便携式食品放射性污染探测系统设计

发布时间：2020-11-03 20:52

　　 从1896年法国物理学家贝克勒尔发现天然放射现象以来,核科学技术已经在军事、能源、医疗、工业、农业等领域得到了广泛的应用。随着核科学技术造福人类的同时,核事故频繁发生,核恐怖主义笼罩世界,给人们带来了巨大的核恐慌。在核辐射突发事件发生时,核污染可通过水、空气等媒介进行传播,残留时间长且难以完全消除,不仅会对人类生命、健康造成直接伤害,而且会对周遭的土壤、水源和空气造成严重的污染,进而对国家或地区的食品安全形成巨大威胁。加强核事故区域食品放射性检测是确保人员健康、保持社会稳定、防止恐慌性食品抢购、防止人员恐慌性迁徙的重要工作。针对上述问题,本文在已有的研究基础上,依托科技部重大仪器专项,围绕核与辐射突发事件后,受污染食品的γ放射性活度检测为核心,开展了γ能谱测量和活度计算的研究,设计了核应急食品放射性污染探测系统。本文主要研究内容及成果如下:1)结合γ能谱的测量原理,深入研究γ射线探测、核信号采集、能谱成形、能谱传输、能谱分析、能量和效率刻度和活度计算等关键技术,提出了一体化的设计方案,设计了核应急食品放射性污染探测系统。2)设计了γ能谱测量的硬件电路,选用探测效率高、能量分辨率较好、使用方便的碘化钠探测器对受污染食品发出的γ射线进行探测,经过前置放大,信号调理,程控放大和抗混叠滤波后,经高速ADC进行采样,采用XILINX公司的Spartan 3E系列FPGA作为主控芯片,SPI总线方式进行通信,完成了对核信号的采集和传输。其中,对FPGA进行内部硬件电路开发,设计了信号采集电路、数字化脉冲峰值甄别电路、能谱成形电路、SPI读写控制电路、通信控制电路,实现了核脉冲信号到能谱的处理。3)设计了γ活度计算的硬件和软件,采用基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核的STM32F103VCT6作为主控芯片。制订了STM32和FPGA的通信协议,实现了STM32和FPGA的通信、能谱数据的实时传输。PC经串口从STM32读取谱数据,然后向STM32写入能量刻度值和效率刻度值。将从FPGA读取的能谱数据经过谱光滑模块、峰值提取及峰边界确定模块、核素识别模块、净峰面积及活度计算模块后,将活度在TFT320240的液晶屏上显示。4)系统测试,对前置放大器、主放大器和程控放大器等各级信号调理电路的模拟核信号进行测试,验证各级模拟电路是否正常工作。通过ChipScopePro逻辑分析仪实时显示ADC采集的核脉冲信号、脉冲峰值甄别模块输出的脉冲峰值信号、能谱成形模块的谱数据,保证了FPGA内部硬件电路的稳定性。STM32从FPGA读取的能谱数据进行液晶显示,确保通信模块正常工作。在此基础上开展实验研究,对Cs-137放射源进行测量,表明系统能够用于核应急食品放射性污染的探测。本文主要开展了核应急食品放射性污染探测系统的软、硬件研制工作,在设计和研发中不断创新,最终完成了核应急食品放射性污染探测系统设计,性能测试和初步实验表明,系统各项指标达到了预期设计目标。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL81
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 选题背景和意义
    1.2 国内外研究情况
    1.3 研究内容
    1.4 论文章节安排
第2章 系统总体方案设计
    2.1 食品放射性污染快速检测原理
    2.2 技术方案
        2.2.1 γ 能谱测量单元
        2.2.2 γ 活度检测单元
第3章 系统硬件电路设计
    3.1 电源电路
    3.2 碘化钠探测器及其前置放大器
    3.3 信号调理电路
    3.4 程控放大电路
    3.5 抗混叠滤波器
    3.6 ADC信号采样电路
    3.7 FPGA信号处理电路
    3.8 STM32信号处理电路
    3.9 串行通信接
第4章 数字化γ能谱测量单元设计
    4.1 FPGA内部硬件电路结构
    4.2 ADC读写控制模块
    4.3 数字化脉冲峰值甄别模块
    4.4 多道脉冲计数模块
    4.5 SPI通信模块
    4.6 通信协议
    4.7 数字时钟管理器
第5章 嵌入式γ活度检测单元设计
    5.1 时钟配置和GPIO 口配置
    5.2 SPI数据传输
    5.3 STM32通信协议
    5.4 能量刻度和效率刻度
    5.5 能谱数据光滑
    5.6 净峰面积计算
    5.7 核素识别
    5.8 活度
    5.9 液晶显示
        5.9.1 TFT彩屏的基础知识
        5.9.2 TFT彩屏接口函数
        5.9.3 TFT彩屏GUI函数
第6章 系统测试
    6.1 硬件电路测试
        6.1.1 前置放大器输出信号
        6.1.2 主放大器输出信号
        6.1.3 程控放大器测试
        6.1.4 FPGA读取ADC输出数字信号
        6.1.5 脉冲幅度甄别模块输出信号
        6.1.6 多道计数模块输出信号
    6.2 实验测试
结论
致谢
参考文献
攻读学位期间取得学术成果

【参考文献】

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本文编号：2869084