高能X射线探测与数据采集系统研究

论文摘要

高能Χ射线工业CT是一种射线无损检测技术,其在航空航天、国防军工以及民用产品的质量无损检测等领域中起着重要作用。高能Χ射线的探测采集子系统作为工业CT系统的重要组成部分,其所得数据的正确性与准确性将直接影响CT成像图像的质量乃至整个CT系统性能。因此,研究一套实用的高能Χ射线探测采集系统具有重要意义。本论文首先介绍了工业CT系统的基本原理与结构组成,并简单介绍了Χ射线探测技术的发展现状及本论文的研究意义和创新点,明确了本课题的研究内容在整个工业CT系统中的位置与作用。分析了高能Χ射线探测技术,并重点研究了高能Χ射线探测器——钨酸镉(CdWO4)耦合光电二极管探测器的探测原理及其信号输出特征。根据探测器信号的输出特性,研究了微弱电流信号的测量原理,详细介绍了高能Χ射线探测转换电路的设计,重点介绍了微弱信号探测系统的前置放大电路、主放大电路以及一种新的应用于工业CT的高低压分区放大电路的设计。另外,论文还对此部分电路的噪声特性做了分析,并根据分析结果做了相应的设计处理。结合高能X射线探测采集系统现场工作环境电磁干扰大、辐射强度强的特点,本文设计了探测与采集系统的总体硬件电路,其中包括控制信号的光电隔离电路、模拟电源供电电路、数字电源供电电路以及FPGA逻辑控制和外围辅助电路。介绍了FPGA系统软件程序设计及其一般注意事项。此外,论文还综合考虑了系统的抗干扰措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 工业CT 的基本原理与结构
• 1.2.1 工业CT 的基本原理
• 1.2.2 工业CT 的基本结构
• 1.3 Χ射线探测技术的发展现状
• 1.4 本课题研究意义及创新点
• 1.5 本论文的主要内容及安排
• 2 工业CT 高能Χ射线探测技术研究
• 2.1 概述
• 2.2 高能Χ射线工业CT 探测器及信号输出特征
• 4 探测器探测原理及其结构分析'>2.2.1 CdWO₄探测器探测原理及其结构分析
• 2.2.2 光电二极管及其特性分析
• 2.2.3 探测器信号输出主要特征分析
• 2.3 光电二级管暗电流及处理方法
• 2.4 本章小结
• 3 低噪声光电转换电路设计
• 3.1 微弱电流信号测量原理
• 3.2 高能Χ射线探测器
• 3.3 低噪声前置开关积分运放
• 3.4 Χ射线探测转换电路
• 3.4.1 前置电流积分放大电路
• 3.4.2 主放大电路
• 3.4.3 新型高低压分区放大电路
• 3.4.4 双A/D 同步转换电路
• 3.5 系统噪声分析与处理
• 3.6 本章小结
• 4 系统硬件电路设计
• 4.1 硬件总体设计方案
• 4.2 控制信号光电隔离模块设计
• 4.3 供电单元模块设计
• 4.4 FPGA 逻辑控制系统硬件电路设计
• 4.4.1 FPGA 芯片选择
• 4.4.2 FPGA 晶振时钟电路
• 4.4.3 FPGA 配置、下载电路设计
• 4.4.4 低压差分（LVDS）通信电路设计
• 4.4.5 模数接口缓冲电路设计
• 4.5 系统信号完整性与抗干扰设计
• 4.5.1 关键信号的信号完整性设计
• 4.5.2 PCB 设计及系统抗干扰技术
• 4.6 本章小结
• 5 FPGA 系统软件设计
• 5.1 概述
• 5.1.1 FPGA 结构原理
• 5.1.2 VHDL 语言简介
• 5.2 FPGA 程序设计
• 5.2.1 FPGA 模块的划分
• 5.2.2 主状态机设计
• 5.2.3 FPGA 通信协议设计
• 5.2.4 FPGA 前放驱动时序设计
• 5.3 FPGA 设计主要注意事项
• 5.3.1 毛刺的产生与消除
• 5.3.2 FPGA 程序设计应注意的问题
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录