辐射检测门探测系统及软件的研制

摘要

文章介绍了辐射检测门探测系统及软件的研制成果，主要包括大体积塑料闪烁体产生的闪烁光收集技术、信号处理单元设计以及检测系统的应用软件开发等。论文主要工作有:
　　(1)、在研制探测模块中，为了解决大体积塑料闪烁体产生的闪烁光收集的瓶颈技术。采用端面导出闪烁光的方法，降低接收面积。自行加工优化设计光导，通过理论几何计算和实验数据，选择闪烁体的合适体积，构建适当的光导，增加光的收集，有利于增大输出的电流信号。
　　(2)、硬件研制方面。①通过对传统的电荷灵敏前置放大器的分析可知，运算放大器的输入偏置电流和光电倍增管暗电流流过大阻值的反馈电阻引起较大的偏置电压，而偏置电压经过放大可能引起大的电压输出，并会占据输出摆幅的一大部分。采用的解决方案是一方面在运放同相输入端增加补偿电阻，另一方面是采用T型电阻网络代替反馈电阻。有利于减少了直流偏置电压，提高的电路输出的精度。②采用FilterPro软件分析比较了Sallen-Key滤波器、Butterworth滤波器、切比雪夫滤波器，贝塞尔滤波器的幅频响应特性，结果显示Salln-Key滤波器的阶跃输入响应具有最小化的上升和下降时间，并且没有过冲，有利于输出准高斯型脉冲波形。③研究了传统的甄别器发现上、下甄别器需要单独提供阈值电压，这样电路结构就比较复杂，并且需要考虑脉冲展宽宽度和延时时间长短。采用微控制器控制DAC芯片为上、下甄别器提供阈值电源和单稳态触发器替代原有的脉冲展宽和延时的电路，电路的结构得到了大大的简化，DAC供给的阈值使得设备更加智能化。
　　(3)、软件设计方面。考虑到本底计数率随环境因素的变化而变化，为了保证设备在本底计数率升高时不会产生误报，软件设计上采用实时的动态本底监测，确保报警阈值的随本底波动进行动态更新，报警阈值具体确定方法是SIGMA统计算法。设置采样频率100ms，允许行人快速通过，最短每1分钟实时更新本底的计数保证监测结果的准确性。并且用户可以通过该算法轻松调节探测灵敏度和误报警概率的关系。
　　(4)、开发了基于MFC的PC应用软件。信号处理单元与PC终端之间采用USB数据通信技术，USB通信协议比RS485协议更灵活，USB的传输速率可达12MB/s，并且对传输的数据格式没有特殊要求。采用数据库技术管理数据，方便查看和更改。
　　论文取得的成果有:
　　(1)完成了塑料闪烁体高闪烁光收集率的探头设计，增加了探测器对于弱放射源的灵敏度。
　　(2)完成高压电源模块的电路设计和实际制作，主要是由高性能的脉宽调制芯片和倍压电路组成，输出电压-1000V，纹波约为40mV，最大输出电流0.1mA。满足实际应用的需要。
　　(3)完成了电荷灵敏前置放大器的优化设计，采用补偿电阻降低了运放输入偏置电路，T型电阻网络代替反馈电阻，有效地降低了运算放大器的直流偏置电压，减小了前置放大器输出信号的摆幅。
　　(4)完成了S-K滤波器的设计，实现了以尽量少的器件得到准高斯波形。
　　(5)完成了传统甄别器的阈值电压供给电路的改进设计，采用单片机程序控制数-模变换电路调节供给幅度甄别器上、下阈值电压，增加了阈值电压的调节精度，而且还大大增加了电路的智能化程度。两个单稳态触发器替代脉冲延时和展宽电路，简化了电路结构，加快电路的响应速度。
　　(6)完成了SIGMA实现算法的程序编写和USB数据通信的单片配置程序，有利于降低误报率。
　　(7)完成监测系统控制终端软件的开发，数据管理采用了SQL Server数据技术。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容和研究特色

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究特色与创新点

1．4 系统的设计方案

第2章 基本原理与探测模块的设计

2．1 基本探测原理

2．1．1 光电效应

2．1．2 康普顿-吴有训散射

2．1．3 电子对效应

2．1．4 小结

2．2 探测模块的设计

2．2．1 γ探测器的选择

2．2．2 光电倍增管选择(PMT)

2．2．3 光学耦合剂

2．2．4 塑料闪烁体探测器封装工艺

2．2．5 光电倍增管的供电电路

2．2．6 高压电源的设计

2．3 本章小结

第3章 信号处理单元

3．1 信号处理硬件电路总体构架

3．2 低压电源电路设计

3．3 前置放大电路设计

3．3．1 传统电荷灵敏前置放大器存在的不足之处

3．3．2 改进型的前置放大器

3．3．3 器件选型

3．3．4 实物测试

3．4 滤波成形电路

3．4．1 噪声分析

3．4．2 电路设计

3．4．3 器件选择

3．5 甄别电路设计

3．5．1 传统甄别电路

3．5．2 改进的甄别电路

3．6 本章小结

第4章 控制单元开发

4．1 控制单元的总构架

4．2 主控制芯片的选型

4．3 单片机程序设计

4．3．1 主函数程序设计

4．3．2 RCC时钟配置

4．3．3 DAC初始化

4．3．4 AD5689RC控制引脚配置

4．3．5 外部中断EXTI0和定时器TIM0配置

4．3．6 USB数据传输配置

4．3．7 甄别阈值控制函数

4．3．8 SIGMA算法

4．3．9 定时器中断函数

4．4 本章小结

第5章 检测系统软件开发

5．1 软件构架

5．2、软件开发

5．2．1 软件运行环境搭建

5．2．2 开发平台

5．3 软件功能模块化设计

5．3．1 通讯协议

5．3．2 界面设计

5．2．4 软件功能设计

5．2．5 数据库管理功能

5．2．6 软件测试

5．3 本章小结

第6章 系统性能指标测试

6．1 误报警率与系统本底稳定性

6．2 灵敏度一致性

6．3 静态探测效率

6．4 探测灵敏度和移动弱源响应测试

6．5 过载特性

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录