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        [碩士論文] 胡天宇
        核技術及應用 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:基于電子行業集成化、模塊化的有效進展,儀器的小型緊湊也成為趨勢。伽馬能譜儀在體積上縮小能夠減輕工作人員尤其是環境輻射檢測人員的負重,為高效工作助力。目前常見的便攜式伽馬能譜儀主要應用碘化鈉閃爍體探測器,但碘化鈉閃爍體的能量分辨率較差,對射線能譜的分辨能力和核素識別能力較弱。針對當前傳統伽馬能譜儀在實際應用中體積過大不方便攜帶、數據不能及時傳輸等不足。本文從提高探測效率、縮小儀器體積、低功耗設計、方便實時測量與觀察能譜等方面研制更適用于攜帶的緊湊型伽馬能譜儀。該論文來源于國家重點研發計劃項目“高分辨率航空伽瑪能譜測量及機載成像光譜測量技術”(課題編號:2017YFC0602100)和國家自然科學基金項目“核脈沖信號鏈的數學構建與高速實時數字重構技術研究”(課題編號:41474159)。本文研制的緊湊型伽馬能譜儀主要研究內容和成果如下:
          1、探頭設計:在便攜式伽馬能譜儀調研基礎上,開展一種緊湊型伽馬能譜儀的設計,選用新型無機閃爍體溴化鈰代替傳統碘化鈉閃爍體,提高探測器能量分辨能力;采用硅光電倍增管代替傳統真空光電倍增管,縮小探測器體積,其不到30V的偏置電源,顯著降低了電源功耗,同時還增加了耐沖擊力和抗磁場干擾能力。
          2、硬件設計:設計了模擬電路的快、慢兩個通道的濾波成形與微分成形電路,慢通道實現濾波展寬與降噪,快通道用于實現脈沖整形與粒子事件到達時刻信息提取;采用8Msps模數轉換器與STM32微控制器實現對于核脈沖信號的峰值采樣與估計,從而實現了一款低功耗小體積一體化的多道脈沖幅度分析器。
          3、軟件設計:軟件設計包括探測器控制端的數據傳輸、存儲與發送部分和手持端的數據接收與計算、顯示部分。探測器控制端采用STM32的DMA通道方式傳輸外部8Msps并行ADC采集來的數據,讓微控制器的CPU將數據采集傳輸工作托管給DMA控制器,大大降低了對于CPU的時間占用,提高了系統響應時間與工作效率。能譜儀采用微功耗Wi-Fi芯片實現與手機的數據通信,開發了安卓手機APP,實現方便快捷的實時能譜觀測、劑量當量和核素識別的功能,實現良好的人機交互。
          4、整機結構:采用小尺寸探測器、緊湊的電路板設計、紐扣電池和小型Wi-Fi模塊,實現緊湊型伽馬能譜儀的小體積,達到ψ31.4mm×72.5mm,整機重量92.6g。同時從硬件低功耗器件的選擇到軟件采取省電模式等多方面實現緊湊型伽馬能譜儀的低功耗,整機功耗僅為296.57mW。
          5、整機測試及功能特點:經測試,緊湊型伽馬能譜儀能量分辨率達到5.2%(137Cs662keV能量伽馬射線),具有能譜測量、劑量當量率顯示、核素識別的功能,同時在功耗的降低和體積的減小方面做到了較大程度的提升,方便人機交互,取得較為理想的效果達成設計初衷。
        [碩士論文] 王濤
        儀器儀表工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:在一般核物理實驗中,描述閃爍體物理特性的指標有:發射光譜、發光效率、發光時間和發光衰減時間等物理量(胡孟春等,2014)。閃爍體的時間特性對于研究閃爍體內部閃爍特性、閃爍探測器的研究有著重要的意義。國內外對于閃爍體時間特性的測量方法也有很多種,而且也在日新月異的完善和改進。
          本文在現有測量方法的理論基礎下,首先對常用的閃爍體衰減時間測量方法進行了簡要介紹,包括了對無機閃爍體、有機閃爍體時間特性的測量。然后介紹了一種新型的無機閃爍體衰減時間測量裝置,該裝置在實現途徑上不同于現有的閃爍體衰減時間測量方法。本裝置是通過快速的電流型前置放大器將閃爍探測器輸出的快速電流脈沖進行放大,之后通過高采樣率的ADC(模數轉換器)直接進行模數轉換。大量的ADC輸出數據被送入FGPA進行數據接收、算法處理,實現脈沖上升沿識別、衰減時間計算。然后FPGA通過HUSB芯片將數據進行上傳,最后該裝置在上位機軟件上展現出的是規定測量時間內閃爍體衰減時間的一個統計量的分布圖,X軸為時間尺度軸,Y軸為每一個脈沖的閃爍體衰減時間的累加計數。該裝置相對于傳統的測量方法而言,是根據閃爍體衰減時間的定義直接進行數字化測量的,并且顯示結果為閃爍體衰減時間常數的統計量分布圖。相較于傳統測量方法而言更加具有參考意義、適用于光強度的動態范圍也更廣。本研究來源于國家重點研發計劃項目“高分辨航空伽馬能譜測量及機載成像光譜測量技術”(課題編號:2017YFC0602100)和國家自然科學基金項目“核脈沖信號鏈的數學構建與高速實時數字重構技術研究”(課題編號:41474159)。該裝置的主要研究成果為:
          (1)基于電流并聯反饋原理的超快速復合型電流前置放大器(以下簡稱電流前放),實驗測得其輸出信號的上升沿時間最快可達到2ns,帶寬約500MHz,實驗驗證可對3.3uA-3.3mA區間的快速電流小信號進行線性放大,線性相關系數達0.9999。
          (2)該裝置采用ADC+FPGA+HUSB架構,在FPGA中完成與HUSB芯片的協議握手,實現高效率的數據傳輸,數據處理。簡化了硬件電路設計。
          (3)從電源完整性角度考慮,為了實現電路的高信噪比和穩定性。設立合理的了電源拓撲結構,實現了電源的快速動態響應,低紋波,高效率,整個系統的噪聲控制在5mV以內。
          (4)開發了基于Cypress公司提供的驅動庫和Visual C++6.0開發語言的上位機界面。
          (5)LaBr、NaI、GAGG、CsI四種無機閃爍體發光衰減時間的測量,分別測試了其閃爍探測器直接輸出波形形狀和該裝置測試的衰減時間統計分布圖。
        [碩士論文] 徐陽
        核技術及應用 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:1985年,國際輻射單位和測量委員會(ICRU)在出版的第39號報告中提出了三個輻射防護實用量,分別為:周圍劑量當量、定向劑量當量以及個人劑量當量。它們既能夠為防護量提供有效估計,還能夠作為輻射監測中使用的劑量儀表的校準量。其中,周圍劑量當量H*(10)是一個用以描述強貫穿輻射條件下(入射輻射能量>15keV)環境或工作場所的輻射防護實用量,是場所監測中唯一可用于對有效劑量當量HE進行估計的依據。在X、γ外照射場所監測中,監測儀器測量所得到的物理量通常為空氣比釋動能Kα或者照射量X,而周圍劑量當量次級標準電離室則可用于參考點處周圍劑量當量的直接定值。
          傳統的周圍劑量當量電離室通常采用在電離室室壁(一般為高壓極)上添加補償材料(Al、Pb、Si等)以改變能響曲線的方式,電離室主要由收集極、高壓極、中央支撐桿、工作氣體以及絕緣端子組成。在以往的研究中,前輩們通常采用的工作氣體為自由空氣,電離室內部空腔與外界大氣相通,這將導致工作氣體受到現場環境溫濕度、氣壓、灰塵顆粒物等因素的影響,不利于電離室的現場測量。此外,由于電離室靈敏度與工作氣體的充氣壓力大小呈正比,故在常壓時靈敏度低于高壓時,在實際現場測量中墻壁、空氣等的散射作用將產生大量低能光子,常壓電離室使得低能輻射成分不能得到準確的測量。可見,傳統電離室不利于現場條件下周圍劑量當量的定值,在加強環境輻射監測、核設施常規與應急監測的大力推動下,研制適用于現場測量的周圍劑量當量次級標準電離室是十分必要的。
          據此,本文依托中國原子能科學研究院計量測試部裝備基礎項目“GM管γ輻射劑量儀現場校準技術研究”,開展了周圍劑量當量次級標準電離室的研制工作。首先,結合蒙特卡羅模擬方法完成了電離室各關鍵參數(主要包括電離室形狀、高壓極與收集極材料/尺寸、工作氣體類型/充氣壓力、絕緣端子、能量補償片材料/厚度、能量補償面積等)的確定工作;隨后,結合外協方式實現了電離室的整體設計、加工與裝配工作;最后,完成了電離室相關輻射特性的研究工作,主要包括能量響應與線性實驗,對周圍劑量當量率測量的準確性進行了實驗驗證,并對測量結果進行了不確定度評價。本工作最終實現了對周圍劑量當量次級標準電離室的研制,使之具有不受外界環境溫濕度,氣壓影響、探測范圍廣、靈敏度高等優點,可實現周圍劑量當量率的現場測量。
          本文主要研究成果有:
          (1)結合蒙特卡羅模擬確定周圍劑量當量次級標準電離室的能量補償方案,完成了電離室的設計工作。經對比,電離室的實驗與模擬能響曲線符合較好,大大減少了通過實驗方法確定能量補償方案的工作量,同時驗證了蒙特卡羅方法用于周圍劑量當量次級標準電離室研制的可行性。
          (2)首次選取不銹鋼壁材料、內充8atm氬氣的周圍劑量當量電離室設計方案,密閉的空腔結構使得電離室免受外界環境溫濕度、氣壓變化帶來的影響,滿足了對周圍劑量當量現場定值的要求。
          (3)將周圍劑量當量次級標準電離室置于137Cs源與60Co源產生的γ射線參考輻射場內進行線性測試,測試結果顯示,在0.684μGy/h~1.01mGy/h范圍內,電離室空氣比釋動能率與電離電流呈一次線性關系,在0.8208μSv/h~1.212mSv/h范圍內,電離室周圍劑量當量率與電離電流呈一次線性關系,并分別得到了擬合關系曲線。
          (4)利用自屏蔽式γ射線照射裝置所產生的參考輻射場對周圍劑量當量次級標準電離室現場定值的可行性與準確性進行研究,并通過PTW電離室作對比實驗。實驗結果表明,兩者測量結果的相對偏差在5%以內,驗證了周圍劑量當量次級標準電離室的準確性。對墻壁散射貢獻研究中得到,在該實驗模型下,墻壁散射貢獻約為6%。經計算,典型參考點處周圍劑量當量率約定真值的測量不確定度為U=7.4%(k=2)。
        [碩士論文] 劉志
        儀器儀表工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:多球中子譜儀是常用測量中子能譜的設備之一,新型抽注水多球中子能譜儀主要用水作為慢化層,通過抽注水方式來改變不同慢化層厚度,從而根據不同水層厚度對中子慢化能力差異,研究熱中子探測器計數率響應與中子能譜之間的關系,從而解析出入射中子能譜,該方法能使傳統多球中子譜儀實現可移動或便攜。
          本論文在國家自然科學基金項目“抽注水多層同心球寬量程新型中子能譜探測器研究(41774120)”和國防科研基礎項目“空間輻射中子能譜測量和劑量校準技術(JSJL2014404B001)”子題“空間輻射中子能譜分析技術研究”的資助下,針對新型抽注水多球中子譜儀中的抽注水系統,結合譜儀在抽注水系統工作效率、控制精度、生產成本等方面的需求,開展了一種以離心式水泵提供泵水動力和組合式單通電磁閥進行抽注水模式控制的單泵抽注水系統研究,通過研究,主要獲得如下成果:
          1)根據新型抽注水多球中子譜儀的結構特點,設計了抽注水系統整體結構以及工作流程。首先通過水流路徑選擇電磁閥(K11~K15、K21~K25)選擇需要控制的水層;其次通過水泵和抽注水模式選擇電磁閥(K1、K2、K3、K4)控制系統抽注水作業;最后結合傳感器(D1、D2)對慢化劑水層厚度進行精確標定。
          2)開展了電磁閥、水泵、傳感器等功能模塊的調研和選型,完成了抽注水系統硬件設計。首先通過數據分析和實驗測試,完成水流路徑選擇電磁閥SEL-5、抽注水模式選擇電磁閥HUARUISI24-2、水泵DH324550、傳感器SEN-HZ21WA的選型;其次以STM32為核心處理單元,完成了整個抽注水系統的硬件設計和調試,同時基于DSIC05LSGET設計了手動控制的備用控制模式,從而提高硬件系統的穩定性和可操作性。
          3)設計了通信協議,完成了抽注水系統驅動程序。根據抽注水多球中子譜儀的需求,采用模塊化設計思想,設計了抽注水系統的通訊協議和控制指令,完成了抽注水系統驅動程序,實現了指令接收和解析、高精度抽注水作業、水層厚度監測、智能停機等功能。
          本論文的主要創新點:
          1)在傳統離心式抽注水系統的基礎上,采用多通電磁閥對水層厚度進行獨立控制,結合流量計實現水層厚度的精確控制,解決了傳統離心式抽注水系統控制精度不夠的問題。
          2)采用組合式單通電磁閥進行抽注水模式控制,實現單水泵控制抽注水,從而減小了系統水泵數量,降低成本。
        [碩士論文] 杜海燕
        輻射防護與環境保護 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:空氣比釋動能是電離輻射計量體系量值復現與傳遞的重要物理量。已有多個國家已經建立了(10-300)kV X射線空氣比釋動能基準,我國也建立了(10-250)kV X射線空氣比釋動能基準,但(250-600)kV X射線空氣比釋動能基準的建立還處于研究階段。現已建成的基準都采用自由空氣電離室復現X射線空氣比釋動能,由于課題“(250-600)kV X射線空氣比釋動能基準的研究”涉及射線能量較高,若要獲得較小的空氣比釋動能復現不確定度,將需要體積很大、質量達103kg量級的自由空氣電離室,如此巨大電離室的制作與保存都存在困難,所以課題采用石墨空腔電離室進行空氣比釋動能復現。而石墨空腔電離室對較高能量的射線具有較好能量響應、較高精度和穩定性,被廣泛用于192Ir、137Cs、60Coγ射線空氣比釋動能的復現,但對其用于復現X射線空氣比釋動能鮮有研究。本文是“(250-600)kVX射線空氣比釋動能基準的研究”課題內容之一。同時用自由空氣電離室和石墨空腔電離室復現空氣比釋動能,將自由空氣電離室復現值與石墨空腔電離室復現值對比,相互驗證結果可靠性及方法可行性。論文的主要研究成果及創新性如下:
          ①按照ISO4037標準建立了重過濾窄譜300kV(簡記為N300kV)X射線標準輻射場。在標準輻射場建立中,采用曲線擬合法測量半值層,測量結果與標準推薦值偏差在5%以內,達到標準要求;用BEAMnrc程序進行能譜模擬,能譜模擬結果與標準給定理論譜符合良好。因此,建立的輻射場符合標準。
          ②再用自由空氣電離室復現N300kV X射線空氣比釋動能。研究中,通過調整X射線光機管電流及自由空氣電離室高壓測量復合損失修正因子,通過加減鉛塞測量前壁穿透修正因子,通過改變自由空氣電離室高壓極性測量極性修正因子;用EGSnrc蒙特卡羅模擬程序模擬空氣衰減修正因子、光闌邊沿穿透修正因子、熒光與散射修正因子、電子損失修正因子,評估電場畸變修正因子,引用空氣濕度修正因子。最后得到復現N300kV X射線空氣比釋動能的總修正因子為0.9320。通過對修正因子、軔致輻射份額、電離功、空氣密度、電離電流、溫度、氣壓、有效體積的測定及不確定度評估,得出自由空氣電離室復現N300kV X射線空氣比釋動能率為6.99×10-3(mGy/s),在空氣電離功不確定度分別為0.15%、0.35%時,復現結果不確定度分別為0.69%、0.85%。
          ③建立了石墨空腔電離室復現N300kVX射線空氣比釋動能的方法。以雙電壓法測量復合損失修正因子,以改變電離室位置方法測量射束徑向及軸向不均勻修正因子,以添加模擬桿方法測量電離室桿散射修正因子,用EGSnrc模擬電離室壁修正因子,引用空氣濕度修正因子,得到石墨空腔電離室復現N300kV X射線空氣比釋動能的總修正因子為1.0316。通過對修正因子、石墨對空氣的阻止本領比、空氣對石墨的質能吸收系數比、空腔體積等測量及其不確定度評估,得出石墨空腔電離室復現N300kV X射線空氣比釋動能率為7.03×10-3(mGy/s),在空氣電離功不確定度分別為0.15%、0.35%時,復現結果不確定度分別為0.38%、0.52%。石墨空腔電離室與自由空氣電離室復現結果偏差0.57%,在自由空氣電離室測量不確定度范圍內,說明兩個復現結果基本一致,因此驗證本文方法是可行和可靠的。用石墨空腔電離室測量了60Co、137Csγ射線空氣比釋動能,測量結果與基準值的偏差分別為0.32%、0.18%,由此驗證了本文結果的可靠性與方法可行性。
          論文用自由空氣電離室與石墨空腔電離室復現了300kV X射線空氣比釋動能,提高了現有基準量值復現水平,提供了石墨空腔電離室復現X射線空氣比釋動能方法,為較高能量X射線空氣比釋動能量值復現的研究提供參考。論文對X射線標準輻射場建立、基本物理參數、自由空氣電離室和石墨空腔電離室修正因子、以及不確定度評定的研究也有較大的參考價值。
        [碩士論文] 何亮
        儀器儀表工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:隨著人類文明的發展與進步,人們生活水平也越來越好。同時,科技的發展對人們的生活環境產生了一定影響,國家也高度重視生態環境的整治。近幾年,放射性污染已成為熱門話題之一。氡及其子體的測量無論是在房屋建筑領域,還是在地質勘探、環境監測、找水等方面,都被作為放射性探測的重要技術手段。
          在此背景下,以成都市科技局創新創業項目為依托,選取高靈敏度的金硅面壘型探測器為主要探測元件,以α能譜測氡技術為核心,設計一款獨立的雙探測系統α能譜測氡儀,解決了實際工作中測量時間長、溫濕度影響大等一系列問題。
          本文先闡述了氡及其子體產生的危害背景,以及世界相關組織和國家層面針對氡及其子體放射性污染和地質勘探領域做出的相應決策。在此基礎上介紹了氡的測量方法,并引出α能譜測氡原理,通過實驗數據測試,對不同大小的金硅面探測器進行了對比測試;設計了雙探測系統取樣腔體。通過實際測量數據得出結論,該系統測量靈敏度可達到0.2cpm/pCi/L。
          雙通道α能譜泵吸式測氡儀是以STM32F103RCT6單片機為核心,可進行空氣氡、土壤氡、水氡的測量與分析。在進行空氣和水氡測量時,可選擇任意通道完成測量工作。對于土壤氡測量情況,考慮到測量環境,雙通道輪流測量,完成高效率氡測量工作。該系統實時顯示溫濕度參數,在軟件部分通過溫濕度修正算法彌補溫濕度對氡測量的影響;討論了α總量測量以及α能譜測量的實現方式,結合實際工作中釷射氣的影響,選取α能譜測氡技術,實現對氡和釷射氣子體進行有效地區分;分別論述了前放、主放、多道脈沖幅度分析器以及輔助電路的硬件實現,并介紹了各個模塊的基本功能,實現原理等;低功耗電源電路為測氡儀的高效運作提供了基本保障;選用迪文觸摸屏實現人機互動,操作簡潔方便。最后通過STM32庫函數與位帶操作實現軟件部分的編寫,完成儀器的設計。
          在儀器經過標準氡室刻度實現氡濃度的轉換后,通過對該儀器靈敏度以及精確度、穩定度測試,表明該儀器穩定性、精確性良好。通過對儀器響應時間測試,確定了本底扣除算法,防止本底累積對測量數據正確性影響。實際工作中計量表明,該測氡儀測量數據正常,儀器性能及參數滿足國家測氡計量檢定標準《測氡儀》(JJG825-2013)和《民用建筑工程室內環境污染控制規范》(GB50325-2010)的要求。
          本文設計的雙通道α能譜泵吸式測氡儀可直接通過觸摸屏實時操作并顯示出空氣、土壤、水氡濃度,具有實用性好、結構簡單、攜帶方便等優點。該系統可廣泛適用于環境氡監測、鈾礦資源勘查、建筑地基隱伏斷層與地裂縫的勘查、氣化采煤氣化爐火區分布監測等領域。
        [碩士論文] 劉穎
        儀器儀表工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:在核反應堆中,中子對核能的釋放起著關鍵作用,中子能譜是非常重要的特征參數,在評價和檢驗核參數方面都有著重要意義。因此,中子能譜的測量是反應堆監控中最重要的內容之一。快中子臨界裝置屬于實驗反應堆的一種,用于開展臨界實驗。
          目前常用于快中子能譜測量的方法主要有飛行時間法、活化法、氫反沖法及核反應法,其中飛行時間法的測量能區廣、精度高,但設備龐大且不適用于臨界裝置這種不能確定中子起始時間的應用場景;活化法操作簡單且對儀器設備要求不高,但所得中子能譜精度不高;氫反沖法通常使用3He球形正比管結合液體閃爍體,設計及操作都較為復雜;核反應法通常利用6Li(n,α)反應制成6LiF夾心中子能譜儀,其體積小、測量范圍大且結構相對簡單,測量的準確性決定于所使用的探測器。目前最常于夾心中子譜儀的探測器有常規Si/Ge半導體探測器、金硅面壘型探測器和4H-SiC探測器,其中常規Si/Ge半導體探測器抗輻射性能差且受溫度變化影響大、金硅面壘型探測器對α粒子分辨率較差、4H-SiC探測器無法對4MeV以上的中子進行能譜測量,使用這些探測器都難以在快中子臨界裝置的環境下達到其最佳測量效果。
          針對上述現狀,本文首次提出了一種基于PIPS探測器(Passivated Implanted Planar Silicon detector,鈍化離子注入平面硅半導體探測器)的6LiF夾心中子能譜儀的研制方案,以解決快中子臨界裝置中子能譜的測量問題。PIPS探測器具有耐輻照、耐高溫、漏電流小、α粒子能量分辨率好、入射窗穩固且不需要準直等優點,非常適用于快中子臨界裝置的測量環境。
          本文所研究的6LiF夾心中子能譜儀的探頭由兩個面對面放置的PIPS探測器構成,其間夾有一層6LiF中子轉換層,對其進行可行性研究,分析其工作原理,通過理論模擬分析轉換層厚度對探測效率及能量分辨率的影響規律,并闡述了探測器的對稱挑選原則。譜儀利用符合測量原理,對6Li(n,α)反應生成的次級帶電粒子——α粒子和T粒子所產生的探測信號進行篩選,排除干擾粒子的影響,有效提高譜儀的探測準確性。利用“和譜分析法”,將α粒子和T粒子引起的脈沖信號幅度相加并解譜,得到中子能譜。硬件設計方面摒棄過去常用的門電路,以FPGA為控制核心,輔以放大整形電路、模擬電路、ADC模數轉換電路及FPGA數字信號處理電路,實現對脈沖信號的處理及符合。
          通過在CFBR-Ⅱ堆上開展的熱中子測量實驗,對系統進行測試和驗證,因涉及保密,故無法完全展示準確的測量數據,只能通過圖片展示相關的測試結果。以239Pu和241Am混合α源對雙PIPS探測器進行性能測試,所得α譜的峰位、峰半寬度基本一致,驗證了探測器PIPS1和PIPS2符合夾心譜儀對于探頭的對稱性要求;同時對比用金硅面壘型探測器和4H-SiC探測器制成的夾心譜儀對α粒子及T粒子的探測結果,驗證了PIPS探測器的良好性能;最后對兩個PIPS探測器的符合相加信號脈沖幅度譜進行解譜,獲得求和符合譜,首次驗證了可以利用PIPS探測器制成性能良好的6LiF夾心中子譜儀,為高精度中子能譜的測量奠定了基礎。
        [碩士論文] 張開琪
        核技術及應用 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:在核科學與技術、空間探測、礦產資源勘查及環境輻射監測等領域,硅漂移探測器憑借其優越的探測性能而被廣泛使用,尤其是在高計數率情況下表現更為突出。硅漂移探測器具有輸出電極等效結電容極小、電荷收集時間短,輸出信號信噪比高等特點,因此可在計數高、成形時間短的條件下,實現高的能量分辨率。為充分發揮硅漂移探測器優異的性能,選用高性能的多道脈沖幅度分析器尤為關鍵,但目前常用的模擬多道與數字多道均各有優劣,不能充分發揮硅漂移探測器的優勢,因此本文根據硅漂移探測器的特征、以傳統的模擬多道為基礎、結合數字多道的設計原理,設計了針對硅漂移探測器的高速模擬多道,該高速模擬多道具有數字多道的抗堆積、低脈沖丟失率、高脈沖通過率、高能量分辨率優勢的同時兼顧模擬多道的低功耗、低成本、穩定性高、譜線噪聲小等優點。
          本研究來源于國家重點研發計劃項目“高分辨率航空伽瑪能譜測量及機載成像光譜測量技術”(課題編號:2017YFC0602100)和國家自然科學基金項目“核脈沖信號鏈的數學構建與高速實時數字重構技術研究”(課題編號:41474159)。
          本文設計的針對硅漂移探測器的高速模擬多道,現階段的主要研究成果有:
          1、為使本文設計的高速模擬多道具有高的脈沖通過率,本文設計了高速、低噪聲的模擬前端電路,采用高速S-K濾波器與高速運算放大器實現寬度為1.3uS、上升沿350nS的高斯脈沖信號輸出的設計目標,在高計數率情況下,可減少脈沖堆積,提高脈沖通過率;采用帶寬達1GHz的JFET型高速運算放大器ADA4817設計了高速峰值采樣與保持電路,可實現對350nS上升時間的準高斯信號的快速峰值采樣與保持。
          2、基于新型5Msps高速逐次比較逼近(SAR)模數轉換器與FPGA快速時序邏輯設計實現了僅需0.SuS的脈沖峰值采樣,遠小于傳統模擬多道的幾十uS,顯著降低了模擬多道的死時間。
          3、快通道中采用快速反卷積電路對模擬前端輸出脈沖信號進行反卷積,從而獲得極窄的快通道觸發信號,輸出脈沖寬度僅為350nS、上升沿低至50nS、且輸入信號在200kHz、2V的條件下均無明顯的過沖,因此可顯著降低多道系統的合峰效應,從而降低偶然脈沖丟失概率。
          4、采用MAX10系列的FPGA芯片完成了高速模擬多道的時序控制與ADC離散化數據的高速獲取、傳輸,MAX10系列為Intel低成本、高性能、小體積、低功耗的FPGA,內部采用連續式分布布線結構使其速度更快、時序延遲可預測。
          5、結合數字多道的快通道設計,通過閾值比較的方式進行脈沖有無的判斷,以及通過相鄰脈沖的觸發時刻判斷脈沖是否堆積,可進一步提高模擬多道的計數率、降低死時間;FPGA芯片獲取快通道的觸發信號控制模擬開關將ADC的輸入信號切換到基線,實時采集基線信號幅度,從而解決了傳統模擬多道無法準確估計基線的問題。
          6、通過高速峰值采樣與保持電路獲取脈沖幅度,在降低ADC離散化數據的噪聲、提高ADC采集數據的準確性與一致性的同時減小了FPGA算法的復雜度,進而達到高能量分辨率、功耗低、穩定性高的設計要求。
          7、從電源結構設計、PCB布局布線、芯片選型、器件參數選擇等方面實現了輸入電壓范圍寬、紋波噪聲低、抗干擾能力強的設計目標,且僅需DC-2.5的接口即可實現電源供電,可支持7.2V~23V的供電范圍。
        [碩士論文] 余運強
        儀器儀表工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:在γ放射性測量中,天然本底和康普頓散射的影響,導致低活度核素檢測困難,所以本文引入反符合測量方法加以改善。本設計采用Φ95×145×80mm環形NaI(Tl)晶體為反符合探測器,采用濱松的3英寸NaI(Tl)探測器作為主探測器。系統主要工作原理為:主探頭輸出端的核脈沖信號先經過信號調理及ADC采集,再與外圍的反符合信號進行反符合甄別處理,甄別后的信號用于形成γ能譜。當主探測器采集到脈沖信號且外圍環形探測器無信號時,FPGA才會將主探測器的脈沖信號保留,并對其進行數字核脈沖信號處理而得到能譜數據。
          本文采用XILINX公司的SpartanTM-3E器件XC3S500E系列的FPGA為控制核心,反符合譜儀系統主要包括阻抗匹配電路、程控增益電路、放大濾波電路、高速ADC采集電路、反符合整形電路、FPGA數字信號處理電路及USB接口電路等。其中,FPGA數字信號處理硬件電路主要包括時鐘模塊、核信號采集與存儲模塊、反符合甄別模塊、數字脈沖梯形成形模塊、能譜成形及USB傳輸模塊等。本文開發的軟件主要功能包括:①γ能譜測量、②譜線繪圖顯示、③能量刻度、④效率刻度、⑤活度計算、⑥待積有效劑量計算、⑦數據庫操作、⑧文件操作等。
          經實驗測試,表明本文設計的反符合測量系統運行穩定,能夠達到預期的反符合效果。通過Geant4模擬本底數據與譜儀測量的本底數據分析對比,譜儀測量與模擬數據具有良好的一致性,反符合測量對低能本底具有良好的抑制效果。通過對137Cs點源進行測試,表明反符合測量系統不僅對本底有一定的抑制作用,而且具有較好的康普頓抑制能力。
        [碩士論文] 許助
        儀器儀表工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:當今世界,核科學與技術在眾多行業領域內都得到了廣泛地應用,比如醫學領域,物理學領域,農業領域,工業領域,環境科學,海關安檢等。雖然核技術的應用能夠造福于世界,但是也給世界造成了一些威脅,其中放射性核材料的非法轉移以及核事故的發生,對海關安檢和核電站提出了種種挑戰。因此,論文研制一種能在混合場中測量中子/γ能譜的便攜式LASO探測器數字化譜儀,能夠對復雜放射性材料進行監測,可用于海關和過境物品的檢測,亦可檢測核電站放射性物質異常泄露。
          目前在國內,實現同時對中子和γ進行探測主要采用的是雙探頭技術,即采用中子探測器和γ探測器分別探測中子和γ射線。但這樣既增加了系統的體積與重量,又增加了系統成本與電路設計的復雜性。因此,論文提出了一種基于LASO閃爍體探測器的單探頭技術,再結合能譜儀數字化處理技術來實現中子-γ的混合場測量。
          論文首先對比了單探測器技術和雙探測器技術優缺點,提出了一種能在混合場中測量中子/γ能譜的單探頭數字化譜儀的設計方案;然后,重點闡述了系統設計的技術要點,能譜系統設計包括硬件系統,甄別算法,軟件系統的設計。能譜儀硬件系統包括電源電路,高壓電路,濾波電路,信號調理電路,高速ADC采集電路,FPGA信號處理電路,通信電路,以及MCU主控電路。可實現對探測器信號的調理,采集,處理,存儲,顯示,傳輸等功能。其中,高壓電路和電源電路具有結構簡單,電壓輸出可調,體積較小,噪聲低,成本低等優點。LRC濾波電路對直流電壓中噪聲和紋波都具有較好的濾波效果;針對中子和γ射線測量過程中的相互干擾,研究了中子-γ甄別算法。對各甄別方法的原理及特點進行了闡述,并選擇實用和簡單的幅度甄別方法;最后設計了基于μC/OS-Ⅱ多任務實時操作系統軟件和用戶界面層。將μC/OS-Ⅱ操作系統移植到ARM控制器上,通過編寫多任務軟件功能層,可實現數據采集,處理,存儲,傳輸,能譜顯示等多種功能。引入μC/OS-Ⅱ操作系統使能譜儀軟件運行更加穩定,并更易開發。
          在整套系統設計完成后,論文對數字化譜儀實物進行了展示和介紹,包括電源高壓板,數字化多道板,主控板以及儀器內部的結構圖。然后對部分硬件電路進行了測試,其中高壓電路和電源電路輸出電壓達到預期設計的目標,濾波電路對降低高壓電路和電源電路輸出電壓的噪聲紋波取得了較好的效果。LASO探測器探測Cs源產生的γ射線時,脈沖信號輸出正常,經過信號調理電路后,可輸出滿足設計要求的脈沖波形。最后在含有中子和γ射線的混合場中測試,通過對測試結果分析可知,論文設計的基于LASO探測器的數字化能譜儀能夠實現中子/γ射線的甄別以及能譜測量。
        [博士論文] 石睿
        核技術及應用 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:基于半導體Si探測器的α粒子能譜測量技術已成為測定環境、生物及核技術相關樣品中α核素的重要放射性分析手段,其中對α粒子能譜的解析是實現α核素定性和定量分析的基礎。幾乎每種α核素都具有多個能量的α粒子射線,同種核素或不同種核素之間,能量相近的α粒子普遍存在。由于α粒子本身的特性,在α粒子能譜探測時,源的自吸收、介質的吸收、探測器入射窗(死層)的吸收、電荷的不完全收集、電子學噪聲等因素,綜合導致α粒子能譜形成了獨特的低能拖尾。目前的探測器,即使能量分辨率最高的半導體Si探測器都無法將這些能量峰完全分開。因此,在探測器有限的能量分辨能力下,精確分析α核素的種類和放射性水平,準確地解析α粒子能譜顯得尤為重要。
          國內外學者針對α粒子能譜的解析已開展了多年研究,提出了諸多α粒子能譜探測器響應函數模型。由于α粒子能譜的特殊性,對α粒子能譜響應函數模型的研究焦點主要在低能拖尾的描述。目前,國內外研究表明:基于高斯函數和單個或多個指數函數的卷積建立的α粒子能譜探測器響應函數具有最好的效果。而實際上,由于大多數α核素在衰變過程中還伴隨著低能轉換電子和X射線的發射,在探測器有限的響應時間內,α粒子與低能電子、光子的符合在所難免,導致在探測器中沉積的能量比α粒子本身的能量還要高,因此α粒子能譜中還會呈現高能拖尾,這在241Am、243Am等α核素能譜中尤為明顯,因此有必要對現有的α粒子能譜探測器響應函數進行改進。另一方面,基于探測器響應函數,采用加權非線性最小二乘法進行擬合時,算法中對參數初值的估計是能否成功或準確地擬合能譜的關鍵。目前的方法主要基于經驗值,這對于多個參數的函數模型而言,人為地調整缺乏穩定性且費時,往往效果極差,因此對初值的獲取方法和優化研究對提高分析準確性和實現自動化擬合解析具有重要意義。
          針對上述共性問題,本文在深入研究前人的工作基礎上,圍繞半導體Si探測器α粒子能譜解析開展新模型、新方法和應用研究。主要研究內容及結論如下:
          (1)系統分析了α粒子能譜的形成機理、半導體Si探測器對α粒子能譜響應的物理過程,針對α粒子與轉換電子、光子的符合效應對α粒子能譜造成的高能拖尾,建立了一種新型帶高能拖尾的α粒子能譜探測器響應函數模型——EMG-Landau模型,該模型以多指數函數卷積高斯的EMG模型為基礎,增加Landau分布項描述高能拖尾。通過IAEA參考α粒子能譜、EUROMET參考α粒子能譜和超鈾核素α粒子能譜實驗對該模型進行了應用測試,結果表明:EMG-Landau模型能夠更全面準確地描述α粒子能譜峰形,能有效準確地擬合帶有高能拖尾的α粒子能譜;對于符合效應明顯的α核素,如243Am和241Am,EMG-Landau模型擬合效果優于EMG模型;對于低能量分辨率、低統計性以及符合效應較弱的α粒子能譜,EMG-Landau模型擬合效果與EMG模型擬合效果相當。
          (2)針對加權非線性最小二乘擬合α粒子能譜中對參數初值估計的關鍵問題,提出一種基于統計矩的參數初值獲取方法。該方法適用于單指數卷積高斯的響應函數模型,但對更復雜的多指數卷積高斯的響應函數模型的應用受限;本文在此基礎上,又提出一種以Rex2函數為適應度函數的基于遺傳算法的參數初值獲取方法,準確對多參數的α粒子能譜探測器響應函數模型進行了參數初值估計。
          (3)將反卷積迭代方法應用于α粒子能譜解析中,并通過對比Boosted-Gold、Richardson-Lucy和MAP三種目前最理想的能譜反卷積迭代算法,綜合解析準確性和運算速度兩方面指標,表明Boosted-Gold迭代算法優于其它兩種算法。在反卷積迭代解析過程中,本文針對蒙特卡羅模擬α粒子能譜響應函數,建立了一種α粒子蒙特卡羅模擬注量譜展寬算法,準確實現了α粒子模擬譜的解析展寬。在此基礎上,融合蒙特卡羅模擬α粒子能譜與能譜插值算法建立了α粒子能譜探測器響應矩陣,為實現α粒子能譜反卷積迭代解析奠定了基礎。
          本文的主要創新點如下:
          (1)提出了一種帶高能拖尾的新型α粒子能譜探測器響應函數模型——EMG-Landau模型,能夠更準確地描述α粒子能譜峰形,實現更精確的解析;
          (2)提出了一種基于統計矩的α粒子能譜參數初值獲取方法,能夠有效估計單指數卷積高斯的響應函數模型的參數初值,實現對α粒子能譜的擬合;
          (3)在基于統計矩的參數初值獲取方法應用受限的基礎上,提出了一種基于遺傳算法的α粒子能譜參數初值獲取方法,更準確的估計了多參數α粒子能譜探測器響應函數模型的參數初值;
          (4)將反卷積迭代方法應用于α粒子能譜解析中,建立了一種α粒子蒙特卡羅模擬注量能譜展寬算法,同時,融合蒙特卡羅模擬α粒子能譜與能譜插值算法建立了α粒子能譜探測器響應矩陣,實現了α粒子能譜的反卷積解析。
          綜上,本文在前人研究基礎上,針對半導體Si探測器α粒子能譜解析中的共性問題,建立了新型α粒子能譜探測器響應函數模型;提出了針對α粒子能譜擬合中參數初值的獲取方法;建立了α粒子蒙卡注量譜展寬算法,并將反卷積迭代方法應用于α粒子能譜解析中,豐富了α粒子能譜解析方法。本項研究為提高α粒子能譜解析精度和為實現自動化解析積累了研究經驗,具有一定的參考價值。
        [碩士論文] 萬文杰
        核技術及應用 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:隨著國民經濟水平的不斷發展,人們越來越注重綠色,環保,可持續發展的生活理念。而在2011年日本福島事件發生后,放射性射線對環境和人體造成的損傷引起了國民的高度關注。而在環境中存在的低濃度隊β射線,基于其易被吸收并在人體內發生電離后會對人體器官造成不可逆轉的損傷等特性,國家相關部門對低濃度α、β進行及時監測以保障國民的生活安全高度重視。目前全世界對低濃度α、β的探測都處于初期研究階段。在中國電子學,計算機技術的快速發展的基本國情基礎上,自主設計一款高效精確的低本底α、β測量儀刻不容緩。
          因此,論文自主設計了一款由PIPS陣列探測器、前置放大器、多通道數據采集板、高低壓電源、真空系統、儀器機箱以及上位機數據處理軟件等部件組成的低本底α、β測量系統。其中PIPS陣列探測器雖對高能γ射線測量無響應,但對低能γ射線卻會產生響應。由于低能γ的響應結果和β響應結果十分接近,測量結果難以分開,因此論文主要以低能γ射線與β射線可以通過反符合進行γ本底扣除的理論為指導,進行了具體的展開。
          其中PIPS陣列探測器采用5個探測性能一致、有效探測直徑為Φ35的國產探測器并列而成,每個PIPS探測器的探測性能不低于同等尺寸的國外PIPS探測器。前置放大器采用晶體管+運算放大器的結構,簡化了傳統前置放大器的電路設計,使系統更為簡單穩定。
          多通道數據采集板采用高速ADC+FPGA+ARM的結構。為了滿足設計需求,論文采用兩片由ADI推出的AD9633-80,其中每片含4個模擬輸入通道,每通道最高采樣率為80MHz,每通道垂直分辨率達12位。FPGA采用xilinx公司推出SpartanTM-3E系列低引腳數的XC3S500E,其內邏輯資源高達50萬門,可用片內RAM資源高達368640bit。ARM為意法半導體公司推出的STM32F103系列單片機,內部功能及外設接口豐富,調試設備齊全,極大簡化了課題研發難度。FPGA與ARM之間采用高速SPI總線接口,通信速率達到9Mbps,使FPGA與ARM之間的通信相較于傳統的串口通信更加穩定快速。
          在數字信號處理算法中,論文引入了C-R電路與R-C電路的逆變換模型,有效地對原始脈沖進行形狀恢復處理,恢復后的脈沖經梯形脈沖成形后輸出梯形脈沖的前沿更好,平頂更平直,得到的脈沖幅度值更加準確。
          高壓電源模塊采用TI的外部開關驅動的高效低側控制器LM3017,其輸入電壓范圍為5V~18V,電源接口通用。高壓電源模塊在不帶負載的條件下輸出紋波僅7mV,接上負載后紋波僅28mV,滿足高壓供電需求。上位機與數據采集板采用工業控制總線CAN總線,通信速度高達1Mbps,自帶硬件CRC校驗保證了數據傳輸的可靠性。上位機軟件基于VS2013開發平臺,采用C#語言開發,圖形界面優美,人機交互簡單快捷。在軟硬件配合下,基本實現了低本底α、β能譜測量。
          測試結果表明,課題研制的本濃度α、β能譜儀能夠正常獲取五個PIPS探測器的原始能譜以及四個主通道對應的反符合譜。在測量自制大面積表面源,常壓,測量時間為1022秒時,PIPS1通道的總計為245943,與其反符合通道總計數差為932,即對應的反符合比為0.39%;PIPS2通道的總計為210629,與其反符合通道總計數差為850,即對應的反符合比為0.40%;PIPS3通道的總計為234210,與其反符合通道總計數差為916,即對應的反符合比為0.39%;PIPS4通道的總計為161505,與其反符合通道總計數差為737,即對應的反符合比為0.46%。可以看出四個主通道與反符合通道的反符合比基本一致。因此課題成功研制的低本底α、β能譜儀將可有效的用于實際應用。
        [碩士論文] 馮加明
        核能與核技術工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:雙極晶體管經中子輻照后會引起直流增益退化,其直流增益倒數變化與109~1016cm-2范圍內的輻照中子注量線性相關,利用此特性,在技術上可實現雙極晶體管對中子注量的測量。對受到輻照損傷的雙極晶體管進行高溫退火,可使其直流增益性能恢復,從而達到對雙極晶體管的重復使用。鑒于上述特點,可將雙極晶體管在工程應用上制作為探測器,結合實時數據測量系統,實現在線監測中子注量。
          在抗核加固的應用領域,對半導體材料中子輻射損傷的考核評估需要統一的衡量標準,國內外均已使用1MeV(Si)等效中子注量來表征。在實際應用中,市面上現有的探測器已可對中子注量進行測量,但會受到中子能譜和反應截面等因素的影響。而雙極晶體管探測器受中子輻照時的直流增益會下降,在具有不同能譜分布的輻射源中,可利用相同的直流增益退化來等效;且在當下,Si的反應截面數據更趨準確,從而使得雙極晶體管探測器的優勢更加突出。中國工程物理研究院的CFBR-Ⅱ堆是核爆模擬輻射場,具有高n/γ比,中子能量為1.03MeV,是行業公認的抗核加固性能考核的理想平臺,也是雙極晶體管探測器的理想刻度平臺。在此平臺上刻度的雙極晶體管探測器應用在不同輻射場中,所測的中子注量即為1MeV等效中子注量。且探測器體積小,能實現多只探測器在不同輻射場不同輻照工位的同步在線測量,具有普遍實用的價值。
          中國工程物理研究院的鄒德輝、魯藝等人,對雙極晶體管3DG121C探測器的抗輻照性能、標定技術、退火進行了前期的研究。本文在此基礎上,擴大該類探測器的研究范圍。通過對3DK2222A和3CK3B探測器在CFBR-Ⅱ堆高達8.3×1012中子注量的輻照,實現了探測器抗中子輻照能力強弱的甄選,確定了探測器的最佳適用范圍,并可據此針對不同中子場的測量選用合適型號的探測器;對3DK2222A和3DG121C探測器在60Co源中進行了抗γ性能的研究,在輻照γ劑量達到1000Gy的情況下,分析了兩種型號探測器抗γ性能的特點,并確定此性能特點的應用場合;對于不同中子注量率對該類探測器的影響,選擇3CK3B型探測器分別在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下進行,分析不同注量率對探測器的影響結果。基于探測器的重復使用須退火的特點,分析了原有退火技術的不足之處,對探測器結構進行了改進設計,改進后的結構設計兼顧了探測器在標定時的準確性和退火的便利性。由于中子場中的γ射線,會對雙極晶體管探測器造成電離輻射損傷,同中子一樣,會導致探測器直流增益的退化。由γ射線導致的直流增益退化,會疊加在中子造成的直流增益退化上,使探測器測得的中子注量比實際中子注量高。對3DG121C和3DK7E探測器在γ射線中的輻照規律分析,推導出探測器在γ射線輻照時的經驗公式。結合中子注量測量原理,最終確定了在有n/γ比的中子場中,運用該類探測器時,可使用的中子注量測量修正公式。通過本論文對雙極晶體管中子注量探測器的全方位研究,使1MeV等效中子注量探測技術更加完善,為探測器的推廣與實際應用,提供夯實的理論支持。并對探測器以后的拓展研究具有指導和參考意義。
        [碩士論文] 費鵬
        儀器儀表工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:隨著國家在核事業方面的研究投入越來越大,在核技術應用和核物理研究中趨于關鍵的核能普測量系統扮演者越來越重要的角色。進入21世紀,核事業的研究發展進入新階段,傳統核能譜測量系統,主要以模擬電路為基礎,對核信號的數字分析往往采用的是模擬電路搭建分析平臺的方法。信號通過硬件電路的電阻電容時容易產生噪聲信號,對原始信號產生干擾,所以以前的模擬系統對核信號的測量分辨力不高,處理結果不夠穩定。況且傳統核信號測量系統設計復雜,邏輯電路多,設計成品往往比較龐大,不適用科學技術發展對測量儀器小型化、集成化的發展要求。
          現代核能譜測量系統中加入了數字信號處理技術,具有集成度高、穩定性強、數據處理快等特點。核能譜測量系統主要由核輻射探測器、核脈沖放大電路、數字多道脈沖幅度分析器、計算機能譜顯示軟件或嵌入式移動顯示模塊,外加供電系統構成。其中作為核能譜測量系統的核心,數字多道脈沖幅度分析器因為其數字可控、高精度、高分辨率等特點,被核信號能譜測量系統廣泛采用,基于數字多道脈沖分析器開發出多種適應各種不同核能譜測量環境的測量儀器,滿足了核事業大力發展的設計需求。
          作為數字多道脈沖分析器的核心,數字信號處理芯片是核信號處理的關鍵。各種集成度更高、線性度更好、數據傳輸更快、能耗更小的數字處理芯片促使核技術應用進入新階段,核信號測量系統更是百花齊放。其中FPGA(現場可編程門陣列)往往被選作核信號數字處理電路的核心處理器,承擔著濾波成形、數據緩存、波形甄別等任務。隨著FPGA技術和嵌入式系統的高速發展,集成了嵌入式軟核的FPGA是嵌入式發展的新方向,通過SOPC Builder技術,用戶可以根據自己的需要定制自己的軟核,即保留了FPGA運算速度快的優點,還可以把軟核作為系統控制核心,實現了功能互補,在對有算法和邏輯控制需要的系統開發上體現了卓越的性能。
          結合以上分析,考慮到在核輻射測量環境中,對系統功耗、集成度、數據傳輸和成本的要求,設計基于NiosⅡ軟核雙口RAM的核信號采集系統,FPGA作為論文唯一核心處理器,充分發揮系統器件的特點:①選用的FPGA集成了NisoⅡ嵌入式軟核,FPGA外加NiosⅡ軟核協同工作,實現了系統的高度集成,功耗和成本的控制。②數據經過處理后采用FPGA內置的雙口RAM進行數據緩存,雙口RAM具有兩套獨立的數據線、地址線和讀寫控制線,允許不同的設備對同一個存儲單元在不同時間進行讀寫。采用雙口RAM的數據緩存方式,可以避免數據傳輸堵塞與丟包,提高系統數據傳輸的速度,滿足核能譜測量系統對能譜數據進行實時采集的要求。
          針對核能譜測量系統中對系統集成化和數據高速傳輸的要求,論文采用基于NiosⅡ軟核的嵌入式控制核心,雙口RAM的數據緩存方式,完成了高性能核信號采集系統的設計。NiosⅡ作為核心處理器協同FPGA一起工作,數據通過雙口RAM緩存,實現了核信號的高速采集、實時處理、靈活存儲。從元器件應用、接口設計、高速信號處理等多角度對系統可靠性進行測試,對系統實時性、集成度、功耗低方面進行了驗證,并最終采用NaI探測器對實驗室137Cs源和60Co源進行連續測試,實現了核信號的能譜顯示,并且保證了測量結果的準確性。
          實驗測試表明,系統能夠實現核能譜的正常測量,滿足系統高集成化、高實時性、高性能和低功耗的設計特點,符合核技術應用的開發和設計要求,符和核安全級產品的設計要求,對嵌入式系統在核技術應用方面做出了嘗試,開拓了核能譜測量系統設計思路,對核儀器的發展有著積極的作用。
        [碩士論文] 盧位
        核資源與核勘查工程 成都理工大學 2018(學位年度)
        摘要:按用途分類,核輻射成像系統主要分為兩種,工業伽馬相機和醫用伽馬相機。工業伽馬相機主要用于遠場成像,成像目標尺寸較大,射線能量較高;醫用伽馬相機多采用低能伽馬射線,而且能量跨度太小,不能針對多種能量射線成像。肺部內污染成像介于工業用和醫用之間,需要對對中高能量伽馬射線的成像,同時也需要近場成像以獲取更好的空間分辨率和探測效率。因此本文基于此種情況設計了一種在核事故情況下針對肺部內污染的輻射成像系統,對肺部中沉積的多種核素釋放高能伽馬射線進行成像,主要研究成果如下:
          1)建立了一套可用于肺部內污染情況下的成年男性胸腔放射源建模方法,可以在肺部均勻填充,核素也可在胸腔中放置不同形狀的放射源的方法。
          2)根據標準成年男性肺部尺寸,設計了修正均勻冗余陣列(MURA)準直器和平行束(PB)準直器。MURA(61×61)準直器的材料為鎢,密度為19.35g/cm3,開孔基本單元為8.8mm的方孔,尺寸為100cm×100cm×1.93cm;PB準直器開孔大小為2mm,小孔間隔厚度為1.2mm,材料為鎢,尺寸為30cm×30cm×10cm。兩種準直器均可以對肺部放射源進行成像。最后綜合考慮肺部內污染成像測量的要求,選擇了MURA準直器。
          3)根據MURA準直器的編碼設計規則,設計了相應的探測器陣列模型,使用最大似然算法對模擬探測器獲得數據進行反演,得到了放射源的分布圖像。
        [碩士論文] 黃智超
        精密儀器及機械 中國科學技術大學 2018(學位年度)
        摘要:隨著同步輻射光學的迅速發展,為納米級的高空間分辨實驗提供了可能,這對同步輻射光束線聚焦技術提出了更高的要求。同步輻射中使用的輻射光主要位于X射線波段,目前國內外多使用壓彎鏡以掠入射的方式進行X射線的聚焦。本文圍繞同步輻射聚焦鏡壓彎機構的設計,介紹了壓彎機構設計理論,完成了壓彎機構的設計和校核,分析了理論面型誤差對壓彎鏡面型精度的影響,提出了力矩加多點力的重力補償方法。具體內容為:
          1.根據壓彎機構設計理論,計算了壓彎鏡的有效長度、最大力矩和理論面型,完成了壓彎機構的設計和校核。壓彎機構垂直聚焦的有限元分析表明,在使用力矩加一點力進行重力補償后,壓彎鏡面型斜率誤差減小到0.102μrad。
          2.推導了壓彎鏡理論面型的計算過程,通過壓彎鏡面型理論值與有限元模擬值的對比,分析了壓彎半徑、鏡子寬度、鏡子高度和橫截面剪力對面型誤差的影響。壓彎鏡面型理論值與有限元模擬值的對比表明,壓彎半徑越大斜率誤差越大;橫截面剪力越大斜率誤差越大;當鏡子寬長比或高長比較大時,壓彎鏡不滿足長直梁的假設,面型誤差迅速增大。
          3.推導了壓彎鏡自重導致面型誤差的理論計算過程,提出了力矩加多點力的重力補償方法。壓彎鏡自重導致的斜率均方根誤差為4.693μrad,采用力矩加一點力、力矩加兩點力、力矩加三點力和力矩加四點力進行重力補償后,自重導致的斜率誤差分別為0.085μrad、0.028μrad、0.012μrad、0.007μrad。力矩加多點力與多點力補償方法的對比表明,在鏡子兩端使用力矩進行重力補償后,所需補償力大小相應降低,面型斜率誤差明顯減小,力矩加一點力、力矩加兩點力、力矩加三點力和力矩加四點力補償后的斜率誤差分別為沒有力矩補償時的36%、52%、61%、68%。力矩加多點力補償重力的方法明顯優于多點力補償重力的方法。
        [碩士論文] 董樂
        物理電子學 鄭州大學 2018(學位年度)
        摘要:隨著核控制技術的發展,核物質的放射性特點被越來越多地應用于國防、工業、農業、醫學、環境和材料等領域,如核能發電、礦藏探測、環境監測、醫學成像等。在所有這些應用中,對核物質放射性的實時定量檢測必不可少。
          近年來,數字電子技術和計算機技術的快速發展為數字核放射性檢測系統的發展創造了有利條件。目前,國內外現有的核放射性檢測系統多是單路模式,即在同一時間只能檢測一路信號。而且,我國現有的檢測系統仍存在體積大、精度低、效率低等一系列問題。因此,針對以上問題研究開發多路核放射性檢測系統,對于提高核放射性的檢測水平,意義重大。
          本文論述的多路核放射性檢測系統的設計,以MaPMT芯片、Xilinx公司的可編程邏輯器件XC6SLX45和意法半導體公司推出的基于Cortex-M4內核的微控制器STM32F407IG作為主要器件。系統中MaPMT芯片的64路通道通過外接亞德諾公司的AD5323調節全局閾值;FPGA內部采用VHDL語言設計實現脈沖信號的處理;STM32主要作為控制核心,對MaPMT芯片進行初始配置,同時作為FPGA和上位機通信的橋梁,與FPGA實現命令交互和數據傳輸,最后通過網絡端口與上位機軟件進行信息交互。系統采用ARM+FPGA的組合進行搭建,ARM比較適合于事務處理工作,用于系統的總體控制,FPGA的內部邏輯結構搭建靈活,管腳充足,用于多路數據信息的并行處理。
          該系統依據核電子學基本原理設計信號處理系統的單道脈沖幅度分析器,它是核放射性檢測系統的重要組成部分。系統使用高集成度元器件替代傳統的分立器件,有效減小了體積,降低了功耗。其內部構造了兩個多路單道脈沖幅度分析器,可實現最多對64路探測器輸入信號同時在兩個能區檢測分析。
          系統的硬件部分包括ARM、FPGA系統電路的設計,以及電源電路和網絡接口電路的實現。
          軟件設計包括ARM控制模塊的軟件開發和上位機測試軟件的設計。
          通過對系統進行整體性能測試,包括各個通道的一致性,對比測試以及穩定性測試,經過數據分析表明,系統達到了預期的設計目標。
        [碩士論文] 程倩倩
        材料科學與工程 河南師范大學 2018(學位年度)
        摘要:CMOS器件是對光敏感的光學電子元件,當γ/X射線通過CMOS器件時,會在相應的介質上發生電離作用,產生可被傳輸的電荷,繼而產生電信號,電信號經收集放大等可在CMOS傳感器采集到的圖像出現亮點。因此,CMOS圖像傳感器可被用于檢測γ/X射線。本論文主要討論設計了基于CMOS的γ/X射線探測系統,開展了CMOS對γ/X射線的能量分辨研究,解決了γ/X射線源在CMOS上成像后的能量算法、CMOS對γ/X射線圖像的快速俘獲和連續記錄的關鍵問題,并在γ/X射線在不同條件下的反應進行了初步研究。主要從以下兩個探測系統中開展研究實驗:
          1.基于CMOS和ARM的探測設計
          探測系統主要由數據采集、數據分析顯示及數據保存三部分組成。由于信號在CMOS的延遲效應,對于已經固化的攝像頭或者攝像機程序,需要進行調整。即當時現有的技術對于實現γ/X射線測量具有局限性,必需加入人為調節參數對圖像的獲取頻率(即每秒圖像的幀數)進行調節。基于對ARM微控制器編程開發,我們實現了對CMOS圖像獲取的控制技術,邊采集邊分析圖像數據,并順利實現了單位時間獲取和存儲圖像幀數的控制,以達到各種設計需求。
          2.基于CMOS的X射線探測研究
          探測研究主要由信號采集、顯示、保存及數據分析四部分組成。信號采集與保存主要由市場上現有的監控設備完成,即利用監控設備對X射線進行連續俘獲與記錄。在X射線能量檢測中,利用重慶市腫瘤醫院X射線治療模擬機,通過改變加速電壓V、加速電流I和輻照時間t,采集不同情況下的圖像,研究X射線治療模擬機上輻射能量規律。利用上述兩個探測系統完成相關輻射探測實驗,對實驗采集到的收據進行分析討論,研究能量規律。
        [碩士論文] 王雨晴
        物理學、粒子物理與原子核物理 河南師范大學 2018(學位年度)
        摘要:北京譜儀Ⅲ(BESⅢ)是工作在北京正負電子電子對撞機Ⅱ(BEPCⅡ)上的大型通用磁譜儀,主要用于研究Τ-粲能區的物理過程。BESⅢ采集了1310.6×106的J/ψ數據樣本,并且具有低本底、末態事例拓撲結構簡單以及高探測效率等優點,為研究輕介子譜以及輕介子衰變提供了很好的場所。
          η'介子為理解低能量子色動力學中的直接的對稱性破缺機制提供了一個獨一無二的場所,而且它的衰變在檢驗低能量子色動力學有效理論中扮演著重要的角色。基于手征微擾理論、線性σ模型和矢量介子為主模型,理論預言η'→γγη的分支比為2.6×10-4,并認為該過程中矢量介子的貢獻是主要的。
          J/ψ→γη'的分支比較大,為5.15×10-3。目前,BESⅢ探測器已采集1.31×109個J/ψ事例,相當于6.75×106個η'事例,為尋找和研究η'的稀有衰變提供了有利的條件。本文首次利用J/ψ→γη',開展了η'→γγη的尋找。經過詳細的數據分析,沒有在γγη質量譜上觀測到明顯的η'信號。采用貝葉斯方法,確定了該衰變過程在90%置信度下的分支比上限,B(η'→γγη)<1.18×10-4。該上限明顯小于理論預言。
          在2017和2018年,BESⅢ探測器又采集了3.7×109個J/ψ事例。將來可以利用該高統計量事例樣本深入研究該衰變過程,進一步檢驗手征微擾、線性σ和矢量介子為主理論模型。
        [博士論文] 朱志甫
        微電子學與固體電子學 大連理工大學 2018(學位年度)
        摘要:中子不帶電,它與原子核相互作用時不受庫侖勢力的阻擋。先進的中子探測技術是開展精密中子物理實驗的基礎,在核反應堆、新能源技術、核武器研究和設計等領域發揮著重要作用。然而,中子探測器在中子探測技術中是最前端器件且最為關鍵部件之一。目前,基于核反應法制備的第一代6Li夾心半導體硅中子探測器具有功耗低、線性響應范圍寬、響應時間快、n/γ分辨率好、體積小、工作電壓低等優點被廣泛采用,在許多應用領域替代3He正比計數管、BF3正比計數管和閃爍體探測器。但是,在中子測井、油氣勘探、地下探礦、核電站放射性檢測等領域,中子探測器面臨高溫或強輻射的惡劣工作環境。這些應用領域都對半導體中子探測器提出了新的性能要求。由于第三代寬禁帶氮化鎵材料具有禁帶寬度大、位閾能大、高擊穿電場、高電子飽和速率、高熱導率、高擊穿電場和良好的化學穩定性等優異特性,基于GaN基的中子探測器具有耐輻照、耐高溫、線性響應范圍寬、響應時間快、n/γ分辨率好、體積小、工作電壓低等優點,非常適合作為新一代半導體中子探測器,具有很好的應用前景。本文根據中子與GaN的相互作用和探測機理,圍繞GaN器件的制備工藝和中子轉換層的性質及特點,設計并制備了GaN基中子探測器,并對其性能和相關物理機制進行了系統研究。本文主要研究內容和結果如下:
          (1)利用SRIM及MCNP軟件模擬仿真了alpha粒子在GaN材料中的射程、電荷輸運特性、器件結構對電荷收集效率的影響,建立了alpha粒子探測器的仿真模型;仿真了不同厚度的6LiF轉換層對中子轉換效率的影響。根據理論仿真分析結果,設計了探測器的器件結構。利用MOCVD法在藍寶石襯底上外延生長了GaN基pin結構,討論了n和p型GaN的歐姆接觸及肖特基接觸,分析了界面態對歐姆接觸及肖特基接觸的影響;并且根據討論結果,制備了pin結構alpha粒子探測器。根據制備的pin探測器,測試了探測器的電學性能,包括I-V、C-V;利用241Am源,測試了器件在不同電壓不同面積下的電荷收集效率,alpha能譜。測試結果表明,由于GaN存在著很強的極化效應,在偏壓為0V時,探測器的漏電流最小,能譜分辨率最好。
          (2)GaN作為第三代寬禁帶直隙半導體材料,應用在核輻射探測方面的主要優勢是耐高溫和耐輻照。本文開展了GaN基pin探測器的高溫測試,測試溫度范圍從290K到475K。測試結果表明,當溫度升高到475K時,探測器的FWHM變化很小。由此說明,GaN基核輻射探測器能夠工作在475K以上的環境中。本文還開展了高能10MeV電子輻照對GaN基pin alpha粒子探測器性能影響的實驗研究。采用不同注入劑量的電子,對探測器的電學性能、alpha粒子能譜等特性進行了詳細的測試和分析。研究結果表明,當注入劑量大于100KGy時,器件的性能開始退化,電荷收集效率也開始變差。
          (3)基于核反應法探測中子的原理,針對中子轉換層的關鍵材料6LiF,模擬仿真了不同厚度對中子轉換效率的影響;結合目前轉換層的薄膜制備方法的難點,重點開展了熱蒸發和溶膠法制備6LiF薄膜工藝的研究,從表面形貌、晶體質量和薄膜生長速率方面,探討了不同工藝條件下的制備方法。研究結果表明,該法工藝簡單,制備的薄膜性能較好。結合制備的6LiF中子轉換層,利用241Am-Be快中子中子源開展了GaN基pin中子探測器的快中子的測量實驗研究,利用高密度聚乙烯將快中子轉換為熱中子,采用脈沖計數,實現了中子探測。實驗結果表明,當6LiF的厚度為16.9μm,聚乙烯厚度為7mm,反向偏壓為-10V時,探測器的中子探測效率為1.7%。
          通過對GaN基中子探測器的理論分析、模擬仿真、器件結構設計、外延生長及表征、alpha粒子探測性能、耐高溫和耐輻照性能測試、6LiF制備及快中子探測性能等關鍵問題進行了有針對性的研究。擴展了GaN基核輻射探測器的應用領域,在國際上首次成功的制備了基于6LiF的GaN基中子探測器。基于以上研究工作,證明了GaN材料作為核輻射探測器具有耐高溫和耐輻照優勢,可以開展GaN基核輻射探測器在工業中的應用。
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