数字化多道能谱仪的研制
利用数字多道分析仪测量γ射线能谱的实验步骤
利用数字多道分析仪测量γ射线能谱的实验步骤引言：γ射线是一种高能电磁辐射，具有穿透力强、电离能力较弱的特点。
在物理、医学和工程等领域广泛应用。
为了研究γ射线的能量分布，科学家们使用数字多道分析仪来测量γ射线的能谱。
本文将介绍利用数字多道分析仪测量γ射线能谱的实验步骤。
实验背景：数字多道分析仪是一种用于测量辐射能谱的设备，能够对γ射线的能量进行计数和分析。
它由放大器、多道分析器和计算机等部分组成，可以实现高精度的数据处理和能谱分析，对于研究辐射现象和测量辐射源的能谱具有重要意义。
实验步骤：1. 实验准备选取一台合适的数字多道分析仪，将其与电脑连接，并打开相应的软件。
同时，准备一根探测器（例如红外线探测器）以及待测的γ射线源。
2. 放射源测量将待测的γ射线源放置在实验装置中，确保其与探测器之间的距离适当。
开始测量，记录下γ射线源的各种信息，如型号、活度等。
3. 射线衰减器的使用在一些情况下，我们需要使用射线衰减器来调整γ射线的强度，以便更好地进行测量。
根据具体需求，选择适当的射线衰减器并安装在实验装置中。
4. 能量刻度在进行能谱测量之前，我们需要进行能量刻度，以便将测得的计数值与相应的能量值进行关联。
通常，我们可以使用已知能量的标准源来进行刻度。
将标准源放置在探测器前方，进行能量刻度的测量，记录下标准源的能量和多道分析器对应的计数峰位。
5. 能谱测量根据实验需求，设置合适的计数时间，开始进行能谱测量。
确保设备正常工作后，按下开始按钮，多道分析器会逐渐将计数值分配到相应的道址上，形成能谱图像。
测量结束后，导出数据至电脑。
6. 能谱分析打开导出的能谱数据，利用相应的软件对数据进行分析。
我们可以绘制出γ射线的能谱图，通过分析峰位和峰面积等参数，进一步了解γ射线的能量分布情况。
此外，还可以计算出相应的半峰全宽值，以评估测量结果的分辨率。
7. 实验数据处理对测得的能谱数据进行进一步处理，如去除背景噪音、背景辐射的减除等。
低功耗手持式一体化多道γ能谱仪的设计
［ １ ］ 贾文懿 ， 方方， 等． 核地球物理仪器［ Ｍ］ ． 北京 ： 原子
能 出版 社 ， １ ９ ９ ８ ．
３ 结论及结束 语
此低 功 耗 手 持 式 ７能谱 仪 外 观设 计 为
８ ８ ｍｉ ｎｘ ８ ８ ａｍＸ ｒ ３ ０ ０ ｍｍ （ 把手除外 ） ， 探头 、 主
第２ ８ 卷 第６ 期
２ ０ ０ ８ 年 １ １ 月
核 电子学与探测技术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ Ｌ ２ ８ Ｎｏ ． ６
Ｎｏ ｖ ． ２ ０ ０ ８
所有外设部件 ， 包括 ５ 个１ ６位的计 数器／ 定时 器、 ２ 个 全 双工 ＵＡ ＲＴ、 ８通 道 ８ ／ ｉ ｏ位 ＡＤＣ， 最 大速 率 可 达 ５ ０ ０ ／ １ ０ ０ ｋ ｓ ｐ ｓ ，２ ５ ６字 节 内 部
ＲＡ Ｍ、 １ ２ ８ 字节特殊功能寄存器 （ Ｓ Ｆ Ｒ） 地 址 空
作 水平 。图 ４为软 件功 能 主要 结构 。
在核能谱仪 中， Ｎ ａ Ｉ 闪烁计 数器工作 时的
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日 光下显示清晰 ， 总体功率设计小 于 ２ ０ ０ ｍ Ｗ，
饱和电池 电量可实现至少 ４ Ｏ 小时不 间断测量。
巫巫 恒
在核辐射现场测量中有较好 的应用需求 。
稳定性会受到环境温度 等条件的影 响， 然 而在 实 际 野外 现 场 测 量过 程 中很 难 得 到 恒温 条 件 。
因此 ， 我 们需 要 能谱 仪输 出信 号 比较稳 定 时 ， 本
低本底多道y能谱仪原理
低本底多道y能谱仪原理
低本底多道能谱仪是一种用于测量放射性核素活度的仪器。
其原理是基于核辐射产生的能量沉积，通过探测器探测到的能量信号来分析放射性核素的种类和活度。
具体原理如下：
1. 探测器：低本底多道能谱仪一般采用比例计数管或硅探测器作为探测器。
这些探测器能够将核辐射（如γ射线或X射线）转化为电荷信号。
2. 信号放大器：探测器产生的电荷信号会被信号放大器放大，以便能够被后续的电子器件处理和分析。
3. 多道分析器：放大后的信号会被送入多道分析器。
多道分析器是由一系列通道组成的，每个通道对应一定范围的能量值，通道内记录了通过该能量范围内的核辐射事件的次数。
4. 能谱显示：多道分析器输出的数据会被传输到计算机上，并进行处理和显示，形成能谱图。
能谱图显示了不同能量的核辐射事件的频率分布。
根据能谱图的形状和峰位，可以确定能量值，从而分析出核素的种类和活度。
低本底多道能谱仪通过对核辐射产生的能量沉积进行分析，可以检测出和区分不同种类的核辐射，如伽马射线、X射线等，并测量其活度水平。
利用该仪器，可以对各种环境、食品、药物等中的放射性核素进行快速、准确的测量和分析。
多道伽马能谱仪中的特征峰稳谱技术
多道伽马能谱仪中的特征峰稳谱技术吴永鹏;赖万昌;葛良全;肖刚毅;林延畅【摘要】介绍一种用于微机多道伽马能谱仪的稳谱装置及稳谱方法,该装置采用新型非易失性数字电位器、89C52控制器等大规模集成电路,具有集成度高、功耗低、可靠性高等优点.文中详细介绍了有关软硬件、稳谱方法及实际应用效果.试验结果表明,对1024道微机伽马能谱仪在-5～45 ℃的工作环境下,其特征峰漂移≤±1道.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2003(027)002【总页数】4页(P131-134)【关键词】便携式多道伽马能谱仪;谱漂;稳谱;数字电位器【作者】吴永鹏;赖万昌;葛良全;肖刚毅;林延畅【作者单位】成都理工大学,应用核技术与自动化工程学院,四川,成都,610059;成都理工大学,应用核技术与自动化工程学院,四川,成都,610059;成都理工大学,应用核技术与自动化工程学院,四川,成都,610059;成都理工大学,应用核技术与自动化工程学院,四川,成都,610059;成都理工大学,应用核技术与自动化工程学院,四川,成都,610059【正文语种】中文【中图分类】P631.6在野外应用中，“谱漂”是影响伽马能谱仪准确度的主要因素。
谱漂是指伽马能谱仪在某条件下的仪器谱与既定条件下的“标准谱”(对同一物体)相比较，其峰位或谱形发生变化的情况。
谱漂主要由以下两方面因素造成:其一，是环境温度的变化，因为探测器(目前大多采用闪烁计数器)输出信号受工作温度的影响，伽马能谱仪的电子学系统(主要是脉冲放大器、脉冲幅度分析器、高压电源)也具有一定的温度系数;其二，是仪器的不稳定性，包括元器件的疲劳效应、老化现象及仪器连续工作稳定性能、抗干扰能力等。
因此，在便携式伽马能谱仪中一般都采取某种形式的稳谱装置或稳谱系统。
目前，多数伽马能谱仪(如GAD－6型、FD－3022型等)都采用“参考源”稳谱方法。
它是利用“参考源”(如137 Cs、133 Ba等)放出的单色伽马射线在仪器谱中形成一个不受干扰的“参考峰”，通过峰位跟踪和负反馈技术，自动调节探测器的工作电压或脉冲放大器的放大倍数，来补偿因外界条件变化所产生的谱漂;或者调节脉冲幅度分析器的阈压、道宽来跟随谱峰的漂移。
能谱仪原理
能谱仪原理能谱仪（Spectrometer）是一种通过测量物质或辐射发射、吸收、散射经过分析元件后的光谱来分析物质或能量的仪器。
能谱仪可以用于化学、物理、地球物理学等领域的研究，广泛应用于分析材料的成分、性能、结构以及同位素、核素、宇宙射线等的研究。
本文将对能谱仪原理进行详细的介绍。
一、光谱的基本原理光谱是指将光按照波长或频率分解为不同的组成部分的过程。
可见光谱是人眼可见的光线中的折射或反射后在色散系统中被分解的谱线。
光谱分为线谱、带谱和连续谱。
线谱是由一些锐利的亮线组成的谱线，如氢光谱中的红线、蓝线等；带谱是由一些比较宽的和不一定锐利的谱带组成的谱线，如分子带谱；连续谱是由一个范围内的所有波长和频率的光组成的谱线，如白炽灯的光谱。
光的波长和频率之间有一个线性关系：λ=c/v，其中λ为光的波长，v为光的频率，c是光速。
当光线从一种介质向另一种介质传播时，它们的波长λ和频率v都会发生改变，这就是所谓的折射。
折射是由于不同介质中光的速度不同，光线通过介质时受到速度的限制而发生改变。
能谱仪是一种通过测量物质或辐射发射或吸收经过分析元件（例如光栅、衍射晶体等）后的光谱来分析物质成分或辐射能量的仪器。
能谱仪主要由三部分组成：能量选择部分、信号检测部分和数据分析部分。
1. 能量选择部分能量选择部分主要作用是将某一特定波长或频率的光线从其他光线中分离出来，以便进行分析和检测。
其中包含一些元件，如衍射晶体、光栅等，这些元件可以使光线沿不同的方向散射。
而由于不同方向的光在经过分析元件之后有所区别，所以可以通过调整元件的位置来选择特定的光线。
2. 信号检测部分能量选择部分所选出的光线被转化成电信号并被送到信号检测部分。
这个部分主要由光电倍增管、电子多道分析器、数字量测器等组成。
光电倍增管使用光电效应将光子转化为电子并放大信号，多道分析器将不同能区段的信号分离出来并进行计数，数字量测器将计数信号转化为电信号进行数字化处理。
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文化人物郭生良：有梦想的“核安全卫士”文/图 陈海叶每个人对创业都有着不一样的定义。
有人认为，把产品DIY出来是创业；有人觉得，朝着自己的目标努力做一件事情是创业。
而成都新核泰科科技有限公司创始人兼CEO郭生良就属于后者，是一名典型的创客型创业者。
值得一提的是，郭生良创业的主题，竟是让无数人闻之色变的核辐射。
“许多人都没有意识到，核辐射其实无处不在。
比如家里的大理石地砖、医疗领域的伽玛刀等都有核辐射，只是没有达到一定量时不会对人体产生危害。
而我的产品，能快速检测环境里各种材料中天然和人工放射性核素的含量，保障人们的健康。
”郭生良说，他和他的团队，就是要做普通人身边与销售。
经过不断的历练，他从最初的小职员成长为公司的系统工程师、技术经理、项目经理，带领团队设计、研发了打破国外技术垄断的国内首台大气、烟气重金属在线分析系统，并获得国家多项专利，实现了研发和销售经验的原始积累。
尽管拿着可观的年薪，但公司的“天花板效应”让郭生良心中有了一种无法完全实现事业抱负的缺憾。
于是，他开始将发展的目光投向正蓬勃发展的成都，并酝酿自己的创业之路。
“一辈子总想自己创业一次。
”这是郭生良心中深埋的夙愿，而最终将他这个梦想点亮的，是一次与朋友的闲聊。
那是在2011年全国X射线荧光分▲郭生良正用手机检测产品（数字化多道伽玛能谱仪）性能的“核安全卫士”。
朋友一席话激活创业点子7月8日，记者在成都市龙潭总部经济城大学生创业园见到郭生良时，他正带着技术人员，用手机不断的检测新研发产品——数字化多道伽玛能谱仪的性能。
而这样每天与各种检测仪器打交道的工作生活，他已坚持了8年——从为别人打工到自己创业。
一切要回溯到2008年。
当时郭生良从成都理工大学核技术专业硕士毕业，被杭州一家研发环境检测仪器的上市公司相中，从事环境检测仪器的研发文化人物析技术学术年会上，有朋友在会后向郭生良聊起了核辐射。
由于技术限制，目前国内研究和生产高端核辐射检测仪器的商家依然比较少，核辐射检测行业市场需求很大。
数字化多道伽马能谱仪
数字化多道伽马能谱仪技术要求一、设备名称：数字化多道伽马能谱仪，数量：1套二、交货期：合同生效后1个月内交货地点：北京1套三、主要用途：应用领域：放射性矿产勘查、地质找矿、工程地质及水文地质研究、评估、放射性地质调查；辐射环境评价及核应急中放射性监测；建材、装饰材料、岩矿、岩芯样品中放射性元素含量的定量分析。
使用专业方向：野外地质勘察、室内样品分析；解决的问题：大幅提高地质勘查工作的管理水平，提高勘查密度，每天可勘查测试数百个勘查点，现场决策，一般测试时间为50to200s；可现场检测U、Th、K等放射性元素含量及辐射总量。
四、技术指标：1、仪器配置：1.1主机；1.2主机充电器；1.3智能手机1.4伽马能谱仪控制分析软件1.5 智能手机充电器；1.6 数据线；1.7 防震手提箱；2、主要技术参数：2.1探测器:φ75×75㎜3 NaI(Tl)+PMT；2.2测量范围：30～3000 keV全谱+总道；2.3脉冲处理器：数字化多道分析器(可选1024/512/256道模式)；2.4系统分辨率：FWHM≤8.0％@662keV；2.5非线性：积分≤0.05%；微分＜0.1%；2.6极限敏度(最低检出限)：U：0.2ppm (或226Ra：0.2Bq/kg)；Th：0.5ppm (或232Th：0.2Bq/kg)；K：0.2% (或40K：0.5Bq/kg)；2.6系统稳定性：谱漂<0.1%/八小时；2.7无放射源：仪器自动稳谱，无需放射源稳谱，避免放射性污染2.8功耗：≤1.9W(电池连续供电≥15h)；2.9体积：φ10×50㎝33.0量:3.5 kg；3.1 使用环境：-10～+50℃(≤95％RH)。
五、配置要求：1.1主机；1.2主机充电器；1.3智能手机1.4伽马能谱仪控制分析软件1.5 智能手机充电器；1.6 数据线；1.7 U盘（附仪器资料）；1.8 说明书；1.9 防震手提箱；六、服务要求1、拟提供售后服务的项目；1.1 整机保修，免费保修年限：1年；1.2 软件终身免费维护、升级。
基于PSoC3便携式多道γ能谱仪的研制
２ ２ 信号 整形 调理模 块 ．
图 ２ 探 测 模 块 硬 件 框 图
理， 减少 噪声 影 响和 提 高 系统 信 噪 比。本设 计 采 用 图 ３所示 电路 ， 由于 Ｐｏ ３内 置运 放 的增 ＳＣ 益 带 宽积 较 小 ， 因此使 用 可 在外 部 设 置 的电 源 电流 的低 噪 声宽 频带 轨至轨 输 出的双通 道 电流 反馈放大器 Ｌ ６ １ 对探测模块输出信号进行 Ｔ２ １
和环 境 监 测 、 关 检 测 检 疫 等 现 场 测 量 领 海 域 ¨ 。 随着科 学技 术 的进 步 和社会 生 活 水平 Ｊ 的提 高 ， 们 对 能 谱 仪 的需 求 １ 增 加 、 人 ３益 对
１ 系统 结构 与 原 理
目 ， 前 国内的便携式 能谱仪主要 由探头 和主机组成 ， 根据 能谱测量原理 【对能谱 图 ４ 的分析处理 ， 通过建立三元一次方程组计算被 测 目标中铀、 钾 的含量 ， 而实现探测和分 钍、 进 析功能。本设计结合传统 的能谱仪设计方法和 使用 Ｐ ｏ３的高集成 度资源进行便携式一体 ＳＣ 化研制 ， 其系统结构 主要由探测模块 、 信号整形 调理模块、 多道脉冲幅度分析模块 、ＳＣ Ｐｏ ３资源 模块 、 Ｖ Ａ Ｔ Ｉ Ｑ Ｇ Ｆ ＇ 显示模块 、 温度检测模 块、 电 源管理模块组成 ， 系统框 图如图 １ 所示。 该 系统 的工作 过 程 如 下 ： 在 射 线 的激 发 下 Ｎ Ｉｒ） ａ ｎ 闪烁 晶体 发光 ， （ 然后被光 电倍 增管 接收 ， 经光 电转 换 及 电子倍 增 后 从 阳极 输 出电 脉 冲， 出的电脉冲经探测模块 的射极跟随器 输
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硬件设计 算法实现 测试结果
❖ 总结和展望
❖ 实验内容大： 学核物理实验简介 基础实验：学习实验的基本知识，基本方法等 ❖ 放射性测量的统计误差（甄别器、定标器） ❖ 长塑料闪烁计数器（甄别器、定标器） ❖ 电流电离室（甄别器、定标器） ❖ BF3正比计数管（甄别器、定标器） ❖ G-M计数器的性能测量（甄别器、定标器） ❖ 多丝正比室（甄别器、定标器） ❖ NaI(TL)闪烁谱仪（多道分析器） ❖ Ge(Li)γ射线谱仪（多道分析器） ❖ 半导体α探测器和α粒子的能量损失（多道分析器） ❖ X射线吸收和特征谱测量等（多道分析器） 专业实验：把知识有机结合，从物理思想寻求解决问题的方法 ❖ Β-γ符合法测量放射源的活度（多路定标器） ❖ 放射性核素半衰期测量 ❖ α粒子卢瑟福散射（多道分析器） ❖ 康普顿散射（多道分析器） ❖ 穆斯堡尔效应等（多道分析器）
Y Trigger enable; Peakseek enable; Peak_temp=Samplingvalue
Samplingvalue<=
N
Samplingvalue
N
Low_threshold?
>peak_temp?
Y
Trigger disable; Peakseek disable
Y
Peak_temp= samplingvalue
Save to RAM
END
阈值判断
❖ 当采用双阈值做触发判断时可以避免误判问
题，信号大于上阈值时触发寻峰电路，低于
下阈时才能使一个完整的寻峰过程结束
Single_threshold
High_threshold
Low_threshold
Trigger
Trigger
数字化多道脉冲幅度分析 器
❖ 堆积判弃 ❖ 探测器输出信号有可能会出现峰堆积和尾堆
❖ 死时间 ❖ 稳定性 ❖ 道容量 对于系统的DNL和INL可以采用后处理的方式
数字化多道脉冲幅度分析 器
❖ 利用滑移脉冲发生 器测量多道脉冲幅度 分析器的DNL，利用 算法进行修正
右图为利用算法修正 另一组滑移谱的对比 图数字化多道脉冲幅度分析 器
❖ 241Am与239Pu混合源的α粒子的修正前后能 谱图
谢谢！
传统的多道脉冲幅度分析 器
❖ 死时间长，不同的幅度对应的变换时间不同， 增加了测试结果的不确定性
大学核物理实验系统的硬 件结构
Signal Detector
Nuclear Physics Experiment System
Reconfigurable Hardware
(Slave Machine)
积，前者导致原谱线计数下降，并使谱形畸 变，而后者会造成谱线展宽，分辨率变差和 谱线位移。 ❖ 对于峰堆积，只有在脉冲信号出现频率n以及 信号宽度tw较大，即ntw>1%的情况下发生 ❖ 在大学核物理实验中发生峰堆积的概率小于 1%
数字化多道脉冲幅度分析 器
❖ 尾堆积的两种情况：
堆积后的信号仍a 然有一个小于b 下阈值的过程
Reconfigurable Software
(Master Machine)
Input Signal
Signal Condition
ADC
FPGA
Slave Machine
USB Interface Data Bus
数字寻峰算法
❖ 寻峰算法
START
N Samplingvalue >=High_threshold?
大学核物理实验测量程序界面
大学核物理实验测量程序界面
总结以及展望
❖ 本文介绍了用于大学核物理实验系统中数字 化多道脉冲幅度分析器的研制
❖ 测试结果表明，该套系统死时间小，能量分 辨率小于1%，达到大学核物理实验对能量分 辨率的要求，满足大学核物理实验的需求
❖ 数字化多道脉冲幅度分析器中涉及的数字算 法还要进行进一步的优化和规范化，使之在 功能和性能方面达到更好的性能。
堆积后的信号一直大于下阈值
High_threshold Low_threshold
Trigger Accum_flag
Peak_seek_en Ram_read_write_en
数字化多道脉冲幅度分析 器
主要性能指标 ❖ 道数和量化电平数 ❖ 线性
ADC微分非线性（DNL） ADC积分非线性(INL) 失调和增益误差 电压基准的精度 温度效应 交流特性 系统随机噪声的干扰