基于NaI(Tl)探测器的低温漂便携式γ能谱仪

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随着近现代科技水平的发展,核技术逐渐得到了广泛应用。在核物理研究、放射医学和环境监测等各种核技术应用中也经常要求进行γ射线强度和能量的测量,便携式γ能谱仪已成为现代常规能谱分析仪的主流类型之一。在野外环境中使用的便携式γ能谱仪,其稳定性和准确性受到环境温度的影响。本文在此背景下,对基于NaI(T1)闪烁体探测器的γ能谱仪进行稳谱方案设计,研制在-35℃到60℃的环境温度下均能准确识别核素的便携式γ能谱仪。本文首先介绍了 NaI(T1)闪烁体及光电倍增管组成探测器的γ能谱基本原理,分析了造成γ能谱仪能谱曲线温漂的因素:NaI(T1)晶体的发光效率、光电倍增管的倍增、高压以及放大电路的增益等。再此基础上,重点阐述了γ能谱仪的稳谱方案,并详细讲解便携式γ能谱仪的软件设计及测试结果。论文的主要研究工作如下:(1)设计基于NaI(T1)闪烁体探测器的便携式γ能谱仪的硬软件电路,开发了核素识别和温度补偿程序。包括了探测器输出电路、电源电路、线性放大电路、峰值保持电路、ADC电路和单片机外围电路。采用AD7482对峰值保持后的信号进行模数转换,采用STM32F4-46单片机进行数据获取和计算,采用基于Linux系统的主机。在电路中预留调整高压和调整增益的软件接口,在主机中编写了核素识别程序以及温度补偿程序。通过主机程序对电路参数进行调整,能够在不同环境下实现自动稳谱。(2)优化了模拟多道分析电路的性能,扩大了便携式γ能谱仪的能量范围,提高了脉冲计数率。在峰值保持电路中,严格设计各部分电路时序,选用低延时器件,将峰值保持电路的最大脉冲计数率提高到1MHz。通过滤波电路降低电源模块输出纹波,设计抗干扰能力强的滞回比较器实现脉冲甄别,将γ能谱仪的核素能量范围扩大到30keV~3.0MeV。(3)在严格对NaI(T1)闪烁体便携式γ能谱仪进行温度实验的基础上,提出了高压和增益联合控制的温度补偿方案,实现了低温漂的核素识别。利用高低温实验装置,环境温度在-35℃到60℃的范围内,进行了大量的能谱曲线随温度变化的实验研究,发现γ能谱仪的谱漂随温度变化呈非线性关系,提出了高压和增益联合调整的温度补偿方案,设计了相关补偿程序,提高了稳谱精度,漂移比例控制在1%范围内。本文研制的基于NaI(T1)探测器的低温漂便携式γ能谱仪已批量生产,且长时间工作稳定可靠,携带方便,能在野外极端温度环境中工作。
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