地学应用中的便携式伽玛射线全谱仪

地学应用中的便携式伽玛射线全谱仪 z/ 地学应用中的便携式伽玛射线全谱仪' . 苎苎,声方乐仁昌王小琴 【成都理工学院成都610059) 摘要cD一10型野外便携式伽玛射线全谱倥,采用89C51单片机作为多道幅度分析器的控 制模块,笔记本微机为控制主机;研制了白适应信号脉宽的多道幅度分析器,提高了仪器的能量 分辨率;利用面向对象语言继承与封装的特性,较件的数据结构,开发基于WINg~wsgx系 统的伽玛射线全谱应用戟件.控制界面友好,文件格式和放射性测量工作站兼容,可现场处理数 射线探测仪;实现了lO24道谱线采集与显示,测量的伽玛射线能量范围为2D一3000KeV,能量 分辨率低于]2qo(~XqCs源而言);仪器的体积仅38×26×11.5cm,主机重量约6kg,探头重 量3kg,整机功耗小于60 一 ,仪器结构 该仪器主要由三部分组成:碘化钠伽玛射线探测器,多道脉i申幅度分析器(MCA)和笔记本 微机系统,结构如图1所示. 一…一r……一……一一………………………r…一………' 碘 化一89C5L钠搛测晶体控制电路= :RS232 K==》 i:多道幅度分析器(MCA)::土苜: 图1基于笔记本微机的新一代野外伽玛射线全谱仪的结构图 伽玛射线通过NaI探测晶体.转换成微弱的电信号,通过屏蔽电缆接人到放大器的输^ 端,由放大器进行放大.放大的信号在控制电路的协调下,通过峰值栗集及保持电路,由AD 转换芯片进行模数转换,转换的数字信号作为道址信息,由单片机软件进行处理,结果临时保 存在ILg.M中,通过RS一232串121传送到笔记本微机系统 笔记本微机为整个系统的控制台,~~7NDOWS9X界面风格的野外伽玛全谱仪应用软件,能 够实时与多道幅度分析器进行数据的双向交流;谱文件的格式与放射性测量工作 ,可现 站兼容 场调用工作站进行数据处理.如含量计算以及成图成像等资料整理工作: ,国土资源都"九五地质科技项目编号:9505107 ^厂, ,,b ,...? 二,多道幅度分析器的原理与设计 多道幅度分析器(raca)是微机化便携式伽玛射线全谱仪的核心部分,其主要功能是采集 模拟信号的峰值并将其转换成数字信息,主要由放大器,峰值保持电路,控制电路以及AD 转换芯片等组成. 1.峰值检测保持电路 一 种峰值检测电路的原理如图2所示.比较器A为信号过零判断,当输^信号超过设定 的参考电压vf时,其Pulse输出为高电平,通知控制电路开启线性门s1.比较器B为信号峰 值判断电路,反相端接信号输入,正相端接采样电容,当信号在上升时,其Peak输出低电平,当 信号通过其峰值开始下降时,Peak输出高电平,通知控制电路关闭线性门s,停止采集信号, 启动AD转换操作 围2峰值检测以殛采样保持电路 模拟开关sI,s2的作用在于当电路进行AD转换工作时,防止后续脉冲的叠加干扰;而且 一 次AD转换完成后,对采样电容放电,防止由于残留电压而导致的基线漂移现象. 2.控制电路 控制电路西调峰值采集及保持电路与AD转换之间的时序,保证AD电路转换的是信号峰 值.其原理如图3所示,当一十脉冲信号输入时,Pulse端的上升沿信号触发D触发器,此时, 如果AD转换芯片(AD1674)空闲状态时,电路进入信号采样状态;当Peak端的上升沿信号触 发D触发器,电路进入峰值保持状态,同时启动AD转换芯片(AD1674)进行转换操作. AD1674的状态信号端s'rs在高电平时,表示正在转换中,反馈控制线性门s1关闭.转换 完成后,其下降沿触发单片机的外部中断,单片机的外部中断服务程序执行读取AD结果操 作. /D转换芯片与单片机接口 3.A A./D芯片的选择主要考虑:转换速度,孔径误差,转化精度,功耗等.在实际电路的实际过 程中,先后使用了市面上常见的几种芯片,如CA3318,.M)574,ADCl674等.其中ADC1674是美 国模拟器件公司生产的l2位逐次比较式A./D芯片,其封装和AD574,AD674完全一致,使用特 剐方便,其特性参数如下: ? 转换时间:10us ? 转换精度:0.05% 一 22— ? 片内有三态输出缓冲电路,并带有采样保持器 ?可以直接和8位或l6位的微处理器相连,无须附加逻辑接口电路 ?和cM0s,TIL逻辑电平兼容 国3控制电路与峰值检测保持电路的结梅固 AD1674各管脚功能可查阅相关资料_4J,其与单片机的连接如图4所示. AD1674空闲时,其状态端STS为低电平;AD转换进行时,SIS为高电平;转换完成后,STS 叉回到低电平状态.因此,STATUS端扶高电平变为低电平时,信号的下降沿可以用做单片机 的外部中断信号,由中断服务程序完成读取A/D结果操作;单片机的P1.1端连接到采样电容 的放电端以及控制电路模块,在读取A/DI674的转换结果时,Pt.1输出高电平,模拟 开关s 断开,模拟开关S闭台,采样电容放电. 采持V m 竺lAD167489C5 l—了广SIAS1 丝皇些卜_lPIl————r—r———一J厂一 圈4AD1674与8gtC51单片机系统的结构图 4.工作时序 多道幅度分析器的工作时序如图5所示:在脉冲的上升器,比较器Ptdse输出高电平,上升 沿触发D触发器,开关s闭台,采样电路对脉冲信号进行采样.在脉冲信号通过并下降到 (vPtk一0.3)伏时,比较器Peak输出高电平,上升沿触发D触发嚣,启动AD1674进行转换工 单片机中断服务程序进行读写操作,同时保持电容放电. 作.转换完成后, _ -- ,应用软件的设计 采用面向对象的高级语言MicrosoftC6.0开发基于WNDOWSgX系统的应用软件,其封 装和继承的特点极大地优化了软件的数据结构,采用多线程技术实现软件与MCA电路的实时 通讯.限于篇幅,仅就软件的多线程结构进行说明. 在伽玛全谱仪应用软件的功能中,串口通讯和采集状态的谱线显示两种任务对实时性要 求比较强.因此,采用多线程和消息驱动方式结合,实现其实时性的要求: 一 23— ==二=:====一======:::一 . M r] ‰: i.—1 s_墨挂==一 s——.—_r_=些皇s2儡持.——竺兰一 sUS..i二_—二蓝堑 1.线程简介. 线程负责执行包含在进程的地址空间中的目标 代码.当一个应用程序运行时,系统自动为其生成 一 个线程,称为主线程一个线程可以生成多个子 每个线程都有各自独立的一组cPU寄存器和 线程, 堆栈.? 操作系统以轮转方式向多个线程对象提供时间 片,如图6所示当一个应用程序终止时,其多个子 线程也随之结束.操作系统会协调多个线程轮流使 用CPU当多个线程同耐执行同一个进程地址空间 中的代码时,就意味着在一个应用程序中实现了多 任务的同步操作. 2软件的多线程结构 图6C,PU时间分配示意图 伽玛射线全谱仪的应用软件结构如图7所示[. 主线程在软件运行时,由操作系统自动生成,完成应用软件的大部分功能模块.子 线程1 负责实现串口的实时通讯,子线程2完成数据采集状态的谱线动态显示. 线程z __—_L墓线程线程L—线程前置 昌MI 电路 显示缓冲区 图7伽玛全谱仪软件系统的多线程结构 四,初步应用 结合有关环境评估项目,采用CD一10型野外便携式伽玛全谱仪,在川北某地进行了初步 应用,先后进行了数百个物理点的伽玛全谱测量,每个测点均获得了伽玛射线全谱,伽玛射线 辐射总照射量率,天然放射性元素铀,钍,钾含量等信息. 图8,图9是野外实测的伽玛射线垒谱曲线.其中,图8是本地区正常背景伽玛射线全谱 全谱曲线形态相似,曲线;图9是某放射性偏高点的伽玛射线全谱曲线;与图8相比,但各道计 数增强,反映了较明显的放射性异常. 值得说明的是,采用cD—l0野外便携式伽玛射线全谱仪能够现场获得伽玛射线总量,天 然放射性元素(铀,钍,钾)含量,全谱曲线等资料,能够现场指示某些放射性核素等的存在,这 是过去无法完成的. E… 一一——,—????_????H__-_麟 扩展区 ?B..l'333- ' _.一 L '._ . .. u ?..一.?I,,..一,一 垒堵区 B-21. 手动 r Thlt' . K- 一 co 图8某地环境评估中某异常点(正常背景)的野外伽玛射线全谱曲线 五,结束语 采用笔记本微机与单片机相结合的cD—l0型便携式野外伽玛射线全谱议,充分利用了 计算机科学发展的最新成果;开发的WINDOWS98风格应用软件,界面友好,使用方便;文件格 式和放射性测量工作站兼容,可以现场进行数据处理工作.这种结构的伽玛射线全谱仪,比单 纯采用单片机作为控制主机的便携式垒谱仪有更多的优点,既充分利用了微机系统强大的数 据运算功能,又实现了仪器的小型化. 该仪器的研制成功,满足了野外现场一次性测量的要求,即现场进行采集数据,处理数据 以及显示结果等,实现了室内资料整理的野外现场化,为在新一轮国土资源大调查中开展野外 放射性普查工作提供了可靠的仪器保证…. 9h 扩展区 333 ,一 ,,^. 全借区 手动 IU12目 crlThl36 ,{,141~,1k..主品li ,,』l 参考文献 围9某地环境评估中某异常点f放射性偏高)的野外伽玛射线全谱曲线 .贾文懿,吴允平等,棱方法全谱畏I量快速分析技术及其应用研究,国土资源部科1 研,1999.5 2.吴允平,贾文懿等,多线程技术在伽玛垒谱仪戟件系统中的应用,《物探化探计算技术),第3期,第2l 卷,1999.8 3.贾文鹫,方方等编着,梭地球物理仪器,原子能出舨社,北京,1998.8. 4李华,孙小民等编着.MCS一51系列单片机实用接口技术,北航出版社,北京,1993.8 据国家经贸委有关人士透露.农机产业,装备产业和公用基础设施产业将成为市场求大于 供的热门产业.农业现代化建设将使农机市场上的许多农业机械走旺,预计今年大,小型拖拉 机,农用运输车,农用内燃机等农机与去年同比增长10—15%;1998年已至谷底的 机床行业, 今年在国内市场的占有率将明显上升,主要增长点集中在数控机床,电子加工机床,专用高效 机床等技术含量高的产品上;基本建设投资将继续保持较高增幅.大约在20%左右. 从现在起到2010年,有五大类环保机械在我国市场的前景看好.这是我国环保专家在第 四届全国环保产业暨第六届国际环保展览会上透露的.这5类环保机械设备是:水污染防治 设备,大气污染防治设备,固体废物处理和综合利用设备,噪声和振动控制设备和环境监测仪 器仪表