CN111123377A - 一种航空伽玛能谱仪器及放射性地球物理探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种航空伽玛能谱仪器及放射性地球物理探测方法，沿光电信号传输方向依次设置的探测器、脉冲信号放大电路、A/D数字采集电路、FPGA硬件电路、脉冲信号分析处理模块和全谱数据显示模块；通过探测器生成电流信号脉冲；脉冲信号放大电路将生成的电流信号脉冲转换为电压脉冲信号；A/D数字采集电路采集转换后的电压脉冲信号并交替输出，并根据电信号脉冲溢出检测宇宙射线；FPGA硬件电路提供时钟信号；脉冲信号分析处理模块根据时钟信号实时处理接收到的由A/D数字采集电路交替输出的电压脉冲信号；全谱数据显示模块显示和记录采集到的全谱数据。能够在计算机界面显示中实时显示和记录所采集到的全谱数据，并能够对宇宙射线道计数进行准确计数和识别。
Description
技术领域
本发明涉及航空放射性地球物理探测技术领域，具体涉及一种航空伽玛能谱仪器及放射性地球物理探测方法。
背景技术
在航空放射性地球物理探测技术领域中，我国航空伽玛射线能谱测量技术经过几十年的技术发展，从当初的只能进行4道(钾，铀，钍，总道)模拟能谱窗数据测量，逐步发展到具有放射性能谱256道数字化测量技术的先进水平，当前更是达到了具有国际先进水平的航空放射性1024道能谱分析测量的新高度。航空放射性伽玛能谱测量主要是利用晶体探测器接收放射性元素发出的伽玛射线粒子，对伽玛能谱射线产生的电信号进行提取和数据分析，具体为：将自然界中放射性元素发出的0-3MeV能量的伽玛能谱射线进行数据采集并进行快速数字化分析处理。
一些型号的航空伽玛能谱仪，在测量到伽玛射线能量比较高的放射性元素异常点时，例如：放射性元素钍异常区域，伴随着能量窗计数数据的增加，宇宙射线道也会发生不同程度的计数增加现象，使宇宙射线道计数发生较大的偏差。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种航空伽玛能谱仪器，来解决现有技术中存在的宇宙射线道计数发生较大的偏差的技术问题。
基于上述目的，在本申请的第一个方面，提供了一种航空伽玛能谱仪器，包括：
沿光电信号传输方向依次设置的探测器、脉冲信号放大电路、A/D数字采集电路、FPGA硬件电路、脉冲信号分析处理模块和全谱数据显示模块；
所述探测器用于接收入射伽玛射线，产生激发电子，进而生成光电子，经多次倍增放大，生成电流信号脉冲；
所述脉冲信号放大电路用于将生成的电流信号脉冲转换为电压脉冲信号；
所述A/D数字采集电路用于采集转换后的电压脉冲信号并交替输出，并根据电信号脉冲溢出检测宇宙射线；
所述FPGA硬件电路用于提供时钟信号；
所述脉冲信号分析处理模块用于根据所述时钟信号实时处理接收到的由所述A/D数字采集电路交替输出的电压脉冲信号；
所述全谱数据显示模块用于显示和记录采集到的全谱数据。
在一些实施例中，所述探测器包括NaI(Tl)晶体和光电倍增管，当伽玛射线照射进NaI(Tl)晶体时，在NaI(Tl)晶体中产生大量激发电子，发出荧光的激发电子产生的光子打到光电倍增管阴极产生光电子，经多次倍增放大，在阳极产生电荷电流信号脉冲。
在一些实施例中，还包括高压电源模块，用于向所述光电倍增管提供高压电源。
在一些实施例中，光子的电荷放大关系表示为：A＝δn，其中δ为光电倍增管打拿极倍增系数，n为打拿极个数，光子电荷经阳极电容收集产生信号脉冲，脉冲信号幅度与入射的γ射线能量有线性关系；光电倍增管阳极输出信号由下列公式表示：
式中，τfl为NaI(Tl)晶体发光时间常数约为0.25uS；τα为充电时间常数；U0为电荷完全被收集后最大电压幅度。
在一些实施例中，所述A/D数字采集电路选用AD9226芯片，为12位高速A/D转换、并行输出，最高转换速率可达到65MSPS，并选用50MHz采样频率，A/D转换器的时钟由FPGA锁相环模块提供，采样周期为20ns，AD9226芯片VREF设为2V，对应的输入脉冲信号范围1-3V及2Vp-p值。
在一些实施例中，所述脉冲信号放大电路的放大电压由下列公式表示：
式中，EY为γ射线的能量；
Nphot为γ射线进入闪烁体中，产生的光子数/MeV，
ε为光电倍增管阴极收集光子的效率，GPMT为光电倍增管增益。
在一些实施例中，还包括：
溢出时间检测电路，用于检测超过2Vp-p时脉冲信号的溢出时间。
在一些实施例中，还包括：
宇宙射线识别模块，用于根据超过2Vp-p时脉冲信号的溢出时间识别宇宙射线。
基于上述目的，在本申请的第二个方面，还提供一种放射性地球物理探测方法，包括：
利用如第一个方面任一项所述的航空伽玛能谱仪器对伽玛射线进行探测。
在一些实施例中，还包括对所述航空伽玛能谱仪器进行调试的过程，具体包括：
在NaI(Tl)晶体附近，通过放置放射性元素Cs源、Th源，观察所接收的1024道伽玛射线全谱图形数据，检查各元素能谱特征峰所在的显示位置，调整放大器静态工作点和放大器放大倍数，使放射性元素铯产生的伽玛射线能谱峰位对应的显示记录到220道数据存储位置上，放射性元素钍产生的伽玛射线能谱峰位显示在872道数据记录位置上。
本申请实施例的航空伽玛能谱仪器及放射性地球物理探测方法，能够在计算机界面显示中实时显示和记录所采集到的全谱数据，并能够对宇宙射线道计数进行准确计数和识别。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本申请实施例的航空伽玛能谱仪器的结构示意图；
图2为本申请实施例的脉冲信号放大电路的结构示意图；
图3为本申请实施例的FPGA硬件电路的结构示意图；
图4为利用本申请实施例的航空伽玛能谱仪器探测γ射线的界面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，为图1为本申请实施例的航空伽玛能谱仪器的结构示意图。从图1中可以看出，本实施例的航空伽玛能谱仪器，包括沿光电信号传输方向依次设置的探测器、脉冲信号放大电路、A/D数字采集电路、FPGA硬件电路、脉冲信号分析处理模块和全谱数据显示模块；所述探测器用于接收入射伽玛射线，产生激发电子，进而生成光电子，经多次倍增放大，生成电流信号脉冲；所述脉冲信号放大电路用于将生成的电流信号脉冲转换为电压脉冲信号；所述A/D数字采集电路用于采集转换后的电压脉冲信号并交替输出，并根据电信号脉冲溢出检测宇宙射线；所述FPGA硬件电路用于提供时钟信号；所述脉冲信号分析处理模块用于根据所述时钟信号实时处理接收到的由所述A/D数字采集电路交替输出的电压脉冲信号；所述全谱数据显示模块用于显示和记录采集到的全谱数据。
在本实施例中，航空放射性伽玛能谱测量主要是利用晶体探测器接收放射性元素发出的伽玛射线粒子，对伽玛能谱射线产生的电信号进行提取和数据分析。航空放射性1024道伽玛能谱仪器设计主要包括：伽玛射线数据采集、能谱脉冲信号数字化分析处理，放射性全谱数据图形显示和数据存储，具体为：将自然界中放射性元素发出的0-3MeV能量的伽玛能谱射线进行数据采集并进行快速数字化分析处理，伽玛能谱数据分别对应累加记录到0-1023道的数据存储位置上，监测显示的主要放射性元素伽玛射线能谱为：钾道设置：457-523道(1370-1570keV)，铀道设置：553-620道(1660-1860keV)，钍道设置：803-937道(2410-2810keV)。而自然界中天然放射性物质的原子核放射出的伽玛射线能量都在3MeV以下，超过3MeV能量的伽玛射线都为来自外太空的高能粒子。因此1024道能谱数据对应的伽玛射线能量为0–3.07MeV，3KeV/道，超过3.07MeV能量的伽玛射线粒子计为宇宙射线。
本实施例的航空伽玛能谱仪器，可以采用16英寸的NaI(Tl)晶体和光电倍增管构成的闪烁体探测器，光电倍增管高压供电选用最大为1400V的可调整正高压电源模块。
当有伽玛射线照射进NaI(Tl)晶体时，会在晶体中产生大量激发电子，能发出荧光的激发电子产生的光子打到光电倍增管阴极产生光电子，经多次倍增放大，在阳极产生电荷电流信号脉冲，其电荷放大关系可表示为：A＝δn(δ为光电倍增管打拿极倍增系数，n为打拿极个数)，这些电荷经阳极电容收集产生信号脉冲，脉冲信号幅度与入射的γ射线能量有线性关系。光电倍增管阳极输出信号由下列公式表示：
式中，τfl为NaI(Tl)晶体发光时间常数约为0.25uS；τα为充电时间常数；U0为电荷完全被收集后最大电压幅度。
A/D数字采集电路选用AD9226芯片，为12位高速A/D转换、并行输出，最高转换速率可达到65MSPS，并选用50MHz采样频率，A/D转换器的时钟由FPGA锁相环模块提供，采样周期为20ns，AD9226芯片VREF设为2V，对应的输入脉冲信号范围1-3V及2V p-p值。脉冲信号放大电路将光电倍增管阳极输出的电流脉冲信号，放大转换为符合AD9226芯片输入特性的电压脉冲信号；设计要求为：将0-3.07MeV能量的伽玛射线在光电倍增管阳极产生的输出脉冲信号，放大为1-3V的电压脉冲信号。放大电路设计选用高频运算放大器AD8065芯片，放大电路供电设计采用低纹波系数、线性、+5V单电源供电。
如图2所示，为本申请实施例的脉冲信号放大电路的结构示意图。放大电路中AD8065输出u1点信号电压幅度可由下列公式表示：
式中，EY为γ射线的能量；
Nphot为γ射线进入闪烁体中，产生的光子数/MeV，
ε为光电倍增管阴极收集光子的效率，GPMT为光电倍增管增益。
如图3所示，为本申请实施例的FPGA硬件电路的结构示意图。FPGA选用ALTERA公司的Cyclone系列EP4CE15F23芯片，选用的外部晶振为50MHz，晶振频率信号通过PLL模块电路为各功能部件提供稳定的时钟信号；AD9226芯片并口输出的12位数字输出引脚与FPGA接口引脚相连，AD9226芯片需要的50M时钟频率由FPGA提供。数据输出芯片选用USB转UART芯片CP2102，FPGA分析处理的1024道全谱数据通过CP2102实时发送到外部数据采集计算机，在计算机界面显示中实时显示和记录所采集到的全谱数据。
一些型号的航空伽玛能谱仪，在测量到伽玛射线能量比较高的放射性元素异常点时，例如：放射性元素钍异常区域，伴随着能量窗计数数据的增加，宇宙射线道也会发生不同程度的计数增加现象，使宇宙射线道计数发生较大的偏差。
宇宙伽玛射线为地球外太空中进入地球的高能伽玛射线粒子，其能量超过3MeV。本设计中A/D转换器输入电压范围为1-3V，其对应的所接收的γ射线能量为0-3.07MeV所产生的电脉冲幅度信号。大于3MeV能量的伽玛射线产生的脉冲信号在A/D转换器中会产生溢出。A/D转换器引起溢出的信号脉冲，既有宇宙γ射线产生的脉冲信号，又有非宇宙伽玛射线在同一时刻，发生两个或两个以上粒子在很近时间内、几乎同时进入探测器产生信号叠加而引起的较大的超过2Vp-p的信号脉冲，这些信号脉冲也会发生A/D溢出；所以不能将A/D转换器溢出的脉冲信号判断为大于3MeV能量的宇宙射线的计数，否则这可能会引起伽玛射线能谱探测仪器在伽玛射线能量比较高的天然放射性元素异常点上测量时，宇宙射线道计数明显偏高，宇宙射线记录偏差比较大的现象。
Exploranium公司研制的GR-820航空伽玛射线能谱仪器为了减小宇宙射线的计数偏差，将宇宙射线计数阈值设置为4MeV，超过4MeV能量伽玛射线对应产生的电脉冲信号计为宇宙射线。
本申请的技术方案相对于现有技术，还增设了溢出时间检测电路和宇宙射线识别模块，其中，溢出时间检测电路用于检测超过2Vp-p时脉冲信号的溢出时间。宇宙射线识别模块，用于根据超过2Vp-p时脉冲信号的溢出时间识别宇宙射线。
具体地，本设计宇宙射线提取采用监测脉冲幅度、宽度的方法。放大电路输出的脉冲信号：满量程时2Vp-p对应接收的伽玛射线量子能量为3.07MeV；通过编制软件测量脉冲信号超过2Vp-p时信号的脉冲溢出时间，发现宇宙射线产生的时间在本电路的RC放电时间常数的设计中大都在3.5-4us范围内。而大多数由电脉冲信号叠加而产生的超过2Vp-p信号脉冲溢出时间都在2us以下。本设计采用的方法为：检测伽玛射线对应的电脉冲信号,当电脉冲信号幅度大于2Vp-p值时，开始检测脉冲信号的溢出时间，当溢出时间超过1.8us时计录为宇宙射线计数。这种方法极大的降低了能量比较高的放射性元素发出伽玛射线进入宇宙射线道计数的概率。
FPGA程序功能设计：工程中分别建立PLL锁相环模块、双口存储器模块:建立2个16位数据宽度、1024个存储单元的双口存储器、CPU软核模块、UART串口等模块；
FPGA程序设计采用Verilog HDL编程语言，1024道γ射线能谱分析硬件程序设计主要包括：50MHz/秒高速的接收ADC电路采集数据，设计编写信号并行分析处理模块，采用寄存器数组对数据进行跟踪记录，快速滤波、信号起点基线判断、采用脉冲形状分析方法，提取脉冲信号幅度、脉冲堆积识别，依据脉冲的重叠大小，采取舍弃或修正的处理方法处理脉冲堆积数据，对宇宙γ射线的判断鉴别处理；采集到的能谱数据实时的通过双口存储器A口记录到1024道存储器中，并在存储器中进行全谱数据计数累加。
能谱分析1024道数据传输采用嵌入式CPU控制方式，将上述多道能谱分析功能模块程序设计制作成为基于Avalon总线接口模块，作为CPU软核处理器的一个外设，制作的多道能谱分析模块通过Avalon从总线接口与CPU处理器连接在一起，CPU处理器通过双口存储器B口读取采集到的1024道全谱累加数据，两个双口存储器采用乒乓工作方式轮流的进行全谱数据记录和全谱数据读取，即多道能谱分析模块向一个双口存储器中记录1024道能谱数据时，CPU从另一个双口存储器读取1024道全谱数据，两个双口存储器的操作转换由自制的多道能谱分析模块控制。CPU实时的将读取的1024道伽玛射线能谱数据通过UART转USB外设芯片CP2102传输到外部计算机显示界面中，并能够从串口接收到外部操作指令，改变多道分析器的工作状态。设计中不用双口存储器实现1024道能谱分析功能需要4万多个FPGA内部逻辑单元；使用双口存储器设计1024道能谱分析方法只需要1万多个FPGA内部逻辑单元。
本申请实施例的航空伽玛能谱仪器能够在计算机界面显示中实时显示和记录所采集到的全谱数据，并能够对宇宙射线道计数进行准确计数和识别。
此外，本申请还提供一种放射性地球物理探测方法，包括：
利用上述任一项所述的航空伽玛能谱仪器对伽玛射线进行探测。在探测前，还包括对所述航空伽玛能谱仪器进行调试的过程，具体包括：
在NaI(Tl)晶体附近，通过放置放射性元素Cs源、Th源，观察所接收的1024道伽玛射线全谱图形数据，检查各元素能谱特征峰所在的显示位置，调整放大器静态工作点和放大器放大倍数，使放射性元素铯产生的伽玛射线能谱峰位对应的显示记录到220道数据存储位置上，放射性元素钍产生的伽玛射线能谱峰位显示在872道数据记录位置上。
如图4所示，为利用本申请实施例的航空伽玛能谱仪器探测γ射线的界面示意图。显示界面实时显示1024道能谱仪器所采集的1024道全谱数据图形曲线(0-1022道：γ射线能量0–3.06MeV，1023道记录宇宙射线数据)、K、U、Th、总道能谱窗数据图形曲线，数字显示K、U、Th、总道能谱窗数据计数和宇宙射线数据，实时的将所接收到的1024道伽玛射线全谱数据以二进制形式记录到数据文件中。
1024道能谱窗数据阈值设置如下：总道设置：137-937道(480-2810keV)，K道设置：457-523道(1370-1570keV)，U道设置：553-620道(1660-1860keV)，Th道设置：803-937道(2410-2810keV)。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种航空伽玛能谱仪器，其特征在于，包括：
沿光电信号传输方向依次设置的探测器、脉冲信号放大电路、A/D数字采集电路、FPGA硬件电路、脉冲信号分析处理模块和全谱数据显示模块；
所述探测器用于接收入射伽玛射线，产生激发电子，进而生成光电子，经多次倍增放大，生成电流信号脉冲；
所述脉冲信号放大电路用于将生成的电流信号脉冲转换为电压脉冲信号；
所述A/D数字采集电路用于采集转换后的电压脉冲信号并交替输出，并根据电信号脉冲溢出检测宇宙射线；
所述FPGA硬件电路用于提供时钟信号；
所述脉冲信号分析处理模块用于根据所述时钟信号实时处理接收到的由所述A/D数字采集电路交替输出的电压脉冲信号；
所述全谱数据显示模块用于显示和记录采集到的全谱数据。
2.根据权利要求1所述的航空伽玛能谱仪器，其特征在于，所述探测器包括NaI(Tl)晶体和光电倍增管，当伽玛射线照射进NaI(Tl)晶体时，在NaI(Tl)晶体中产生大量激发电子，发出荧光的激发电子产生的光子打到光电倍增管阴极产生光电子，经多次倍增放大，在阳极产生电荷电流信号脉冲。
3.根据权利要求2所述的航空伽玛能谱仪器，其特征在于，还包括高压电源模块，用于向所述光电倍增管提供高压电源。
4.根据权利要求3所述的航空伽玛能谱仪器，其特征在于，光子的电荷放大关系表示为：A＝δn，其中δ为光电倍增管打拿极倍增系数，n为打拿极个数，光子电荷经阳极电容收集产生信号脉冲，脉冲信号幅度与入射的γ射线能量有线性关系；光电倍增管阳极输出信号由下列公式表示：
式中，τfl为NaI(Tl)晶体发光时间常数约为0.25uS；τα为充电时间常数；U0为电荷完全被收集后最大电压幅度。
5.根据权利要求4所述的航空伽玛能谱仪器，其特征在于，所述A/D数字采集电路选用AD9226芯片，为12位高速A/D转换、并行输出，最高转换速率可达到65MSPS，并选用50MHz采样频率，A/D转换器的时钟由FPGA锁相环模块提供，采样周期为20ns，AD9226芯片VREF设为2V，对应的输入脉冲信号范围1-3V及2V p-p值。
6.根据权利要求5所述的航空伽玛能谱仪器，其特征在于，所述脉冲信号放大电路的放大电压由下列公式表示：
式中，EY为γ射线的能量；
Nphot为γ射线进入闪烁体中，产生的光子数/MeV，
ε为光电倍增管阴极收集光子的效率，GPMT为光电倍增管增益。
7.根据权利要求6所述的航空伽玛能谱仪器，其特征在于，还包括：
溢出时间检测电路，用于检测超过2Vp-p时脉冲信号的溢出时间。
8.根据权利要求7所述的航空伽玛能谱仪器，其特征在于，还包括：
宇宙射线识别模块，用于根据超过2Vp-p时脉冲信号的溢出时间识别宇宙射线。
9.一种放射性地球物理探测方法，其特征在于，包括：
利用权利要求1至8任一项所述的航空伽玛能谱仪器对伽玛射线进行探测。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括对所述航空伽玛能谱仪器进行调试的过程，具体包括：
在NaI(Tl)晶体附近，通过放置放射性元素Cs源、Th源，观察所接收的1024道伽玛射线全谱图形数据，检查各元素能谱特征峰所在的显示位置，调整放大器静态工作点和放大器放大倍数，使放射性元素铯产生的伽玛射线能谱峰位对应的显示记录到220道数据存储位置上，放射性元素钍产生的伽玛射线能谱峰位显示在872道数据记录位置上。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2019
- 2019-12-27 CN CN201911381631.1A patent/CN111123377A/zh active Pending
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