CN101464420A - 便携式高速多道能谱仪 - Google Patents

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CN101464420A CNA2007101589719A CN200710158971A CN101464420A CN 101464420 A CN101464420 A CN 101464420A CN A2007101589719 A CNA2007101589719 A CN A2007101589719A CN 200710158971 A CN200710158971 A CN 200710158971A CN 101464420 A CN101464420 A CN 101464420A
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白纯
信美华
单淑娟
苏映新
崔祜林
赵健
李士伟
刘士丹
李勇
张华�
吕国峰
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Abstract

本发明提供了一种利用射线检测元素的装置，该装置是由脉冲信号输入端连接脉冲整形单元电路，脉冲整形单元电路输出端并联匀道单元电路和阈值检测单元电路，匀道单元电路输出端和阈值检测单元电路输出端分别连接峰值采样保持单元电路，峰值采样保持单元电路输出端连接单片机，单片机连接存储器；通讯单元与单片机输出接口相连接构成；本发明由于在电路上采用高速A/D变换技术、脉冲峰值电压检测和保持技术、高速线型门电路及整机逻辑控制系统，使其积分非线性指标可达到0.025％，最高输出频率大于30kHz，缩短了采集时间，并可扩展应用范围，应用软件中文界面更方便操作，数据输出更容易同其它应用程序交互。

Description

便携式高速多道能谱仪
技术领域
本发明涉及一种元素检测装置，具体说涉及一种利用射线检测元素的装置。
背景技术
核检测技术在工业、军事等领域应用越来越广泛。随着核检测技术的发展，能谱测量技术已成为核检测技术的主导方法。每种物质在一定波长的射线照射下产生的核脉冲是有一定规律的，多道能谱分析仪是对各种射线的能谱分析，将各种射线激发的核脉冲的幅值进行量化，得到核脉冲随能量分布的数据。分析能谱数据可以得知被测物中含有某种元素(如用于毒品、爆炸物品的检测)以及各种元素在被测物中的含量(如工业矿物质的成分分析、环保检测等)。
目前已有的多道分析仪器核心部分——量化电平(模数转换)单元采用放电法进行脉冲幅值量化，转换时间长，并且要辅以大量的计数器器件记录时钟来标定放电时间，这些因素导致原有的多道分析谱仪可测脉冲数率低，要提高可测脉冲数率很困难。国内的同类仪器，其技术指标之一“积分非线性”仅为0.1％，最高输入频率据测试不超过10kHz，而国外的同类仪器其应用软件非中文界面，不方便操作。
发明内容
本发明针对现有多道能谱仪的缺陷，提出一种输入频率高、积分非线性小的便携式高速多道能谱仪。
解决上述技术问题的方案是，一种便携式高速多道能谱仪，其特征在于：该装置是由脉冲信号输入端连接脉冲整形单元电路，脉冲整形单元电路输出端并联匀道单元电路和阈值检测单元电路，匀道单元电路输出端和阈值检测单元电路输出端分别连接峰值采样保持单元电路，峰值采样保持单元电路输出端连接单片机，单片机连接存储器；通讯单元与单片机输出接口相连接，上位机与通讯单元相连接构成；在脉冲整形单元电路中采用运算放大器IC01(ad8011)与IC02(ad8011)构成滤波电路；在匀道单元电路中采用D/A转换器构成匀道电路；在阈值检测单元电路中采用D/A转换器和比较器IC303及跟随器构成；在峰值采样保持单元电路中采用寻峰保持模块和逻辑模块构成峰值采样保持电路；单片机采用C8051f021芯片；存储器为LS62LV1024，通讯单元采用RS232模块；上位机为装有用VC++编写的应用程序软件的工控机。
由脉冲信号接收装置收到的信号传到脉冲整形单元，整形后的脉冲信号送入匀道单元，匀道后的信号送入峰值采样保持单元的寻峰保持模块，同时整形后的脉冲信号经阈值检测单元进入峰值采样保持单元的逻辑模块，峰值采样保持单元的输出信号送入单片机的A/D转换单元，单片机匀道控制I/O引脚控制匀道单元，单片机的逻辑控制I/O引脚控制峰值采样保持单元的逻辑模块，单片机与通讯单元互通，通讯单元通过电缆与上位机连接。
本发明的有益效果：本发明由于在电路上采用高速A/D变换技术、脉冲峰值电压检测和保持技术、高速线型门电路及整机逻辑控制系统，使其积分非线性指标可达到0.025％，最高输出频率大于30kHz，缩短了采集时间，并可扩展应用范围，应用软件中文界面更方便操作，数据输出更容易同其它应用程序交互。
附图说明
图1是本发明电路框图
图2是图1中脉冲整形电路框图
图3是图1中匀道电路框图
图4是图1中阈值检测电路框图
图5是图1中峰值采样保持电路框图
具体实施方式：
便携式快速多道能谱仪电路框图如图1所示，下面结合示意图具体说明其原理和结构。
探头脉冲信号输出端连接脉冲整形单元1电路的输入端，接收到的脉冲信号输入到脉冲整形单元1。
脉冲整形：核脉冲的出现时间上是随机的，甚至两个脉冲相距很近，幅值有可能叠加在一起。另一方面，核脉冲自身含有极高的高频分量，对其进行峰值检测和采样保持是较困难的。因此需要将高频分量和低频分量滤除。在脉冲整形单元1电路中采用IC01(ad8011)与IC02(ad8011)运算放大器构成滤波电路，如图2所示。
整峰部分增益：Gzf＝Vout1/Vin＝2.5
Vin——输入核脉冲幅值
Vout1——整峰部分输出信号幅值
脉冲整形单元1电路输出端并联匀道单元2电路和阈值检测单元3电路。
匀道：渐次逼近型A/D器件积分线性好，微分线性不能满足核能谱分析的要求(如微分线性1％)，体现在道宽不均匀，原应计入某一道的脉冲计入相邻的道址造成相邻两道计数不准确。相应的办法是将每个核脉冲叠加不同的电压，A/D转换完成的数据再减去加的电压，这样利用积分线性好的特点和统计规律使微分线性得到改善，这就是匀道方法。匀道电压由D/A转换器提供，通过加法器(ad845)迭加在整形过的核脉冲上。在匀道单元2电路中采用D/A转换器构成匀道电路，如图3所示。
阈值检测：核脉冲中掺杂一些幅值较低或较高的信号，以及一些幅值较低的干扰信号。这些对分析无用或不利于分析的虚假信号必须滤除，电路中设置上阈、下阈检测，低于规定信号幅值和高于规定信号幅值的脉冲不进行分析。阈值检测由两个比较器组成，阈值由D/A器件输出，幅值可以是固定的也可以根据分析需要在应用中调整，阈值检测电路图如图4所示，在阈值检测单元3电路中采用D/A转换器和比较器ad790(IC303)及1f156跟随器构成。
匀道单元2电路输出端和阈值检测单元3电路输出端分别连接峰值采样保持单元4电路，峰值采样保持单元4电路输出端连接单片机5(MCU)，峰值采样保持电路采用运算放大器AD783及外围电路，电路图如图5所示。
峰值采样由二部分组成：第一部分为寻峰保持模块接收匀道输出信号，在信号最高点触发逻辑单元。第二部分逻辑单元根据阈值信号和MCU输出信号判定是否保持该信号，如要保持该信号则向寻峰保持模块发出hold信号，并通知MCU开始A/D转换。
单片机5采用Cygnal公司C8051f021芯片，内部集成了12bit A/D和12bitD/A，提供大量数字外设资源。C8051f021采用流水线指令结构，速度可达25MIPS。片内ADC转换速率可达100ksps，能够大大缩短转换时间，提高仪器的最高计数率。由于渐次逼近型A/D的转换时间是固定的，因而脉冲幅度分布的畸变大大减少。该芯片还承担着逻辑控制、数据处理、数据存储、通讯、匀道电压输出功能。
数据存储器连接单片机5，数据存储器为静态存储器LS621V1024。脉冲幅值转换后的数据由单片机5存入数据存储器，上位机7需要提取数据时单片机5从数据存储器读取数据上传给上位机软件。
通讯模块6将单片机串行通讯转换为RS232通讯。
上位机7采用市售工控机，工控机内装有用VC++编写的应用软件，包括以下功能模块：通信模块主要是检测多道板是否与上位机正确连接，为下一步数据采集做好准备。数据采集模块用来控制下位机向上位机传送幅度谱线。由于探头精度的不同，应该在采集过程中选择合适的谱长，本软件提供四种可供选择的谱长范围分别是“512，1024，2048，4096”。选用采集定时是完成规定时间内的数据采集，对一段时间内的数据进行分析处理。采集的停止方式分为停止和暂停，停止操作，下位机停止计数，上位机缓存区清零。暂停操作，下位机停止计数，上位机缓存区数据自动保存。
文件管理部分主要完成对数据的存储、打印等工作。数据采集完成后，点击[保存]，用户就可以随意调用保存过的数据，便于比较分析。打印操作可以打印原始数据、数据处理结果、谱线等，可以生成书面报告，便于研究、讨论。
谱线处理主要包括自动寻峰、平滑、求全谱总计数、求峰净面积、能量标定、求峰谷比及能量分辨率等。这些功能可以很好地帮助用户进行多元素分析，确定元素类别、元素特性等。
自动寻峰：寻找到正确的谱峰，并有效地剔除假峰，对于元素成分分析是非常有意义的。寻峰过程如下：
要寻峰时将左右光标移到被寻峰区域的左、右两侧，然后点击[寻峰]按钮即可。在界面的左侧[寻峰结果]中就可看到所需要的各种参数，包括峰位、半高宽、分辨率、峰谷比等。“峰位”由向下的箭头标记，可以看到峰所在的道址和道计数。“半高宽”为峰高一半处的宽度；“分辨率”为半高宽与道址的比值；“峰谷比”为波峰计数值相邻的波谷计数值之比。
重点区计算：重点区的计算结果对于重点区域的具体数据分析是很有帮助的，计算过程如下：
将左右光标移到感兴趣区的左右两侧，然后点击[重点]，变红的区域即为所选的重点区。重点区计算结果显示在界面右侧。结果包括“总和”及“净面积”。“总和”为起始道和结束道之间所有数据点的计数总和；“净面积”为总和扣除本底后的计数和。
能量标定：对能量进行标定后可以很直观的看出不同峰的能量值，对于多元素分析是很有意义的，具体标定过程如下：
需要能量标定时应当用两个源放在一起测量，测量的道计数应足够大，最好峰计数值大于10000。在标定前应将谱线设置为平滑显示，通过平滑可以除去虚假峰，此后可点击[能量]按钮，出现[设置能量值]对话框，并自动给出几个对应峰道址；可在道址右侧窗口内输入对应能量值，点击[OK]即可完成能量标定。能量单位可以是keV也可以是MeV。完成能量标定后峰处理结果中会增加能量标定值。
移动光标/谱线显示方式：设计光标的移动方式和谱线的显示方式主要用来方便用户操作及更好的观察谱线的，操作过程如下：
要移动左光标到指定道址，需要在指定道址处单击鼠标左键，若要精确移动可以点击工具栏[左标]按钮，会出现一个对话框，在该对话框的[道址]下面窗口内输入指定的道址数即可。要移动右光标到指定道址，需要在指定道址处单击鼠标右键，若要精确移动可以点击工具栏[右标]按钮，会出现一个对话框，在该对话框的[道址]下面窗口内输入指定的道址数即可。采用这种光标移动方式非常方便重点区域的划分。
谱线有三种显示方式：分段显示、Y轴放大、Y轴缩小、全谱显示。
[分段显示]：可以在整个窗口中观测到以512道为单位的各段谱线。便于重点观察感兴趣谱线段。
[Y轴放大]：每按一次放大20％。
[Y轴缩小]：每按一次缩小20％。
[全谱显示]：显示整个曲线。

Claims (5)

1一种便携式高速多道能谱仪，其特征在于：该装置是由脉冲信号输入端连接脉冲整形单元电路，脉冲整形单元电路输出端并联匀道单元电路和阈值检测单元电路，匀道单元电路输出端和阈值检测单元电路输出端分别连接峰值采样保持单元电路，峰值采样保持单元电路输出端连接单片机，单片机连接存储器；通讯单元与单片机输出接口相连接，上位机与通讯单元相连接构成。
2按权利要求1一种便携式高速多道能谱仪，所说的脉冲整形单元电路，其特征在于：采用运算放大器IC01(ad8011)与IC02(ad8011)构成滤波电路。
3按权利要求1一种便携式高速多道能谱仪，所说的匀道单元，其特征在于：电路中采用D/A转换器构成匀道电路。
4按权利要求1一种便携式高速多道能谱仪，所说的阈值检测单元，其特征在于：电路中采用D/A转换器和比较器IC303及跟随器构成。
5按权利要求1一种便携式高速多道能谱仪，所说的峰值采样保持单元，其特征在于：电路中采用寻峰保持模块和逻辑模块构成峰值采样保持电路。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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