基于FPGA的快速核素识别方法及其仪器研制

快速γ核素识别仪是一种基于多道能谱仪的便携式核检测分析仪器。该仪器主要应用于野外现场测量环境,可实现放射性检测、放射源定位、能谱显示及核素识别等功能。此外,该仪器还能广泛应用于资源勘探、医疗卫生、环境监测等领域。系统采用北京滨松电子生产的CH158-06型Na I(Tl)闪烁探测器作为探测模块,用于探测γ射线并产生核脉冲信号;AD8022运算放大器用于实现对核脉冲信号的反向与放大;ADI公司的AD9235-20模数转换器用于实现对核脉冲信号的高速采样;Altera公司的FPGA芯片(EP2C8Q208C8N)作为处理核心,用于对数字化核脉冲信号进行处理;HC-05蓝牙模块作为无线通信模块,实现了上、下位机之间的通信;系统采用24V锂电池组,通过一系列的电源转化电路,实现对各个元器件的供电。FPGA内部模块使用Verilog HDL语言进行设计,主要包括:时钟分频模块、采样控制模块、高斯成形模块、幅值提取模块、RAM读写模块和串口通信模块。上位机软件使用Java语言进行编写,实现对能谱数据的显示和分析。系统采用安卓手持终端作为信息显示载体。本文还介绍了基于γ能谱的核素识别算法,主要包括:能谱数据平滑算法、峰位确定算法、能量刻度算法和基于特征峰匹配的核素识别算法。系统软硬件调试完成后,使用Cs-137、Eu-155和Na-22三种放射源对系统进行测试。主要测试了成谱效果、能量分辨率、系统稳定性三个指标。测试结果表明:能谱显示效果良好,核素识别准确;系统对Cs-137的能量分辨率约为7.03%;特征峰谱漂在3道以内。仪器的性能稳定可靠,测量准确,适用于野外现场测量环境。