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[硕士论文] 胡天宇
核技术及应用 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:基于电子行业集成化、模块化的有效进展,仪器的小型紧凑也成为趋势。伽马能谱仪在体积上缩小能够减轻工作人员尤其是环境辐射检测人员的负重,为高效工作助力。目前常见的便携式伽马能谱仪主要应用碘化钠闪烁体探测器,但碘化钠闪烁体的能量分辨率较差,对射线能谱的分辨能力和核素识别能力较弱。针对当前传统伽马能谱仪在实际应用中体积过大不方便携带、数据不能及时传输等不足。本文从提高探测效率、缩小仪器体积、低功耗设计、方便实时测量与观察能谱等方面研制更适用于携带的紧凑型伽马能谱仪。该论文来源于国家重点研发计划项目“高分辨率航空伽玛能谱测量及机载成像光谱测量技术”(课题编号:2017YFC0602100)和国家自然科学基金项目“核脉冲信号链的数学构建与高速实时数字重构技术研究”(课题编号:41474159)。本文研制的紧凑型伽马能谱仪主要研究内容和成果如下:
  1、探头设计:在便携式伽马能谱仪调研基础上,开展一种紧凑型伽马能谱仪的设计,选用新型无机闪烁体溴化铈代替传统碘化钠闪烁体,提高探测器能量分辨能力;采用硅光电倍增管代替传统真空光电倍增管,缩小探测器体积,其不到30V的偏置电源,显著降低了电源功耗,同时还增加了耐冲击力和抗磁场干扰能力。
  2、硬件设计:设计了模拟电路的快、慢两个通道的滤波成形与微分成形电路,慢通道实现滤波展宽与降噪,快通道用于实现脉冲整形与粒子事件到达时刻信息提取;采用8Msps模数转换器与STM32微控制器实现对于核脉冲信号的峰值采样与估计,从而实现了一款低功耗小体积一体化的多道脉冲幅度分析器。
  3、软件设计:软件设计包括探测器控制端的数据传输、存储与发送部分和手持端的数据接收与计算、显示部分。探测器控制端采用STM32的DMA通道方式传输外部8Msps并行ADC采集来的数据,让微控制器的CPU将数据采集传输工作托管给DMA控制器,大大降低了对于CPU的时间占用,提高了系统响应时间与工作效率。能谱仪采用微功耗Wi-Fi芯片实现与手机的数据通信,开发了安卓手机APP,实现方便快捷的实时能谱观测、剂量当量和核素识别的功能,实现良好的人机交互。
  4、整机结构:采用小尺寸探测器、紧凑的电路板设计、纽扣电池和小型Wi-Fi模块,实现紧凑型伽马能谱仪的小体积,达到ψ31.4mm×72.5mm,整机重量92.6g。同时从硬件低功耗器件的选择到软件采取省电模式等多方面实现紧凑型伽马能谱仪的低功耗,整机功耗仅为296.57mW。
  5、整机测试及功能特点:经测试,紧凑型伽马能谱仪能量分辨率达到5.2%(137Cs662keV能量伽马射线),具有能谱测量、剂量当量率显示、核素识别的功能,同时在功耗的降低和体积的减小方面做到了较大程度的提升,方便人机交互,取得较为理想的效果达成设计初衷。
[硕士论文] 徐阳
核技术及应用 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:1985年,国际辐射单位和测量委员会(ICRU)在出版的第39号报告中提出了三个辐射防护实用量,分别为:周围剂量当量、定向剂量当量以及个人剂量当量。它们既能够为防护量提供有效估计,还能够作为辐射监测中使用的剂量仪表的校准量。其中,周围剂量当量H*(10)是一个用以描述强贯穿辐射条件下(入射辐射能量>15keV)环境或工作场所的辐射防护实用量,是场所监测中唯一可用于对有效剂量当量HE进行估计的依据。在X、γ外照射场所监测中,监测仪器测量所得到的物理量通常为空气比释动能Kα或者照射量X,而周围剂量当量次级标准电离室则可用于参考点处周围剂量当量的直接定值。
  传统的周围剂量当量电离室通常采用在电离室室壁(一般为高压极)上添加补偿材料(Al、Pb、Si等)以改变能响曲线的方式,电离室主要由收集极、高压极、中央支撑杆、工作气体以及绝缘端子组成。在以往的研究中,前辈们通常采用的工作气体为自由空气,电离室内部空腔与外界大气相通,这将导致工作气体受到现场环境温湿度、气压、灰尘颗粒物等因素的影响,不利于电离室的现场测量。此外,由于电离室灵敏度与工作气体的充气压力大小呈正比,故在常压时灵敏度低于高压时,在实际现场测量中墙壁、空气等的散射作用将产生大量低能光子,常压电离室使得低能辐射成分不能得到准确的测量。可见,传统电离室不利于现场条件下周围剂量当量的定值,在加强环境辐射监测、核设施常规与应急监测的大力推动下,研制适用于现场测量的周围剂量当量次级标准电离室是十分必要的。
  据此,本文依托中国原子能科学研究院计量测试部装备基础项目“GM管γ辐射剂量仪现场校准技术研究”,开展了周围剂量当量次级标准电离室的研制工作。首先,结合蒙特卡罗模拟方法完成了电离室各关键参数(主要包括电离室形状、高压极与收集极材料/尺寸、工作气体类型/充气压力、绝缘端子、能量补偿片材料/厚度、能量补偿面积等)的确定工作;随后,结合外协方式实现了电离室的整体设计、加工与装配工作;最后,完成了电离室相关辐射特性的研究工作,主要包括能量响应与线性实验,对周围剂量当量率测量的准确性进行了实验验证,并对测量结果进行了不确定度评价。本工作最终实现了对周围剂量当量次级标准电离室的研制,使之具有不受外界环境温湿度,气压影响、探测范围广、灵敏度高等优点,可实现周围剂量当量率的现场测量。
  本文主要研究成果有:
  (1)结合蒙特卡罗模拟确定周围剂量当量次级标准电离室的能量补偿方案,完成了电离室的设计工作。经对比,电离室的实验与模拟能响曲线符合较好,大大减少了通过实验方法确定能量补偿方案的工作量,同时验证了蒙特卡罗方法用于周围剂量当量次级标准电离室研制的可行性。
  (2)首次选取不锈钢壁材料、内充8atm氩气的周围剂量当量电离室设计方案,密闭的空腔结构使得电离室免受外界环境温湿度、气压变化带来的影响,满足了对周围剂量当量现场定值的要求。
  (3)将周围剂量当量次级标准电离室置于137Cs源与60Co源产生的γ射线参考辐射场内进行线性测试,测试结果显示,在0.684μGy/h~1.01mGy/h范围内,电离室空气比释动能率与电离电流呈一次线性关系,在0.8208μSv/h~1.212mSv/h范围内,电离室周围剂量当量率与电离电流呈一次线性关系,并分别得到了拟合关系曲线。
  (4)利用自屏蔽式γ射线照射装置所产生的参考辐射场对周围剂量当量次级标准电离室现场定值的可行性与准确性进行研究,并通过PTW电离室作对比实验。实验结果表明,两者测量结果的相对偏差在5%以内,验证了周围剂量当量次级标准电离室的准确性。对墙壁散射贡献研究中得到,在该实验模型下,墙壁散射贡献约为6%。经计算,典型参考点处周围剂量当量率约定真值的测量不确定度为U=7.4%(k=2)。
[硕士论文] 王涛
仪器仪表工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:在一般核物理实验中,描述闪烁体物理特性的指标有:发射光谱、发光效率、发光时间和发光衰减时间等物理量(胡孟春等,2014)。闪烁体的时间特性对于研究闪烁体内部闪烁特性、闪烁探测器的研究有着重要的意义。国内外对于闪烁体时间特性的测量方法也有很多种,而且也在日新月异的完善和改进。
  本文在现有测量方法的理论基础下,首先对常用的闪烁体衰减时间测量方法进行了简要介绍,包括了对无机闪烁体、有机闪烁体时间特性的测量。然后介绍了一种新型的无机闪烁体衰减时间测量装置,该装置在实现途径上不同于现有的闪烁体衰减时间测量方法。本装置是通过快速的电流型前置放大器将闪烁探测器输出的快速电流脉冲进行放大,之后通过高采样率的ADC(模数转换器)直接进行模数转换。大量的ADC输出数据被送入FGPA进行数据接收、算法处理,实现脉冲上升沿识别、衰减时间计算。然后FPGA通过HUSB芯片将数据进行上传,最后该装置在上位机软件上展现出的是规定测量时间内闪烁体衰减时间的一个统计量的分布图,X轴为时间尺度轴,Y轴为每一个脉冲的闪烁体衰减时间的累加计数。该装置相对于传统的测量方法而言,是根据闪烁体衰减时间的定义直接进行数字化测量的,并且显示结果为闪烁体衰减时间常数的统计量分布图。相较于传统测量方法而言更加具有参考意义、适用于光强度的动态范围也更广。本研究来源于国家重点研发计划项目“高分辨航空伽马能谱测量及机载成像光谱测量技术”(课题编号:2017YFC0602100)和国家自然科学基金项目“核脉冲信号链的数学构建与高速实时数字重构技术研究”(课题编号:41474159)。该装置的主要研究成果为:
  (1)基于电流并联反馈原理的超快速复合型电流前置放大器(以下简称电流前放),实验测得其输出信号的上升沿时间最快可达到2ns,带宽约500MHz,实验验证可对3.3uA-3.3mA区间的快速电流小信号进行线性放大,线性相关系数达0.9999。
  (2)该装置采用ADC+FPGA+HUSB架构,在FPGA中完成与HUSB芯片的协议握手,实现高效率的数据传输,数据处理。简化了硬件电路设计。
  (3)从电源完整性角度考虑,为了实现电路的高信噪比和稳定性。设立合理的了电源拓扑结构,实现了电源的快速动态响应,低纹波,高效率,整个系统的噪声控制在5mV以内。
  (4)开发了基于Cypress公司提供的驱动库和Visual C++6.0开发语言的上位机界面。
  (5)LaBr、NaI、GAGG、CsI四种无机闪烁体发光衰减时间的测量,分别测试了其闪烁探测器直接输出波形形状和该装置测试的衰减时间统计分布图。
[硕士论文] 刘志
仪器仪表工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:多球中子谱仪是常用测量中子能谱的设备之一,新型抽注水多球中子能谱仪主要用水作为慢化层,通过抽注水方式来改变不同慢化层厚度,从而根据不同水层厚度对中子慢化能力差异,研究热中子探测器计数率响应与中子能谱之间的关系,从而解析出入射中子能谱,该方法能使传统多球中子谱仪实现可移动或便携。
  本论文在国家自然科学基金项目“抽注水多层同心球宽量程新型中子能谱探测器研究(41774120)”和国防科研基础项目“空间辐射中子能谱测量和剂量校准技术(JSJL2014404B001)”子题“空间辐射中子能谱分析技术研究”的资助下,针对新型抽注水多球中子谱仪中的抽注水系统,结合谱仪在抽注水系统工作效率、控制精度、生产成本等方面的需求,开展了一种以离心式水泵提供泵水动力和组合式单通电磁阀进行抽注水模式控制的单泵抽注水系统研究,通过研究,主要获得如下成果:
  1)根据新型抽注水多球中子谱仪的结构特点,设计了抽注水系统整体结构以及工作流程。首先通过水流路径选择电磁阀(K11~K15、K21~K25)选择需要控制的水层;其次通过水泵和抽注水模式选择电磁阀(K1、K2、K3、K4)控制系统抽注水作业;最后结合传感器(D1、D2)对慢化剂水层厚度进行精确标定。
  2)开展了电磁阀、水泵、传感器等功能模块的调研和选型,完成了抽注水系统硬件设计。首先通过数据分析和实验测试,完成水流路径选择电磁阀SEL-5、抽注水模式选择电磁阀HUARUISI24-2、水泵DH324550、传感器SEN-HZ21WA的选型;其次以STM32为核心处理单元,完成了整个抽注水系统的硬件设计和调试,同时基于DSIC05LSGET设计了手动控制的备用控制模式,从而提高硬件系统的稳定性和可操作性。
  3)设计了通信协议,完成了抽注水系统驱动程序。根据抽注水多球中子谱仪的需求,采用模块化设计思想,设计了抽注水系统的通讯协议和控制指令,完成了抽注水系统驱动程序,实现了指令接收和解析、高精度抽注水作业、水层厚度监测、智能停机等功能。
  本论文的主要创新点:
  1)在传统离心式抽注水系统的基础上,采用多通电磁阀对水层厚度进行独立控制,结合流量计实现水层厚度的精确控制,解决了传统离心式抽注水系统控制精度不够的问题。
  2)采用组合式单通电磁阀进行抽注水模式控制,实现单水泵控制抽注水,从而减小了系统水泵数量,降低成本。
[硕士论文] 冯加明
核能与核技术工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:双极晶体管经中子辐照后会引起直流增益退化,其直流增益倒数变化与109~1016cm-2范围内的辐照中子注量线性相关,利用此特性,在技术上可实现双极晶体管对中子注量的测量。对受到辐照损伤的双极晶体管进行高温退火,可使其直流增益性能恢复,从而达到对双极晶体管的重复使用。鉴于上述特点,可将双极晶体管在工程应用上制作为探测器,结合实时数据测量系统,实现在线监测中子注量。
  在抗核加固的应用领域,对半导体材料中子辐射损伤的考核评估需要统一的衡量标准,国内外均已使用1MeV(Si)等效中子注量来表征。在实际应用中,市面上现有的探测器已可对中子注量进行测量,但会受到中子能谱和反应截面等因素的影响。而双极晶体管探测器受中子辐照时的直流增益会下降,在具有不同能谱分布的辐射源中,可利用相同的直流增益退化来等效;且在当下,Si的反应截面数据更趋准确,从而使得双极晶体管探测器的优势更加突出。中国工程物理研究院的CFBR-Ⅱ堆是核爆模拟辐射场,具有高n/γ比,中子能量为1.03MeV,是行业公认的抗核加固性能考核的理想平台,也是双极晶体管探测器的理想刻度平台。在此平台上刻度的双极晶体管探测器应用在不同辐射场中,所测的中子注量即为1MeV等效中子注量。且探测器体积小,能实现多只探测器在不同辐射场不同辐照工位的同步在线测量,具有普遍实用的价值。
  中国工程物理研究院的邹德辉、鲁艺等人,对双极晶体管3DG121C探测器的抗辐照性能、标定技术、退火进行了前期的研究。本文在此基础上,扩大该类探测器的研究范围。通过对3DK2222A和3CK3B探测器在CFBR-Ⅱ堆高达8.3×1012中子注量的辐照,实现了探测器抗中子辐照能力强弱的甄选,确定了探测器的最佳适用范围,并可据此针对不同中子场的测量选用合适型号的探测器;对3DK2222A和3DG121C探测器在60Co源中进行了抗γ性能的研究,在辐照γ剂量达到1000Gy的情况下,分析了两种型号探测器抗γ性能的特点,并确定此性能特点的应用场合;对于不同中子注量率对该类探测器的影响,选择3CK3B型探测器分别在2×107cm-2·s-1、6×107cm-2·s-1、2×108cm-2·s-1、6×108cm-2·s-1、2×109cm-2·s-1下进行,分析不同注量率对探测器的影响结果。基于探测器的重复使用须退火的特点,分析了原有退火技术的不足之处,对探测器结构进行了改进设计,改进后的结构设计兼顾了探测器在标定时的准确性和退火的便利性。由于中子场中的γ射线,会对双极晶体管探测器造成电离辐射损伤,同中子一样,会导致探测器直流增益的退化。由γ射线导致的直流增益退化,会叠加在中子造成的直流增益退化上,使探测器测得的中子注量比实际中子注量高。对3DG121C和3DK7E探测器在γ射线中的辐照规律分析,推导出探测器在γ射线辐照时的经验公式。结合中子注量测量原理,最终确定了在有n/γ比的中子场中,运用该类探测器时,可使用的中子注量测量修正公式。通过本论文对双极晶体管中子注量探测器的全方位研究,使1MeV等效中子注量探测技术更加完善,为探测器的推广与实际应用,提供夯实的理论支持。并对探测器以后的拓展研究具有指导和参考意义。
[硕士论文] 万文杰
核技术及应用 成都理工大学 2018(学位年度)
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。
[硕士论文] 费鹏
仪器仪表工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着国家在核事业方面的研究投入越来越大,在核技术应用和核物理研究中趋于关键的核能普测量系统扮演者越来越重要的角色。进入21世纪,核事业的研究发展进入新阶段,传统核能谱测量系统,主要以模拟电路为基础,对核信号的数字分析往往采用的是模拟电路搭建分析平台的方法。信号通过硬件电路的电阻电容时容易产生噪声信号,对原始信号产生干扰,所以以前的模拟系统对核信号的测量分辨力不高,处理结果不够稳定。况且传统核信号测量系统设计复杂,逻辑电路多,设计成品往往比较庞大,不适用科学技术发展对测量仪器小型化、集成化的发展要求。
  现代核能谱测量系统中加入了数字信号处理技术,具有集成度高、稳定性强、数据处理快等特点。核能谱测量系统主要由核辐射探测器、核脉冲放大电路、数字多道脉冲幅度分析器、计算机能谱显示软件或嵌入式移动显示模块,外加供电系统构成。其中作为核能谱测量系统的核心,数字多道脉冲幅度分析器因为其数字可控、高精度、高分辨率等特点,被核信号能谱测量系统广泛采用,基于数字多道脉冲分析器开发出多种适应各种不同核能谱测量环境的测量仪器,满足了核事业大力发展的设计需求。
  作为数字多道脉冲分析器的核心,数字信号处理芯片是核信号处理的关键。各种集成度更高、线性度更好、数据传输更快、能耗更小的数字处理芯片促使核技术应用进入新阶段,核信号测量系统更是百花齐放。其中FPGA(现场可编程门阵列)往往被选作核信号数字处理电路的核心处理器,承担着滤波成形、数据缓存、波形甄别等任务。随着FPGA技术和嵌入式系统的高速发展,集成了嵌入式软核的FPGA是嵌入式发展的新方向,通过SOPC Builder技术,用户可以根据自己的需要定制自己的软核,即保留了FPGA运算速度快的优点,还可以把软核作为系统控制核心,实现了功能互补,在对有算法和逻辑控制需要的系统开发上体现了卓越的性能。
  结合以上分析,考虑到在核辐射测量环境中,对系统功耗、集成度、数据传输和成本的要求,设计基于NiosⅡ软核双口RAM的核信号采集系统,FPGA作为论文唯一核心处理器,充分发挥系统器件的特点:①选用的FPGA集成了NisoⅡ嵌入式软核,FPGA外加NiosⅡ软核协同工作,实现了系统的高度集成,功耗和成本的控制。②数据经过处理后采用FPGA内置的双口RAM进行数据缓存,双口RAM具有两套独立的数据线、地址线和读写控制线,允许不同的设备对同一个存储单元在不同时间进行读写。采用双口RAM的数据缓存方式,可以避免数据传输堵塞与丢包,提高系统数据传输的速度,满足核能谱测量系统对能谱数据进行实时采集的要求。
  针对核能谱测量系统中对系统集成化和数据高速传输的要求,论文采用基于NiosⅡ软核的嵌入式控制核心,双口RAM的数据缓存方式,完成了高性能核信号采集系统的设计。NiosⅡ作为核心处理器协同FPGA一起工作,数据通过双口RAM缓存,实现了核信号的高速采集、实时处理、灵活存储。从元器件应用、接口设计、高速信号处理等多角度对系统可靠性进行测试,对系统实时性、集成度、功耗低方面进行了验证,并最终采用NaI探测器对实验室137Cs源和60Co源进行连续测试,实现了核信号的能谱显示,并且保证了测量结果的准确性。
  实验测试表明,系统能够实现核能谱的正常测量,满足系统高集成化、高实时性、高性能和低功耗的设计特点,符合核技术应用的开发和设计要求,符和核安全级产品的设计要求,对嵌入式系统在核技术应用方面做出了尝试,开拓了核能谱测量系统设计思路,对核仪器的发展有着积极的作用。
[硕士论文] 余运强
仪器仪表工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:在γ放射性测量中,天然本底和康普顿散射的影响,导致低活度核素检测困难,所以本文引入反符合测量方法加以改善。本设计采用Φ95×145×80mm环形NaI(Tl)晶体为反符合探测器,采用滨松的3英寸NaI(Tl)探测器作为主探测器。系统主要工作原理为:主探头输出端的核脉冲信号先经过信号调理及ADC采集,再与外围的反符合信号进行反符合甄别处理,甄别后的信号用于形成γ能谱。当主探测器采集到脉冲信号且外围环形探测器无信号时,FPGA才会将主探测器的脉冲信号保留,并对其进行数字核脉冲信号处理而得到能谱数据。
  本文采用XILINX公司的SpartanTM-3E器件XC3S500E系列的FPGA为控制核心,反符合谱仪系统主要包括阻抗匹配电路、程控增益电路、放大滤波电路、高速ADC采集电路、反符合整形电路、FPGA数字信号处理电路及USB接口电路等。其中,FPGA数字信号处理硬件电路主要包括时钟模块、核信号采集与存储模块、反符合甄别模块、数字脉冲梯形成形模块、能谱成形及USB传输模块等。本文开发的软件主要功能包括:①γ能谱测量、②谱线绘图显示、③能量刻度、④效率刻度、⑤活度计算、⑥待积有效剂量计算、⑦数据库操作、⑧文件操作等。
  经实验测试,表明本文设计的反符合测量系统运行稳定,能够达到预期的反符合效果。通过Geant4模拟本底数据与谱仪测量的本底数据分析对比,谱仪测量与模拟数据具有良好的一致性,反符合测量对低能本底具有良好的抑制效果。通过对137Cs点源进行测试,表明反符合测量系统不仅对本底有一定的抑制作用,而且具有较好的康普顿抑制能力。
[博士论文] 石睿
核技术及应用 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:基于半导体Si探测器的α粒子能谱测量技术已成为测定环境、生物及核技术相关样品中α核素的重要放射性分析手段,其中对α粒子能谱的解析是实现α核素定性和定量分析的基础。几乎每种α核素都具有多个能量的α粒子射线,同种核素或不同种核素之间,能量相近的α粒子普遍存在。由于α粒子本身的特性,在α粒子能谱探测时,源的自吸收、介质的吸收、探测器入射窗(死层)的吸收、电荷的不完全收集、电子学噪声等因素,综合导致α粒子能谱形成了独特的低能拖尾。目前的探测器,即使能量分辨率最高的半导体Si探测器都无法将这些能量峰完全分开。因此,在探测器有限的能量分辨能力下,精确分析α核素的种类和放射性水平,准确地解析α粒子能谱显得尤为重要。
  国内外学者针对α粒子能谱的解析已开展了多年研究,提出了诸多α粒子能谱探测器响应函数模型。由于α粒子能谱的特殊性,对α粒子能谱响应函数模型的研究焦点主要在低能拖尾的描述。目前,国内外研究表明:基于高斯函数和单个或多个指数函数的卷积建立的α粒子能谱探测器响应函数具有最好的效果。而实际上,由于大多数α核素在衰变过程中还伴随着低能转换电子和X射线的发射,在探测器有限的响应时间内,α粒子与低能电子、光子的符合在所难免,导致在探测器中沉积的能量比α粒子本身的能量还要高,因此α粒子能谱中还会呈现高能拖尾,这在241Am、243Am等α核素能谱中尤为明显,因此有必要对现有的α粒子能谱探测器响应函数进行改进。另一方面,基于探测器响应函数,采用加权非线性最小二乘法进行拟合时,算法中对参数初值的估计是能否成功或准确地拟合能谱的关键。目前的方法主要基于经验值,这对于多个参数的函数模型而言,人为地调整缺乏稳定性且费时,往往效果极差,因此对初值的获取方法和优化研究对提高分析准确性和实现自动化拟合解析具有重要意义。
  针对上述共性问题,本文在深入研究前人的工作基础上,围绕半导体Si探测器α粒子能谱解析开展新模型、新方法和应用研究。主要研究内容及结论如下:
  (1)系统分析了α粒子能谱的形成机理、半导体Si探测器对α粒子能谱响应的物理过程,针对α粒子与转换电子、光子的符合效应对α粒子能谱造成的高能拖尾,建立了一种新型带高能拖尾的α粒子能谱探测器响应函数模型——EMG-Landau模型,该模型以多指数函数卷积高斯的EMG模型为基础,增加Landau分布项描述高能拖尾。通过IAEA参考α粒子能谱、EUROMET参考α粒子能谱和超铀核素α粒子能谱实验对该模型进行了应用测试,结果表明:EMG-Landau模型能够更全面准确地描述α粒子能谱峰形,能有效准确地拟合带有高能拖尾的α粒子能谱;对于符合效应明显的α核素,如243Am和241Am,EMG-Landau模型拟合效果优于EMG模型;对于低能量分辨率、低统计性以及符合效应较弱的α粒子能谱,EMG-Landau模型拟合效果与EMG模型拟合效果相当。
  (2)针对加权非线性最小二乘拟合α粒子能谱中对参数初值估计的关键问题,提出一种基于统计矩的参数初值获取方法。该方法适用于单指数卷积高斯的响应函数模型,但对更复杂的多指数卷积高斯的响应函数模型的应用受限;本文在此基础上,又提出一种以Rex2函数为适应度函数的基于遗传算法的参数初值获取方法,准确对多参数的α粒子能谱探测器响应函数模型进行了参数初值估计。
  (3)将反卷积迭代方法应用于α粒子能谱解析中,并通过对比Boosted-Gold、Richardson-Lucy和MAP三种目前最理想的能谱反卷积迭代算法,综合解析准确性和运算速度两方面指标,表明Boosted-Gold迭代算法优于其它两种算法。在反卷积迭代解析过程中,本文针对蒙特卡罗模拟α粒子能谱响应函数,建立了一种α粒子蒙特卡罗模拟注量谱展宽算法,准确实现了α粒子模拟谱的解析展宽。在此基础上,融合蒙特卡罗模拟α粒子能谱与能谱插值算法建立了α粒子能谱探测器响应矩阵,为实现α粒子能谱反卷积迭代解析奠定了基础。
  本文的主要创新点如下:
  (1)提出了一种带高能拖尾的新型α粒子能谱探测器响应函数模型——EMG-Landau模型,能够更准确地描述α粒子能谱峰形,实现更精确的解析;
  (2)提出了一种基于统计矩的α粒子能谱参数初值获取方法,能够有效估计单指数卷积高斯的响应函数模型的参数初值,实现对α粒子能谱的拟合;
  (3)在基于统计矩的参数初值获取方法应用受限的基础上,提出了一种基于遗传算法的α粒子能谱参数初值获取方法,更准确的估计了多参数α粒子能谱探测器响应函数模型的参数初值;
  (4)将反卷积迭代方法应用于α粒子能谱解析中,建立了一种α粒子蒙特卡罗模拟注量能谱展宽算法,同时,融合蒙特卡罗模拟α粒子能谱与能谱插值算法建立了α粒子能谱探测器响应矩阵,实现了α粒子能谱的反卷积解析。
  综上,本文在前人研究基础上,针对半导体Si探测器α粒子能谱解析中的共性问题,建立了新型α粒子能谱探测器响应函数模型;提出了针对α粒子能谱拟合中参数初值的获取方法;建立了α粒子蒙卡注量谱展宽算法,并将反卷积迭代方法应用于α粒子能谱解析中,丰富了α粒子能谱解析方法。本项研究为提高α粒子能谱解析精度和为实现自动化解析积累了研究经验,具有一定的参考价值。
[硕士论文] 许助
仪器仪表工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:当今世界,核科学与技术在众多行业领域内都得到了广泛地应用,比如医学领域,物理学领域,农业领域,工业领域,环境科学,海关安检等。虽然核技术的应用能够造福于世界,但是也给世界造成了一些威胁,其中放射性核材料的非法转移以及核事故的发生,对海关安检和核电站提出了种种挑战。因此,论文研制一种能在混合场中测量中子/γ能谱的便携式LASO探测器数字化谱仪,能够对复杂放射性材料进行监测,可用于海关和过境物品的检测,亦可检测核电站放射性物质异常泄露。
  目前在国内,实现同时对中子和γ进行探测主要采用的是双探头技术,即采用中子探测器和γ探测器分别探测中子和γ射线。但这样既增加了系统的体积与重量,又增加了系统成本与电路设计的复杂性。因此,论文提出了一种基于LASO闪烁体探测器的单探头技术,再结合能谱仪数字化处理技术来实现中子-γ的混合场测量。
  论文首先对比了单探测器技术和双探测器技术优缺点,提出了一种能在混合场中测量中子/γ能谱的单探头数字化谱仪的设计方案;然后,重点阐述了系统设计的技术要点,能谱系统设计包括硬件系统,甄别算法,软件系统的设计。能谱仪硬件系统包括电源电路,高压电路,滤波电路,信号调理电路,高速ADC采集电路,FPGA信号处理电路,通信电路,以及MCU主控电路。可实现对探测器信号的调理,采集,处理,存储,显示,传输等功能。其中,高压电路和电源电路具有结构简单,电压输出可调,体积较小,噪声低,成本低等优点。LRC滤波电路对直流电压中噪声和纹波都具有较好的滤波效果;针对中子和γ射线测量过程中的相互干扰,研究了中子-γ甄别算法。对各甄别方法的原理及特点进行了阐述,并选择实用和简单的幅度甄别方法;最后设计了基于μC/OS-Ⅱ多任务实时操作系统软件和用户界面层。将μC/OS-Ⅱ操作系统移植到ARM控制器上,通过编写多任务软件功能层,可实现数据采集,处理,存储,传输,能谱显示等多种功能。引入μC/OS-Ⅱ操作系统使能谱仪软件运行更加稳定,并更易开发。
  在整套系统设计完成后,论文对数字化谱仪实物进行了展示和介绍,包括电源高压板,数字化多道板,主控板以及仪器内部的结构图。然后对部分硬件电路进行了测试,其中高压电路和电源电路输出电压达到预期设计的目标,滤波电路对降低高压电路和电源电路输出电压的噪声纹波取得了较好的效果。LASO探测器探测Cs源产生的γ射线时,脉冲信号输出正常,经过信号调理电路后,可输出满足设计要求的脉冲波形。最后在含有中子和γ射线的混合场中测试,通过对测试结果分析可知,论文设计的基于LASO探测器的数字化能谱仪能够实现中子/γ射线的甄别以及能谱测量。
[硕士论文] 杜海燕
辐射防护与环境保护 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:空气比释动能是电离辐射计量体系量值复现与传递的重要物理量。已有多个国家已经建立了(10-300)kV X射线空气比释动能基准,我国也建立了(10-250)kV X射线空气比释动能基准,但(250-600)kV X射线空气比释动能基准的建立还处于研究阶段。现已建成的基准都采用自由空气电离室复现X射线空气比释动能,由于课题“(250-600)kV X射线空气比释动能基准的研究”涉及射线能量较高,若要获得较小的空气比释动能复现不确定度,将需要体积很大、质量达103kg量级的自由空气电离室,如此巨大电离室的制作与保存都存在困难,所以课题采用石墨空腔电离室进行空气比释动能复现。而石墨空腔电离室对较高能量的射线具有较好能量响应、较高精度和稳定性,被广泛用于192Ir、137Cs、60Coγ射线空气比释动能的复现,但对其用于复现X射线空气比释动能鲜有研究。本文是“(250-600)kVX射线空气比释动能基准的研究”课题内容之一。同时用自由空气电离室和石墨空腔电离室复现空气比释动能,将自由空气电离室复现值与石墨空腔电离室复现值对比,相互验证结果可靠性及方法可行性。论文的主要研究成果及创新性如下:
  ①按照ISO4037标准建立了重过滤窄谱300kV(简记为N300kV)X射线标准辐射场。在标准辐射场建立中,采用曲线拟合法测量半值层,测量结果与标准推荐值偏差在5%以内,达到标准要求;用BEAMnrc程序进行能谱模拟,能谱模拟结果与标准给定理论谱符合良好。因此,建立的辐射场符合标准。
  ②再用自由空气电离室复现N300kV X射线空气比释动能。研究中,通过调整X射线光机管电流及自由空气电离室高压测量复合损失修正因子,通过加减铅塞测量前壁穿透修正因子,通过改变自由空气电离室高压极性测量极性修正因子;用EGSnrc蒙特卡罗模拟程序模拟空气衰减修正因子、光阑边沿穿透修正因子、荧光与散射修正因子、电子损失修正因子,评估电场畸变修正因子,引用空气湿度修正因子。最后得到复现N300kV X射线空气比释动能的总修正因子为0.9320。通过对修正因子、轫致辐射份额、电离功、空气密度、电离电流、温度、气压、有效体积的测定及不确定度评估,得出自由空气电离室复现N300kV X射线空气比释动能率为6.99×10-3(mGy/s),在空气电离功不确定度分别为0.15%、0.35%时,复现结果不确定度分别为0.69%、0.85%。
  ③建立了石墨空腔电离室复现N300kVX射线空气比释动能的方法。以双电压法测量复合损失修正因子,以改变电离室位置方法测量射束径向及轴向不均匀修正因子,以添加模拟杆方法测量电离室杆散射修正因子,用EGSnrc模拟电离室壁修正因子,引用空气湿度修正因子,得到石墨空腔电离室复现N300kV X射线空气比释动能的总修正因子为1.0316。通过对修正因子、石墨对空气的阻止本领比、空气对石墨的质能吸收系数比、空腔体积等测量及其不确定度评估,得出石墨空腔电离室复现N300kV X射线空气比释动能率为7.03×10-3(mGy/s),在空气电离功不确定度分别为0.15%、0.35%时,复现结果不确定度分别为0.38%、0.52%。石墨空腔电离室与自由空气电离室复现结果偏差0.57%,在自由空气电离室测量不确定度范围内,说明两个复现结果基本一致,因此验证本文方法是可行和可靠的。用石墨空腔电离室测量了60Co、137Csγ射线空气比释动能,测量结果与基准值的偏差分别为0.32%、0.18%,由此验证了本文结果的可靠性与方法可行性。
  论文用自由空气电离室与石墨空腔电离室复现了300kV X射线空气比释动能,提高了现有基准量值复现水平,提供了石墨空腔电离室复现X射线空气比释动能方法,为较高能量X射线空气比释动能量值复现的研究提供参考。论文对X射线标准辐射场建立、基本物理参数、自由空气电离室和石墨空腔电离室修正因子、以及不确定度评定的研究也有较大的参考价值。
[硕士论文] 刘颖
仪器仪表工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:在核反应堆中,中子对核能的释放起着关键作用,中子能谱是非常重要的特征参数,在评价和检验核参数方面都有着重要意义。因此,中子能谱的测量是反应堆监控中最重要的内容之一。快中子临界装置属于实验反应堆的一种,用于开展临界实验。
  目前常用于快中子能谱测量的方法主要有飞行时间法、活化法、氢反冲法及核反应法,其中飞行时间法的测量能区广、精度高,但设备庞大且不适用于临界装置这种不能确定中子起始时间的应用场景;活化法操作简单且对仪器设备要求不高,但所得中子能谱精度不高;氢反冲法通常使用3He球形正比管结合液体闪烁体,设计及操作都较为复杂;核反应法通常利用6Li(n,α)反应制成6LiF夹心中子能谱仪,其体积小、测量范围大且结构相对简单,测量的准确性决定于所使用的探测器。目前最常于夹心中子谱仪的探测器有常规Si/Ge半导体探测器、金硅面垒型探测器和4H-SiC探测器,其中常规Si/Ge半导体探测器抗辐射性能差且受温度变化影响大、金硅面垒型探测器对α粒子分辨率较差、4H-SiC探测器无法对4MeV以上的中子进行能谱测量,使用这些探测器都难以在快中子临界装置的环境下达到其最佳测量效果。
  针对上述现状,本文首次提出了一种基于PIPS探测器(Passivated Implanted Planar Silicon detector,钝化离子注入平面硅半导体探测器)的6LiF夹心中子能谱仪的研制方案,以解决快中子临界装置中子能谱的测量问题。PIPS探测器具有耐辐照、耐高温、漏电流小、α粒子能量分辨率好、入射窗稳固且不需要准直等优点,非常适用于快中子临界装置的测量环境。
  本文所研究的6LiF夹心中子能谱仪的探头由两个面对面放置的PIPS探测器构成,其间夹有一层6LiF中子转换层,对其进行可行性研究,分析其工作原理,通过理论模拟分析转换层厚度对探测效率及能量分辨率的影响规律,并阐述了探测器的对称挑选原则。谱仪利用符合测量原理,对6Li(n,α)反应生成的次级带电粒子——α粒子和T粒子所产生的探测信号进行筛选,排除干扰粒子的影响,有效提高谱仪的探测准确性。利用“和谱分析法”,将α粒子和T粒子引起的脉冲信号幅度相加并解谱,得到中子能谱。硬件设计方面摒弃过去常用的门电路,以FPGA为控制核心,辅以放大整形电路、模拟电路、ADC模数转换电路及FPGA数字信号处理电路,实现对脉冲信号的处理及符合。
  通过在CFBR-Ⅱ堆上开展的热中子测量实验,对系统进行测试和验证,因涉及保密,故无法完全展示准确的测量数据,只能通过图片展示相关的测试结果。以239Pu和241Am混合α源对双PIPS探测器进行性能测试,所得α谱的峰位、峰半宽度基本一致,验证了探测器PIPS1和PIPS2符合夹心谱仪对于探头的对称性要求;同时对比用金硅面垒型探测器和4H-SiC探测器制成的夹心谱仪对α粒子及T粒子的探测结果,验证了PIPS探测器的良好性能;最后对两个PIPS探测器的符合相加信号脉冲幅度谱进行解谱,获得求和符合谱,首次验证了可以利用PIPS探测器制成性能良好的6LiF夹心中子谱仪,为高精度中子能谱的测量奠定了基础。
[硕士论文] 何亮
仪器仪表工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着人类文明的发展与进步,人们生活水平也越来越好。同时,科技的发展对人们的生活环境产生了一定影响,国家也高度重视生态环境的整治。近几年,放射性污染已成为热门话题之一。氡及其子体的测量无论是在房屋建筑领域,还是在地质勘探、环境监测、找水等方面,都被作为放射性探测的重要技术手段。
  在此背景下,以成都市科技局创新创业项目为依托,选取高灵敏度的金硅面垒型探测器为主要探测元件,以α能谱测氡技术为核心,设计一款独立的双探测系统α能谱测氡仪,解决了实际工作中测量时间长、温湿度影响大等一系列问题。
  本文先阐述了氡及其子体产生的危害背景,以及世界相关组织和国家层面针对氡及其子体放射性污染和地质勘探领域做出的相应决策。在此基础上介绍了氡的测量方法,并引出α能谱测氡原理,通过实验数据测试,对不同大小的金硅面探测器进行了对比测试;设计了双探测系统取样腔体。通过实际测量数据得出结论,该系统测量灵敏度可达到0.2cpm/pCi/L。
  双通道α能谱泵吸式测氡仪是以STM32F103RCT6单片机为核心,可进行空气氡、土壤氡、水氡的测量与分析。在进行空气和水氡测量时,可选择任意通道完成测量工作。对于土壤氡测量情况,考虑到测量环境,双通道轮流测量,完成高效率氡测量工作。该系统实时显示温湿度参数,在软件部分通过温湿度修正算法弥补温湿度对氡测量的影响;讨论了α总量测量以及α能谱测量的实现方式,结合实际工作中钍射气的影响,选取α能谱测氡技术,实现对氡和钍射气子体进行有效地区分;分别论述了前放、主放、多道脉冲幅度分析器以及辅助电路的硬件实现,并介绍了各个模块的基本功能,实现原理等;低功耗电源电路为测氡仪的高效运作提供了基本保障;选用迪文触摸屏实现人机互动,操作简洁方便。最后通过STM32库函数与位带操作实现软件部分的编写,完成仪器的设计。
  在仪器经过标准氡室刻度实现氡浓度的转换后,通过对该仪器灵敏度以及精确度、稳定度测试,表明该仪器稳定性、精确性良好。通过对仪器响应时间测试,确定了本底扣除算法,防止本底累积对测量数据正确性影响。实际工作中计量表明,该测氡仪测量数据正常,仪器性能及参数满足国家测氡计量检定标准《测氡仪》(JJG825-2013)和《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB50325-2010)的要求。
  本文设计的双通道α能谱泵吸式测氡仪可直接通过触摸屏实时操作并显示出空气、土壤、水氡浓度,具有实用性好、结构简单、携带方便等优点。该系统可广泛适用于环境氡监测、铀矿资源勘查、建筑地基隐伏断层与地裂缝的勘查、气化采煤气化炉火区分布监测等领域。
[硕士论文] 张开琪
核技术及应用 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:在核科学与技术、空间探测、矿产资源勘查及环境辐射监测等领域,硅漂移探测器凭借其优越的探测性能而被广泛使用,尤其是在高计数率情况下表现更为突出。硅漂移探测器具有输出电极等效结电容极小、电荷收集时间短,输出信号信噪比高等特点,因此可在计数高、成形时间短的条件下,实现高的能量分辨率。为充分发挥硅漂移探测器优异的性能,选用高性能的多道脉冲幅度分析器尤为关键,但目前常用的模拟多道与数字多道均各有优劣,不能充分发挥硅漂移探测器的优势,因此本文根据硅漂移探测器的特征、以传统的模拟多道为基础、结合数字多道的设计原理,设计了针对硅漂移探测器的高速模拟多道,该高速模拟多道具有数字多道的抗堆积、低脉冲丢失率、高脉冲通过率、高能量分辨率优势的同时兼顾模拟多道的低功耗、低成本、稳定性高、谱线噪声小等优点。
  本研究来源于国家重点研发计划项目“高分辨率航空伽玛能谱测量及机载成像光谱测量技术”(课题编号:2017YFC0602100)和国家自然科学基金项目“核脉冲信号链的数学构建与高速实时数字重构技术研究”(课题编号:41474159)。
  本文设计的针对硅漂移探测器的高速模拟多道,现阶段的主要研究成果有:
  1、为使本文设计的高速模拟多道具有高的脉冲通过率,本文设计了高速、低噪声的模拟前端电路,采用高速S-K滤波器与高速运算放大器实现宽度为1.3uS、上升沿350nS的高斯脉冲信号输出的设计目标,在高计数率情况下,可减少脉冲堆积,提高脉冲通过率;采用带宽达1GHz的JFET型高速运算放大器ADA4817设计了高速峰值采样与保持电路,可实现对350nS上升时间的准高斯信号的快速峰值采样与保持。
  2、基于新型5Msps高速逐次比较逼近(SAR)模数转换器与FPGA快速时序逻辑设计实现了仅需0.SuS的脉冲峰值采样,远小于传统模拟多道的几十uS,显著降低了模拟多道的死时间。
  3、快通道中采用快速反卷积电路对模拟前端输出脉冲信号进行反卷积,从而获得极窄的快通道触发信号,输出脉冲宽度仅为350nS、上升沿低至50nS、且输入信号在200kHz、2V的条件下均无明显的过冲,因此可显著降低多道系统的合峰效应,从而降低偶然脉冲丢失概率。
  4、采用MAX10系列的FPGA芯片完成了高速模拟多道的时序控制与ADC离散化数据的高速获取、传输,MAX10系列为Intel低成本、高性能、小体积、低功耗的FPGA,内部采用连续式分布布线结构使其速度更快、时序延迟可预测。
  5、结合数字多道的快通道设计,通过阈值比较的方式进行脉冲有无的判断,以及通过相邻脉冲的触发时刻判断脉冲是否堆积,可进一步提高模拟多道的计数率、降低死时间;FPGA芯片获取快通道的触发信号控制模拟开关将ADC的输入信号切换到基线,实时采集基线信号幅度,从而解决了传统模拟多道无法准确估计基线的问题。
  6、通过高速峰值采样与保持电路获取脉冲幅度,在降低ADC离散化数据的噪声、提高ADC采集数据的准确性与一致性的同时减小了FPGA算法的复杂度,进而达到高能量分辨率、功耗低、稳定性高的设计要求。
  7、从电源结构设计、PCB布局布线、芯片选型、器件参数选择等方面实现了输入电压范围宽、纹波噪声低、抗干扰能力强的设计目标,且仅需DC-2.5的接口即可实现电源供电,可支持7.2V~23V的供电范围。
[硕士论文] 董乐
物理电子学 郑州大学 2018(学位年度)
摘要:随着核控制技术的发展,核物质的放射性特点被越来越多地应用于国防、工业、农业、医学、环境和材料等领域,如核能发电、矿藏探测、环境监测、医学成像等。在所有这些应用中,对核物质放射性的实时定量检测必不可少。
  近年来,数字电子技术和计算机技术的快速发展为数字核放射性检测系统的发展创造了有利条件。目前,国内外现有的核放射性检测系统多是单路模式,即在同一时间只能检测一路信号。而且,我国现有的检测系统仍存在体积大、精度低、效率低等一系列问题。因此,针对以上问题研究开发多路核放射性检测系统,对于提高核放射性的检测水平,意义重大。
  本文论述的多路核放射性检测系统的设计,以MaPMT芯片、Xilinx公司的可编程逻辑器件XC6SLX45和意法半导体公司推出的基于Cortex-M4内核的微控制器STM32F407IG作为主要器件。系统中MaPMT芯片的64路通道通过外接亚德诺公司的AD5323调节全局阈值;FPGA内部采用VHDL语言设计实现脉冲信号的处理;STM32主要作为控制核心,对MaPMT芯片进行初始配置,同时作为FPGA和上位机通信的桥梁,与FPGA实现命令交互和数据传输,最后通过网络端口与上位机软件进行信息交互。系统采用ARM+FPGA的组合进行搭建,ARM比较适合于事务处理工作,用于系统的总体控制,FPGA的内部逻辑结构搭建灵活,管脚充足,用于多路数据信息的并行处理。
  该系统依据核电子学基本原理设计信号处理系统的单道脉冲幅度分析器,它是核放射性检测系统的重要组成部分。系统使用高集成度元器件替代传统的分立器件,有效减小了体积,降低了功耗。其内部构造了两个多路单道脉冲幅度分析器,可实现最多对64路探测器输入信号同时在两个能区检测分析。
  系统的硬件部分包括ARM、FPGA系统电路的设计,以及电源电路和网络接口电路的实现。
  软件设计包括ARM控制模块的软件开发和上位机测试软件的设计。
  通过对系统进行整体性能测试,包括各个通道的一致性,对比测试以及稳定性测试,经过数据分析表明,系统达到了预期的设计目标。
[硕士论文] 黄智超
精密仪器及机械 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:随着同步辐射光学的迅速发展,为纳米级的高空间分辨实验提供了可能,这对同步辐射光束线聚焦技术提出了更高的要求。同步辐射中使用的辐射光主要位于X射线波段,目前国内外多使用压弯镜以掠入射的方式进行X射线的聚焦。本文围绕同步辐射聚焦镜压弯机构的设计,介绍了压弯机构设计理论,完成了压弯机构的设计和校核,分析了理论面型误差对压弯镜面型精度的影响,提出了力矩加多点力的重力补偿方法。具体内容为:
  1.根据压弯机构设计理论,计算了压弯镜的有效长度、最大力矩和理论面型,完成了压弯机构的设计和校核。压弯机构垂直聚焦的有限元分析表明,在使用力矩加一点力进行重力补偿后,压弯镜面型斜率误差减小到0.102μrad。
  2.推导了压弯镜理论面型的计算过程,通过压弯镜面型理论值与有限元模拟值的对比,分析了压弯半径、镜子宽度、镜子高度和横截面剪力对面型误差的影响。压弯镜面型理论值与有限元模拟值的对比表明,压弯半径越大斜率误差越大;横截面剪力越大斜率误差越大;当镜子宽长比或高长比较大时,压弯镜不满足长直梁的假设,面型误差迅速增大。
  3.推导了压弯镜自重导致面型误差的理论计算过程,提出了力矩加多点力的重力补偿方法。压弯镜自重导致的斜率均方根误差为4.693μrad,采用力矩加一点力、力矩加两点力、力矩加三点力和力矩加四点力进行重力补偿后,自重导致的斜率误差分别为0.085μrad、0.028μrad、0.012μrad、0.007μrad。力矩加多点力与多点力补偿方法的对比表明,在镜子两端使用力矩进行重力补偿后,所需补偿力大小相应降低,面型斜率误差明显减小,力矩加一点力、力矩加两点力、力矩加三点力和力矩加四点力补偿后的斜率误差分别为没有力矩补偿时的36%、52%、61%、68%。力矩加多点力补偿重力的方法明显优于多点力补偿重力的方法。
[硕士论文] 程倩倩
材料科学与工程 河南师范大学 2018(学位年度)
摘要:CMOS器件是对光敏感的光学电子元件,当γ/X射线通过CMOS器件时,会在相应的介质上发生电离作用,产生可被传输的电荷,继而产生电信号,电信号经收集放大等可在CMOS传感器采集到的图像出现亮点。因此,CMOS图像传感器可被用于检测γ/X射线。本论文主要讨论设计了基于CMOS的γ/X射线探测系统,开展了CMOS对γ/X射线的能量分辨研究,解决了γ/X射线源在CMOS上成像后的能量算法、CMOS对γ/X射线图像的快速俘获和连续记录的关键问题,并在γ/X射线在不同条件下的反应进行了初步研究。主要从以下两个探测系统中开展研究实验:
  1.基于CMOS和ARM的探测设计
  探测系统主要由数据采集、数据分析显示及数据保存三部分组成。由于信号在CMOS的延迟效应,对于已经固化的摄像头或者摄像机程序,需要进行调整。即当时现有的技术对于实现γ/X射线测量具有局限性,必需加入人为调节参数对图像的获取频率(即每秒图像的帧数)进行调节。基于对ARM微控制器编程开发,我们实现了对CMOS图像获取的控制技术,边采集边分析图像数据,并顺利实现了单位时间获取和存储图像帧数的控制,以达到各种设计需求。
  2.基于CMOS的X射线探测研究
  探测研究主要由信号采集、显示、保存及数据分析四部分组成。信号采集与保存主要由市场上现有的监控设备完成,即利用监控设备对X射线进行连续俘获与记录。在X射线能量检测中,利用重庆市肿瘤医院X射线治疗模拟机,通过改变加速电压V、加速电流I和辐照时间t,采集不同情况下的图像,研究X射线治疗模拟机上辐射能量规律。利用上述两个探测系统完成相关辐射探测实验,对实验采集到的收据进行分析讨论,研究能量规律。
[硕士论文] 卢位
核资源与核勘查工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:按用途分类,核辐射成像系统主要分为两种,工业伽马相机和医用伽马相机。工业伽马相机主要用于远场成像,成像目标尺寸较大,射线能量较高;医用伽马相机多采用低能伽马射线,而且能量跨度太小,不能针对多种能量射线成像。肺部内污染成像介于工业用和医用之间,需要对对中高能量伽马射线的成像,同时也需要近场成像以获取更好的空间分辨率和探测效率。因此本文基于此种情况设计了一种在核事故情况下针对肺部内污染的辐射成像系统,对肺部中沉积的多种核素释放高能伽马射线进行成像,主要研究成果如下:
  1)建立了一套可用于肺部内污染情况下的成年男性胸腔放射源建模方法,可以在肺部均匀填充,核素也可在胸腔中放置不同形状的放射源的方法。
  2)根据标准成年男性肺部尺寸,设计了修正均匀冗余阵列(MURA)准直器和平行束(PB)准直器。MURA(61×61)准直器的材料为钨,密度为19.35g/cm3,开孔基本单元为8.8mm的方孔,尺寸为100cm×100cm×1.93cm;PB准直器开孔大小为2mm,小孔间隔厚度为1.2mm,材料为钨,尺寸为30cm×30cm×10cm。两种准直器均可以对肺部放射源进行成像。最后综合考虑肺部内污染成像测量的要求,选择了MURA准直器。
  3)根据MURA准直器的编码设计规则,设计了相应的探测器阵列模型,使用最大似然算法对模拟探测器获得数据进行反演,得到了放射源的分布图像。
[硕士论文] 王雨晴
物理学、粒子物理与原子核物理 河南师范大学 2018(学位年度)
摘要:北京谱仪Ⅲ(BESⅢ)是工作在北京正负电子电子对撞机Ⅱ(BEPCⅡ)上的大型通用磁谱仪,主要用于研究Τ-粲能区的物理过程。BESⅢ采集了1310.6×106的J/ψ数据样本,并且具有低本底、末态事例拓扑结构简单以及高探测效率等优点,为研究轻介子谱以及轻介子衰变提供了很好的场所。
  η'介子为理解低能量子色动力学中的直接的对称性破缺机制提供了一个独一无二的场所,而且它的衰变在检验低能量子色动力学有效理论中扮演着重要的角色。基于手征微扰理论、线性σ模型和矢量介子为主模型,理论预言η'→γγη的分支比为2.6×10-4,并认为该过程中矢量介子的贡献是主要的。
  J/ψ→γη'的分支比较大,为5.15×10-3。目前,BESⅢ探测器已采集1.31×109个J/ψ事例,相当于6.75×106个η'事例,为寻找和研究η'的稀有衰变提供了有利的条件。本文首次利用J/ψ→γη',开展了η'→γγη的寻找。经过详细的数据分析,没有在γγη质量谱上观测到明显的η'信号。采用贝叶斯方法,确定了该衰变过程在90%置信度下的分支比上限,B(η'→γγη)<1.18×10-4。该上限明显小于理论预言。
  在2017和2018年,BESⅢ探测器又采集了3.7×109个J/ψ事例。将来可以利用该高统计量事例样本深入研究该衰变过程,进一步检验手征微扰、线性σ和矢量介子为主理论模型。
[博士论文] 朱志甫
微电子学与固体电子学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:中子不带电,它与原子核相互作用时不受库仑势力的阻挡。先进的中子探测技术是开展精密中子物理实验的基础,在核反应堆、新能源技术、核武器研究和设计等领域发挥着重要作用。然而,中子探测器在中子探测技术中是最前端器件且最为关键部件之一。目前,基于核反应法制备的第一代6Li夹心半导体硅中子探测器具有功耗低、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点被广泛采用,在许多应用领域替代3He正比计数管、BF3正比计数管和闪烁体探测器。但是,在中子测井、油气勘探、地下探矿、核电站放射性检测等领域,中子探测器面临高温或强辐射的恶劣工作环境。这些应用领域都对半导体中子探测器提出了新的性能要求。由于第三代宽禁带氮化镓材料具有禁带宽度大、位阈能大、高击穿电场、高电子饱和速率、高热导率、高击穿电场和良好的化学稳定性等优异特性,基于GaN基的中子探测器具有耐辐照、耐高温、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点,非常适合作为新一代半导体中子探测器,具有很好的应用前景。本文根据中子与GaN的相互作用和探测机理,围绕GaN器件的制备工艺和中子转换层的性质及特点,设计并制备了GaN基中子探测器,并对其性能和相关物理机制进行了系统研究。本文主要研究内容和结果如下:
  (1)利用SRIM及MCNP软件模拟仿真了alpha粒子在GaN材料中的射程、电荷输运特性、器件结构对电荷收集效率的影响,建立了alpha粒子探测器的仿真模型;仿真了不同厚度的6LiF转换层对中子转换效率的影响。根据理论仿真分析结果,设计了探测器的器件结构。利用MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长了GaN基pin结构,讨论了n和p型GaN的欧姆接触及肖特基接触,分析了界面态对欧姆接触及肖特基接触的影响;并且根据讨论结果,制备了pin结构alpha粒子探测器。根据制备的pin探测器,测试了探测器的电学性能,包括I-V、C-V;利用241Am源,测试了器件在不同电压不同面积下的电荷收集效率,alpha能谱。测试结果表明,由于GaN存在着很强的极化效应,在偏压为0V时,探测器的漏电流最小,能谱分辨率最好。
  (2)GaN作为第三代宽禁带直隙半导体材料,应用在核辐射探测方面的主要优势是耐高温和耐辐照。本文开展了GaN基pin探测器的高温测试,测试温度范围从290K到475K。测试结果表明,当温度升高到475K时,探测器的FWHM变化很小。由此说明,GaN基核辐射探测器能够工作在475K以上的环境中。本文还开展了高能10MeV电子辐照对GaN基pin alpha粒子探测器性能影响的实验研究。采用不同注入剂量的电子,对探测器的电学性能、alpha粒子能谱等特性进行了详细的测试和分析。研究结果表明,当注入剂量大于100KGy时,器件的性能开始退化,电荷收集效率也开始变差。
  (3)基于核反应法探测中子的原理,针对中子转换层的关键材料6LiF,模拟仿真了不同厚度对中子转换效率的影响;结合目前转换层的薄膜制备方法的难点,重点开展了热蒸发和溶胶法制备6LiF薄膜工艺的研究,从表面形貌、晶体质量和薄膜生长速率方面,探讨了不同工艺条件下的制备方法。研究结果表明,该法工艺简单,制备的薄膜性能较好。结合制备的6LiF中子转换层,利用241Am-Be快中子中子源开展了GaN基pin中子探测器的快中子的测量实验研究,利用高密度聚乙烯将快中子转换为热中子,采用脉冲计数,实现了中子探测。实验结果表明,当6LiF的厚度为16.9μm,聚乙烯厚度为7mm,反向偏压为-10V时,探测器的中子探测效率为1.7%。
  通过对GaN基中子探测器的理论分析、模拟仿真、器件结构设计、外延生长及表征、alpha粒子探测性能、耐高温和耐辐照性能测试、6LiF制备及快中子探测性能等关键问题进行了有针对性的研究。扩展了GaN基核辐射探测器的应用领域,在国际上首次成功的制备了基于6LiF的GaN基中子探测器。基于以上研究工作,证明了GaN材料作为核辐射探测器具有耐高温和耐辐照优势,可以开展GaN基核辐射探测器在工业中的应用。
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