CN110780337A - 一种适用于中子活化分析的一体式*能谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本次公开一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，它包括探测器、管座多道脉冲幅度分析器、接口和外壳。探测器包括闪烁体和光电倍增管，ɣ射线进入探测器最终转换成电脉冲信号；管座多道脉冲幅度分析器由金属外壳封装，包括分压器电路、可调高压电源电路和多道能谱采集电路，分压器和可调高压电源为光电倍增管各个打拿极提供偏置电压，多道能谱采集电路实现射线脉冲信号到能谱的转换；接口电路采用PoE接口，既可以实现为系统供电又可以实现网口通信的功能；外壳起到承载、电磁屏蔽和射线屏蔽的作用，所有的部件和电路都封装在这个探测器外壳中。本发明提供了一种体积小、成本低、应用方便，同时又能有很高计数通过率和能量分辨率的ɣ能谱测量系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，具体涉及一种使用数字多道脉冲幅度分析技术的，高集成度的，将所有部件和电路都封装在一个探测器壳体内部的高性能ɣ能谱测量系统。
背景技术
中子活化分析是采用瞬发伽马射线中子活化分析技术，由于其分析精度高、灵敏度高、可在线无损测量等众多优势，被广泛应用于工业、环境、材料、考古和安全等领域。瞬发伽马射线中子活化分析技术是利用中子源产生的中子流轰击靶样品中各元素的原子核，原子核发生辐射俘获、非弹性散射等反应，并在小于10-14时间内退激并释放出能量为2KeV~10MeV的ɣ射线，通过探测器探测射线，利用电子电路采集射线能谱，根据各个特征ɣ射线的能量和强度对元素进行在线的定量和定性分析。
中子活化分析技术的ɣ能谱特点是本底高、元素特征峰重叠严重，最有效的手段是降低能谱的低能射线计数和本底计数、提高能谱特征峰的分辨率。目前存在两种射线能谱获取的方法，一种是以模拟电路为主的方式，探测器由闪烁体、光电倍增管、分压器和前置放大器组成，探测器放在中子活化分析装置中。一般情况下，在距离中子活化分析仪装置几十米位置的电控室中安装一个电控柜，电控柜中主要有为探测器供电的低压电源和高压电源，还有模拟多道脉冲幅度分析器，探测器与电控箱之间至少需要走低压电源、高压电源和信号三根线缆。由上述装置和硬件构成了中子活化分析系统，此方法的中子活化分析系统在工业现场使用抗干扰能力较差，探测器信号中噪声较大，采用模拟的脉冲幅度分析器，探测器信号噪声滤除无法达到最优化，信号的基线估计精度低，能谱的计数率较低，电路规模较大，故障率高，成本高。另一种是在上述方法的情况下用数字多道脉冲幅度分析器替换模拟多道脉冲幅度分析器，在数字多道脉冲幅度分析器中使用高速 ADC采集探测器信号，在数字信号处理器中对数字化的探测器信号进行最优化噪声滤波、梯形成形、数字脉冲基线估计、幅度分析、能谱存储。此方法虽然可以优化噪声滤波和提高能谱计数通过率，但是在工业现场应用信号中噪声依然较大，在小信号堆积的情况判断精度仍然不高，且无法解决第一种方法中的其他不足。
发明内容
本发明提供一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，目的是解决上述技术的不足。
解决上述问题所采用的具体技术方案是：系统包括探测器、管座多道脉冲幅度分析器、接口和外壳；探测器包括闪烁体和光电倍增管；管座多道脉冲幅度分析器包括分压器电路、可调高压电源电路和数字多道能谱采集电路；接口包括电源供给和通信；外壳将所述部件和电路封装在内部，整个系统对外只需一根网线。
闪烁体可以是NaI或者BGO探测器,选择能量分辨率和探测效率较高的闪烁体和光电倍增管，闪烁体和光电倍增管将射线转换成电流信号。管座多道脉冲幅度分析器包括分压器电路、可调高压电源电路和多道能谱采集电路，分压器和可调高压电源为光电倍增管各个打拿极提供偏置电压，多道能谱采集电路实现射线脉冲信号到能谱的转换。多道能谱采集电路采用数字多道脉冲幅度分析技术，主要在FPGA单芯片中实现多道脉冲幅度分析、高压控制和通信功能。
在中子活化分析中，通常计数率大于200kcps,为了在高计数率下提高能谱的线性度，采用晶体管电路稳定分压器各级电压。高压电源电路与分压器连接，为分压器提供连续可调的高压电源，同时分压器将光电倍增管的电流信号输入到前置放大器电路，由前置放大器电路将探测器的电流信号转换成电压形式的探测器脉冲信号。数字多道脉冲幅度分析器与高压电源电路连接，数字多道脉冲幅度分析器可以控制和监测高压电源的输出值，探测器的脉冲信号由高压电源电路输入到数字多道脉冲幅度分析器中，经过增益调节和适配电路后，信号被高速ADC采集，被数字化后的探测器信号在FPGA中滤波、成形、运算等，最终形成能谱数据。接口包括系统供电和通信，采用PoE网络接口，在传输数据信号的同时，还能为系统提供直流电源。
在结构上闪烁体和光电倍增管用一个金属筒封装在一起形成探测器，金属筒外壳可以是圆筒或者方筒形状,金属筒起到支撑和光屏蔽的作用。
各模块电路的连接关系是分压器电路与可调高压电路连接，可调高压电路与多道脉冲幅度分析器连接。分压器焊接在光电倍增管的管座上，可调高压电路和多道脉冲幅度分析器电路相连后与分压器垂直连接安装，上述电路板封装在与管座固定在一起的金属外壳内，这个金属外壳一端是光电倍增管管座，另一端是网口。最后由一个金属筒形的外壳体将所有部件封装在内部，对外只留有一个网络接口。
外层壳体使用铝金属材料制成，起到整个系统的支撑和电磁屏蔽的作用。
在中子活化分析时为了减少探测器接受到的干扰ɣ射线，内层壳体使用混合材料制成，加入重金属材料屏蔽低能ɣ射线，加入氢、碳、硼材料来吸收中子。
所述的ɣ能谱测量系统，探测器和所有电路都封装在一起，系统集成度高，使用元器件数量少，稳定性高。
有益效果在于：
系统体积小，功耗低，成本低，应用方便。
探测器和后续电路都封装在一起，没有较长的连接线缆，抗干扰能力强。
所有电子部件和电路都封装在一个电磁屏蔽体内，易于实现好的屏蔽效果，探测器信号噪声小。
在高的计数率的测量条件下，能保证优良的能量分辨率和线性度。
减少了能谱中低能计数和本底计数，使元素峰更加明显。
附图说明
图1 是本系统的原理示意图；
图2 是本系统的封装示意图；
图3 是本系统测量的能谱图；
图中：1为外壳，2为闪烁体，3为光电倍增管，4为探测器，5为分压器，6为高压电源，7为数字多道脉冲幅度分析器，8为接口，9为管座数字多道。
具体实施方式
如图1是一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，外壳（1）是由混合材料制成的，可以吸收部分中子和屏蔽低能ɣ射线。ɣ射线穿过外壳（1）进入闪烁体（2）中产生光信号，光信号再进入光电倍增管（3）中产生电信号，闪烁体（2）和光电倍增管（3）构成探测器（4）。分压器（5）为光电倍增管（3）提供偏置电压，高压电源（6）为分压器提供高压，并将探测器信号输出到数字多道脉冲幅度分析器（7）中，能谱数据由接口（8）向计算机传输，同时接口（8）又可以为系统提供电源。分压器（5）、高压电源（6）、数字多道脉冲幅度分析器（7）和接口（8）构成管座数字多道（9）。
图2给出了本系统的结构示意图，探测器和管座数字多道都封装外壳内部，对外只有一个网络接口。
图3是本系统的一个应用实例示意图，本发明是应用于中子活化分析的能谱测量系统，放射源采用252Cf，利用252Cf释放出的中子轰击物料，物料释放出ɣ射线。能谱测量系统放置于物料上方，用于接收ɣ射线。能谱测量系统中探测器采用NaI闪烁体探测器，其输出信号宽度约为1us，光电倍增管使用分压器电路为各个打拿极提供偏置电压，高压电源为其提供负电源。探测器输出的信号幅度较小，使用运算放大器电路将可用信号幅度放大至0V~1V范围内。本实例选用的高速ADC是AD9245芯片，该芯片最高采样频率可达80MHz，采样精度14位。AD9245由FPGA中ADC采集模块控制，将探测器的脉冲信号进行数字化。在FPGA中对数字化的探测器信号进行噪声滤波，滤波后的信号进入脉冲成形模块，对成形后的脉冲进行幅度分析得到能谱数据。整个能谱测量系统对外只有一根网线，在FPGA内实现网络通信接口功能模块，由FPGA控制PoE硬件接口通过网线将能谱数据发送到电脑。网线与电脑之间加入了PoE转换器，使得网线可以为能谱测量系统提供电源，系统电路的数字器件电源使用DC-DC转换芯片实现3.3V、2.5V和1.2V电源的转换，模拟器件电源使用LDO电源转换器实现5V和-5V电源的转换。
Claims (7)
1.一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，其特征在于：
外壳是由混合材料制成的，可以吸收部分中子和屏蔽低能ɣ射线；ɣ射线穿过外壳进入闪烁体中产生光信号，光信号再进入光电倍增管中产生电信号，闪烁体和光电倍增管构成探测器；分压器为光电倍增管提供偏置电压，高压电源为分压器提供高压，并将探测器信号输出到数字多道脉冲幅度分析器中，能谱数据由接口向计算机传输，同时接口又可以为系统提供电源；分压器、高压电源、数字多道脉冲幅度分析器和接口构成管座数字多道。
2.根据权利要求1所述的一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，其特征在于：
所述的分压器和可调高压电源为光电倍增管各个打拿极提供偏置电压，多道能谱采集电路实现射线脉冲信号到能谱的转换；
其中分压器电路与可调高压电路连接，可调高压电路与多道脉冲幅度分析器连接。
3.根据权利要求2所述的一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，其特征在于：
所述的分压器采用晶体管电路稳定各打拿级电压；
分压器焊接在光电倍增管的管座上，可调高压电路和多道脉冲幅度分析器电路相连后与分压器垂直连接安装，上述电路板封装在与管座固定在一起的金属外壳内。
4.根据权利要求2所述的一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，其特征在于：
所述的多道能谱采集电路采用数字多道脉冲幅度分析技术，主要在FPGA单芯片中实现多道脉冲幅度分析、高压控制和通信功能。
5.根据权利要求1所述的一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，其特征在于：
所述的闪烁体可以是NaI或者BGO探测器。
6.根据权利要求1所述的一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，其特征在于：
所述的外壳可以是圆筒或者方筒形状，分为2层；其中外壳的外层使用铝金属材料制成，起到整个系统的支撑和电磁屏蔽的作用；外壳的内层使用混合材料制成，加入重金属材料屏蔽低能ɣ射线，加入氢、碳、硼材料来吸收中子。
7.根据权利要求1所述的一种适用于中子活化分析的一体式ɣ能谱测量系统，其特征在于：
所述的接口，包括系统供电和通信，采用PoE网络接口，在传输数据信号的同时为系统提供直流电源。
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