基于SiPM读出的紧凑型溴化铈伽马能谱仪研制

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ψ31.4mm×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％（137Cs662keV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。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．2．1 国内外便携式伽马能谱仪现状

1．2．2 便携式伽马能谱仪局限性分析

1．3 主要研究内容和目的任务

第2章 闪烁体探测器的工作原理和类型

2．1 伽马射线与物质相互作用

2．2 闪烁体的发光原理

2．3 无机闪烁体的类型

2．3．1 卤化物闪烁体

2．3．2 铝酸盐闪烁体

2．3．3 锗(硅)酸盐闪烁体

2．3．3 钨酸盐闪烁体

2．3．4 钾冰晶石闪烁体

第3章 紧凑型伽马能谱仪系统硬件设计

3．1 总体设计

3．2 探头设计与结构

3．2．1 溴化铈闪烁体特性

3．2．2．光电转换器

3．2．3．探头的组装

3．3 硬件模块设计

3．3．1 核脉冲成形分析模块

3．3．2 系统控制模块

3．3．3 ADC数据采集与存储模块

3．3．3 低功耗电源模块

3．3．4 低功耗开关设计

第4章 紧凑型伽马能谱仪系统软件设计

4．2 Wi-Fi数据传输

4．3 手持端APP设计

4．3．1 Wi-Fi通信环节

4．3．2 通信数据校验

4．3．3 手持端软件功能设计

第5章 紧凑型伽马能谱仪系统测试

5．3 系统能量线性度测试

5．4 LaBr3与CeBr3对比

5．5 系统主要指标

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果