基于无线通信技术的便携式伽玛能谱仪的研制

野外便携式伽玛能谱仪可以定量测定岩石、土壤中铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量,主要应用于野外铀矿勘探、地质填图和寻找各种非放射性矿产(如油气田、金矿床、铝土矿等),对探讨地热能或碳氢化合物也有潜在的意义。近些年来,在放射性环境评价、基建场地的放射性测量和建材放射性含量的检测等领域也得到广泛应用[1-4]。目前,市场上的野外便携式伽玛能谱仪主要由探头、主机和屏蔽电缆三部分组成。探头主要完成核辐射到电脉冲的转换,主机实现对电脉冲信号的放大、整形、幅度分析、谱数据处理及仪器控制,屏蔽电缆主要用于探头和主机间的电源供电和信号传输[5,6]。笔者在野外工作过程中发现,由于野外工作矿区分布的特征(常分布在偏远山区)和矿区地表环境的复杂性,现有野外便携式伽玛能谱仪在野外作业中存在诸多不便:

(1)探头和主机分离,一方面探头内有易碎的晶体和光电倍增器件,主机属精密仪器,在携带时需要二者兼顾;另一方面,探头和主机之间采取电缆连接,在地表环境复杂的山区工作时易造成电缆扯拽,影响野外工作。

(2)仪器功耗大,由于仪器主机的数据处理平台常采用嵌入式处理器或工控PC104,造成仪器的整体功耗增大。通常仅能满足一个工作日的工作,就必须充电或更换电池,给野外工作带来不便。

(3)野外便携式仪器的数据处理软件工作平台一般为DOS操作系统,仅能进行野外测量和简单的数据运算处理。而现在的数据处理不仅包括简单的数据运算,更包括利用商业化数据处理软件进行复杂的数据运算和绘制图件,而这些软件大多要求在Windows平台下运行。为解决以上问题,笔者研制了基于无线通信技术的野外便携式伽玛能谱仪。该仪器在保持原有野外便携式伽玛能谱仪仪器性能的基础上,实现了探头输出信号数字化、主机微型化、主机和探头无线通信、数据处理软件工作平台为Windows以及测点的自动GPS定位等功能,进一步提高了仪器的可靠性,增强了仪器的野外适用性。

1　解决方案及实现

1·1　数字化伽玛能谱探头

本文打破传统的设计理念,将高压电源、前置电路、主放大电路、脉冲峰值保持器、多道脉冲幅度分析器(MCA)、多道数据缓存器(MCB)及GPS模块等全部放置到探头内部,设计了一体化、数字化γ能谱探头,电路框图如图1所示。

数字化伽玛能谱探头输出的信号不再是微弱的电脉冲信号,而是经过单片机控制器处理过的数字信号,该数字信号经由单片机的串口向上位机发送。这种结构的设计提高了仪器的抗干扰能力,同时也为实现探头和主机之间的无线传输提供了方便。同时在探头中内嵌GPS模块,采集测点的GPS定位信息,由单片机控制器向上位机发送,通过上位机谱数据处理软件将测点的定位信息与测量数据存储在同一个数据文件中,实现测点的GPS定位功能。