《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的虛擬放射源系統(tǒng)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
鄒風(fēng)華，王 柱，錢秋妃，徐躍明，董俊岐
武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072
摘要： 核物理實(shí)驗(yàn)、放射醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都離不開放射源及其探測。利用DAC、FPGA以及直接數(shù)字合成技術(shù)構(gòu)建虛擬放射源系統(tǒng)，能夠靈活選擇放射源和探測器的種類，也能設(shè)置放射源與探測器的相對(duì)距離和角度。根據(jù)某種放射源的實(shí)驗(yàn)譜線按照一定的頻率發(fā)射幅度信號(hào)，通過網(wǎng)口傳輸進(jìn)入FPGA數(shù)字處理平臺(tái)。FPGA接收幅度信號(hào)并進(jìn)行處理，從而得到具有特定探測器特征的脈沖信號(hào)。采用14位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片LTC1667將FPGA得到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。使用脈沖幅度分析儀對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行采集和分析，并通過相應(yīng)軟件獲得能譜。結(jié)果表明，虛擬化的放射源代替實(shí)物放射源和探測器不僅可以達(dá)到相似的效果，而且更加具有靈活性、方便性和安全性。
中圖分類號(hào)： TP274.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200178
中文引用格式： 鄒風(fēng)華，王柱，錢秋妃,等. 基于FPGA的虛擬放射源系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(9)：102-105.
英文引用格式： Zou Fenghua，Wang Zhu，Qian Qiufei，et al. Virtual radiation source system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(9)：102-105.
Virtual radiation source system based on FPGA
Zou Fenghua，Wang Zhu，Qian Qiufei，Xu Yueming，Dong Junqi
School of Physics and Technology，Wuhan University，Wuhan 430072，China
Abstract： Nuclear physics experiments,radiation medicine and other fields are inseparable from the radiation source and its detection. By using DAC, FPGA and direct digital synthesis(DDS)technology to build a virtual radiation source system,the types of radiation source and detector can be flexibly selected, and the relative distance and angle between radiation source and detector can be set. According to the experimental spectral line, the amplitude signal is transmitted at a certain frequency,and it enters the FPGA digital processing platform through the network port. FPGA receives the amplitude signal and processes it to get the pulse signal with specific detector characteristics. The 14 bit digital-to-analog conversion chip LTC1667 is used to convert the digital signal from FPGA to analog signal. Pulse amplitude analyzer is used to collect and analyze the pulse signal and obtain the energty spectrum through the corresponding software.The results show that the virtual radiation source can not only achieve the similar effect, but also have more flexibiliy,convenience and safe.
Key words : FPGA；virtual radiation source；direct digital synthesis；pulse signal

0 引言

    核電子學(xué)系統(tǒng)開發(fā)、核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、放射醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)和職業(yè)培訓(xùn)，都要求投入大量資金用于購買放射源和探測器[1-3]。例如高純鍺探測器，雖然我國在研制高純鍺探測器方面已取得一定進(jìn)展，但是還不能達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)，市場上使用的大部分高純鍺輻射探測器需要向ORTEC公司采購。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年進(jìn)口高純鍺探測器數(shù)百臺(tái)，價(jià)值數(shù)億元。其次，電離輻射技術(shù)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，然而它是一把雙刃劍，如果長時(shí)間接觸核輻射，可能吸收不必要的輻射劑量。人類應(yīng)該利用電離輻射造福人類，并盡量避免和減少電離輻射可能引起的對(duì)人的健康危害[4]，所以輻射防護(hù)措施是必要的。由于電離輻射看不見，摸不著，無色無味的特點(diǎn)，容易讓人忽視它的存在，給輻射防護(hù)帶來一定的困難。

    針對(duì)以上問題，本文通過上位機(jī)軟件、嵌入式軟件和硬件電路，開發(fā)虛擬放射源系統(tǒng)。FPGA運(yùn)算處理能力強(qiáng)以及可以無限次編程，適合處理數(shù)據(jù)。通過Qt軟件實(shí)現(xiàn)了歸一化、脈沖幅度信號(hào)產(chǎn)生。通過Quartus II軟件與硬件電路協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了脈沖堆積、直接數(shù)字合成、特定脈沖信號(hào)產(chǎn)生。通過以太網(wǎng)模塊與上位機(jī)模塊之間進(jìn)行通信。本文試圖把該系統(tǒng)做好使之能夠代替實(shí)物放射源和探測器，從而節(jié)省放射源和探測器的購買成本、放射性管理和輻射防護(hù)的投入，提高學(xué)習(xí)和培訓(xùn)效率。




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作者信息:

鄒風(fēng)華，王  柱，錢秋妃，徐躍明，董俊岐

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072)

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