核能譜多道分析儀設計

摘 要：文章介紹一種以單片機微處理器為核心的核能譜多道分析儀，它是一種可以測量多種射線類別的微型化智能儀器。具有核能譜數據采集，譜線分析與處理及實時顯示的功能。已通過實驗測試，達到預期效果。

關鍵詞：核能譜；單片機；射線；智能儀器

引言

二十世紀的五十年代初期，多道脈沖分析方法產生了。最早的驅動方式采用電機控制，實現分類。其分析器由一些間隔及閾值等同的甄別電路并聯而成，效果很差。到了六十年代初期，電子的模數轉化方式推動了該技術進程。隨后，IC、微控制器、PC機的廣泛使用，多道分析設備不斷智能化。九十年代初期，伴隨高效率的模數轉換與DSP技術涌現，數字化的多道技術得以開展。利用先進的DSP技術，可以完成幅度提取，譜線估計等功能。

國外在二十世紀的九十年代初期，多道分析技術開始向著數字智能化轉變，提高多道分析設備的性能是技術發展的必然趨勢。主要有兩個階段：首先是核脈沖經由高速的模數轉換采集，之后通過數字信號處理器進行譜線數據處理；其次是核脈沖經過高速模數轉換，利用可編程邏輯門陣列技術做成形的譜工作，將模擬電路處理部分全部數字化，提高系統的穩定性。國外的核能譜分析方法已有10多年的發展，涉及到各個工作范疇，在醫學上的應用極為顯著。未來整個發展會關系的整個行業。

能譜測量是核探測的一種重要方法。利用得到的核能譜數據，可以對核素分析提高便利的條件。主要原理是不同核素衰變過程中，發射的能量不同。接收探測裝置輸出的脈沖與發出的射線能量成正比關系，測得脈沖的幅度值，就能算出入射射線的能量值。該采集系統以多道幅度分析儀為主儀器，完成整個測量過程，具有功耗低、體積小、便于攜帶等特點。

1 能譜分析簡介

能譜儀的組成主要包括接收探測器、屏蔽干擾設備、厚度不同的鉛片、靜態工作點電路和電源控制設備等。高強度的射線入至能譜儀中，途經鉛片之后有一定程度衰減，穿透的射線和接收探測器中的靈敏區域產生電子，進而電離形成電子空穴對，在外電場下異向運動，之后被收集，形成回路電流，最終利用終端設備記錄波形[1]。

核能譜分析儀器的重要部件是多道分析器，它會直接影響測量的準確性和精度。傳統的模擬電路性能有限，有時難以達到設計要求，特別是在高分辨率的時候，性能明細下降，而且脈沖通過很少。這種電路的溫漂及參數不易調整的確定，使得系統穩定程度差，線性度不好，同時適應能力差。因而模擬電路的設計方案幾乎無法勝任設計要求。伴隨核能譜測量的廣泛應用，對高速、脈沖通透率高、準確穩定的分析儀器提出更高要求，因此需要研制新一代數字化多道脈沖分析器[2]。

2 系統組成及硬件設計

2.1 脈沖放大和閾值甄別電路

采用集成運算放大器LF353為核心元件組成放大電路，實現脈沖信號的放大，選用LM319芯片構成比較電路，進行脈沖幅度的鑒別，最終經由NE555整形濾波后轉換成數字信號，經總線送至微處理器CPU，電路如圖2所示。

2.2 主控制器和顯示驅動電路

采用C8051F340單片機作為主控制器，該芯片具有良好的溫度特性，接口功能強大，兼容性好。主要功能是對傳感器采集的信號進行分析、處理，并且輸出相應控制量，同時通過串行接口向遠端設備發送監測數據。

采用LCD12864液晶模塊提供顯示信息，模塊集成中文字庫，提供4行8列16×16大小漢字顯示，使用并行方式與單片機相連接，方便易操作，顯示直觀。

3 編程思想及軟件流程

3.1 編程思想

軟件的主要功能是根據核輻射探測器接收到的脈沖信號，通過甄別電路和A/D轉換功能，實現核能譜線采集、譜數據分析處理及存儲和實時顯示等功能。軟件以C語言作為編程語言，易于維護、可靠性高、可移植性好。為便于功能升級，采用了模塊化編程思想。

3.2 主程序流程圖（見圖4）

4 結束語

該儀器可以對進行多種射線進行測量，主要利用了分辨率較高的接收探測器來實現。該設備以單片機微控制器為核心，工作性能穩定可靠，消除了模擬電路的低溫漂影響，同時耗電省，功耗低、測量線性度和檢測精度高，有極強的穩定性。

參考文獻

[1]蘇兆鋒，等.強脈沖γ射線能譜測量儀研制[J].強激光與離子束，2010（22）：1137-1142.

[2]張軟玉，羅小兵，許祖潤.參數最優化數字核能譜獲取系統研究[J].原子能科學技術，2009（43）：77-80.

[3]陳興文，劉燕.單片機應用系統硬件調試技巧[J].中國測控網，2009（10）：15-16.

作者簡介：唐磊（1986-），男，研究方向：核探測技術及核電子學。