用于脉冲γ剂量测量装置数据采集系统的设计与研制

窦玉玲 张国光 王国宝

（中国原子能科学研究院 北京 102413）

用于脉冲γ剂量测量装置数据采集系统的设计与研制

窦玉玲 张国光 王国宝

（中国原子能科学研究院 北京 102413）

设计研制了用于在线脉冲γ剂量测量装置的数据采集系统，并对其性能进行了测试，结果显示在稳态和脉冲输入时，输出电荷和输入辐射能量都具有良好线性。系统在西北核技术研究所的“晨光号”加速器进行了实验，并和热释光剂量计的结果进行了比较，相对偏差为±5%。数据采集系统的研制为在线测量单次脉冲γ剂量提供了一种新的技术途径。

单次脉冲γ辐射，数据采集系统，输出电荷，Si-PIN探测器

1 设计原理

数据采集系统包括几个功能模块：前端信号处理模块、信号积分与数字化模块、数字信号远程传输模块、信号接收采集模块及系统软件。系统结构原理框图如图1所示。由探测器输出的信号经过前端信号处理模块进行展宽，进行积分和A/D转换后经数字信号远程传输模块通过光纤进行远距离传输进入系统软件进行处理，最后给出剂量信息。

图1 系统结构原理框图Fig.1 Block diagram of system structure.

系统的硬件实现方案框图如图2所示。输入信号通过不同增益的两组放大器进入ADC器件DDC118，每组信号连接三个不同阻值的RL实现动态扩展。通过放大器的方式把探测器的电流信号转换成电压信号进行处理，不仅能方便进行动态扩展与量程搭接，还可以为示波器提供一个监测信号，用以分析系统的精度、动态、线性度等性能参数。

图2 系统硬件原理框图Fig.2 System hardware block diagram.

装置采用Si-PIN探测器进行脉冲γ射线的探测。Si-PIN探测器输出信号具有速度快、动态范围大的特点[3]，根据多次实验数据确定的所用Si-PIN探测器的信号特点而设计的数据采集系统参数如下：输入脉冲信号理论设计范围（20 ns脉冲宽度）：0-15 V，对应电量0-6 nC；触发方式：自触发（测直流时）、外触发（测脉冲时）；非线性度：小于1%；动态范围：脉冲时大于70 dB，直流时大于80 dB；监测接口为BNC，阻抗为50 Ω；数据采用光纤传输，传输距离大于10 km；数据采集方式为USB2.0。

2 参数测试

为测试系统的运行效果，进行了数据测试。系统的直流输入测试结果如图3所示，输入电压从0（本底）开始逐渐增加，使各通道输出相继饱和，根据对应关系将各输出数据换算成相应电荷量。

图3 直流输入的线性关系Fig.3 Linear relationship of the DC inputs.

由图3可见，在测量范围内，各路数据间的比例关系基本保持不变，各通道电路的线性度都较好。

系统还进行了脉冲输入测试，采用信号源控制高亮LED发光，Si-PIN探测器捕获LED光信号产生脉冲电信号，作为系统的输入，用DPO数字示波器对该信号进行监测。图4为脉冲输入输出关系曲线。从图4中可以看出，在脉冲输入方式下，数据采集系统的各路信号和输入信号具有很好的线性关系，线性相关系数均大于0.999 8。

图4 脉冲输入输出关系Fig.4 Input-output relationship of the pulses.

3 实验过程与结果分析

数据采集系统参数测试完成后，在西北核技术研究所的“晨光号”加速器上进行了实验，并和传统的热释光剂量片的检测结果进行了比较。

3.1屏蔽的研究与设计

高剂量率脉冲辐射装置一般都伴有较强的电磁干扰，这对测量工作十分不利。因此，在高剂量、高剂量率脉冲γ辐射场做实验，首先对实验大厅的电磁干扰环境进行初步测量。测量方法首先应当考虑探测系统的电磁屏蔽问题，为了避免电磁干扰的影响，可以采取垒铅室、加铅准直器和包铜网等措施对不同位置的探测器进行有效的辐射屏蔽和电磁屏蔽。不仅探头部分要有良好的屏蔽接地措施，传输系统前端要选用屏蔽电缆，记录系统最好有单独的屏蔽间[3]。

4.1.3 研究主题紧跟时代步伐 时代的引领对于我国群众体育研究的方向具有统摄性作用，2008年北京奥运会后，原国家主席胡锦涛同志发出推动中国由体育大国向体育强国迈进的号召，由此，群众体育响应时代号召，体育强国由此成为群众体育研究领域的一个重要内容。2014年国发〔2014〕46号文件印发，文件明确要求加快发展体育产业，促进体育消费，同时将全民健身上升为国家战略，而群众体育是全民健身事业的一个重要内容，正是如此，从图7可以清晰地看到体育产业以及全民健身等主题成为这一时期我国群众体育研究的热点。由此可见，紧跟时代步伐是2008-2017年期间我国群众体育研究演化的一个重要特点。

探测器除探测窗部分用0.5 mm厚的铝覆盖外，其余部分均用5 mm厚的铜板屏蔽，中间填充泡沫塑料以固定探测器，如图5所示。为了更好地进行电磁屏蔽，实验时用铜网将探测器包裹住。

图5 探测器电磁屏蔽示意图Fig.5 Electromagnetic shielding design of the detector.

为屏蔽辐射场的电磁干扰，测量装置的信号线及高压线均采用两层蛇皮包裹，如图6所示。

数据采集卡同样采用双层屏蔽结构如图7所示，图7中各层屏蔽均单独引出地线，在距离数据采集系统1 m以外连接起来，连接到实验地线上。各层屏蔽均避开从电路板上引出的电源、信号和光纤插头，避免各层屏蔽之间相互连接，影响屏蔽效果。实验时还要用铜网包裹，进一步进行电磁屏蔽。经过多层屏蔽设计，数据采集系统的抗干扰能力明显提高，满足实验需求。

图6 信号传输线的电磁屏蔽设计图Fig.6 Electromagnetic shielding design of signal transmission lines.

图7 数据采集卡双层电磁屏蔽设计图Fig.7 Design of electromagnetic shielding layer for the data acquisition card.

3.2“晨光号”加速器上的实验

用安装有数据采集板卡的在线脉冲光子剂量测量装置，在“晨光号”加速器上和热释光(thermoluminescence, TDL)剂量片进行了比较实验，实验装置示意图如图8所示。实验厅内的Si-PIN探测器前加上ø20 mm的铅准直器，厚度为5 cm，准直器距离靶的距离为65 cm。探测器周围用铅砖垒的屏蔽室防止周围散射干扰。数据采集系统在专门的电磁屏蔽室内进行。

图8 “晨光号”加速器上实验装置示意图Fig.8 Experimental setup of “Chen Guang” accelerator.

实验时TDL剂量片和探测器的相对位置如图9所示。

图9 热释光剂量片和Si-PIN探测器的位置关系Fig.9 Positional relationship between TLD chip and Si-PIN detector.

热释光剂量片每组4片，封在2 mm厚的铝片内。热释光剂量片采用137Cs源进行剂量校准，每次使用后经过退火炉退火可重复使用。“晨光号”加速器上用热释光片测量的剂量，不确定度估计为4%-5%。图10为在线脉冲伽马剂量测量装置测量的“晨光号”加速器的脉冲辐射场的波形。该波形的脉宽约为30 ns。

装置和热释光剂量片的测量结果见表1。剂量片测量结果为三组热释光片，12个数据的平均值，修正后数据为通过剂量片测得剂量换算到探测器位置的剂量大小。由于剂量片重复使用，有些数据和其他大部分数据相差较大，作为坏数据进行剔除。表1中，装置测量的剂量和未剔除坏值前的剂量片数据在±10%内符合，剔除坏值后，装置测量的剂量和剂量片的剂量在±5%以内相符。

图10 “晨光号”加速器辐射场波形Fig.10 Radiation field waveforms of the “Chen Guang”accelerator.

表1 在线脉冲伽马剂量测量装置和热释光剂量计测量结果比较结果Table 1 Results of online pulsed gamma dose measurement device and TLD.

4 结语

数据采集系统主要特点是大动态范围脉冲信号与直流信号采集设计。

(1) 选用了具有良好的低噪声性能的积分型的带阻容反馈的电荷灵敏前置放大，该放大器输出信号幅度与探测器输出的电荷量成正比，因此动态范围大，覆盖近4个数量级。

(2) 在系统设计时利用多层板设计技术与地线屏蔽的方法设计了硬件电路，尽量降低信号的干扰。

(3) 电路结构简单，有较高的集成度，性能稳定可靠，具有抗电磁干扰能力。

(4) 系统采用光纤通信技术与USB2.0技术实现了数据的实时远程传输与采集，具有远程数据传输能力。数据采集系统使用在在线脉冲γ剂量测量装置上，为实时监测高剂量率脉冲γ辐射场提供了一条新的途径。

1 杨海亮, 黄建军, 孙剑锋, 等. “闪光二号”加速器产生的准单能脉冲γ射线强度的测量技术[C]. 第十届高功率粒子束学术交流会议文集, 2006

YANG Hailiang, HUANG Jianjun, SUN Jianfeng, et al. The measurement for intense of quasi-monoenergetic pulsed γ photons generated on FLASH Ⅱ accelerator[C]. Tenth high power beam academic exchange conference proceedings, 2006

2 宋朝晖, 李刚, 王奎禄, 等. 晶体高剂量率线性响应范围的测定[J]. 核电子学与探测技术, 2004, 24(5): 460-465

SONG Zhaohui, LI Guang, WANG Kuilu, et al. Testing the linear response of inorganic crystals at high dose rate[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2004, 24(5): 460-465

3 欧阳晓平, 李真富, 霍裕昆, 等. 用于脉冲γ强度测量的ø60, 1 000 μm PIN探测器[J]. 物理学报, 2007, 56(3): 1353-1357

OUYANG Xiaoping, LI Zhenfu, HUO Yukun, et al. ø60, 1 000 μm Si-PIN detectors for pulsed γ flux measurement[J]. Acta Physica Sinica, 2007, 56(3): 1353-1357

CLCTL818+.4

Design and study of data acquisition system for pulsed γ dose measurement device

DOU Yuling ZHANG Guoguang WANG Guobao
(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

Background:A data acquisition system for online pulsed gamma dose measurement device is designed and developed, and its performance is tested. Purpose: The data acquisition system output electric charges and input energies have a good linear relationship in both the continued and pulsed input. Methods: Experiments have been done respectively on the TDL and “Chen Guang” accelerator. Results: The results show that the relative deviations are less than 5%. Conclusion: This data acquisition system is a new approach for online measurement of single pulsed gamma radiation dose.

Single pulsed gamma radiation, Data acquisition system, Output electric charge, Si-PIN detector

TL818+.4

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060402

窦玉玲，女，1981年出生，2012年于中国原子能科学研究院获博士学位，辐射防护与环境保护专业，助理研究员，目前从事中子技术和剂量测量相关技术

2013-10-25，

2014-01-08