竇玉玲 張國光 王國寶

（中國原子能科學研究院 北京 102413）

用于脈沖γ劑量測量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與研制

竇玉玲 張國光 王國寶

（中國原子能科學研究院 北京 102413）

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

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

1 設計原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括幾個功能模塊：前端信號處理模塊、信號積分與數(shù)字化模塊、數(shù)字信號遠程傳輸模塊、信號接收采集模塊及系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)結構原理框圖如圖1所示。由探測器輸出的信號經過前端信號處理模塊進行展寬，進行積分和A/D轉換后經數(shù)字信號遠程傳輸模塊通過光纖進行遠距離傳輸進入系統(tǒng)軟件進行處理，最后給出劑量信息。

圖1 系統(tǒng)結構原理框圖Fig.1 Block diagram of system structure.

系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案框圖如圖2所示。輸入信號通過不同增益的兩組放大器進入ADC器件DDC118，每組信號連接三個不同阻值的RL實現(xiàn)動態(tài)擴展。通過放大器的方式把探測器的電流信號轉換成電壓信號進行處理，不僅能方便進行動態(tài)擴展與量程搭接，還可以為示波器提供一個監(jiān)測信號，用以分析系統(tǒng)的精度、動態(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探測器進行脈沖γ射線的探測。Si-PIN探測器輸出信號具有速度快、動態(tài)范圍大的特點[3]，根據(jù)多次實驗數(shù)據(jù)確定的所用Si-PIN探測器的信號特點而設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)如下：輸入脈沖信號理論設計范圍（20 ns脈沖寬度）：0-15 V，對應電量0-6 nC；觸發(fā)方式：自觸發(fā)（測直流時）、外觸發(fā)（測脈沖時）；非線性度：小于1%；動態(tài)范圍：脈沖時大于70 dB，直流時大于80 dB；監(jiān)測接口為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)測試

為測試系統(tǒng)的運行效果，進行了數(shù)據(jù)測試。系統(tǒng)的直流輸入測試結果如圖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)對應關系將各輸出數(shù)據(jù)換算成相應電荷量。

圖3 直流輸入的線性關系Fig.3 Linear relationship of the DC inputs.

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

系統(tǒng)還進行了脈沖輸入測試，采用信號源控制高亮LED發(fā)光，Si-PIN探測器捕獲LED光信號產生脈沖電信號，作為系統(tǒng)的輸入，用DPO數(shù)字示波器對該信號進行監(jiān)測。圖4為脈沖輸入輸出關系曲線。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)的各路信號和輸入信號具有很好的線性關系，線性相關系數(shù)均大于0.999 8。

圖4 脈沖輸入輸出關系Fig.4 Input-output relationship of the pulses.

3 實驗過程與結果分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)測試完成后，在西北核技術研究所的“晨光號”加速器上進行了實驗，并和傳統(tǒng)的熱釋光劑量片的檢測結果進行了比較。

3.1屏蔽的研究與設計

高劑量率脈沖輻射裝置一般都伴有較強的電磁干擾，這對測量工作十分不利。因此，在高劑量、高劑量率脈沖γ輻射場做實驗，首先對實驗大廳的電磁干擾環(huán)境進行初步測量。測量方法首先應當考慮探測系統(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、加鉛準直器和包銅網等措施對不同位置的探測器進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)最好有單獨的屏蔽間[3]。

4.1.3 研究主題緊跟時代步伐 時代的引領對于我國群眾體育研究的方向具有統(tǒng)攝性作用，2008年北京奧運會后，原國家主席胡錦濤同志發(fā)出推動中國由體育大國向體育強國邁進的號召，由此，群眾體育響應時代號召，體育強國由此成為群眾體育研究領域的一個重要內容。2014年國發(fā)〔2014〕46號文件印發(fā)，文件明確要求加快發(fā)展體育產業(yè)，促進體育消費，同時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)的一個重要內容，正是如此，從圖7可以清晰地看到體育產業(yè)以及全民健身等主題成為這一時期我國群眾體育研究的熱點。由此可見，緊跟時代步伐是2008-2017年期間我國群眾體育研究演化的一個重要特點。

探測器除探測窗部分用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器，如圖5所示。為了更好地進行電磁屏蔽，實驗時用銅網將探測器包裹住。

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

為屏蔽輻射場的電磁干擾，測量裝置的信號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構如圖7所示，圖7中各層屏蔽均單獨引出地線，在距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1 m以外連接起來，連接到實驗地線上。各層屏蔽均避開從電路板上引出的電源、信號和光纖插頭，避免各層屏蔽之間相互連接，影響屏蔽效果。實驗時還要用銅網包裹，進一步進行電磁屏蔽。經過多層屏蔽設計，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力明顯提高，滿足實驗需求。

圖6 信號傳輸線的電磁屏蔽設計圖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計圖Fig.7 Design of electromagnetic shielding layer for the data acquisition card.

3.2“晨光號”加速器上的實驗

用安裝有數(shù)據(jù)采集板卡的在線脈沖光子劑量測量裝置，在“晨光號”加速器上和熱釋光(thermoluminescence, TDL)劑量片進行了比較實驗，實驗裝置示意圖如圖8所示。實驗廳內的Si-PIN探測器前加上?20 mm的鉛準直器，厚度為5 cm，準直器距離靶的距離為65 cm。探測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進行。

圖8 “晨光號”加速器上實驗裝置示意圖Fig.8 Experimental setup of “Chen Guang” accelerator.

實驗時TDL劑量片和探測器的相對位置如圖9所示。

圖9 熱釋光劑量片和Si-PIN探測器的位置關系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。熱釋光劑量片采用137Cs源進行劑量校準，每次使用后經過退火爐退火可重復使用。“晨光號”加速器上用熱釋光片測量的劑量，不確定度估計為4%-5%。圖10為在線脈沖伽馬劑量測量裝置測量的“晨光號”加速器的脈沖輻射場的波形。該波形的脈寬約為30 ns。

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

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

表1 在線脈沖伽馬劑量測量裝置和熱釋光劑量計測量結果比較結果Table 1 Results of online pulsed gamma dose measurement device and TLD.

4 結語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要特點是大動態(tài)范圍脈沖信號與直流信號采集設計。

(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，該放大器輸出信號幅度與探測器輸出的電荷量成正比，因此動態(tài)范圍大，覆蓋近4個數(shù)量級。

(2) 在系統(tǒng)設計時利用多層板設計技術與地線屏蔽的方法設計了硬件電路，盡量降低信號的干擾。

(3) 電路結構簡單，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)采用光纖通信技術與USB2.0技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時遠程傳輸與采集，具有遠程數(shù)據(jù)傳輸能力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用在在線脈沖γ劑量測量裝置上，為實時監(jiān)測高劑量率脈沖γ輻射場提供了一條新的途徑。

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3 歐陽曉平, 李真富, 霍裕昆, 等. 用于脈沖γ強度測量的?60, 1 000 μm PIN探測器[J]. 物理學報, 2007, 56(3): 1353-1357

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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研究院獲博士學位，輻射防護與環(huán)境保護專業(yè)，助理研究員，目前從事中子技術和劑量測量相關技術

2013-10-25，

2014-01-08