累计电离室输出信号统计涨落地研究
作者:admin
发布日期:2020-01-02

       

  (北京清华大学棱艟技术设计研究院.102201) 摘要:本文从理论上阐述了累计电离室输出信号的统计涨落与前放的时间常数采样间隔迭加次数的关系。并对60Co 集装箱检测系统信号的统计涨落进行了分析。 关键词:电离室,统计涨落,钴-60 一引言 在…。co集装箱检测系统进行检测时,信号的统计涨落和线路的电子学噪声与系统的性能指标密切相关。 在电子学噪声一定的情况下,进一步减少统计涨落的影响有助于提高系统的性能指标。一般情况下.我们 采用多次采样取平均得到一个象素值的方法来减少统计涨落的影响后,但是。我们发现信号的统计涨落并 不随着获得一个象素的迭加次数M的增多而一直减少,它不仅与采样间隔Ts有关,还和前放的时间参数 t有关。 因此,仔细研究迭加次数M、采样时间间隔Ts和前放时间常数t之间的关系,对系统进行最佳设计, 可以进一步提高图象质量。 二理论分析 由于微观世界的统计概率特性,任何辐射测量过程都涉及统计涨落问题。辐射测量,从本质上讲,就 是对随机变量的测量。辐射强度测量也是如此,下面以集装箱检测累计电离室为例介绍所涉及的统计涨落 问题。 1、核衰变数的涨落 设某放射源具有N。个放射性原子核,衰变常数为^,则经过单位时间1秒钟发生衰变的原子核数平均 在绝大多数情况下,11一g“J是非常小的,即放射源的半衰期要比1秒钟长得多,这样其平均值 近似为:N=No^.相对均方差为:y。=1/、/ 2、电离过程的涨落 入射带电粒子穿过探测器所产生的离子对数的平均值为:元=e/w,E为入射带电粒子在气体中 损耗的能量,w是平均电离能。 离子对数亓遵守法诺分布,其相对均方差为v..=F/亓,F为法诺因子。 3、累计电离室前放输出信号的统计涨落 由于射入电离室的辐射粒子数及入射粒子所产生的离子对数也是涨落的,因此累计电离室的输出信号电流 是涨落的,经前放输出的电压信号V也是涨落的,其平均值 其中,厨表示单位时间射入电离室灵敏体积的带电粒子数,亓为一入射带电粒子所平均产生的离子对数.e为单位电荷,R为输出回路的高阻值。其相对均方涨落为 2RCW式中,Rc为输出回路时间常数,F为法诺因子.由于F小于l。亓远大于1,所以 王立强.男,3l岁.助研.硕士:安继刚.男.63岁,研究员.博导;并上玉t男 蚰岁.高掘工程师 7I 4、统计涨落与前放的时间常数、采样间隔、迭加次数的关系理论假设 对于60Co集装箱检测系统,每获得一个象素值是通过在一定的时问T内多次采样进行迭加再求得的 平均值。 设在空载条件下前放输出信号为x(t).它是随时间变化的随机量,其平均值和相对均方差可以由上 面的公式(1)和(2)求得,设其平均值为i,方差为万2。 如果对x(t)进行采样 采样间隔为Ts,得到x。n=1.2,3……,由于前放及电离室回路有一定的 时问常数t,因此x..之问具有一定相关性。 下面进行如下假设: IX 、X,之间的相关系数p.,=p”,j大于i,P为相临两个采样点之间的相关系数。 则可以推出xi、xj之间的协方差为Coy(x,,xj)=p”^2。 2p与Ts和T有关,且P的绝对值小于l,当Ts越大,t越小,相关系数P越趋近0;当 Ts越小,t越大,相关系数p越趋近I。因此可以假设p=e”“.I为修正系数. 设每获得一个象素值迭加m次取平均得到xm(k) Xm(k)=(Xm,+XI2+…‘+X)/m 如+z一2)p2+2一3加,+…..+2P一】c。)当P=O时,xm的方差为x的分之一;当p=1时,xm的方差与x的一样。 三实验结果分析 由于系统前置放大器的时阃常数t=25ms,为一恒定值,因此在实验中,我们通过改变采样时间间 隔Ts和迭加次数m分别对电离室空载信号进行铡量,实验结果如下; 空载信号方差随采样时间间隔Ts和迭加次数m变化的关系表Ts=50ms Ts=25ms Ts=12.5ms Ts=6.25ms Ts=3.125s O.729%0.739% 0.703% 0.728% 0.707% Vxl O.554%0.591% 0.668% 0.692% 0.692% Vx2 0.39%0.463% 0.585% 0.667% 0.695% Vx4 14--8 0.278% 0.35% 0.45% 0.568% 0.615% Vx8 斫=16 0.195% O.242% O.34s% 0.461% O.57096 Vxl6 M=32 0.12腓 0.163% 0.217% O.342% 0.446% Vx32 14--64 0.096% 0.115% 0.155% 0.218% 0.337% Vx64 由上面的假设推导可知,当m=l时,Vxl与Ts无关,从实验结果看也相差不大。可以认为 VxI=0.72 L0.015。 在假设中,如果E取l,t取25毫秒时,则在不同采样间隔下相关系数如下表: ‘取l,则在不同采样间隔下相关系数表Ts(毫秒) 50 25 12.5 6.25 3.125 相关系数p 0.135 0.368 0.606 0.779 0.882 根据公式(3).Vxl取0.721%, 理论计算不同迭加次数,不同采样时问间隔的统计涨落数据如下表 理论计算方差随采样时间间隔Ts和迭加次数m变化的关系表Ts=50ms Ts=25ms Ts=12.5ms Ts=6.25ms Ts=3.125rns O.721%0.721% 0.721% O.721% 0.721% Vxl 0.543%0.596% 0.646% 0.680% 0.699% Vx2 0.399%0.472% 0.557% O.62矾 0.669% Vx4 M--8 0.287% 0.355% 0.450% 0.547% 0.620% Vx8 M216 0.205% 0.258% 0.341% 0.445% 0.544% }Vxl6 M=32 0.145% 0.185% 0.250% 0.338% 0.443% Vx32 M=64 O.103% O.132% 0.179% 0.248% 0.337% Vx64 +2图1Ts=50毫秒时.不同迭加次数下理论估算与实际测量的统计涨落对比 在对比图中,设迭加次数为M,则横坐标为N,N与M的关系为M=2“”.1为理论计算值,2为实 际测量值.可以看出二者是非常相近的。 从以上分析我们可以得到以下结论: 1)在Ts一定时,统计涨落随迭加次数的增加而降低。 2)在迭加次数一定时,Ts越大,统计涨落越小。 3)在kl*Ts一定时,统计涨落随Ts的减少而降低,但T、; ‘定程度后,统计涨落减低很慢。

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