CN202661631U

CN202661631U - 一种γ能谱仪

Info

Publication number: CN202661631U
Application number: CN 201220339956
Authority: CN
Inventors: 彭建盛; 李兴; 徐咏; 刘云焰
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2012-07-14
Filing date: 2012-07-14
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2022-07-14

Abstract

本实用新型公开了一种γ能谱仪，主要包括：探测模块、多道脉冲幅度分析模块、片上可编程系统PSoC3/5资源模块和温度检测模块；探测模块包括NaITl闪烁晶体、光电倍增管PMT、射极跟随器和可调高压电源模块，在γ射线作用下NaITl闪烁晶体发光，被光电倍增管进行光电转换及电子倍增后，经射极跟随器输出电脉冲信号；多道脉冲幅度分析模块，对整形放大后的电脉冲信号的峰值进行采样分析；PSoC3/5资源模块，通过配置PSoC3/5芯片的内置模拟和数字资源，进行通用串行总线USB及安全数码卡SD卡通信、整个系统的数据分析处理和稳谱处理；温度检测模块，获取所处工作环境的温度，为系统正常工作提供保证。该实用新型提供了一种操作简单、功耗低、性能高的便携式多道γ能谱仪。

Description

一种γ能谱仪

技术领域

本实用新型涉及仪器仪表技术领域，尤其涉及一种γ能谱仪。

背景技术

γ能谱测量是一种重要的核地球物理方法，根据所测的γ射线能谱，可获得γ辐射总量以及铀、钍、钾等元素含量以及其它有关元素信息，根据这些信息，我们不仅可以进行铀矿勘探，而且还可以将其应用于地质填图，油气勘测，寻找各种金属和非金属矿产等。此外，在许多其它非地学领域，如建筑材料、环境监测、司法侦探、法医鉴定以及海关检测检疫等越来越多地应用这种方法来解决一些实际问题。

γ能谱仪早期是由传统的模拟电路和数字电路来搭建的，随着计算机技术和半导体技术的发展，能谱仪也随之向智能化方向发展。目前，国内已先后研制出了256道微机能谱仪、SIM-MAXG 便携式伽马能谱仪、基于PDA的便携式伽玛能谱仪等能谱仪器，但是国内的γ能谱仪，不同厂家开发的能谱仪在功能、精度等方面存在差别，大部分都采用单片机、ARM或PDA等作为控制器，其性价比较低、便携性较差、功耗较高，而国外的γ能谱仪产品，如identiFINDER型便携式伽玛能谱仪和DigiDART野外高纯锗伽玛谱仪，性能较高、便携性好、功能较齐全，但价格也较昂贵，难以在国内得到广泛应用。

近年来，传统的γ测量仪器虽在一定程度上满足了现代γ测量的需求,但由于其硬件电路复杂、集成度较低、设计与系统升级难度较大、仪器成本高、功耗大、便携性较差的特点，限制了仪器向便携化、小型化、智能化方向发展。随着科学技术的进步和社会生活水平的提高，人们对γ能谱仪的需求日益增加、对其性能要求也越来越高，γ能谱仪将向着性价比高、便携性好、功耗低、性能高、操作简单的趋势发展。

发明内容

本实用新型克服了现有技术中的不足，提供一种操作简单、功耗低、性能高的便携式多道γ能谱仪，旨在实现对γ射线的能谱测量、谱图显示和能谱分析。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种γ能谱仪，主要包括：探测模块、多道脉冲幅度分析模块、片上可编程系统PSoC3/5资源模块和温度检测模块；

探测模块包括NaI Tl闪烁晶体、光电倍增管PMT、射极跟随器和可调高压电源模块，在γ射线作用下NaI Tl闪烁晶体发光，被光电倍增管进行光电转换及电子倍增后，经射极跟随器输出电脉冲信号；

多道脉冲幅度分析模块，对整形放大后的电脉冲信号的峰值进行采样分析；

PSoC3/5资源模块，通过配置PSoC3/5芯片的内置模拟和数字资源，进行通用串行总线USB及安全数码卡SD卡通信、整个系统的数据分析处理和稳谱处理；

温度检测模块，获取所处工作环境的温度，为系统正常工作提供保证。

本实用新型还可以：

所述多道脉冲幅度分析模块包括脉冲甄别电路、控制电路、峰值采样保持电路和模数AD采集电路，利用PSoC3/5芯片的内置模拟、数字资源及电阻电容，按输入脉冲的峰值分类计数，进行电脉冲信号的峰值分析处理。

所述脉冲甄别电路的PSoC3/5芯片内部配置资源包括电流型数模转换器IDAC、高速电压比较器和与门，结合所述PSoC3/5芯片外部的电阻电容进行脉冲甄别。

所述控制电路由PSoC3/5芯片内置的与非门和D触发器组成，信号有效时，启动峰值采样保持电路和AD采集电路工作。

所述峰值采样保持电路和AD采集电路分别使用PSoC3/5芯片内置的采样保持组件和三角积分模数转换Delta Sigma ADC组件，所述峰值采样保持电路获取脉冲信号峰值，使A/D采集的过程中峰值稳定不变；所述A/D采集电路采集的对象是脉冲信号的峰值。

所述PSoC3/5资源模块包括USB、串行外设接口SPI、电压型数模转换器VDAC、电容感应Capsense、电可擦可编程只读存储器EEPROM和实时时钟RTC；USB与计算机通信进行能谱分析，SPI与SD卡通信达到能谱数据保存；VDAC控制可调高压电源模块的高压输出；Capsense组件进行触摸感应按键操作。

所述稳谱处理由PSoC3/5芯片内核实现，内核对温度检测模块获取的温度和探测的γ能谱数据进行分析处理，通过内置的VDAC控制探测模块的可调高压电源模块。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型采用对PSoC3/5芯片内置的模拟和数字资源高集成度的配置、便捷的数据通信方式、低功耗电源管理系统及高效的稳谱处理的技术方案，实现了操作简单、功能齐全、功耗低、便携性强、稳定准确、分析范围广、分辨率高和多道γ能谱测量的有益效果。

附图说明

图1为本实用新型γ能谱仪的系统结构框图

图2为本实用新型γ能谱仪的探测模块硬件框图

图3为本实用新型γ能谱仪的多道脉冲幅度分析模块配置图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

图1是本实用新型γ能谱仪的系统结构框图。如图1所示，本实用新型γ能谱仪的系统结构包括探测模块、信号整形调理模块、多道脉冲幅度分析模块、PSoC3/5资源模块、QVGA TFT显示模块、温度检测模块、电源管理模块。

探测模块是实现γ射线到电脉冲信号的转换；信号整形调理模块，对来自探测模块的电脉冲信号进行稳定的线性放大和平滑处理，减少噪声影响和提高系统信噪比；多道脉冲幅度分析模块，采集分析电脉冲信号的峰值；PSoC3/5资源模块，对PSoC3/5芯片的内置模拟、数字资源进行配置，实现数据分析处理和谱线分析显示；QVGA TFT显示模块，提供人机交互界面，进行谱线等相关信息的显示；温度检测模块，随时获取所处工作环境的温度，进而可以分析NaI Tl闪烁晶体长期工作因温度变化带来的谱线漂移，对稳谱工作提供一定的参考；电源管理模块，主要由锂电池供电系统和低功耗电源转换系统组成，为系统正常工作和仪器低功耗便携式提供保证。

在γ射线的激发下探测模块输出电脉冲信号，输出的电脉冲传送到信号整形调理模块进行整形和放大等处理，最后经多道脉冲幅度分析模块进行采集分析，通过中断Interrupt将有效数据交给PSoC3/5内核处理保存和QVGA TFT显示能谱图，同时还可以将数据通过USB传送给计算机进行能谱分析或通过SPI通信保存到SD卡，与本仪器进行数据通信处理的计算机软件可以采用VC++等常用软件进行编写，也可使用已有的谱分析软件，实现谱分析功能。

此外，PSoC3/5芯片内核对温度检测模块获取的温度和探测的γ能谱数据进行分析处理，通过内置的VDAC控制探测模块，进行稳谱处理。PSoC3/5芯片还对RTC、EEPROM、SLEEP、WDT（Watchdog Timer，看门狗）、Capsence组件的处理，RTC组件为系统测量提供实时准确时间，EEPROM提供掉电保护必要数据功能，SLEEP 允许系统进行低功耗工作，WDT保证系统正常运行，Capsense组件进行触摸感应按键操作。

参照图2，图2是本实用新型γ能谱仪的探测模块硬件框图。如图2所示，本实用新型γ能谱仪的探测模块由NaI Tl闪烁晶体、光电倍增管PMT、射极跟随器和可调高压电源模块构成。

使用NaI Tl闪烁晶体探测，其具有探测效率高、能量分辨率好、技术成熟、便携性强和经济性好等特点。光电倍增管，可将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增。可调高压电源模块，由VDAC控制输出高压大小，为光电倍增管供电。

在γ射线的激发下NaI Tl闪烁晶体发光，然后被光电倍增管接收，经光电转换及电子倍增后从阳极输出电脉冲，输出的电脉冲经射极跟随器输出，从而实现了γ射线到电脉冲信号的转换。

本实用新型通过探测模块，实现了系统性能高和测量分析稳定准确的有益效果。

参照图3，图3是本实用新型γ能谱仪的多道脉冲幅度分析模块配置图。如图3所示，本实用新型γ能谱仪的多道脉冲幅度分析模块包括脉冲甄别电路、峰值检测电路、控制电路、峰值采样保持电路和AD采集电路，通过使用PSoC3/5芯片的内置模拟、数字资源及常用电阻电容实现电脉冲信号的峰值分析处理。

其中，脉冲甄别电路的PSoC3/5芯片内部配置资源包括电流型数模转换器IDAC、高速电压比较器和与门，其上、下限阈值电压由内置IDAC和外部精密电阻产生，当电脉冲信号在阈值范围内时，经高速比较器和与门处理，脉冲甄别电路输出高电平信号。控制电路由PSoC3/5芯片内置的与非门和D触发器组成，信号有效时，启动峰值采样保持电路和AD采集电路工作。所述峰值采样保持电路获取脉冲信号峰值，使A/D采集的过程中峰值稳定不变；所述A/D采集电路采集的对象是脉冲信号的峰值。

为了消除无用的高能或低能脉冲信号和噪声对测量的干扰，脉冲甄别电路只允许一定幅度的脉冲通过，以此获取有用的信号给控制电路使用。对峰值检测电路分析可知，峰值检测电路在脉冲信号到达峰值点时会产生一个上升沿输出。控制电路由PSoC3/5芯片内置的与非门和D触发器组成，当控制使能端CPU_Gate使能、来自甄别电路和峰值检测电路的信号有效时，控制电路将产生下降沿信号。来自信号整形调理模块的脉冲信号峰顶宽度较窄，无法满足多道脉冲幅度分析的需要，本实用新型采用峰值采样保持电路可以获取脉冲信号峰值，使A/D采集的过程中峰值稳定不变。A/D采集电路是多道脉冲幅度分析模块的核心，其采集的对象是脉冲信号的峰值，其性能指标将直接决定整个系统的相关指标，因此采用PSoC3/5芯片内置的Delta Sigma模数转换器。

本实用新型通过多道脉冲幅度分析模块，实现了系统集成度高、体积小和功能齐全的有益效果。

本实用新型通过对PSoC3/5芯片内置的模拟和数字资源高集成度的配置、便捷的数据通信方式、稳定的探测硬件及高效的稳谱处理方法，实现了集成度高、功耗低、便携性强、稳定准确、分析范围广、分辨率高和多道γ能谱测量的有益效果。

显然，上述的实施例是为了更好的解释本实用新型，仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种γ能谱仪，其特征在于：所述γ能谱仪主要包括：探测模块、多道脉冲幅度分析模块、片上可编程系统PSoC3/5资源模块和温度检测模块；

2. 根据权利要求1所述一种γ能谱仪，其特征在于：所述多道脉冲幅度分析模块包括脉冲甄别电路、控制电路、峰值采样保持电路和模数AD采集电路，利用PSoC3/5芯片的内置模拟、数字资源及电阻电容，按输入脉冲的峰值分类计数，进行电脉冲信号的峰值分析处理。

3.根据权利要求2所述一种γ能谱仪，其特征在于：所述脉冲甄别电路的PSoC3/5芯片内部配置资源包括电流型数模转换器IDAC、高速电压比较器和与门，结合所述PSoC3/5芯片外部的电阻电容进行脉冲甄别。

4.根据权利要求2所述一种γ能谱仪，其特征在于：所述控制电路由PSoC3/5芯片内置的与非门和D触发器组成，信号有效时，启动峰值采样保持电路和AD采集电路工作。

5.根据权利要求2所述一种γ能谱仪，其特征在于：所述峰值采样保持电路和AD采集电路分别使用PSoC3/5芯片内置的采样保持组件和三角积分模数转换Delta Sigma ADC组件，所述峰值采样保持电路获取脉冲信号峰值，使A/D采集的过程中峰值稳定不变；所述A/D采集电路采集的对象是脉冲信号的峰值。

6.根据权利要求1所述一种γ能谱仪，其特征在于：所述PSoC3/5资源模块包括USB、串行外设接口SPI、电压型数模转换器VDAC、电容感应Capsense、电可擦可编程只读存储器EEPROM和实时时钟RTC；USB与计算机通信进行能谱分析，SPI与SD卡通信达到能谱数据保存；VDAC控制可调高压电源模块的高压输出；Capsense组件进行触摸感应按键操作。

7.根据权利要求1所述一种γ能谱仪，其特征在于：所述稳谱处理由PSoC3/5芯片内核实现，内核对温度检测模块获取的温度和探测的γ能谱数据进行分析处理，通过内置的VDAC控制探测模块的可调高压电源模块。