CN110161553A - 一种虚实结合的γ谱仪测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚实结合的γ谱仪测量系统，属于核工程研究技术领域，包括计算机终端、路由器交换机集群、数字化多通道分析器、放射源模拟器和光电倍增管，所述光电倍增管与探测γ射线的探测器配合使用，所述数字化多通道分析器与放射源模拟器之间通过BNC连接线进行信号传输，所述路由器交换机集群、数字化多通道分析器和放射源模拟器均通过网线网络互连。通过将放射源模拟器分别与数字化多道分析器与光电倍增管进行信号传输，光电倍增管通过探测器采集到真实放射源信号，放射源模拟器提供给数字化多通道分析器虚拟的放射源信号，虚实结合的系统可以在满足核物理教学实验要求的同时使教学更加方便和安全。
Description
技术领域
本发明涉及核工程研究技术领域，特别涉及一种虚实结合的γ谱仪测量系统。
背景技术
核物理诞生于20世纪初，她最常见和有名的应用是：核能发电和核武器技术，并以核武器及核污染给人类和自然界带来的危害而常常使人“谈核色变”。然而，核物理给人类带来的收益，只有现代电子学和信息技术，才能与其相提并论。
核物理研究之所以受到人们的重视得到社会的大力支持，是和它具有广泛而重要的应用价值密切相关的。几乎没有一个核物理实验室不在从事核技术的应用研究。有些设备甚至主要从事核技术应用工作。
现在核物理核工程人才需求大，开设核物理教学实验的高校也日益增多，但是近代核物理相关的教学实验涉及到放射源或者射线装置，由于目前国家对放射源的管理非常严格，购买放射源手续繁琐且使用很不方便，造成一些高校甚至无法购买放射源，严重影响正常的近代物理实验教学。而且放射源存在辐射，在实验过程中若防护措施不当或违反操作规程，就会对人体造成伤害。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述放射源教学实验时只能采用真实放射源，实验时存在辐射导致成本高使用不安全的问题而提供一种虚实结合的γ谱仪测量系统，具有虚实结合实验更方便，物理信号作为虚拟放射源进行实验更安全且成本低的优点。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种虚实结合的γ谱仪测量系统，包括计算机终端、路由器交换机集群、数字化多通道分析器、放射源模拟器和光电倍增管，所述光电倍增管与探测γ射线的探测器配合使用，所述数字化多通道分析器与放射源模拟器之间通过BNC连接线进行信号传输，所述路由器交换机集群、数字化多通道分析器和放射源模拟器均通过网线网络互连，所述光电倍增管通过航空接头连接线与放射源模拟器进行数据传输；
所述放射源模拟器包括设备本体，所述设备本体外壳的一端安装第一通道接口、第二通道接口、显示屏、探测器接口和电源指示灯，所述所述设备本体外壳的另一端安装电源接口、电源开关和网络接口。
优选的，所述放射源模拟器用于随机输出两通路幅度范围-5V到0V，时间范围16ns～8μs的任意放射源信号。
优选的，所述放射源模拟器内部包括ARM处理芯片、FPGA算法编程模块和两个输入电路，其中两个输入电路分别与第一通道接口和第二通道接口电性连接。
优选的，所述输入电路由信号处理整形电路的输出端与数模转换输出电路的输入端相连接组成，其中信号处理整形电路的输入端分别与第一通道接口和第二通道接口电性连接。
优选的，所述光电倍增管用于将微弱光信号转换成电信号，探测γ射线的探测器为闪烁探测器。
优选的，所述数字化多通道分析器接收放射源信号，通过模拟数字变换将放射源信号以直观形式显示在计算机终端的显示屏上，设有两个通道来接收信号，且两个通道分别通过BNC连接线与放射源模拟器的第一通道接口和第二通道接口相连接。
优选的，所述探测器接口为七芯凹型航空接头，用于连接光电倍增管，显示屏用于显示当前实验名称，放射源种类以及吸收体的数量。
优选的，电源接口为设备提供电力支持，网络接口用来通过网线连接到路由器交换机集群中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将放射源模拟器分别与数字化多道分析器与光电倍增管进行信号传输，光电倍增管与闪烁探测器配合使用，闪烁探测器安装在真实放射源附近用来探测γ射线的吸收情况，探测器采集到真实放射源信号发送给光电倍增管，光电倍增管再将信号发送给放射源模拟器，经过内部的ARM处理芯片和FPGA算法编程模块进行能量谱图计算，通过网络发送到计算机终端上显示出来，放射源模拟器用来模拟产生虚拟的放射源信号提供给数字化多通道分析器，计算机终端同样可以显示虚拟放射源γ射线吸收的能量谱图，因此在没有放射源的情况下可以通过放射源模拟器模拟出虚拟的放射源进行实验，使实验的进行不受客观因素影响，也可以减少放射源的使用，节约实验成本，虚拟的放射源也不会因为进行实验时防护措施不当或违反操作规程导致危害身体的情况发生，虚实结合的系统可以在满足核物理教学实验要求的同时使教学更加方便和安全。
附图说明
图1为本发明的整体系统连接结构示意图。
图2为本发明的放射源模拟器前端结构示意图。
图3为本发明的放射源模拟器后端结构示意图。
图4为本发明的放射源模拟器内部系统连接结构示意图。
图5为本发明的各物质对γ射线的吸收系数和能量曲线图。
图中：1、计算机终端，2、路由器交换机集群，3、数字化多道分析器，4、放射源模拟器，5、光电倍增管，6、设备本体，7、第一通道接口，8、第二通道接口，9、显示屏，10、探测器接口，11、电源指示灯，12、电源接口，13、电源开关，14、网络接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4所示，一种虚实结合的γ谱仪测量系统，包括计算机终端1、路由器交换机集群2、数字化多通道分析器3、放射源模拟器4和光电倍增管5，光电倍增管5与探测γ射线的探测器配合使用，数字化多通道分析器3与放射源模拟器4之间通过BNC连接线进行信号传输，路由器交换机集群2、数字化多通道分析器3和放射源模拟器4均通过网线网络互连，光电倍增管5通过航空接头连接线与放射源模拟器4进行数据传输；通过路由器交换机集群2搭建网络环境，实现各个设备之间的网络和信号互连，放射源模拟器4包括设备本体6，设备本体6外壳的一端安装第一通道接口7、第二通道接口8、显示屏9、探测器接口10和电源指示灯11，设备本体6外壳的另一端安装电源接口12、电源开关13和网络接口14，放射源模拟器4用于随机输出两通路幅度范围-5V到0V，时间范围16ns～8μs的任意放射源信号，放射源模拟器4内部包括ARM处理芯片、FPGA算法编程模块和两个输入电路，其中两个输入电路分别与第一通道接口7和第二通道接口8电性连接，输入电路由信号处理整形电路的输出端与数模转换输出电路的输入端相连接组成，其中信号处理整形电路的输入端分别与第一通道接口7和第二通道接口8电性连接，光电倍增管5用于将微弱光信号转换成电信号，探测γ射线的探测器为闪烁探测器，数字化多通道分析器3接收放射源信号，通过模拟数字变换将放射源信号以直观形式显示在计算机终端1的显示屏上，设有两个通道来接收信号，且两个通道分别通过BNC连接线与放射源模拟器4的第一通道接口7和第二通道接口8相连接，探测器接口10为七芯凹型航空接头，用于连接光电倍增管5，显示屏9用于显示当前实验名称，放射源种类以及吸收体的数量，电源接口12为设备提供电力支持，网络接口14用来通过网线连接到路由器交换机集群2中。
FPGA算法编程模块用来人为编写计算γ射线在不同物质中吸收的系数计算的方法，算法原理如下：
当γ射线穿过物质时，与物质作用发生光电效应、康普顿效应和电子对效应(当γ能量大于人1.02MeV时才产生)，γ射线损失其能量。γ射线与物质的原子一口发生三种相互作用，原米Eγ的光子就消失，或散射后能量改变并偏离原来的入射方向。通常把通过物质的未经过相互作用的光子所组成的射线束称为窄束γ射线(也称为良好的几何条件下的射线束)。γ射线通过物质时其强度会逐渐减弱，这种现象称为γ射线吸收，单能束γ射线强度的衰减，遵循指数规律，即
其中I0、I分别是通过物质前、后γ射线强度，x地γ射线通过物质的厚度(单位为cm)，σγ是三种效应(光电效应、康普顿效应和电子对效应)截面之和，N是吸收物质单位体积中的原子数，μ是物质的线性吸收系数(μ＝σγN(单位为cm1)。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。
由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率n总是与该时刻的Γ射线强度1成正比，因此1与x的关系也可以用n与x的关系来代替。由(1)式可以得到
n＝n0e-μx (2)
Inn＝In n0-μx (3)。
光电倍增管5建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。日盲紫外光电倍增管对日盲紫外区以外的可见光、近紫外等光谱辐射不灵敏，具有噪声低、响应快、接收面积大等特点，属于现有技术。
信号处理整形电路应用在数字脉冲信号中，对已有的脉冲信号进行整形将它转换成所需要的脉冲信号，施密特触发器就是常用的整形电路，属于现有技术。
数模转换输出电路就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为数模转换电路，属于现有技术。
本发明的工作原理：该系统可以实现真实放射源测量实验和虚拟放射源测量实验，真实放射源测量实验时，放射源模拟器4不产生虚拟放射源信号，通过探测器探测γ射线光电倍增管5与探测器配合使用，向放射源模拟器4发送光信号转换的电信号，放射源模拟器4通过内部的算法电路计算出γ射线吸收情况，将结果通过数字化多通道分析器3(型号：KRYQ-16)发送给计算机终端1通过计算机显示屏显示出来，虚拟放射源测量实验时，放射源模拟器4自身可以产生虚拟放射源信号，通过内部的算法电路计算出γ射线吸收情况，将结果通过数字化多通道分析器3发送给计算机终端1，从而根据计算机终端1的显示屏直观的看出实验结果。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：包括计算机终端(1)、路由器交换机集群(2)、数字化多通道分析器(3)、放射源模拟器(4)和光电倍增管(5)，所述光电倍增管(5)与探测γ射线的探测器配合使用，所述数字化多通道分析器(3)与放射源模拟器(4)之间通过BNC连接线进行信号传输，所述路由器交换机集群(2)、数字化多通道分析器(3)和放射源模拟器(4)均通过网线网络互连，所述光电倍增管(5)通过航空接头连接线与放射源模拟器(4)进行数据传输；
所述放射源模拟器(4)包括设备本体(6)，所述设备本体(6)外壳的一端安装第一通道接口(7)、第二通道接口(8)、显示屏(9)、探测器接口(10)和电源指示灯(11)，所述所述设备本体(6)外壳的另一端安装电源接口(12)、电源开关(13)和网络接口(14)。
2.根据权利要求1所述的一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：所述放射源模拟器(4)用于随机输出两通路幅度范围-5V到0V，时间范围16ns～8μs的任意放射源信号。
3.根据权利要求1所述的一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：所述放射源模拟器(4)内部包括ARM处理芯片、FPGA算法编程模块和两个输入电路，其中两个输入电路分别与第一通道接口(7)和第二通道接口(8)电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：所述输入电路由信号处理整形电路的输出端与数模转换输出电路的输入端相连接组成，其中信号处理整形电路的输入端分别与第一通道接口(7)和第二通道接口(8)电性连接。
5.根据权利要求1所述的一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：所述光电倍增管(5)用于将微弱光信号转换成电信号，探测γ射线的探测器为闪烁探测器。
6.根据权利要求1所述的一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：所述数字化多通道分析器(3)接收放射源信号，通过模拟数字变换将放射源信号以直观形式显示在计算机终端(1)的显示屏上，设有两个通道来接收信号，且两个通道分别通过BNC连接线与放射源模拟器(4)的第一通道接口(7)和第二通道接口(8)相连接。
7.根据权利要求1所述的一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：所述探测器接口(10)为七芯凹型航空接头，用于连接光电倍增管(5)，显示屏(9)用于显示当前实验名称，放射源种类以及吸收体的数量。
8.根据权利要求1所述的一种虚实结合的γ谱仪测量系统，其特征在于：电源接口(12)为设备提供电力支持，网络接口(14)用来通过网线连接到路由器交换机集群(2)中。
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