文档介绍：成都理工大学
硕士学位论文
低功耗一体化多道γ能谱仪的设计与实现
姓名:姜赞成
申请学位级别:硕士
专业:核资源与核勘查工程
指导教师:方方
20090501
摘要
低功耗一体化多道γ能谱仪的设计与实现
作者简介:姜赞成,男,1981年9月出生,2006年9月师从于成都理工大学方
方教授,于2009年6月获得硕士学位。
摘要
随着全球核电发展的第二个高峰期的到来,核燃料资源将同石油资源一样在
世界能源危机的背景下显得格外重要。世界各国对核燃料资源的探索和战略储备
势必成为新的竞争焦点。未来几十年内全球对核燃料巨大的需求对铀矿的勘探和
开采提出了严峻的挑战。对此,γ能谱测量方法将在铀矿资源勘探和开发中将发
挥着极其重要的作用。
γ能谱测量是一种重要的核地球物理方法,是解决地球科学、环境科学等有
关问题的主要手段之一。根据所测的γ射线能谱,可获得γ辐射总量以及铀、钍、
钾等元素含量以及其它有关元素及岩性信息,根据这些信息,我们不仅可以进行
铀矿勘探,而且还可以将其应用于地质填图,油气勘测,寻找各种金属和非金属
矿产等。除此之外,γ能谱测量也在放射性污染监测领域发挥着重要的作用,同
样能服务于建材和环境中的放射性监测等。
然而,γ能谱测量方法必须以γ能谱测量仪器提供的科学数据为基础。
为了更准确地获得伽玛能谱测量与分析的结果并能适用于野外现场测量,研
究能方便地测量和处理能谱数据的多道伽玛能谱仪永远是一个十分重要的课题,
伽玛能谱仪的研究是国内外很热门的一个领域,它广泛服务于地质工业、医疗卫
生、环境放射性监测等。
经调研,当前常用的野外γ射线能谱仪从结构上均采用了主机和探头分离设
计和工作的模式,连续工作时间一般为10小时以内,操作台主机重量一般大于
3kg。在长时间的现场应用中表现有以下不足:
主机和探头分离设计导致野外单个工作人员难以开展工作,在野外移动测量
中必须一人值守并移动探头,一人操作并监视仪器主机;仪器本身重量相对野外
现场测量的便携性要求来说仍然不够,还没有完全实现便携性自由工作的效果;
作为便携仪器功耗相对比较大,仪器一次充电(供电)连续工作时间难以达到数
天要求,这对于野外现场测量,特别是在充电条件不足的地区仪器需要数天工作
时,对因功耗较大而不能长时连续工作需频繁充电的γ能谱的使用成了一个很大
的制约,从而难以对这样的地区进行更方便地科学考察;仪器没有自动对测量数
据进行地理位置定位功能,这对地区成矿测量的分布分析形成了一定的误差,难
以准确定位。采用人工分离定位方式会因数据量大而造成定位信息匹配遗漏或出
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错,同时降低了工作效率。
基于传统的谱仪的不足,针对谱仪在野外和现场测量的实际要求,结合对当
前市场的谱仪的调查研究,依托于电子技术微型化的发展,本文提出了γ能谱仪
的低功耗一体化设计方案,将NaI(Tl)探头与主机操作台集成为一体,使之满足于
现场核测量仪体积小、重量轻、低功耗、高性能、分析速度快等要求。基于γ能
谱测量原理,以资源丰富的C8051F120单片机作为微处理器,对NaI(Tl)探测器
(Ф75×75mm )与γ多道能谱测量分析系统以及现场GPS定位系统进行手持式
一体化设计,结合智能电源管理系统的设计实现仪器在低功耗下完成对镭(铀)、
钍、钾含量分析和活度分析以及γ辐射剂量率分析。
经过为期一年多的设计和开发工作,本文取得的主要成果为:
1. 在结构设计上,采用高灵敏度的Ф75×75mm NaI(Tl)晶体,同时与多道
分析系统进行一体化设计;
2. 在系统功能上,完成传统的γ能谱测量分析的同时,把 GPS 技术作为一
种可选功能形式集成到系统中,方便对测点现场的定位要求;
3. 在系统功耗上,采用低功耗电源设计方案,使整机功耗<400mW (可控
待机功耗约 100mW);
4. 在人性化设计方面,仪器采用最新的 OLED 显示技术提供了更人性化的
人机交互界面,同时仪器采用 USB 接口,方便与计算机后台数据库相
连接,以便数据的二次分析;
5. 在技术指标上,能量分辨率优于 12%(铯 137 源),256 道全谱显示,GPS
定位精度水平误差<3 米,整机重量<3kg。
关键词: γ能谱低功耗 GPS 一体化 OLED

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ABSTRACT
The Design of Integrated Gamma-ray Spectrometer
with Low Power Consumption
Introduction of t