CN104635254A - 一种便携式γ辐射谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于放射性检测仪器技术领域，具体提供了一种便携式γ辐射谱仪，包括供电系统(4)、探测器系统(5)以及信号处理系统(6)，其中探测器系统(5)包括上下叠加在一起的两个单层CZT探测器(1)，并将两个单层CZT探测器(1)的电信号并联后接入信号处理系统(6)，所述供电系统(4)与探测器系统(5)连接并供电给两个单层CZT探测器(1)所组成的叠层CZT探测器。本发明克服了现有技术中便携式γ辐射谱仪使用单个CZT探测器，单一能谱分析方式，导致探测器效率不高，使得最终的剂量值精准度不高的问题。

Description

一种便携式γ辐射谱仪

技术领域

本发明属于放射性检测仪器技术领域，具体涉及一种便携式γ辐射谱仪。

背景技术

受行业发展以及国外涉核技术限制等因素的制约，国内谱仪技术近20年来没有十分显著的发展，与国外存在很大差距，至今尚未有成熟被市场广泛接受的数字多道谱仪或便携式γ剂量仪产品推出。

近年来，国外各个谱仪生产厂家推出了多款基于CZT探测器的数字化便携式谱仪，主要有Thermo公司和Target instrument公司合作推出的Interceptor能谱式个人辐射探测系统、ICX公司研制的microRaider、Lawrence Berkeley国家实验室研发的一款袖珍谱仪、韩国汉阳大学开发的改进型CZT手持式放射性同位素检测仪(HRI)、SAIC公司生产的GR-135数字化便携式γ谱仪、kromek公司的RayMon10^TM便携式谱仪、SIM-MAX公司研制的CrystalCam。

这些谱仪使用单个CZT探测器，单一能谱分析方式，导致探测器效率不高，最终的剂量值精准度不高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中便携式γ辐射谱仪使用单个CZT探测器，单一能谱分析方式，导致探测器效率不高，最终的剂量值精准度不高的问题。

为此，本发明提供了一种便携式γ辐射谱仪，其技术方案是：一种便携式γ辐射谱仪，包括供电系统、探测器系统以及信号处理系统，其中探测器系统包括由上下叠加在一起的两个单层CZT探测器所组成的叠层CZT探测器；所述供电系统与探测器系统连接并供电给叠层CZT探测器；所述的两个单层CZT探测器输出的电信号并联后接入信号处理系统。

上述供电系统包括锂电池组以及与该锂电池组连接的将锂电池组输出的电压为5V的低压转变为电压范围为200～500伏的高压的直流转直流变压单元，该直流转直流变压单元的用于输出高压的高压模块与探测器系统的叠层CZT探测器连接，将高压电供给探测器系统。

上述的两个单层CZT探测器的具体叠加方式是：位于上方的单层CZT探测器封装于PCB板上表面，且该单层CZT探测器下方的PCB板为镂空结构，位于下方的单层CZT探测器与位于上方的单层CZT探测器相对，且位于下方的单层CZT探测器封装于另一块PCB板上，两块PCB板的四个角上通过接插件固定在一起；两块PCB板均电连接有将电信号输入到信号处理系统的电信号引出线。

上述单层CZT探测器的长宽厚尺寸是20mm×10mm×5mm。

上述信号处理系统包括前置放大及信号预处理模块、ADC模数转换模块、数字信号处理模块以及能谱存储单元；所述前置放大及信号预处理模块将接收到的探测器系统输出的电信号处理后输送到ADC模数转换模块，ADC模数转换模块将接收到的电信号处理后输送到数字信号处理模块，数字信号处理模块将接收到的电信号处理后输送到能谱存储单元。

上述前置放大及信号预处理模块包括前置放大电路以及与该前置放大电路连接的信号预处理模块；前置放大电路将探测器系统输出的电信号处理后输送到信号预处理模块，以滤除叠加在半导体探测器输出信号中的高压电源的噪声信号以及对探测器输出的信号进行成形处理；所述信号预处理模块由CR微分成形电路组成。

上述ADC模数转换模块选用连续采样高精度的快速低功耗ADC。

上述数字信号处理模块是能够实现数字滤波成形、数字基线恢复、数字堆积识别以及幅度提取功能的FPGA器件；该FPGA器件包括ADC控制模块、平滑模块、寻峰模块、Fifo模块以及USB控制模块；电信号依次通过ADC控制模块、平滑模块、寻峰模块、Fifo模块以及USB控制模块，并被各模块处理。

上述能谱存储单元是同步动态随机存储器SDRAM。

本发明的有益效果：本发明的优点包括：

1)高度集成化，将探测器、多道脉冲分析器集合在一起，并采用内置电池供电，集剂量率、中子和γ测量、核素识别等功能于一身。高度集成化、数字化及智能化的设计，使其实现了体积小、重量轻、精度高的功能，便于其便携化使用。

2)数字化：利用数字信号处理技术完成脉冲处理，提高仪器的整体性能。

3)智能化：应用嵌入式操作系统，通过LCD屏幕监控仪器，摆脱外置计算机控制的限制。

4)针对不同应用背景和需求，进行探测器设计和制备，有利于认识射线与材料作用的基本原理以及载流子在晶体内传输的基本性质，发展满足不同应用需求的高性能制备技术。

5)前置放大电路选择单通道ASIC前方芯片，输出信号连接到一个CR微分成形电路，一方面滤除叠加在半导体探测器输出信号中的高压电源的噪声信号，另一方面探测器输出的信号实现简单的成形处理。

6)温度变化可影响迁移率以及信号处理系统，是发生峰漂移最主要的原因，软件设计时用能量补偿的办法，实现便携式γ谱仪的工作温度为-20℃～50℃。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明结构原理图；

图2是叠加式CZT探测器结构示意图；

图3是信号处理流程图；

图4是探测器及前放部分原理；

图5是叠加式CZT探测器具体工作情况示意图；

图6是FPGA器件的电路构成示意图。

附图标记说明：1、单层CZT探测器；2、PCB板；3、接插件；4、供电系统；5、探测器系统；6、信号处理系统；7、锂电池组；8、高压模块；9、前置放大电路；10、信号预处理模块；11、能谱存储单元；12、ADC模数转换模块；13、数字信号处理模块；14、ADC控制模块；15、平滑模块；16、寻峰模块；17、Fifo模块；18、USB控制模块。

具体实施方式

CZT作为一种具有优异光电性能的三元固溶体化合物半导体材料，由于其平均原子序数高，且具有较大的禁带宽度(室温下Eg约为1.57eV)、较高的电阻率(室温下ρ>1010Ω·cm)、优异的载流子传输特性(电子迁移率μe>1000cm2/V·s，寿命τe>10-5s)、工作时漏电流和噪声较低等优良特性，成为制备室温核辐射探测器较为理想的材料，目前采用CZT晶体制备的X射线、γ射线探测器已被广泛应用于环境监测、核医学、工业无损检测、安全检查、核武器突防、航空航天、天体物理和高能物理等领域，成为替代传统的Si，Ge以及闪烁体探测器的升级换代产品。

本发明基于叠加的两个单层CZT探测器1，采用多能段能量分析方法，制备便携式γ辐射谱仪。当仪器中的探测器接收到外部的射线，反应产生电信号，该电信号输出给信号处理系统6，经过信号处理系统6处理，再通过软件处理系统，在LCD屏幕上最终显示辐射剂量。本发明包括供电系统4、探测器系统5以及用来实现信号处理功能的信号处理系统6，其探测器系统5即为上下叠加在一起的两个单层CZT探测器1，并将两个单层CZT探测器1的电信号并联后接入信号处理系统6；供电系统4与探测器系统5连接并供电给两个单层CZT探测器1所组成的叠层CZT探测器。本发明的主要的三大功能系统组成及其介绍具体如下，其各系统之间的关系如图1所示。

具体内容包括：

一、供电系统

供电系统4包括锂电池组7以及与该锂电池组7连接的将锂电池组7输出的低压转变为高压的直流转直流变压单元，该直流转直流变压单元的用于输出高压的高压模块8与探测器系统5的叠层CZT探测器连接，将高压电供给探测器系统5。即该供电系统4通过一个直流转直流的变压系统，将锂电池输出低压转换为高压供给CZT探测器；其中锂电池组7输出的低压的电压为5V；直流转直流变压单元输出的高压的电压范围为200～500V。

二、CZT探测器系统

现有的便携式γ剂量仪更关注计数，普遍采用一块单独的CZT探测器，当射线能量较高时，会穿透CZT探测器，导致这部分的能量未不检测记录，最终导致剂量的精确度不高，该系统采用叠加式的CZT探测器。使用2个PCB板2将2块长宽厚尺寸是20mm×10mm×5mm的探测器封装，叠加。该尺寸的探测器由西北工业大学和陕西迪泰克新材料有限公司共同研制生产，采用了使用新型高压布里奇曼法生长的CZT单晶。

图2显示了两个单层CZT探测器1叠加组成的本发明的CZT探测器，绿色部分为PCB板2，其中上层的PCB板2背面(下层探测器正对的部分)镂空，露出第一块CZT探测器的另一面电极(具体实施中露出电极总共有3个)。两个PCB板2通过接插件3固定在一起，具体可焊接在一起，每一块PCB板2焊接信号引出线，与前置放大器连接，将电信号输入到信号处理系统6。

当射线打入第一块CZT探测器后，根据CZT探测器工作原理，产生电信号，输出到信号处理系统6，但是有部分射线会穿透第一块探测器，打入第二块探测器，同第一块探测器反应原理一致，第二块也产生电信号输入至信号处理系统6，这样就可以保证外部的射线能量能够完全被探测。CZT探测器叠加后，将两个电信号引出后并联，得到总的信号接入信号处理系统6；具体是将该总的电信号接入信号处理系统6的前置放大及信号预处理模块；具体工作情况见图5，其中CZT输出的电信号为电流信号。

三、信号处理系统

使用了抗辐射专用集成电路(数字电路、存储器、ADC/DAC和电源等)、探测器/传感器读出电路和抗辐射CMOS图像传感器等三类芯片，进行信号处理，这部分是该发明的核心部分。

按照功能来说，信号处理系统6包括前置放大及信号预处理模块、ADC模数转换模块12、数字信号处理模块13以及能谱存储单元11四大部分；其中前置放大及信号预处理模块与探测器系统5连接，前置放大及信号预处理模块将接收到的探测器系统5输出的电信号处理后输送到ADC模数转换模块12，ADC模数转换模块12将接收到的电信号处理后输送到数字信号处理模块13，数字信号处理模块13将接收到的电信号处理后输送到能谱存储单元11。如图3所示为信号处理流程图，详细如下叙述：(1)电荷灵敏前放及预处理:

即前置放大及信号预处理模块的功能，该前置放大及信号预处理模块的组成为：包括前置放大器的前置放大电路9以及与该前置放大电路9连接的信号预处理模块10这两个部分；其中前置放大电路9的结构为现有技术电路结构，在此不再详述；前置放大电路9将探测器系统5输出的电信号处理后输送到信号预处理模块10；信号预处理模块10由CR微分成形电路组成。主要的关键技术在于电源与前置放大电路9，探测器所需的高压部分需要满足稳定性、输出电压范围可调、纹波电压小以及噪声等性能指标要求。前放电路首选方案是板级离散器件搭建的前放，进行低功耗、单电源设计；备用方案单通道ASIC前放芯片。

前置放大电路9将输出的信号连接到一个CR微分成形电路，一方面滤除叠加在半导体探测器输出信号中的高压电源的噪声信号，另一方面探测器输出的信号实现简单的成形处理，如图4所示。

(2)ADC模数转换：

ADC芯片选用连续采样高精度的快速低功耗ADC其型号为：ADS6000，由TI德州仪器提供。

(3)数字信号处理：

数字核信号处理模块包括数字滤波成形、数字基线恢复、数字堆积识别以及幅度提取等功能，该模块核心器件是FPGA。FPGA器件包括ADC控制模块14、平滑模块15、寻峰模块16、Fifo模块17以及USB控制模块18；电信号依次通过ADC控制模块14、平滑模块15、寻峰模块16、Fifo模块17以及USB控制模块18，并被各模块处理，USB控制模块18与USB接口连接；如图6所示。

(4)能谱存储单元11：

包括能谱的显示、存储、传输，使用一个外置缓存储器(内置FIFO也可以)将能谱数据缓存。能谱存储单元11是同步动态随机存储器SDRAM，其型号是H2A301G1656B，生产商是Axeme公司；通过微处理器，完成传输、显示，而且能通过软件将数据存储在SD卡中。

本发明制备的便携式γ谱仪将探测器、多道脉冲分析器集合在一起，并采用内置电池供电，集剂量率、中子和γ测量、核素识别等多功能于一身；利用数字信号处理技术完成脉冲处理，提高了仪器的整体性能；通过LCD屏幕监控仪器，摆脱外置计算机控制的限制。便携式γ谱仪高度集成化、数字化及智能化的设计，使其实现了体积小、重量轻、精度高的功能，便于其便携化使用。最终制备设备性能见表1：

表1便携式γ谱仪达到性能指标

本发明采用基于CZT半导体辐射探测器制备的便携式γ谱仪具有如下优点：

1)高度集成化，将探测器、多道脉冲分析器集合在一起，并采用内置电池供电，集剂量率、中子和γ测量、核素识别等功能于一身。

2)数字化，利用数字信号处理技术完成脉冲处理，提高仪器的整体性能。

3)智能化，应用嵌入式操作系统，通过LCD屏幕监控仪器，摆脱外置计算机控制的限制。

4)针对不同应用背景和需求，进行探测器设计和制备，有利于认识射线与材料作用的基本原理以及载流子在晶体内传输的基本性质，发展满足不同应用需求的高性能制备技术。

5)前置放大电路选择单通道ASIC前方芯片，输出信号连接到一个CR微分成形电路，一方面滤除叠加在半导体探测器输出信号中的高压电源的噪声信号，另一方面探测器输出的信号实现简单的成形处理。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式γ辐射谱仪，包括供电系统(4)、探测器系统(5)以及信号处理系统(6)，其特征在于：其中探测器系统(5)包括由上下叠加在一起的两个单层CZT探测器(1)所组成的叠层CZT探测器；所述供电系统(4)与探测器系统(5)连接并供电给叠层CZT探测器；所述的两个单层CZT探测器(1)输出的电信号并联后接入信号处理系统(6)。

2.如权利要求1所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述供电系统(4)包括锂电池组(7)以及与该锂电池组(7)连接的将锂电池组(7)输出的电压为5V的低压转变为电压范围为200～500伏的高压的直流转直流变压单元，该直流转直流变压单元的用于输出高压的高压模块(8)与探测器系统(5)的叠层CZT探测器连接，将高压电供给探测器系统(5)。

3.如权利要求1所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述的两个单层CZT探测器(1)的具体叠加方式是：位于上方的单层CZT探测器(1)封装于PCB板(2)上表面，且该单层CZT探测器(1)下方的PCB板(2)为镂空结构，位于下方的单层CZT探测器(1)与位于上方的单层CZT探测器(1)相对，且位于下方的单层CZT探测器(1)封装于另一块PCB板(2)上，两块PCB板(2)的四个角上通过接插件(3)固定在一起；两块PCB板(2)均电连接有将电信号输入到信号处理系统(6)的电信号引出线。

4.如权利要求1或3所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述单层CZT探测器(1)的长宽厚尺寸是20mm×10mm×5mm。

5.如权利要求1所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述信号处理系统(6)包括前置放大及信号预处理模块、ADC模数转换模块(12)、数字信号处理模块(13)以及能谱存储单元(11)；所述前置放大及信号预处理模块将接收到的探测器系统(5)输出的电信号处理后输送到ADC模数转换模块(12)，ADC模数转换模块(12)将接收到的电信号处理后输送到数字信号处理模块(13)，数字信号处理模块(13)将接收到的电信号处理后输送到能谱存储单元(11)。

6.如权利要求5所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述前置放大及信号预处理模块包括前置放大电路(9)以及与该前置放大电路(9)连接的信号预处理模块(10)；前置放大电路(9)将探测器系统(5)输出的电信号处理后输送到信号预处理模块(10)，以滤除叠加在半导体探测器输出信号中的高压电源的噪声信号以及对探测器输出的信号进行成形处理；所述信号预处理模块(10)由CR微分成形电路组成。

7.如权利要求5所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述ADC模数转换模块(12)选用连续采样高精度的快速低功耗ADC。

8.如权利要求5所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述数字信号处理模块(13)是能够实现数字滤波成形、数字基线恢复、数字堆积识别以及幅度提取功能的FPGA器件；该FPGA器件包括ADC控制模块(14)、平滑模块(15)、寻峰模块(16)、Fifo模块(17)以及USB控制模块(18)；电信号依次通过ADC控制模块(14)、平滑模块(15)、寻峰模块(16)、Fifo模块(17)以及USB控制模块(18)，并被各模块处理。

9.如权利要求5所述的一种便携式γ辐射谱仪，其特征在于：所述能谱存储单元(11)是同步动态随机存储器SDRAM。