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低功耗一体化多道γ能谱仪的设计与实现

作　者: 姜赞成
导　师: 方方
学　校: 成都理工大学
专　业: 核资源与核勘查工程
关键词: γ能谱低功耗 GPS 一体化 OLED
分类号: TL817.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 284次
引　用: 9次
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内容摘要

随着全球核电发展的第二个高峰期的到来,核燃料资源将同石油资源一样在世界能源危机的背景下显得格外重要。世界各国对核燃料资源的探索和战略储备势必成为新的竞争焦点。未来几十年内全球对核燃料巨大的需求对铀矿的勘探和开采提出了严峻的挑战。对此,γ能谱测量方法将在铀矿资源勘探和开发中将发挥着极其重要的作用。γ能谱测量是一种重要的核地球物理方法,是解决地球科学、环境科学等有关问题的主要手段之一。根据所测的γ射线能谱,可获得γ辐射总量以及铀、钍、钾等元素含量以及其它有关元素及岩性信息,根据这些信息,我们不仅可以进行铀矿勘探,而且还可以将其应用于地质填图,油气勘测,寻找各种金属和非金属矿产等。除此之外,γ能谱测量也在放射性污染监测领域发挥着重要的作用,同样能服务于建材和环境中的放射性监测等。然而,γ能谱测量方法必须以γ能谱测量仪器提供的科学数据为基础。为了更准确地获得伽玛能谱测量与分析的结果并能适用于野外现场测量,研究能方便地测量和处理能谱数据的多道伽玛能谱仪永远是一个十分重要的课题,伽玛能谱仪的研究是国内外很热门的一个领域,它广泛服务于地质工业、医疗卫生、环境放射性监测等。经调研,当前常用的野外γ射线能谱仪从结构上均采用了主机和探头分离设计和工作的模式,连续工作时间一般为10小时以内,操作台主机重量一般大于3kg。在长时间的现场应用中表现有以下不足:主机和探头分离设计导致野外单个工作人员难以开展工作,在野外移动测量中必须一人值守并移动探头,一人操作并监视仪器主机;仪器本身重量相对野外现场测量的便携性要求来说仍然不够,还没有完全实现便携性自由工作的效果;作为便携仪器功耗相对比较大,仪器一次充电(供电)连续工作时间难以达到数天要求,这对于野外现场测量,特别是在充电条件不足的地区仪器需要数天工作时,对因功耗较大而不能长时连续工作需频繁充电的γ能谱的使用成了一个很大的制约,从而难以对这样的地区进行更方便地科学考察;仪器没有自动对测量数据进行地理位置定位功能,这对地区成矿测量的分布分析形成了一定的误差,难以准确定位。采用人工分离定位方式会因数据量大而造成定位信息匹配遗漏或出错,同时降低了工作效率。基于传统的谱仪的不足,针对谱仪在野外和现场测量的实际要求,结合对当前市场的谱仪的调查研究,依托于电子技术微型化的发展,本文提出了γ能谱仪的低功耗一体化设计方案,将NaI(Tl)探头与主机操作台集成为一体,使之满足于现场核测量仪体积小、重量轻、低功耗、高性能、分析速度快等要求。基于γ能谱测量原理,以资源丰富的C8051F120单片机作为微处理器,对NaI(Tl)探测器(Ф75×75mm )与γ多道能谱测量分析系统以及现场GPS定位系统进行手持式一体化设计,结合智能电源管理系统的设计实现仪器在低功耗下完成对镭(铀)、钍、钾含量分析和活度分析以及γ辐射剂量率分析。经过为期一年多的设计和开发工作,本文取得的主要成果为:1.在结构设计上,采用高灵敏度的Ф75×75mm NaI(Tl)晶体,同时与多道分析系统进行一体化设计;2.在系统功能上,完成传统的γ能谱测量分析的同时,把GPS技术作为一种可选功能形式集成到系统中,方便对测点现场的定位要求;3.在系统功耗上,采用低功耗电源设计方案,使整机功耗<400mW (可控待机功耗约100mW);4.在人性化设计方面,仪器采用最新的OLED显示技术提供了更人性化的人机交互界面,同时仪器采用USB接口,方便与计算机后台数据库相连接,以便数据的二次分析;5.在技术指标上,能量分辨率优于12%(铯137源),256道全谱显示,GPS定位精度水平误差<3米,整机重量<3kg。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 论文选题背景和研究意义  10-11
  1.2 Γ能谱仪国内外研究应用现状  11-13
  1.3 本论文的主要研究内容  13
  1.4 论文特色与创新  13-15
第2章 Γ测量的理论基础及谱仪一体化设计方案  15-24
  2.1 Γ能谱测量的基本原理  15-18
    2.1.1 γ射线的产生  15-16
    2.1.2 γ射线的探测  16
    2.1.3 闪烁体探测器  16-17
    2.1.4 γ能谱测量原理  17-18
  2.2 Γ能谱仪功能原理  18-19
  2.3 多道Γ能谱仪的手持式一体化设计  19-24
    2.3.1 传统的便携式谱仪结构  19-20
    2.3.2 谱仪的一体化设计  20-21
    2.3.3 一体化实现方案  21
    2.3.4 一体化机械结构  21-24
第3章谱仪硬件结构设计  24-44
  3.1 硬件结构总体  24-26
    3.1.1 硬件结构框图  24-25
    3.1.2 电路结构实施方案  25-26
  3.2 核脉冲信号调理电路  26-30
    3.2.1 脉冲信号线性放大  27
    3.2.2 多道脉冲幅度分析器（MCA）  27-30
  3.3 谱仪中央处理控制器  30-35
    3.3.1 C8051F120 微控制器  30-33
    3.3.2 AD 转换  33-35
    3.3.3 存储器扩展SPI 接口  35
  3.4 USB 及液晶接口人机交互电路  35-40
    3.4.1 USB 数据接口电路  36-37
    3.4.2 基于OLED 液晶显示器  37-40
    3.4.3 键盘接口电路  40
  3.5 实时时钟和温度监测电路  40-42
    3.5.1 RTC 时钟电路  40-41
    3.5.2 谱仪工作环境温度监测  41-42
  3.6 稳谱控制  42-43
  3.7 电源系统及GPS 在谱仪中的嵌入设计  43-44
第4章谱仪的低功耗电源设计及电源管理系统  44-52
  4.1 谱仪低功耗设计概述  44
  4.2 谱仪DC 供电系统  44-48
    4.2.1 CPU 供电电源  45-46
    4.2.2 谱仪液晶驱动电源  46-47
    4.2.3 MAX1795 的应用  47-48
    4.2.4 谱仪高压转换系统  48
  4.3 谱仪充电系统  48-50
  4.4 谱仪电源智能管理系统  50-52
第5章 GPS 在Γ谱仪中的嵌入设计  52-57
  5.1 GPS 在Γ谱仪器中的应用意义  52
  5.2 GPS 系统简介  52-53
  5.3 Γ谱仪中GPS 模块选型  53-55
  5.4 GPS 模块LEA-4H 在谱仪中的嵌入应用  55-57
    5.4.1 GPS 电源设计  55
    5.4.2 GPS 天线设计  55-56
    5.4.3 LEA-4H 在γ谱仪中的电路实现  56-57
第6章 Γ能谱仪软件设计  57-65
  6.1 系统软件功能框架  57-58
  6.2 系统主函数程序设计  58-59
  6.3 谱数据采集相关程序  59-61
    6.3.1 脉冲信号A/D 转换函数  60-61
    6.3.2 定时器程序  61
  6.4 人机接口程序设计  61-63
    6.4.1 OLED 液晶接口软件设计  61-62
    6.4.2 键盘响应函数  62
    6.4.3 USB 驱动程序  62-63
    6.4.4 GPS 数据通信  63
  6.5 谱处理软件算法  63-65
第7章系统性能测试  65-69
  7.1 系统功耗测试  65
  7.2 峰值电压与道址关系测试  65-66
  7.3 系统能量分辨率  66-67
  7.4 系统稳定性  67
  7.5 主要指标  67-69
结论  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-73
攻读学位期间取得学术成果  73

低功耗一体化多道γ能谱仪的设计与实现

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