CN1932474A - 考古用同位素密度成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于核技术的考古用同位素密度成像仪的技术方法，其特征在于利用同位素激发源放射射线通过不均匀被测物体时，其衰减的程度与被测物体的密度成反比关系(非线性)的原理，激发源通过导源管放入地下，用测量方式控制器控制20个探测器组成的探测器阵列的测量方式，探测器阵列利用旋转式和平移式测量方式对经过被测物体透射出的激发射线强度进行测量，并将能量转化成脉冲信号，脉冲信号经过放大器放大，由多道脉冲幅度分析器将放大器放大的脉冲信号按照能量不同形成测量谱线，记录每个能量范围内的计数率，最后由传输器将测量谱线传输给中央处理器，按照测量谱线进行成像，得出被测物体的密度分布，从而指导考古现场工作。

Description

考古用同位素密度成像仪

技术领域

本发明属于考古探测技术领域，涉及一种新型考古用同位素密度成像仪，结合核电子技术、机电一体化技术、计算机成像技术，以不同物质对相同能量γ射线的透射不同作为原理，通过对平面介质密度的测定，利用计算机成像来了解介质密度分布的方法。

背景技术

中国的古陶瓷、青铜器、金器等金属文物是中国古代文明的瑰宝，对世界文化和现代文明都具有重要的影响。传统的考古手段主要是从地层学、器物类型学等宏观方面来研究各个历史时期的主要文物，已经取得了许多成果，但是如何精确探究文物所埋藏位置成为现时最有待解决的问题。我们现行的方法是在已经发现文物的地方继续进行大规模的挖掘，以期待能够发现更多的古文物。这种方法无疑是存在盲目性的。

目前在国内外还没有单位或个人研制考古用同位素密度扫描成像系统。

发明内容

本发明的目的是利用核技术无损透射技术在考古现场挖掘前进行密度扫描成像，了解地下未发掘区的密度变化(如金属、空隙等)以指导发掘。

本发明内容是利用当激发源(1)放射的激发射线通过不均匀被测物体的时候，其衰减的程度与被测物体的密度成反比关系(非线性)的原理，激发源(1)通过导源管(9)放入地下，用测量方式控制器(4)控制20个探测器组成的探测器阵列(3)的测量方式，探测器阵列(3)利用旋转式和平移式测量方式对经过被测物体(2)透射出的激发射线强度进行测量，并将能量转化成脉冲信号，脉冲信号经过放大器(5)放大，由多道脉冲幅度分析器(6)将放大器(5)放大的脉冲信号按照能量不同形成测量谱线，记录每个能量范围内的计数率，最后由传输器(7)将测量谱线传输给中央处理器(8)，按照测量谱线进行成像，得出被测物体的密度分布，从而指导考古现场工作。

本发明针对核技术在考古中的应用，对不同介质能够探测并将介质密度用图像表示出来，在考古现场挖掘前进行密度扫描成像，了解地下未发掘区的密度变化(如金属、空隙等)以指导发掘，该方法的探测深度可达0.5m-0.8m。具有以下优势：

1.以激发源(1)作为激发方式，选择¹³⁷Cs其能量范围669keV，激发射线可以穿透被测物体0.5m-0.8m。

2.探测器阵列(3)的测量方式由测量方式控制器(4)控制选择，测量方式包括旋转式和平移式两种，旋转式测量方式以激发源(1)和导源管(9)的位置为圆心，以0.5m为半径进行旋转测量，平移式测量方式以以激发源(1)和导源管(9)的位置为中心，以0.5m为边长，每90度平移0.5m，共平移四次。

3.探测器采用阵列式排列，用20个NaI晶体探测器组成探测器阵列(3)，一次可以测量0.5m长度。

4.放大器(5)采用高性能集成运算放大器NE5532组成，具有较高的抗过载能力，放大倍数50-100倍可调。

5.多道脉冲幅度分析器(6)以芯片DSP TMS320LF2407为设计核心，取代了传统模拟电路。

6.传输器(7)通过CPLD芯片EPM7128SLI84-15(84)将20路串口输入接口合成一路，将一路输出分成20路输出，分别驱动20个探测器阵列(3)的脉冲幅度多道分析器(6)，实现了探测器阵列排列的数据传输准确。

附图简介

图1：考古用同位素密度成像仪系统结构

图2：考古用同位素密度成像仪旋转式结构

图3：考古用同位素密度成像仪平移式结构

其中：(1)激发源，(2)被测物体，(3)探测器阵列，(4)测量方式控制器，(5)放大器，(6)多道脉冲幅度分析器，(7)传输器，(8)中央处理器，(9)导源管。

图4：放大器(5)电路图

图5：多道脉冲幅度分析器(6)原理图

图6：峰值保持电路图

图7：传输器(7)通信接口板电路图

图8：测量方式控制器(4)电路图

具体实施方式

1、探测器阵列(3)

本发明采用NaI晶体作为闪烁体。NaI闪烁体发光时间极短，仅为10^-7s。因而，最大计数率可达10⁵脉冲/秒，探测器的探测效率高。探测器的尺寸根据探测目标物体的分辨率和每次扫描的有效体积大小来决定，可以从直径10mm～35mm，并配以相同尺寸的光电倍增管构成单个探测器，由多个单个探测器构成探测器阵列，探测器的数量一般取10-20个为宜。本发明选取20个探测器组成探测器阵列(3)，如图2、图3。探测器阵列(3)探测的脉冲信号传输给放大器(5)，进行放大处理。

2、放大器(5)

本发明为探测器阵列(3)中的20个探测器配置20个放大器(5)。放大器(5)采用高性能集成运算放大器NE5532芯片组成，具有较高的抗过载能力，放大倍数50-100倍可调。如图4，探测器阵列(3)探测到的脉冲信号进入放大器(5)电路，经过NE5532芯片的两级放大，将微弱信号变为可以处理的脉冲信号，输出于多道脉冲幅度分析器(6)。

3、多道脉冲幅度分析器(6)

本发明为20个放大器(5)配置了20个多道脉冲幅度分析器(6)。多道脉冲幅度分析器(6)的原理如图5所示。当信号输入时，首先进入峰值保持电路，将脉冲变成与峰值等值的直流电平，该直流电平与原始输入信号一起在过峰检测电路中产生过峰信号，控制电路得到该信号后启动模数变换器进行A/D转换，转换的结果送入地址寄存器。控制电路给出读命令，选通对应地址的存储单元，将该单元的已有内容读入数据运算寄存器，进行加1运算；然后，把数据运算的结果回存至对应的存储单元。分析器完成了一个模拟信号的峰值幅度分析，控制电路恢复原状态以待接收下一个脉冲信号。到测量时间结束时，存储器中已存储了一条以道址为峰值幅度的信息，存储器中的数据表示同一种峰值的脉冲个数，通过传输器(7)将数据发送到计算机中。以横坐标为信号道址、纵坐标为道址对应的计数率，由此可以得到一条核辐射谱线。

其中，峰值保持电路采用峰值保持器芯片PKD01，PKD01峰值保持器采用高跨导型运算放大器，具有响应速度快、通频带宽、线性好、峰值保持精度高等优点。对于具有瞬变峰值脉冲的信号，通过选择适当的外接保持电容，PKD01即可快速、准确地检测并保持峰值脉冲信号，直至发送RST复位信号进行清除为止。峰值保持电路将脉冲转换峰值幅度相等的直流电平输出，在PKD01比较器上用直流电平与原始信号进行比较产生过峰信号。过峰信号为脉冲信号的后沿。用这个信号作DSP的中断信号。然后由DSP起动内部的A/D进行转换，如图6。

模数转换和控制是脉冲幅度分析器的核心部分，本脉冲幅度多道分析器以DSP芯片TMS320LF2407为核心，以完成A/D转换、控制电路、数据运算器、谱线存储器等功能。具有以下一些特点：

[1]LF2407采用高性能静态(CMOS)技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33nS(30MHZ)，从而提高了控制器的实时控制能力；

[2]基于TMS320内核，保证了TMS320LF240X系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容；

[3]10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输人A/D转换器或一个16通道输人的A/D转换器。

由于LF2407的A/D为10位A/D转换器，因此多脉冲幅度分析器的道数最多为2¹⁰道，即1024道。如果每道数据占2Byte，刚好可用内部2K字的单口RAM(SARAM)。

首先中央处理器(8)发送采集开始，DSP芯片接收到命令后，将用于谱线存储器区RAM清零，对串行通信接口初始化，打开定时器，选择A/D通道，开放中断。当脉冲信号进入峰值保持电路PKD01后，一方面脉冲转换峰值幅度相等的直流电平输出到DSP的A/D输入脚，另一方面在脉冲信号的后沿产生下降沿信号。用这个信号作DSP的中断信号。然后由DSP起动内部的A/D进行转换。DSP的A/D速度非常快，仅为500ns，DSP读取A/D结果后，以此为地址读取该道的数据，加1后送回原地址。

当送数定时器到时，DSP将谱线数据通过串口发送到传输器(7)，再传输到中央处理器(8)。在本发明中，送数定时器设置为10秒，送数采用中断进行，不会占用采集脉冲信号幅度的时间。当采集定时器到时。关闭定时器，关闭中断，停止采集脉冲信号幅度。等待串口接口输入命令，进行下时段的采集。

为了能够快速、实时地显示信号幅度分析器的转换结果，选择串口作为多道幅度分析器与传输器(7)的通讯口。考虑到目前微机系统传输较快，设计通讯波特率为9600～18750bps，该模块较好地实现信号峰值幅度分析系统与台式机、笔记本微机之间的双向传输，这对于其它基于笔记本微机系统的便携式仪器有较大的应用价值。

在本发明中，串口作为微机向分析系统的双向数据传输口；DSP方对数据的接收和发送均采用中断方式进行，微机系统通过串口向峰值分析系统发布采集命令、采集时间。

芯片LF2407的SCI模块的接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它单独的使能和中断标志位。两者可以单独工作，或者在全双工方式下同时工作。电路采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX232进行串行通讯。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5V供电，具有两个接收和发送通道。由于TMS320LF2407采用+3.3V供电，所以在MAX232与TMS320LF2407之间必须加电平转换电路。本发明采用了一个二极管(1N4007)和三个电阻进行电平转换。整个接口电路简单，可靠性高。

本发明多道脉冲幅度分析器(6)，基于DSP技术，可作通用的多道脉冲幅度分析器，主要指标为：

[1]分析信号幅度范围：0.3～10.0V，脉冲上升沿无要求，脉冲宽度无要求；

[2]微分非线性：＜1％；积分非线性：＜1％；死时间：1uS；测量定时：1～65535秒；

[3]串行通讯波特率：9600、19200、38400、56000、115200BPS；

[4]零点漂移：在15分钟操作后＜3ppm/℃，一般在整个温度范围内小于1道；

[5]操作温度范围：-10℃到50℃；功耗：3.3V(＜100mA)，±12V(＜3mA)。

3、传输器(7)

本发明中传输器(7)通过一个CPLD芯片(EPM7128SLI84-15(84))将20路输入接口合成一路输入，将一路输出分成20路输出，分别驱动20个探测器的脉冲幅度分析器。图7是通信接口板电路图。

4、测量方式控制器(4)

测量方式控制器(4)由单片机芯片77E58控制步进电机，步进电机驱动探测器，移动步进电机产生旋转带动探测器阵列(3)整体移动，每移动一定步长，测量一组数据。步进电机为5相步进电机，型号为90F006，工作电压为30V，相电流为3A。步进电机在单片机的控制下，以五相十拍的方式工作，可正转反转，实现扫描，电路图如图8。

运用效果

研制的同位素密度扫描成像系统可以用于考古现场，通过同位素密度扫描可以寻找地下埋藏的金银铜铁锡铅等金属文物。该方法的探测深度可达0.5～0.8米，对使用网格化探测所得的数据进行专门的软件处理，地下埋藏的物体在生成的图形中清晰可见。

在工程勘探方面可以用来测量高速路面的路基分布情况，还可以应用在工程桩基的检测上。该系统运行可靠，自动化程度高，已取得了很好的效果并且填补了目前国内应用同位素密度扫描成像技术进行考古工作的空白。

Claims (7)

1，本发明涉及一种基于核技术的考古用同位素密度成像仪的技术方法，其特征在于它利用激发源(1)放射的激发射线通过不均匀被测物体时，其衰减的程度与被测物体的密度成反比关系(非线性)的原理，激发源(1)通过导源管(9)放入地下，用测量方式控制器(4)控制20个探测器组成的探测器阵列(3)的测量方式，探测器阵列(3)利用旋转式和平移式测量方式对经过被测物体(2)透射出的激发射线强度进行测量，并将能量转化成脉冲信号，脉冲信号经过放大器(5)放大，由多道脉冲幅度分析器(6)将放大器(5)放大的脉冲信号按照能量不同形成测量谱线，记录每个能量范围内的计数率，最后由传输器(7)将测量谱线传输给中央处理器(8)，按照测量谱线进行成像，得出被测物体的密度分布，从而指导考古现场工作。

2，根据权利要求1所述，其特征在于以激发源(1)作为激发方式，选择¹³⁷Cs，能量669keV，激发射线可以穿透被测物体0.5m-0.8m。

3，根据权利要求1所述，其特征在于探测器阵列(3)的测量方式由测量方式控制器(4)控制选择，测量方式包括旋转式和平移式两种，旋转式测量方式以激发源(1)和导源管(9)的位置为圆心，以0.5m为半径进行旋转测量，平移式测量方式以以激发源(1)和导源管(9)的位置为中心，以0.5m为边长，每90度平移0.5m，共平移四次。

4，根据权利要求1所述，其特征在于探测器采用阵列式排列，用20个NaI晶体探测器组成探测器阵列(3)，一次可以测量0.5m长度。

5，根据权利要求1所述，其特征在于放大器(5)采用高性能集成运算放大器NE5532组成，具有较高的抗过载能力，放大倍数50-100倍可调。

6，根据权利要求1所述，其特征在于多道脉冲幅度分析器(6)以DSP芯片TMS320LF2407为设计核心，取代了传统模拟电路。

7，根据权利要求1所述，其特征在于传输器(7)通过CPLD芯片EPM7128SLI84-15(84)将20路串口输入接口合成一路，将一路输出分成20路输出，分别驱动20个探测器阵列(3)的脉冲幅度多道分析器(6)，实现了探测器阵列排列的数据传输准确。

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