CN109991650B - 数字化多路符合测量放射性氙装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及放射性气体分析领域，为数字化多路符合测量放射性氙装置，包括Si‑PIN探测器、PIPS探测器、密闭的气体测量室、前置放大器、前端电路、高速数字化脉冲采集器（ADC）、高性能现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、STM32单片机（MCU）、PC机、能谱数据处理上位机软件、SPI总线、CAN总线、USB等部件。本发明可实现放射性氙同位素CE‑X级联事件的符合测量，具备降低环境本底干扰的功能。

Description

数字化多路符合测量放射性氙装置
技术领域
本发明涉及放射性气体分析领域，满足放射性氙同位素测量系统灵敏度高、体积小、重量轻的需求。
背景技术
放射性氙同位素监测技术可直接、有效的作为核活动及辐射安全监测领域，对于可疑核试验事件性质判定、核设施周边放射性环境影响评价、核应急监测具有重要的意义。
放射性氙同位素测量可选用正比计数器、液体闪烁谱仪、HPGeγ谱仪或β-γ符合测量系统等。其中，正比计数器和液体闪烁谱仪只能进行总β测量，很难对放射性氙同位素进行分析。HPGeγ谱仪和β-γ符合测量系统，在使用时需安装厚重屏蔽体抑制本底干扰，导致系统体积、重量较大，保障条件要求高，不适宜于现场测量。本专利采用数字化多路符合测量技术，能够简化系统核电子学线路的复杂程度，降低环境本底对测量的干扰，在保证测量灵敏度的同时，极大程度缩小放射性氙同位素测量系统的体积与重量，实现放射性氙同位素测量系统的数字化、小型化，使其能够同时满足实验室及野外环境下对放射性氙同位素的实时分析需求。
文献对比分析表明，国内与该发明相同结构的装置研究及生产厂家未见文献报道。
发明内容
本发明包括Si-PIN探测器、PIPS探测器、密闭的气体测量室、前置放大器、前端电路、高速数字化脉冲采集器、高性能现场可编程逻辑门阵列、STM32单片机、PC机、能谱数据处理上位机软件、SPI总线、CAN总线、USB；利用放射性氙同位素发射的内转换电子与X射线级联事件的衰变特性，采用新型Si-PINX射线探测器，与PIPS电子探测器以及相关电子学电路和配套软件，构建数字化多路符合测量系统，其实施的方法为：(1)每路探测器前放输出信号，均先经过信号调理电路—CR滤波、电压跟随及三级线性放大，对信号进行获取、增强驱动能力、放大；(2)利用高速高速数字化脉冲采集器及匹配的电路对调理后的核脉冲信号进行数字化采集；(3)利用高性能现场可编程逻辑门阵列实现对数字化脉冲信号进行滤波成形、抗堆积处理、符合时间与幅度甄别功能；(4)采用STM32单片机控制单元建立数字信号处理模块与上位机软件间的通信，其中，高性能现场可编程逻辑门阵列与STM32单片机之间由SPI总线通信，STM32单片机与上位机软件由USB接口通信；(5)由C#语言开发符合能谱数据统计与处理的上位机软件通过STM32单片机控制数字信号处理单元的采集的启动/停止、传输、设置符合时间与幅度窗口参数的处理。
本发明为一种数字化多路符合测量放射性氙装置，包括Si-PIN探测器、PIPS探测器、密闭的气体测量室、前置放大器、前端电路、高速数字化脉冲采集器(ADC)、高性能现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、STM32单片机(MCU)、PC机、能谱数据处理上位机软件、SPI总线、CAN总线、USB等部件。该装置功能框图如图1。
该装置利用放射性氙同位素发射的内转换电子(CE)与X射线级联事件的衰变特性，采用新型Si-PINX射线探测器，与PIPS(离子注入型硅探测器)电子探测器，以及相关电子学电路和配套软件，构建数字化多路符合测量系统，实现放射性氙同位素活度浓度测量。
功能实现如下：(1)每路探测器前放输出信号，均先经过信号调理电路(CR滤波、电压跟随及3级线性放大)，对信号进行获取、增强驱动能力、放大。(2)利用高速ADC及匹配的电路对调理后的核脉冲信号进行数字化采集。(3)利用FPGA实现对数字化脉冲信号进行滤波成形、抗堆积处理、符合时间与幅度甄别功能。(4)采用MCU控制单元建立数字信号处理模块与上位机软件间的通信，其中FPGA与MCU之间由SPI总线通信，MCU与上位机软件由USB接口通信。(5)采用C#语言开发符合能谱数据统计与处理的上位机软件，同时上位机软件通过MCU控制数字信号处理单元的采集(启动/停止)、传输、处理(设置符合时间与幅度窗口参数)等功能。
该装置具有如下创新点：(1)该装置首次采用Si-PINX射线探测器与离子注入型PIPS探测器构建CE-X级联事件的符合测量装置。该装置可实现放射性氙同位素CE-X级联事件的符合测量，具备降低环境本底干扰的功能；(2)符合测量技术中采用符合时间与能窗甄别技术，提高符合计数效率；(3)采用多个Si-PINX射线探测器与PIPS探测器组合而成的多路符合测量，增加X射线探测面积，从而提高CE-X级联事件的探测效率；(4)数字处理部分有别于其他数字符合测量装置，采用的是目前市场上高性能的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)z-turnboard进行数字化脉冲的相关算法处理，可支持跨平台开发，支持CAN、TCP/IP通信、支持二次开发，具备测量数据的高速实时传输能力；(5)采取数字电路符合技术，降低系统核电子学线路的复杂程度，增强电路的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明的硬件结构连接图；
在图1中：1为Si-PIN探测器，2为PIPS探测器，3为密闭的气体测量室，4为前置放大器，5为前端电路，6为高速数字化脉冲采集器(ADC)，7为高性能现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，8为STM32单片机(MCU)，9为PC机，10为能谱数据处理上位机软件，11为SPI总线，12为CAN总线，13为USB。
具体实施方式
按照图1连接起各个功能模块，首先对放射性氙测量室进行抽真空，然后将待测样品放射性氙气体通过快插接头引入到测量室，进样完成后，关闭阀门保持测量室密封状态；然后，依次给Si-PIN探测器，PIPS探测器，前端电路，高速ADC和FPGA等供电，运行一段时间(大约1min)使系统稳定；最后，打开上位机软件，设置符合时间/幅度窗口等参数，开启测量，测量时长取决于关注核素的符合计数的统计涨落。测量结束后关闭系统，按照公式(1)计算放射性氙同位素活度浓度。
Figure BDA0001536590720000021
式中，Nci—关注核素i能区的符合计数；
λi—关注核素i的衰变常数，s-1；
ε—符合探测效率，cps/Bq；
Pei—关注核素i的内转换电子的发射概率；
PXi—关注核素i的特征X射线的发射概率；
V—样品的体积，mL；
t1—样品测量时长，s。
该装置利用放射性氙同位素发射的内转换电子(CE)与X射线级联事件的衰变特性，采用新型Si-PINX射线探测器，与PIPS(离子注入型硅探测器)电子探测器，以及相关电子学电路和配套软件，构建数字化多路符合测量系统，使其能够同时满足实验室及野外环境下对放射性氙同位素的活度浓度测量及实时分析需求。
密闭的气体测量室中密闭的气体测量室泄漏率小于1×10-7Pa·m3/s。前置放大器输出信噪比大于10:1。高速数字化脉冲采集器的采样率大于80MHz。高性能现场可编程逻辑门阵列采用低功耗的zynq-7020或更高性能的版本。上位机软件具有原始脉冲实时显示、自动能量刻度、符合能谱读取与显示等功能。

Claims (1)

1.一种数字化多路符合测量放射性氙装置的使用方法，包括Si-PIN探测器、PIPS探测器、密闭的气体测量室、前置放大器、前端电路、高速数字化脉冲采集器ADC、高性能现场可编程逻辑门阵列FPGA、STM32单片机、PC机、能谱数据处理上位机软件、SPI总线、CAN总线、USB；利用放射性氙同位素发射的内转换电子与X射线级联事件的衰变特性，采用Si-PIN X射线探测器，与PIPS电子探测器以及相关电子学电路和配套软件，构建数字化多路符合测量系统，其特征在于：首先对放射性氙测量室进行抽真空，然后将待测样品放射性氙气体通过快插接头引入到测量室，进样完成后，关闭阀门保持测量室密封状态；然后，依次给Si-PIN 探测器，PIPS探测器，前端电路，高速ADC和FPGA供电，运行一段时间大约1min使系统稳定；最后，打开上位机软件，设置符合时间/幅度窗口参数，开启测量，测量时长取决于关注核素的符合计数的统计涨落，测量结束后，关闭数字化多路符合测量放射性氙装置，按照公式（1）计算放射性氙同位素活度浓度：
Figure 321865DEST_PATH_IMAGE002
式中，Nci—关注核素i能区的符合计数；λi—关注核素i的衰变常数，s-1；ε—符合探测效率，cps/Bq；Pei—关注核素i的内转换电子的发射概率；PXi—关注核素i的特征X射线的发射概率；
V—样品的体积，mL；t1—样品测量时长，s。
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