多道g 能譜測量系統(tǒng)的研究

黃成偉　王雙玲　李東波　李玉鳳

(1.河南省計量科學(xué)研究院，鄭州 450008；2.鄭州博天電子技術(shù)有限公司，鄭州 450000；3.河南鞏義市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，鞏義 451200)

0　引言

由于自然本底的存在，使得地球上的材料存在不同程度的放射性。然而由于礦渣、碳渣和化工廢料等材料在建材中的使用，使得這些建筑材料的放射性有明顯的增強(qiáng)[1]。隨著人民的生活水平的提高以及環(huán)保意識的增強(qiáng)，對建筑材料放射性的檢測尤為重要。按照國標(biāo)GB6566對建材放射性的要求[2]，本文設(shè)計一款多道伽瑪能譜儀采集分析系統(tǒng)，用來測量建筑材料的放射性。

1　系統(tǒng)工作原理

針對g能譜，線性脈沖放大器的輸出與輸入成正比，因此可以通過分析輸出的能量來了解輸入的能量。多道脈沖幅度分析器就是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)進(jìn)行幅度分類[3]，并將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量，即道址。道址中的計數(shù)代表對應(yīng)能量的粒子量，即射線的強(qiáng)度。道址的多少取決于ADC的轉(zhuǎn)換精度。其工作原理如圖1所示。例如將輸入的脈沖幅度分為8類，即最大道址m=8。每類幅度間隔為Δm，稱為道寬。每道所編的十進(jìn)制碼為0，1，2，3，4，5，6，7。對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼為000，001，010，011，100，101，110，111。每個道址碼相應(yīng)于一類輸入的幅度。從圖1(a)中可以看出，第1個信號屬于第2道，應(yīng)存入第2個存儲單元；第2個信號屬于第4道，應(yīng)存入第4個存儲單元；……。如果將各個存儲單元的n順序排列起來，得到n和m，即幅度直方圖，也就是能譜分布圖，代表各種能量的信號在測量時間內(nèi)的數(shù)量分布。

圖1　多道脈沖分析器工作原理

由此可得道寬Δm=V/2n(mV)

(1)

式中，V為輸入信號的峰值電壓，為ADC轉(zhuǎn)換的精度。即輸入信號的幅度為

V=Δm·2n

(2)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度越高，道寬越小即幅度分類越細(xì)。

2　系統(tǒng)組成

多道能譜測量系統(tǒng)的組成主要包括：NaI(Tl)晶體探測器、主放大器、峰位展寬及門控電路、高壓電路、DSP應(yīng)用開發(fā)板和PC機(jī)。其構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2　基于DSP多道脈沖幅度分析器原理框圖

當(dāng)探測器探測到射線時，會產(chǎn)生一個電壓脈沖信號，經(jīng)過前置放大器和主放大器的成形、濾波、放大后輸出0～3.3V的電壓信號，由峰位展寬器將脈沖信號峰位展寬，并同時觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，最終數(shù)據(jù)將通過SCI模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由應(yīng)用軟件進(jìn)行能譜的顯示和處理。

2.1　NaI(Tl)晶體探測器

本系統(tǒng)的探測器采用具有較高發(fā)光效率和良好的能量線性、能量分辨率的NaI(Tl)晶體探測器[4]。該探測器主要由NaI(Tl)晶體、光學(xué)收集系統(tǒng)、光電倍增管、光電倍增管各電極供電的分壓器以及前置放大器組成。NaI(Tl)晶體在射線作用下能發(fā)射熒光光子，利用光電轉(zhuǎn)換器件將微弱的熒光轉(zhuǎn)換成光電子，光電子經(jīng)過光電倍增管倍增放大之后輸出一個電壓脈沖，輸出的電壓脈沖幅度與入射粒子的能量成正比，達(dá)到測量粒子能量的目的。

2.2　主放大器

主放大器選用北京核儀器廠生產(chǎn)的BH1218型線性放大器，整個放大器由輸入極性轉(zhuǎn)換、微分電路、四級放大電路、積分電路和基線恢復(fù)電路五個部分組成，如圖3所示。

圖3　主放大器原理方框圖

主放大器具體的工作原理是：從前置放大器來的信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過一次微分得到微分脈沖。經(jīng)微分后的信號經(jīng)過三級放大進(jìn)入到積分成形電路，以獲得不同的脈沖寬度和較好的信號噪聲比。成形后的信號進(jìn)入到第四級放大電路，進(jìn)一步成形和放大。放大后的信號經(jīng)基線恢復(fù)器來改善漂移，以恢復(fù)基線。最后輸入到峰位展寬器中進(jìn)行峰位檢測。

2.3　峰位展寬器及門控電路

射線能譜測量中，主要測量脈沖信號的峰值幅度。探測器輸出的信號經(jīng)過主放大器的成形、濾波和放大后，其峰頂?shù)膶挾缺容^窄，無法滿足ADC模塊轉(zhuǎn)換的時間要求。采用峰位展寬電路可以展寬脈沖的峰頂并保持一段時間。同時，控制電路和線性門配合以防止后續(xù)脈沖的疊加，影響峰值采樣。峰位展寬器及門控電路如圖4所示。

圖4　峰位展寬器及門控電路

2.4　高壓控制電路

本系統(tǒng)中采用如圖5所示的高壓控制電路為探測器提供高電壓。為適應(yīng)不同探頭多方面的測量，高壓電路的輸出必須連續(xù)可調(diào)。本系統(tǒng)設(shè)計的光電倍增管的高壓電路的輸出電壓從0～1000V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，這樣可以通過調(diào)整高壓使NaI(Tl)晶體探測器輸出的脈沖達(dá)到需要的幅度。光電倍增管輸出電壓的大小由控制端口輸入的0～5V電壓來控制，進(jìn)而控制探測器的工作高壓。

圖5　高壓控制電路框圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]

采用由中國計量科學(xué)研究院出產(chǎn)并檢定的規(guī)格為Ф75mm×70mm，不確定度為Urel=5％,k=2的標(biāo)準(zhǔn)源及規(guī)格為Ф3mm的137Cs點(diǎn)源，嚴(yán)格按照J(rèn)JG 417—2006g譜儀計量檢定規(guī)程[6]的要求對本文所述系統(tǒng)進(jìn)行測試。

3.1　穩(wěn)定性及重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

將標(biāo)準(zhǔn)源137Cs點(diǎn)源放入探測器進(jìn)行單次測量600s，對每一個被測儀器分別重復(fù)測量6次，6次測的661.66keV全能峰的峰位分別為Xi(i=1,2,3,4,5,6),用單次測量相對偏差V表示其重復(fù)性

(3)

根據(jù)661.66keV全能峰的峰位Xi(i=2,3,4,5,6)，計算峰位漂移絕對值|Xi-X1|，找出最大值|Xi-X1|max，計算峰位相對漂移

s=|Xi-X1|max/X1×100％

(4)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　重復(fù)性及峰值穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

3.2　活度測量實(shí)驗(yàn)

將226Ra、232Th和40K的混合標(biāo)準(zhǔn)源放于探測器內(nèi)嚴(yán)格按照J(rèn)JG 417—2006g 譜儀計量檢定規(guī)程的要求對每臺被測儀器進(jìn)行連續(xù)10000s的測量，分別計算活度測量值的相對誤差(估計值)D：

D=(Am-As)/As×100％

(5)

式中，Am表示測量的活度值；As表示源活度的標(biāo)準(zhǔn)值。

測量結(jié)果如表2所示。

活度測量值的不確定度主要受測量重復(fù)性、穩(wěn)定性和混合標(biāo)準(zhǔn)源的不確定度影響，三者之間互不相關(guān)，因此可按照公式(6)進(jìn)行評定，被檢儀器的測量不確定度如表3所示。

(6)

式中，U標(biāo)準(zhǔn)器為所用標(biāo)準(zhǔn)混合源的相對擴(kuò)展不確定度；k標(biāo)準(zhǔn)器為所用標(biāo)準(zhǔn)混合源的不確定度因子；V為被測儀器的重復(fù)性；n為被測儀器的被測次數(shù)；s為被測儀器的穩(wěn)定性。

表2　測量活度誤差

表3　測量不確定度

4　結(jié)束語

本文所設(shè)計系統(tǒng)經(jīng)鄭州博天電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)推廣，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)混合源對隨機(jī)抽取的五個產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)測試，由表2可知，活度測量值相對偏差小于最大允許誤差MPE:±20％，測量結(jié)果的擴(kuò)展相對不確定度遠(yuǎn)小于國家規(guī)程規(guī)定的20％(k=3)[6]，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

[1]周春林,韓峰,等.建材放射性對居民健康的影響及防護(hù).中國科協(xié)學(xué)術(shù)年會論文集，2005

[2]GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》

[3]周國家,庹先國,等.基于C8051F060的多道脈沖幅度分析器的設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù).2011(12)

[4]呂海江,蔡康松,等.NaI(TI)晶體的性能研究[J]安徽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2006(10)

[5]譚金波,李彥祿,等.高純鍺g譜儀活度測量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J].計量學(xué)報.2000(7)

[6]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 417—2006《g譜儀》中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程.2007