竇玉玲 張國光 王國寶

（中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

用于脈沖γ劑量測(cè)量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制

竇玉玲 張國光 王國寶

（中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

設(shè)計(jì)研制了用于在線脈沖γ劑量測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示在穩(wěn)態(tài)和脈沖輸入時(shí)，輸出電荷和輸入輻射能量都具有良好線性。系統(tǒng)在西北核技術(shù)研究所的“晨光號(hào)”加速器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并和熱釋光劑量計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了比較，相對(duì)偏差為±5%。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制為在線測(cè)量單次脈沖γ劑量提供了一種新的技術(shù)途徑。

單次脈沖γ輻射，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸出電荷，Si-PIN探測(cè)器

1 設(shè)計(jì)原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括幾個(gè)功能模塊：前端信號(hào)處理模塊、信號(hào)積分與數(shù)字化模塊、數(shù)字信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸模塊、信號(hào)接收采集模塊及系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。由探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過前端信號(hào)處理模塊進(jìn)行展寬，進(jìn)行積分和A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)字信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸模塊通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸進(jìn)入系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，最后給出劑量信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.1 Block diagram of system structure.

系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案框圖如圖2所示。輸入信號(hào)通過不同增益的兩組放大器進(jìn)入ADC器件DDC118，每組信號(hào)連接三個(gè)不同阻值的RL實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。通過放大器的方式把探測(cè)器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行處理，不僅能方便進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展與量程搭接，還可以為示波器提供一個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)，用以分析系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)、線性度等性能參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 System hardware block diagram.

裝置采用Si-PIN探測(cè)器進(jìn)行脈沖γ射線的探測(cè)。Si-PIN探測(cè)器輸出信號(hào)具有速度快、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)[3]，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的所用Si-PIN探測(cè)器的信號(hào)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)如下：輸入脈沖信號(hào)理論設(shè)計(jì)范圍（20 ns脈沖寬度）：0-15 V，對(duì)應(yīng)電量0-6 nC；觸發(fā)方式：自觸發(fā)（測(cè)直流時(shí)）、外觸發(fā)（測(cè)脈沖時(shí)）；非線性度：小于1%；動(dòng)態(tài)范圍：脈沖時(shí)大于70 dB，直流時(shí)大于80 dB；監(jiān)測(cè)接口為BNC，阻抗為50 Ω；數(shù)據(jù)采用光纖傳輸，傳輸距離大于10 km；數(shù)據(jù)采集方式為USB2.0。

2 參數(shù)測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行效果，進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試。系統(tǒng)的直流輸入測(cè)試結(jié)果如圖3所示，輸入電壓從0（本底）開始逐漸增加，使各通道輸出相繼飽和，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系將各輸出數(shù)據(jù)換算成相應(yīng)電荷量。

圖3 直流輸入的線性關(guān)系Fig.3 Linear relationship of the DC inputs.

由圖3可見，在測(cè)量范圍內(nèi)，各路數(shù)據(jù)間的比例關(guān)系基本保持不變，各通道電路的線性度都較好。

系統(tǒng)還進(jìn)行了脈沖輸入測(cè)試，采用信號(hào)源控制高亮LED發(fā)光，Si-PIN探測(cè)器捕獲LED光信號(hào)產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，作為系統(tǒng)的輸入，用DPO數(shù)字示波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖4為脈沖輸入輸出關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，在脈沖輸入方式下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各路信號(hào)和輸入信號(hào)具有很好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999 8。

圖4 脈沖輸入輸出關(guān)系Fig.4 Input-output relationship of the pulses.

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試完成后，在西北核技術(shù)研究所的“晨光號(hào)”加速器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并和傳統(tǒng)的熱釋光劑量片的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。

3.1屏蔽的研究與設(shè)計(jì)

高劑量率脈沖輻射裝置一般都伴有較強(qiáng)的電磁干擾，這對(duì)測(cè)量工作十分不利。因此，在高劑量、高劑量率脈沖γ輻射場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)大廳的電磁干擾環(huán)境進(jìn)行初步測(cè)量。測(cè)量方法首先應(yīng)當(dāng)考慮探測(cè)系統(tǒng)的電磁屏蔽問題，為了避免電磁干擾的影響，可以采取壘鉛室、加鉛準(zhǔn)直器和包銅網(wǎng)等措施對(duì)不同位置的探測(cè)器進(jìn)行有效的輻射屏蔽和電磁屏蔽。不僅探頭部分要有良好的屏蔽接地措施，傳輸系統(tǒng)前端要選用屏蔽電纜，記錄系統(tǒng)最好有單獨(dú)的屏蔽間[3]。

4.1.3 研究主題緊跟時(shí)代步伐 時(shí)代的引領(lǐng)對(duì)于我國群眾體育研究的方向具有統(tǒng)攝性作用，2008年北京奧運(yùn)會(huì)后，原國家主席胡錦濤同志發(fā)出推動(dòng)中國由體育大國向體育強(qiáng)國邁進(jìn)的號(hào)召，由此，群眾體育響應(yīng)時(shí)代號(hào)召，體育強(qiáng)國由此成為群眾體育研究領(lǐng)域的一個(gè)重要內(nèi)容。2014年國發(fā)〔2014〕46號(hào)文件印發(fā)，文件明確要求加快發(fā)展體育產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)體育消費(fèi)，同時(shí)將全民健身上升為國家戰(zhàn)略，而群眾體育是全民健身事業(yè)的一個(gè)重要內(nèi)容，正是如此，從圖7可以清晰地看到體育產(chǎn)業(yè)以及全民健身等主題成為這一時(shí)期我國群眾體育研究的熱點(diǎn)。由此可見，緊跟時(shí)代步伐是2008-2017年期間我國群眾體育研究演化的一個(gè)重要特點(diǎn)。

探測(cè)器除探測(cè)窗部分用0.5 mm厚的鋁覆蓋外，其余部分均用5 mm厚的銅板屏蔽，中間填充泡沫塑料以固定探測(cè)器，如圖5所示。為了更好地進(jìn)行電磁屏蔽，實(shí)驗(yàn)時(shí)用銅網(wǎng)將探測(cè)器包裹住。

圖5 探測(cè)器電磁屏蔽示意圖Fig.5 Electromagnetic shielding design of the detector.

為屏蔽輻射場(chǎng)的電磁干擾，測(cè)量裝置的信號(hào)線及高壓線均采用兩層蛇皮包裹，如圖6所示。

數(shù)據(jù)采集卡同樣采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖7中各層屏蔽均單獨(dú)引出地線，在距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1 m以外連接起來，連接到實(shí)驗(yàn)地線上。各層屏蔽均避開從電路板上引出的電源、信號(hào)和光纖插頭，避免各層屏蔽之間相互連接，影響屏蔽效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)還要用銅網(wǎng)包裹，進(jìn)一步進(jìn)行電磁屏蔽。經(jīng)過多層屏蔽設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力明顯提高，滿足實(shí)驗(yàn)需求。

圖6 信號(hào)傳輸線的電磁屏蔽設(shè)計(jì)圖Fig.6 Electromagnetic shielding design of signal transmission lines.

圖7 數(shù)據(jù)采集卡雙層電磁屏蔽設(shè)計(jì)圖Fig.7 Design of electromagnetic shielding layer for the data acquisition card.

3.2“晨光號(hào)”加速器上的實(shí)驗(yàn)

用安裝有數(shù)據(jù)采集板卡的在線脈沖光子劑量測(cè)量裝置，在“晨光號(hào)”加速器上和熱釋光(thermoluminescence, TDL)劑量片進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖8所示。實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)的Si-PIN探測(cè)器前加上?20 mm的鉛準(zhǔn)直器，厚度為5 cm，準(zhǔn)直器距離靶的距離為65 cm。探測(cè)器周圍用鉛磚壘的屏蔽室防止周圍散射干擾。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在專門的電磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。

圖8 “晨光號(hào)”加速器上實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.8 Experimental setup of “Chen Guang” accelerator.

實(shí)驗(yàn)時(shí)TDL劑量片和探測(cè)器的相對(duì)位置如圖9所示。

圖9 熱釋光劑量片和Si-PIN探測(cè)器的位置關(guān)系Fig.9 Positional relationship between TLD chip and Si-PIN detector.

熱釋光劑量片每組4片，封在2 mm厚的鋁片內(nèi)。熱釋光劑量片采用137Cs源進(jìn)行劑量校準(zhǔn)，每次使用后經(jīng)過退火爐退火可重復(fù)使用?！俺抗馓?hào)”加速器上用熱釋光片測(cè)量的劑量，不確定度估計(jì)為4%-5%。圖10為在線脈沖伽馬劑量測(cè)量裝置測(cè)量的“晨光號(hào)”加速器的脈沖輻射場(chǎng)的波形。該波形的脈寬約為30 ns。

裝置和熱釋光劑量片的測(cè)量結(jié)果見表1。劑量片測(cè)量結(jié)果為三組熱釋光片，12個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，修正后數(shù)據(jù)為通過劑量片測(cè)得劑量換算到探測(cè)器位置的劑量大小。由于劑量片重復(fù)使用，有些數(shù)據(jù)和其他大部分?jǐn)?shù)據(jù)相差較大，作為壞數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。表1中，裝置測(cè)量的劑量和未剔除壞值前的劑量片數(shù)據(jù)在±10%內(nèi)符合，剔除壞值后，裝置測(cè)量的劑量和劑量片的劑量在±5%以內(nèi)相符。

圖10 “晨光號(hào)”加速器輻射場(chǎng)波形Fig.10 Radiation field waveforms of the “Chen Guang”accelerator.

表1 在線脈沖伽馬劑量測(cè)量裝置和熱釋光劑量計(jì)測(cè)量結(jié)果比較結(jié)果Table 1 Results of online pulsed gamma dose measurement device and TLD.

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要特點(diǎn)是大動(dòng)態(tài)范圍脈沖信號(hào)與直流信號(hào)采集設(shè)計(jì)。

(1) 選用了具有良好的低噪聲性能的積分型的帶阻容反饋的電荷靈敏前置放大，該放大器輸出信號(hào)幅度與探測(cè)器輸出的電荷量成正比，因此動(dòng)態(tài)范圍大，覆蓋近4個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用多層板設(shè)計(jì)技術(shù)與地線屏蔽的方法設(shè)計(jì)了硬件電路，盡量降低信號(hào)的干擾。

(3) 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較高的集成度，性能穩(wěn)定可靠，具有抗電磁干擾能力。

(4) 系統(tǒng)采用光纖通信技術(shù)與USB2.0技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸與采集，具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用在在線脈沖γ劑量測(cè)量裝置上，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高劑量率脈沖γ輻射場(chǎng)提供了一條新的途徑。

1 楊海亮, 黃建軍, 孫劍鋒, 等. “閃光二號(hào)”加速器產(chǎn)生的準(zhǔn)單能脈沖γ射線強(qiáng)度的測(cè)量技術(shù)[C]. 第十屆高功率粒子束學(xué)術(shù)交流會(huì)議文集, 2006

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CLCTL818+.4

Design and study of data acquisition system for pulsed γ dose measurement device

DOU Yuling ZHANG Guoguang WANG Guobao
(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

Background:A data acquisition system for online pulsed gamma dose measurement device is designed and developed, and its performance is tested. Purpose: The data acquisition system output electric charges and input energies have a good linear relationship in both the continued and pulsed input. Methods: Experiments have been done respectively on the TDL and “Chen Guang” accelerator. Results: The results show that the relative deviations are less than 5%. Conclusion: This data acquisition system is a new approach for online measurement of single pulsed gamma radiation dose.

Single pulsed gamma radiation, Data acquisition system, Output electric charge, Si-PIN detector

TL818+.4

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060402

竇玉玲，女，1981年出生，2012年于中國原子能科學(xué)研究院獲博士學(xué)位，輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)專業(yè)，助理研究員，目前從事中子技術(shù)和劑量測(cè)量相關(guān)技術(shù)

2013-10-25，

2014-01-08