基于SiPM读出的紧凑型溴化铈伽马能谱仪研制

发布时间：2020-06-02 17:51

【摘要】：基于电子行业集成化、模块化的有效进展,仪器的小型紧凑也成为趋势。伽马能谱仪在体积上缩小能够减轻工作人员尤其是环境辐射检测人员的负重,为高效工作助力。目前常见的便携式伽马能谱仪主要应用碘化钠闪烁体探测器,但碘化钠闪烁体的能量分辨率较差,对射线能谱的分辨能力和核素识别能力较弱。针对当前传统伽马能谱仪在实际应用中体积过大不方便携带、数据不能及时传输等不足。本文从提高探测效率、缩小仪器体积、低功耗设计、方便实时测量与观察能谱等方面研制更适用于携带的紧凑型伽马能谱仪。该论文来源于国家重点研发计划项目“高分辨率航空伽玛能谱测量及机载成像光谱测量技术”(课题编号:2017YFC0602100)和国家自然科学基金项目“核脉冲信号链的数学构建与高速实时数字重构技术研究”(课题编号:41474159)。本文研制的紧凑型伽马能谱仪主要研究内容和成果如下:1、探头设计:在便携式伽马能谱仪调研基础上,开展一种紧凑型伽马能谱仪的设计,选用新型无机闪烁体溴化铈代替传统碘化钠闪烁体,提高探测器能量分辨能力;采用硅光电倍增管代替传统真空光电倍增管,缩小探测器体积,其不到30V的偏置电源,显著降低了电源功耗,同时还增加了耐冲击力和抗磁场干扰能力。2、硬件设计:设计了模拟电路的快、慢两个通道的滤波成形与微分成形电路,慢通道实现滤波展宽与降噪,快通道用于实现脉冲整形与粒子事件到达时刻信息提取;采用8Msps模数转换器与STM32微控制器实现对于核脉冲信号的峰值采样与估计,从而实现了一款低功耗小体积一体化的多道脉冲幅度分析器。3、软件设计:软件设计包括探测器控制端的数据传输、存储与发送部分和手持端的数据接收与计算、显示部分。探测器控制端采用STM32的DMA通道方式传输外部8Msps并行ADC采集来的数据,让微控制器的CPU将数据采集传输工作托管给DMA控制器,大大降低了对于CPU的时间占用,提高了系统响应时间与工作效率。能谱仪采用微功耗Wi-Fi芯片实现与手机的数据通信,开发了安卓手机APP,实现方便快捷的实时能谱观测、剂量当量和核素识别的功能,实现良好的人机交互。4、整机结构:采用小尺寸探测器、紧凑的电路板设计、纽扣电池和小型Wi-Fi模块,实现紧凑型伽马能谱仪的小体积,达到φ31.4mm×72.5mm,整机重量92.6g。同时从硬件低功耗器件的选择到软件采取省电模式等多方面实现紧凑型伽马能谱仪的低功耗,整机功耗仅为296.57mW。5、整机测试及功能特点:经测试,紧凑型伽马能谱仪能量分辨率达到5.2%(~(137)Cs 662keV能量伽马射线),具有能谱测量、剂量当量率显示、核素识别的功能,同时在功耗的降低和体积的减小方面做到了较大程度的提升,方便人机交互,取得较为理想的效果达成设计初衷。
【图文】：

第 1 章 引言3了SIGMA紧凑CsI闪烁光谱仪，如图1-2(b)所示。（a） (b)图1-2 (a) GR1 CZT探测器 (b) SIGMA紧凑CsI闪烁光谱仪该产品做到小体积（35×35×105mm）的主要原因是使用了目前备受关注的硅光电倍增管（SiPM）与CsI组合。它内部还集成了高压、增益电路、嵌入式MCA和迷你USB连接器。整个仪器非常小巧，重量也仅有200g。分辨率优于7.2%（@662keV），USB不仅用于连接PC使用配套软件进行光谱分析，同时USB还用来为整机供电，功率最大只有250mW（MIRION, 2018）。伴随国内在生长闪烁体工艺上的进步，比如北京玻璃研究院和上海硅酸盐研究所生长的闪烁体都实现了出口。目前我国在迎来核电发展黄金期的同时也不断研制便携式伽马能谱仪实现国产化（曾国强 等, 2016）。其中上海新漫公司生产的 SIMMAX G1110 是一款多功能便携式伽马能谱仪。集剂量率测量、确定放射源位置、核素识别和能谱分析于一体，使用 NaI(Tl)闪烁体的同时可以选配 LiI(Eu)闪烁体，实现中子和伽马射线的同时探测。该仪器重量大约 2.4kg

体积（35×35×105mm）的主要原因是使用PM）与CsI组合。它内部还集成了高压、增益。整个仪器非常小巧，重量也仅有200gB不仅用于连接PC使用配套软件进行光谱分率最大只有250mW（MIRION, 2018）。长闪烁体工艺上的进步，比如北京玻璃研究都实现了出口。目前我国在迎来核电发展黄谱仪实现国产化（曾国强 等, 2016）。其中10 是一款多功能便携式伽马能谱仪。集剂量和能谱分析于一体，，使用 NaI(Tl)闪烁体的同子和伽马射线的同时探测。该仪器重量能量分辨率达到 6.8%（137Cs 662keV），外测器一体。内置充电锂电池，可连续工作
【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】：TL817.2

【参考文献】

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本文编号：2693544