一种便携式反康普顿探测仪的制作方法

本发明涉及矿探测领域，特别是指一种便携式反康普顿探测仪。
背景技术：
：在环境问题日益凸显和化石资源短缺的今天，积极推进核能开发，是我国能源建设的一项重要政策。核能、核电的大力发展就要求必须从源头确保充分的资源。鉴于铀矿资源在国防和国民经济建设中具有双重作用的地位，中国要保持核大国的国际地位，就必须有充足的铀资源作为保证，尽快探明一批铀资源，已经成为铀矿地质战线面临的十分紧迫的任务。目前在铀矿勘查中，放射性勘探仍是寻找铀矿的首选方法，其中便携式伽玛能谱仪是最重要、应用最广泛的设备之一。但传统便携式伽玛能谱仪存在以下四个方面的不足：1、对探测体表面适应性不强，野外不易获得理想数据。2、灵敏度不够高，测量数据稳定性差。3、探测指向性不强，不能有效反映探测点地下信息。4、存在“谱漂”的弊病。反康普顿能谱分析方法与反符合探测方法在室内大型仪器中已经发展了很多年，一般仅在室内使用。国外ortec公司推出了一款“便携式”反康普顿谱仪，其重量不低于100kg，仅适合于野外驻地使用，并且相关探测器须提供液氮冷却，其结构复杂、成本高、重量高，不便于野外工作者轻松携带仪器随处测试。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供的一种便携式反康普顿探测仪，该反康普顿探测仪具有结构简单、成本低、便于携带的优点。为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种便携式反康普顿探测仪，包括上部电子学单元室以及下部探测器室，所述下部探测器室内部封装有主探测器，主探测器外围设置多个反符合探测器，多个反符合探测器外层设计有屏蔽层；所述主探测器下端设计有窗口，所述主探测器与反符合探测器均包括闪烁晶体，所述闪烁晶体顶面贴有外形为锥体的光耦合材料，光耦合材料的侧面贴有光电二极管，所述光电二极管分别与稳谱电路、前置放大电路以及偏置电源电路连接；所述电子学单元室包括求和电路和带反符合电路的多道分析电路，所述求和电路通过板间连线与探测器室的前置放大电路连接，所述带反符合电路的多道分析电路与求和电路连接。优选地，所述反康普顿探测仪的外形为长方体，主探测器为立方体或长方体，4个外形为长方体的反符合探测器相互拼接构成井字型结构。优选地，所述反康普顿探测仪的外形为圆柱体，主探测器为圆柱状，多个反符合探测器拼接构成与主探测器相配合的圆环状结构。优选地，所述屏蔽层由纯铜板与钨钢板或铅板与钨钢板两层结构组成，所述屏蔽层外层设计有铅材料组成的防护层。优选地，所述上部电子学单元室顶面装有把手，所述电子学单元室的电池采用额定输出7.2v电压的可充电电池，且电子学单元室的各单元电路还包括输出+12v的开关电源升压电路、输出+3.3v和+5v的开关电源降压电路和输出－5v的开关电源反压变换电路，所述降压电路采用lt3480芯片，所述反压变换电路采用max764芯片，所述升压电路采用max761芯片。优选地，所述主探测器的闪烁晶体采用labr3︰ce晶体或csi：tl晶体，所述反符合探测器的闪烁晶体采用厚度为4cm的csi：tl晶体。优选地，所述反符合探测器的外侧面中不与主探测器接触的部分包裹反射层，反符合探测器的外侧面中与主探测器接触的部分以及反射层包裹遮光层。优选地，所述主探测器采用至少两个光电二极管，所述反符合探测器采用至少一个光电二极管。优选地，所述光电二极管的个数与前置放大电路与偏置电源电路的个数相同。优选地，所述偏置电源电路为光电二极管提供+70v电压，且采用lt3482芯片方案。本发明具有以下有益效果：在本发明的技术方案中，因为采用主探测器与多个反符合探测器的联合结构，能实现选择性探测来自地下近似垂直向上射出的伽玛射线，提高反康普顿探测仪的指向性；再结合带反符合电路的多道分析电路能有效抑制光电二极管的噪声、宇宙线本底、大气及周围环境伽玛本底、康普顿散射射线，使得反康普顿探测仪具有灵敏度高和分辨率高的优点；采用光电二极管以及偏置电源电路设计简单能有效减小体积及重量，反康普顿探测仪的整机重量小于10kg。使得本发明的反康普顿探测仪具有结构简单、成本低以及轻便易携带的优点。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为主探测器与反符合探测器的结构示意图；图3为探测器室横截面结构示意图；图4为主探测器稳谱流程图；图5为反符合探测器稳谱流程图；图6为本发明的前置放大电路原理图；图7为本发明的求和电路原理图；图8为反康普顿测量流程图；图9为本发明的工作流程图。具体实施方式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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动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，一种便携式反康普顿探测仪分为上下两个部分，包括上部电子学单元室3以及下部探测器室。所述上部电子学单元室3顶面装有把手4，所述下部探测器室内封装有主探测器1与多个反符合探测器2，所述主探测器1为下部探测器内部的部分，主探测器1下端设计有窗口6，主探测器1外围部分则为多个反符合探测器2，多个反符合探测器2外层则为屏蔽层5。所述下部探测器室输出信号通过板间连线传输至电子学单元室3进行分析处理。所述电子学单元室3包括各单元电路与电池，所述电池为充电电池，本发明所述电池额定输出7.2v电压，通过开关电源升压电路、降压电路和反压变换电路为各个电路模块提供所需电压。所述降压电路采用lt3480芯片，得到+3.3v和+5v逻辑电源，所述+5v逻辑电源经过进一步滤波获得+5v模拟电源，其输出电流可以达到2a，工作效率可达到80％以上。所述反压变换电路采用max764芯片，而该电路输出为－5v，可提供高达1.5w的功率。所述升压电路采用max761芯片，输出电压为+12v，提供150ma的输出电流，其转换效率高达90％左右，该电路还提供电池电量不足检测电路，配合led驱动电路，提供电池电量指示功能。本反康普顿探测仪所使用的电源转换电路转换效率高，使得电池续航时间大于9小时。电子学单元室3的各单元电路除上述的开关电源升压电路、降压电路和反压变换电路外，还包括求和电路和带反符合电路的多道分析电路，所述求和电路通过板间连线与探测器室前置放大电路连接，所述带反符合电路的多道分析电路分别与求和电路、稳谱电路、偏置电源电路以及掌上显示单元连接。所述把手4的作用可使工作人员携带更方便，把手4与电子学单元室3可以是一体结构，也可以通过螺钉固定及类似方法安装在电子学单元室3上。所述屏蔽层5，为兼顾机械性能与屏蔽效果，该屏蔽层5由高纯铜板与钨钢板两层结构或铅板与钨钢板两层结合组成，其作用是减少外部射线进入反符合探测器2而造成假符合事件。所述窗口6作用为探测来自主探测器1下方的伽马射线以及自然射线。如图2所示，所述主探测器1与反符合探测器2均包括闪烁晶体10、光耦合材料11、光读出系统12，所述光读出系统12包括光电二极管、稳谱电路、前置放大电路以及偏置电源电路，且光电二极管、稳谱电路、前置放大电路以及偏置电源电路制作在一块pcb板上。所述闪烁晶体10顶面贴有光耦合材料11，所述光耦合材料11外形为锥体，且其底面积与闪烁晶体10的顶面积相吻合；光耦合材料11的侧面贴有光电二极管，且光耦合材料的侧面积与光电二极管制作的pcb板面积相匹配；所述光电二极管输出端分别与稳谱电路、前置放大电路以及偏置电源电路连接。如图3所示，所述多个反符合探测器2的外侧面中不与主探测器1接触的部分包裹反射层9，多个反符合探测器2的外侧面中与主探测器1接触的部分以及反射层包裹遮光层8。所述反射层9与遮光层8不仅可以排除周围环境对探测器室的影响，还能避免主探测器1与反符合探测器2探测效率的影响。所述闪烁晶体10将探测到的伽马射线以及自然射线转换为光电子。所述主探测器1的闪烁晶体10采用labr3︰ce晶体或csi：tl晶体，本实施例中主探测器1采用的是labr3︰ce晶体，可使探测仪能量分辨率小于4％(铀的1760kev)。所述反符合探测器2的闪烁晶体10采用厚度为4cm的csi：tl晶体。所述光耦合材料11将光电子耦合至光电二极管上，光耦合材料使用高透光率材料，如透光率高达94％的亚克力材料，提高光电子的收集效率。所述光电二极管接收到入射光电子后，产生“电子-空穴”对，进而输出电流信号，输出的电流信号与入射光子成正比。所述主探测器1采用多个光电二极管，为了提高有效的光电子接收面积从而提高能量分辨率，而本实施例主探测器1采用9个光电二极管，实测得到能量分辨率为3.76％(k-40的1460kev)，对cs-137的分辨率为5.5％。与光电二极管连接前置放大电路的个数与光电二极管的个数相同。所述反符合探测器2采用的光电二极管个数为至少一个，本实施例反符合探测器2采用的光电二极管个数为1个，故相对应的前置放大电路的个数也为1个。所述稳谱电路由电流监测电路a部分以及温度监测电路b部分组成，a部分与b部分相辅相成同时工作，以达到稳谱的作用。如图4所示，所述a部分输入端与光电二极管连接，且输出端与电子学单元室3的带反符合电路的多道分析电路连接，电子学单元室3的多道分析电路与偏置电源电路的电压反馈端连接。所述a部分主要由电流-电压放大器组成，可采用ti的ina260放大器。所述a部分将t1时刻监测到的反向漏电流输出到多道分析电路，多道分析电路将t1时刻接收的反向漏电流经过ad转换为数字信号并保存到存储器中，当多道分析电路接收到下一个t2时刻a部分传送的反向漏电流时，多道分析电路会将t2时刻接收的反向漏电流与t1时刻的反向漏电流进行比较，当t2时刻接收的反向漏电流比t1时刻接收的反向漏电流大时，会将每个偏置电源电路的输出电压调小；当t2时刻接收的反向漏电流比t1时刻接收的反向漏电流小时，会将每个偏置电源电路的输出电压调大。通过反向漏电流微调每个光电二极管电压，使每个光电二极管在不同温度、不同计数率条件下，平均漏电流保持一致。如图5所示，所述b部分监测闪烁晶体10温度，b部分的输出端与电子学单元室3的多道分析电路连接。所述b部分主要由温度传感器组成，通过温度传感器检测闪烁晶体10温度，所述温度传感器将检测到的温度转换成电压值传送至多道分析电路，所述多道分析电路根据温度、电压特性曲线微调每个光电二极管的电压值，使光电二极管在不同温度环境下，均保持一致的增压，光电二极管的温度、电压特性曲线呈直线关系，由公式y＝0.0567x-1.394表示，公式中y代表电压的微调电压值，单位为v，x为温度，单位℃。表1为稳谱b电路对不同温度的实际特性测试值与设计特性计算值。表1t(℃)δhv实测值(v)δhv设计值(v)3.8-1.176-1.1794.5-1.130-1.1395.0-1.104-1.1116.0-1.048-1.0549.9-0.832-0.83315.0-0.570-0.54424.80.0220.01126.50.1280.10828.00.2000.19332.00.4250.419由表中数据可见，电路的输出符合预期设计值，根据实测值进行线性拟合，拟合方程为：y1＝0.0569x1-1.3928。实测值拟合方程斜率与设计值方程斜率差异为0.35％，而截距的差异仅影响谱线峰位的绝对值，并不影响谱漂，所以能有效解决温度对光电二极管带来的影响，从而解决谱漂较大问题。该稳谱电路使得光电二极管的稳谱性能与使用光电倍增管的常规能谱仪处于同一个量级，约为±0.5道/℃。所述偏置电源电路为光电二极管提供所需偏置电压，且光电二极管需要独立供电，故光电二极管的数量与偏置电源电路的数量一样。所述偏置电源电路可封装至探测器室，也可放置电子学单元室3。本发明偏置电源电路采用集成升压型开关电源结合电荷泵的方式，本实施例电源芯片采用lt3482方案，当然也可采用凌特公司的其他ic产品，比如lt3571。所述偏置电源电路输入电压为+9.6v，输出电压为+70v，为光电二极管提供+70v稳定电压。经过实际测试所述电源芯片可以实现输出范围覆盖60～80v，纹波噪声小于5mv，如果纹波噪声不满足要求可通过多加几级rc滤波电路进一步降低噪声，使得偏置电源电路输出电压稳定性高，纹波噪声低，转换效率高，提高了反康普顿探测仪的续航能力以及灵敏度。所述偏置电源电路pcb板的面积与一个一角钱硬币面积相当，所述偏置电源电路简洁小巧，极大的减小了反康普顿探测仪的体积与重量。图6是前置放大电路原理图，所述前置放大电路是一个封装在光电二极管上的快电流放大电路，将光电二极管输出的电流信号进行放大处理。所述电流信号进入到输入端i后，经过采样电阻r40后转换为电压信号，电压信号经过高输入阻抗的精密正相放大器u8b放大输出，由于光电二极管输出电流信号存在暗电流，因此前置放大电路的输出信号中有直流分量，在前置放大电路的输出端o采用电容c39耦合可以隔离该直流分量，输出电压脉冲信号。所述前置放大电路不仅对电流信号进行放大处理，还能有效抑制光电二极管的噪声，进一步的提高反康普顿探测仪的灵敏度。如图7所示，所述电子学单元室3的求和电路将经过多个前置放大电路输出的脉冲信号进行求和处理，多个前置放大电路的输出端分别与求和电路的多个输入通道连接，本实施例中求和电路只画出i1-i4四个输入通道，四个前置放大电路输出的四个脉冲信号分别通过i1-i4四个输入通道进入到运算放大器u1a中，通过运算放大器u1a进行求和处理后由通道o1输出，根据实际的光电二极管个数确定求和电路的输入通道数目，如本实施例的主探测器1采用9个光电二极管，则与主探测器1连接的求和电路的输入通道数目为9个，而本实施例的反符合探测器2采用了1个光电二极管，故并不需要进行求和处理。所述电子学单元室3的带反符合电路的多道分析电路包括反符合电路与多道分析电路。所述反符合电路与多道分析电路制作在一块电路板上，不仅减少了整机电路板数量而且减少了板间连线，同时避免了板间连线与电路板上器件的相互干扰，提高电路集成度和电路可靠性。所述反符合电路以cpld(复杂可编程器件)为核心，外加可调延迟单元与信号宽度调整单元。所述复杂可编程器件为逻辑电路，用于实现反康普顿测量，如图8所示，即只有主探测器1探测到信号，而多个反符合探测器2任何一个均未探测到信号，就输出一个接受信号通知多道分析电路该时刻主探测器1中信号是排除康普顿效应与光子逃逸的信号。所述可调延迟单元的作用为消除各探测器时间差问题，所述信号宽度调整单元作用为调整各探测器输出信号脉宽，以满足反康测量的要求。所述多道分析电路采用arm处理器，同时还包含准高斯积分电路，所述准高斯积分电路采用3级二阶积分电路实现的，在满足符合要求后反符合电路输出信号采用准高斯积分成型电路进行成型，以解决该信号的不对称特性，以及信号上叠加的高频噪声。arm处理器准高斯积分电路输出的数字信号进行处理，累积为测量谱线，arm将采集的谱线分为原始谱线和反符合后的谱线，同时将记录符合事件的信息，在测量时间内，arm定时向掌上显示单元传输测量谱线。带反符合电路的多道分析电路能有效抑制电路噪声、宇宙线本底、有效抑制大气及周围环境伽玛本底、有效抑制康普顿散射射线，比常规谱仪的本底低20至60倍。结合图1-9所示，本发明在使用过程中，入射光子首先经过窗口6被主探测器1中的闪烁晶体接收并产生光子，同时通过主探测器1中的光耦合材料耦合至9个光电二极管中并经过9通道前置放大电路输出脉冲信号，求和电路对输出脉冲信号进行求和处理。入射光子中能量较高的光子还将进入多个反符合探测器2中经过光耦合材料耦合至光电二极管中并经过前置放大电路输出脉冲信号；然后，反符合电路将会对主探测器1的求和电路输出的脉冲信号和多个反符合探测器2输出的脉冲信号进行符合测量，因能量较高的入射光子同时在主探测器1与反符合探测器2中输出脉冲信号，故不满足符合要求，将会对能量较高的入射光子屏蔽掉，因能量较低的入射光子只会通过主探测器1输出脉冲信号，满足符合要求；再然后，将符合要求的输出脉冲信号通过准高斯积分成型电路进行成型，最后输入到多道分析电路进行分析处理，在测量时间内，多道分析电路定时向掌上显示单元传输测量谱线。本发明反康普顿探测仪基于多光电二极管、多探头符合与反符合的噪声与本底射线抑制方法有效抑制光读出器件的噪声、有效抑制宇宙线本底、有效抑制大气及周围环境伽玛本底、有效抑制康普顿散射射线，使得仪器的灵敏度与分辨率高；再加上选用更高探测效率类型的labr3︰ce晶体使得仪器的灵敏度与分辨率进一步提高；采用多探测器联合模式能实现选择性探测来自地下近似垂直向上射出的伽玛射线，能更集中有效反映探测点地下直径约5cm、深度达近1m的圆锥柱状岩石土壤中铀元素的平均含量，对异常的判断更灵敏与准确，使得反康普顿探测仪的指向性好；采用多光电二极管符合探测，将使得探测器具有小体积、高分辨率与低谱漂的优点；再加上小体积的单元电路使得本发明仪器重量低于10kg，具有结构简单、成本低以及便于携带的优点。作为优选，所述一种便携式反康普顿探测仪的基本结构是主探测器1嵌套进入“井”型反符合探测器2，本实施例的一种便携式反康普顿探测仪的外形是长方体，主探测器1为立方体或长方体，4个外形为长方体的反符合探测器2相互拼接成井字型结构。作为优选，所述一种便携式反康普顿探测仪的外形还可以是圆柱体，主探测器1可为圆柱状，多个反符合探测器2拼接成与主探测器1相配合的圆环状结构，所谓相配合是指主探测器1刚好能放入到多个反符合探测器2组成的圆环状结构中。作为优选，所述探测器室设计一套配套的由铅材料组成的防护层7，所述防护层7由底面板、前侧面板、后侧面板、左侧面板、右侧面板共5个部件组成，部件之间采用榫卯结构快速互连。为了减轻携带反康普顿探测仪时重量，所述防护层7设计成可拆卸式，在探测时再将防护层7安装在反康普顿探测仪上，所述防护层7使得驻地分析时可以大大降低环境本底放射性的影响，在保证精度的前提下，缩短测量时间，实现快速分析。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12