CN108919333A - 基于程控恒流源和光电二极管矫正的led稳谱装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核仪器技术领域，尤其涉及基于程控恒流源和光电二极管矫正的LED稳谱装置及其方法，解决温度变化给基于闪烁体的能谱探测系统带来的谱线漂移问题。通过主控制器控制程控恒流源驱动LED，产生能够模拟伽玛射线被闪烁体吸收后发射光子量的光脉冲信号；可在能谱探测系统探测到的伽玛能谱内得到LED光脉冲产生的谱线峰位；再通过光电二极管通路修正LED发光量随温度变化带来的漂移；然后用修正后的LED峰位作为谱线参考峰调节增益进行稳谱，消除光电倍增管和电子学的温度漂移；最后，调入闪烁体光产额温度变化曲线再次调节增益，消除闪烁体的温度漂移。可实现不同温度情况下闪烁体能谱探测系统的精确稳谱。

Description

基于程控恒流源和光电二极管矫正的LED稳谱装置及其方法

技术领域

本发明涉及核仪器技术领域，尤其涉及基于程控恒流源和光电二极管矫正的LED稳谱装置及其方法。

背景技术

闪烁体吸收伽玛射线后，在一个固定的光衰减时间内，根据伽玛射线能量大小的不同可发射出不同量的荧光光子。荧光光子被光电倍增器件收集后可产生不同幅度的脉冲信号。不同伽玛射线得到的脉冲幅度不同，根据脉冲幅度高低进行成谱分析称为伽玛能谱测量。伽玛能谱测量广泛应用于放射性地质探矿、环境辐射监测、宇宙射线监测、核辐射应急测量等领域。稳谱在能谱处理中即是一个难点也是一个重点。

由于探测器自身的温度特性，随着温度的变化探测器的光产额会发生变化；光电倍增器件和后端电子学也同样存在温漂。导致不同温度下相同能量的射线产生信号的幅度不同，导致谱线漂移。谱线漂移后，会使能窗计数出现错误，严重时还会导致高能区谱段信息丢失，在利用多条探测器进行合成谱测量的系统中会导致合成谱线分辨率严重下降，甚至出错。常见消除谱漂的方法(稳谱)有利用天然本底中的K-40、Tl-208等能量的特征峰稳谱的特征峰法、利用天然谱线低能散射峰特征的谱特征匹配法、对系统进行保温或降温处理消除光产额变化的恒温法、利用放射源如：Am-241、Cs-137、K-40等特征峰的放射源法还有通过快速傅里叶变换利用伽玛能谱频谱特性稳谱的频谱法等。

在航空伽玛能谱测量或者宽水域放射性测量的场合，由于环境本底计数低相应带来较大谱线统计涨落。此时，利用天然本底谱线特征的谱漂消除方法(特征峰法、谱特征匹配法、频谱法)不能准确而有效的消除谱线漂移；采用放射源法稳谱的方式存在放射源丢失污染环境的风险；利用恒温法则需要设计复杂的保温散热系统，特别是在大晶体能谱探测系统中设计保温散热系统更为复杂。

如果直接驱动LED，产生的光脉冲信号达不到可稳谱的精度要求，同时，LED的发光强度随着使用时间的延长会发生衰减，需要定期矫正，复杂而繁琐，不能有效用于消除谱线漂移。

发明内容

针对上述技术问题，为了得到一种具备稳定参考峰位、结构简单、稳谱快速、安全环保的稳谱方式，本发明提出了一种基于程控恒流源和光电二极管矫正的LED稳谱装置及其方法。

基于程控恒流源和光电二极管矫正的LED稳谱装置，包括上位机、主控制器、采样ADC、电荷积分模块、程控恒流源、光电二极管、LED、温度传感器、一般能谱探测系统，一般能谱探测系统包括闪烁体晶体、PMT、前端放大器、多道脉冲处理器；

上位机具备：稳谱指令发送、LED峰位找寻、查询温度、查询积分电压Vo、自动调用光产额温度曲线、自动稳谱等功能。主控制器由STM32F103C8T6构成、采样ADC选用AD7940、电荷积分模块采用IVC102U电荷积分芯片、程控恒流源采用NC7SZ08P5快速翻转门级芯片、光电二极管采用SFH2701、根据使用本装置能谱探测系统中PMT的感光材料不同选取410nm～630nm发光波长范围内的LED(LED型号可灵活更换)、温度传感器选用DS18B20。

一般能谱探测系统是整个装置中的受体装置部分。

上位机通过串口与一般能谱探测系统中的多道脉冲处理器和主控制器连接；主控制器通过SPI连接温度传感器、通过IO口控制程控恒流源、通过SPI和采样ADC连接、通过IO口控制电荷积分模块；温度传感器采用组网的方式贴在晶体外侧；程控恒流源的输出端连接LED，LED与光电二极管贴合安装在PMT侧面玻璃窗；采样ADC输入引脚与电荷积分模块的电压输出引脚连接；光电二极管与LED一起安装在PMT侧面玻璃窗，光电二极管以反向偏置的方式连接电荷积分模块输入端；闪烁体晶体和PMT组成一般能谱探测系统的探测器部分，探测器信号接入前端放大器输入端，前端放大器输出端信号输入多道脉冲处理器。

该装置矫正的方法为：

LED与光电二极管通过光导贴合在一起，安装在PMT侧面玻璃窗外，主控制器通过程控恒流源控制LED产生可模拟伽玛射线被闪烁体探测器吸收后产生荧光光子的发光时间和光子发射量的光脉冲信号，使LED产生的光子一部分被光电二极管收集，一部分进入PMT；

被光电二极管收集的光子激发光电二极管产生光电流，电荷积分模块对LED激发的光电流积分然后以电压的形式精确反应出来。采样ADC对电荷积分模块输出电压值进行模数转换；

进入PMT中的光子经倍增后，PMT输出类似核脉冲的信号，该信号经多道脉冲处理器处理后，上位机软件得到与脉冲能量大小对应的峰位。上位机上的峰位位置与电荷积分模块输出电压存在线性对应关系。通过此线性关系矫正PMT随温度变化带来的漂移量。

闪烁体晶体光产额随温度变化的曲线称为闪烁体光产额曲线，根据该曲线和晶体实时温度情况可以修正温度变化导致晶体光产额变化带来的漂移。

通过分别对PMT温漂和闪烁体晶体温漂的矫正，完成系统的精确稳谱。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

程控恒流源驱动方式可控制LED的发光量，模拟伽玛射线被闪烁体吸收后的发光特性；通过光电二极管修正LED发光量受温度变化和使用时间增长带来的衰减，可消除光电倍增管和电子学的温度漂移；最后调入闪烁体的光产额温度曲线；可实现对基于闪烁体的能谱探测系统：包括光电倍增管、电子学、闪烁体全面的温度漂移修正，实现高精度稳谱。特别解决了航空伽玛测量和宽水域放射性测量等低环境本底计数情况下的稳谱难题。

附图说明

图1是发明装置结构示意图；

图2是实施例的温度传感器、LED、光电二极管的安装示意图；

图3是实施例的积分芯片的功能示意图；

图4是实施例的积分期内积分输出电压变化示意图；

图5是实施例的LED关闭时光电倍增管输出脉冲的对比示意图；

图6是实施例的LED开启时光电倍增管输出脉冲的对比示意图；

图7是实施例的LED关闭时的能谱对比示意图；

图8是实施例的LED开启时的能谱对比示意图；

图9是实施例的常规闪烁体能谱探测系统和带LED能谱探测系统的各部件温漂示意和温漂消除简图；

图10是实施例消除光电倍增管和电子学带来的温度漂移流程图；

图11是实施例的不同感光材料光电倍增管对于不同波长光子的量子效率曲线；

图12是实施例的常用无机闪烁体光产额的温度曲线；

图13是实施例的稳谱流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和要点更加清楚，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，为本发明的系统原理图，包括上位机、主控制器、采样ADC、电荷积分模块、程控恒流源、光电二极管、LED、温度传感器、一般能谱探测系统，一般能谱探测系统包括：闪烁体晶体、PMT、前端放大器、多道脉冲处理器。

主控制器采用STM32F103C8T6搭建，其主要功能为：产生频率及脉宽确定的脉冲信号，控制程控恒流源产生频率和占空比与主控制器相同的脉冲信号以驱动LED、控制电荷积分模块在LED发光开始时对光电二极管感应电流积分，LED发光停止时电荷积分模块停止积分，进入保持模式、控制采样ADC在电荷积分模块进入保持模式时对电荷积分模块输出电压进行采样上传、采集并上传晶体实时温度。

程控恒流源可产生频率和占空比与主控制器输出脉冲相同的高精度脉冲信号。

LED发光强度以及峰值波长选取方案计算如下，以NaI(Tl)闪烁体+超级双碱型PMT为例：

注：E_总为LED模拟5Mev伽玛射线被闪烁体吸收后产生荧光光子的总能量

LED辐射光子总能量E_总＝n*E(n：辐射光子数；E：单个光子能量)

即单个LED光脉冲辐射光子能量约为8.789*10^-14J

即：

则：N≈0.26*10^-3cd

得：点亮时LED光强为0.26mcd；点亮时间为230ns(碘化钠光衰减时间)。

由于毫坎德拉级别的LED体积较小不方便安装，根据图9所示的感光材料量子效率曲线。USB(超级双碱)型感光材料针对415nm峰值波长的光子其量子效率为40％，针对波长600nm的光子量子效率约2％。结合005所述，可选用特征波长600nm、发光强度5mcd的LED。本实施例选用LED型号为SML-P13PT。

光电二极管接收LED一部分光子，产生与光强对应的电荷量。本方案选用光电二极管型号为SFH2701，其温漂系数下表所示：

选用光电二极管的温度系数表

说明	代表符号	系数大小	单位
				针对波长650nm的温度系数	TC1	-0.03	％/K
针对波长750nm的温度系数	TC1	-0.01	％/K

光电二极管受LED激发的电流经电荷积分模块积分，利用光电二极管超低的温漂特性，该积分电压可准确反应测量发光量。可表示为Vo＝N_iη。

注：Vo为积分器输出电压、N_i为LED发出光子量、η为固定不变的转换系数

电荷积分模块采用ivc102U电荷积分芯片，其功能结构原理如图3所示，主控制器通过S₁和S₂控制积分电路工作状态。如图4所示积分电压输出变化情况，a点S₁闭合S₂断开，积分单元开始积分；b点S₁断开S₂断开积分电路进入保持模式；c点S₁断开S₂闭合，积分单元复位。ab段为积分期，在此期间LED发送光脉冲；bc段为保持期，采样ADC对积分电压采样；采样完毕后，c点开始系统复位。

能谱测量系统由闪烁体探测器耦合光电倍增管组成的探测器加上多道脉冲处理器构成。

温度传感器选用DS18B20，温度传感器与晶体的贴合方式如图2。

上位机软件功能包括：稳谱指令发送、LED峰位找寻、查询温度、查询积分电压Vo、调用光产额温度曲线等功能，实现自动稳谱。

如图5和图6所示为LED关闭和开启时不同情况下光电倍增管的输出信号，虚线框内为LED光的脉冲信号。

图7和图8所示为LED关闭和开启时不同情况下系统的谱线，虚线框内为LED开启后谱线中出现的LED光脉冲峰。通过对LED发光的控制可调节LED光脉冲峰位的道址位置。

如图9：其中F₁(t)表示闪烁体光产额的温度函数、F₂(t)是荧光光子在光电倍增管内放大增益的温度函数、F₃(t)是核脉冲信号在核电子学中的温度函数、f₁(t)是LED发光量的温度函数、Vo是光电二极管受激电流积分后的输出电压、S_l表示LED发出的光脉冲信号在能谱中的道址。

如图9所示，在温度为t时刻，LED产生一个光脉冲信号包含N_i个光子。在参考点，此时谱线稳定、温度为t₀：

则有LED光脉冲峰位：

S_l＝N_i×F₂(t₀)×F₃(t₀)

此时对应积分电压为Vo：

Vo＝N_i×η₁(η₁为光子与积分电压之间的固定转换系数)

S_l＝Vo×η₂(η₂为积分电压在稳谱状态下与谱线峰位的固定对应关系)

注：η₁、η₂为固定值，不随温度变化。

当温度变为t₁，此时LED的实际峰位为：

如需消除温度带来的漂移需调节^*S_l1至S_l1；

又：S_l1＝V₁×η₂

那么：增益应乘上倍；

如上所述可消除光电倍增管和电子学带来的温度漂移，再根据如图12所示闪烁体光产额温度特性曲线，图11中用F₁(t)表示；

调节后增益再乘上F₁(t₁)倍。

上述三个流程如图10侧框图。系统整体稳谱流程如图13。

Claims (2)

1.基于程控恒流源和光电二极管矫正的LED稳谱装置，其特征在于，包括上位机、主控制器、采样ADC、电荷积分模块、程控恒流源、光电二极管、LED、一般能谱探测系统、温度传感器；一般能谱探测系统包括闪烁体晶体、PMT、前端放大器、多道脉冲处理器；

上位机通过串口与一般能谱探测系统中的多道脉冲处理器连接，通过串口与主控制器连接；主控制器通过SPI连接温度传感器、通过IO口控制程控恒流源、通过SPI和采样ADC连接、通过IO口控制电荷积分模块；温度传感器采用组网的方式贴在晶体外侧；程控恒流源的输出端连接LED，LED与光电二极管贴合安装在PMT侧面玻璃窗；采样ADC输入引脚与电荷积分模块的电压输出引脚连接；LED与光电二极管通过光导贴合在一起，安装在PMT侧面玻璃窗，光电二极管以反向偏置的方式连接电荷积分模块输入端；闪烁体晶体和PMT组成一般能谱探测系统的探测器部分，探测器信号接入前端放大器输入端，前端放大器输出端信号输入多道脉冲处理器。

2.根据权利要求1所述的基于程控恒流源和光电二极管矫正的LED稳谱装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

LED与光电二极管通过光导贴合在一起，安装在PMT侧面玻璃窗外，主控制器通过程控恒流源促使LED产生可模拟伽玛射线被闪烁体探测器吸收后产生荧光光子的发光时间和光子发射量的光脉冲信号，使LED产生的光子一部分被光电二极管收集，一部分进入PMT；

被光电二极管收集的光子激发光电二极管产生光电流；电荷积分模块对LED激发的光电流积分后以电压的形式精确反应出来；采样ADC对电荷积分模块输出电压值进行模数转换；

进入PMT中的光子经倍增后，PMT输出类似核脉冲的信号，该信号经多道脉冲处理器处理后，上位机得到与脉冲能量大小对应的峰位；上位机上的峰位位置与电荷积分模块输出电压存在线性对应关系，通过此线性关系矫正PMT随温度变化带来的漂移量；

闪烁体晶体光产额随温度变化的曲线称为闪烁体光产额曲线，根据闪烁体光产额曲线和晶体实时温度情况修正温度变化导致晶体光产额变化带来的漂移；

通过分别对PMT温漂和闪烁体晶体温漂的矫正，完成系统的精确稳谱。