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第五章:微机化核辐射仪器 第一节：概述 一、核辐射仪器的发展历程 和整个仪器仪表的发展过程一样，我国核辐射仪器的发展也经历了三个历史时期。早期的核辐射仪器都是率表式仪器。它们以盖革计数管或闪烁晶体为探测器，配以用分立元件构成的简单放大器、整形器，最后用率表电路驱动表头的指针来指示照射量率。这类仪器包括从五十年代的YP一4M辐射仪直到七十年代的FD一71辐射仪。 七十年代中期，以数字集成电路为基础的数字式核辐射仪器开始出现。它们通常以闪烁晶体为探测器，配以CMOS集成电路组成的放大器、整形器、定时控制器、计数显示器，组成数字式辐射仪。到八十年代初中期，有些辐射仪又增加了自动归一化测量及运算电路．使仪器不仅可以自动进行定时测量，显示出r辐射强度，而且还可直接显示出放射性物质的含量。这一阶段的数字式核辐射仪器主要型号有PD一3013、FD一3003、FD一3017等辐射仪。 八十年代末期，随着CMOS单片微机的出现，单片机化核辐射仪器也开始出现。人们用CMOS单片微机取代了传统仪器中的定时器、控制器、运算器和计数器，并充分利用计算机的强大数据处理及存储能力使仪器具有了自检、自测参数、数据处理、数据存储以及和微机通信功能。这类智能化核辐射仪器主要有FD一3022四道能谱仪、FD一3029测井仪。 如图4.1所示，单片机化放射性仪器由硬件及软件两大部分组成。 图4。1 单片机化核辐射仪器的组成 1、软件部分 单片机化核辐射仪器的软件部分由自检软件、监控软件、数据处理软件等部分构成。 (1)自检软件：这种软件是一种用于自动检查仪器硬件部分是否存在故障，以及检查仪器是否能正常工作的软件。 (2)监控软件：监控软件是用于人机会话、管理控制整个仪器工作的软件，它是整个系统软件的骨架。 (3)数据处理软件：这部分软件用于对从探头采集来的数据进行各种处理。在单片机化放射性勘查仪器中常用的数据处理软件有平均值滤波软件、归一化软件、测模型求参数软件、解方程求含足软件、平滑、找峰、剥谱等软件。 2．硬件部分 单片机化 放射性仪器的硬件部分由探头、主放大器、幅度分析器和单片微机系统组成其中单片微机系统又由单片微机、显示器、外接存储器、键盘、打印机、通信接口等几部分组成。 单片机化放射性仪器的探头通常由辐射探测器、高压变换器、前置放大器三部分组成，它们将所接收到的环境核辐射转化为核辐射脉冲。探头的实际电路可参看图4.2。 在单片机化放射性仪器中常用的辐射探测器有：主要探测αβ辐射的气体探测器(电离室、计数管)，探测γ辐射的NaI(T1)闪烁探测器、BGO闪烁探测器、蒽晶体闪烁探测器、塑料晶体闪烁探测器；探测αβ辐射的ZnS(Ag)闪烁探测器及半导体金硅面条探测器。这些探测器将所接收到的核辐射转化为核辐射脉冲。 高压变换器是一种高效率的稳定度较高的DC---DC直流变换器。它把低压直流电转化为稳定的高压直流电，用以供给光电倍增管工作(600---1200v)，或供给半导体探测器工作(40---190V)。由于高压的大小直接影响输出电脉冲的幅度．所以高压变换器都带有稳压电路。由于探测器高压功耗很小，所以高压变换器为追求高效率和低功耗，设计的输出电流都很小，仅为毫安及微安级。 LCD现已成为智能仪器仪表的主流显示器件,一般选用日本OPTREX公司和香港精电公司的产品。 基于单片机的核能谱数据采集系统是以多道脉冲幅度分析器为核心，结合脉冲信号采集和核能谱数据处理的综合应用系统。该数据采集系统能够完成核能谱数据的获取和分析的整个过程，并有功耗低、体积小、质量轻,便于携带等适合现场操作等特点。 二、方框图 核能谱数据采集系统的硬件框图如图4.1所示，由探测器、线性脉冲放大器、多道脉冲幅度分析器、单片微机系统等构成。单片微机系统完成谱数据的获取和分析功能。 三、工作原理 （一）硬件设计 1、多道脉冲幅度分析器 多道脉冲幅度分析器是多道数据采集系统中的核心部件，其原理结构框图如图4.2。多道脉冲幅度分析器的作用是把被测得的模拟量转换成计算机能接受的数字量，即完成对脉冲幅度的甄别。其工作过程如下：获取能谱信号(采样脉冲峰值)，ADC将脉冲幅度转换成与之成正比的数值量,再以数字量作为存储器的道址码记录脉冲数，存储于存储器中的各道计数即表征了脉冲按幅度大小的分布情况，然后再进行数据处理。 2、LCD接口电路 单片机与LCD有两种接口方式：直接访问方式(或称总线方式)和间接控制方式。所谓直接访问方式就是把LCD作为存储器或I/O设备直接挂在计算机的总线上。控制器的数据线接在单片机的数据总线上，片选及寄存器选择信号由单片机的地址总线提供,读和写操作由单片机的读写操作信号控制。 LCD的单片机接口时序有Intel8080时序和M6800时序两种,