，大量的煤渣、煤研石和其他的工业废渣不但占用场地 而且污染环境。很多建材生产厂家为变废为宝、或是为了提高建材的强度，在建 材中参入了大量的工业废渣。 实验表明这些工业废渣放射性是普通土壤的 3-10 倍， 若这样的建材使用到居家环境中，必然成为人们健康的“杀手”。由于人们生活 环境中的辐射是无形的，人们不可能通过感官来感知，所以其伤害具有隐蔽性。 因此，在建材使用之前对建材进行放射性水平检测是减少放射性污染的重要手段， 对居民住宅区、厂区等公共地方的辐射检测也势在必行。由于中子是最重要的辐 射源之一，所以中子探测技术在环境辐射检测中起了不可或缺的作用。 在军事上，中子探测在探雷、星载核爆探测和核武器现场核查中具有广泛的 应用前景。中子探测作为一种探雷的新技术，越来越受到各国的重视。迄今为止， 历年来世界各地大大小小的战争使 64 个国家尚有约 1 亿枚地雷尚未排除。各国虽 然为扫除战后遗留的地雷问题，投入了大量的人力、物力和财力，然而收效甚微， 残余地雷伤人、致残致死的惨痛事件时有发生。因此，有效地解决地雷探测问题 已成为国际社会十分关注的热点、难点问题。特别是战后的排雷工作，对探雷技 术提出了更高的要求。这是因为人们对排雷操作人员伤亡的心理承受能力远比战 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 2 页 时要低得多，从而对探雷器材的性能也相应提出了更高的要求：既不能漏报又不 能虚警。然而，地雷的设计从金属外壳逐渐换成了塑料外壳，内部金属含量也越 来越小，迫使探雷器向更高的灵敏度发展，但也带来了虚警增多的问题。同时高 灵敏度探雷器的土壤背景适应性明显降低，在磁性土壤中几乎无法使用。而金属 氧化物成份较高的红土也会带来严重的高度效应，使用中虚警增多，大大降低了 探测效率。中子探测技术的应用，使得利用炸药对中子的反映而直接探测金属壳 地雷或塑料壳地雷变得更加容易实现。由美国能源署太平洋北国家实验室完成了 一种叫做测定中子的探测器(timed neutron detector)，这种仪器轻便易于操作使 用，大小和传统的探雷器差不多，可以单兵使用。在它的探头里装有“同位素锎” 作成的中子源，当中子流照射到地雷内炸药的氢元素时，中子的能量被衰减而形 成“慢中子”同时返回到粒子探测器中并显示在显示器上，从而知道地雷的存在。 这种探测器成本低、探测快，能够方便地探测到金属含量很少或者不含金属的地 雷。 当今世界，核乌云并未消散，朝鲜核问题一波三折，伊朗核局势风云变幻。 卫星有效载荷对大气层和太空核爆实施探测、定位和识别已经成为各核大国争相 研究的前沿课题。大气层和太空核爆瞬间会发射出不同的核爆效应：光辐射、冲 击波、电磁脉冲、放射性沾染及核辐射等。其中核辐射中的中子被作为重点监测 对象，可根据其时间和强度关系并辅以其它探测手段进行核爆事件的识别、核爆 威力的确认、核爆位置的确定。中子探测技术在核武器现场核查中也发挥着重要 作用。核查技术是核军控条约执行的技术依托，目前常用的被动核查方法是利用 核裂变材料的放射性衰变，测量自发裂变过程中产生的射线，进而判断核武器的 有无及类型，其优点是安全、经济、方便、不损害测量部件。其中，由于中子不 带电，且能量高，在空气中射程远，所以测量核弹头发射的中子是被动核查常用 的方法之一。核武器中的核材料主要是武器级铀、武器级钚和贫化铀。相对而言， 武器级铀中自发裂变的中子产额很低，只有 1.6 个/(skg)，贫化铀的稍高，但也只 有 14 个/(skg)，其中子探测难度较大，而武器级钚的中子发射率高达 56000 个 /(skg)，所以通过中子探测可以达到识别钚材料的目的从而判断是否有核弹头存 在。 近年来，我国在深空探测以及载人航天领域取得了举世瞩目的成就。由于中 子是空间中主要的辐射源之一，所以对空间中子进行探测是我国实现深空探测， 载人航天事业蓬勃发展的重要保障，具有重要意义： （1）对空间中的中子环境进行测量，研究空间中以及行星表面的混合辐射环 境，将进一步加深人类对空间环境的了解，为空间的科学开发和利用提供必要的 基础。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 3 页 （2）中子探测仪器早期是用于监测空间的中子环境，同时用于评估中子产生 的辐射剂量，随着人类足迹的延伸，中子探测仪器又被赋予了新的意义，即通过 探测中子来判断氢元素的存在，进而判断行星表面或者地表下是否有水冰的存在。 一般说来，很多行星周围没有稠密大气，当宇宙射线撞击行星时，行星地表中就 会释放出强度很高的中子流。这些中子在穿越行星的近地表层时，会与近地表层 中各种元素的原子核发生碰撞。水中富含氢原子，当中子撞到氢原子核时，中子 的动能就会降低。与此同时，中子还会释放出部分热能。如果中子探测仪具有极 高的灵敏度，能够探测出火星地表中子流的动能差别，并捕捉到中子释放出的热 能，就能进而判断出水的存在。水冰是人类生存的必要条件之一，它也是人类迈 向外太空最为关注的课题之一。伴随人类不断的向深空探索，作为寻找水冰手段 的中子探测技术，将有其广阔的应用需求。 （3）地球辐射带和宇宙射线中的高能带电粒子与物质作用产生的二次中子是 载人航天器、空间站、卫星内部辐射剂量的一个重要部分。大气中的反照中子和 高能粒子与航天器物质作用产生的二次中子，是航天器内部中子的两个主要来源。 中子是不带电的中性粒子，与其它类型的辐射相比，它穿过人体组织的能力更强。 而且还能对人体造成很多危害，包括神经损伤，白内障和致癌，还能够影响血液 和骨骼中的矿物质含量。因此，随着我国航天事业的发展，载人航天的逐步深入， 航天员的安全保障将是未来很重要的关键技术，所以做好空间中子的测量是我国 载人航天重要的研究内容。 国际上开发星载中子探测仪器已有四五十年的历史，我国目前在这个领域几 乎还是一片空白，开发星载中子探测仪器将实现我国零的突破。研究中子探测技 术，将其作为技术储备，对日后星载中子探测仪器的应用和发展都具有重要意义。 然而，尽管中子探测技术在国民经济生活的各领域已经取得了非常广泛的应 用，但始终存在着一大制约因素中子与 射线的甄别问题。由于中子与周围 环境的非弹性散射、慢化中子的辐射俘获等原因，存在中子的场合，几乎都伴随 着大量的 射线本底， 而中子探测器对 射线又是灵敏的， 所以在探测中子时必须 进行中子与 射线（neutrons and -rays, n/）的甄别，排除 射线的干扰。因此， 对 n/ 甄别方法进行研究，排除中子探测技术应用中的这一重大限制因素，对中子 探测技术的应用发展以及星载中子探测仪器的开发都具有重要意义。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 1.2 国内外研究现状与发展趋势 1932 年，英国的物理学家 james chadwick 通过实验发现了中子的存在，根据 质谱仪测得的数据推算出了中子的精确质量为 1.0067（原子质量单位），并对中 子的性质进行了详尽的分析。他因此于 1935 年被授予诺贝尔物理学奖。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 4 页 由于中子本身不带电，并具有极强的穿透力，就像一把钥匙一样打开了原子 核的大门，所以吸引了众多科学家纷纷投身到中子科学领域。而中子的获取、中 子特性的研究与中子的应用皆以中子探测为前提，故中子探测技术更是得到了科 学家们的高度重视。 20 世纪 50 年代，brockhouse 发明并构建了三轴中子谱仪，并首先在加拿大 chalk river 核实验室获得应用。利用该谱仪，实验者可以通过来自 chalk river 反 应堆的中子，探测固体中声子能量对波矢的依赖关系，即色散关系。另一种中子 探测仪器中子飞行时间谱仪也是由 brockhouse 首先构建的。 因此， brockhouse 被公认为各种中子谱仪的先驱。此后几十年间，中子探测技术得到了广泛而深入 的研究，各种中子探测仪器也纷纷面世，但都是基于模拟技术的研究。直至 20 世 纪 90 年代初，国外出现了第一个基于数字信号处理的中子谱仪，但当时受信号处 理器处理速度和处理方法的限制，和传统谱仪相比并没显示出很大的优势。近年 来，随着数字信号处理器(dsp)处理速度的大幅度提高，高速模数转换器(adc)的 出现，现场可编程门阵列(fpga)的高速发展，使得实时大数据量的信号处理得到 快速的发展。因此，同传统中子谱仪相比，基于数字信号处理的数字化中子谱仪 的优势日益凸显，中子探测的效率得到了很大的提高。目前，国外有著名的 canberra 公司和 ortec 公司生产数字化中子谱仪，经过十几年的发展目前已 经初步实现了商品化，经过和传统中子谱仪各方面性能的对比，它的性能已经明 显的优于模拟谱仪了。 在中子探测方面，数字化已经成为主流技术，取代了传统模拟探测技术的主 导地位。为此，国外对数字化中子探测相关技术开展了大量的研究工作： nreguigui 等人对几种不同核数字系统和模拟的性能(包括计数率、系统的 输出率、计数损失、死时间和脉冲堆积等)在相同条件下进行了研究比较，得出数 字核系统的性能参数优于模拟系统的结论1。rabbiati 等人对核信号数字处理方 法中的基线恢复做出了初步的研究，在文章中分析了基线波动的原因，提出了一 种数字基线恢复的方法2。jbasilio simoes 等人对一种数字化系统的死时间进行 了分析，研究了死时间对输出的影响，给出了这种系统的死时间分析模型，采用 专门的软件分析比较了传统谱仪和数字谱仪的死时间3。marrone 等人首先提出了 对于中子探测中常出现的脉冲堆积情况的判别以及处理方法4。此后 f.belli 等人 补充并完善了这种方法5。 作为中子探测的关键技术，n/ 甄别方法更是得到了深入而广泛的研究。传统 的 n/ 甄别主要采用脉冲上升时间法、 过零时间法和电荷比较法等基于模拟技术的 方法，需要专用的电子插件，具有电路实现复杂、脉冲通过率低以及稳定性差等 缺点。虽然传统方法的 n/ 甄别性能不如数字化甄别方法，但在一般的应用场合中 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 5 页 也能够得到比较满意的结果，所以依然在使用之中。目前采取的 n/ 甄别方法主要 是数字化脉冲形状甄别法(pulse shape discrimination, psd)，即通过中子和 射线 在中子探测器内产生的不同的脉冲形状来判断粒子的类型。例如，mellow 等人于 2007 年提出了脉冲斜率法(pga)， 大大提高了中子和 射线甄别的速度， 且实现方 法十分简单6。s.yousefi 等人于 2009 年提出应用小波变换对脉冲形状进行甄别的 方法，是首次基于频域特征的 psd 法7。与之前基于时域的 psd 法相比，该法具 有较强的抗噪声能力，是一种性能更好的 psd 法。这些数字化方法充分利用高速 adc、dsp、fpga 等数字器件完成滤波成形、基线恢复、极零补偿以及脉冲幅度 分析等功能，与模拟方法相比省去了大量的硬件部分，且大大提高了 n/ 射线甄别 的速度和精度。毫无疑问，数字化将成为 n/ 甄别方法发展的主流趋势。 在国内，对中子探测仪的研制大多数还停留在模拟的技术阶段，相关的商品 化的数字化中子探测仪少有报道。但是数字化中子探测技术的重要性已经为很多 人所认识，因此在理论方法上国内对此开展了一定的研究。中国原子能研究所、 清华大学、四川大学等单位较早开展中子探测方面的工作，但目前均处于起步阶 段。肖无云、魏义祥和艾宪芸等对数字核系统的核心部分数字化多道分析部分展 开了深入细致的研究，介绍了数字化核脉冲处理技术，如数字滤波成形技术、数 字基线估计技术、数字极零补偿技术。同时设计了数字系统的结构，硬件芯片的 要求8。王永刚对核信号的在 dsps 中的处理方法进行了研究，对核信号处理的数 字积分、核寻峰、波形拟合等进行研究，同时对信号的采样存储进行介绍9。张软 玉、陈世国和罗小兵等给出了核信号分析的基本方法，在给定硬件条件下给出了 一种极零补偿、基线恢复、脉冲成形和幅度分析方法，提出了一种针对核信号噪 声处理的方法并进行了实验验证10。 1.3 论文的主要研究工作和内容安排 1.3 论文的主要研究工作和内容安排 1.3.1 主要研究工作 论文提出了一种基于模糊聚类分析的中子与 射线甄别方法，主要研究工作 有以下几个方面： （1）对模糊聚类分析理论进行了深入的研究，详细推导了模糊 c 均值聚类算 法的分析求解过程，并给出了模糊 c 均值聚类算法的步骤。 （2） 针对液体闪烁体探测器的特性， 建立了粒子脉冲信号的模型， 对基于 fcm 聚类的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法开展仿真研究。对仿真结果的分析表明，该 甄别方法取得了令人满意的 n/ 甄别效果，在信噪比小于 12db 的信号环境下错甄 率保持在 1%以下。但是随着探测器输出信号信噪比的降低，该甄别方法的错甄率 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 6 页 也随之增加。 （3）设计了用于 n/ 甄别中的最佳滤波方法。通过综合比较基于 fcm 聚类的 液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法在 flp 自适应滤波、小波变换阈值滤波以及滑动 平均滤波这 3 种不同滤波条件下的 n/ 甄别性能，设计了 25 点的滑动平均滤波方 法，很好地消除了粒子脉冲信号中的高频干扰。 （4）在不同的权重指数 m 值下，对基于 fcm 聚类的 n/ 甄别方法的甄别效果 进行比较，以确定 fcm 算法中的最佳权重指数 m。 （5）构建中子探测平台，采集了环境中子和 射线，然后分别采用本文提出 的基于 fcm 聚类的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法以及国际上通用的甄别性能最 好的 n/ 甄别方法之一pga 法进行 n/ 甄别。对比二者的实验结果表明，基于 fcm 聚类的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法取得了与 pga 法相近的结果，同时降 低了不确定度，提高了甄别性能。尤其是在存在小幅度脉冲的场合中，基于 fcm 聚类的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法取得了比 pga 法更好的甄别效果。 （6） 通过对大量的粒子脉冲数据的聚类分析， 确定了中子和 射线的聚类中心， 最后实现了实时的 n/ 甄别。 1.3.2 论文内容安排 全文共分为 5 章，各章的组织关系如图 1.1 所示。 第一章，首先介绍了课题的研究背景及意义，然后综述了数字化中子探测技 术尤其是 n/ 甄别方法的国内外研究现状与发展趋势， 最后介绍论文的主要研究工 作和内容安排。 第二章，首先简单介绍了中子的性质、分类以及中子探测的原理和方法，然 后阐述了液体闪烁体探测器的组成、工作原理和主要特性，最后总结了几种常见 的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法。 第三章，首先概述了模糊聚类分析的相关理论知识，并详细推导了模糊 c 均 值聚类算法的分析求解过程，给出了模糊 c 均值聚类算法的步骤，最后建立了粒 子脉冲信号的模型，对基于 fcm 聚类的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法开展了仿 真研究，并对仿真结果进行分析。 第四章，基于 fcm 聚类的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法的具体实现。首先 构建了中子探测平台，采集了环境中子和 射线，然后对粒子脉冲信号进行标准 化和滤波处理，采用基于 fcm 聚类的 n/ 甄别方法判别粒子类型，并对甄别结果 进行验证与分析。最后，实现了实时的 n/ 甄别。 第五章，总结了本文的工作，并展望进一步的研究方向。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 7 页 图 1.1 论文组织结构图 总结 仿真 实验 理论 基础 总领 全文 第一章 绪论 第二章 中子及中子探测基础理论 第三章 模糊聚类分析 第四章 基于 fcm 聚类的液体闪烁体 探测器 n/ 甄别方法的实现 第五章 总结与展望 应用 及验证 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 8 页 第二章 中子及中子探测基础理论 自中子被发现至今几十年间，中子和中子探测技术得到了广泛而深入的研究。 在中子探测领域，液体闪烁体由于具有良好的时间响应特性和 n/ 甄别性能，且易 于制备成各种形状和大小，被广泛地应用于 n/ 混合场中的中子探测11。本论文所 进行的 n/ 甄别方法研究正是采用了这种液体闪烁体探测器。 本章将首先简单回顾中子的基础理论以及中子探测的原理和方法，然后阐述 液体闪烁体探测器的组成、工作原理和主要特性，最后讨论 n/ 甄别的基本原理， 并综述几种常见的液体闪烁体探测器 n/ 甄别方法。 2.1 中子的基础理论 2.1 中子的基础理论 中子的发现是原子核物理发展及其应用发展史上的一个里程碑。翻阅历年诺 贝尔物理奖与化学奖清单时， 可以看到中子与很多奖项有关。 从1935年j chadwick 因发现中子获奖到 1994 年 b.n.brockhouse 与 c.g.shull 因发展中子散射的应用而 获奖，共有七项直接或间接地与中子有关，学科领域涉及到核物理、核化学、天 体物理及技术应用。然而，科学家们从未停止探索中子世界的脚步，对中子的认 识正日益加深，中子理论也日臻完善。 2.1.1 中子的性质 中子是组成原子核的核子之一。中子呈电中性，其质量为 1.674928610-27kg， 比质子的质量稍大，自旋为 1/2，磁矩以核磁子作衡量单位为-1.91304275。 自由中子是不稳定的粒子，可通过弱作用衰变为质子，放出一个电子和一个 反电子中微子，平均寿命为 896 秒。中子是费米子，遵从费米狄拉克分布和 泡利不相容原理。中子和质子是同一种粒子的两种不同电荷状态，其同位旋为 l/2， 中子的同位旋第三分量 i3=-1/2。中子是组成原子核和构成化学元素不可缺少的成 分，虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的，但是如果没有中子，由于 带正电荷质子间的排斥力，就不可能构成除氢之外的其他元素。在轻核中含有几 乎相等数目的中子和质子；在重核中，中子数则大于质子数，例如铀中共有 146 个中子和 92 个质子。对于一定质子数的核，中子数可以在一定范围内取几种不同 的值，形成一个元素的不同同位素。中子不带电而具有磁矩。高能电子、 子或中 微子轰击中子的散射实验显示中子内部的电荷和磁矩有一定的分布，说明中子不 是点粒子，而具有一定的内部结构。中子是由 3 个更深层次的粒子夸克构成 的。中子是研究核反应很好的轰击粒子，由于它不带电，即使能量很低，也能引 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 9 页 起核反应。中子还在核裂变反应中起重要作用。电中性的中子不能产生直接的电 离作用，无法直接探测，只能通过它与核反应的次级效应来探测。根据微观粒子 的波粒二象性， 中子具有波动性， 慢中子的波长约 10-10m， 与晶体内原子间距相当。 2.1.2 中子的分类 由于不同能量的中子与原子核作用时具有不同的特点，所以通常把中子按能 量的大小进行分类12。 （1）慢中子 能量在 01kev 区间的中子，称为慢中子。与其他能量区域相比，对中子在该 能区的特性研究得比较详细。慢中子与重核相互作用的突出特点，是存在明显的 共振吸收，对能量很低的中子吸收截面很大。与物质晶格结构相关的效应也属于 这一能区。慢中子被研究的比较详细的一个特殊原因是研制成功了一种能将某一 能量的中子分离出来的装置中子单色器。这种装置具有很高的能量分辨本领， 因而对被研究的某种效应与中子能量的依赖关系，可以测量得很精细。 慢中子通常又被分为以下几个能区： 冷中子： 这是中子能量低于 0.002ev 的特殊的慢中子的能区。 冷中子的突出 特性是具有穿透晶体或多晶体物体的超常穿透力。获得冷中子的方法主要是借助 于慢中子相干散射，由布拉格定律 2 sinnd= (2.1) d 为散射体的晶格常数。可知，只有波长入小于或等于 2d 的中子才能被晶体 反射出来。式中， 是掠射角。透过晶体的中子，其波长皆大于 2d。如果将中子 束射向多晶体石墨柱体，由于石墨 8 26.7 10 cmd =，透射中子最大能量的估算值 等于 0.002ev。 热中子：慢中子在微弱吸收中子的介质中扩散，达到热平衡状态时，其速 度分布服从麦克斯韦分布 2 2 d ( )exp()d 2 mv n vavv kt = (2.2) 式中 a 为介质的原子核核质量数，v为中子速度，m为中子质量，k为波尔兹 曼常数，t为介质的绝对温度。该分布的极大值对应的中子能量为 e=kt (2.3) 在温度为 20时，能量约为 0.025ev。速度分布近似麦克斯韦分布的中子，称 为热中子。 超热中子：在介质扩散，但尚未与介质分子达到热平衡状态的慢中子，称 为超热中子。与处在热平衡状态、符合麦克斯韦分布的热中子相比，超热中子的 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 10 页 速度分布中，高能部分的中子出现盈余。通常，超热中子的能量超过 0.5ev。 镉上中子：在许多慢中子实验中，有时需要把热中子与较高能量的中子， 如超热中子分开。为此而借助强烈吸收热中子的镉层。穿过镉吸收层的那部分中 子(能量大于 0.30.5ev)，称为镉上中子。 共振中子：能量在 1ev100ev 间的慢中子称为共振中子。其主要特征是重 核吸收该能区的慢中子时，其吸收截面存在共振峰。 （2）中能中子 通常将能量在 1kev0.5mev 间的中子称为中能中子。对于该能区的中子，典 型的相互作用是弹性散射。对该能区的中子的研究工作开展的很少，主要原因是 没有合适的中子源，也缺少相应的中能中子探测器。 （3）快中子 能量在 0.5mev 至 10mev 间的中子称为快中子。快中子能区的主要特征是出 现大量的核反应。对于能量较低的中子，这些核反应是不可能的。快中子引起的 核反应中，最重要的是非弹性散射。虽然与慢中子相比，有关快中子实验的方法 还不够完善，但对快中子的研究已相当详细。 （4）特快中子 能量在 10mev 至 50mev 间的中子称为特快中子。特快中子的主要特征也是 导致大量的核反应的出现。但与快中子不同，该能区的中子核反应释放大量的粒 子，如(n,2n)型核反应。因缺少合适的特快中子源，所以有关该能区中子的研究成 果