低本底α、β能谱测量系统研究

摘要

随着国民经济水平的不断发展，人们越来越注重绿色，环保，可持续发展的生活理念。而在2011年日本福岛事件发生后，放射性射线对环境和人体造成的损伤引起了国民的高度关注。而在环境中存在的低浓度队β射线，基于其易被吸收并在人体内发生电离后会对人体器官造成不可逆转的损伤等特性，国家相关部门对低浓度α、β进行及时监测以保障国民的生活安全高度重视。目前全世界对低浓度α、β的探测都处于初期研究阶段。在中国电子学，计算机技术的快速发展的基本国情基础上，自主设计一款高效精确的低本底α、β测量仪刻不容缓。
　　因此，论文自主设计了一款由PIPS阵列探测器、前置放大器、多通道数据采集板、高低压电源、真空系统、仪器机箱以及上位机数据处理软件等部件组成的低本底α、β测量系统。其中PIPS阵列探测器虽对高能γ射线测量无响应，但对低能γ射线却会产生响应。由于低能γ的响应结果和β响应结果十分接近，测量结果难以分开，因此论文主要以低能γ射线与β射线可以通过反符合进行γ本底扣除的理论为指导，进行了具体的展开。
　　其中PIPS阵列探测器采用5个探测性能一致、有效探测直径为Φ35的国产探测器并列而成，每个PIPS探测器的探测性能不低于同等尺寸的国外PIPS探测器。前置放大器采用晶体管+运算放大器的结构，简化了传统前置放大器的电路设计，使系统更为简单稳定。
　　多通道数据采集板采用高速ADC+FPGA+ARM的结构。为了满足设计需求，论文采用两片由ADI推出的AD9633-80，其中每片含4个模拟输入通道，每通道最高采样率为80MHz，每通道垂直分辨率达12位。FPGA采用xilinx公司推出SpartanTM-3E系列低引脚数的XC3S500E，其内逻辑资源高达50万门，可用片内RAM资源高达368640bit。ARM为意法半导体公司推出的STM32F103系列单片机，内部功能及外设接口丰富，调试设备齐全，极大简化了课题研发难度。FPGA与ARM之间采用高速SPI总线接口，通信速率达到9Mbps，使FPGA与ARM之间的通信相较于传统的串口通信更加稳定快速。
　　在数字信号处理算法中，论文引入了C-R电路与R-C电路的逆变换模型，有效地对原始脉冲进行形状恢复处理，恢复后的脉冲经梯形脉冲成形后输出梯形脉冲的前沿更好，平顶更平直，得到的脉冲幅度值更加准确。
　　高压电源模块采用TI的外部开关驱动的高效低侧控制器LM3017，其输入电压范围为5V～18V，电源接口通用。高压电源模块在不带负载的条件下输出纹波仅7mV，接上负载后纹波仅28mV，满足高压供电需求。上位机与数据采集板采用工业控制总线CAN总线，通信速度高达1Mbps，自带硬件CRC校验保证了数据传输的可靠性。上位机软件基于VS2013开发平台，采用C＃语言开发，图形界面优美，人机交互简单快捷。在软硬件配合下，基本实现了低本底α、β能谱测量。
　　测试结果表明，课题研制的本浓度α、β能谱仪能够正常获取五个PIPS探测器的原始能谱以及四个主通道对应的反符合谱。在测量自制大面积表面源，常压，测量时间为1022秒时，PIPS1通道的总计为245943，与其反符合通道总计数差为932，即对应的反符合比为0.39％;PIPS2通道的总计为210629，与其反符合通道总计数差为850，即对应的反符合比为0.40％;PIPS3通道的总计为234210，与其反符合通道总计数差为916，即对应的反符合比为0.39％;PIPS4通道的总计为161505，与其反符合通道总计数差为737，即对应的反符合比为0.46％。可以看出四个主通道与反符合通道的反符合比基本一致。因此课题成功研制的低本底α、β能谱仪将可有效的用于实际应用。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题研究背景

1．2 低本底α、β射线测量系统国内外研究近况

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文结构安排

第2章 射线监测的理论和设计方案

2．1．4 α、β射线的甄别方法

2．2 本底来源和降低本底的方法

2．3 探测器选择

2．4 系统结构和方案

2．4．1 系统描述

2．4．2 结构设计

第3章 硬件设计

3．1 测量腔室

3．1．1 测量腔室整体结构

3．1．2 真空泵选型

3．1．3 腔室密封方案

3．2 前放

3．2．1 前置放大器简介

3．2．2 前放电路仿真

3．2．3 前放屏蔽

3．3 信号调理电路设计

3．3．1 主放

3．3．2 模拟基线

3．3．3 单端信号转差分信号

3．3．4 多通道高速ADC模拟部分

3．3．5 等效信号增益可调

3．4 数字电路设计

3．4．1 LVDS通信协议

3．4．2 多通道高速ADC数字部分

3．4．3 FPGA电路设计

3．4．4 MCU电路设计

3．4．5 CAN通信电路设计

3．5 电源系统设计

3．5．1 电源系统框图

3．5．2 低噪声模拟电源设计

3．5．3 ADC电源电路

3．5．4 精密基准源电路

3．5．5 FPGA与MCU电源配置

第4章 软件设计

4．1 FPGA核心算法设计

4．1．1 FPGA总体逻辑框图

4．1．2 ADC数据采集处理

4．1．3 核脉冲信号

4．1．4 数字基线计算

4．1．5 信号恢复算法研究

4．1．6 核脉信号数字滤波

4．1．7 信号识别与幅度提取

4．1．8 能谱统计

4．1．9 反符合算法

4．1．10 FPGA与MCU通信接口设计

4．2 MCU控制程序设计

4．2．1 MCU总体逻辑框图

4．2．2 基于ARM的双SPI通信接口设计

4．2．3 基于ARM的CAN通信接口设计

4．2．4 模拟电路基线控制

4．2．5 模拟电路等效增益调节

4．2．6 高速ADC数据采集寄存器配置

4．2．7 MCU数据交换状态机

4．3 PC软件程序设计

4．3．1 软件需求分析

4．3．2 底层通信协议

4．3．3 软件功能描述

4．3．4 基本算法实现

第5章 功能模块测试与验证

5．1 核脉冲信号测试

5．1．1 高压性能测试

5．1．2 前放信号输出测试

5．1．3 多通道符合信号测试

5．2 信号调理部分测试

5．2．1 低压正负电源测试

5．2．2 主放信号输出测试

5．2．3 多通道模拟基线调节测试

5．2．4 单端信号转差分信号测试

5．3 多通道数字采集测试

5．3．1 多通道原始脉冲读取测试

5．3．2 下冲信号恢复测试

5．3．3 脉冲信号前沿恢复测试

5．3．4 多通道滤波脉冲读取测试

5．3．5 多通道能谱采集测试

5．3．6 多通道性能参数一致性调节

5．3．7 多通道本底测能谱测量

5．3．8 多通道反符合测量

5．3．9 多通道反符合本底能谱测量

第6章 系统测试

6．1 校准条件

6．2 校准结果

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录