便携式肺部γ放射性内污染检测仪研制

摘要

核技术经过一个多世纪的不断发展，在军事、工业、农业等领域得到了广泛的应用，给人类带来了巨大利益，同时也带来了巨大危害。从核技术发展至今，核武器扩散、核电站辐射泄漏、放射源丢失等突发核事故频繁发生，不仅造成大量的人员伤亡、环境污染和经济损失，而且严重影响社会的安全和稳定。
　　核事故发生时，如果放射性核素进入人体内部形成内照射，会引起疲劳、头昏、脱发、白血病等多种放射性疾病，同时也大大增加畸变、癌症、遗传性病变发生的概率。因此核事故发生的第一时间，应立即疏散人员，并及时采取核应急医学救援，对受辐射范围内的人员进行内污染检测，根据人体受照射剂量的多少进行分类诊治。目前，核安全问题被高度重视，世界各国研究人员不断地发展放射性内污染活体测量技术，内污染检测仪广泛运用于内污染检测。我国在内污染检测仪器研制方面还处于初步阶段，取得了部分研究成果，但与发达国家还存在很大差距，因此急需开展具有自主知识产权的内污染检测仪的研究和开发。
　　本文在已有的研究基础上，依托科技部重大仪器设备开发专项:大批量人群核辐射内污染快速检测仪——肺部γ放射性内污染检测子任务，围绕人体肺部γ放射性内污染检测，开展人体肺部γ能谱测量、分析、及硬件和软件开发工作，研制了一款适用于核事故现场测量的便携式肺部γ放射性内污染检测仪。本文主要研究内容及成果如下:
　　1)结合肺部γ能谱测量原理，深入研究γ射线探测、核信号采集、脉冲成形、能谱成形、能谱传输等关键技术，提出了一体化设计方案，研制了便携式肺部γ放射性内污染检测仪主机，将碘化钠探测器、信号处理电路和电源集成一体，减小了仪器体积、提高了抗干扰能力、稳定性和可靠性。
　　2)设计了γ能谱测量的硬件电路，选用碘化钠探测器对肺部的γ射线进行探测，选用低功耗、集成度高、处理速度快的FPGA作为主控芯片，采用高速ADC和USB通信，完成对核信号的模数转换和数据传输。同时，对FPGA进行内部硬件电路开发，设计数字信号采集电路、核脉冲梯形成形电路、峰值检测电路、能谱成形电路、核脉冲存储电路和数据传输电路等，实现对核信号的处理。
　　3)采用C＃语言（基于VS2010开发环境）开发了肺部γ放射性内污染分析软件;开发USB通信接口程序，制定通信协议，实现与主机的通信、谱数据的实时采集;开发了ACCESS数据库，以实现核素信息、能量刻度信息、效率刻度信息、通信端口信息、脉冲宽度参数信息、能谱、核脉冲信号等信息的存储、查询和调用。软件界面友好、交互性强，能实现谱线显示、参数设置、数据库操作、数据保存等多项操作。同时初步开展了γ能谱分析工作，针对人体肺部的待积有效剂量算法进行了研究。
　　4)系统测试，对前置放大器、主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。通过上位机软件实时显示不同阈值下ADC采集的核脉冲，验证ADC电路信号采集的有效性。并对数字多道成形的能谱和软件成形的能谱进行对比，验证数字多道能谱成形的有效性。各项测试结果表明硬件电路各项功能正常。并在此基础上开展系统稳定性测试和实验研究，对天然环境本底和60Co、137Cs等放射源进行测试，验证核脉冲梯形成形效果，并与ORTEC数字多道进行对比实验，结果表明系统工作稳定，能够用于快速检测肺部γ放射性内污染情况。
　　本文主要开展了肺部γ放射性内污染检测的硬件和软件研制工作，在设计和研发中不断创新，最终完成了便携式肺部γ放射性内污染检测仪的研制。性能测试及初步试验表明，仪器各项技术指标均达到了预期设计。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题背景及意义

1．2 论文工作主要内容

1．3 论文章节安排

第2章 系统总体方案设计

2．1 肺部γ放射性内污染检测原理

2．2 技术方案

第3章 硬件电路设计

3．1 电源电路设计

3．2 碘化钠探测器及信号调理电路

3．2．1 碘化钠探测器

3．2．2 主放大器

3．3 ADC信号采集电路

3．4 DAC信号还原电路

3．5 FPGA信号处理电路

3．6 USB通信接口电路

第4章 数字核信号处理

4．1 FPGA内部硬件电路结构

4．2 数字时钟管理器

4．3 核脉冲采集及存储模块

4．4 脉冲梯形成形模块

4．5 脉冲幅度甄别模块

4．6 能谱成形模块

4．7 USB数据传输模块

4．8 命令接受模块

4．9 数据发送模块

第5章 γ能谱分析软件设计

5．1 软件架构

5．2 软件工作流程

5．3 γ能谱分析

5．3．1 γ能谱分析流程

5．3．2 谱线光滑

5．3．3 寻峰、峰面积计算

5．3．4 待积有效剂量计算公式

5．4 ACCESS数据库开发

5．4．1 数据库信息表设计

5．4．2 数据库信息表操作流程

5．5 软件界面设计

第6章 系统测试

6．1 硬件电路测试

6．2 稳定性测试

6．3 实验测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录A PCB板

附录B 便携式γ放射性内污染检测仪

附录C RTL Schematic

附录D 核素信息表