一種便攜式γ輻射譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于放射性檢測儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式γ輻射譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 受行業(yè)發(fā)展以及國外涉核技術(shù)限制等因素的制約，國內(nèi)譜儀技術(shù)近20年來沒有 十分顯著的發(fā)展，與國外存在很大差距，至今尚未有成熟被市場廣泛接受的數(shù)字多道譜儀 或便攜式γ劑量儀產(chǎn)品推出。
[0003] 近年來，國外各個譜儀生產(chǎn)廠家推出了多款基于CZT探測器的數(shù)字化便攜式譜 儀，主要有Thermo公司和Target instrument公司合作推出的Interceptor能譜式個人福 射探測系統(tǒng)、ICX公司研制的microRaider、Lawrence Berkeley國家實驗室研發(fā)的一款袖 珍譜儀、韓國漢陽大學開發(fā)的改進型CZT手持式放射性同位素檢測儀（HRI)、SAIC公司生產(chǎn) 的GR-135數(shù)字化便攜式γ譜儀、kromek公司的RayMonlO?便攜式譜儀、SIM-MX公司研 制的 CrystalCam。
[0004] 這些譜儀使用單個CZT探測器，單一能譜分析方式，導致探測器效率不高，最終的 劑量值精準度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中便攜式γ輻射譜儀使用單個CZT探測器，單一能 譜分析方式，導致探測器效率不高，最終的劑量值精準度不高的問題。
[0006] 為此，本發(fā)明提供了一種便攜式γ輻射譜儀，其技術(shù)方案是：一種便攜式γ輻射 譜儀，包括供電系統(tǒng)、探測器系統(tǒng)以及信號處理系統(tǒng)，其中探測器系統(tǒng)包括由上下疊加在一 起的兩個單層CZT探測器所組成的疊層CZT探測器；所述供電系統(tǒng)與探測器系統(tǒng)連接并供 電給疊層CZT探測器；所述的兩個單層CZT探測器輸出的電信號并聯(lián)后接入信號處理系統(tǒng)。
[0007] 上述供電系統(tǒng)包括鋰電池組以及與該鋰電池組連接的將鋰電池組輸出的電壓為 5V的低壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍秶鸀?00~500伏的高壓的直流轉(zhuǎn)直流變壓單元，該直流轉(zhuǎn)直流變 壓單元的用于輸出高壓的高壓模塊與探測器系統(tǒng)的疊層CZT探測器連接，將高壓電供給探 測器系統(tǒng)。
[0008] 上述的兩個單層CZT探測器的具體疊加方式是：位于上方的單層CZT探測器封裝 于PCB板上表面，且該單層CZT探測器下方的PCB板為鏤空結(jié)構(gòu)，位于下方的單層CZT探測 器與位于上方的單層CZT探測器相對，且位于下方的單層CZT探測器封裝于另一塊PCB板 上，兩塊PCB板的四個角上通過接插件固定在一起；兩塊PCB板均電連接有將電信號輸入到 信號處理系統(tǒng)的電信號引出線。
[0009] 上述單層CZT探測器的長寬厚尺寸是20mmX IOmmX 5mm。
[0010] 上述信號處理系統(tǒng)包括前置放大及信號預(yù)處理模塊、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信 號處理模塊以及能譜存儲單元；所述前置放大及信號預(yù)處理模塊將接收到的探測器系統(tǒng)輸 出的電信號處理后輸送到ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將接收到的電信號處理后 輸送到數(shù)字信號處理模塊，數(shù)字信號處理模塊將接收到的電信號處理后輸送到能譜存儲單 J Ll 〇
[0011] 上述前置放大及信號預(yù)處理模塊包括前置放大電路以及與該前置放大電路連接 的信號預(yù)處理模塊；前置放大電路將探測器系統(tǒng)輸出的電信號處理后輸送到信號預(yù)處理模 塊，以濾除疊加在半導體探測器輸出信號中的高壓電源的噪聲信號以及對探測器輸出的信 號進行成形處理；所述信號預(yù)處理模塊由CR微分成形電路組成。
[0012] 上述ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用連續(xù)采樣高精度的快速低功耗ADC。
[0013] 上述數(shù)字信號處理模塊是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字濾波成形、數(shù)字基線恢復、數(shù)字堆積識別 以及幅度提取功能的FPGA器件；該FPGA器件包括ADC控制模塊、平滑模塊、尋峰模塊、Fifo 模塊以及USB控制模塊；電信號依次通過ADC控制模塊、平滑模塊、尋峰模塊、Fifo模塊以 及USB控制模塊，并被各模塊處理。
[0014] 上述能譜存儲單元是同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的優(yōu)點包括：
[0016] 1)高度集成化，將探測器、多道脈沖分析器集合在一起，并采用內(nèi)置電池供電，集 劑量率、中子和γ測量、核素識別等功能于一身。高度集成化、數(shù)字化及智能化的設(shè)計，使 其實現(xiàn)了體積小、重量輕、精度高的功能，便于其便攜化使用。
[0017] 2)數(shù)字化：利用數(shù)字信號處理技術(shù)完成脈沖處理，提高儀器的整體性能。
[0018] 3)智能化：應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)，通過IXD屏幕監(jiān)控儀器，擺脫外置計算機控制的 限制。
[0019] 4)針對不同應(yīng)用背景和需求，進行探測器設(shè)計和制備，有利于認識射線與材料作 用的基本原理以及載流子在晶體內(nèi)傳輸?shù)幕拘再|(zhì)，發(fā)展?jié)M足不同應(yīng)用需求的高性能制備 技術(shù)。
[0020] 5)前置放大電路選擇單通道ASIC前方芯片，輸出信號連接到一個CR微分成形電 路，一方面濾除疊加在半導體探測器輸出信號中的高壓電源的噪聲信號，另一方面探測器 輸出的信號實現(xiàn)簡單的成形處理。
[0021] 6)溫度變化可影響迀移率以及信號處理系統(tǒng)，是發(fā)生峰漂移最主要的原因，軟件 設(shè)計時用能量補償?shù)霓k法，實現(xiàn)便攜式γ譜儀的工作溫度為-20°c~50°C。
[0022] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖；
[0024] 圖2是疊加式CZT探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3是信號處理流程圖；
[0026] 圖4是探測器及前放部分原理；
[0027] 圖5是疊加式CZT探測器具體工作情況示意圖；
[0028] 圖6是FPGA器件的電路構(gòu)成示意圖。
[0029] 附圖標記說明：1、單層CZT探測器；2、PCB板；3、接插件；4、供電系統(tǒng)；5、探測器 系統(tǒng)；6、信號處理系統(tǒng)；7、鋰電池組；8、高壓模塊；9、前置放大電路；10、信號預(yù)處理模塊； 11、能譜存儲單元；12、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；13、數(shù)字信號處理模塊；14、ADC控制模塊；15、平 滑模塊；16、尋峰模塊；17、Fifo模塊；18、USB控制模塊。
【具體實施方式】
[0030] CZT作為一種具有優(yōu)異光電性能的三元固溶體化合物半導體材料，由于其平 均原子序數(shù)高，且具有較大的禁帶寬度（室溫下Eg約為1.57eV)、較高的電阻率（室 溫下P >1010Ω · cm)、優(yōu)異的載流子傳輸特性（電子迀移率ye>l〇〇〇cm2/V · s，壽命 Te>l〇-5s)、工作時漏電流和噪聲較低等優(yōu)良特性，成為制備室溫核輻射探測器較為理想 的材料，目前采用CZT晶體制備的X射線、γ射線探測器已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、核醫(yī)學、 工業(yè)無損檢測、安全檢查、核武器突防、航空航天、天體物理和高能物理等領(lǐng)域，成為替代傳 統(tǒng)的Si，Ge以及閃爍體探測器的升級換代產(chǎn)品。
[0031] 本發(fā)明基于疊加的兩個單層CZT探測器1，采用多能段能量分析方法，制備便攜式 γ輻射譜儀。當儀器中的探測器接收到外部的射線，反應(yīng)產(chǎn)生電信號，該電信號輸出給信號 處理系統(tǒng)6,經(jīng)過信號處理系統(tǒng)6處理，再通過軟件處理系統(tǒng)，在IXD屏幕上最終顯示輻射劑 量。本發(fā)明包括供電系統(tǒng)4、探測器系統(tǒng)5以及用來實現(xiàn)信號處理功能的信號處理系統(tǒng)6， 其探測器系統(tǒng)5即為上下疊加在一起的兩個單層CZT探測器1，并將兩個單層CZT探測器1 的電信號并聯(lián)后接入信號處理系統(tǒng)6 ;供電系統(tǒng)4與探測器系統(tǒng)5連接并供電給兩個單層 CZT探測器1所組成的疊層CZT探測器。本發(fā)明的主要的三大功能系統(tǒng)組成及其介紹具體 如下，其各系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。
[0032] 具體內(nèi)容包括：
[0033] 一、供電系統(tǒng)
[0034] 供電系統(tǒng)4包括鋰電池組7以及與該鋰電池組7連接的將鋰電池組7輸出的低壓 轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏旱闹绷鬓D(zhuǎn)直流變壓單元，該直流轉(zhuǎn)直流變壓單元的用于輸出高壓的高壓模塊8 與探測器系統(tǒng)5的疊層CZT探測器連接，將高壓電供給探測器系統(tǒng)5。即該供電系統(tǒng)4通過 一個直流轉(zhuǎn)直流的變壓系統(tǒng)，將鋰電池輸出低壓轉(zhuǎn)換為高壓供給CZT探測器；其中鋰電池 組7輸出的低壓的電壓為5V ;直流轉(zhuǎn)直流變壓單元輸出的高壓的電壓范圍為200~500V。
[0035] 二、CZT探測器系統(tǒng)
[0036] 現(xiàn)有的便攜式γ劑量儀更關(guān)注計數(shù)，普遍采用一塊單獨的CZT探測器，當射線 能量較高時，會穿透CZT探測器，導致這部分的能量未不檢測記錄，最終導致劑量的精 確度不高，該系統(tǒng)采用疊加式的CZT探測器。使用2個PCB板2將2塊長寬厚尺寸是 20_X 10_X 5mm的探測器封裝，疊加。該尺寸的探測器由西北工業(yè)大學和陜西迪泰克新材 料有限公司共同研制生產(chǎn)，采用了使用新型高壓布里奇曼法生長的CZT單晶。
[0037] 圖2顯示了兩個單層CZT探測器1疊加組成