基于ARM和FPGA的数字多道分析器研制

多道分析器作为γ能谱测量中不可或缺的组件,其性能直接影响能谱仪分辨率及测量精度,传统的多道分析器多采用模拟电路方法或使用数字采集卡实现。模拟多道对于影响能谱仪性能的成形时间、脉冲通过率及死区时间修正等问题上具有一定的局限性,而这会直接影响能谱分析结果;数字采集卡是实现数字采集的计算机扩展卡,成本较高,不利于市场化推广。数字多道分析器对脉冲信号进行全数字采样,将其转化为数字量,利用数字信号处理方法,通过软件实现,完成整个信号分析处理过程,可极大提高系统稳定性与可靠性,相比于前两种方案,优势明显。设计了一款数字多道分析器,采用ARM处理器+高速ADC+FPGA的硬件方案,主要包括AD采样模块、FPGA数据处理模块和以STM32F4为核心的控制和通信模块。使用数字信号处理方法,编写硬件描述代码实现了脉冲信号滤波成型、幅值提取和基线修正等核脉冲处理的关键算法,最后给出探测器核信号经本文设计的数字多道处理后的γ能谱图。根据国内外研究成果及理论基础,经过深入系统理论分析,方法仿真验证,以及实际调试过程,最终研制出一款可商业化实用、完整且高精度的数字多道分析器,并将其应用在低本底γ能谱仪上,其能量分辨率测试均值为6.6791%,能量线性相关度R2在0.9999以上,积分非线性为0.26%。设计的数字化多道分析器采用ARM+FPGA的方式,极大程度降低了系统设计难度和成本,实现了高精度、高速的脉冲信号数字化,测试性能可达到数字采集卡的水平,具有极高的市场应用价值。

LHAASO缪子探测器电荷优化测量研究

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)主要用于探索高能宇宙线起源、高能天体演化以及新物理前沿等。其中的大面积缪子探测器(Muon Detector,MD)阵列,具有对原初伽马射线的高鉴别能力,能够完成超高能伽马射线的高灵敏度探测。缪子探测器通过阳极和第七打拿极两路信号共同读出的方式,实现1~10000个缪子的大动态范围探测。为了减小在阳极信号饱和后的区域,直接转换为打拿极信号进行测量的误差,提出了将阳极(阳极未饱和部分)和打拿极(阳极饱和部分)两部分信号进行拼接测量的电荷测量优化方案。通过数值模拟得出阳极与打拿极之间的连接方式,可以采用实验室标定的阳极、打拿极关系进行连接。数值模拟结果表明,该方案在1~10000个缪子的大动态范围内有效降低了测量误差,误差小于1%,缪子谱结构得到明显改善。利用全波形信号进行数据分析的结果与模拟结果很好符合,验证了该方案的有效性。

阵列式反中微子探测系统模拟信号发生器设计

使用阵列式塑料闪烁体探测器结合多通道电子学系统对反中微子进行探测是目前较为流行的探测方法,其以多路信号之间的能量-时间符合关系来甄别中微子事件,其电子学系统建立后,需要有符合理论算法关系的多通道随机模拟信号对系统进行测试,以验证系统是否具有预期的探测效果。介绍了一种符合式多通道模拟信号发生器的设计,可以产生满足要求的模拟信号,下位机部分利用高速FPGA作为主控制单元,控制32路DAC通道对外输出信号;上位机部分使用直接抽样方法对蒙特卡洛算法得出的数据生成信号的输出通道、输出幅度和预期输出时间,通过USB传输给FPGA,由FPGA对信号进行精确控制,以达到在多个通道上输出满足要求的信号的目的。测试表明,本系统产生的符合式多通道模拟信号满足反中微子探测的能量-时间符合要求,为复杂的多路仿核信号模拟发生器的研制与改进提供了新的思路。

高温环境下数字反应性仪微电流测控技术可靠性研究

数字反应性仪是核电厂用于测量反应性的专用设备,能够实现宽范围的微电流测量,采用高精度驱动电路控制电磁继电器实现电流范围自动量程切换是本设备的关键技术之一。在高温环境下,继电器会出现线圈阻值变化而导致驱动电压需求增大的现象,进而导致继电器可靠性降低。为提高高温环境下微电流测控技术可靠性,重点开展不同继电器驱动方式对高温环境下数字反应性仪微电流测控技术可靠性研究。研究发现,相对于低电平驱动模式,高电平驱动模式能够有效提高高温环境下反应性仪微电流测控电路可靠性。通过高温步进试验验证,该数字反应性仪在65℃环境下,达到热平衡后的30 min内,微电流测量稳定有效。

Sallen-Key滤波器多参数仿真分析方法

仿真分析在核技术工程设计中具有先导意义。以Sallen-Key滤波器硬件的实验仿真分析为例,利用Multisim仿真软件与Excel软件VBA功能,分析Sallen-Key电路自身品质因数以及输出脉冲信号的幅度、宽度、半高宽4个参数对输出脉冲信号形状、滤波效果的影响。通过Sallen-Key滤波电路最佳参数设计,实现理想高斯脉冲信号成形。结果显示,该实验分析方法可行,对核电子学课程电路参数设计部分提供了较好的参考。

基于改进不变矩的变形X射线图像识别

为实现有变形X射线图像的有效识别,对有变形图像不变矩进行理论推导,并针对变形情况提出了3个新的改进不变矩。将原不变矩和新提出的改进不变矩应用于不同图像,分析并验证所构建改进不变矩的有效性,并提出基于改进不变矩的变形X射线图像识别方法。实验结果表明,提出的改进不变矩具备有变形情况下的尺度、旋转、平移不变性,所提出的基于改进不变矩的变形X射线图像识别方法能够有效提高识别准确率,效果更佳。

基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器研究

针对同位素仪表电路调试、测试所需探测器输出的核辐射信号获取不便情况,试制了一种以FPGA为核心的核辐射脉冲信号发生装置,以全数字化方式模拟真实脉冲信号波形及分布情况。实验模拟了闪烁体探测器输出的γ射线脉冲信号,实现了波形可编程、能谱可编程、计数率可调节,减少了对放射源的操作,便于信号处理部分电路的调试,探讨了更加复杂的脉冲信号实现方法及调整方案。

蒙特卡罗方法计算用于低能光子测量的高纯锗探测器的效率

在内照射活体测量中,为了用蒙特卡罗方法计算探测器对光子尤其是低能光子的探测效率,需要对探测器准确建模。通过使用蒙特卡罗模拟计算和实验测量相结合的方法来准确确定低能光子高纯锗探测器晶体的死层厚度、半径和长度;结果表明使用此方法确定的晶体尺寸来模拟计算探测器效率,在17.5～662keV光子能量范围内,低能光子高纯锗探测器探测效率的模拟计算结果与实验结果比较,相对偏差平均小于1.0%,最大为3.2%。

Geant4在核技术领域的应用

Geant4是欧洲核子中心主导开发的一套用于MonteCarlo模拟的开发程序包。本工作通过几个计算实例介绍了Geant4程序在核技术领域中的应用,表明Geant4不仅能够用于高能物理模拟,同时也可以应用于核技术领域的其他方面。

基于C8051F020单片机的高性能多路定标器的研制

采用扩展计数容量的软件计数方法、软件滤波抗干扰措施及修正晶振振荡偏差的软件定时补偿方法,使用C8051F020单片机和INTEL8254-2计数器芯片,设计了一个16路的多路定标器。测试结果表明,该多路定标器定时准确度高、抗干扰能力强,而且性能稳定,多路定标器的计数容量最高达248–1(约2.8×1014)、最高计数率大于1×107 s-1,这些主要技术性能都优于同类产品。

数字化多道脉冲幅度分析器调理电路设计

介绍了一种适用于数字化多道脉冲幅度分析器(DMCA)的调理电路。该电路具有宽带、高速、抗干扰能力强、参数动态可调等特性。实验表明,该电路能够有效抑制噪声,提高ADC有效位数,可以满足数字化多道脉冲幅度分析系统的需求。

C8051F020 MCU在核谱测量系统中的应用研究

利用高性能的C 8051F 020单片机设计了一种核谱测量系统,系统与微机连接实现了谱数据的实时采集。直接利用C 8051F 020已经封装的一个12位的100kH z的逐次逼近型ADC,两路12位的电压型DAC中的一路,片上的4k字节XRAM,加上过峰检测电路构成多道分析系统。利用C 8051F 020上ADC 0的差分输入,一路为输入信号,一路为DAC 0的输出,实现滑尺,可以明显地改善测量谱仪的微分非线性。用N aI(T l)探测器的信号作测试,实测了137C s的谱图。

基于ARM的软件延迟符合法氡同位素分辨测量实验系统研制

本文探讨了一种基于嵌入式系统的软件延迟符合分辨测量氡同位素技术,建立基于ARM嵌入式微处理器试验装置,记录核脉冲序列的时序信息,利用氡同位素的短寿命子体钋半衰期不同的特性,用一种软件延迟符合测量法分辨测量了219 Rn和220 Rn源。实验结果表明,软件延迟符合系统能分辨测量低水平219 Rn和220 Rn,操作简便,达到了设计目的。

软件延迟符合法测量低活度^(220)Rn的实验研究

介绍了软件延迟符合分辨测量氡同位素的基本原理及相应的计算公式,并构建了软件延迟符合实验装置,对低活度220Rn源进行测量,与RAD7连续测氡仪进行了比对实验。实验结果显示,本底计数率为2～4 cpm时,延迟符合实验装置能够分辨测量衰变率为3～18 dpm的220Rn样,其测量结果与RAD7测量值偏差均在±8%以内。实验结果表明,软件延迟符合法能够在含有222Rn的环境中分辨并测量出低水平220Rn。

基于80C31单片机的核脉冲幅度采集简化系统

简单介绍了一种由微分过零比较峰值检测电路、集成采样保持器、模数转换器和８０Ｃ３１单片机组成的简易多道核脉冲幅度信号采集系统。

一种超长时间的峰值保持器

针对高压脉冲试验或老化设备中高压脉冲峰值电压和峰值电流测量的需要,设计了一种两级脉冲电压峰值保持器电路.该电路兼顾了适应快速脉冲前沿(约100 ns)和超长时间保持(约10 s)两方面的性能要求,可以实现超长时间的快速峰值电压保持.实验结果表明,该电路可以获得长时间的峰值保持,满足后续慢速测量电路如数码显示表头、工业PLC模拟量输入模块等的需要,替代高性能数字示波器的测量功能。

基于嵌入式FPGA的数字化便携式LaBr_3(Ce)γ谱仪

介绍了一种采用嵌入式FPGA完成数字梯形滤波成形等核脉冲数字信号处理,NIOSII软核完成数字稳谱、核素识别等数据处理的4K道数字化便携式LaBr3(Ce)谱仪。测试表明,该数字化谱仪的能谱分辨率小于3%,最大脉冲通过率可达200 kcps以上。

低死时间单道脉冲幅度分析器的设计与仿真

死时间是单道脉冲幅度分析器重要性能指标之一,特别是在高计数率条件下,该指标对单道系统的影响尤为明显。针对这一问题设计了一个单道电路,采用了新的逻辑控制电路设计思路,从很大程度降低了传统单道逻辑电路的死时间。用Multisim仿真软件对该电路进行仿真,仿真结果表明其在高频输入信号下工作状态良好。

延迟符合法测量^(223)Ra和^(224)Ra的偶然符合修正计算比较研究

延迟符合法测量220 Rn和219 Rn是间接测量天然水中224 Ra和223 Ra的方法,能提供河口海洋混合区海底地下水流出情况及水与土壤相互作用的示踪信息。在实际测量计算中会用到Moore偶然符合修正方法,然而研究发现,Giffin和Moore方法还存在某些不完善之处。本文在Moore和Giffin方法的基础上,对Moore方法进行了改进(简称方法1),同时提出了新的偶然符合修正公式(简称方法2);构建实验装置分别测量低活度222 Rn、220 Rn、219 Rn源及220 Rn和219 Rn混合源,对偶然符合修正公式进行比对实验验证。结果表明,总计数率小于70min-1时,本工作提出的两种方法在准确度和误差方面均较Moore和Giffin方法有所改善。

一种确定活性碳取样滤盒中^(131)Ⅰ活度的新方法

代替传统的通过效率刻度测量131Ⅰ活度的方法,借助于MCNP5模拟和求解病态矩阵方程得出131Ⅰ在取样滤盒中的深度分布和总活度。该方法稳定性良好,无需制备标准样品和效率刻度,有利于快速准确地监测131Ⅰ的排放;可以给出深度分布,有助于了解131Ⅰ在取样盒中的物理进程。