随着数字脉冲形状判别（pulse shape discrimination，PSD）技术方法^[1]和数字化采样技术（digital sampling technique）^[2]的发展，高速读出电子设备在放射性核素测量方面也得到了较多的应用^[3-7]。相比于传统模拟电子学插件，作为复杂信号高性能和高精度的波形数字化采样设备，数字化仪具有较大的优势和较高的灵活性，并可实现以下功能：①进行多信号多通道同步采样，可有效避免电子学通道一致性问题；②通过数值算法实时对时间、脉冲形状、能量、幅值等相关信息进行提取与处理，并可实现离线分析；③通过不同的参数设置对采集到的波形图、能谱图进行更深层次的信号成分以及采集原理分析。

本研究基于中国计量科学研究院的多丝正比计数器2πα、2πβ粒子发射率基准装置^[8]，以数字化仪代替单道脉冲分析器、死时间控制器、定时计数器等传统模拟电子学插件，实现α、β平面源表面粒子发射率的绝对测量，并将数字化测量结果与电子学测量结果进行比对分析，验证数字化仪对α、β信号采集与处理的可行性、有效性和准确性。

1 材料与方法 1.1 实验装置

无窗多丝正比计数器2πα、2πβ粒子发射率绝对测量装置探测器的有效面积为340 mm × 240 mm，阳极电镀钨丝的直径为20 μm，在腔室内间隔25 mm均匀排列^[9]。除了大面积无窗流气式多丝正比计数器气体探测器，发射率测量装置还包括工作气体P10（90%氩气和10%甲烷）供应单元、高压电源（ORTEC 556）、前置放大器（Canberra 2006）、主放大器（ORTEC 672）、单道脉冲分析器（ORTEC 550A）、死时间控制器（ORTEC 416A）、定时计数器（ORTEC 996）等NIM插件，详细的检测器和信号处理系统可见文献^[10]。实验所测量的源为活性区为100 mm × 150 mm的大面积α、β平面源，α核素²⁴¹Am；为了验证数字化采样系统对不同能量幅度的β信号的采集和处理能力，β核素采用覆盖低、中、高不同能量的β平面源，分别为¹⁴C、³⁶Cl和⁹⁰Sr-⁹⁰Y混合源。

数字化仪为CAEN生产的DT5730，其容纳了一个8通道14-bit、采样速率为500 MS/s的ADC数字转换器，在单端MCX同轴连接器上具有2 V_pp或0.5 V_pp的输入动态范围^[11]。通过流气正比计数器，带电粒子产生的脉冲信号经过前置放大器和主放大器处理后，送入数字化仪。数字化仪将输入的模拟信号按照一定的采样速率采样，每次采样通过把模拟信号阈值或积分值和数字化仪内部的位数比较器对比并转换成数值，其数值序列就代表了所要采集的信号^[12]。获取的信号波形可在数字化仪内部利用数字算法实时进行信号处理，也可以将波形和能谱图传到电脑利用上位机数据处理软件进行分析，最终得到α、β平面源表面粒子发射计数率。

数字化仪上位机数据处理软件是由中国计量科学研究院电离活度室自行开发的计数处理分析软件。其主要功能为：①具备多道分析器的幅度分析功能；②自由选择道址，提取对应区间的积分计数；③可采用扩展死时间和固定死时间模式，对信号记录过程中的死时间进行修正。

本次实验测量装置简化结构示意图见图1。

1.2 实验条件设置 1.2.1 工作电压

高压坪特性是衡量流气正比计数器性能的重要指标^[13]。为选定合适的工作电压，得到稳定、准确的计数率，用²⁴¹Am和³⁶Cl平面源分别测量了本次实验的α、β高压坪曲线：α坪区为450～700 V，该范围的线性拟合斜率约为3.0%/100 V；β坪区为1 600～1 850 V，该范围的线性拟合斜率约为3.2%/100 V。在坪区范围内，选取α工作电压650 V，β工作电压1750 V。

1.2.2 下阈值设置

根据ISO 8679建议^[14]，采用大面积多丝正比计数器进行α、β表面粒子发射率测量，电子学下阈值的设置原则为：对α测量，下阈值设置在噪声幅度之上即可；而对于β测量，通过测量⁵⁵Fe源的 5.9 keV X射线能谱，取1/10位置为下阈值，即0.59 keV对应的脉冲幅度。为此，在α、β工作电压下，使用ORTEC 885成型放大器将脉冲信号幅度放大至100倍，用多道脉冲分析器分别获取了²⁴¹Am噪声幅度谱和⁵⁵Fe的X射线能谱，并确定了α测量条件下电子学下阈值为200 mV，通过公式1）计算数字化阈值约为1640 Lsb（Least significant bit）。

$ \frac{B}{16384}\times {V}_{pp}=A $

(1)

式中B为数字化仪阈值，单位为Lsb；16 384为数字化仪最高道址数；V_pp为数字化仪的输入动态范围；A为电子学阈值，单位为mV。

β测量条件下，5.9 keV的X射线全能峰为1 640道，取1/10位置对应的道址为164道，根据道址与幅值刻度定义脉冲幅度为211 mV，由图2所示，明显超过噪声幅度。为保持实验条件一致性，设置β测量条件下电子学下阈值也为200 mV。

此外，为测试数字化仪在低阈值测量时的准确性，对数字化仪还设置了300 Lsb低阈值，数字化采样能谱图包含部分噪声信号，后续通过计数率处理软件扣除噪声。如图3，左侧峰为噪声峰，右侧为²⁴¹Am能量峰。

1.2.3 死时间

根据数字化仪上机位计数分析软件，设置固定死时间为20 000 ns，即20 μs。计数分析软件死时间修正原理为设置的死时间数值只要大于系统固定死时间，即可对计数进行修正，且通过多次设置不同死时间发现，在一定的范围内（如20～30 μs），计数基本无波动。

为了与电子学插件模式下的计数率进行对比，实验中采用ORTEC 416A插件来设置电子学测量的死时间，将系统固定的死时间设定为5 μs。并根据式2）^[15]对电子学计数器的测量计数率死时间进行修正：

$ N=\frac{{N}_{1}}{1-\mathrm{\tau }{N}_{1}} $

(2)

其中 ：N 为考虑死时间修正后计数器的实际计数率；N₁为计数率测量值；τ为设置的死时间，单位为μs 。

2 结　果 2.1 阈值以上计数率

①在650 V工作高压和1 750 V工作高压、放大倍数100倍、死时间20 μs、阈值300 Lsb和1640 Lsb条件下，对²⁴¹Am、¹⁴C、³⁶Cl和⁹⁰Sr-⁹⁰Y 4个平面源进行数字化测量，单次测量时间为120 s，测量结果列于表1和表2。

②在650 V工作高压和1 750 V工作高压、放大倍数100倍、阈值200 mV、死时间5 μs等条件下，对²⁴¹Am、¹⁴C、³⁶Cl和⁹⁰Sr-⁹⁰Y 4个平面源进行电子学测量，单次测量时间为100 s，测量结果列于表3。

2.2 本底计数率

不放置平面源，放置与平面源大小一致、材质类似的平面盘，保证与测量平面源相同实验条件下测量 α、β计数率，以此作为系统的本底计数率。测量结果的统计涨落不确定度控制到不超过 1%（k = 1），即总计数达到 10 000以上。数字化仪在300 Lsb阈值α本底计数率为11.2 s⁻¹，β本底计数率为23.3 s⁻¹；数字化仪在1640 Lsb阈值α本底计数率为0.23 s⁻¹，β本底计数率为13.5 s⁻¹；电子学α本底计数率为0.26 s⁻¹，β本底计数率为15.8 s⁻¹。

2.3 计数率修正与结果比对

结合上述数字化仪和电子学测量计数率，对死时间、本底计数率、放射性核素衰变进行修正，得到测量比对分析结果如表4。

由表4可以看出，在相同阈值情况下，电子学和数字化仪对α、β平面源测量结果相对偏差均在0.6%以内，在不确定度范围内相一致；在300 Lsb时，对β平面源测量结果相对偏差较大。具体原因可能是由于阈值设置较低时，数字化仪会采集较多的振荡信号，如图4，在蓝色基线以上的波动信号会被采集下来。且在长门（红色）的采集时间内，死时间会导致采集到的真实信号减少，从而导致实际计数率减少，产生较大的偏差。从图5能谱图中亦可看出，在噪声附近存在着较多的计数，与上述原因分析一致。

3 讨　论

本实验基于2πα、2πβ多丝正比计数器气体探测器，利用数字化仪和传统模拟电子学插件分别对²⁴¹Am、¹⁴C、³⁶Cl和⁹⁰Sr-⁹⁰Y等不同类型、不同衰变能量的平面源表面粒子发射率进行测量。结果表明：相同阈值条件下的测量结果相对偏差均在0.6%以内，在不确定范围内一致，验证了数字化仪在放射性核素测量方面的有效性和准确性；且¹⁴C（156.5 keV，100%）、³⁶Cl（709.5 keV，98.1%）和⁹⁰Sr-⁹⁰Y（2.3 MeV，99.98%）3个源分别代表了低能、中能、高能的β源，说明数字化仪的应用具有一定的适用性和普遍性；但在低阈值测量条件下，数字化仪测量存在一定的误差和局限性，不能通过扣除本底的方式剔除小幅度震荡信号对计数率测量结果的影响。

在放射性核素测量方面，代表着电子学最新进展和技术的数字化仪正逐步替代传统模拟电子学插件。数字化仪可实时对不同脉冲的形状、时间、幅值等相关信息进行提取与处理；也可将脉冲高度和时间信息以列表模式记录下来，并将这些信息记录在基于FPGA（field－programmable gate array）的设备中，通过特定的上位机软件进行离线处理。这2种方式都有各自的优势，实时状态下可以及时发现测量过程中的异常信息，并提供了一个能够报告的系统；离线处理模式不仅可以获得测量的估算值，还可以将估算值的整个数据集提供给其他人员进行核查与验证，拥有较大的自由度。且FPGA算法和软件分析程序可以随时进行编程，对所需信息进行提取，而不需要购置额外的硬件，这也是数字化仪的优势所在。