TWI600916B

TWI600916B - 放射線能譜分析儀簡化裝置

Info

Publication number: TWI600916B
Application number: TW105111416A
Authority: TW
Inventors: 曾訓華; 廖廷有
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-01
Also published as: TW201736866A

Description

放射線能譜分析儀簡化裝置

本發明係有關於一種放射線能譜分析儀簡化裝置，尤指涉及一種適用於廠區內外、長行程中小口徑埋設管線加馬污染調查之應用，特別係指具備內建恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊之微電腦單晶片，可對偵檢器感測加馬射線之信號脈衝，於極低功耗模式下，執行能譜分析功能，達成室溫偵檢器輻射污染核種辨識之功效者。

按，基於核反應器、高能量粒子加速器與人造放射性同位素在能源及醫工農業之廣泛利用，管路輻射污染與排放探查需求大為增加。配合工作需要，在輕便性、高靈敏度、低成本兼以常溫下長時間應用等限制，必須使用信號雜訊比較差之室溫工作型偵檢器。若搭配商業上適用於高能譜解析度要求之高精度、低雜訊脈衝處理與類比/數位轉換器（Analog-to-Digital Converter, ADC）電路與儀器設計，不僅累贅耗電，並且實用性不足。因此如何發展量產可拋棄式、價廉輕巧、低功耗、與適當精確度之快速輻射調查分析裝備，便成為影響管路輻射污染與排放探測效率之關鍵因素。至目前為止，有關放射性同位素核種檢測分析所使用之裝備，其工作原理均以偵檢器接受放射線撞擊，收集其能量吸收產生之游離電荷後，轉為高度與能量相關之脈衝，再將脈衝以主動濾波器整型為近似高斯分佈（Quasi-Gaussian Shape）之外型後，抓取其峰值維持於一低漏電率之電容上，或直接以高速趨近式類比/數位轉換器（Successive Approximation ADC），或採用定電流釋放電荷、再對釋放時間作精準計時（Wilkinson ADC）測量脈衝峰值，最後統計輻射脈衝高度分佈情形，進而判讀放射性同位素核種。在近代數位信號處理（Digital Signal Processing）晶片被引進後，脈衝整型與峰值測量改為數位運算，雖然可使系統調校與精準度控制得到大幅簡化與改良，但仍須高速之快閃（flash）類比/數位轉換器對脈衝密集取樣與大量運算，並未減輕硬體複雜度及成本負擔。採用液態氮冷卻之鍺或矽偵檢器解析度高，但靈敏度較低，進入穩定工作狀態十分耗時費力；電路設計方面，則需經精確校調之低雜訊前置放大器、整型放大器、高速類比/數位轉換器等稀有精密電子裝備，鮮少應用近代化量產低成本、高密度、高速之數位積體電路功能，不但成本驚人，更具有可攜性差、電源要求嚴酷、組裝麻煩、及不易保持良好狀況之特性，使高能譜解析度偵檢器應用領域，局限於環境良好之實驗室，以固定之高級裝備使用，並不適用於廠區內外埋設管路輻射污染調查之機動應用。由於目前之類比/數位轉換器峰值分析概念，設計輕巧省電雙輸入通道高速脈衝分析晶片，如第５圖所示之傳統類比/數位轉換器峰值分析概念，其基本工作原理建立在脈衝峰值大小與能量成直線比例關係之特性上，仰賴高速之快閃類比/數位轉換器對脈衝密集取樣與大量運算作為能譜分析儀器數位化之前提，並無場域可編程邏輯閘陣列（Field Programming Gate Array, FPGA）之適用餘地，其硬體複雜度及成本負擔與室溫偵檢器低廉特性，顯不相稱。本案申請人既有以高頻時序計數工作為主之脈寬分析專利如第６圖所示（中華民國發明專利第I467925號），其重點為利用寬度大小與脈衝峰值或能量呈現對數比例關係，基於室溫偵檢器能譜解析度要求低，利用該關係再加上通道查表對應能量技巧，同樣可能建立與傳統類比/數位轉換器之峰值分析相似之能譜分析儀，不但省除類比/數位轉換器在峰值分析時所需之複雜前置脈衝整型電路，且極適於數位積體電路應用之發揮，大幅降低了設計上硬體質量與成本之門檻。此外，適合陣列偵檢系統，多通道脈衝輸入之時序計數供應高靈敏度4π活度測量所常利用之多能譜，符合/反符合同時計測功能，更是傳統類比/數位轉換器能譜分析儀硬體設計難以望其項背之功能。然而，本案申請人已提出之專利（中華民國發明專利第087115號、I321221號、I467925號）以高頻時序脈衝寬度計數工作方式，需與上百兆赫茲（MHz）可調精準時鐘與高速計數器搭配使用，通常需採取高頻現場可編程積體電路之現場可編程邏輯閘陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）特殊設計做為解決方案，並無一旦面臨消耗型之應用，如廠區長程中小口徑埋設管線輻射污染調查，因此在體積、成本與耗電上仍欠理想。鑑於核能電廠除役作業，所面臨之傳統核種能譜分析儀器在價格、體積及功耗皆難以適用於廠區內外、長行程中小口徑埋設管線加馬污染調查問題，故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種運用可大量供應之廉價、做為觸控驅動應用之微電腦單晶片，以其內建恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊取代高頻精準時鐘，對偵檢器感測加馬射線之信號脈衝，於極低功耗模式下，執行能譜分析功能，達成室溫偵檢器輻射污染核種辨識之功效，可適用於廠區內外、長行程中小口徑埋設管線加馬污染調查應用之放射線能譜分析儀簡化裝置。為達以上之目的，本發明係一種放射線能譜分析儀簡化裝置，係包括：一偵檢器，用以吸收放射線粒子以產生一信號脈衝；一信號轉換器，係與該偵檢器連接，用以將該信號脈衝經過鑑別放大電路，轉換成一數位脈衝；以及一微電腦單晶片，係與該信號轉換器連接，其包含一恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊、一與該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊連接之統計分析單元、及一與該統計分析單元連接之資料輸出單元，用以在極低功耗模式下，測量該數位脈衝之雙通道信號脈寬分析統計與脈衝自由計數，以產生一雙隨機記憶體能譜與脈衝計數資訊。於本發明上述實施例中，該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊係為一充電時間測量單元（Charge Time Measurement Unit, CTMU）電路。於本發明上述實施例中，該資料輸出單元係包括複數高速USB傳輸界面、複數微型SD界面、及複數RS232界面。於本發明上述實施例中，該複數高速USB傳輸界面用以作為連接至一外部擴充記憶體之界面。於本發明上述實施例中，該複數微型SD界面用以作為連接至一內建擴充記憶體、一外部擴充記憶體與一系統擴充記憶體之一者之界面。於本發明上述實施例中，該複數RS232界面用以進行除錯與有線資料傳輸。於本發明上述實施例中，該雙通道信號係可來自同樣之偵檢器、或不同之偵檢器感測不同放射線所產出者。於本發明上述實施例中，該微電腦單晶片係工作於一小於1MHz之低頻時脈。於本發明上述實施例中，該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊具有一電容、一恆定電流源、及一類比數位轉換單元（Analog-to-Digital Converter, ADC）。於本發明上述實施例中，該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊係根據數位脈衝變化輸入，做為啟動與停止該恆定電流源對該類比數位轉換單元輸入端之電容充電條件，並待充電停止後由該類比數位轉換單元對該電容上電壓進行測量，以獲得時序測量。

請參閱『第１圖～第４圖』所示，係分別為本發明放射線能譜分析儀簡化裝置之組成方塊示意圖、本發明恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊之硬體架構示意圖、本發明之微電腦單晶片做為核種能譜分析模組實施例示意圖、及本發明雙通道脈寬核種能譜分析模組實施例之校測結果示意圖。如圖所示：本發明係一種放射線能譜分析儀簡化裝置，係包括一偵檢器１、一信號轉換器２、及一微電腦單晶片３所構成。上述所提之偵檢器１用以吸收放射線粒子以產生一信號脈衝。該信號轉換器２係與該偵檢器１連接，用以將該信號脈衝直接經過鑑別放大電路，轉換成一數位邏輯脈衝。該微電腦單晶片３係與該信號轉換器２連接，其包含一恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊３１、一與該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊３１連接之統計分析單元３２、及一與該統計分析單元３２連接之資料輸出單元３３，用以在極低功耗模式下，測量該數位邏輯脈衝之雙通道信號脈寬分析統計與脈衝自由計數，以產生一雙隨機記憶體能譜與脈衝計數資訊；其中，該雙通道信號係可來自同樣之偵檢器、或不同之偵檢器感測不同放射線所產出者。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之放射線能譜分析儀簡化裝置。本發明所採用之恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊３１，係一種無時鐘脈衝時序測量方法，其硬體設計架構如第２圖所示。其具有一電容３１１、一恆定電流源３１２、及一類比數位轉換單元（Analog-to-Digital Converter, ADC）３１３。由所需量測之數位邏輯脈衝信號變化輸入，做為啟動與停止該恆定電流源３１２對該類比數位轉換單元３１３輸入端之電容３１１充電條件。待充電停止後，可由該類比數位轉換單元３１３對該電容３１１上電壓之測量，獲得時序測量之效果。上述恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊３１係為一充電時間測量單元（Charge Time Measurement Unit, CTMU）電路，供充電用之恆定電流，可以應用指令在100:1之範圍內連續調整，而其類比數位轉換單元３１３解析度為10位元（bit），即1024:1。因此，使本發明在做為脈衝寬度分析用時，無需像本案申請人既有專利提高時序脈衝頻率，即可透過恆定電流調整，達到解析度最佳化之目的。當引用做為脈衝寬度分析時，ADC計測、電荷洩放、數據分析與統計存儲，完全交由該微電腦單晶片３執行。因此，在訴求低頻時脈工作（＜1MHz）以降低耗電之條件時，脈衝處理效率最快約20,000次/秒。對於中小口徑管線污染調查應用，因偵檢頭體積受限，背景脈衝率通常低於20次/秒，故實用性匹配。在使用採用脈衝時域分析晶片作單通道脈衝能譜計測時，亦可使用簡單邏輯閘，利用另一通道參考脈衝與信號脈衝比較，產生符合與反符合邏輯，控制脈衝能譜計測開關。例如，使用兩通道偵檢器輻射脈衝信號，同時產生符合與反符合能譜，可以大幅降低背景輻射干擾，提昇輻射能譜調查分析準確度。於一具體實施例中，使用具備內建恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊３１之微電腦單晶片３，做為核種能譜分析模組實施例，如第３圖所示。當運用時，可將需要執行脈寬分析之不同來源之信號脈衝自CTEDG1,2輸入（由恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊３１外緣輸入），當恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊３１使用55uA固定電流源與2.75V做為10bit類比數位轉換單元之參考電壓（V _ref）。如此之下，類比數位轉換單元可測量之脈衝寬度上限T _max(nsec)與AN#輸入電容C _in(pF)相關性約為：T _max= 50 x C _in(nsec)。一般而言，AN#本底輸入電容約為30pF，因此本發明使用之CTMU脈寬測量模組，與ADC對應關係，最精密時是0～1024 全ADC跨距對應至0～1500 nsec脈寬。AN#併聯30pF後，測量範圍0～3000 nsec脈寬；併聯60pF後，測量範圍0～4500 nsec脈寬，依此類推。本發明使用具備內建恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊之微電腦單晶片之額外優勢，在於可以運用其功能齊備之週邊資料輸出單元３３，如第３圖所示，包括複數用以作為連接至一外部擴充記憶體之高速USB傳輸界面３３１、複數用以作為連接至一內建擴充記憶體、一外部擴充記憶體與一系統擴充記憶體之一者之微型SD界面３３２、及複數用以進行除錯與有線資料傳輸之RS232界面３３３。藉此配置高容量微型SD記憶卡４、高速USB連接器５與RS232收發器６，將長時間實施核種能譜分析之結果，自動儲存供事後離線讀取分析。藉此項功能，使得在實施長程埋設管線放射性污染調查上，極具實用性。第４圖所示為雙通道寬/窄程脈衝脈寬核種能譜分析模組實施例之校測結果。以恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊之恆定電流源=55uA，電流源數值微調=0%，寬/窄程通道脈寬測量時間=60秒，類比數位轉換放電時間=50uSec，寬程脈衝類比數位轉換通道電容=100pF，窄程脈衝類比數位轉換通道電容=25pF，寬/窄程脈衝信號頻率10KHz，負脈波寬度=2uSec，對控制器分別做被動模式及主動模式測量。測量結果，寬程脈寬位置約為類比數位轉換數值297，窄程脈寬位置約為類比數位轉換數值808，寬程脈高計數值298921，窄程脈高計數值166321。與饋入信號脈衝總數300K相較，寬/窄程脈衝計數損失比例各為1%與45%，二者差別源於程式設計，微電腦單晶片寬程優先處理，轉換至窄程類比數位轉換與信號統計分析副程式指令，增加耗時，所導致之損失。本發明延用本案申請人既有專利，以脈衝時域分析取代傳統之類比數位轉換峰值分析概念。主要運用可大量供應之廉價、做為觸控驅動應用之微電腦單晶片，以其內建恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊取代高頻精準時鐘，對偵檢器感測加馬射線之信號脈衝，於極低功耗模式下，執行能譜分析功能，達成室溫偵檢器輻射污染核種辨識之功效，可適用於廠區內外、長行程中小口徑埋設管線加馬污染調查之應用。綜上所述，本發明係一種放射線能譜分析儀簡化裝置，可有效改善習用之種種缺點，具備內建恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊之微電腦單晶片，可對偵檢器感測加馬射線之信號脈衝，於極低功耗模式下，執行能譜分析功能，達成室溫偵檢器輻射污染核種辨識之功效，可適用於廠區內外、長行程中小口徑埋設管線加馬污染調查之應用，進而使本發明之□生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧偵檢器
2‧‧‧信號轉換器
3‧‧‧微電腦單晶片
31‧‧‧恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊
311‧‧‧電容
312‧‧‧恆定電流源
313‧‧‧類比數位轉換單元
32‧‧‧統計分析單元
33‧‧‧資料輸出單元
331‧‧‧高速USB傳輸界面
332‧‧‧微型SD界面
333‧‧‧RS232界面
4‧‧‧微型SD記憶卡
5‧‧‧USB連接器
6‧‧‧RS232收發器

第１圖，係本發明放射線能譜分析儀簡化裝置之組成方塊示意圖。第２圖，係本發明恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊之硬體架構示意圖。第３圖，係本發明之微電腦單晶片做為核種能譜分析模組實施例示意圖。第４圖，係本發明雙通道脈寬核種能譜分析模組實施例之校測結果示意圖。第５圖，係先前技術中類比數位轉換器分析脈衝峰值與能量之關係示意圖。第６圖，係先前技術應用脈寬分析法之脈衝寬度與脈衝峰值或能量之關係示意圖。

1‧‧‧偵檢器

2‧‧‧信號轉換器

3‧‧‧微電腦單晶片

31‧‧‧恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊

32‧‧‧統計分析單元

33‧‧‧資料輸出單元

Claims

一種放射線能譜分析儀簡化裝置，係包括：一偵檢器，用以吸收放射線粒子以產生一信號脈衝；一信號轉換器，係與該偵檢器連接，用以將該信號脈衝經過鑑別放大電路，轉換成一數位脈衝；以及一微電腦單晶片，係與該信號轉換器連接，其包含一恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊、一與該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊連接之統計分析單元、及一與該統計分析單元連接之資料輸出單元，用以在極低功耗模式下，測量該數位脈衝之雙通道信號脈寬分析統計與脈衝自由計數，以產生一雙隨機記憶體能譜與脈衝計數資訊。
依申請專利範圍第１項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊係為一充電時間測量單元（Charge Time Measurement Unit, CTMU）電路。
依申請專利範圍第１項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該資料輸出單元係包括複數高速USB傳輸界面、複數微型SD界面、及複數RS232界面。
依申請專利範圍第３項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該複數高速USB傳輸界面用以作為連接至一外部擴充記憶體之界面。
依申請專利範圍第３項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該複數微型SD界面用以作為連接至一內建擴充記憶體、一外部擴充記憶體與一系統擴充記憶體之一者之界面。
依申請專利範圍第３項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該複數RS232界面用以進行除錯與有線資料傳輸。
依申請專利範圍第１項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該雙通道信號係可來自同樣之偵檢器、或不同之偵檢器感測不同放射線所產出者。
依申請專利範圍第１項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該微電腦單晶片係工作於一小於1MHz之低頻時脈。
依申請專利範圍第１項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊具有一電容、一恆定電流源、及一類比數位轉換單元（Analog-to-Digital Converter, ADC）。
依申請專利範圍第９項所述之放射線能譜分析儀簡化裝置，其中，該恆定電流脈衝充電電壓計讀模塊係根據數位脈衝變化輸入，做為啟動與停止該恆定電流源對該類比數位轉換單元輸入端之電容充電條件，並待充電停止後由該類比數位轉換單元對該電容上電壓進行測量，以獲得時序測量。