基于LASO探测器的数字化能谱仪的研制

发布时间：2020-06-03 19:17

【摘要】：当今世界,核科学与技术在众多行业领域内都得到了广泛地应用,比如医学领域,物理学领域,农业领域,工业领域,环境科学,海关安检等。虽然核技术的应用能够造福于世界,但是也给世界造成了一些威胁,其中放射性核材料的非法转移以及核事故的发生,对海关安检和核电站提出了种种挑战。因此,论文研制一种能在混合场中测量中子/γ能谱的便携式LASO探测器数字化谱仪,能够对复杂放射性材料进行监测,可用于海关和过境物品的检测,亦可检测核电站放射性物质异常泄露。目前在国内,实现同时对中子和γ进行探测主要采用的是双探头技术,即采用中子探测器和γ探测器分别探测中子和γ射线。但这样既增加了系统的体积与重量,又增加了系统成本与电路设计的复杂性。因此,论文提出了一种基于LASO闪烁体探测器的单探头技术,再结合能谱仪数字化处理技术来实现中子-γ的混合场测量。论文首先对比了单探测器技术和双探测器技术优缺点,提出了一种能在混合场中测量中子/γ能谱的单探头数字化谱仪的设计方案;然后,重点阐述了系统设计的技术要点,能谱系统设计包括硬件系统,甄别算法,软件系统的设计。能谱仪硬件系统包括电源电路,高压电路,滤波电路,信号调理电路,高速ADC采集电路,FPGA信号处理电路,通信电路,以及MCU主控电路。可实现对探测器信号的调理,采集,处理,存储,显示,传输等功能。其中,高压电路和电源电路具有结构简单,电压输出可调,体积较小,噪声低,成本低等优点。LRC滤波电路对直流电压中噪声和纹波都具有较好的滤波效果;针对中子和γ射线测量过程中的相互干扰,研究了中子-γ甄别算法。对各甄别方法的原理及特点进行了阐述,并选择实用和简单的幅度甄别方法;最后设计了基于μC/OS-Ⅱ多任务实时操作系统软件和用户界面层。将μC/OS-Ⅱ操作系统移植到ARM控制器上,通过编写多任务软件功能层,可实现数据采集,处理,存储,传输,能谱显示等多种功能。引入μC/OS-Ⅱ操作系统使能谱仪软件运行更加稳定,并更易开发。在整套系统设计完成后,论文对数字化谱仪实物进行了展示和介绍,包括电源高压板,数字化多道板,主控板以及仪器内部的结构图。然后对部分硬件电路进行了测试,其中高压电路和电源电路输出电压达到预期设计的目标,滤波电路对降低高压电路和电源电路输出电压的噪声纹波取得了较好的效果。LASO探测器探测Cs源产生的γ射线时,脉冲信号输出正常,经过信号调理电路后,可输出满足设计要求的脉冲波形。最后在含有中子和γ射线的混合场中测试,通过对测试结果分析可知,论文设计的基于LASO探测器的数字化能谱仪能够实现中子/γ射线的甄别以及能谱测量。
【图文】：

框图,系统总体方案,能谱仪,框图

第 2 章总体方案设计与中子探测2.1 总体方案设计基于 LASO 探测器的数字化能谱仪总体方案设计包括了硬件设计与软件设计。硬件设计中包括高压电路，滤波电路，电源电路，数字增益控制电路，信号调理电路，高速 ADC 数据采集电路，FPGA 信号处理及通信电路，MCU 主控电路。软件设计包括了中子-γ 甄别算法和 μC/OS-II 实时操作系统移植及应用程序的编写。通过系统总体方案设计可实现中子-γ 信号的探测，调理，采集，处理，通信，存储，显示，传输等主要功能。具体系统总体方案设计方案框图如下所示：

示意图,中子管,基本结构,示意图

Au,Dy，所需反应面积由测试对象决定，，主要用时间法样的中子在飞越相同路径时，由于飞行速度的不一，只需要计算中子的飞行时间就可以测出它的能量子和快中子的能量。测器原理将中子探测器可分为气体探测器、闪烁体探测探测器器一般包括电离室、正比计数器和 G-M 管。探测媒也雷同，以3He 中子管的结构为例，如下图 2-2 所
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH3

【参考文献】