CN108427135B - 基于温度修正的高稳定小型γ探测系统及增益稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度修正的高稳定性小型γ探测系统。在该系统中，采用数字温度传感器和绝热层配合测量探测器温度，提高不同环境温度速率下尤其温度突变时温度测量的准确性；依据所监测的温度变化实时调整FIR滤波器和成形参数，降低温度引起的噪声特性改变对能量分辨率的影响；直接在FPGA内运用脉冲幅度实时补偿技术实现了增益稳定模块，无需外部高压调节或放大器增益调节等措施，也避免了数字模拟转换器的使用，有效降低系统复杂度。本发明的数字信号处理技术同时实现能谱测量和增益稳定系统，且利用温度反馈法最优化系统噪声抑制参数，对于要求能工作在温度快速变化的环境中的小型化γ放射性监测设备，其具备很好的应用前景。

Description

基于温度修正的高稳定小型γ探测系统及增益稳定方法

技术领域

本发明属于放射性环境监测领域，具体涉及一种小型γ探测系统及增益稳定方法。

技术背景

核能的发展给人类社会带来了巨大的经济效益，同时也面临着核安全保障的问题，加强放射性环境监测是推进核能安全发展的重要手段。而γ探测系统是一种重要的关键设备，获取能谱后可用于核素的活度分析、种类分析及含量分析等，进行放射性水平评估，核事故预警与应急核事故演化判断和保障人员的安全等方面发挥重要作用。

对比普通光电倍增管，在闪烁体探测器中使用硅光电倍增管具备高增益、对磁场不敏感、体积和质量小等优点，且与CsI(T1)闪烁体能形成良好的光谱匹配，然而环境温度变化会导致硅光电倍增管增益产生较大变化，导致能谱漂移及能量分辨率变差，严重干扰放射性分析工作。采用高压调节方式来稳定探测器的增益，则需要配合高精度可调高压电源和高精度数字模拟转换器等硬件，大大增加了γ探测系统的设计复杂度和成本，也不利于γ探测系统的小型化。

此外，多道分析系统是实现成形算法、基线恢复和堆积拒绝等核心功能关键，传统模拟多道分析系统在系统集成度、稳定性和数据处理能力等方面越来越无法满足要求。温度变化会带来噪声特性的改变，如果使用固定的滤波器和脉冲成形参数，则无法满足高灵活性的脉冲处理，还会降低系统的滤波效果，使得噪声抑制能力降低，能量分辨率降低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种设计复杂度低、集成度高、温度测量准确、噪声抑制能力强、能谱稳定性高的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，该系统使用温度反馈实现FIR滤波器和梯形成形参数实时调整，并直接在数字化多道分析器内实现增益稳定功能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，包括：含探测器和温度测量装置的探头、前置放大器、数字化多道分析器和显示与控制端，其中，所述探测器用于γ射线信号探测；

所述探测器、所述前置放大器、所述数字化多道分析器和所述显示与控制端依次连接，所述温度测量装置与所述数字化多道分析器连接。

进一步地，所述探测器包括：CsI(T1)闪烁体、铝箔屏蔽层和硅光电倍增管，所述铝箔屏蔽层使所述CsI(T1)闪烁体和所述硅光电倍增管相结合并避光；

所述温度测量装置为温度传感器；所述温度传感器与所述硅光电倍增管相连，测量所述硅光电倍增管的温度；

所述CsI(T1)闪烁体、所述硅光电倍增管和所述前置放大器依次连接。

进一步地，所述CsI(T1)闪烁体与所述硅光电倍增管光学耦合；所述温度传感器与所述硅光电倍增管背面的接触界面间用导热硅脂进行热耦合并用绝热层覆盖，所述温度传感器和所述硅光电倍增管的信号用细导线输出，以减小环境温度波动造成温度传感器与硅光电倍增管的温差，提高温度传感器对硅光电倍增管的温度测量准确性。

进一步地，所述数字化多道分析器包括：依次连接的信号调理模块、ADC采样模块、FPGA模块和通信控制器模块；

所述信号调理模块与所述前置放大器相连，所述通信控制器模块与所述显示与控制端相连，所述FPGA模块与所述温度传感器连接；

所述显示与控制端接收所述数字多道分析器发来的温度数据、计数数据和能谱数据等，发送开始、停止和测量时间等命令。

进一步地，所述FPGA模块包括：FIR滤波器模块、梯形成形模块、基线恢复模块、堆积拒绝模块、幅度分析模块、温度监测模块、增益稳定模块、能谱累加模块和通信模块；

所述ADC采样模块、所述FIR滤波器模块、所述梯形成形模块、所述幅度分析模块、所述增益稳定模块、所述能谱累加模块、所述通信模块和所述通信控制器模块依次连接；所述梯形成形模块、所述基线恢复模块和所述幅度分析模块依次相连；所述梯形成形模块、所述堆积拒绝模块和所述幅度分析模块依次连接；所述温度监测模块与所述温度传感器、所述FIR滤波器模块、所述梯形成形模块、所述增益稳定模块及所述通信模块分别连接；

所述温度监测模块在线获取所述探测器温度数据，所述FIR滤波器模块依据温度调整其通过频率和截止频率参数，用于提高温度变化时的滤波效果；

所述梯形成形模块依据温度调整成形时间，用于提高温度变化时脉冲成形的准确度；

所述增益稳定模块依据温度实时补偿所述梯形成形模块的输出脉冲幅度，实现温度变化条件下的探测器增益稳定。

进一步地，所述ADC采样模块与所述FPGA模块间采用LVDS模式传输数据。

进一步地，所述温度传感器为数字温度型。

基于温度修正的高稳定小型γ探测系统的增益稳定方法，包括如下步骤：

1)控制探测器处于不同温度T_k，采用标准源对所述基于温度修正的高稳定小型γ探测系统进行相对峰漂C_k和C₀获取，其中C_k是温度为T_k的特征峰道址，C₀是参考温度T₀下的特征峰道址；

2)采用多项式拟合取得温度T_k与相对峰漂的关系式F(T_k)，将关系式F(T_k)转化为FPGA算法存储于增益稳定模块中；

3)增益稳定模块接收探测器温度T_k，并对幅度分析模块输出的脉冲幅度值A_k除以F(T_k)，得到增益稳定的脉冲幅度A₀，将A₀输出到能谱累加模块，实现能谱稳定，再将能谱传至所述显示与控制端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明直接在FPGA内对每个脉冲幅度的调整来实现增益稳定，无需高压调节，无需模拟数字转换器的使用，降低了成本，简化了系统设计，增强γ探测系统集成度；

(2)本发明将温度传感器与硅光电倍增管热耦合，提高对硅光电倍增管温度测量的准确性，提高增益稳定效果；

(3)本发明采用绝热层包覆温度传感器和硅光电倍增管背面，降低在快速环境温度变化条件下温度传感器温度与硅光电倍增管实际温度间的差值，提高对硅光电倍增管温度测量的准确性，提高增益稳定效果；

(4)本发明中多道分析采用了数字化，温度传感器采用了数字化芯片，光电转换器件使用硅光电倍增管，这些都增强了系统的集成度。

附图说明

图1为本发明的小型γ探测系统的结构示意图；

图2为本发明的探头的结构示意图；

图3为本发明的数字化多道分析器的结构示意图；

图4为本发明的FPGA模块的算法结构示意图；

图5中，(a)为普通伽马探测器在温度变化环境中测得的Co60放射源的能谱，(b)为本发明的探测系统在温度变化环境中测得的温度修正后的能谱；

图中标识：1-CsI(T1)闪烁体；2-铝箔屏蔽层；3-硅光电倍增管；4-温度传感器；5-绝热层；6-细导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，该系统主要由探头、前置放大器、数字化多道分析器和显示与控制端四部分组成；其中，探头由探测器和温度测量装置两部分组成；探测器、前置放大器、数字化多道分析器和显示与控制端依次连接，温度测量装置与数字化多道分析器连接；

如图2所示的探头结构，上方为探测器，包括CsI(T1)闪烁体1、铝箔屏蔽层2和硅光电倍增管3，其中，CsI(T1)闪烁体1与硅光电倍增管3采用光学耦合，铝箔屏蔽层2使两者避光和相结合；图2下方为温度测量装置温度传感器4，其采用数字型DS18B20，用于测量硅光电倍增管3的温度；，温度传感器4采用导热硅脂与硅光电倍增管3进行热耦合，并使用绝热层5覆盖，用细导线6引出两者信号，提高快速环境温度变化速率条件下的温度测量准确性；硅光电倍增管3的微弱信号输出到所述前置放大器进行放大，所述温度传感器与数字化多道分析器连接，将温度数据传输给FPGA模块。

如图3所示，数字化多道分析器包括：信号调理模块、ADC采样模块、FPGA模块和通信控制器模块，信号调理模块、ADC采样模块、FPGA模块和通信控制器模块依次相连；其中，ADC采样模块与FPGA模块间采用LVDS模式以100MHz传输数据，以提高数据传输稳定性；信号调理模块接收前置放大器的脉冲，只做进行滤波和进一步放大，成形和幅度提取功能等在FPGA芯片内实现，提高了系统的集成度；数字多道分析器发送温度数据、计数数据和能谱数据等至显示与控制端，并接收显示与控制端发送的开始、停止和测量时间等命令。

如图4所示，FPGA模块包括：FIR滤波器模块、梯形成形模块、基线恢复模块、堆积拒绝模块、幅度分析模块、温度监测模块、增益稳定模块、能谱累加模块和通信模块；其中，FIR滤波器模块依据温度监测模块的温度值调整其通过频率和截止频率参数，并对ADC模块的脉冲进行滤波，然后发送到梯形成形模块；梯形成形模块依据温度监测模块的温度值调整成形时间，然后对经过FIR滤波器滤波的脉冲进行流水线成形；基线恢复模块接收梯形成形后的脉冲，采用平均法计算每个脉冲的基线值，并输出到幅度分析模块；堆积拒绝模块接收梯形脉冲后，判断梯形脉冲堆积是否堆积，并将堆积标志位输出到幅度分析模块；幅度分析模块获取梯形脉冲幅度并扣其除基线值，从而获得脉冲幅度值，进而依据堆积标志位判断幅度分析值有效性，如果有效则发送至所述增益稳定模块，否则舍弃；增益稳定模块接收温度监测模块的温度值，依据温度补偿每个脉冲幅度值，补偿后的幅度值发送至能谱累加模块；能谱累加模块将脉冲幅度值转化为道址并累加，形成脉冲幅度谱；脉冲幅度谱发送到通信模块，依据外部命令上传至通信控制器。

基于温度修正的高稳定小型γ探测系统的增益稳定方法，包括如下步骤：首先，在控制探测器处于不同温度T_k，采用标准源对所述基于温度修正的高稳定小型γ探测系统进行相对峰漂C_k/C₀获取，其中C_k是温度为T_k的特征峰道址，C₀是参考温度T₀下的特征峰道址；

其次，采用多项式拟合取得温度T_k与相对峰漂的关系F(T_k)，将关系式F(T_k)转化为FPGA算法存储于所述增益稳定模块；

最后，所述增益稳定模块接收探测器温度T_k，并对所述幅度分析模块输出的脉冲幅度值A_k除以F(T_k)，得到增益稳定的脉冲幅度A₀，将A₀输出到所述能谱累加模块，实现能谱稳定，能谱传至所述显示与控制端。

图5为本发明的温度修正效果与普通探测器的对比图，其中，(a)为普通的伽马探测器在5h，10h，15h的温度变化环境中的Co60放射源的能谱，温度变化速度为0.3℃/h，从图中可以看出随着温度变化，探测器能谱发生了严重峰位漂移；(b)为本发明的探测系统所测得的响应能谱，不难看出温度变化对于本发明实施例中的测量能谱几乎没有影响，因此本发明具有良好的温度修正效果。

本实施例描述了本发明的基本特征、主要优势和工作原理，但不用于限制本发明，对不脱离本发明思想和范围下的各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。

Claims (7)

1.基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，其特征在于，包括：含探测器和温度测量装置的探头、前置放大器、数字化多道分析器和显示与控制端；

所述探测器、所述前置放大器、所述数字化多道分析器和所述显示与控制端依次连接，所述温度测量装置与所述数字化多道分析器连接，

其中，所述数字化多道分析器包括：依次连接的信号调理模块、ADC采样模块、FPGA模块和通信控制器模块；

所述信号调理模块与所述前置放大器相连，所述通信控制器模块与所述显示与控制端相连，所述FPGA模块与温度传感器(4)连接；

所述FPGA模块包括：FIR滤波器模块、梯形成形模块、基线恢复模块、堆积拒绝模块、幅度分析模块、温度监测模块、增益稳定模块、能谱累加模块和通信模块；

其中，FIR滤波器模块依据温度监测模块的温度值调整其通过频率和截止频率参数，并对ADC模块的脉冲进行滤波，然后发送到梯形成形模块；梯形成形模块依据温度监测模块的温度值调整成形时间，然后对经过FIR滤波器滤波的脉冲进行流水线成形；基线恢复模块接收梯形成形后的脉冲，采用平均法计算每个脉冲的基线值，并输出到幅度分析模块；堆积拒绝模块接收梯形脉冲后，判断梯形脉冲堆积是否堆积，并将堆积标志位输出到幅度分析模块；幅度分析模块获取梯形脉冲幅度并扣其除基线值，从而获得脉冲幅度值，进而依据堆积标志位判断幅度分析值有效性，如果有效则发送至所述增益稳定模块，否则舍弃；增益稳定模块接收温度监测模块的温度值，依据温度补偿每个脉冲幅度值，补偿后的幅度值发送至能谱累加模块；能谱累加模块将脉冲幅度值转化为道址并累加，形成脉冲幅度谱；脉冲幅度谱发送到通信模块，依据外部命令上传至通信控制器。

2.根据权利要求1所述的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，其特征在于，所述探测器包括：CsI(T1)闪烁体(1)、铝箔屏蔽层(2)和硅光电倍增管(3)，铝箔屏蔽层(2)使CsI(T1)闪烁体(1)和硅光电倍增管(3)相结合并避光；

所述温度测量装置为温度传感器(4)；温度传感器(4)与硅光电倍增管(3)相连，测量硅光电倍增管(3)的温度；

CsI(T1)闪烁体(1)、硅光电倍增管(3)和所述前置放大器依次连接。

3.根据权利要求2所述的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，其特征在于，CsI(T1)闪烁体(1)与硅光电倍增管(3)光学耦合；温度传感器(4)与硅光电倍增管(3)背面的接触界面间用导热硅脂进行热耦合，并用绝热层(5)覆盖；细导线(6)输出温度传感器(4)和硅光电倍增管(3)的信号。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，其特征在于，

所述ADC采样模块、所述FIR滤波器模块、所述梯形成形模块、所述幅度分析模块、所述增益稳定模块、所述能谱累加模块、所述通信模块和所述通信控制器模块依次连接；所述梯形成形模块、所述基线恢复模块和所述幅度分析模块依次相连；所述梯形成形模块、所述堆积拒绝模块和所述幅度分析模块依次连接；所述温度监测模块与温度传感器(4)、所述FIR滤波器模块、所述梯形成形模块、所述增益稳定模块及所述通信模块分别连接。

5.根据权利要求4所述的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，其特征在于，所述ADC采样模块与所述FPGA模块间采用LVDS模式传输数据。

6.根据权利要求2所述的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统，其特征在于，温度传感器(4)为数字温度型。

7.根据权利要求1所述的基于温度修正的高稳定小型γ探测系统的增益稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)控制探测器处于不同温度T_k，采用标准源对所述基于温度修正的高稳定小型γ探测系统进行相对峰漂C_k和C₀获取，其中C_k是温度为T_k的特征峰道址，C₀是参考温度T₀下的特征峰道址；

2)采用多项式拟合取得温度T_k与相对峰漂的关系式F(T_k)，将关系式F(T_k)转化为FPGA算法存储于增益稳定模块中；

3)增益稳定模块接收探测器温度T_k，并对幅度分析模块输出的脉冲幅度值A_k除以F(T_k)，得到增益稳定的脉冲幅度A₀，将A₀输出到能谱累加模块，实现能谱稳定，再将能谱传至所述显示与控制端。