CN109738934A - 一种动态let谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动态LET谱测量系统，包括：探测器、信号处理模块、信号采集模块、FPGA模块和动态LET谱测量模块；所述探测器，用于在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应输出至信号处理模块；所述信号处理模块，用于将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号输出至信号采集模块；所述信号采集模块，用于采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号输出至FPGA模块；所述FPGA模块，用于实现对探测器模块、信号处理模块和信号采集模块进行控制和计算，将数据发送至动态LET谱测量模块；所述动态LET谱测量模块，用于对FPGA模块上传的数据进行计算处理，得到LET谱，进行数据处理、显示和存储。

Description

一种动态LET谱测量系统

技术领域

本发明属于半导体探测器的领域，具体而言，涉及一种动态LET谱测量系统。

背景技术

所谓LET谱是线性能量传递谱，即粒子在探测器中单位射程的沉积能量谱。空间辐射粒子LET谱是表征空间环境辐射刚度的重要参量，也是宇航元器件抗辐射性能设计及选用的依据。

空间辐射粒子LET谱分布覆盖0.001MeVcm2/mg-100MeVcm2/mg，目前尚无单探头实现全指标覆盖LET谱仪，在轨运行及在研LET谱仪指标一般为0.1MeVcm2/mg-37MeVcm2/mg，需要通过结合其他粒子探测器或者多个探头分段指标合成才能满足探测需求。由于大量的新型宇航元器件空间辐射试验要求被测芯片实验具备0.001MeVcm2/mg-100MeVcm2/mg全指标覆盖LET谱就位探测功能，多探头分段指标合成无法满足就位探测需求。因此本发明提出一种动态LET谱测量系统。

发明内容

本发明的目的在于解决目前LET谱仪无法实现单探头空间辐射试验LET谱全指标0.001MeVcm2/mg-100MeVcm2/mg覆盖就位监测需求的问题，为实现上述目的，本发明提出一种动态LET谱测量系统。包括：探测器、信号处理模块、信号采集模块、FPGA模块和动态LET谱测量模块；

所述探测器，用于在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应输出至信号处理模块；

所述信号处理模块，用于将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号输出至信号采集模块；

所述信号采集模块，用于采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号输出至FPGA模块；

所述FPGA模块，用于实现对探测器模块、信号处理模块和信号采集模块进行控制和计算，将数据发送至动态LET谱测量模块；

所述动态LET谱测量模块，用于对FPGA模块上传的数据进行计算处理，得到LET谱，进行数据处理、显示和存储。

作为所述装置的一种改进，所述探测器为半导体探测器，所述半导体探测器厚度为L，L不大于0.3mm。

作为所述装置的一种改进，所述半导体探测器为Si探测器。

作为所述装置的一种改进，所述信号处理模块包括峰保电路，用于对采样信号进行幅值保持采样。

作为所述装置的一种改进，所述信号采集模块包括ADC单元，所述ADC单元用于将模拟信号转换为数字信号。

作为所述装置的一种改进，所述FPGA模块包括信号处理采集控制单元和沉积能量计算单元；

所述信号处理采集控制单元用于实现对探测器模块、信号处理模块和信号采集模块进行控制；

所述沉积能量计算单元用于根据获取的数字信号ADC和定标参数k计算，得到对应的单位沉积能量dE为：

dE＝k·ADC+b (1)

并将dE进行积分得到探测器沉积能量E，发送至动态LET谱测量模块。

作为所述装置的一种改进，所述动态LET谱测量模块根据FPGA模块上传的数据计算LET谱：

LET＝E/L (2)

其中E为探测器沉积能量，L为探测器厚度。

作为所述装置的一种改进，所述动态LET谱测量系统还包括GPS定位模块，所述GPS定位模块用于实现对探测器的经纬度及高度信息的采集。

本发明还提出一种动态LET谱测量方法，所述方法包括：

步骤1)所述系统上电后，所述FPGA模块进行初始化和基础配置；

步骤2)所述探测器在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应，输出至信号处理模块；

步骤3)所述信号处理模块将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，其中的峰保电路对模拟信号进行幅值保持采样，输出至信号采集模块；

步骤4)所述信号采集模块的ADC单元采集模拟信号，将模拟信号转换为数字信号输出至FPGA模块；

步骤5)所述FPGA模块的信号处理采集控制单元对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行控制，所述沉积能量计算单元根据获取的数字信号ADC和定标参数k计算得到对应的单位沉积能量dE为：

dE＝k·ADC+b (1)

将dE积分得到探测器沉积能量E，将数据发送至动态LET谱测量模块；

步骤6)所述动态LET谱测量模块对FPGA模块上传的数据进行计算处理，得到出LET谱：

LET＝E/L (2)

其中E为探测器沉积能量，L为探测器厚度，并对数据进行显示和存储。

本发明的优势在于：

1、本发明的大动态LET谱测量系统，在单探头上实现0.001MeVcm2/mg-100MeVcm2/mg测量范围，量程为10⁵量级，涵盖中子、电子、γ射线及重离子LET谱探测；

2、本发明的动态LET谱测量系统功耗低；

3、本发明的动态LET谱测量系统模块化设计，接口通用，便于集成在其他设备上，完成目标原位LET谱监测；

4、本发明的动态LET谱测量系统系统具有电路结构简单，工作稳定和测量数据可靠的优点；

5、本发明的动态LET谱测量系统本发明的系统抗干扰能力强，系统内部模块间相互干扰小。

附图说明

图1本发明的动态LET谱测量系统仪器内部电路结构框图；

图2本发明的动态LET谱测量系统仪器控制流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明的一种动态LET谱测量系统可以实现大动态的LET谱测量，测量范围为0.001-100MeV·cm²/mg。仪器体积功耗较小，体积小于140*90*35mm³，功耗小于1W。仪器可以在地面(民用、核电站常规监测、核燃料后处理等场所监测)及航空航天领域使用。

图1为动态LET谱测量系统的电路结构框图，用于对粒子LET谱进行测量，系统包括：探测器、信号处理模块、信号采集模块、电源模块、FPGA模块和动态LET谱测量模块；

所述探测器中探测器为厚度L不大于0.3mm的半导体探测器，如Si探测器，探测器的数量为1个或多个，当粒子打到探测器上能够产生电荷信号响应。

所述信号处理模块能够将粒子入射到探测器上产生的电荷信号响应放大并转换为可采样的信号，包括双指数信号，信号被直接采样或通过峰保电路进行保持采样。

所述信号采集模块包括ADC采集单元，用于将峰值信号的幅度转换为数字信号。

所述电源模块通过电池供电，能够将电池的电压幅度转换为3.3V、5V、探测器工作高压等其他电路模块需要的供电电压。

所述FPGA控制电路模块实现对硬件电路的核心控制以及与动态LET谱测量模块通讯。

所述FPGA模块包括信号处理采集控制单元和沉积能量计算单元；

所述信号处理采集控制单元用于实现对探测器模块、信号处理模块和信号采集模块进行控制；

所述沉积能量计算单元用于根据获取的数字信号ADC和定标参数k计算，得到对应的单位沉积能量dE为：

dE＝k·ADC+b (1)

并将dE进行积分得到探测器沉积能量E，发送至动态LET谱测量模块。

所述动态LET谱测量模块，用于对FPGA模块上传的数据进行计算、处理、显示和存储，工作流程见图2。

基于上述系统，本发明还提供了一种基于半导体探测器的小型化大动态粒子LET谱测量方法，所述方法包括：

步骤1)所述系统上电后，所述FPGA模块进行初始化和基础配置；

步骤2)所述探测器在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应，输出至信号处理模块；

步骤3)所述信号处理模块将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，其中的峰保电路对模拟信号进行幅值保持采样，输出至信号采集模块；

步骤4)所述信号的ADC单元采集模块采集模拟信号，将模拟信号转换为数字信号输出至FPGA模块；

步骤5)所述FPGA模块的信号处理采集控制单元对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行控制，所述沉积能量计算单元根据获取的数字信号ADC和定标参数k计算得到对应的单位沉积能量dE为：

dE＝k·ADC+b (1)

将dE进行积分得到探测器沉积能量E，将数据发送至动态LET谱测量模块；

步骤6)所述动态LET谱测量模块，用于对FPGA模块上传的数据进行计算处理，得到出LET谱：

LET＝E/L (2)

其中E为沉积能量，L为探测器厚度，并对数据进行显示和存储。

所述动态LET谱测量系统还包括GPS定位模块，所述GPS定位模块用于实现对探测器的经纬度及高度信息的采集。

经过仿真和实验验证，本发明能够实现0.001-100MeV·cm²/mg的LET谱测量，从而实现涵盖电子、γ射线、质子、中子及重离子(包括所有稳定核素)的LET谱测量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种动态LET谱测量系统，其特征在于，包括：探测器、信号处理模块、信号采集模块、FPGA模块和动态LET谱测量模块；

所述探测器，用于在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应输出至信号处理模块；

所述信号处理模块，用于将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号输出至信号采集模块；

所述信号采集模块，用于采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号输出至FPGA模块；

所述FPGA模块，用于实现对探测器模块、信号处理模块和信号采集模块进行控制和计算，将数据发送至动态LET谱测量模块；

所述动态LET谱测量模块，用于对FPGA模块上传的数据进行计算处理，得到LET谱，进行数据处理、显示和存储。

2.根据权利要求1所述的动态LET谱测量系统，其特征在于，所述探测器为半导体探测器，所述半导体探测器厚度为L，L不大于0.3mm。

3.根据权利要求2所述的动态LET谱测量系统，其特征在于，所述半导体探测器为Si探测器。

4.根据权利要求3所述的动态LET谱测量系统，其特征在于，所述信号处理模块包括峰保电路，用于对采样信号进行幅值保持采样。

5.根据权利要求4所述的动态LET谱测量系统，其特征在于，所述信号采集模块包括ADC单元，所述ADC单元用于将模拟信号转换为数字信号。

6.根据权利要求5所述的动态LET谱测量系统，其特征在于，所述FPGA模块包括信号处理采集控制单元和沉积能量计算单元；

所述信号处理采集控制单元用于实现对探测器模块、信号处理模块和信号采集模块进行控制；

所述沉积能量计算单元用于根据获取的数字信号ADC和定标参数k计算，得到对应的单位沉积能量dE为：

dE＝k·ADC+b (1)

并将dE进行积分得到探测器沉积能量E，发送至动态LET谱测量模块。

7.根据权利要求6所述的动态LET谱测量系统，其特征在于，所述动态LET谱测量模块根据FPGA模块上传的数据计算LET谱：

LET＝E/L (2)

其中E为探测器沉积能量，L为探测器厚度。

8.根据权利要求1所述的动态LET谱测量系统，其特征在于，所述动态LET谱测量系统还包括GPS定位模块，所述GPS定位模块用于实现对探测器的经纬度及高度信息的采集。

9.基于权利要求1-8之一所述的动态LET谱测量系统的动态LET谱测量方法，所述方法包括：

步骤1)所述系统上电后，所述FPGA模块进行初始化和基础配置；

步骤2)所述探测器在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应，输出至信号处理模块；

步骤3)所述信号处理模块将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，其中的峰保电路对模拟信号进行幅值保持采样，输出至信号采集模块；

步骤4)所述信号采集模块的ADC单元采集模拟信号，将模拟信号转换为数字信号输出至FPGA模块；

步骤5)所述FPGA模块的信号处理采集控制单元对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行控制，所述沉积能量计算单元根据获取的数字信号ADC和定标参数k计算得到对应的单位沉积能量dE为：

dE＝k·ADC+b (1)

将dE积分得到探测器沉积能量E，将数据发送至动态LET谱测量模块；

步骤6)所述动态LET谱测量模块对FPGA模块上传的数据进行计算处理，得到出LET谱：

LET＝E/L (2)

其中E为探测器沉积能量，L为探测器厚度，并对数据进行显示和存储。