CN112684491A - 一种基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，其步骤如下：建立基于温度变化的伽马谱仪的谱漂和温度变化的曲线关系、在伽马谱仪的测量过程中，进行基于温度变化的数字化自动稳谱。本发明的优点在于：利用基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，可实现无源稳谱、不用调节探测器工作高压和放大器增益，仅通过温度变化来修正脉冲幅度的方式实现数字化自动稳谱，特别适合于环境温度变化较大情况下的伽马能谱测量。

Description

一种基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法

技术领域

本发明涉及属于核辐射探测领域，应用该方法可实现无源稳谱、不用调节探测器工作高压和放大器增益，仅通过温度变化来修正脉冲幅度的方式实现数字化自动稳谱，特别适合于环境温度变化较大情况下的伽马能谱测量。

背景技术

伽马能谱测量作为核能谱测量的一种重要手段，在医学、生物、物理、化学、地质等领域得到广泛应用。伽马能谱测量系统需要将不同能量的伽马射线转换成不同幅度的电脉冲信号，目前国内外的伽马能谱测量仪应用最多的探测器为闪烁晶体，如NaI、BGO、LaBr3等，先将伽马射线转换成光脉冲信号，再通过光电倍增管等转换为电脉冲信号。但是闪烁晶体探测器和光电倍增管容易受温度变化影响，产生温漂，影响测量的精度。为了有效解决稳谱，提高伽马能谱测量精度，同时为了降低后续解谱处理的难度，需要对伽马谱仪进行稳谱，校正温度变化对伽马谱仪测量结果的影响。

目前常用的稳谱方法主要有硬件稳谱和软件稳谱，硬件稳谱的原理是根据谱漂的程度, 自动调整系统的增益, 使发生漂移的谱线恢复到正常状态。一种硬件稳谱方法是通过带温度补偿的高压电源和温度跟踪技术实现，如通过温度变化量来调节光电倍增管工作高压，以此来改变系统增益，进而补偿因温度升高带来的谱线漂移。然而光电倍增管工作高压的变化会引起伽马谱仪探测效率的改变，因而目前也有采用通过调节放大器增益的方法来实现硬件稳谱，但采用放大器的方式很难实现高精度的增益调节，进而影响能谱测量的精度。

软件稳谱是通过软件寻找一个或几个特征峰, 用于稳谱的特征峰可以是天然伽马射线自身的特征峰（如钍系、铀系和钾等放射性元素产生的特征峰），也可以是人工加入的稳谱源产生的特征峰（如镅源、铯源、钴源等），或是直接作用于光电倍增管的LED光源产生的特征峰等。谱仪工作时，实时检测每一次测量后特征峰的道址, 实现软件自动跟踪特征峰，判断谱线是否发生漂移, 然后对能谱仪重新进行能量刻度，当然也可以根据特征峰的漂移情况来调节光电倍增管工作高压或放大器增益。

通过天然伽马射线自身特征峰的方法，实现稳谱的前提是能检测到对应的特征峰，如果处于放射性较低的本底环境，则较难实现自动稳谱。

通常需要人工加入的稳谱源来实现稳谱的方法也称为有源稳谱，否则称为无源稳谱。

本发明综合上述方法的优点，并在此基础上提出一种基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，该方法以数字化伽马能谱测量系统为基础，通过高速数字化现场可编程门阵列芯片（FPGA）和高速模数转换芯片（ADC）直接对伽马射线探测器输出的信号进行全脉冲采样，通过高速数字化处理芯片（DSP）测量仪器探头的温度变化，并建立特征峰谱漂和温度变化的曲线关系，利用DSP的高精度定点或浮点运算能力，计算每个温度点的精确修正系数，在FPGA中实现每个采样脉冲幅度的精确修正，再生成经过修正的伽马能谱曲线。

该方法采用无源稳谱（无主动性放射源）、无需实时搜寻伽马能谱的特征峰、不用调节探测器工作高压（不会引起伽马谱仪探测效率的改变）、不用调节放大器增益，可直接在FPGA上实现脉冲幅度的精确修正，特别适合于环境温度变化较大情况下的伽马能谱测量。

迄今为止，尚未见到有关通过温度变化来修正脉冲幅度的方式实现数字化自动稳谱的报道。

发明内容

本发明的目的是为了提高环境温度变化较大情况下的伽马能谱测量及解析精度，而提出的一种基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法。

本发明的技术方案为：一种基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，其步骤如下：

(1) 建立基于温度变化的伽马谱仪的谱漂和温度变化的曲线关系：

1) 将数字化伽马谱仪置于恒温箱中，将放射性标准源置于数字化伽马谱仪的探测器位置处，在伽马谱仪的允许工作温度变化范围内，按照一定的温度间隔，调节恒温箱的温度值，待其各点温度稳定后测量该标准源的能谱曲线，得到不同温度下的伽马能谱曲线；

2) 查找不同温度下放射性标准源在能谱曲线中的一个或几个特征峰位置，求得各个温度点的伽马能谱曲线能量刻度系数，建立能量刻度系数和温度变化的曲线关系；

3) 选定一个温度点作为参考点或选定一个特征峰道址位置作为参考点，对各个温度点的伽马能谱曲线能量刻度系数进行修正，得到能量刻度系数修正量和温度变化的曲线关系，并将该曲线数据存入数字化伽马谱仪的CPU中；

(2) 在伽马谱仪的测量过程中，进行基于温度变化的数字化自动稳谱：

1) 在伽马谱仪系统中，通过高速数字化处理芯片（DSP）作为CPU测量伽马谱仪探测器的温度变化，利用DSP的高精度定点或浮点运算能力，根据能量刻度系数修正量和温度变化的关系曲线，计算每个温度点的精确修正系数，并传递给高速数字化现场可编程门阵列芯片（FPGA）；

2) 在伽马谱仪系统中，通过高速FPGA和高速模数转换芯片（ADC）直接对伽马射线探测器输出的信号进行全脉冲采样，在FPGA中通过能量刻度系数修正量随温度变化的关系曲线实现对每个脉冲幅度的精确修正，将不同能量的伽马射线对应的脉冲幅度修正到对应的标准值；

3) 在伽马谱仪系统中，通过FPGA将修正后的脉冲生成经过温度稳谱的伽马能谱曲线，并传递给DSP，以便进行谱线显示或谱数据通讯。

本发明的优点在于：利用基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，可实现无源稳谱、不用调节探测器工作高压和放大器增益，仅通过温度变化来修正脉冲幅度的方式实现数字化自动稳谱，特别适合于环境温度变化较大情况下的伽马能谱测量。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于温度变化的伽马谱仪数字化自动求取方法示意图；

图2为本发明实施例1的基于温度变化的数字化伽马谱仪原理框图；

图3为本发明实施例1的基于温度变化的数字化伽马谱仪在进行温度稳谱修正前温度对谱漂的影响；

图4为本发明实施例1的通过基于温度变化的数字化伽马谱仪求得的温度-能量刻度系数变化关系图；

图5为本发明实施例1的通过基于温度变化的数字化伽马谱仪求得的温度-能量刻度系数修正量变化关系图；

图6为本发明实施例1的基于温度变化的数字化伽马谱仪在进行温度稳谱修正后温度对谱漂的影响。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。

本发明的基本思想是以数字化伽马能谱测量系统为基础，通过高速数字化处理芯片（如FPGA）和高速ADC直接对伽马射线探测器输出的信号进行全脉冲采样，并建立谱漂和伽马射线探测器温度变化的曲线关系，通过计算每个温度点的修正系数，在FPGA中实现每个采样脉冲幅度的精确修正，再生成经过修正的伽马能谱曲线。

本发明所述的基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，步骤如下：

(1) 根据图1所示的基本思想和图2所示的原理框图，设计一套基于温度变化的数字化伽马谱仪，并建立基于温度变化的伽马谱仪的谱漂和温度变化的曲线关系：

1) 将数字化伽马谱仪置于恒温箱中，将放射性标准源置于数字化伽马谱仪的探测器位置处，在伽马谱仪的允许工作温度变化范围内，按照一定的温度间隔，调节恒温箱的温度值，待其各点温度稳定后测量该标准源的能谱曲线，得到不同温度下的伽马能谱曲线，如图3所示；

2) 查找不同温度下放射性标准源在能谱曲线中的一个或几个特征峰位置，求得各个温度点的伽马能谱曲线能量刻度系数，建立能量刻度系数和温度变化的曲线关系，如图4所示；

3) 选定一个温度点作为参考点或选定一个特征峰道址位置作为参考点，对各个温度点的伽马能谱曲线能量刻度系数进行修正，得到能量刻度系数修正量和温度变化的曲线关系，如图5所示，并将该曲线数据存入数字化伽马谱仪的CPU中；

(2) 在伽马谱仪的测量过程中，进行基于温度变化的数字化自动稳谱：

1) 在伽马谱仪系统中，通过高速数字化处理芯片（DSP）作为CPU测量伽马谱仪探测器的温度变化，利用DSP的高精度定点或浮点运算能力，根据能量刻度系数修正量和温度变化的关系曲线，计算每个温度点的精确修正系数，并传递给高速数字化现场可编程门阵列芯片（FPGA）；

2) 在伽马谱仪系统中，通过高速FPGA和高速模数转换芯片（ADC）直接对伽马射线探测器输出的信号进行全脉冲采样，在FPGA中通过能量刻度系数修正量随温度变化的关系曲线实现对每个脉冲幅度的精确修正，将不同能量的伽马射线对应的脉冲幅度修正到对应的标准值；

3) 在伽马谱仪系统中，通过FPGA将修正后的脉冲生成经过温度稳谱的伽马能谱曲线，并传递给DSP，以便进行谱线显示或谱数据通讯，经过温度修正后的能谱曲线如图6所示。

从图3、图6的对比效果可看出，通过基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，可在不调节探测器工作高压和放大器增益、仅通过温度变化来修正脉冲幅度的方式实现数字化自动无源稳谱，利用该方法研制的伽马谱仪特别适合于环境温度变化较大情况下的伽马能谱测量。

Claims (1)

1.一种基于温度变化的伽马谱仪数字化自动稳谱方法，其步骤如下：

(1) 建立基于温度变化的伽马谱仪的谱漂和温度变化的曲线关系：

1) 将数字化伽马谱仪置于恒温箱中，将放射性标准源置于数字化伽马谱仪的探测器位置处，在伽马谱仪的允许工作温度变化范围内，按照一定的温度间隔，调节恒温箱的温度值，待其各点温度稳定后测量该标准源的能谱曲线，得到不同温度下的伽马能谱曲线；

2) 查找不同温度下放射性标准源在能谱曲线中的一个或几个特征峰位置，求得各个温度点的伽马能谱曲线能量刻度系数，建立能量刻度系数和温度变化的曲线关系；

3) 选定一个温度点作为参考点或选定一个特征峰道址位置作为参考点，对各个温度点的伽马能谱曲线能量刻度系数进行修正，得到能量刻度系数修正量和温度变化的曲线关系，并将该曲线数据存入数字化伽马谱仪的CPU中；

(2) 在伽马谱仪的测量过程中，进行基于温度变化的数字化自动稳谱：

1) 在伽马谱仪系统中，通过高速数字化处理芯片（DSP）作为CPU测量伽马谱仪探测器的温度变化，利用DSP的高精度定点或浮点运算能力，根据能量刻度系数修正量和温度变化的关系曲线，计算每个温度点的精确修正系数，并传递给高速数字化现场可编程门阵列芯片（FPGA）；

2) 在伽马谱仪系统中，通过高速FPGA和高速模数转换芯片（ADC）直接对伽马射线探测器输出的信号进行全脉冲采样，在FPGA中通过能量刻度系数修正量随温度变化的关系曲线实现对每个脉冲幅度的精确修正，将不同能量的伽马射线对应的脉冲幅度修正到对应的标准值；

3) 在伽马谱仪系统中，通过FPGA将修正后的脉冲生成经过温度稳谱的伽马能谱曲线，并传递给DSP，以便进行谱线显示或谱数据通讯。

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