核能譜多道分析儀設(shè)計

摘 要：文章介紹一種以單片機微處理器為核心的核能譜多道分析儀，它是一種可以測量多種射線類別的微型化智能儀器。具有核能譜數(shù)據(jù)采集，譜線分析與處理及實時顯示的功能。已通過實驗測試，達到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：核能譜；單片機；射線；智能儀器

引言

二十世紀(jì)的五十年代初期，多道脈沖分析方法產(chǎn)生了。最早的驅(qū)動方式采用電機控制，實現(xiàn)分類。其分析器由一些間隔及閾值等同的甄別電路并聯(lián)而成，效果很差。到了六十年代初期，電子的模數(shù)轉(zhuǎn)化方式推動了該技術(shù)進程。隨后，IC、微控制器、PC機的廣泛使用，多道分析設(shè)備不斷智能化。九十年代初期，伴隨高效率的模數(shù)轉(zhuǎn)換與DSP技術(shù)涌現(xiàn)，數(shù)字化的多道技術(shù)得以開展。利用先進的DSP技術(shù)，可以完成幅度提取，譜線估計等功能。

國外在二十世紀(jì)的九十年代初期，多道分析技術(shù)開始向著數(shù)字智能化轉(zhuǎn)變，提高多道分析設(shè)備的性能是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。主要有兩個階段：首先是核脈沖經(jīng)由高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換采集，之后通過數(shù)字信號處理器進行譜線數(shù)據(jù)處理；其次是核脈沖經(jīng)過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用可編程邏輯門陣列技術(shù)做成形的譜工作，將模擬電路處理部分全部數(shù)字化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。國外的核能譜分析方法已有10多年的發(fā)展，涉及到各個工作范疇，在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用極為顯著。未來整個發(fā)展會關(guān)系的整個行業(yè)。

能譜測量是核探測的一種重要方法。利用得到的核能譜數(shù)據(jù)，可以對核素分析提高便利的條件。主要原理是不同核素衰變過程中，發(fā)射的能量不同。接收探測裝置輸出的脈沖與發(fā)出的射線能量成正比關(guān)系，測得脈沖的幅度值，就能算出入射射線的能量值。該采集系統(tǒng)以多道幅度分析儀為主儀器，完成整個測量過程，具有功耗低、體積小、便于攜帶等特點。

1 能譜分析簡介

能譜儀的組成主要包括接收探測器、屏蔽干擾設(shè)備、厚度不同的鉛片、靜態(tài)工作點電路和電源控制設(shè)備等。高強度的射線入至能譜儀中，途經(jīng)鉛片之后有一定程度衰減，穿透的射線和接收探測器中的靈敏區(qū)域產(chǎn)生電子，進而電離形成電子空穴對，在外電場下異向運動，之后被收集，形成回路電流，最終利用終端設(shè)備記錄波形[1]。

核能譜分析儀器的重要部件是多道分析器，它會直接影響測量的準(zhǔn)確性和精度。傳統(tǒng)的模擬電路性能有限，有時難以達到設(shè)計要求，特別是在高分辨率的時候，性能明細下降，而且脈沖通過很少。這種電路的溫漂及參數(shù)不易調(diào)整的確定，使得系統(tǒng)穩(wěn)定程度差，線性度不好，同時適應(yīng)能力差。因而模擬電路的設(shè)計方案幾乎無法勝任設(shè)計要求。伴隨核能譜測量的廣泛應(yīng)用，對高速、脈沖通透率高、準(zhǔn)確穩(wěn)定的分析儀器提出更高要求，因此需要研制新一代數(shù)字化多道脈沖分析器[2]。

2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計

2.1 脈沖放大和閾值甄別電路

采用集成運算放大器LF353為核心元件組成放大電路，實現(xiàn)脈沖信號的放大，選用LM319芯片構(gòu)成比較電路，進行脈沖幅度的鑒別，最終經(jīng)由NE555整形濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)總線送至微處理器CPU，電路如圖2所示。

2.2 主控制器和顯示驅(qū)動電路

采用C8051F340單片機作為主控制器，該芯片具有良好的溫度特性，接口功能強大，兼容性好。主要功能是對傳感器采集的信號進行分析、處理，并且輸出相應(yīng)控制量，同時通過串行接口向遠端設(shè)備發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

采用LCD12864液晶模塊提供顯示信息，模塊集成中文字庫，提供4行8列16×16大小漢字顯示，使用并行方式與單片機相連接，方便易操作，顯示直觀。

3 編程思想及軟件流程

3.1 編程思想

軟件的主要功能是根據(jù)核輻射探測器接收到的脈沖信號，通過甄別電路和A/D轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)核能譜線采集、譜數(shù)據(jù)分析處理及存儲和實時顯示等功能。軟件以C語言作為編程語言，易于維護、可靠性高、可移植性好。為便于功能升級，采用了模塊化編程思想。

3.2 主程序流程圖（見圖4）

4 結(jié)束語

該儀器可以對進行多種射線進行測量，主要利用了分辨率較高的接收探測器來實現(xiàn)。該設(shè)備以單片機微控制器為核心，工作性能穩(wěn)定可靠，消除了模擬電路的低溫漂影響，同時耗電省，功耗低、測量線性度和檢測精度高，有極強的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]蘇兆鋒，等.強脈沖γ射線能譜測量儀研制[J].強激光與離子束，2010（22）：1137-1142.

[2]張軟玉，羅小兵，許祖潤.參數(shù)最優(yōu)化數(shù)字核能譜獲取系統(tǒng)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2009（43）：77-80.

[3]陳興文，劉燕.單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件調(diào)試技巧[J].中國測控網(wǎng)，2009（10）：15-16.

作者簡介：唐磊（1986-），男，研究方向：核探測技術(shù)及核電子學(xué)。