CN109669206A - 环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其包括：直流电源管理模块、伽马探测器模块、信号调节模块、ADC数据采样模块、FPGA微控制系统模块、LCD显示模块。一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的信号处理方法，包括：获取能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的不同工作模块的工作电压；获取连续的脉冲信号；对经过放大后的信号进行滤波处理；对滤波处理后获得的模拟信号进行ADC采样而获得数字信号；将数字信号输入FPGA微控制系统电路中，然后由FPGA微控制系统将数字信号处理成能供LCD显示电路显示的数据；处理完成后的信号通过数据传输线输入到LCD显示电路显示。该系统的操作界面更加优化化，实现智能化，可以有效地将伽马光子捕获，能量计数率高。
Description
技术领域
本发明属于数据测量领域，涉及一种数据测量仪器，特别涉及一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统及其信号处理方法。
背景技术
近年来，随着核技术的快速发展，核技术已被广泛的应用于如工业、地质、医学、考古等诸多领域；核技术在这些领域中也正发挥着越来越重要的作用。但在核技术快速发展的同时，其带来的潜在威胁也越来越受人们关注。γ能谱分析作为辐射测量的一种基本方法，被广泛的应用于核辐射检测、核素识别等场合。通过对辐射性物质衰变时发射的γ射线进行测量，可获得γ辐射总量，并可根据对获得的γ能量谱分析，获得其放射性物质的元素种类及含量等信息。而便携式能谱仪由于体积小，携带方便，可现场使用等特点，成为环境检测和国土安全检查的重要仪器之一。
目前市场上的大部分能谱的功能都过于单一，不太符合现代社会仪器智能化的趋势；再加上大多数的能谱仪的闪烁体都采用晶体闪烁体，晶体闪烁体的形态是固定不变的，因此探测视野固定且探测面不够大，对伽马光子的采集不够多；对能量测量准确率不够准确。能量计数率不够高，因此活度测得不够准确，而且抑制康普顿散射比例(ComptonEffect，简称CE)的效果太差；因此对能量的测量不够准确，精确度太低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统及其信号处理方法，该环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的操作界面更加友好化，功能更加智能化，该环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统有USB接口，可以将探测到的大量数据通过USB口传输给用户的电脑；该环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统还设计有记忆功能，将每天每一时刻的数据和对应的时间通过Wifi模块将数据传输到用户的电脑上，实现智能化，办公方便化；该环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统能有效地对伽马光子实现捕获，对能量测量准确率最准，能量计数率(Energy counting rate，简称ECR)最高，实现活度测得最准，可以有效地实现提高抑制康普顿散射比例的效果。
为实现上述目的，本发明提供一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，包括以下模块：
直流电源管理模块，用于通过一USB接口对一电池进行充电，然后对该电池的电压进行管理；
伽马探测器模块，用于以液体环绕状视角的方式来实现对伽马光子的探测，获取单伽马光子的能量属性，采用闪烁探测器原理探测伽马光子；
信号调节模块，其包括放大器电路和低通滤波电路，所述信号调节模块将伽马探测器模块输出的微弱信号脉冲进行信号放大和滤波处理；
ADC数据采样模块，用于将经过信号调节模块后的模拟信号进行采样，转换成数字信号，输送给一FPGA微控制模块进行处理；
FPGA微控制模块，用于对经过ADC数据采样模块处理后的数字信号进行处理，然后输送给一LCD显示模块显示或存储数据或将数据通过无线网络将数据传输给用户电脑；
LCD显示模块，用于将FPGA微控制模块输送过来的数字信号实现十进制数据显示；
所述直流电源管理模块能给伽马探测器模块、信号调节模块、ADC数据采样模块、FPGA微控制模块及LCD显示模块提供工作电压。
具体的，直流电源管理模块，通过USB接口对电池进行充电，然后对该电源电压进行管理，给一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪的各个模块提供工作电压；包括USB接口管理模块，电源电压管理模块。
具体的，伽马探测器模块，包括环绕式液体闪烁体模块，光电转换模块。
具体的，信号调节模块，信号调节模块包括放大器电路(Amplifier circuit，简称AC)和低通滤波电路(Low-pass filter circuit，简称LPFC)，将伽马探测器模块输出的微弱信号脉冲进行信号放大和滤波处理，可以使信号更加稳定，抗干扰性更强，包括放大器电路模块，滤波电路模块；
具体的，ADC数据采样模块，可将经过信号调节模块后的模拟信号进行采样，转换成数字信号，传输给FPGA微控制模块进行处理，包括AD数据采样芯片模块。
具体的，FPGA微控制模块，将经过ADC数据采样模块处理后的数据信号进行处理，然后输送给LCD显示模块显示；还可以将一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集的数据存储下来，还可以将数据通过无线网络将数据传输给用户电脑，包括FPGA模块，晶振模块，数据存储模块，Wifi模块；
具体的，LCD显示模块，将FPGA微控制模块输送过来的数据信号实现十进制数据显示，包括LCD显示电路。
进一步的，所述直流电源管理模块包括：
USB接口管理模块，用于通过一USB数据线对电池充电，所述USB接口管理模块能将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的数据通过USB数据线传输到用户电脑上；
电源电压管理模块，用于将电池提供的电压通过稳压电路进行多次降压稳压而获得多个能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的不同模块的工作电压。
具体的，USB接口管理模块,隶属于直流电源管理模块，用于通过USB数据线对电池充电，实现电池二次充电的功能将电压传输给电源电压管理模块，达到环保和耐用的功能；该模块还可以将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的数据通过USB数据线传输到用户电脑上。
具体的，电源电压管理模块，隶属于直流电源管理模块,将电池提供的电压通过稳压电路进行多次降压稳压而获得多个能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪的不同模块的工作电压。
进一步的，所述伽马探测器模块包括：
环绕式液体闪烁体模块，用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子，所述环绕式液体闪烁体模块包括液体闪烁体和环绕结构的软状外壳；
光电转换模块，用于通过SiPM光电倍增管将可见光和软紫外光光子的能量吸收转化成电信号，再通过数据传输线输出给信号调节模块。
具体的，环绕式液体闪烁体模块，隶属于伽马探测器模块，用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子,将可见光子传输给光电转换模块，由芳香族碳氢化合物液体闪烁体，环绕结构的软状外壳构成。
具体的，光电转换模块，隶属于伽马探测器模块，通过SiPM光电倍增管将可见光和软紫外光光子的能量吸收转化成一个闪烁脉冲信号，再通过数据传输线输出给信号调节模块。
进一步的，所述液体闪烁体是环绕式液体闪烁体，所述环绕式液体闪烁体上贴装有两两对称的四个SiPM光电倍增管。
放大器电路模块，隶属于信号调节模块，将伽马探测器模块输出的微弱的模拟电信号进行放大，使用两块AD芯片组成的放大电路将共模信号变成抗干扰性强且适合ADC采样模块采样的差分模拟电信号。
滤波电路模块，隶属于信号调节模块,将放大后的模拟信号通过低通滤波电路将不符合所需信号要求的干扰信号滤掉，最后输出给ADC采样模块采样。
进一步的，所述ADC数据采样模块包括：
AD数据采样芯片模块，用于对通过信号调节模块的形成的差分模拟信号进行采样，将模拟信号转化为FPGA微控制模块可读的数字信号，同时将数据时钟和帧时钟输出给FPGA微控制模块。
具体的，AD数据采样芯片模块，隶属于ADC数据采样模块，将通过信号调节模块的形成的差分模拟信号进行采样，将模拟信号转化为FPGA微控制模块可读的数字信号，同时将数据时钟和帧时钟输出给FPGA微控制模块。
进一步的，所述FPGA微控制模块包括：
FPGA模块，用于将ADC数据采样模块输出的数字信号、数据时钟和帧时钟进行处理；最后将处理好的数据输出给LCD显示模块；同时通过FPGA模块的锁相环结构给ADC数据采样模块提供数据采样时钟；
晶振模块，用于将产生的时钟信号输出给FPGA模块，为FPGA模块提供工作时钟；
数据存储模块，用于将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的数据存储到存储卡里，记录下数据；
Wifi模块，用于将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的每一时刻的数据通过无线网络传输到用户的电脑上。
其中，FPGA模块，隶属于FPGA微控制模块，将ADC数据采样模块输出的数字信号、数据时钟和帧时钟进行处理；最后将处理好的数据输出给LCD显示模块；同时通过FPGA模块的锁相环结构给ADC数据采样模块提供数据采样时钟。
数据存储模块，隶属于FPGA微控制模块,将一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集到的数据存储到存储卡里，记录下数据。
Wifi模块，隶属于FPGA微控制模块，将环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集到的每一时刻的数据通过无线网络传输到用户的电脑上。
进一步的，所述LCD显示模块包括：
LCD显示电路，用于通过数据传输线将FPGA微控制模块处理后输出的能量数据进行显示，同时能显示整个环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统当前的电量和当前的时间。
具体的，LCD显示电路，隶属于LCD显示模块，通过数据传输线将FPGA微控制模块处理后输出的能量数据进行显示，同时能显示整个环绕式液体闪烁体智能能谱仪当前的电量和当前的时间。
USB接口管理模块，隶属于USB接口管理模块，通过USB数据线对电池充电，实现电池二次充电的功能将电压传输给电源电压管理模块，达到环保和耐用的功能。
USB接口数据传输模块，隶属于USB接口管理模块，该模块还可以将环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集到的数据通过USB数据线传输到用户电脑上。
FPGA模块包括FPGA芯片模块及晶振模块。FPGA芯片模块，隶属于FPGA模块，将ADC数据采样模块输出的数据数字信号、数据时钟和帧时钟进行处理；最后将处理好的数据输出给LCD显示模块；同时通过FPGA模块的锁相环结构给ADC数据采样模块提供数据采样时钟。
晶振模块，隶属于FPGA模块,产生的时钟信号输出给FPGA模块，为FPGA模块提供工作时钟。
LCD显示电路，隶属于LCD电路，通过数据传输线将FPGA微控制模块处理后输出的能量数据进行显示，同时能显示整个环绕式液体闪烁体智能能谱仪当前的电量和当前的时间。
显示模块驱动电路，隶属于LCD电路，数据从FPGA微控制模块进入显示模块驱动电路，显示模块驱动电路用于驱动LCD显示电路的显示。
优选地，在上述的一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪中，所述的液体闪烁体是指由溶剂和溶质(闪烁体)组成的有机溶液，溶剂为PX(对二甲苯),溶质(闪烁体)为PPO(2,5-二苯基噁唑)；对二甲苯具有较高的闪点、高折射率和光学透明性等特点。
进一步的，在上述的一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统中，所述的康普顿散射比例是指康普顿效应中入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。
从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，具有更加友好的操作界面，更加智能化的功能；该系统能有效地对伽马光子实现捕获，对能量测量准确率最准，能量计数率最高，实现活度测得最准，可以有效地实现提高抑制康普顿散射比例的效果。
根据本发明的一个实施例，所述系统通过与计数器连接的FPGA导出数据。
本发明一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪的信号处理方法，包括以下步骤：
步骤S1:获取能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的不同工作模块的工作电压，其中，将电池电压通过稳压电路进行多次降压稳压处理后获得不同的电压，其中，每个稳压电路模块中都要满足IIN＝IL+IG,其中IIN为稳压电路的输入电流，IL为稳压电路的输出电流，IG为流向地端的电流；
具体的，直流电源管理模块中，将电池提供的电压通过稳压电路进行多次降压稳压实现获得多个电压，给环绕式液体闪烁体智能能谱仪的各个模块提供工作电压；其中每个稳压电路模块中都要满足IIN＝IL+IG,其中IIN为稳压电路的输入电流，IL为稳压电路的输出电流，IG为流向地端的电流。
步骤S2:获取连续的脉冲信号Sm,其中m为连续的脉冲信号中闪烁脉冲的个数，Si为第i个闪烁脉冲；Sm的幅值为Em，频率为fm；
具体的，伽马探测器中，当伽马射线的电离辐射发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入液体闪烁体并在液体闪烁体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出形成闪烁脉冲；多个连续闪烁脉冲发生最后形成一个连续的脉冲信号Sm,其中m为连续的脉冲信号中闪烁脉冲的个数，Si为第i个闪烁脉冲；Sm的幅值为Em，频率为fm。
步骤S3：对连续脉冲信号进行放大处理，其中，通过信号调节电路中的放大器电路对信号进行放大，且采用同相比例放大电路，输入信号和输出信号满足其中uo为输出信号，uI为输入信号，Rf为反馈电阻，R为补偿电阻。该电路的放大倍数
具体的，连续脉冲信号进入信号调节电路中的放大器电路，将微弱的信号放大成一个抗干扰性强的信号，且采用同相比例放大电路，输入信号和输出信号满足其中uo为输出信号，uI为输入信号，Rf为反馈电阻，R为补偿电阻。该电路的放大倍数
步骤S4:对经过放大后的信号进行滤波处理，其中，经过一个二阶有源低通滤波电路将产生的干扰信号滤掉，低通滤波电路的截止频率为 其中R1、R2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电阻，C1、C2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电容；
具体的，经过放大后的信号经过一个二阶有源低通滤波电路将产生的干扰信号滤掉；低通滤波电路的截止频率为其中R1、R2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电阻，C1、C2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电容；该二阶有源低通滤波电路的截止频率不但由电阻和电容决定，还与运放的带宽有关。
步骤S5:对滤波处理后获得的模拟信号进行ADC采样而获得数字信号，数据采样满足fs≥2fm，其中fs为采样频率，fm为模拟信号的信号频率；
并且数模转换满足其中N为十进制的数字信号，AVDD为数字参考电压，Sm为模拟信号；
具体的，信号经过信号调节电路模块后形成一个稳定的模拟信号，然后由ADC数据采样模块采样，采样过后形成一个数字信号；数据采样必须满足fs≥2fm，这样才不会产生脉冲堆积的现象；其中fs为采样频率，fm为模拟信号的信号频率；
并且数模转换满足其中N为十进制的数字信号，AVDD为数字参考电压，Sm为模拟信号。
步骤S6:将数字信号输入FPGA微控制系统电路中，然后由FPGA微控制系统将数字信号处理成能供LCD显示电路显示的数据；处理完成后的信号通过数据传输线输入到LCD显示电路显示。
进一步的，在所述步骤S1中，能将一个较高的直流电压通过选定稳压芯片的稳压降压后形成一个自己所需的直流电压。
进一步的，获取连续的脉冲信号的方法为：当伽马射线的电离辐射在发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入液体闪烁体并在液体闪烁体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出，形成一个闪烁脉冲信号。
根据本发明的一个具体实施例，闪烁脉冲的幅值范围为0-500毫伏，ADC为10位精度且动态范围介于0-1500毫伏之间，此时该ADC的LSB＝210/1500，利用上述方法和装置模数转换(analog to digital conversion，简称ADC)的步骤如下：
步骤S1：将ADC的动态范围设置介于0-1500毫伏之间。
步骤S2：给ADC芯片接上一个f＝150MHz的采样时钟；
步骤S3：ADC芯片每转换好8位数据就开始下一个模拟信号的转换；
根据本发明的一个具体实施例,所述的放大器电路，利用两个集成运算放大器组成一个差分放大电路，将共模信号变成一对差模信号然后进行信号放大。
根据本发明的一个具体实施例，所述的降压稳压的方法，将一个较高的直流电压通过选定稳压芯片的稳压降压后形成一个自己所需的直流电压。
根据本发明的一个具体实施例，所述的产生闪烁脉冲的方法，当伽马射线的电离辐射在发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入液体闪烁体并在液体闪烁体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出，形成一个闪烁脉冲信号。
根据本发明的一个具体实施例；所述的一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪的机座模型；主要结构是伽马探测器、处理器机盒(FPGA处理器、AD模数转换电路、信号调节电路)和计算机系统；伽马探测器外形是半径r＝20cm,高h＝50cm的不锈钢材料的圆柱桶；并采用了屏蔽式的技术；圆柱桶里装有环绕形的液体闪烁体，环绕形的液体闪烁体上并贴装上SiPM光电倍增管。伽马探测器下安装上一个长a＝15cm、宽b＝10cm、高h1＝10cm矩形立体屏蔽式的机盒，机盒里安装有FPGA处理器、AD模数转换电路和信号调节电路；机盒接出多合一的屏蔽数据传输线接到计算机系统的PC主机上，该多合一的屏蔽数据传输线内有能量数据数据线和上位机线等数据线包装一起；PC主机再将数据给液晶显示屏显示。
采用上述产品进行相应的实验测量，在137Cs源下，测得的伽马灵敏度为大于2100CPS/(u Sv。h-1)，以上灵敏度的指标在同类仪器中都是处于在考前的水平，核素分析在本底情况下不超过100秒，通过天然核素进行稳谱。可以说本发明的伽马能谱仪同时成功实现了天然核素稳谱、灵敏度高等特点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)更加友好的操作界面，更加智能化的功能；
(2)更有效地对伽马光子实现捕获；
(3)更准确的测量准确率；
(4)更高的能量计数率；
(5)更准确的测量活度；
(6)更有效地实现抑制康普顿散射比例；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的结构框图。
图2为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的硬件模块连接框图。
图3为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的伽马探测器的硬件模块框图。
图4为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的信号从探测器输出经过各个模块的流程框图。
图5为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的AD数据采样模块与FPGA微控制模块的信号传输框图。
图6为FPGA微控制模块数据处理、数据存储及数据输出框图。
图7为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的一种样机模型图。
其中1-SiPM，2-SiPM,3-SiPM,4-SiPM,5-环绕式液体闪烁体，6-管座，7-支撑底座，8-引脚，9-计算机处理系统，10-显示屏，11-PC主机，12-数据传输线，13-伽马探测器，14-支撑支架底座，15-组合模块。
具体实施方式
本发明公开了一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，该系统具有更加友好的操作界面，更加智能化的功能；该系统能有效地对伽马光子实现捕获，对能量测量准确率最准，能量计数率最高，实现活度测得最准，可以有效地实现提高抑制康普顿散射比例的效果。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，通过伽马探测器捕获到伽马射线并变成可见光子然后转换成电脉冲模拟信号，电脉冲模拟信号通过ADC数据采样模块变成数字信号，输出到FPGA微控制模块处理，最后输出给LCD模块显示出能谱和计数率。环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统具体包括：直流电源管理模块100、伽马探测器模块200、信号调节模块300、ADC数据采样模块400、FPGA微控制模块500、LCD显示模块600。其中，
如图1及图4所示，直流电源管理模块100，通过USB接口对电池进行充电，然后对该电源电压进行管理，给一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪的各个模块提供工作电压，即直流电源管理模块100能给伽马探测器模块200、信号调节模块300、ADC数据采样模块400、FPGA微控制模块500及LCD显示模块600提供工作电压。直流电源管理模块100包括USB接口管理模块110，电源电压管理模块120。USB接口管理模块110，用于通过一USB数据线对电池充电，所述USB接口管理模块能将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的数据通过USB数据线传输到用户电脑上。电源电压管理模块120，用于将电池提供的电压通过稳压电路进行多次降压稳压而获得多个能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的不同模块的工作电压。USB接口管理模块110包括USB充电管理模块111及USB数据传输模块112。
如图1所示，伽马探测器模块200，以液体环绕状视角的方式来实现对伽马光子的探测，获取单伽马光子的能量属性，采用闪烁探测器原理探测伽马光子。伽马探测器模块200包括环绕式液体闪烁体模块210，光电转换模块，在一个实施例中，光电转换模块220为硅光电倍增管(SiPM)。环绕式液体闪烁体模块210，用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子，所述环绕式液体闪烁体模块包括液体闪烁体和环绕结构的软状外壳。光电转换模块220，用于通过SiPM光电倍增管将可见光和软紫外光光子的能量吸收转化成电信号，再通过数据传输线输出给信号调节模块。
所述液体闪烁体是环绕式液体闪烁体，所述环绕式液体闪烁体上贴装有两两对称的四个SiPM光电倍增管。
如图1所示，信号调节模块300，信号调节模块包括放大器电路和低通滤波电路，将伽马探测器模块输出的微弱信号脉冲进行信号放大和滤波处理，可以使信号更加稳定，抗干扰性更强。信号调节模块300包括放大器电路模块310，滤波电路模块320。
如图1所示，ADC数据采样模块400，可将经过信号调节模块后的模拟信号进行采样，转换成数字信号，输送给FPGA微控制模块500进行处理。ADC数据采样模块400包括ADC数据采样芯片模块410。ADC数据采样芯片模块，用于对通过信号调节模块的形成的差分模拟信号进行采样，将模拟信号转化为FPGA微控制模块可读的数字信号，同时将数据时钟和帧时钟输出给FPGA微控制模块。
如图1所示，FPGA微控制模块500，将经过ADC数据采样模块处理后的数字信号进行处理，然后输送给LCD显示模块显示；还可以将环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集的数据存储下来，并可以将数据通过无线网络将数据传输给用户电脑。FPGA微控制模块500包括FPGA模块510，晶振模块512，数据存储模块520，Wifi模块530。FPGA模块510，用于将ADC数据采样模块输出的数字信号、数据时钟和帧时钟进行处理；最后将处理好的数据输出给LCD显示模块；同时通过FPGA模块的锁相环结构给ADC数据采样模块提供数据采样时钟。晶振模块512，用于将产生的时钟信号输出给FPGA模块，为FPGA模块提供工作时钟。数据存储模块520，用于将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的数据存储到存储卡里，记录下数据。
Wifi模块530，用于将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的每一时刻的数据通过无线网络传输到用户的电脑上。
LCD显示模块600，将FPGA微控制模块输送过来的数据信号实现十进制数据显示。LCD显示模块600包括LCD显示电路610。LCD显示电路610，用于通过数据传输线将FPGA微控制模块处理后输出的能量数据进行显示，同时能显示整个环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统当前的电量和当前的时间。LCD显示电路610包括显示模块驱动电路模块611及LCD显示屏612。
USB接口管理模块110,隶属于直流电源管理模块100，用于通过USB数据线对电池充电，实现电池二次充电的功能将电压传输给电源电压管理模块120，达到环保和耐用的功能；该模块还可以将环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集到的数据通过USB数据线传输到用户电脑上。
电源电压管理模块120，隶属于直流电源管理模块100,将电池提供的9V电压通过稳压电路进行多次降压稳压实现获得5V、3。3V、2。5V和1。0V多个电压，给一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪的各个模块提供工作电压。
环绕式液体闪烁体模块210，隶属于伽马探测器模块200，用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子,将可见光子传输给光电转换模块220，由苯环结构的芳香族碳氢化合物液体闪烁体，环绕结构的软状外壳构成。
光电转换模块220，隶属于伽马探测器模块200，通过SiPM光电倍增管将可见光和软紫外光光子的能量吸收转化成一个闪烁脉冲信号，再通过数据传输线输出给信号调节模块300。
放大器电路模块310，隶属于信号调节模块300，将伽马探测器模块输出的微弱的模拟电信号进行放大，使用两块AD8039芯片组成的放大电路将共模信号变成抗干扰性强且适合ADC采样模块采样的差分模拟电信号。
滤波电路模块320，隶属于信号调节模块300,将放大后的模拟信号通过低通滤波电路将不符合所需信号要求的干扰信号滤掉，最后输出给ADC采样模块采样。
AD数据采样芯片模块410，隶属于ADC数据采样模块400，将通过信号调节模块的形成的差分模拟信号进行采样，将模拟信号转化为FPGA微控制模块可读的数字信号，同时将数据时钟和帧时钟输出给FPGA微控制模块500。
FPGA模块510，隶属于FPGA微控制模块500，将ADC数据采样模块输出的数据数字信号、数据时钟和帧时钟进行处理；最后将处理好的数据输出给LCD显示模块600；同时通过FPGA模块的锁相环结构给ADC数据采样模块提供数据采样时钟。FPGA模块510包括FPGA芯片模块511及晶振模块512。
晶振模块512，隶属于FPGA模块510,产生的时钟信号输出给FPGA模块510，为FPGA模块510提供工作时钟。
数据存储模块520，隶属于FPGA微控制模块500,将环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集到的数据存储到存储卡里，记录下数据。
Wifi模块530，隶属于FPGA微控制
FPGA微控制模块500将环绕式液体闪烁体智能能谱仪采集到的每一时刻的数据通过无线网络传输到用户的电脑上。
LCD显示电路610，隶属于LCD显示模块600，通过数据传输线将FPGA微控制模块处理后输出的能量数据进行显示，同时能显示整个环绕式液体闪烁体智能能谱仪当前的电量和当前的时间。
以上的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统中，所述的液体闪烁体是指由溶剂和溶质(闪烁体)组成的有机溶液，溶剂为PX(对二甲苯),溶质(闪烁体)为PPO(2,5-二苯基噁唑)；对二甲苯具有较高的闪点、高折射率和光学透明性等特点。
以上的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统中，所述的康普顿散射比例是指康普顿效应中入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。
如图3及图7所示，图3为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的伽马探测器的结构框图，图6为FPGA微控制模块数据处理、数据存储及数据输出框图。硬件模块包括硅光电倍增管(SiPM)1、2、3、4，环绕式液体闪烁体5、管座6、支撑底座7、引脚8、计算机处理系统9、显示屏10、PC主机11、数据传输线12、伽马探测器13、支撑支架底座14、组合模块15，组合模块15包括FPGA处理器、AD模数转换、信号调节电路。
如图2所示，图2为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的硬件模块连接框图。如图5所示，图5为本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的AD数据采样模块与FPGA微控制模块的信号传输框图；如图6所示，图6为FPGA微控制模块数据处理、数据存储及数据输出框图。
通过几个具体的实施例，对本发明环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统做进一步描述。本发明提出的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其涉及到的集合划分、函数衍生方式及其优先级顺序、编码系统、阈值参数需要根据所获取数据的特点进行调节以达到足够的统计性能。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。
在一个实施例中，
直流电源管理模块100中采用的电源为可二次充电的锂电池，最大电压值为9V；
伽马探测器模块200中采用的闪烁体为环绕状的液体闪烁体；
信号调节模块300中采用的运算放大器芯片为贴片式的AD8039；
ADC数据采样模块400中采用的ADC模数转换芯片为贴片式的AD9287；
FPGA微控制模块500中处理器采用FPGA(现场可编程逻辑门阵列)处理器；
LCD显示模块600中显示屏采用的是OLED12684。
本发明一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪的信号处理方法，包括以下步骤：
步骤S1:获取能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的不同工作模块的工作电压，其中，将电池电压通过稳压电路进行多次降压稳压处理后获得不同的电压，其中，每个稳压电路模块中都要满足IIN＝IL+IG,其中IIN为稳压电路的输入电流，IL为稳压电路的输出电流，IG为流向地端的电流；
具体的，直流电源管理模块中，将电池提供的电压通过稳压电路进行多次降压稳压实现获得多个电压，给环绕式液体闪烁体智能能谱仪的各个模块提供工作电压；其中每个稳压电路模块中都要满足IIN＝IL+IG,其中IIN为稳压电路的输入电流，IL为稳压电路的输出电流，IG为流向地端的电流。
步骤S2:获取连续的脉冲信号Sm,其中m为连续的脉冲信号中闪烁脉冲的个数，Si为第i个闪烁脉冲；Sm的幅值为Em，频率为fm；
具体的，伽马探测器中，当伽马射线的电离辐射发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入液体闪烁体并在液体闪烁体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出形成闪烁脉冲；多个连续闪烁脉冲发生最后形成一个连续的脉冲信号Sm,其中m为连续的脉冲信号中闪烁脉冲的个数，Si为第i个闪烁脉冲；Sm的幅值为Em，频率为fm。
步骤S3：对连续脉冲信号进行放大处理，其中，通过信号调节电路中的放大器电路对信号进行放大，且采用同相比例放大电路，输入信号和输出信号满足其中uo为输出信号，uI为输入信号，Rf为反馈电阻，R为补偿电阻。该电路的放大倍数
具体的，连续脉冲信号进入信号调节电路中的放大器电路，将微弱的信号放大成一个抗干扰性强的信号，且采用同相比例放大电路，输入信号和输出信号满足其中uo为输出信号，uI为输入信号，Rf为反馈电阻，R为补偿电阻。该电路的放大倍数
步骤S4:对经过放大后的信号进行滤波处理，其中，经过一个二阶有源低通滤波电路将产生的干扰信号滤掉，低通滤波电路的截止频率为 其中R1、R2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电阻，C1、C2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电容；
具体的，经过放大后的信号经过一个二阶有源低通滤波电路将产生的干扰信号滤掉；低通滤波电路的截止频率为其中R1、R2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电阻，C1、C2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电容；该二阶有源低通滤波电路的截止频率不但由电阻和电容决定，还与运放的带宽有关。
步骤S5:对滤波处理后获得的模拟信号进行ADC采样而获得数字信号，数据采样满足fs≥2fm，其中fs为采样频率，fm为模拟信号的信号频率；
并且数模转换满足其中N为十进制的数字信号，AVDD为数字参考电压，Sm为模拟信号；
具体的，信号经过信号调节电路模块后形成一个稳定的模拟信号，然后由ADC数据采样模块采样，采样过后形成一个数字信号；数据采样必须满足fs≥2fm，这样才不会产生脉冲堆积的现象；其中fs为采样频率，fm为模拟信号的信号频率；
并且数模转换满足其中N为十进制的数字信号，AVDD为数字参考电压，Sm为模拟信号。
步骤S6:将数字信号输入FPGA微控制系统电路中，然后由FPGA微控制系统将数字信号处理成能供LCD显示电路显示的数据；处理完成后的信号通过数据传输线输入到LCD显示电路显示。
进一步的，在所述步骤S1中，能将一个较高的直流电压通过选定稳压芯片的稳压降压后形成一个自己所需的直流电压。
进一步的，获取连续的脉冲信号的方法为：当伽马射线的电离辐射在发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入液体闪烁体并在液体闪烁体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出，形成一个闪烁脉冲信号。
根据本发明的一个具体实施例，闪烁脉冲的幅值范围为0-500毫伏，ADC为10位精度且动态范围介于0-1500毫伏之间，此时该ADC的LSB＝210/1500，利用上述方法和装置模数转换(analog to digital conversion，简称ADC)的步骤如下：
步骤S1：将ADC的动态范围设置介于0-1500毫伏之间。
步骤S2：给ADC芯片接上一个f＝150MHz的采样时钟；
步骤S3：ADC芯片每转换好8位数据就开始下一个模拟信号的转换；
根据本发明的一个具体实施例,所述的放大器电路，利用两个集成运算放大器组成一个差分放大电路，将共模信号变成一对差模信号然后进行信号放大。
根据本发明的一个具体实施例，所述的降压稳压的方法，将一个较高的直流电压通过选定稳压芯片的稳压降压后形成一个自己所需的直流电压。
根据本发明的一个具体实施例，所述的产生闪烁脉冲的方法，当伽马射线的电离辐射在发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入液体闪烁体并在液体闪烁体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出，形成一个闪烁脉冲信号。
根据本发明的一个具体实施例；所述环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的机座模型主要结构是伽马探测器、处理器机盒(FPGA处理器、AD模数转换电路、信号调节电路)和计算机系统；伽马探测器外形是半径r＝20cm,高h＝50cm的不锈钢材料的圆柱桶；并采用了屏蔽式的技术；圆柱桶里装有环绕形的液体闪烁体，环绕形的液体闪烁体上并贴装上SiPM光电倍增管。伽马探测器下安装上一个长a＝15cm、宽b＝10cm、高h1＝10cm矩形立体屏蔽式的机盒，机盒里安装有FPGA处理器、AD模数转换电路和信号调节电路；机盒接出多合一的屏蔽数据传输线接到计算机系统的PC主机上，该多合一的屏蔽数据传输线内有能量数据数据线和上位机线等数据线包装一起；PC主机再将数据给液晶显示屏显示。
采用上述产品进行相应的实验测量，在137Cs源下，测得的伽马灵敏度为大于2100CPS/(u Sv。h-1)，以上灵敏度的指标在同类仪器中都是处于在考前的水平，核素分析在本底情况下不超过100秒，通过天然核素进行稳谱。可以说本发明的伽马能谱仪同时成功实现了天然核素稳谱、灵敏度高等特点。
通过对比可以看出，采用本发明的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，该系统具有更加友好的操作界面，更加智能化的功能；该系统能有效地对伽马光子实现捕获，对能量测量准确率最准，能量计数率最高，实现活度测得最准，可以有效地实现提高抑制康普顿散射比例的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)更加友好的操作界面，更加智能化的功能；
(2)更有效地对伽马光子实现捕获；
(3)更准确的测量准确率；
(4)更高的能量计数率；
(5)更准确的能量活度；
(6)更有效地实现抑制康普顿散射比例。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其特征在于：包括以下模块：
直流电源管理模块(100)，用于通过一USB接口对一电池进行充电，然后对该电池的电压进行管理；
伽马探测器模块(200)，用于以液体环绕状视角的方式来实现对伽马光子的探测，获取单伽马光子的能量属性，采用闪烁探测器原理探测伽马光子；
信号调节模块(300)，其包括放大器电路和低通滤波电路，所述信号调节模块(300)将伽马探测器模块输出的微弱信号脉冲进行信号放大和滤波处理；
ADC数据采样模块(400)，用于将经过信号调节模块后的模拟信号进行采样，转换成数字信号，输送给一FPGA微控制模块(500)进行处理；
FPGA微控制模块(500)，用于对经过ADC数据采样模块处理后的数字信号进行处理，然后输送给一LCD显示模块(600)显示或存储数据或将数据通过无线网络将数据传输给用户电脑；
LCD显示模块(600)，用于将FPGA微控制模块(500)输送过来的数字信号实现十进制数据显示；
所述直流电源管理模块(100)能给伽马探测器模块(200)、信号调节模块(300)、ADC数据采样模块(400)、FPGA微控制模块(500)及LCD显示模块(600)提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其特征在于，所述直流电源管理模块包括：
USB接口管理模块，用于通过一USB数据线对电池充电，所述USB接口管理模块能将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的数据通过USB数据线传输到用户电脑上；
电源电压管理模块，用于将电池提供的电压通过稳压电路进行多次降压稳压而获得多个能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的不同模块的工作电压。
3.根据权利要求1所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其特征在于，所述伽马探测器模块包括：
环绕式液体闪烁体模块，用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子，所述环绕式液体闪烁体模块包括液体闪烁体和环绕结构的软状外壳；
光电转换模块，用于通过SiPM光电倍增管将可见光和软紫外光光子的能量吸收转化成电信号，再通过数据传输线输出给信号调节模块。
4.根据权利要求3所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其特征在于，所述液体闪烁体是环绕式液体闪烁体，所述环绕式液体闪烁体上贴装有两两对称的四个SiPM光电倍增管。
5.根据权利要求1所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其特征在于所述ADC数据采样模块包括：
ADC数据采样芯片模块，用于对通过信号调节模块的形成的差分模拟信号进行采样，将模拟信号转化为FPGA微控制模块可读的数字信号，同时将数据时钟和帧时钟输出给FPGA微控制模块。
6.根据权利要求1所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其特征在于，所述FPGA微控制模块包括：
FPGA模块，用于将ADC数据采样模块输出的数字信号、数据时钟和帧时钟进行处理；最后将处理好的数据输出给LCD显示模块；同时通过FPGA模块的锁相环结构给ADC数据采样模块提供数据采样时钟；
晶振模块，用于将产生的时钟信号输出给FPGA模块，为FPGA模块提供工作时钟；
数据存储模块，用于将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的数据存储到存储卡里，记录下数据；
Wifi模块，用于将环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统采集到的每一时刻的数据通过无线网络传输到用户的电脑上。
7.根据权利要求1所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统，其特征在于，所述LCD显示模块包括：
LCD显示电路，用于通过数据传输线将FPGA微控制模块处理后输出的能量数据进行显示，同时能显示整个环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统当前的电量和当前的时间。
8.一种环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1:获取能适应环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的不同工作模块的工作电压，其中，将电池电压通过稳压电路进行多次降压稳压处理后获得不同的电压，其中，每个稳压电路模块中都要满足IIN＝IL+IG,其中IIN为稳压电路的输入电流，IL为稳压电路的输出电流，IG为流向地端的电流；
步骤S2:获取连续的脉冲信号Sm,其中m为连续的脉冲信号中闪烁脉冲的个数，Si为第i个闪烁脉冲；Sm的幅值为Em，频率为fm；
步骤S3：对连续脉冲信号进行放大处理，其中，通过信号调节电路中的放大器电路对信号进行放大，且采用同相比例放大电路，输入信号和输出信号满足其中uo为输出信号，uI为输入信号，Rf为反馈电阻，R为补偿电阻。该电路的放大倍数
步骤S4:对经过放大后的信号进行滤波处理，其中，经过一个二阶有源低通滤波电路将产生的干扰信号滤掉，低通滤波电路的截止频率为 其中R1、R2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电阻，C1、C2分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电容；
步骤S5:对滤波处理后获得的模拟信号进行ADC采样而获得数字信号，数据采样满足fs≥2fm，其中fs为采样频率，fm为模拟信号的信号频率；
并且数模转换满足其中N为十进制的数字信号，AVDD为数字参考电压，Sm为模拟信号；
步骤S6:将数字信号输入FPGA微控制系统电路中，然后由FPGA微控制系统将数字信号处理成能供LCD显示电路显示的数据；处理完成后的信号通过数据传输线输入到LCD显示电路显示。
9.根据权利要求8所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的信号处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，能将一个较高的直流电压通过选定稳压芯片的稳压降压后形成一个自己所需的直流电压。
10.根据权利要求8所述的环绕式液体闪烁体智能能谱仪系统的信号处理方法，其特征在于，获取连续的脉冲信号的方法为：当伽马射线的电离辐射在发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入液体闪烁体并在液体闪烁体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出，形成一个闪烁脉冲信号。
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