一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统

一种基于叠层闪烁的
α
/
β
/
γ
粒子鉴别探测器数据采集系统
技术领域
1.本发明属于精密轴承套圈磨削加工技术领域，具体涉及一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统。


背景技术：

2.在核电站或核设施正常运行或退役时，会产生大量放射性核素，这些核素会在周围环境形成α/β/γ辐射场。由于α、β和γ射线的能量、射程和电离方式不同，对人体组织造成的伤害也不同，因此射线的鉴别测量对于涉核工作人员的辐射防护具有重要意义。传统的便携式辐射测量仪无法准确区分α、β和γ射线，只能区分α和β/γ，无法提供足够的射线鉴别能力。
3.数据采集系统作为探测器的核心部分在辐射测量中发挥着至关重要的作用，然而，目前缺乏与集成一体化α/β/γ叠层闪烁探测器匹配的数据采集系统。现有的数据采集系统集成度不高，需要通过采集信号脉冲波形，提取脉冲形状的特征量，需要较长的计算时间，对硬件要求比较高，无法对甄别参数实时调整，无法快速实时鉴别射线。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，用于解决现有缺乏集成一体化且无法实时修改甄别参数，快速实时鉴别α/β/γ粒子的叠层闪烁探测器没有匹配数据采集系统的技术问题。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，包括反光板，反光板将叠层闪烁探测器分为上层探测器和下层探测器，上层探测器和下层探测器经波长位移光纤对应连接三路sipm，三路sipm上的信号分为两路，一路信号被采集卡采集波形并上传至上位机；另一路信号经信号处理板处理后显示，并上传至上位机。
7.具体的，上层探测器包括第一闪烁体和第二闪烁体，第一闪烁体和第二闪烁体经波长位移光纤分别连接上层sipm和降噪sipm；第一闪烁体和第二闪烁体产生的闪烁光子经上层sipm和降噪sipm转换成电信号后进入信号处理板和采集卡。
8.进一步的，第一闪烁体为两个发光衰减时间常数具有显著差异的zns(ag)闪烁体，第二闪烁体为塑料闪烁体ej-(212)。
9.具体的，下层探测器包括第三闪烁体，第三闪烁体经波长位移光纤分别连接下层sipm和降噪sipm；第三闪烁体产生的闪烁光子经下层sipm和降噪sipm转换成电信号后进入信号处理板和采集卡。
10.进一步的，第三闪烁体为塑料闪烁体ej-(212)。
11.具体的，信号处理板上设置有控制电路，控制电路分别连接供电模块、甄别电路和显示模块，供电模块为三路sipm信号输入源提供电源，甄别电路用于对三路sipm产生的脉
冲信号进行甄别处理，显示模块接收控制电路传出的计数信息并实时显示。
12.进一步的，供电模块包括锂电池，锂电池分别连接充电管理单元、电池电量检测单元和开关机单元，电池电量检测单元经电压转换单元分别连接电压监测单元和三路sipm，开关机单元连接按钮开关。
13.更进一步的，充电管理单元还连接有适配器。
14.具体的，采集卡包括信号数字化模块，信号数字化模块用于将原始电信号转变为数字信号，经信号上传模块与上位机连接。
15.具体的于，采集卡采用挂载方式连接。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，反光板将叠层闪烁探测器分为上层探测器和下层探测器，使α/β粒子在上层探测器中产生的光子不会对下层探测器探测γ粒子造成影响；上层探测器和下层探测器经波长位移光纤对应连接三路sipm，三路sipm上的信号分为两路，一路信号被采集卡采集波形将不宜直接在信道中传输的原始电信号转变为适合在信道中传输的数字信号并实现设备离线计数，并上传至上位机进行后续数据处理；另一路信号经信号处理板甄别处理并计数后显示，并上传至上位机实现实时计数。。
18.进一步的，第一闪烁体和第二闪烁体分别用于探测α和β产生的信号，波长光纤收集光信号并传送至上层sipm和降噪sipm进行符合探测，输出α/β的计数。
19.进一步的，第一闪烁体采用zns(ag)闪烁体，第二闪烁体为塑料闪烁体ej-212，由于zns(ag)和ej-212的光产额和衰减时间具有明显的差异，因此α和β产生的信号在幅度和宽度上具有明显的差异，能够通过鉴别电路有效区分。
20.进一步的，第三闪烁体用于探测γ粒子，γ产生的光信号通过波长位移光纤采集并传送至下层sipm和降噪sipm中通过符合测量输出计数。
21.进一步的，第三闪烁体为塑料闪烁体ej-212，成本低，探测效率高，环境适应性强。
22.进一步的，控制电路分别连接供电模块、甄别电路和显示模块。其中供电模块可以为控制电路提供电源，甄别电路与控制电路相连使得控制电路可以实时修改甄别电路的甄别参数，在控制电路甄别计数后，其计数结果通过显示模块进行实时输出。
23.进一步的，采用锂电池具有体积小，充电快的特点，可为sipm提供5v，200ma的电源，提供按钮开关，具备开关机功能。开关机单元根据开关按钮的状态来控制测量电路的开关机工作状态；充电管理单元主要负责在连接适配器时，对电池供电和适配器供电两种模式进行切换；电池电量检测单元主要功能是检测电池电量，在电池电量过低时进行提示和保护；电压转换单元主要功能是将输入电压转换成电路和负载需要的电压。
24.进一步的，充电管理单元还连接有适配器，使得供电模块可以应对不同的电压供电环境，保护设备不会因电压供电环境不同受到破坏。。
25.进一步的，数字化模块将不宜直接在信道中传输的原始电信号转变为适合在信道中传输的数字信号，通过上传模块将信号波形上传至上位机用于分析不同信号产生的差异。
26.进一步的，采集卡采用挂载方式连接设置，可供用户灵活选取是否进行波形采集，分析鉴别电路中一些参数阈值的选取。综上所述，本发明采用模拟+数字门电路的设计方
案，实现了一致性好、信噪比高、响应时间快的特点，能够准确地鉴别信号并输出相应的脉冲信号，适用于对不同信号进行计数的场合。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为本发明的鉴别测量电路图；
29.图2为本发明基于叠层闪烁探测器供电模块设计图；
30.图3为本发明的鉴别测量电路工作流程图。
31.其中：1.第一闪烁体，2.第二闪烁体，3.反光板，4.第三闪烁体，5.波长位移光纤，6.上层sipm，7.降噪sipm，8.下层sipm；9.供电模块；10.控制电路；11.甄别电路；12.采集卡；13.显示模块；14.上位机；15.适配器；16.锂电池；17.充电管理单元；18.电池电量检测单元；19.开关机单元；20.电压转换单元；21.按钮开关；22.电压监测单元。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
36.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
37.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
38.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
39.本发明提供了一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，待鉴别粒子入射探测器后，在三路sipm上产生信号，三路sipm由信号处理板提供供电，sipm上的信号分为两路，一路直接被采集卡采集并上传至上位机的pc软件；另一路信号经过信号处理板处理后，在显示模块上进行显示，同时将处理后的信号通过数据连接上传至上位机的pc软件中。电路由模拟+数字门电路组成，具备一致性好、信噪比高、响应时间快等特点。
40.请参阅图1，本发明一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，包括上层sipm6、降噪sipm7、下层sipm8、信号处理板、显示模块13、采集卡12和上位机14；上层sipm6、降噪sipm7和下层sipm8的信号输入源分别与信号处理板和采集卡12连接，信号处理板分别与显示模块13和上位机14连接，采集卡12与上位机14连接。
41.叠层闪烁探测器被反光板3分隔为上下两层；上层探测器包括第一闪烁体1、第二闪烁体2、波长位移光纤5、上层sipm6和降噪sipm7；下层探测器包括第三闪烁体4、波长位移光纤5、下层sipm8和降噪sipm7；闪烁体产生的闪烁光子通过光纤收集并传输至位于光纤末端对应的sipm转换成电信号后进入信号处理板和采集卡12。
42.第一闪烁体1为两个发光衰减时间常数具有显著差异的zns(ag)闪烁体；第二闪烁体2为塑料闪烁体ej-212；第三闪烁体4为塑料闪烁体ej-212。
43.信号处理板上设有供电模块9、甄别电路11与控制电路10。
44.请参阅图2，供电模块9为三路sipm信号输入源提供电源，包括可充电的锂电池16、开关机单元19、充电管理单元17、电池电量检测单元18和电压转换单元20；充电管理单元17连接适配器15，电池电量检测单元18和开关机单元19，锂电池16经电池电量检测单元18和电压转换单元20分别连接电压监测单元22、上层sipm6、降噪sipm7和下层sipm8；开关机单元19连接按钮开关21。
45.供电模块9与控制电路10的控制器之间预留数字接口，供电模块9可以实时监测锂电池16的电量，具备锂电池16和适配器15两种供电模式，为sipm探测器提供5v，200ma电源，提供按钮开关21，具备开关机功能，且具有极强的可移动性。
46.甄别电路11用于对上层sipm6、降噪sipm7和下层sipm8所产生的脉冲信号进行甄别处理，根据甄别阈值大小，信号脉宽和延迟值等甄别参数，特异性的输出甄别脉冲到控制电路模块。
47.控制电路10具有监测电池电量，控制电路整体的开关机的功能；通过spi接口，以指令形式控制甄别电路的脉宽调整模块和延时模块，具有修改甄别参数的功能；检测甄别出的脉冲值，对脉冲值进行计数，将测量结果在显示模块13上进行显示，并对系统运行状态进行显示；具备数据传输接口，与上位机14进行通信，发送检测结果，接受上位机14的控制指令。
48.数据存储功能，能够按照“时间(精确到秒)-三道甄别计数率(按秒)”格式将数据进行存储，存满后提示转储电脑或者提示是否循环。
49.报警功能，一旦计数值超过阈值，则进行告警。
50.控制电路所选控制器为stm32f407zgt7+ch569w高性能控制器，控制器具备高速外设的数据缓冲能力，实现usb3.0通讯接口，具备大量常用数字接口，满足电池、屏幕和甄别电路的控制需要，具备高速捕获能力，能够实时捕获甄别计数信号。控制器配备128mb空间的flash存储器，每个数据按照“时间-三通道计数值”格式存储，每秒刷新一次。
51.采集卡12包括信号数字化模块和信号上传模块，采集卡通过接口与上位机14进行通讯，并将采集到的数据上传至上位机14进行分析存储。
52.采集卡12采用挂载方式，可选择是否需要采集数据。采集卡12为picoscope5244d，主要采集sipm产生的电脉冲信号，将电脉冲模拟信号转换为数字信号，并将信号进行存储。
53.采集卡12的采集速度(200mhz)和缓存大小(512ms)，采样精度可达16bit，最大采样率1gs/s，上升时间1.75ns。
54.采集卡12选用usb3.0接口的数字示波器，可以通过接口控制其控制开始和停止波形功能，具备采集和存储状态显示功能。
55.当α/β/γ粒子通过叠层闪烁探测器时，γ射线同时在下层sipm8和降噪sipm7输出信号，通过符合输出γ计数，α、β同时在上层sipm6和降噪sipm7输出信号，α和β由于产生的脉冲波形不同，甄别电路根据“幅度-时间”进一步区分α和β。
56.显示模块13接收控制电路10传出的计数信息，并实时显示计数率和相关参数。
57.上位机14的pc软件包括计数与控制上位机软件和波形采集上位机软件，计数与控制上位机软件连接甄别电路11，波形采集上位机软件连接采集卡12。
58.计数与控制上位机软件基于labview 2017开发，具有显示功能和设定功能，其中显示功能包括三通道计数值，鉴别电路11的工作状态，告警显示、结果存储等；设定功能包括比较阈值设定、延时设定、脉宽设定、计数告警阈值、测量控制等。
59.波形采集上位机软件基于labview 2017开发，具有显示功能和设定功能，其中显示功能包括采集卡12的工作状态，采集参数设定，结果存储等；设定功能包括采集卡采集参数设定、采集卡采集控制、告警解除。
60.请参阅图3，本发明一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统的工作流程如下：
61.s1、开机，对供电模块9进行自检，自检电量不满足，则直接提示欠压无法使用，自检满足后，加载设置甄别电路11中甄别阈值、脉冲宽度以及延迟电路阈值等参数；
62.其中，该参数可以自行修改参数，也可以按照上次设置参数进行粒子甄别，此外还可以设置降噪sipm7的添加与否，上述过程通过控制电路10完成，也可通过计数与控制上位机软件实现。
63.s2、数据采集系统开始工作，当粒子通过闪烁体产生信号经过sipm后，脉冲信号传入信号处理板，此时信号处理板经过步骤s1的设置，可以特异性的区分不同粒子的波形，并在信号处理板的显示模块13上开始计数，甄别时测量超出测量上限会提交警告，甄别测量结束，未超出则由采集卡12上传至上位机14，进行后续数据处理。
64.采用基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，经过实验验证，该电路对输入模拟信号幅值：20mv～5v，信号宽度：10ns～2μs进行直接鉴别与计数的性能指标，快速地对数据读出。
65.综上所述，本发明一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，通过上位机、控制器控制，实现数字调整脉宽和延迟时间，提高了鉴别测量电路的灵活性和可调性；本电路采用模拟+数字门电路的设计方案，实现了一致性好、信噪比高、响应时间快等特点，能够准确地鉴别信号并输出相应的脉冲信号，适用于对不同信号进行计数的场合；另外采集卡采用挂载方式可灵活选取是否采集信号波形。
66.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，包括反光板(3)，反光板(3)将叠层闪烁探测器分为上层探测器和下层探测器，上层探测器和下层探测器经波长位移光纤(5)对应连接三路sipm，三路sipm上的信号分为两路，一路信号被采集卡(12)采集波形并上传至上位机(14)；另一路信号经信号处理板处理后显示，并上传至上位机(14)。2.根据权利要求1所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，上层探测器包括第一闪烁体(1)和第二闪烁体(2)，第一闪烁体(1)和第二闪烁体(2)经波长位移光纤(5)分别连接上层sipm(6)和降噪sipm(7)；第一闪烁体(1)和第二闪烁体(2)产生的闪烁光子经上层sipm(6)和降噪sipm(7)转换成电信号后进入信号处理板和采集卡(12)。3.根据权利要求2所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，第一闪烁体(1)为两个发光衰减时间常数具有显著差异的zns(ag)闪烁体，第二闪烁体(2)为塑料闪烁体ej-(212)。4.根据权利要求1所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，下层探测器包括第三闪烁体(4)，第三闪烁体(4)经波长位移光纤(5)分别连接下层sipm(8)和降噪sipm(7)；第三闪烁体(4)产生的闪烁光子经下层sipm(8)和降噪sipm(7)转换成电信号后进入信号处理板和采集卡(12)。5.根据权利要求4所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，第三闪烁体(4)为塑料闪烁体ej-(212)。6.根据权利要求1所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，信号处理板上设置有控制电路(10)，控制电路(10)分别连接供电模块(9)、甄别电路(11)和显示模块(13)，供电模块(9)为三路sipm信号输入源提供电源，甄别电路(11)用于对三路sipm产生的脉冲信号进行甄别处理，显示模块(13)接收控制电路(10)传出的计数信息并实时显示。7.根据权利要求6所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，供电模块(9)包括锂电池(16)，锂电池(16)分别连接充电管理单元(17)、电池电量检测单元(18)和开关机单元(19)，电池电量检测单元(18)经电压转换单元(20)分别连接电压监测单元(22)和三路sipm，开关机单元(19)连接按钮开关(21)。8.根据权利要求7所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，充电管理单元(17)还连接有适配器(15)。9.根据权利要求1所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，采集卡(12)包括信号数字化模块，信号数字化模块用于将原始电信号转变为数字信号，经信号上传模块与上位机(14)连接。10.根据权利要求1或9所述的基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，其特征在于，采集卡(12)采用挂载方式连接。

技术总结
本发明公开了一种基于叠层闪烁的α/β/γ粒子鉴别探测器数据采集系统，包括反光板，反光板将叠层闪烁探测器分为上层探测器和下层探测器，上层探测器和下层探测器经波长位移光纤对应连接三路SiPM，三路SiPM上的信号分为两路，一路信号被采集卡采集波形并上传至上位机；另一路信号经信号处理板处理后显示，并上传至上位机；待鉴别粒子入射探测器后，在三路SiPM上产生信号并分两路，一路直接被采集卡采集并上传至上位机；另一路信号经过信号处理板处理后显示，同时将该处理后的信号通过数据连接上传至上位机；具备一致性好、信噪比高、响应时间快的特点。时间快的特点。时间快的特点。


技术研发人员：张清民 谢朋佩 苏光辉 邵壮 邱彼特 张翠翠 刘时语 吕新宇 刘宇新
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/21