（测试计量技术及仪器专业论文）手持式α能谱仪的研制.pdf

摘要 手持式仅能谱仪的研制 作者简介：杨雪梅，女，1 9 8 2 年6 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学庹 先国教授，于2 0 0 8 年6 月获硕士学位。 摘要 随着科技的发展和人们生活水平的不断提高，人们对自身所处的环境越来越 关心，而放射性污染也己成为人们所面临的最为严重的社会问题之一。为了及时 了解放射性核素发生衰变引起的污染情况，需要用专门的仪器进行测量。 0 c 射线是由仅粒子组成的，0 c 粒子就是快速运动的氦核，它是一个稳定的原子 核，0 c 粒子是在不稳定原子核发生仅衰变时放射出来的。0 c 谱仪是测量仅射线污染 的重要仪器，主要用于辐射防护、环境样品、医药卫生、农业科学、进出口商品 检验、地质勘探、核电站等领域的0 c 污染测量。本论文受科技部科学仪器改造专 项“新一代系列表面核污染智能测量仪的研制”资助，旨在集成先进的核探测、 电子、信息处理和机械工艺设计等技术，研制开发出便于携带、高精度的手持式 仅能谱仪。 随着现场分析的需求和电子技术微型化的发展，便携式仪器或手持仪器的需 求越来越明显，现场分析仪器也越来越多。目前，所有的现场核测量仪都在朝着 体积小、重量轻、低本底、低功耗、高性能、分析速度快等特点的方向发展。其 中，手持式仪器具有方便用户进行随机测量，加大测量的数据量，减少取样测量 的麻烦的优点。同时，手持仪器加上相应的通讯方式可以安装在智能机器人上， 测量人工无法实现采样的地方。 本能谱仪选用金硅面垒半导体探测器，以嵌入式单片机为控制平台，对系统 的核心组成电路和系统软件进行研究开发。在满足分析精度的要求下，尽量降低 功耗，减小体积，提高分析准确性和可操作性。硬件电路主要包括前置放大电路， 主放大电路，多道脉冲幅度分析器，单片机系统设计，l c d 显示和触摸屏控制 以及串口通信等。软件系统主要是对硬件电路的控制和上位机软件的编写。 经过近一年的研制工作，取得的成果主要有： 1 使用了单片机c 8 0 5 1 f 0 6 0 构建系统的核心控制部分，由于c 8 0 5 1 f 0 6 0 集 成度高，功耗小，满足了手持式仪器的设计要求； 2 选用了金硅面垒半导体探测器，设计了小型化的电荷灵敏前置放大电 路，并与探测器一起封装，保证了探测精度； 3 电路中的运放均使用单电源供电器件，简化了电源设计电路，缩小了仪 器体积： 成都理工大学硕士学位论文 4 采用带触摸屏的液晶显示器作为系统的人机交互界面，不仅减小了仪器 体积，显示更加美观； 5 编写的上位机谱分析软件界面友好，可操作性强。 系统性能测试表明，研制的手持式0 c 能谱仪功耗低，能量分辨率高，系统稳 定性好，人机交互良好，适合现场使用。 关键词：手持式能谱测量金硅面垒探测器触摸屏 a b s t r a c t r e s e a r c ho nh a n d h o l da l p h as p e c t r o m e t r i c i n s t r u m e n t i n t r o d u c t i o no ft h ea u m o r ：y a n gx l l e - m e i ，f h a l e ，w a sb o m o nj u n e ，l9 8 2 u n d e r t h eg u i d a l l c eo fp r o t u ox i a n - g l l o ，s h ew a sg r a d u a t e df 梳g r a d u a t e ds c h o o la t c h e n 酣uu n i v e r s i t yo ft e c l m o l o 夥 a b s t r a c t w i t ht h ed “e l o p m e n to ft e c l l l l o l o g ya n dt h el i v i n gs t a n d a r d so fp e o p l e c o n s t a n t l yi m p r o v e ，p e o p l eh a sb e c o m ei n c r e a s i n 西y c o n c e m e da b o u tt h e i ro w n e n v i r o n m e n t a n dt h er a d i o a c t i v ec o n t a m i n a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ts 喇o u s s o c i a lp r o b l e m s t ou n d e r s t a n dp r o m p l l yt h e 删l l l t i 彻s i n l a t j o nw h i c ht h er a d i o n u c l i d ed e c a y c a u s e s ，n e e d st ou s et h es p e c i a li n s 仃u m e n tt oc a 玎了o nt h es u r v e y t h ea l p h ar a yi sc o m p o s e do fa l p h ap a r t i c l e ，a l p h ap a r t i c l ei st h eq u i c km o v e m e n t h e l l i o n ，i ti sas t a b l ea t o m i cn u c l e u s ，a l p h ap a n i c l ei sp r o d u c e dw h e i lt h ei n s t a b i l i t yn u c l e u sh a v e a l p h ad e c a ye m i t s t _ l l ea l p h as p e c t m m e t e ri st h ei m p o r t a n ti n s t m m e n tt om e a s u r ea l p h a r a yp o l l u t i o n ，m a i n l yu s e di nr a d i o p r o t e c t i o n ，e n v i r o 姗e n t a ls a m p l e s ，m e d i c a la n d h e a l t h ，a 酣c u l t u r a ls c i e n c e s ，i m p o r ta n de x p o r tc o m m o d i t i e si n s p e c t i o n ，g e 0 1 0 昏c a l e x p l o r a t i o n ，n u c l e a rp o w e rp l a n t st os u r v e ya l p h ap 0 1 1 u t i o n t h i sp 印e ri ss u p p o n e d b ym i n i s 蚵o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yt h es c i e n c ei n s t m l n e n tr e b u i l dp r o j e c t “t h e d e v e l o p m e i l t o fn e wg e n e r a t i o ns 甜e ss u 怕c en u c l e a rp 0 1 1 u t i o ni n t e l l i g e n c em e a s u r i n g i n s t n l m e n t ”，a i m st oi n t e 蓼a t ea d v a n c e dn u c l e a rd e t e c t i o n ，e l e c t r o n i c s ，i n f o 舯a t i o n p r o c e s s i n ga n dm e c h a n i c a ld e s i 印p r o c e s s ， r e s e a r c ha 1 1 d d e v e l o p e ap o r t a b l e ， 1 1 i 曲一p r e c i s i o nh a n d h e l da l p h as p e c 们m e t e r a l o n gw i mt h e s c e n e a n a l y s i s s ( i e m a n da n d t h ee l e c t r o n i c t e c h n 0 1 0 9 y m i c r o m i n i a t u z a t i o n sd e v e l o p m e i l t ，t h ed e m a n do fp o r t a b l ei n s t r u m e n to rh a n d h o l d i n s t r u m e n tg e t t i n gm o r ea n dm o r eo b v i o u s ，t h es c e n ea n a l ”i ci n s t r u m e n ta r ea l s o g e t t i n gm o r ea n dm o r e a tp r e s e n t ，a s c e n en u c l e a rm e a s 嘶n gi n s t m m e n ta r e d e v e l o p e dt o w a r dt h ec h a m c t e r i s t i c so f s m a l ls i z e ，l i 曲tw e i 曲t ，l o wb a c k 莎o u n d ，l o w p o w e r ，h i 曲- p e 响蚰a n c ea n df a s ta n a l y s i s 1 1 1 eh a n d h e l di n s 仰m e n t h a st h em 嘶t so f c o n v e n i e n c eu s e rt oc a n yo nt h es t o c h a s t i cs u r v e y ，a 1 1 di n c r e a s et h ea m o u n to fd a t a m e a s u r e m e n t s ，r e d u c et h es a m p l es u r v e yt r o u b l e s o m e a tt h es a m et i m e ，伊a s p st h e i n s t n l m e n tt oa d do nt h ec o 玎e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o nw a yt ob ep o s s i b l et oi n s t a l l o nt h ei n t e l l i g e n tr o b o t ， t h e s u r v e y i su n a b l et or e a l i z et h es a m p l i n gp l a c e a n i f i c i a l l v a tt h e s a m e t i m e ， h a n d h e l dd e v i c e s c o u p l e d w i t h a p p m 州a t e c o m m u n i c a t i o nc a nb ei n s t a l l e di nt h ei n t e l l i g e l l tr o b o t ，m e a s 嘶n gt h el o 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fd e v e l o p m e n tw o r k ，t h er e s u l t sa r e ： 1 h a su s e dt h es c mc 8 0 51f 0 6 0c o n s t r u c t i o ns y s t 哪sc o r ec o n t r o ls e d l o n ， b e c a u s et h ec 8 0 51f 0 6 0i n t e 伊a t i o nr a t ei sh i 曲，t h ep o w e r1 0 s sw a ss m a l l ，h a s s a t i s f i e dt h eh a n d h o l di n s t n 】瑚e n t sd e s i 印r e q u i r e m e i l t s ； 2 s e l e c t e dt h es i l i c o ns u r f a c eb a 币e rd e t e c t o r ，h a sd e s i 盟e dt h em i n i a t l l r i z e d c h a r g e s e n s i t i v ep r e a m p l i f i e r ，a 1 1 ds e a l e dt o g e t h e rw i t ht h ed e t e c t o r ，h a sg u a r a n t e e d t h ed e t e c tp r e c i s i o n ； 3 i nt h ee l e c t r i cc i r c u i t ，a 1 1o ft h ea m p l i f j e ru s e st h es i n g l ep o w e rs u p p l y c o m p o n e n t ，s i m p l i f i e dt h ep o w e rs o u r c ed e s i g nc i r c u i t ， r e d u c e dt h ei n s t m m e i l t v 0 1 u m e ： 4 u s e st h el c dw i t ht o u c h s c r e e na st h es y s t e m sm 锄- m a c h i n ei n t e r f a c e ，f l o t o n l vr e d u c e dt h ei n s t m m e n tv o l u m e ，t h ei i e m o n s t r a t i o nh a sb e e nm o r ea r t l s t l c ； 5 t h es u p 硎o rm a c h i n es p e c t m ma 1 1 a l y s i ss o r w a r ei n t e r f a c ei s 衔e n d l y ，觚d f e a s i b i l i t y t 1 1 es y s t e mp e r f o 彻a n c et e s ti n d i c a t e dt h a tt h eh a n d h 0 1 da l p h as p e c t r o m 嘶c i n s t r u m e n tp o w e rl o s si sl o w ，t h ee n e r g yr e s o l u t i o ni sh i 曲，t h es y s t e ms t a b i l i t yi s g o o d ，t h em a l l m a c h i n ei n t e r a c t i o ni sg o o d ，s u i t sm ef i e l du s e k e y w o r d s ：h a n d h o l ds p e c t r o m e t r ym e a s u r e t 1 1 es i l i c o ns u m c eb 硎e rd e t e c t o r t o u c hs c r e e n l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛整理王友堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：杨龟桶 硼艿年多月为日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：枷自确 学位论文作者导师签名： 年，月劫日 截掰 i_r， 、：崩、扣 兰 鎏、 ，i _， 第1 章引言 第1 章引言 本章主要介绍论文的选题依据和研究意义。首先概括性地介绍核能谱测量的 发展和应用，以及研制手持式0 【谱仪的重要性；随后介绍了手持式仪器的研究现 状和发展趋势以及本文的研究内容。 1 1 选题依据及研究意义 放射性现象对于我们早已不陌生，岩石里、食物内、空气中，到处都存在放 射性。放射性现象就是不稳定的核素自发的放出粒子( 如：0 【粒子，j i i 粒子) 或y 射线，或在轨道电子俘获后放出x 射线，或产生自发裂变的过程【l 】。随着科技的 发展和人们生活水平的不断提高，人们对自身所处的环境越来越关心。而放射性 污染具有无色无味的特点，是一种比较严重的环境污染，达到一定的剂量具有致 命性的特点，已成为人们所面临的最为严重的社会问题之一。 核能谱测量无论是在核物理、辐射剂量学等基础学科的研究中，还是核技术 在国民经济各个领域的应用中，都是不可或缺的工具。特别是近几十年来，随着 高分辨率半导体探测器的出现、计算机技术、电子技术以及单片微机技术的广泛 应用，能谱仪的测量和分析水平得到了长足的发展，能谱仪在各个领域的应用也 更加深入。 能谱仪是采用核分析方法分析物质成分和含量的仪器。它的工作原理是：在 对物质进行成分分析时，不同元素受到相同强度放射源的激发会产生不同能量的 特征能谱射线或荧光，它们与物质所处的物理或化学状态几乎无关。可以通过对 特征能谱射线或荧光的能量和强度进行测量，来完成对物质成分的定性、定量分 析【2 】o 能谱仪早期都是由传统的模拟电路和数字电路来搭建的，随着计算机技术和 半导体技术的发展，能谱仪的性能也不断提高。7 0 年代中期，以数字集成电路和 微处理器为基础的数字多道能谱分析仪问世。8 0 年代末期9 0 年代初单片机技术开 始被融入到仪器制造中，多道能谱仪也随之向智能化方向发展。现在市场上存在 的大部分多道能谱分析仪，也都是这个时期的产物，它们的控制器大部分都采用 单片机、p c i 0 4 、a r m 或p d a ，不同厂家开发的多道能谱仪在功能、精度等方面 存在着差异【3 1 。 0 【射线是由0 【粒子组成的，碰子就是快速运动的氦核，它是一个稳定的原子 核，0 c 粒子是在不稳定原子核发生c 【衰变时放射出来的。对产生0 c 衰变的核素的生 产、存储或运输等过程都会存在一定的0 【表面污染，为了及时了解污染情况采取 措施，需要专门的仪器进行测量。0 【谱仪是测量o c 射线污染的重要仪器，主要用 于辐射防护、核材料检查监测、国土安全、环境样品、医药卫生、农业科学、进 成都理工大学硕士学位论文 出口商品检验、地质勘探、核燃料生产及处理工厂、同位素生产、核实验基地、 核物理实验室、核应急、核电站等领域的q 测量。因此研制一种功耗低，体积小， 重量轻，操作简便的仅谱仪是很有必要的，这对于0 【污染监测技术的推广也具有 极高的实用价值。 随着现场分析的需求和电子技术微型化的发展，便携式仪器或手持仪器的需 求越来越明显，现场分析仪器也越来越多。目前，所有的现场核测量仪都在朝着 体积小、重量轻、低本底、低功耗、高性能、分析速度快等特点的方向发展。其 中，手持式仪器具有方便用户进行随机测量，加大测量的数据量，减少取样测量 的麻烦的优点。同时，手持仪器加上相应的通讯方式可以安装在智能机器人上， 测量人工无法实现采样的地方。本论文旨在集成先进的核探测、电子、信息处理 和机械工艺设计等技术，研制开发出便于携带、高精度的手持式0 【能谱仪，以期 在嵌入式系统、低功耗、易于携带、0 【能谱测量等方面取得一定的成果。 1 2 研究现状 手持式仪器是以应用为核心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它是为完成某种 特定的功能而设计的现场分析仪器，有时我们也称其为嵌入式设备。手持式仪器 最主要考虑的是在保证功能的情况下功耗和体积的问题，如何节约功耗又要c p u 正常运行时高速运行是手持式仪器设计的重点；如何减少电路板设计尺寸也是设 计手持仪器需要考虑的地方，其中使用集成度较高的芯片是解决办法之一；手持 式仪器要有良好的人机界面，外形要美观；手持式仪器测量的数据要能及时保存 并可转存到计算机上做进一步处理；测量的数据要准确可靠，适时性强。 目前市场上绝大多数现场分析仪器都采用p c i 0 4 模块或者单片机加大的液 晶显示器来实现便携式方案；或者采用p d a 作为人机界面，而测量部分使用单片 机，中间采用串口通讯来实现手持方案。它们的开发周期较短，人机界面友好， 功能也齐全，但功耗都比较大，对于部分使用者要求的使用干电池供电有一定的 差距。 近年来，随着计算机、电子技术的发展，高集成度芯片的不断推出，手持式 仪器发展也很迅速。其中手持式o c 污染仪种类较多，如美国的p l a m 凡如9 0 7 手持 式0 c 核辐射测量仪( 图1 1 a ) 、e r t 手持式o 【沾污计量仪和i i l s p e c t o re x p 手持式a 沾 污计量仪( 图1 1 b ) ，但它们都是0 【总量测量仪，虽然这些仪器性能好，但价格昂 贵。国内的手持式分析仪发展也很快，如图1 1 c 是北京龙骞鸿讯科技有限公司生 产的手持式能谱仪，主要用于y 能谱测量。可以看出，这些手持式仪器的体积小， 外形美观，携带方便，非常适合于现场测量。 2 第l 章引者 a p l a mr a d 9 0 7 于持式q 核辐射测量仪 b i n s p e c t o re x p 手持式q 沾污汁量仪c 手持式能谱仪 图1 1 各种国内外手持式仪器 1 3 研究内容 本论文受科技部科学仪器改造专项“新一代系列表面核污染智能测量仪的研 制( 课题编号：2 0 0 6 j g 0 0 2 5 0 0 ) ”资助，旨在集成先进的核探测、电子、信息处 理和机械工艺设计等技术，研制开发出功耗低、便于携带、高精度的手持式o 【能 谱仪。 手持式c c 能谱仪的研制主要包括以下研究内容： ( 1 ) 手持式0 【能谱仪的硬件系统设计，必须考虑如何降低功耗、减小体积而 不影响分析精度； ( 2 ) 探测器的选择以及信号放大采集电路设计； ( 3 ) 选择符合手持式0 【能谱仪性能要求的嵌入式处理器构建系统； ( 4 ) 设计采用合理的电池供电的电源方案； ( 5 ) 丌发适用于本系统的上位机谱分析软件； ( 6 ) 对丌发的系统进行性能测试。 3 成都理工大学硕士学位论文 第2 章测量原理及设计方案 本章首先介绍了o c 射线的测量原理，然后简单介绍了系统的组成以及软硬件 设计方案。 2 1 测量原理 对0 【射线的探测主要是根据0 【；f 宜子与物质发生相互作用的原理来实现的。o ；l 立 子是在不稳定原子核发生q 衰变时放射出来的，天然放射性核素衰变时放射出的 c 【粒子的动能约在4 1 0 m e v 之间。由一定的放射性核素辐射出来的a 粒子能量是 一定的，如：2 1 4 p o ( r a c ) 辐射出的仅粒子能量为7 6 8 m e v ，2 1 2 p o ( ，n l c ) 放出的0 【粒 子能量为1 0 5 4 m e v 。不同核素放出的o 【粒子在能量( 或称能谱) 方面的这种差异 可以用来区分不同的放射性核素。常用o 【放射性核素如表2 1 所示。 o 【粒子通过物质时主要是与介质中原子的轨道( 束缚) 电子相互作用。带电 的 【粒子与束缚电子做弹性碰撞，两者之间的电磁相互作用使束缚电子得到加速 而离开轨道变成自由电子，引起电离。如果束缚电子获得的能量还不够大，未能 变成自由电子，而只是激发到更高能级上去，便是激发作用。a 粒子通过物质时， 能量主要消耗在使物质电离和激发上，我们正是根据a 粒子电离或激发介质的原 子产生的效应来探测a 粒子有关特性的i 。 表2 1 常用a 放射性核素表州 核素 半衰期 a 粒子能量( m e v ) 符号( 在a 衰变中所占百分数) 比活度( 3 7 1 0 1 0 & 妇) 主要产生方式 2 i o p o1 3 8 4 d 5 3 0 5 ( 1 ) 4 5 天然，聃( n ，丫) 2 拍r a1 6 0 28 4 7 8 5 ( 9 5 ) ，4 6 0 2 ( 5 )天然 2 2 1 9 1 3a 5 4 2 4 ( 7 l ) ，5 3 4 2 ( 2 8 ) 8 2 1天然 2 船n i7 7 1 0 4 a 4 6 8 “7 6 ) ，4 6 2 l ( 2 3 4 ) 天然 钿l1 4 1 0 1 0a 4 0 1 2 ( 7 7 ) ，3 9 5 3 ( 2 3 ) 天然 2 3 2 u7 2a 5 3 2 ( 6 8 ) ，5 6 2 ( 3 2 ) 2 1 j 2 3 2 p a 子体 2 3 3 u1 5 9 1 0 5a 4 8 2 ( 8 4 ) ，4 7 8 ( 1 4 ) 1 o l o 。2 2 3 4 u2 4 4 1 旷a 4 7 7 3 ( 7 2 5 ) ，4 7 2 3 ( 2 7 5 ) 6 2 1 0 。2 天然，2 3 8 p l l 衰变子核 挪u 7 1 1 0 8a 4 4 0 1 ( 5 6 ) ，4 3 6 5 ( 1 2 ) 2 1 6 l o - 6天然 2 3 6 u 2 3 9 1 0 7a 4 4 9 5 ( 7 3 7 ) ，4 4 4 5 ( 2 6 ) 6 3 1 0 52 3 5 u ( n ，丫) 2 3 7 n p 2 1 4 1 0 6a 4 7 7 ( 2 5 ) ，4 7 8 7 ( 4 7 ) 7 0 7 1 0 7 2 3 8 u ( n ，2 n ) ，2 3 7 u ( b - ) 2 3 8 p i l8 7 7 5a 5 4 9 9 ( 7 1 7 ) ，5 4 4 5 ( 2 8 7 ) 1 7 2 2 3 7 n p ( n 玎) ，2 3 8 n “b + ) ，2 4 2 c m 子体 2 钾p i i 2 4 4 1 0 4a5 1 1 5 ( 7 3 ) ，5 1 4 2 ( 1 5 ) ，5 1 0 3 ( 1 l )6 1 3 l o 2 2 ”u ( n ，y ) ，2 3 9 u ( b - ) ，2 3 9 n p ( c ) 2 4 0 p u6 5 8 0a 5 1 6 8 ( 7 6 ) ，5 1 2 3 ( 2 4 ) o 2 2 72 3 8 u ”9 p i i 巾子俘获 2 4 3 8 6 9 1 0 5a 4 8 5 “2 4 ) ，4 9 0 0 ( 7 6 ) 蛳抛p i l 中子多次俘获 “1 a i n4 3 3a 5 4 8 6 ( 8 5 2 ) ，5 4 4 3 ( 1 2 8 ) 3 4 3 2 3 9 p i l ，2 3 8 u 中子多次俘获 2 4 2 a m7 9 5 0a 5 2 7 6 ( 8 7 6 ) ，5 2 3 4 ( 1 0 6 ) 0 2 02 3 8 u ，2 3 9 p l l 巾子多次俘获 2 4 3 c m3 2a 5 7 8 5 ( 7 3 ) ，5 7 4 l ( 1 2 ) 4 9 1 2 ”u ，2 3 9 p l l 中子多次俘轶 2 4 4 c m1 8 1a 5 姗5 ( 7 6 ) ，5 7 6 3 ( 2 4 ) 8 1 o 堆中子2 4 1 a m ( 或2 3 峄u ) 4 第2 章测量原理及设计方案 2 2 硬件设计方案 本设计旨在研制一套完整的手持式q 谱仪系统，采用当前高集成度芯片实现 q 谱仪的功能。本系统的特点：1 ) 采用c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机作为系统的m c u ；2 ) 充 分利用c 8 0 5 1 f 0 6 0 运行速度快的优势，扩展出l c d 显示、s p l 、u a r t 等接口；3 ) 采用带触摸功能的液晶屏，显示美观，更趋于人性化。 基于c 8 0 5 1 f 0 6 0 构建的硬件平台，包括前置放大器、主放大器、多道脉冲幅 度分析器、c 8 0 5 1 f 0 6 0 主控制器、带触摸屏的液晶显示及实现与p c 机通信的u a r t 接口，系统整体框图如图2 1 所示。其工作过程为：探头将探测到的信号送到电 荷灵敏前置放大器后输出不同幅度的电脉冲信号，其幅度正比于射线能量。该信 号再经过主放大器进行脉冲成形和放大，通过比较器实现上下阈值的设定和过峰 的检测。利用c 8 0 5 1 f 0 6 0 自带的高速a d c 实现模数转换功能，将符合要求的模拟 电压脉冲信号转换成数字信号并存储，c 8 0 5 1 f 0 6 0 可以对数据进行分析、在l c d 上以谱线的形式显示并且通过u 伽盯接口把数据上传给p c 机。 图2 1 系统整体框图 2 2 1 探测器的选型 核辐射探测器的性能直接影响核仪器的性能，因此对探测器的选择极为重 要。由于o 【粒子在物质中的射程极短，因此对于o 【粒子的探测不得不使用薄窗探 测器，或者将待测样品放入探测器的工作容器之内( 内计数器) 。最适于a 粒子探 测的探测器是脉冲电离室、正比计数器、硫化锌闪烁体、玻璃闪烁体、塑料闪烁 体、面垒型半导体探测器、核乳胶及蚀刻探测剁5 1 。典型的0 【粒子探测器及其主 要特点和用途如表2 2 所示。 5 成都理工大学硕士学位论文 表2 2 典型的a 粒子探测器 类型a 探测器 主要特点、用途 1 微秒级脉冲衰减时间 气体电 2 对电压稳定性要求不高，高压稳定性一般为1 0 5 离探测 电离室 正比计数管 3 价格低、操作方便、温度性能好，宜与通用性0 【粒子计数 器 仪器配用 4 能量分辨性能较差 硅扩散结 2 1 2 b i6 0 5 m e v ，半高宽2 0 k e v ，丁作温度约2 0 0 c 探测器死层厚，面积小，受环境条件的影响小 半金硅面垒2 4 1 a m5 4 8 6 m e v ，半高宽1 3 k e v ( 室温) ， 1 0 k e v ( 柏0 c ) 导探测器 能量分辨率高，工艺简单，易受环境条件的影响 体硅( 锂)2 4 1 a m5 4 8 6 m e v ，半高宽2 0 k e v ( 2 5 0 c ) 探探测器 工艺较复杂，周期长，成本高 测 高纯锗 2 4 1 a m5 4 8 6 m e v ，半高宽1 6 k e v ( 7 7 0 k ) 器 探测器需在77 0 ：k f 氐温下工作 砷化镓面垒2 4 1 a m5 4 8 6 m e v ，半高宽1 5 5 k e v ( 室温) ，4 0 k e v ( 1 2 0 0 c ) 探测器 能量分辨率较高，可在6 0 0 c 以上温度下工作 闪 z n s ( a g )1 发光衰减时间短( 纳秒与亚纳秒级) ，可用于高计数率0 【 烁 塑料闪烁体 粒子汁数 探 玻璃闪烁体2 对高压电源稳定性要求较高，一般为o 1 测 c s i ( 1 f 1 )3 可作成大面积探测器 n a l ( 1 1 ) 4 能量分辨率适中 器 液体闪烁体5 可用于各种q 粒子计数场合 其中，金硅面垒半导体探测器是我国目前主要生产的结型探测器，它窗薄、 噪声低、能量分辨率高、工艺简单、成品率高、易于制得大面积均匀探测器，故 本设计选用金硅面垒半导体探测器。 2 1 2 前置放大电路 从半导体探测器输出的电压信号极其微弱，必须先进行无失真、线性放大后， 才能传输到后续电路。因此，前置电路的噪声对能量分辨能力影响很大，降低前 置电路的电子噪声，是提高仪器整机性能的关键。本设计采用影响因素少的电荷 灵敏放大电路。在选择器件时采用低噪声的场效应管作为前置放大电路的输入 管。该前置放大器与探测器封装在一起，尽可能抑制前放的电子噪声。 2 1 3 主放大器 前置放大电路虽能将探测器输出的信号加以放大，但仍不能满足后续电路的 要求，加上长距离传输之后，又有一定的衰减，所以信号尚须放大成形才能配合 其后电路正常工作。放大电路主要包括以下几个部分：极零相消电路、线性放 大电路、积分滤波电路等。 其中极零相消电路要解决脉冲经过c r 微分电路时 出现的“反冲”。线性放大器采用若干具有反馈回路的放大级组成。为了防止电 6 第2 章测量原理及设计方案 容耦合对脉冲形状造成不希望的影响，放大器各级都采用直接耦合。滤波电路采 用二阶有源积分滤波成形电路，随后紧跟一级无源r c 积分电路便可得到单一极 性，项部较圆，信噪比较高的“准高斯型波形”信号。 2 1 4 多道脉冲幅度分析器 在核能谱测量中，探测器输出的脉冲信号幅度与入射粒子的能量成正比；某 一种能级的粒子在单位时间内辐射的次数，反映该能级粒子的辐射几率。通过测 量脉冲信号幅度和次数，可以获得入射粒子出现的几率与能量的关系。所以，多 道脉冲幅度分析器是放射性测量仪器的关键部分，它的作用是把放大器输出的模 拟量转换成计算机可接受的数字量，再以数字量作为存储器的道址码记录脉冲数， 存储于存储器中的各道计数即表征了脉冲按幅度大小的分布情况，然后再将模 数转换的结果送入微控制器进行数据处理。本设计采用单片机及其自带1 6 位a d c 为核心，配以脉冲甄别和控制电路，共同实现高精度的多道脉冲幅度分析器。 2 1 5 主控单元 多道脉冲幅度分析器转换出的数字量尚需进一步的处理和显示，目前可用做 便携式能谱分析系统微处理器的主要有：笔记本电脑、单片机、嵌入式工控机p c 1 0 4 、a r m 和p d a 等。各种微处理器的性能指标如表2 3 所示。 表2 3 各种处理器性能比较衣z j亩种处理丽。i 士日ef l 议 妨案 参数 笔记本c 8 0 5 l fp c i 0 4a r m p d a 速度( m l p s ) 1 gs2 5 1 0 0 左右4 0 2 0 0 或更高 苫2 0 0 功耗高低高低较高 体积大小较大小较大 功能齐功能齐 功能 功能较简单功能较齐全 功能较齐全 全全 价格昂贵便宜较贵便宜较贵 商业应商业应 应用领域工业、军事应用工业应用工业、军事应用 用 用 开发难度 大小 较大 大大 通过对系统功能的仔细分析和市场调研，结合开发经验，选用了c 8 0 5 1 f 系 列单片机作为本系统的控制核心。c 8 0 5 1 f 系列单片机的功耗低，种类繁多，片 内资源丰富，是一种基于混合信号处理可以进行在线仿真和烧写的微控制器；一 般集成了多个a d c 和多个d a c ，不同型号的c p u 还包含有i l c 、s p i 、c a n 、u s b 等总线接口；内部集成的高速8 0 5 1 内核采用流水线指令处理结构，7 0 的指令在 1 到2 个系统周期内完成，如果采用2 5 m h z 的晶振，指令执行速度可达到2 5 m i p s ， 7 成都理工大学硕士学位论文 能够完成本系统的控制和数据处理功能。 2 1 6 谱仪通讯接口 核能谱仪器中的接口电路，起着计算机与核辐射探测器及有关电路之间沟通 信息的桥梁作用，是实现能谱仪器微机化的重要条件。接口电路应具有既能将计 算机的数字信号转换成对仪器进行控制的电信号，又能将不同形式的仪器信号转 换成统一的数字信号，以便传送到计算机中进行处理的能力。 本谱仪选用了r s 2 3 2 总线方式与上位机进行通讯，串口总线的优点是设计 简单、传输距离较远、传输线较少、可以在许多场合使用。 2 3 软件设计方案 本谱仪软件主要分为单片机系统软件和上位机软件。 单片机系统软件框图如图2 2 所示，完成的主要功能有：a d 采集及数据保存， 串口通讯，谱线的l c d 显示，触摸屏控制等。 图2 2 单片机系统软件框图 系统的上位机软件，用v i s u a lc + + 6 0 设计，主要是对a 能谱数据的处理、存 储和显示等，软件界面美观、简洁、可操作性强。 8 第3 章谱仪硬件系统 第3 章谱仪硬件系统 本章是本文的重点，主要介绍谱仪的硬件系统，将从探测器的工作原理、核 脉冲信号的放大与成形、多道脉冲幅度分析器原理与实现、主控单元对数据的采 集处理以及谱仪i o 接口等方面进行详细阐述。 3 1 探测器模块 核辐射探测器是核地球物理仪器中的重要组成部分，它将入射射线的能量转 换成电信号或其它易测信号以供后续电路处理。本论文中选择的探测器是面垒型 探测器，它一般采用n 型单晶硅片并将金属沉积在该片上制成，通常沉积的金属 是金，故也称为金硅面垒型探测器。 3 1 1 探测器工作原理 半导体探测器的工作原理：带电粒子射入晶体后，与晶体中的电子相互作用 而很快地损失掉能量，电离激发半导体产生一定数目的电子空穴对，电子和空 穴对在外电场的作用下，分别向两极漂移，形成脉冲电流被电极收集，在负载电 阻上形成脉冲电压信号。当电场足够强时，电子和空穴在结区的复合和俘获可以 忽略。这时输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比。如果入射粒子 的能量全部消耗在结区，则输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比。等效电路原理 图3 1 所示： ( a ) v ( b ) l ( t j 图3 1 半导体探测器等效电路图 金硅面垒型半导体探测器的输出电路如3 1 ( a ) 所示，设r d 为灵敏区电阻，r t 与c 为非灵敏区电阻和电容，画出其等效电路如图3 - 1 ( b ) ，当r d 、c c 、r 与c 被 忽略时，则可简化成如图3 1 ( c ) 的等效电路。其中，r 为r d 与r j 的并联电阻，c 为 c d ，c s 和c i 的并联电容。这种输出形式与电离室类似，但此时因载流子比离子收 9 成都理工大学硕士学位论文 集快得多，只要该电路r c 乘积比载流子收集时间大时，输出即可达n e c ，即与 入射粒子能量成正比，所以比电离室计数率高。 3 1 2 探测器性能影响因素 ( 1 ) 影响探测器的能量分辨率的因素主要有：电子空穴对数的统计涨落， 造成谱线展宽；核散射效应，造成谱线低能端加宽，使能量分辨率变坏；空气和 窗吸收的影响；探测器本身的噪声影响，主要来源于反向电流，一般情况下，一 个好的金硅面垒探测器的反向电流应该小于】从。反向电流的来源有三个：扩散 电流、体电流和表面漏电流。 ( 2 ) 影响非线性的因素主要有两个：入射粒子的能量在探测器的入射窗和 死层中的损失；重离子与原子核碰撞而损失能量，但对输出脉冲幅度无贡献，核 碰撞对能量亏损的贡献随离子有效电荷的增加而增大。 由于半导体探测器的结电容是随外加偏压而改变的，因此在不同的偏压下， 对同样能量损耗的入射粒子来说就给出不同幅度的电压脉冲，影响了能量的分辨 率。如图3 2 所示，随着反向电压的增大，反向漏电流迅速增大，结电容