（粒子物理与原子核物理专业论文）国产1600型挖泥船产量测试系统研制.pdf

摘要 论文摘要 y 砧s 功7 本论文主要讨论了挖泥船产量计的设计和调试，主要包括三 个方面。 首先是系统前端的设计。f 包括：放射源的选择，探测器的选 择，前置放大器的设计，高压电源的设计。论文中对这几项进行 了分析，然后给出我们所采用的方案。； 其次是系统的硬件和软件设计。对于这套应用于1 6 0 0 型挖 泥船的产量计，我俪采角工业芦c 机，设计了基于i s a 总线的数 据采集卡，系统配置更具兼容性。在d o s 环境下用c 语言编写 了汉字菜单驱动程序，系统人机界面友好，易于使用。) mh , 7 ，论文中给出了我们在调垫过程中对系统的测试数据。 对高压坪和闽坪的测试是确定探测器工作点的重要依据。对系统 的模拟实验结果说明了系统性能达到了原设计指标。， 最后，对产量计投入实际使用情况进行了简单介绍。系统是 国家“九五”攻关项目子专题，于1 9 9 9 年1 2 月顺利完成现场安 装调试，并投入在线运行。使用结果证明，该系统经受住了恶劣 工况条件考验，工作稳定可靠，经济效益显著，受到用户好评， 并准备通过上级有关部门验收。 由闻l 避拈带 - 世 e 十p 曲f 柙笨 a b s t r a c t中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si st od e a lw i t ht h ed e s i g na n dd e b u go ft h ep r o d u c t i o n s y s t e mu s e do nd r e d g e t h es y s t e mc o n t a i n st h r e ep a r t s d “o 丘础，q 竹。g f i r s t ，w ed i s g u s st h ed e s i g no ft h ef r o n tp a r t s i fi n c l u d e st h ea e l e c t i o n o fr a d i a t i o d ，t h es e l e c t i o no fd i c t a t o r , t h ed 幽i g no ff r o n t 7a m p l i f i e r c i 南i ta i l d 蔬d e s i g no fh i 曲丽茌画面w e r 缸；t h e s i sg i v e s 葫a l y z e o f t h e s ep a r t sa n dg i v e so u tt h er e s u l tt h a tw ea d o p t e d s e c o n d ，i td e a l sw i t ht h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h i s p r o d u c t i o ns y s t e mt h a tw eb u i l tf o rt h e16 0 0s t y l ed r e d g e ，t om a k ei t m o r e c o m p a t i b l e ，w eu s e di n d u s t r yp c ，d e s i g n e dad a t a - a c q u i r i n gc a r d b a s e do ni s ab u s ，w r o t es o f t w a r ew i t hc h i n e s em e n uu s i n gci nd o s s ot h ei n t e r f a c eb e t w e e nu s e r sa n ds y s t e mi sg o o da n de a s yt ou s e a tt h es a m et i m e ，t h i st h e s i sg i v e so u tt h et e s t i n gd a t ao ft h i ss y s t e m w h e nw ew e r ed e b u g g i n gi t t h et e s t i n gd a t ao f h i g hv o l t a g el e v e la n d t h r e s h o l dl e v e li st h ec a u s et oc h o o s et h ew o r k i n gp o i n to f t h ed e t e c t o r t h ea n a l o ge x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ti sm e t a tl a s t ，w eg i v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eu s a g eo ft h es y s t e mi nr e a l c o n d i t i o n 中国科学技术大学近代物理系 r i 致谢 中国科学技术大学硕士论文 首先，我要感谢我的导师吴瑞生老师。在他的亲切关怀下， 我圆满地完成了我的毕业论文。从论文的设计初期到后期调试以 及现场安装，不管条件有多艰苦，吴老师都一直亲身指导。他的 一丝不苟的敬业精神，将对我今后的学习和科研起着不可估量的 作用。在论文初期，我还得到了周中平老师、张永明老师和杜先 彬老师的关心和指点，在此一并向他们表示我衷心的感谢。 在系统软件的设计与调试过程中，得到了覃业贤同学的大力 协助，彼此之间进行了多次有益的探讨。特别是我在遇到困难的 时候，他给予我的帮助是我完成论文时的巨大力量。在系统设计 过程中，我还曾得到刘功发博士和程晓晟博士的指点。在此我向 他们表达我诚挚的谢意。 与此同时，在完成论文的过程中，李正平研究生和张百海、 季勇军等同学给予了我热情的帮助，在相关研究范围与他们的合 作是令人愉快和满意的，也在此向他们表示我的谢意。 任枕海 2 0 0 0 5 7 i i i 前言 中国科学技术大学硕士论文 前言 中国科学技术大学近代物理系核技术应用研究室承担的国家 “九五”科技攻关项目子专题国产1 6 0 0 型挖泥船产量测试 系统的设计与研制，在上级有关部门的领导下，在课题组全体成 员的共同努力下，经过几年艰苦的科研工作，终于圆满地完成了 这项攻关任务。系统交付使用以来，各项工况运行正常，经济与 社会效益显著，受到用户的好评。通过参加国家“九五”重点科 技攻关项目，使我受益匪浅，科研能力和独立工作能力均有了较 大提高。 论文将对这套系统的硬件、软件设计做详细介绍，并对室内 模拟实验和现场使用情况做一总结。 中国科学技术大学近代物理系 任枕海 2 0 0 0 5 5 第一章挖泥船产量计及工作原理 中国科学技术大学硕士论文 第一章挖泥船产量计及工作原理 1 1 挖泥船产量计简介 在我国江河湖海里担负着水利水运疏浚任务的挖泥船数以百 计，它们对我国的水利工程以至国民生产都起着重要作用。但其 中绝大多数挖泥船管理水平低，测量设备落后，操作工人仅凭真 空压力表来间接判断当前所挖泥浆浓度值，借以确定吸泥速度和 进刀量。这种判断方法主观随意性大，可靠性差。利用这种粗放 型的操作，远不能使挖泥船处于最佳工作状态。因而导致了挖泥 船疏浚效率低，能耗高。而挖泥船产量计能够实时在线标量挖泥 船所挖泥浆的密度，流量并计算出产量。它是提高施工效率，减 轻工人劳动强度，提高管理水平，衡量挖泥船疏浚能力，正确评 价施工效益的重要设备。同时它还为微机控制系统提供了重要的 外部传感器。 一些先进国家( 如荷兰、美国) 生产的挖泥船，都配有伽玛 射线密度计及电磁流量计。自八十年代以来，又进一步配备了计 算机实现了多参数的实时测量及自动化控制。但是，进口一套产 量计价格昂贵，疏浚单位难以承受。故我们国家自行研制生产适 合我国国情的挖泥船产量计势在必行。在这种情况下，挖泥船产 量计被列入国家“八五”重点科技攻关项目，进而在“九五”的 “百船计划”中，又将产量计系统列为子专题加以研制改进。 本课题中国产1 6 0 0 型挖泥船产量计是安装在“百船计 划”科研示范船上产量计系统，属于国家“九五“计划的子专题， 它的成功与否具有重要的意义。整套产量计系统包括伽玛射线密 度计，电磁流量计和产量计三部分。在此开发研制的过程中，我 们进行了一系列的技术攻关和在原有技术上的改进。如测量管道 的一体化创新设计，解决测量管道的耐磨损耐切割问题，闪烁探 头的耐高温，系统的抗电磁干扰，抗震，防潮问题，放射源的准 直问题，以及系统的掉电保护等。为了提高系统的性能价格比， 我们将以往的s t dv 4 0 i i 总线改为更为通用的i s a 总线，并且在 改善系统结构，提高测量精度上进行了较大的改进。 随着国家“百船计划”的实施，产量计的需求量将会越来越 大。再加上我们这套产量计系统是安装在“百船计划”实验船上， 所以它的开发研制对今后的推广就具有特别重要的意义。 论文根据设计要求，阐述设计思想，对我们在攻关中所采取 的措施，系统的前端设计，以及系统的软硬件设计分别做了介绍。 最后对模拟实验结果以及实船使用情况做了总结。 中国科学技术大学近代物理系 第一章挖泥船产量计及工作原理 中国科学技术大学硕士论文 总体分析及实际验证表明，主要性能指标均达到设计要求， 完成了这次国家攻关项目。 当y 射线穿过物质时，其强度的衰减是由于y 射线与物质的 三种相互作用( 光电效应、康普顿效应和电子对效应) 所造成的， 对于窄束平行的y 射线，它遵从如下的指数衰减规律： i = i o e 一弘m p d ( 1 2 1 ) 式( 1 2 1 ) 中： um 总的质量吸收系数( c m 2 g ) ，它是上述三种 p d i o 、i 作用引起的质量吸收系数的总和 吸收物质的密度( g c m 3 ) 吸收物质的厚度( c m ) 吸收前、后y 射线的强度 2r m + 盯吖+ z m ( 1 2 2 ) 一m 、om、xm 为光电效应、康普顿效应和电子对效应引起 的质量吸收系数，大小与y 射线的能量e 。有关。当e 。 1 0 2 m e v 时，电子对效应起主要 作用；当o 3 m e v e 。 1 2 m e v 时，康普顿效应占主要地位。在 实际过程中，三种作用同时存在，因此对总的质量吸收系数都有 贡献。实验发现，对中等原子序数的材料，当0 3 m e v e ， 2 m e v 时，总质量吸收系数就与化学成份无关( 除少量重元素外) 。此 时穿过吸收体的y 射线强度仅仅取决于该吸收体的厚度与密度。 换言之，选取合适的y 射线能量，可以使y 射线强度的衰减只与 p 、d 有关，其它影响因素可以忽略。这就是我们挖泥船密度计 的关键所在。即挖泥船输泥管道中泥浆，无论其包含何种元素( 少 数重元素除外) ，只要其管道直径不变，射线强度就是泥浆密度 的唯一函数。挖泥船密度计就是基于这一基本原理而设计的。 以上讨论的，均是假设y 射线为平行窄束，此时探测器不可 能记录下吸收体内经过康普顿散射作用后的光子，记录的只是没 有经过三种效应而透过吸收体的y 射线。当射线是宽束时，一部 分康普顿散射光子也要被探测器所记录，因此必须对公式( 1 2 1 ) 中国科学技术大学近代物理系 第一章挖泥船产量计及工作原理 中国科学技术大学硕士论文 加以修正。 i = i o b e p m p 0 ( 1 2 3 ) b 是大于1 的修正因子，与y 射线能量、吸收物质的原子序 数和厚度有关。一般来说，y 射线能量越小，吸收层厚度越大， 吸收物质z 越小，则b 越大。实际使用中确定b 较难，一般由 实验修正。式( 1 - 2 3 ) 中um 仍为窄束时的吸收系数 1 3 密度计中有关物理量的定义及其相互关系 为说明挖泥船中密度测量原理，现将有关物理量的定义及其 相互关系说明如下： 一、有关物理量的定义 ( 1 ) 流量q m ( 2 ) 体积浓度c 、， ： ( 3 ) 重量浓度c m ： ( 4 ) 清水浓度p w ： ( 5 ) 干土密度pg ： ( 6 ) 湿土饱和容重ps ： ( 7 ) 泥浆密度ps ： ( 8 ) 瞬时湿土方q s ： ( 9 ) 瞬时干土方q g ： ( 1 0 ) 瞬时产量流量q c ： ( 1 d 累计湿土方m s ： 累计干土量m g ： 单位体积内流过管道横截面的泥浆体 积( i t l 3 s ) ，与流速的关系为 o = 1 r d l v | 冬 所挖泥浆中某种物质的体积( 如湿土) 与泥浆总体积之比 所挖泥浆中某种物质的重量与泥浆重 量之比 清水的密度( g c m 3 ) 干土的密度( c m 3 ) 单位体积饱和湿土的重量( g d c m 3 ) 单位体积泥浆的重量( g c m 3 ) 单位时间内流过管道横截面的饱和湿 土的体积( m 3 s ) 单位时间内流过管道横截面的干土重 量( t s ) q 。= ( 尸吖一p 矿) q m 到目前为止，流过管道横截面的饱和 湿土体积( m 3 ) 到目前为止，流过管道横截面的干土 重量f t ) 二、各物理量之间的相互关系： 中围科学技术大学近代物理系 第一章挖泥船产量计及工作原理 中国科学技术大学硕士论文 系： 如图( 1 - 3 1 ) 所示： 设有一体积的泥浆，其中干土体积浓度为c 。g ，则有如下关 p m = ( 1 一c v g ) p g ：+ c v g p g = p w + c v g ( p o p w 、 c v g = ( p m p w ) ( p g p ) ( 1 - 3 1 ) ( 1 3 - 2 ) 同样道理，若湿土的体积浓度为c v s ，类似( 1 3 2 ) 可得： c v s = ( p m p w ) ( p s p 矽) ( 1 3 - 3 ) pm 1 - c v gc v g 图( 1 - 3 1 ) 泥浆密度示意图 挖泥船所挖泥浆是水和沙的混合物，其所含化学元素中，重 元素成分极少。由前面的物理原理可知，只要选择适当能量的伽 玛射线，其质量吸收系数就与其化学成分无关，而只与其密度和 厚度有关。这就从原理上保证了密度计对不同种类的沙土具有普 适性，从而具有实际应用价值。推而广之。在其它类型应用场合 如输送管道或皮带轮输送物料的地方( 如微机核子称) ，这种测 量原理同样适用。 根据式( i - 2 3 ) ，可进一步推出伽玛射线穿过泥浆后的强度 为： 式( i - 3 4 ) 中，下标w 代表清水，下标g 代表干土。d w = ( 1 - c v g ) d ，d f c v c , d ，d 是泥浆的厚度。 进一步推导可得： 中国科学技术大学近代物理系 d 如 舻 砂 = = 第一章挖泥船产量计及工作原理 中国科学技术大学硕士论文 将( 1 - 3 2 ) 代入( 1 - 3 5 ) 可得： 一业盟里( 勉= ! ! 丝丝二丝鲤2 2 j = b 木b j o p ( p g p ) 令1 w 为伽玛射线穿过充满清水的管道后的强度 i 形= b i o f p w p w d k ： 盥二盟 ( , u g p g 一z v p w ) d b = k 木l n ( b b w 、 则得： ! 二! 旦丛二旦芝2 ，= ie k w 两边取自然对数，可得： b w ( 1 - 3 - 6 ) ( 1 3 7 ) p = p + k l n ( i ，i ) + 6 ( 1 - 3 8 ) 射线的强度i 在本系统中采用采样时间内的计数n 反映，用 n 代替i ，则可得到： p 盯2 p 矿+ k l n ( n 矿n ) + b ( 1 - 3 _ 9 ) 式( 1 - 3 9 ) 中n w ，n 分别为测量管道中充满清水和泥浆时 的采样计数率，清水pw 已知。式中的k 与b ，对于给定的介质， 是一确定的常数，需要通过现场标定来确定。n w 对于给定的放 射源和测量管道是个一定的数值( 在一定的时间内，放射源的衰 中国科学技术大学近代物理系 l 鲫 砂 嚣 第一章挖泥船产量计及工作原理 变可以忽略时) ，故在系统初始化时测出对应于清水的n w 值。挖 泥船生产时泥浆的密度就是采集计数的唯一确定函数。经过式 ( i - 3 9 ) 的运算，就可以得出泥浆的密度p 。，经计算并可得出 泥浆的湿土体积浓度c 。 中国科学技术大学近代物理系 第二章系统结构及前端设计 中圈科学技术大学硕士论文 第二章系统结构及前端设计 l 、密度测量范围：1 0 0 1 6 0 9 c m 3 2 、密度测量精度：2 5 3 、流量测量精度：1 5 4 、产量测量精度：3 5 、采样时间：5 秒 6 、显示方式：模拟与数字结合 7 、系统功能：超载、欠载及吸空报警 8 、信号输出：提供模拟浓度、流量输出4 2 0 m a ，累 计产量1 4 b i t 输出 前 端 2 2 产量计结构框圈 图2 - 2 1 产量计结构框图 2 3 放射源的选择 放射源的选择包括选择种类和强度。 一、源种的选择 中国科学技术大学近代物理系 第二章系统结构及前端设计 中国科学技术大学硕士论文 放射源的种类很多，在实际应用中，根据测量的不同对象， 合理地选择不同种类的放射源是非常重要的。 对管道流体密度的测量，一般采用穿透能力很强的伽玛射线 源，如6 0 c ，1 3 7 c s ，2 4 1 a m 等，但是不同的源种有不同的半衰期和 伽玛射线能量，在实际使用中必须根据实际情况进行选择，三种 放射源的比较如表2 3 1 所示： 放射源种类伽玛射线能量半衰期探测效率 ( m e v )( 年)( n a i ) 2 4 1 a m0 0 6 04 3 3 o 9 2 1 3 7 c s 0 6 6 23 0 20 6 9 6 0 c o1 2 5 5 - 30 5 8 表2 - 3 1 几种放射源比较 根据第一章所述原理，伽玛射线的能量必须在0 3 m 到2 0 m 之间。由表2 1 可知，2 4 1 a m 因能量过低而不可用，我们必须在”7 c s 和6 0 c o 之间作出选择。 一般来说，对同一物理量的探测，选用能量较低的伽玛射线， 测量的灵敏度较高，而且也便于辐射防护。另外，放射源的半衰 期越长，强度衰减就越慢，这样仪器在使用过程中由于源强的衰 减需进行校准的间隔时间就越长，同时更换放射源的次数就越 少，这些最终都给用户带来方便，也有利于本仪器的推广。从表 2 1 可以看出1 3 7 c s 的伽玛射线能量小于6 0 c o 的能量，1 3 7 c s 半衰 期长达3 0 2 年，远大于6 0 c o 的半衰期( 仅5 3 年) ，故我们选择 了t s t c s 。 二、源强的计算 对于源强的选择，一方面要保证测量精度，既要有足够的计 数率，另一方面也要考虑到辐射安全，即有利于辐射防护。综合 这两点就得到放射源强度计算的原则：对于确定的测量对象和测 量现场，在探测器类型、源的种类一定且满足测量精度要求的前 提下，考虑使用尽可能小的放射源强度。 由于放射性存在着统计涨落，这会给密度的测量带来统计误 差，而统计误差是密度计的主要误差来源。同位素仪表测量精度 的设计原则为：最大测量误差( 或最大相对测量误差) 按三倍的 均方统计误差设计。令。表示统计误差，6 表示相对统计误差， 对于密度计则表示为： 中国科学技术大学近代物理系 第= 章系统结构及前端设计 中国科学技术大学硕士论文 a ) ( = 3 尸一p w ) ( 2 - 3 _ 1 ) 由式( i - 3 8 ) 可得 q p 一p ) = 一k a l i = 一k 6 1 一p ) = q p ! 一( 砌_ p w ( 2 - 3 - 2 ) = 一k 6 f ( p m p 彤、) 式( 2 3 2 ) 中，k ，pm ，p w 的定义同前所述；6 i 为测量 线路对强度为i 的射线产生的相对统计误差，其表达式为： 6 i = 7 1 | n t 签i ( 2 3 3 ) 式( 2 - 3 3 ) 中 t 线路时间常数( 采样周期) e 探测器探测效率 s 探测器灵敏面积 r i 常数因子。对g m 计数器取1 ；对电离室和闪 烁计数器，e ，为单能时取1 1 1 2 ，e ，为复杂能 谱时取1 2 1 4 ，本文所述情况1 1 取1 1 5 。 将式( 2 3 2 ) 两边取平方并将式( 2 3 3 ) 代入得： 黾训= 瓦彳k 2 矛r 2 面 协s 4 ) 式( 2 - 3 4 ) 中： i = b i o e - p w _ “和f p m p w ) 堰 q 3 如= 型笔等p 却矶k 嗍肌p s 卸 式( 2 。3 6 ) 中 a 放射源强度( 单位c i ) 中国科学技术大学近代物理系 第二章系统结构及前端设计 中国科学技术大学硕士论文 l 源到探测器的距离( 安装后实测为0 8 5 米) k + 一次核衰变放出的伽玛射线数。对1 3 7 c s ，k 为 o 8 5 。 下标f e 指射线穿过的测量铁管 下标n n 2 指测量管内衬的耐磨材料 令 k l = e 2 | “h p 翻r e 弘n m p n m a k 2 2 e p w 芦w d k ，：e ( p u p w ) j k 将式( 2 - 3 5 ) 、( 2 - 3 6 ) 代入式( 2 - 3 4 ) 并整理可得： s 24 z l z k 2 刁2 墨k 2 k 3 6 石村一户w ) 2 3 7 x i o i 。a k * 二! ( p m 1 - p w ) 2 t e 一s i ( 2 3 7 ) 结合( 2 3 1 ) 、( 2 3 7 ) 可得出放射源强度的表达式： 肚黧攀笠型攀l(2-3-8a 238 ) = ，。! j i j ：一 ) 一3 7 1 0 1 0 k + ( 砌一砌) 2 t 占s 1 6 2 m a ) ( 7 密度计的最大相对测量误差6 。取2 ，并代入其它参数值， 就可算出源强的大小。根据理论计算及采用多种方法推算、修正， 最后确定源强为0 3 c i 。 2 4 铅簟的设计 对放射源铅罐的设计，主要考虑以下几点： 一、应符合国家放射性防护的安全标准。 铅罐表面照射量率设计指标为不大于l m r h ，与荷兰产的挖 泥船密度计铅罐防护指标相同。 式( 2 4 1 ) 为计算铅罐表面照射量率p 的公式： 中国科学技术大学近代物理系 1 1 第二章系统结构及前端设计 中国科学技术大学硕士论文 a 1 0 k ， p = = l k d ( 2 4 1 ) 式( 2 4 1 ) 中 p 照射量率( m r h ) a 放射源强度( c i ) k 。y 常数，这里取0 3 3 5 ( m r h ) ( m 2 m c i ) d 铅层厚度( m ) k 对应厚度下的减弱倍数。如取d = 9 1 c m ，查表可得 k = 2 0 1 0 4 将有关参数代入式( 2 4 1 ) 可得： p = 0 6l m r h 实际上，铅罐外壳为0 1 c m 厚的钢板，也具有一定的防护效 果，详细计算，这里略去。 铅罐表面照射量率经中国原子能科学研究院同位素所实测， 距铅罐表面5 c m 处，照射量率小于o 1 8 m r h ，即1 8 1 ts v h ，低 于原定设计指标，完全符合国家放射性防护的安全标准。 二、要解决放射源与探测器之间的准直孔定位以及抗震动等问题 经过多方调研及反复试验，我们设计出的铅罐具有如下特 点： ( 1 )铅罐、测量管及探测器之间采用法兰连接，并有定 位措施，保证现场使用中获得最佳的测量精度，并且安装、调整 简便。 ( 2 )铅罐开关灵活，设有锁定机构，安全可靠。 ( 3 )在铅罐准直孔侧设置标定机构，现场标定简单易 行。 ( 4 )铅罐外壳为全钢结构，探测器固定在三维减震筒 内，耐冲击，抗震性能好。 2 5 测量管的一体化设计 考虑到泥沙、石块对测量管道的磨损、切割严重，从而影响 密度计的测量精度，而且也直接影响到电磁流量计的使用寿命( 普 中国科学技术大学近代物理系 第二章系统结构及前端设计 中嗣科学技术大学硕士论文 通流量计只能使用两个月左右) ，在大量的现场调研的基础上， 我们首次制定出流量变送器与密度探测器结构一体化的设计方 案。让密度计与流量计合用测量管道，并与流量计生产厂家合作 进行了多项技术难题攻关。如采用耐磨材料作衬里，并加大耐磨 材料厚度；采用入口保护法兰；对电极作特殊工艺处理等，以提 高测量管耐磨损、耐切割性能，并且在流量变送器一端的两侧， 焊有两只向外延伸的定位法兰，用来固定铅罐和探测器。由此研 制出满足攻关要求的流量与密度探测一体化装置，无疑是对挖泥 船计量难点的一个突破与创新，可广泛应用于疏浚、冶金、煤炭、 造纸等行业。 2 6 探测器的选择 对伽玛射线的探测，一般采用g m 计数管或者由闪烁晶体 配光电倍增管做的闪烁探测器。g m 计数管的优点是：输出脉冲 幅度较大，可达到几伏几十伏，后续电路处理简单；稳定性好， 使用方便；抗机械震动性能好。但其探测效率对中等能量的伽玛 射线仅为1 2 ，大大低于闪烁探测器的探测效率( 可达6 0 左 右) 。从保证测量精度，提高探测效率从而可以相对地降低源强 考虑，我们选择了闪烁探测器。 闪烁探测器( 俗称探头) 包括闪烁晶体、光电倍增管及前置 电路三部分，如图2 6 1 所示： 闪烁晶体光电倍增管前置电路 一、晶体的选择 图2 - 6 1 探头结构框图 用来探测伽玛射线的闪烁晶体，目前用得最广泛的是n a i ( t 1 ) 晶体，而锗酸铋晶体( b i 。g e ，o 简称b g o ) 是一种很有应用 前途的闪烁晶体，近年来逐步在核医学领域( x c t 、p e c t ) 中 取代了传统的n a i ( t 1 ) 晶体，并逐步应用到高能物理、伽玛射线能 谱井和天文物理中。与n a i ( t 1 ) 晶体相比，b g o 晶体具有不潮解、 透明度好、密度大、阻止本领高、对伽玛射线探测效率高、余辉 小、机械加工性能好等优点。但b g 0 晶体在中低能伽玛射线辐 中国科学技术大学近代物理系 第二章系统结构及前端设计 中国科学技术大学硕士论文 射测量方面，能量分辨率及温度效应都不如n a i ( t 1 ) 晶体。由于我 们所要获取的是伽玛射线的计数率，因此注重探测器的高压坪特 性即要求坪斜 1 1 0 0 v ，而对伽玛射线的能量分辨率并无特别 要求。所以我们测试了几种情况下b g o 晶体的高压坪并与n a i ( t i ) 晶体高压坪进行了对比。测试结果对比见表2 - 6 1 。 表2 - 6 1b g o 晶体与n a i ( t 1 ) 晶体高压坪特性对比表 晶体包装情况坪长坪斜坪的形状 b g o 裸晶 1 4 4 v3 7 8 1 0 0 v 不好 b g o 用锡箔包裹 1 7 3 v1 _ 2 2 1 0 0 v 不好 b g o 涂一种涂料 1 4 4 v4 7 2 10 0 v 不好 b g 0 用t e f l o n e 纸包装 1 1 5 v2 8 3 1 0 0 v 不好 b g 0 包在铝盒中 2 2 5 v4 5 1 1 0 0 v 较好 n a i ( t 1 )包在铝盒中 2 5 0 v0 9 7 10 0 v好 从表2 - 6 1 可以看出，b g o 晶体在上属这几种包装情况下， 坪长、坪斜、坪的形状都比n a i ( t 1 ) 晶体差。所以我们在设计伽玛 射线密度计探头时仍采用n a i ( t 1 ) 晶体( 由5 0 5 0 ) 闪烁晶体。 二、光电倍增管的选择 光电倍增管的型号较多。由于现场环境温度较高，所以我们 选择了高温型的g d b 5 1 g ，以满足现场的高温要求。g d b 5 1 g 可应用于1 0 0 的高温环境中。 三、前置电路的设计 前置电路分两部分，一部分为分压电阻，一部分为前置放大 器。 分压电阻是用来给光电倍增管各倍增极加压的，它的一端与 直流高压电源相连。分压电阻之间的具体阻值大小与对能量分辨 率、灵敏度、线性、输出电流等的要求有关。 由于光电倍增管的输出信号是电流信号，内阻很高，不利于 远距离传输，所以要加一前置放大器。n a i ( t 1 ) 闪烁探头的输出电 压脉冲幅度通常较大( 几十几百m v ) ，其前置放大器用一级射 极跟随器就可以了。 四、探头的减震、防潮、抗电磁干扰设计 中国科学技术大学近代物理系 第二章系统结构及前端设计 中田科学技术大学硕士论文 泥浆泵工作时，输泥管震动和受石块等冲击现象比较严重， 而n a i f t l ) 晶体和光电倍增管的抗震性能较差，这就要求我们对探 头部分采取良好的减震措施以保证其内部期间的正常工作。实际 设计中，我们将探头外罩通过法兰与测量管道相连，把探头内筒 悬空，通过弹簧与外罩相连，并在内筒的盖子上加密封垫圈。这 样既解决了震动问题，又使得探头具有防潮功能；同时，探头的 外罩兼有电磁屏蔽、防碰撞、遮雨防潮、自然冷却等多种功效， 可保证探头稳定可靠地工作。 2 7 高压电源的设计 光电倍增管从阳极到各倍增极最后到阴极，要求加以逐渐递 减的电压，这通常是由一直流高压电源串接一串分压电阻构成的 分压器供给。 一、高压极性的选择 正高压和负高压电源都可以用，各有利弊。采用正高压的优 点是：由于这时光阴极和光电倍增管外壳接地，避光外壳和电磁 屏蔽都处在地电位，因此能够防止暗电流的增加和工作的不稳 定。但其缺点有： ( 1 ) 脉冲输出要用耐高压电容，它的体积较大，分布电容也大。 ( 2 ) 开关高压时，有的电源有较大的跳变。通过耦合电容进入 测量电路，容易造成晶体管击穿，必须采取预防措施。而 且纹波也容易进入测量电路，往往要用r c 滤波网络。 如采用负高压，则其脉冲输出接近地电位，不必考虑耐高压 措施，但需加电磁屏蔽，接地的避光外壳和电磁屏蔽需离光电倍 增管l 2 c m 以上，以减少寄生电容的影响。 一般在要求较高的能谱测量中，特别是低能低本底测量中要 用正高压，普通情况下还是用负高压电源比较适合。我们所要测 量的是伽玛射线的计数率，因此采用负高压。 二、高压值的选择 高压电源电压大小的选择要适当。电压选得高，可使光电倍 增管的倍增系数增高，使输出幅度和时间分辨率变好，并可减小 磁场的影响，但会使暗电流脉冲变高，可能超出光特性的线性范 中臣科学技术大学近代物理系 第二章系统结构及前端设计 中国科学技术大学硕士论文 围并使稳定性减小。测能谱时为了避免谱形畸变，电压多用得低 一些；测强度( 如本文所述的密度计) 时，为了得到大的脉冲以 简化电路和要求，可用得高些，具体工作电压要通过高压坪曲线 来选定。 三、高压电源的输出电流及稳定性 高压电源的输出电流由流经分压电阻的电流决定。此电流要 比光电倍增管的平均阳极电流大2 0 倍以上，以保证各倍增极电 位( 也就是保证光电倍增管的倍增系数) 的稳定性，而此阳极电 流决定于闪烁体记录的入射粒子流强度和所要求的输出脉冲幅 度。一般高压电源的电流取0 1 l m a 。 对高压的稳定性要求较高。在正常情况下，光电倍增管倍增 系数的稳定性为高压电源稳定性的1 3 倍，r l 为倍增极数目，通常 n = 1 0 左右。所以当要求光电倍增管的倍增系数( 即输出脉冲幅度) 的稳定性 其精度可通过调节记录时间达到需要的水平。其分辨率与 记录时间的关系式为：t s = ( 1 f s ) 2n ，其中t s 是记录时间，f s 是满幅度输出频率，n 是拟订需达到的 位数。例如需要1 3 位精度，记录时间应是8 1 9 2 m s 。 中国科学技术大学近代物理系 第三章产量计硬件电路设计中冒科学技术大学硕士论文 3 电路构成简单，v f c 芯片与与一简单计数器配合就可构 成一a d 变换电路。 具体实现如图3 - 4 2 所示。图中通过调节电位器p 1 0 1 就可 以得到不同的电压频率转换比。 3 光电隔离与计数电路 流量信号变为一定频率的脉冲信号后，其光电隔离与计数就 与密度信号相应的部分相同。具体实现见上节。 3 5 输出电路设计 由于本系统设计的出发点是：既可以单独使用，又可以作为 整个监控系统的下位机使用。故其必须有通讯功能。具体地说， 就是将采集的密度、流量以及经计算机运算处理得到的瞬肘产量 用标准接口信号方式输出，即0 2 0 m a 的电流信号，并且将累 计产量用1 4 b i t 的数字信号输出。原理框图如图3 5 1 所示。 隧 。i 船票 af 曩目隰 i 流量输出 流量计信号经i v 变r 哥厂可丌 4 , 一2 0 m a 蒺褥虱丽再厦硎放n 变换h 雨耐 砖n1 4 b i t 累计 合广产l 骊酉 控制r 1 展宽 茎吲鉴h 薹h 墨雠 图3 - 5 1 输出电路原理框图 流量输出的输入信号是流量计信号采集中通过i 变换直接 得到的信号，将其通过运放隔离后，再通过v i 变换转换为4 - 2 0 m a 的输出信号。这里采用的电路，原理如图3 5 2 所示。电位 器p 4 0 1 用来调节输出零点( 4 m a ) ，电位器p 4 0 2 用来调节输出 满度( 2 0 m a ) 。一5 v 的参考电源由3 端稳压器7 9 0 5 提供。其输出 负载端接地，便于用户使用。 中圜科学技术大学近代物理系 第三章产量计硬件电路设计 中国科学技术大学硕士论文 2 密度输出 图3 - 5 2 变换电路 计算机所得的密度值为1 0 - 1 6 9 c m 3 范围的浮点数，而输出 信号要求为4 2 0 m a 的电流。为此，我们先将密度信号转换为 0 2 5 5 的数字量，锁存在锁存器中，然后通过光电隔离，送给 d a c 0 8 3 2 进行d a 变换，转换成0 5 v 的电压信号，再经由如上 所述的v i 变换得到所需要的4 2 0 m a 电流信号。 3 瞬时产量输出 瞬时产量在计算机中为由密度值乘以流量值所得的浮点数， 为得到输出所需的4 - - 2 0 m a 电流，同样如上所述，先将其转换为 0 2 5 5 的数字量，然后锁存、光隔、d a 、v ，i 得到4 2 0 m a 的电 流信号。 4 累计产量输出 累计产量为瞬时产量的累计值，代表了挖泥船在一段时间内 的产量。因为要求的输出形式为1 4 b i t 的数字量，故无需d a 变 换，只需将其锁存后通过光电隔离输出。 5 输出控制信号 输出控制信号由i s a 总线上的一些控制线以及地址线由g a l 编码后产生，然后同样通过光电隔离后对输出信号的d a 变换进 行控制。为了降低成本，我们采用的光耦为普通光耦t l p 5 2 1 4 ， 其上限工作频率为几十k h z ：而我们采用的工业控制计算机工作 主频为2 0 0 m h z ，其读写等控制信号脉宽较窄，如直接加到光耦 的输入端，光耦将无法正常工作。因此我们增加了脉冲展宽电路， 将控制d a c 0 8 3 2 工作的控制信号展宽，以便其顺利地通过光耦。 中国科学技术大学近代物理系 第四章系统软件设计 中国科学技术大学硕士论文 第四章系统软件设计 4 1 系统软件设计概述 本系统硬件采用工业控制计算机，其软件环境与般p c 机 完全兼容。考虑到该系统工作环境震动大，无法使用硬盘，我们 将m s d o s 系统与我们编制的基于m s d o s 的系统软件放在一 两兆的电子盘上。整个软件的编制以功能强大的c 语言为主。只 有与硬件结合紧密的i o 部分以及直接写屏部分辅以高效率的汇 编语言。 软件总框图如图4 一1 1 所示。 图4 - 1 1 系统软件框图 主程序在系统初始化之后，在不须外界干扰的情况下，就可 以直接进入工作状态，这样就简化了工人的操作。在工作状态下， 系统处于仪表显示画面，如图4 1 2 所示。 在图中右上，用计算机模拟工业仪表。两条指针分别代表密 度和流量，它们的交叉点即为瞬时产量，将三个参数集中到一块 表头显示，一目了然。仪表的范围皆为可设置的参量，可根据实 际挖土情况调整。 中国科学技术大学近代物理系 中国科学技术大学硕士论文 图中左上为直方图显示的密度、流量及瞬时湿土方，下方再 用数值显示，这种混合的显示方式对指导挖泥船挖泥提供了非常 有用的信息。 图4 - 1 2 工作状态画面 由于显示仪表的画面比较复杂，因此采用直接写屏的技术， 提高刷新速度，使显示效果连续。实践证明这种方法令人相当满 意。 当工作人员需要进行一些功能模块的操作时，软件退出显示 仪表的模块，进入主菜单。然后根据用户按下不同的功能键，进 入不同的功能模块。整个软件采用模块化编程，使得系统的维护 和修改更加方便。系统软件功能丰富，除可以修改时间、设定三 班设置、打印产量、测量清水计数值外，还可在系统维护人员提 供密码情况下，进行标定密度和标定流量的操作。在系统工作所 需的参量方面，根据系统维护人员和一般使用人员的不同，给出 不同的参量设置。尽量保证一般用户使用简单方便，而对系统维 护人员维护功能强大。 同时，系统还具有模拟测量，用软件随机产生模拟信号，用 于在没有外接信号时对整个系统进行演示和调整。 4 2 中断服务程序设计 为了简化硬件设计，我们没有采用外加中断源，而是修改 b i o s 的软中断i n t1 c h 。b i o s 中的软中断i n ti c h 每秒执行1 8 2 次，原本只是一条返回指令。我们用自己的中断服务程序替代了 中国科学技术大学近代物理系 第四章系统软件设计 中国科学技术大学硕士论文 原来的中断服务程序，利用它每秒自动执行1 8 2 次的特性实现数 据的定时采集。中断服务程序流程见图4 2 1 。 中国科学技术大学近代物理系 图4 - 2 1 中断服务程序框图 第五章系统性能测试与现场使用 中国科学技术大学硕士论文 第五章系统性能测试与现场使用 5 1 系统性能测试及误差分析 在国产1 6 0 0 型挖泥船产量计的研制过程中，我们对系统的 各个组成部分的性能分别进行t n 试。只有各个部分的性能达到 了设计要求，整个系统组装后才能正常运行。我们所做的测试分 以下几个部分： 一、阈坪的测试 阈坪的测试是为了确定正常工作时阈值的大小。闽值的选择 要适当，过小将会引入噪声，过大又会丢失正常脉冲计数，这都 会影响仪器的工作稳定性。 测试对象： 测试条件： 闪烁探头：光电倍增管为g d b 5 1 g 晶体为5 0 x 5 0 的n a i ( t 1 ) 负高压： 1 0 0 0 v 放大器的放大倍数：1 0 倍 采样时间：5 秒 放射源：5 0 弘c i 的c s l 3 7 3 测试数据见表5 - 1 1 。 表5 1 1 阚值计数值阚值计数值阈值计数值阈值计数值 ( v )( c 5 s )( v )( c 5 s )( v )( c 5 s )( v )( c 5 s ) 2 3 0o1 8 04 7 7 7 21 3 04 7 9 7 80 8 04 8 4 8 2 2 2 04 5 8 41 7 04 7 8 2 11 2 04 8 1 4 00 7 04 8 7 5 9 2 1 04 6 5 3 9 1 6 0 4 7 7 5 91 1 04 8 3 3 8 o 6 0 7 6 3 2 3 2 o o4 7 4 7 l1 5 04 7 8 8 91 0 04 8 2 9 2o 5 81 0 4 0 6 4 1 9 04 7 6 5 9 1 4 0 4 8 0 9 60 9 04 8 3 9 8 闽坪曲线见图5 - 1 1 。 取0 9 v 为坪的起点，1 8 v 为坪的终点，则坪长0 9 v 。 可以算出此时坪斜为1 3 0 。 我们取1 2 v 作为工作时的阈值。 中国科学技术大学近代物理系 第五章系统性能测试与现场使用 中国科学技术大学硕士论文 盘 宝 墨 芑 君 u 0 40 50 60 70 80 9101 1 2 13 1415161718192 02 22 t h r e s h o l dv o l t a g e ( - v ) 二、高压坪的测试 图5 1 1 闪烁计数器的输出脉冲幅度随所加高压而变。当电路放大倍 数和甄别阈固定后，计数率和高压的关系叫做坪曲线。由于闪烁 晶体及光电倍增管的稳定性，放大器放大倍数以及甄别阈的稳定 性，对计数率测量误差的影响，都可等效成高压的稳定性影响， 所以坪特性对保证仪器的工作稳定性有显著影响。反映坪特性的 一个重要指标是坪斜，其定义为：在坪区，高压每改变1 0 0 v ， 计数率的相对变化。一般要求坪斜为1 3 1 0 0 v 。 测试对象： 测试条件： 闪烁探头：光电倍增管为g d b 5 1 g 晶体为0 5 0 5 0 的n a i ( t 1 ) 放大器的放大倍数：1 0 倍 阂值：1 2 v 采样时间：5 秒 放射源： 5 0uc i 的c s l 3 7 测量数据见表5 - 1 2 。 高压曲线见图5 - 1 2 。 取9 5 0 v 为坪的起点，取1 1 5 0 v 为坪的终点 则坪长：2 0 0 v 坪斜：o 6 6 1 0 0 v 我们取工作电压为：1 0 0 0 v ，它处于坪区的前半部分。 中图科学技术大学近代物理系 第五章系统性能测试与现场使用 中国科学技术大学硕士论文 表5 - 1 2 负高压 平均值 负高压 平均值 负高压 平均值