阅读说明：本技术 一种低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法 (Low-cost desktop type scintillation detection system and multi-spectrum method ) 是由 邓贞宙 唐庆 李永绣 王玉皞 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及闪烁探测技术领域,提供一种低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法,其包括PC机、电压管理模块、闪烁探测装置、信号处理模块和微控制模块；所述PC机用于对闪烁探测系统进行测试操作、以太网连接和能谱显示；所述电源管理模块为闪烁探测系统的各个工作模块提供工作电压；所述探测器模块探测物质发生电离辐射时产生的闪光,将伽马射线转化为电信号,获取连续的脉冲信号；所述信号处理模块用于将探测器模块产生的微弱的不稳定的信号进行放大和滤波处理,输出稳定的连续脉冲信号到微控制模块；所述微控制模块将连续脉冲信号通过多谱方法对数据进行采样实现模数转换,再对转换后的数字信号进行处理,传输到PC机显示器显示能谱图。(The invention relates to the technical field of scintillation detection, and provides a low-cost desktop scintillation detection system and a multispectral method, wherein the desktop scintillation detection system comprises a PC (personal computer), a voltage management module, a scintillation detection device, a signal processing module and a micro control module; the PC is used for carrying out test operation, Ethernet connection and energy spectrum display on the scintillation detection system; the power supply management module provides working voltage for each working module of the scintillation detection system; the detector module detects flash light generated when ionizing radiation occurs to a substance, converts gamma rays into electric signals and acquires continuous pulse signals; the signal processing module is used for amplifying and filtering weak unstable signals generated by the detector module and outputting stable continuous pulse signals to the micro control module; the micro control module samples the continuous pulse signals to data through a multi-spectrum method to realize analog-to-digital conversion, processes the converted digital signals and transmits the digital signals to a PC display to display an energy spectrum.)

一种低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法

技术领域

本发明涉及辐射探测技术领域，尤其涉及一种低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法。

背景技术

随着核技术的快速发展，在人们的日常生活中越来越大可能地接触到放射性物质，尤其在车站安检、出入境检验检疫、环境检测和医用医疗等各个方面，都涉及到放射性核素的识别，因此加强核辐射的探测技术变得尤为重要。目前主要采用的闪烁探测器进行检测，但是当前采用的探测器普遍存在造价成本高以及能谱技术不稳定等问题，造价高使得探测器难以得到广泛的应用，检测的能谱技术不稳定则会给检测结果带来很大的不确定性。

针对当前闪烁探测器存在的问题，本发明提供一种低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、操作便捷并采用多种数字化的多谱方法，即多谱方法，采用数字化方法能有效地提高技术稳定性，提高能谱准确性。

为实现上述目的，本发明提供的低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法采用的技术方案是：

包括USB接口110、电源管理模块200、闪烁探测模块300、信号处理模块400、微控制模块500和PC机600，其中：

所述USB接口100，用于连接闪烁探测器与市电，以及连接闪烁探测器和PC机；所述低成本桌面式闪烁探测系统设置有两个USB接口，一个通过一根USB数据线与充电插头相连，是整个系统的充电接口，充电插头将市电220V的交流电压变成5V的直流电压，再通过USB数据线传输给USB接口，对锂电池进行充电，为系统提供工作电压；另一个USB接口用于连接闪烁探测系统与PC机，从而可以通过PC机对闪烁探测系统进行操作，并在将操作界面和能谱图通过PC机的显示器显示出来，还可以将系统测试到的数据传输到PC机。

所述两个USB接口，在结构上是一样的，在使用过程中，两个USB接口不进行区分，同时，在低成本桌面式闪烁探测系统正常工作时，两个USB接口需要同时使用，与市电连接的USB接口输出5V直流电压到电源管理模块200。

所述电源管理模块200，包括电池充电电路210、可充电锂电池220、3.3V稳压电路230、5V稳压电路240、30.6V升压电路250和电源开关电路260，其中，电源管理模块用于给各个模块提供工作电压；

电池充电电路210，隶属于电源管理模块200，用于将USB接口100输出的5V直流电压给可充电锂电池充电，为系统提供工作电压；

可充电锂电池220，隶属于电源管理模块200，采用可反复充电的锂电池，输出电压为3.6V至4.2V；

3.3V稳压电路230，隶属于电源管理模块200，将可充电锂电池输出的3.6V-4.2V的电压转化成稳定的3.3V电压，为系统的各个模块提供稳定的工作电压；

5V稳压电路240，隶属于电源管理模块200，USB接口100提供的5V电压经过充电电路会产生损耗，从而电压偏低，通过所述5V稳压电路，将电压稳定在5V，为后面的升压电路提供输入电压；

30.6V升压电路250，隶属于电源管理模块200，闪烁探测模块的启动电压必须高于30V，通过所述30.6V的升压电路为闪烁探测模块提供输入；

电源开关电路260，隶属于电源管理模块200，通过设置在外壳上的操作按键实现对整个能谱仪系统进行开关机的控制。

所述闪烁探测模块300，用于探测电离辐射在某些物质中产生的闪光，将光信号转换为电脉冲信号；

闪烁探测模块300，包括闪烁晶体310、光传输器件320、光电倍增管330和前置放大电路340；其中，闪烁探测模块300将光信号转换为电脉冲信号，并将所述电脉冲信号输出给信号处理模块400；

闪烁晶体310，隶属于闪烁探测模块300，系统所采用的闪烁晶体可以是单晶也可以是晶体阵列，所述闪烁晶体用于当入射辐射摄入闪烁晶体时，在闪烁晶体中产生能量损耗，引起闪烁原子的电离和激发，从而受激发的电子发出可见光，其中，闪烁晶体中产生的可见光输出给光传输器件320；

所述光传输器件320，隶属于闪烁探测模块300，用于将接收闪烁晶体310输出的可见光，并将接收到的可见光输出给光探测器件光电倍增管330；光传输器件设置在闪烁晶体和光电倍增管之间，与光电倍增管耦合，传输可见光，并保护晶体；

光电倍增管330，隶属于闪烁探测模块300，与光传输器件320的第二端相连，用于收集从光传输器件输出的可见光；

光子经过光传输器件传输打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子在光电倍增管各倍增级内倍增，最后在光电倍增管的阳极聚集，形成脉冲幅度与辐射射线的能量成正比电脉冲信号，输出的脉冲个数与入射的辐射射线的强度成正比，其中，在光电倍增管内产生的电脉冲信号输出给前置放大电路340；

前置放大电路340，隶属于闪烁探测模块300，用于将从光电倍增管输出的微弱的不稳定的电脉冲信号进行放大处理，从而得到相对稳定的连续脉冲信号，并将得到的连续脉冲信号输出给信号处理模块400。

所述信号处理模块400，用于对闪烁探测模块300输出的连续脉冲信号进行放大和滤波处理；

信号处理模块400，包括放大电路410、滤波电路420，用于对信号进行放大和滤波，并将处理后的信号输出给微控制模块500；

放大电路410，隶属于信号处理模块400，将从闪烁探测模块300传输来的微弱的连续脉冲信号进行放大，放大器电路采用AD8032ARZ芯片，AD8032内部可看为由两个集成运放组成,因此在电路我们将第一级输出作为第二级输入,同时第二级输出接入第二级反相输入端作为反馈,在IOUT2端口输出放大后的信号，放大的信号输出给滤波电路420；

滤波电路420，隶属于信号处理模块400，将经过放大电路传输来的放大信号进行滤波处理，将不符合所需信号要求的干扰信号滤除掉，使信号更加稳定，抗干扰性更强，滤波电路将信号输出给微控制模块500。

所述微控制模块500，对能谱仪通过设置在外壳上的按键来进行系统的开关机操作；同时采集探测数据并保存数据；实现连续脉冲信号的A/D转换；

微控制模块500，包括时钟模块510、按键模块520、数据存储模块530、ADC数据采集模块540和主控制模块550，微控制器模块将转换成的数字信号和操作界面传输给PC机，进行显示和界面操作；

时钟模块510，隶属于微控制器模块500，包括一个32.768KHz的低速外部时钟电路和一个8MHz的高速外部时钟电路，为微控制模块提供时钟工作源；

按键模块520，隶属于微控制器模块500，通过设置在外壳上的按键来实现系统的开关机操作；

数据存储模块530，隶属于微控制器模块500，将闪烁探测系统采集到的数据存储到储存卡中，记录探测数据；

ADC数据采集模块540，对信号处理模块中经过放大、滤波处理后的脉冲信号进行采样，实现对数据的A/D转换，对转换后的数字信号进行处理，将处理后的数字信号传输到显示器；

ADC数据采集模块540，隶属于微控制模块500，包括时间采集模块541和电压阈值模块542；

时间采集模块541用于控制电压阈值模块542的采样间隔；

电压阈值模块542将模拟信号进行电压阈值实现拟合；

主控制模块550，隶属于微控制器模块500，主控制模块采用的芯片是STM32F103C8T6，该芯片满足该系统的所需接口和功能；可以实现对电池电量的监测，在系统即将关闭时，电源管理模块给微控制器的主控制模块发生一个关机信号，主控制模块收到所述关机信号后会在关机前将数据保存，然后给电源管理模块发生一个关机信号，电源模块收到所述关机信号后关闭电源，系统停止工作。

所述PC机600，包括主机610和显示器620；通过一根USB数据线与闪烁探测系统的USB接口相连，实现闪烁探测系统与PC机的连接；PC机可以对系统的操作界面和能谱进行显示，并对系统进行操作；

主机610，用于识别探测系统，与系统进行连接，并对探测系统进行多种数字化生成能谱操作、能谱显示操作和数据传输与存储操作；

显示器620，用于显示系统的操作界面和能谱图。

从本发明所采用的技术方案可以知道，低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法，具有简单的操作方法，探测器能够有效、稳定地捕获伽马光子，并通过多谱方法，可以获得稳定的能谱图。

为实现有效地提高技术稳定性和提高能谱准确性，本发明提供的低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法，具体步骤包括：

S1：探测系统有两个USB接口100，一个用于连接市电和闪烁探测系统的电源管理模块200，通过USB数据线为探测器系统提供5V的电压，另一个USB接口用于连接探测器系统和PC机600，用于将能谱图通过数据线传输给显示器，还可以将保存的探测数据传输到PC机；

S2：电源管理模块200通过USB接口100对系统进行充电，USB接口提供5V的电压，再通过电源管理模块200中的3.3V稳压电路230、5V稳压电路240和30.6V的升压电路250来获得不同大小的电压，从而为闪烁探测系统的各个模块提供不同工作电压；

S3：入射辐射射入闪烁晶体310并在闪烁晶体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子经过光传输器件320传输到在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子的光电倍增管内倍增，最后电子经阳级进入信号处理电路，形成脉冲幅度与辐射射线的能量成正比电脉冲信号，光电子经过倍增管形成的微弱的不稳定的电脉冲信号经过前置放大电路340的信号放大处理，形成相对稳定的脉冲信号。

S4：闪烁探测模块300输出稳定的脉冲信号到信号处理模块400，信号处理模块包括放大电路410和滤波电路420，放大电路将连续脉冲信号通过进行放大，然后将放大后的脉冲信号传输到滤波电路420，对脉冲信号进行滤波，再将滤波后的信号传输给微控制模块。

S5：微控制器模块主要是对步骤S3中经过放大、滤波处理后的脉冲信号进行采样，实现对数据的A/D转换，对转换后的数字信号进行处理后，将处理后的数字信号传输到PC机显示屏进行能谱显示。

S6:PC机包括主机和显示器，主机用于对能谱仪进行测试操作，显示器用于显示操作界面和探测系统输出的能谱图。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1是本发明实施例提供的低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法的结构示意图；

图2是本发明低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法中电源管理模块的结构框图；

图3是本发明低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法中闪烁探测模块的结构框图；

图4是本发明低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法的一种样机模型图。

其中，1、光电子，2、闪烁晶体，3、光电倍增管，4、光电子，5、模拟脉冲信号，6、显示器，7、主机，8、USB接口，9、USB数据线，10、探测器外壳，11、探测器开关按键，12、充电电源，13、电源插座，14、USB接口，15、支撑底座。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1至图4所示，

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，低成本桌面式闪烁探测系统由六部分构成，其中，

第一部分为USB接口100，系统设置有两个一样的USB接口100，使用时不进行区分，分别用于连接探测器与市电和探测器与PC机，即与电源管理模块200、PC机连接，USB接口100为整个系统的充电接口，充电插头将市电220V的交流电压变成5V的直流电压并通过USB数据线接给USB接口，最后提供给系统一个5V的直流电压；USB接口采用的是标准的MicroUSB接口，Micro USB接口的体积小,在电路板上所占的面积小；只有两个USB接口都正确连接好之后，系统才能正常工作。

第二部分为电源管理模快200，所述电源管理模块200通过不同的电压调节电路来调节所需的工作电压，其包括充电电路210、可充电锂电池220、3.3V稳压电路230、5V稳压电路240、30.6V升压电路250、电源开关电路260；

如图2所示，充电电路210主要将USB接口输出的5V的直流电压给锂电池安全充电管理，本探测器系统中电池充电电路中的芯片采用CN3052A，CN3052A可以对单节锂离子或者锂-聚合物可充电电池进行恒流或恒压充电，输出4.2V的电压，精度能够达到1％；可充电锂电池220采用可反复充电的锂电池，输出电压为3.6V至4.2V；3.3V稳压电路230主要功能是将电池输出的3.6V-4.2V的电压转换成稳定的3.3V电压，给系统的各个模块提供工作电压，本探测系统的3.3V稳压电路230采用的稳压芯片为TPS62291，TPS62291是一款效率可达96％的高效同步降压DC/DC转换器，经优化可适用于电池供电的便携式系统；5V稳压电路240，采用转化效率高于90％且转换精度为±2％的TPS61240升压芯片,USB接口供应的5V电压经过充电电路的部分损耗,电压值略微偏低，从而通过升压芯片TPS61240将宽电压范围在2.3V-5.5V的电压升压到5V，来为后续30.6V升压电路250提供输入电压；30.6V升压电路250，采用LT8361升压芯片作为主芯片，LT8361是一款具有宽电压输入且能在突发模式的情况下以极低输出的电流下保持高效率工作的DC-DC芯片,能在满足我们需求的条件下输出稳定的直流电压，将5V的电压升压至30.6V，为闪烁探测模块300提供启动电压；电源开关电路260，采用芯片LTC2951，电路通过设置在探测器外的按键对电源管理模块进行控制。

第三部分为闪烁探测模块300，所述闪烁探测模块300是利用电离辐射在某些物质中产生闪光来进行探测的；入射辐射射入闪烁晶体并在闪烁晶体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子经过光传输过程打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子。光电子的光电倍增管内倍增，最后电子经阳级进入信号处理电路，形成脉冲幅度与辐射射线的能量成正比电脉冲信号，输出的脉冲个数与入射的辐射射线的强度成正比。光电子经过倍增管形成的微弱的不稳定的电脉冲信号经过前置放大器的信号放大处理，形成相对稳定的脉冲信号，然后输入给主放大器进行信号放大。

所述闪烁探测模块300包括闪烁晶体310、光传输器件320、光电倍增管330、前置放大器340；其中，

闪烁晶体310可以采用单晶或者6×6晶体阵列，其中闪烁晶体的大小是由光电倍增管的感光面大小决定的，闪烁晶体用于当入射辐射摄入闪烁晶体时，在闪烁晶体中产生能量损耗，引起闪烁原子的电离和激发，从而受激发的电子发出可见光；光传输器件320采用玻璃材料，用于传输可见光到光电倍增管330；光电倍增管330是一种将可见光转换成模拟脉冲信号的器件，在本闪烁探测系统中使用的光电倍增管是位置敏感型光电倍增管(PS-PMT)；前置放大器340，是用于将光电倍增管中产生的模拟脉冲信号进行放大。

第四部分是信号处理模块400，包括放大电路410和滤波电路420，用于对脉冲信号进行放大和滤波，可以提高系统的信噪比，减少外界干扰的相对影响，将信号进行放大便于A/D采样，实现阻抗转换和匹配，设计为高输入阻抗，低输出阻抗；

本闪烁探测系统中放大电路的芯片采用的是AD8032ARZ，AD8032ARZ单电源，低噪声,低失真运算放大器，此系列运算放大器能够在+2.7V(±1.35V)至+12V(±18V)的电源范围内运行。这个器件采用微型封装并且在保证低静态电流输入范围包括负电源的情况下提供低偏移、漂移和带宽。AD8032放大器电路采用同相比例放大电路，AD8032内部可看为由两个集成运放组成,因此在电路我们将第一级输出作为第二级输入,同时第二级输出接入第二级反相输入端作为反馈,在IOUT2端口输出放大后的信号。

第五部分是微控制模块500，主要是对模拟脉冲信号采样实现数据的A/D转换，然后再对转换后的数字信号进行一系列的处理，然后将处理好的数据通过USB接口传给显示器进行显示，同时可以对数据进行存储；微控制模块500采用的芯片是STM32F103C8T6，该芯片满足该系统的所需接口和功能，电源管理模块为STM32芯片提供工作电压,STM32时钟模块由两个晶振电路32.768KHz的低速外部时钟电路和一个8MHz的高速外部时钟电路组成，为STM32主控制模块提供时钟工作源。探测器的模拟脉冲信号经过信号调节电路的调节后传输给STM32主控制模块的ADC进行模数转换,然后对数据进行处理，再将数据发送给显示器显示。

第六部分是PC机600，包括主机610和显示器620，主机610用于对探测系统进行测试、保存等操作，显示器620用于显示操作界面和能谱图。

图4是本发明低成本桌面式闪烁探测系统及多谱方法的一种样机模型图。其中，1、显示器，2、主机，3、USB接口，4、USB数据线，5、探测器外壳，6、探测器开关按键，7、充电电源，8、电源插座，9、USB接口，10、支撑底座。

连接好电源之后，打开PC机，将探测器的两个USB接口连接完成，检查线路连接无误后，按下探测器的开关按键进行探测；在本实验中采用6×6的闪烁晶体阵列，探测器探测到的闪烁脉冲传输到PC机的显示屏进行闪烁脉冲显示，最后将存储的闪烁脉冲通过多种数字化方法合成能谱图。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。