中子探测技术在国防、核电、医疗、材料、核安全、环保和核物理学研究等领域中得到了长足的发展,对我国国家安全、经济发展以及技术的进步起到重大作用。然而,无论是在核物理中子实验中,还是在国防、医疗、工业和空间科学等领域的中子探测过程中,由于中子与周围环境存在非弹性散射及慢中子的辐射俘获等相互作用,伽马射线总是与中子相伴存在,而且对中子灵敏的探测器对伽马射线也很灵敏,使得中子和伽马射线难以区分。因此,如何从中子-伽马混合辐射场中甄别中子和伽马射线是中子探测的一个关键问题。脉冲形状甄别是提高中子探测效率的重要方法,并作为评价中子探测器性能的重要指标,在中子探测技术的发展过程中,起到了至关重要的作用。伴随着探测器甄别性能的不断改进和数字化甄别方法的不断更新,使得中子-伽马甄别能力得到不断提升。然而,在脉冲形状甄别过程中,需要保证探测器输出的原始脉冲的形状在采集和传输过程中不能发生改变,由此对中子-伽马甄别设备的进步与发展提出了严峻的挑战。同时,尽管中子-伽马甄别方法日新月异,但是不同方法之间的差异性、准确性和实用性等都亟需考证研究,尤其是可应用于实时脉冲形状甄别分析仪中的甄别方法研究。针对复杂放射性环境下中子-伽马甄别的特殊需求,从进一步提高中子-伽马甄别能力为出发点,以中子-伽马甄别方法为指导,结合当前波形数字化技术在粒子物理实验中的优势,基于新型塑料闪烁体,围绕中子-伽马甄别方法研究与仪器开发中的关键技术问题,开展主要研究内容如下:(1)选择EJ-276塑料闪烁体探测器作为研究主体,搭建中子-伽马甄别实验装置,在中子-伽马混合辐射场中获取中子-伽马测试数据,并将获取的核脉冲信号进行预处理,以满足中子-伽马甄别方法的需求。在预处理过程中,针对中子-伽马脉冲堆积问题,提出了一种基于卡尔曼滤波的脉冲堆积修正方法,并开展其原理研究和仿真研究,验证了该方法的可行性和有效性,分析了该方法实现中子-伽马脉冲堆积的修正效果,讨论了该方法对中子-伽马甄别性能的影响。(2)提出了基于卡尔曼滤波和分形频谱的中子-伽马甄别新方法,并分别构建了两种方法的数学模型。在相同测试数据情况下,通过两种方法分别实现了中子-伽马的脉冲形状甄别。并引入数字化电荷比较法和脉冲梯度法进行对比分析,评价了四种甄别方法甄别能力的差异性、有效性和实用性。同时引入高频噪声,探讨了四种方法的抗噪能力。(3)基于波形数字化技术实现了中子-伽马甄别分析仪的硬件研制。采用高集成、低噪声电源管理方案为系统提供干净高效的供电电源;研制电流型前置放大器,解决电流信号到电压信号的稳定转换;利用高带宽、低噪声放大器实现中子-伽马脉冲信号的调理,保证其带宽高和时间响应快的信号特征;以高采样率、高分辨率ADC为核心设计高速采集卡,并通过FMC接口与高性能FPGA开发板相结合,实现对核脉冲信号的采集与处理;通过对信号采集卡的PCB走线模型仿真和性能评估,全面分析了系统硬件设计的正确性和可行性。(4)基于高性能FPGA实现了中子-伽马脉冲信号处理。开发FPGA逻辑程序,针对时钟芯片AD9523、高速采集芯片AD9680和高速串行JESD204B协议进行配置,完成了脉冲数据流解析、脉冲识别、数据存储和脉冲甄别参数提取等功能,实现了高速核信号的数据采集、缓存和信号处理。同时,开发上位机软件,并通过异步串口与上位机进行通信,实现对数据采集系统的控制、测量数据的接收、甄别数据的显示等功能,上位机软件可以进行核脉冲信号的实时采集,并能够绘制和显示中子-伽马甄别效果图。研究中的主要创新点如下:(1)提出一种基于卡尔曼滤波的脉冲堆积修正方法,该方法能够实现较好的中子-伽马脉冲堆积修正效果,能够提升中子-伽马甄别性能,具有优异的抗噪能力。(2)分别提出基于自适应卡尔曼滤波法和分形频谱法的中子-伽马甄别方法,与传统的电荷比较法和脉冲梯度法相比,均能展现较好的甄别性能和抗噪能力。自适应卡尔曼滤波法甄别效果最好,分形频谱法的抗噪能力最好。(3)提出一种基于波形数字化技术的脉冲形状甄别分析仪设计方法,将高速ADC、高速串行传输协议JESD204B与高性能FPGA应用于脉冲形状甄别的精准测量,可提高系统的采样性能和测量精度,提升中子探测设备的智能化水平。