车载γ能谱仪的硬件系统设计

摘要

随着中国核电事业的快速发展及环境保护日益受到重视，环境放射性检测需要一种快速、高灵敏度的测量手段。近年来，车载伽玛能谱测量技术发展成为辐射环境污染调查与评价（如估算陆地伽玛空气吸收剂量率）、核设施监测、核事故应急事件监测、反核恐怖袭击应急监测以及周边国家核试验引起的核污染监测的主要支撑技术。
　　本论文选题来自于国家自然科学基金项目“地球和月球表面诱发伽玛辐射场及其地质响应研究”（项目编号:41374136）和国家863计划课题“高精度能谱探测仪器研发”（课题编号:2012AA061803）。针对我国辐射环境监测、核应急、放射性地球勘查等特殊应用要求，开展车载伽马能谱仪的研发。本文首先介绍了车载伽马能谱仪的整体结构，对伽马射线探测器和多道脉冲幅度分析器的选择进行了分析和讨论，设计了车载γ能谱仪的电源电路、主控制器电路、通信电路等硬件系统，以及主控制器程序代码、测量控制、数据缓存与传输等功能程序设计。论文的主要研究工作与研究成果如下:
　　1.实现了针对多个大体积NaI(Tl)探测器的信号读出与能谱采集功能，并基于CAN总线实现多路能谱采集器之间的总线组网功能。
　　2.为实现车载γ能谱仪的自动站及移动巡测工作模式，系统应能满足汽车电源功能及自供电两种要求。为此本系统内置了12V，80AH的大容量锂电池组，并设计了多路供电及充电通道，实现对不同电源电压、不同接口模式的自动调节与切换，从而实现稳定的能谱仪供电设计。为满足车载γ能谱仪长时间野外工作要求，本文还设计了500W的DC/AC逆变电源从而可为系统中军用笔记本电脑充电，实现长续航连续测量。
　　3.为保证能谱采集与处理分析的时间性，主控系统采用Cortex-M4内核，180MHz频率，32位RISC架构的STM32F429IG，外部扩展64MB的SDRAM用于数据缓存。为保证剂量填图与GIS剂量轨迹图的质量，采用了BD910高精度差分GPS接收器，定位精度0.5m(SBAS)、0.25m(DGNSS)、0.008m(Single Baseline RTK)，具备20Hz定位信息输出，配备了40dB高增益天线，方向图波束宽，低仰角信号接收效果优异，可保证在遮挡严重的场合仍能正常搜星。
　　4.系统设计了可针对10条能谱探测器的CAN总线通信电路。设计了预传输命令，消除了因数据通信耗时带来的多条能谱探测器采样时间不同步的问题。为提高系统通信可靠性与便利性，能谱仪主控系统与军用笔记本之间可通过WiFi、串口及以太网三种方式并行传输，并设定优先级，实现自动切换。能谱仪系统采用3G通信技术实现车载系统测量数据与远程本地数据中心之间的数据交互。
　　5.本系统结合GIS地理信息与测量能谱数据实现了色差能谱图、剂量轨迹地图及剂量填图。在色差能谱图中可以通过色差快速发现放射性异常并实现核素快速识别与活度计算;本系统可自动根据能谱转换为剂量，并结合车载的测量轨迹绘制剂量轨迹地图，内置Surfer8成图软件，自动成图接口实现剂量填图功能。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2．1 国外的研究现状

1．2．2 国内的研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 车载γ能谱仪硬件设计

2．1 硬件整体结构

2．2 NaI(Tl)多晶体探测单元

2．3 数字多道脉冲幅度分析器

2．4 电源系统设计

2．4．1 系统供电模式设计

2．4．2 主机供电电源设计

2．5 主机外围通信单元设计

2．5．1 能谱仪主机数据传输的功能需求

2．5．2 能谱仪主机外围接口选择

2．5．3 能谱仪主机通信功能实现流程

2．5．4 能谱仪主机Wi-Fi无线数据传输

2．6 数字多道数据传输

2．6．1 数据传输方式设计

2．6．2 CAN总线介绍

2．6．3 CAN总线收发器电路

2．7 3G通信远程传输

2．8 高精度差分GPS接收器

第3章 主控固件程序设计

3．1 数字多道控制

3．1．1 CAN总线初始化

3．1．2 死时间消除及时间同步问题

3．2 GPS数据获取

3．3 Wi-Fi数据传输

3．4 TCP／IP数据传输

第4章 安装和测试

4．1 晶体探测器安装

4．1．1 电路板接线

4．1．2 电路板保护盖

4．1．3 晶体隔热膜封装

4．1．4 晶体隔热箱体

4．2 主控器程序下载

4．3 主控箱安装

4．3．1 主控箱介绍

4．3．2 电路板安装

4．4 测试结果

4．4．1 能谱测量结果

4．4．2 GIS地理信息测量结果

4．4．3 通信稳定性测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果