CN101799554A - 数字式对数γ能谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式对数γ能谱仪，包括：NaI晶体、光电倍增管、高压电源模块及前置放大器、对数放大装置、程控增益放大装置、抗混叠有源滤波装置、高速模数转换装置ADC及CPLD可编程逻辑器件，所述对数放大装置，对接收到的核脉冲信号进行对数运算，获得高能段谱线与低能段谱线；高速模数转换装置ADC，将滤波后的信号进行模数转换；CPLD可编程逻辑器件，实现脉冲幅度分析、基线恢复及对数字信号的滤波去噪，并得到对应的核脉冲峰值的信息。通过设置的对数放大器对核脉冲信号进行对数压缩，保证了高低能谱线的分辨率；通过采用高速模数转换器与CPLD可编程逻辑器件实现了数字式能谱仪，保证了能谱仪的高计数通过率与能量分辨率。

Description

数字式对数γ能谱仪

技术领域

本发明涉及一种γ能谱仪，尤其涉及一种数字式对数γ能谱仪。

背景技术

γ射线是一种强电磁波，它的波长比X射线还要短，一般波长＜0.001纳米。在原子核反应中，当原子核发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是γ射线。

γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。γ射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生γ射线。γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子(＞2兆电子伏特)的光电效应较弱。γ光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，γ光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随γ光子能量的增高而增强。γ光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪(利用晶体对γ射线的衍射)直接测量γ光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器，通常也叫伽马能谱仪。由辐射探测器、核电子学信号处理电路和多道分析器组成，用于测量核辐射谱(能谱、时间谱等)的系统。常按所用探测器命名，例如，使用闪烁探测器的称为闪烁谱仪；使用硅锂探测器、锗锂探测器和高纯锗探测器(见半导体探测器)的分别称为硅锂谱仪、锗锂谱仪和高纯锗谱仪。有的也按所测辐射命名，如X射线谱仪和正电子谱仪等。各种利用电子计算机的谱仪，都配有谱处理程序和放射性核素数据库，能自动识别放射性核素并确定其含量。

对各种核辐射粒子的能量分布情况的测量。测量核能谱的方法较多，但在核物理实验中，核电子学方法测量能谱是最主要的一种手段。用核电子学方法测量能谱，主要有脉冲幅度测量、飞行时间测量及与磁谱仪配合进行位置测量等。脉冲幅度测量就是测量入射粒子在探测器中产生电脉冲的幅度分布。很多种探测器的输出脉冲幅度分布与入射粒子能量在探测介质中的损失具有线性关系，所以测出的幅度分布就能说明入射粒子的能量分布。这种方法既适用于带电粒子，也适用于中性粒子和X、γ等电磁辐射。因此，它在能量测量中使用最为广泛。各种基于脉冲幅度测量的能谱仪的基本组成除辐射探测器外，还需要有一系列与之配合的核电子学仪器，包括低噪声前置放大器、主放大器、多道脉冲幅度分析系统和供电电源等。但为了能在各种条件下得到良好的能量分辨，实际的谱仪系统往往比较复杂。例如，在高计数率情况下工作时，为了减少脉冲堆积和基线漂移对谱形造成的畸变，就需要在测量系统中配备堆积拒绝器和基线恢复器。为了防止谱仪系统长时间工作时不稳定性的影响，就需要用稳谱器来进行自动调整。此外，还可根据实验的要求配置活时间校正、能量选择和时间选择等电路。在进行γ能谱测量中，为了压低康普顿散射峰对谱形的影响，还研制成各种类型的康普顿剔除谱仪，或称反康普顿谱仪。其原理是利用反符合电路抵消由康普顿散射给出的电脉冲，尽量减小对能谱测量的干扰。为了克服锗探测器灵敏体积不易做得很大和效率较低的缺点，还可采用多路开关电路，使多个探测器并联使用时做到探测效率相加而不影响其能量分辨性能。此外，现代谱仪系统还广泛应用计算机进行在线数据自动获取与处理，包括各种谱处理功能，如自动找峰、定峰位、求峰面积、计算峰的半高宽、能量刻度以及对复杂谱线的解谱等。

现有的伽马能谱仪结构如图1所示，NaI闪烁探测器将伽马射线转换成光强度与伽马射线能量成正比的荧光信号，该荧光信号由光电倍增管进行倍增并转换为电流信号后进入前置放大器放大转换为电压脉冲信号，该脉冲信号经过线性程控增益放大器，调节合适的增益后，由模拟式峰值采样保持电路对核脉冲信号进行峰值采样并保持，保持得到的脉冲信号的峰值电压送入模数转换器得到与核脉冲信号峰值成比例对应的数字信号，由微控制器获取并存储在数据存储器中，形成能谱曲线，在谱数据处理机发出谱线获取命令时，由微控制器通过RS-232接口将谱线发送到谱数据处理机，谱数据处理机通过软件算法实现谱线数据的处理，如谱线光滑，谱线寻峰，能量刻度最后求的对应不同元素的含量值。

现有技术方案存在以下缺点：

1、采用模拟电路构成峰值采样保持电路，导致所获取的能量分辨路降低，尤其是在高技术率情况下，更加严重。由于模拟峰值采样保持电路是通过电容的充放电来实现模拟电压的采样，而电容本身的介质吸收效应，导致所采集的模拟电压存在误差，而且该误差随着模拟信号的峰值大小发生变化，就带来了谱线的非线性。同时模拟电路的电容，电阻等参数随着温度影响变化较大，也带来了调试与生产的问题。

2、模拟峰值采样保持电路所能处理的脉冲宽度最小一般都在几十微妙左右，而且在低速模拟转换器工作器件，不能处理新到来的核脉冲信号，从而导致死时间的问题使得允许的最高计数率较低，通常在几十K左右，无法满足大晶体的探测要求。

3、由于采用线性放大器，在模数转换器有效分辨率一定的情况下，为了同时能够探测高能核脉冲信号(3Mev以上)与低能核脉冲信号(30Kev以下)，必将降低系统增益，从而使得低能核脉冲信号的峰值非常低，通常要小于几十Mv，受噪声影响，ADC分辨率的影响，就会使低能段谱线的分辨率急剧恶化，而低能段谱线的谱峰较多，且被压缩，无法得到有用信息，而高能段谱线的谱峰较少，却占用ADC的较大输入范围，变成了浪费。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种数字式对数γ能谱仪。所述技术方案如下：

一种数字式对数γ能谱仪，包括：

NaI晶体、光电倍增管、高压电源模块及前置放大器，所述NaI晶体，发出荧光信号；光电倍增管，将荧光信号进行倍增并转换为电流信号输出到前置放大器；前置放大器，将电流信号转换为电压信号；所述能谱仪还包括对数放大装置、程控增益放大装置、抗混叠有源滤波装置、高速模数转换装置ADC、CPLD可编程逻辑器件，所述

对数放大装置，对接收到的核脉冲信号进行对数运算；

程控增益放大装置，为高频宽带放大器，调节接收到的核脉冲信号以调节谱线的漂移；

抗混叠有源滤波装置，对缩放的信号进行滤波；

高速模数转换装置ADC，将滤波后的信号进行模数转换；

CPLD可编程逻辑器件，实现脉冲幅度分析、基线恢复及对数字信号的滤波去噪，并得到对应的核脉冲峰值的信息。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过采用对数放大器对核脉冲信号进行对数压缩，可保证同时获得高能段谱线与低能段谱线，并保证整条谱线的能量分辨率；通过采用高速模数转换器与可编程逻辑芯片实现数字式能谱仪，保证谱仪的高计数通过率与能量分辨率。

附图说明

图1是现有伽马能谱仪结构图；

图2是本发明数字式对数γ能谱仪结构图；

图3是本发明高速模数转换器电路结构图；

图4是本发明CPLD可编程逻辑器件内部模块电路结构图；

图5是采用线性放大器的数字能谱仪谱线示意图；

图6是采用对数放大器的数字能谱仪谱线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：

本实施例提供了一种数字式对数γ能谱仪。

如图2所示，为数字式对数γ能谱仪的结构，该结构包括NaI晶体，将伽马射线转为荧光信号；光电倍增管，将接收到的荧光信号进行倍增并转换为电流信号输出到前置放大器；前置放大器，将电流信号变换为电压信号后输出到对数放大器；对数放大器，对接收到的核脉冲信号进行对数运算，对其高能信号进行幅值压缩，对低能信号进行幅值放大，同时获得高能段谱线与低能段谱线；程控增益放大器，为高频宽带放大器，调节接收到的核脉冲信号以调节谱线的漂移；抗混叠有源滤波器，对缩放后的核脉冲信号进行滤波后送入告诉模数转换器ADC；高速模数转换器ADC，将滤波后的核脉冲信号转换为数字信号，并将该数字信号发送到CPLD可编程逻辑器件；CPLD可编程逻辑器件，采用VHDL语言实现数字滤波去噪、数字脉冲抗堆积及数字峰值保持得到对应核脉冲峰值的信息，输入到Cortex-M3架构的工业级ARM芯片STM32F103，ARM芯片内部采用乒乓缓冲机制与快速中断结合，实现谱线传输与谱线获取的不间断并行工作；磁耦合串口隔离通信电路，采用的是ADM3251E实现数字能谱仪与外界环境的电气隔离与串口数据通信，其最高数据传输速率为460kbps，片内自带DC-DC隔离电源，并简化了电路的设计。

如图3所示，为高速模数转换器ADC电路设计图，在电路设计中，高速ADC的选择非常重要，既要有足够的能量分辨率，又要保证其优异的差分非线性、积分非线性和高的转换速率，还要保证其信号输入电压范围尽量大，功耗尽量小，因此本实施例采用了AD9224芯片，该芯片最高转换速率为40MSPS，分辨率为12位，最大功耗415mW，具有0-4V的输入信号范围，在同类高速ADC中其功耗低，输入信号范围大，适合本文数字能谱系统使用。为了保证高速ADC的采样精度和分辨率，必须采用抖动极小的时钟，一般的有源晶振输出的时钟信号抖动较大，频率温度特性不好，且容性负载驱动能力不足，往往在接到ADC后，时钟信号畸变，抖动变大，从而降低了高速ADC的采样分辨率。电路设计中采用的是LTC6905可编程时钟信号芯片，其输出频率范围17-170MHz，CMOS电平输出可直接驱动500欧姆负载，170MHz时，时钟抖动小于50皮秒通过外接精密低温度系数电阻，设定输出时钟的频率Fosc＝(168.5MHz×10kΩ/Rset+1.5MHz)/N。其中，Rset为外接的精密电阻；N为分频系数，取决于DIV引脚的状态，当DIV引脚悬空则N＝2，DIV引脚接地则N＝4，DIV引脚接VCC则N＝1。本系统采用的采样频率为30MHz，由于调理后的核脉冲信号上升时间在1μs到1.5μs之间，因此在该上升期间，至少可以采样得到30多个点，可满足该实施例电路设计的要求。

本实施例采用CPLD以提高数字滤波、数字滞回比较与峰值采样功能。该实施例采用的是8点滑动平均滤波法，对高速ADC输出的数据进行滤波，但该滑动平均滤波法对异常的尖峰干扰脉冲抑制能力较弱，为此本实施例对前置放大器输出的信号通过二阶有源抗混叠低通滤波器，可大大抑制尖峰的干扰。由于本实施例采用的是大尺寸晶体，因此计数率较高，为了保证有较精确计数率，避免由于叠峰引起的峰高判断误差，就必须进行基线扣除。现有的模拟能谱仪采用的是硬件电路来完成上述功能，但会引入噪声，导致能量分辨率变差。

如图4所示，CPLD可编程逻辑器件内部模块电路结构，CPLD内部的模块电路可实现自动的基线恢复与峰高采集。滞回比较器可由外部ARM控制器任意设定其上限和下限，以适应不同的应用场合，同时也可以抑制本底噪声的影响。当核脉冲信号落入滞回比较器上下限范围内，滞回比较器输出高电平，则起动谷值判断与峰值判断，且分别输出在滞回比较器有效期间所出现的所有核脉冲的谷值与峰值，经过减法电路后输出峰高数据，在减法及触发电路中，同时判断谷值变化与峰值变化，当谷值发生变化使得触发信号为低，当峰值发生变化使得触发信号为高，当连续出现多个谷值或峰值发生变化时，其触发信号也不会误触发。经过内部时钟驱动的计数器延迟几个周期后输出到ARM芯片的中断信号，在ARM的中断函数中读取扣除了基线的峰高数据。当其核脉冲信号没有落入到滞回比较器的上限和下限范围内时，其滞回比较器输出低电平，并清空谷值判断和峰值判断输出的数据，同时使触发信号无效。上述CPLD内部模块电路都采用VHDL语言，经过QuartusII时序分析允许最高的ADC数据输入的频率可达100MHz以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.数字式对数γ能谱仪，包括：NaI晶体、光电倍增管、高压电源模块及前置放大器，所述NaI晶体，发出荧光信号；光电倍增管，将荧光信号进行倍增并转换为电流信号输出到前置放大器；前置放大器，将电流信号转换为电压信号；其特征在于，所述能谱仪还包括对数放大装置、程控增益放大装置、抗混叠有源滤波装置、高速模数转换装置ADC、CPLD可编程逻辑器件，所述

对数放大装置，对接收到的核脉冲信号进行对数运算；

程控增益放大装置，为高频宽带放大器，调节接收到的核脉冲信号以调节谱线的漂移；

抗混叠有源滤波装置，对缩放的信号进行滤波；

高速模数转换装置ADC，将滤波后的信号进行模数转换；

CPLD可编程逻辑器件，实现脉冲幅度分析、基线恢复及对数字信号的滤波去噪，并得到对应的核脉冲峰值的信息。

2.根据权利要求1所述的数字式对数γ能谱仪，其特征在于，所述能谱仪还包括ARM芯片、磁耦合串口隔离通信电路及可编程有源晶振，所述ARM芯片采用乒乓缓冲机制，实现谱线传输与谱线获取的不间断并行工作；所述磁耦合串口隔离通信电路，实现能谱仪与外界电气的隔离和数据通信；所述可编程有源晶振，用于驱动高速模数转换器ADC及CPLD可编程逻辑芯片内部逻辑电路。

3.根据权利要求1所述的数字式对数γ能谱仪，其特征在于，所述对数放大装置对高能信号进行幅值压缩，对低能信号进行幅值放大，以获得高能段谱线与低能段谱线。

4.根据权利要求1所述的数字式对数γ能谱仪，其特征在于，所述CPLD可编程逻辑器件包括滞回比较器和减法及触发电路，

所述滞回比较器，用于接收滤波后的核脉冲信号及外部ARM控制器对其上下限设定的阈值；

所述减法及触发电路，用于接收滞回比较器输出的谷值与峰值的数据，并输出峰高数据及所触发信号。

5.根据权利要求4所述的数字式对数γ能谱仪，其特征在于，当所述滞回比较器接收到的核脉冲信号在其滞回比较器上限与下限设定的阈值范围内时，则该滞回比较器输出高电平，并对谷值和峰值进行判断，输出该滞回比较器在其有效期间的所有核脉冲的谷值与峰值；

当所述滞回比较器接收到的核脉冲信号在其滞回比较器上限与下限设定的阈值的范围外时，则该滞回比较器输出低电平，并清空谷值判断及峰值判断输出的数据，且输出的触发信号为无效状态。

6.根据权利要求4所述的数字式对数γ能谱仪，其特征在于，所述减法及触发电路还对接收到的谷值数据和峰值数据间的变化进行判断，

当其谷值数据发生变化时，所述触发信号为低；

当其峰值数据发生变化时，所述触发信号为高。

7.根据权利要求4所述的数字式对数γ能谱仪，其特征在于，所述滞回比较器接收到的滤波后的核脉冲信号是通过八点滑动平均滤波法对其高速模数转换器ADC输出的数据进行滤波。

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