基于PDA和蓝牙的数字化γ能谱仪的研制

论文摘要

野外γ能谱测量是使用便携式γ能谱仪在野外现场直接测量地表岩石、土壤和矿石中铀（U）、钍（Th）、钾（K）的含量,获得相关核素的信息。它被广泛应用于地质填图、放射性矿产和非放射性矿产勘查、水文地质和工程地质调查、建筑材料及环境监测等工作。由于γ能谱仪需要兼备野外能谱信号的采集与现场数据的处理能力,对仪器的便携性、实用性、操作性等要求较高。针对以往的便携式γ能谱仪功耗较高、数据处理速度较慢、并且主机与探头分离,要通过电缆连接才能进行数据交换,操作复杂等不足,笔者开展了一种基于PDA和蓝牙的数字化γ能谱仪的研制:以PDA作为γ能谱仪的数据采集与处理的主机,将探头设计成数字化,即将探测器、放大器、蓝牙内嵌式模块及多道脉冲幅度分析器集成在一起,通过蓝牙与PDA通讯。在PDA上基于Windows Mobile系统,利用嵌入式Visual C++语言开发γ能谱仪的应用软件,实现与探头的无线通讯,完成相应的谱数据分析、处理及GPS功能。本论文源自“863计划”重大科研项目—“航空伽玛能谱勘查系统研发”（编号:2006AA06A207）,旨在为航空γ能谱测量在地面开展方法实验,提供一种便携、快速、智能的γ能谱仪设备。本论文在前人的工作基础上,对传统分离式结构的便携式多道γ能谱仪进行了多项改进,取得的技术成果及创新点如下:1.将蓝牙低功耗技术应用于γ能谱仪,实现无线传输,有效地避免传统能谱仪中的电缆故障;2.首次在国产便携式γ能谱仪中,实现了实时GPS地理信息采集记录;3.采用了智能化稳谱,可以有效抑制谱漂带来的影响;4.大大提升了能谱仪的数据处理能力及运行速度,同时也大大提高了仪器的轻便性和操作性;5.仪器的功耗更低,电池可以连续工作25小时;6.本论文开发的软件与以往的γ能谱仪应用软件相比特色在于:1)采用离散函数褶积滑动变换法对谱线进行光滑,谱光滑的效果更好;2)采用512道谱线进行谱分析,有效地减小了谱线的统计涨落,谱分析的效果更好;3)针对不同含量比例的铀钍钾,采用3种模式进行能量刻度,保证数据分析的准确性;4)支持核素识别功能,方便用户准确鉴别放射源种类;5)采用2G容量的存储卡实时存储测量数据;6)基于Windows Mobile系统开发的用户界面,支持触屏操作,极大地方便了用户操作仪器和分析谱数据。对于一些核测量现场,有时存在电磁干扰、强辐射以及强放射性等问题,借助蓝牙技术,工作人员可以通过PDA远程遥控仪器,从而避免现场测量中放射源对人体的辐射和吸入性的内照射,这使基于PDA和蓝牙的γ能谱仪有着良好的实用价值和应用前景。通过测试和实际使用,证明基于PDA和蓝牙的γ能谱仪重量<2.7kg,功耗<1.4W,能量分辨率≦8.6%（对137Cs的0.661MeVγ射线）,分析K、U、Th的误差分别为:K<5%,U<7%,Th<5%,特征峰谱漂≦±1道,仪器的性能稳定可靠,操作方便,测量准确,适用于野外现场和室内对各种放射性物质的γ能谱测量。目前该仪器已实现小规模生产并推广应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容与成果
• 第2章 γ能谱测量的理论基础
• 2.1 天然γ射线的来源
• 2.2 γ射线的探测
• 2.2.1 γ射线与物质的相互作用
• 2.2.2 γ射线探测器
• 2.3 地面γ能谱测量原理
• 第3章 系统设计方案
• 3.1 γ能谱仪的工作原理
• 3.2 分离式便携式γ能谱仪
• 3.3 新型一体化便携式γ能谱仪的设计方案
• 3.4 方案论证
• 3.4.1 PDA 的发展及其操作系统
• 3.4.2 蓝牙技术
• 第4章 一体化γ能谱仪的硬件研制
• 4.1 数字化探头的电路结构
• 4.2 电源电路
• 4.2.1 3.3V 直流电源
• 4.2.2 9V 直流电源
• 4.2.3 高压电源模块
• 4.3 控制器的设计
• 4.3.1 LPC2148 最小系统
• 4.3.2 ARM 与蓝牙内嵌模块的接口电路
• 4.4 脉冲放大电路
• 4.5 多道脉冲幅度分析器
• 第5章 γ能谱仪应用软件的设计
• 5.1 开发平台
• 5.2 软件的总体设计与结构
• 5.3 蓝牙虚拟串口控制程序的设计
• 5.3.1 设计思路
• 5.3.2 软件实现
• 5.4 GPS 数据接收和处理程序的设计
• 5.5 谱数据分析和处理程序的设计
• 5.5.1 谱数据光滑
• 5.5.2 能量刻度
• 5.5.3 寻峰及确定峰的左右边界
• 5.5.4 核素识别
• 5.5.5 计算峰面积
• 5.5.6 采用512 道谱线进行含量分析
• 5.6 智能化稳谱程序的设计
• 5.6.1 设计思想
• 5.6.2 软件实现
• 5.7 文件管理
• 5.7.1 保存文件
• 5.7.2 打开文件
• 5.8 用户操作界面程序的设计
• 第6章 仪器的主要技术指标及应用
• 6.1 蓝牙通讯及抗干扰能力测试
• 6.2 能量分辩率测试
• 6.3 主要技术指标
• 6.4 应用试验
• 6.4.1 仪器标定
• 6.4.2 仪器的稳定性及一致性检查
• 6.4.3 野外测试试验
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得学术成果