基于QTC技術(shù)構(gòu)建的便攜式伽馬能譜儀

趙丹，閔蘋(píng)，李金鳳，徐健，楊龍泉

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100822）

基于QTC技術(shù)構(gòu)建的便攜式伽馬能譜儀

趙丹1，2，閔蘋(píng)3，李金鳳2，徐健2，楊龍泉2

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100822）

目前便攜式伽馬能譜儀通常采用ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）對(duì)脈沖峰值采樣的方法實(shí)現(xiàn)能譜數(shù)據(jù)采集功能。該類(lèi)儀器穩(wěn)定性好，但其電路復(fù)雜、功耗較大，而且價(jià)格比較昂貴。基于QMCA4001-50N模塊，采用QTC（電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換）技術(shù)構(gòu)建便攜式伽馬能譜儀，在保證伽馬能譜儀穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)上，能夠使其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、功耗降低、成本得到有效控制。

QTC（電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換）；時(shí)間測(cè)量；便攜式伽馬能譜儀

目前便攜式伽馬能譜儀通常采用ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）對(duì)脈沖峰值采樣的方法實(shí)現(xiàn)能譜數(shù)據(jù)采集功能，該類(lèi)儀器穩(wěn)定性好，但其電路復(fù)雜、功耗較大，而且價(jià)格比較昂貴。采用QTC（電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換）技術(shù)構(gòu)建便攜式伽馬能譜儀，在保證伽馬能譜儀穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)上，可使能譜采集電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、功耗降低、整機(jī)成本得到有效控制。因此，研制基于QTC技術(shù)的便攜式伽馬能譜儀是非常必要的。

1 QTC（電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換）技術(shù)原理及模塊簡(jiǎn)介

QTC技術(shù)即為電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換技術(shù)，圖1為電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路的簡(jiǎn)化原理圖。由圖1可見(jiàn)，輸入的負(fù)脈沖信號(hào)經(jīng)反向有源整流電路整流后，通過(guò)電阻R3對(duì)電容C1進(jìn)行充電，充電電荷量Q與輸入脈沖包含的電量成正比。在C1充滿(mǎn)后，通過(guò)恒流源Idisch對(duì)C1進(jìn)行線(xiàn)性放電，經(jīng)鑒別器A3輸出寬度為T(mén)out的邏輯脈沖。Tout的計(jì)算如式（1）所示：

因此，Tout正比于充電電荷量Q，進(jìn)而正比于脈沖所包含的電量，從而實(shí)現(xiàn)電荷量到時(shí)間的轉(zhuǎn)換。

QTC技術(shù)實(shí)現(xiàn)采用QMCA4001-50N模塊。該模塊可直接與閃爍探測(cè)器連接，不需前置放大器和信號(hào)成形電路，可僅通過(guò)一個(gè)輸入電阻對(duì)信號(hào)增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出可直接連接CPLD或FPGA器件，是一款高精度電荷積分式多道分析模塊，具有高穩(wěn)定性、低功耗（240 mW）和小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，能夠在－40～＋85℃范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。

通過(guò)調(diào)節(jié)光電倍增管的高壓和QTC器件的輸入電阻，對(duì)能量為3 MeV的伽馬射線(xiàn)，QTC輸出邏輯脈沖的寬度為4.27μs，在選用CPLD計(jì)時(shí)頻率為60 MHz的情況下，其相應(yīng)的道址為512道。QTC器件的最大伽馬計(jì)數(shù)率與伽馬射線(xiàn)的譜成分有關(guān)，在假設(shè)伽馬射線(xiàn)能量全部為3 MeV的條件下，其理論最高計(jì)數(shù)率為234 k·s-1。

2 基于QTC的伽馬能譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1-3］

圖2為基于QTC技術(shù)的能譜儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要包括閃爍體探測(cè)器、模擬電路、數(shù)字電路和上位機(jī)。模擬電路部分主要由QTC模塊組成，將從NaI（Tl）探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為寬度為T(mén)out的矩形脈沖信號(hào)；數(shù)字電路部分包括時(shí)間測(cè)量和譜數(shù)據(jù)處理單元兩個(gè)模塊，時(shí)間測(cè)量模塊完成對(duì)矩形脈沖高電頻持續(xù)時(shí)間的量化并輸出為道址，譜數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)對(duì)道址對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行加1操作，并實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳遞譜數(shù)據(jù)。

3 基于QTC伽馬能譜儀的硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該能譜儀的關(guān)鍵硬件電路主要包括3個(gè)部分：電源電路、電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換（QTC）電路和時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）電路與數(shù)據(jù)上傳電路。

3.1 電源電路

由于伽馬能譜測(cè)量電路需要高穩(wěn)定度、低噪聲的電源供電，設(shè)計(jì)了由“單一＋12 V輸入、±5 V輸出、＋3.3 V輸出”的高效率DC-DC變換電路。3.3 V直流電源為QTC器件QMCA4001-50N、CPLD器件EPM3128芯片和ARM器件LPC2148芯片提供電源。5 V直流電源主要為與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊的器件MAX202CSE提供電源。其中，＋5V與＋3.3 V輸出電源電路使用LT公司先進(jìn)的高效率PWM降壓電路芯片LT3480，－5 V輸出電源使用Maxim公司的MAX764芯片。

3.2 電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換（QTC）電路

電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換（QTC）電路的功能是將NaI（Tl）探測(cè)器輸出的脈沖電荷量，轉(zhuǎn)換成寬度與輸出電荷量成正比的數(shù)字邏輯脈沖，該邏輯脈沖的幅度為＋3.3 V。由于入射伽馬光子在晶體里沉積的能量與光電倍增管輸出脈沖的電荷量成正比，因此該電路輸出邏輯脈沖的寬度與入射伽馬光子的能量成正比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伽馬射線(xiàn)的定性測(cè)量。由于電荷轉(zhuǎn)換的過(guò)程是積分與線(xiàn)性放電過(guò)程，因此對(duì)高頻噪聲的敏感度低，從而可以獲得較好的能量分辨本領(lǐng)。

在電路實(shí)現(xiàn)上，QTC器件采用針對(duì)高能物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電荷轉(zhuǎn)換模塊QMCA4001-50N模塊。如圖3為采用QMCA4001-50N芯片設(shè)計(jì)的QTC連接電路，其端口CON301直接接收來(lái)自光電倍增管或者經(jīng)前置放大器輸出的負(fù)脈沖信號(hào)，經(jīng)由QTC器件轉(zhuǎn)化為邏輯脈沖信號(hào)，由OUTL端輸出至TDC處理單元。其中，通過(guò)更改光電倍增管的高壓或R301的阻值來(lái)改變輸入信號(hào)的幅度，在確定TDC測(cè)量脈沖頻率的情況下，設(shè)定能譜測(cè)量的道數(shù)。

3.3 時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）與數(shù)據(jù)上傳電路

時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）電路使用CPLD器件，其功能是將QTC電路輸出的邏輯脈沖進(jìn)行數(shù)字量化，輸出數(shù)字值對(duì)應(yīng)入射伽馬光子的能量。其原理是在輸入脈沖有效期間，采用基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。譜數(shù)據(jù)的記錄和上傳采用ARM微處理器。圖4為時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）與數(shù)據(jù)上傳原理簡(jiǎn)圖。

實(shí)現(xiàn)脈沖寬度測(cè)量的具體過(guò)程為：編寫(xiě)VHDL語(yǔ)言程序，燒錄到CPLD器件中，使CPLD器件具有計(jì)數(shù)器功能，根據(jù)采用的時(shí)鐘頻率器件的晶振頻率，可設(shè)置不同的測(cè)量時(shí)鐘頻率，本設(shè)計(jì)采用的測(cè)量時(shí)鐘頻率為60 MHz。當(dāng)從QTC器件輸出的邏輯脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)邏輯脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器最后的計(jì)數(shù)值即為被處理的伽馬射線(xiàn)的道址值。

脈沖測(cè)量由ARM器件控制啟動(dòng)和停止。在啟動(dòng)測(cè)量后，CPLD接收QTC模塊的輸入，將脈沖信號(hào)寬度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換期間，CPLD關(guān)閉信號(hào)輸入端，對(duì)QTC輸入的脈沖不做處理。在將脈沖寬度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，由ARM讀取CPLD中的數(shù)值信號(hào)（道址），并根據(jù)道址進(jìn)行數(shù)據(jù)累加，實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬脈沖的定量測(cè)量。在上位機(jī)要求數(shù)據(jù)傳輸后，ARM通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，并清空ARM中當(dāng)前測(cè)量的結(jié)果。

3.4 實(shí)際硬件電路圖

根據(jù)上述各部分的電路原理圖，制作了能譜儀的主要硬件電路的電路板。如圖5為硬件電路的實(shí)物圖片，顯示了功能分區(qū)及主要元器件。

4 上位機(jī)接口軟件及測(cè)試結(jié)果分析

4.1 上位機(jī)接口軟件［4-5］

基于Windows XP系統(tǒng)，采用VC2005編寫(xiě)上位機(jī)接口軟件-伽馬譜分析軟件，通過(guò)RS232串口實(shí)時(shí)將能譜數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)。該軟件具備控制譜數(shù)據(jù)采集、譜線(xiàn)顯示和能量刻度等基本功能。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

將NaI（Tl）探測(cè)器配接在基于QTC的能譜采集板上，采用上位機(jī)接口軟件控制譜數(shù)據(jù)采集，分別獲取了銫源和鈾礦石樣品的伽馬譜線(xiàn)，分別如圖6、7所示。

4.2.1 能譜采集板的功耗

設(shè)計(jì)的能譜采集板的功耗主要由3部分組成，即QTC模塊、CPLD器件和ARM器件的功耗。在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，QTC模塊的最大功耗為240 mW，CPLD器件EPM3128芯片在晶振頻率為60 MHz時(shí)的功耗最大為600 mW，ARM器件LPC2148芯片工作時(shí)的功耗最大為350mW，估計(jì)完成整機(jī)后，在單探測(cè)器模式下工作時(shí)，總功耗大約在2 300mW左右。GR320在采用單探測(cè)器模式進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，總功耗約為2 600 mW［6］?？梢钥闯觯赒TC設(shè)計(jì)的能譜儀功耗相對(duì)稍低，能夠滿(mǎn)足野外測(cè)量工作對(duì)儀器功耗的要求。

4.2.2 積分非線(xiàn)性INL（Integral NonLinearity）［7-8］

積分非線(xiàn)性INL是用來(lái)度量能譜測(cè)量系統(tǒng)的輸出信息（伽馬射線(xiàn)能量）和輸入信息（道址）之間的非線(xiàn)性特征的。INL值越小，說(shuō)明系統(tǒng)的傳輸特性的線(xiàn)性越好。根據(jù)積分非線(xiàn)性的定義，INL的計(jì)算如式（2）所示：

式中：a、b分別為在進(jìn)行能量刻度時(shí)，采用最小二乘法求得的道址和能量最佳擬合直線(xiàn)的斜率和零點(diǎn)；xi—道址；xM—積分非線(xiàn)性計(jì)算范圍內(nèi)的x最大值，即為進(jìn)行能譜測(cè)量時(shí)的最大道址值。采用圖7所示的對(duì)鈾礦石樣品所測(cè)得的伽馬譜線(xiàn)進(jìn)行初步分析，計(jì)算可得到INL值為0.094%，可見(jiàn)該能譜儀具有良好的積分非線(xiàn)性。

4.2.3 微分非線(xiàn)性DNL（Differential NonLinearity）［7-8］

微分非線(xiàn)性DNL是用來(lái)描述能譜道寬一致性的一個(gè)物理量，DNL值越小說(shuō)明道寬一致性越好。該能譜儀采用實(shí)測(cè)核輻射譜來(lái)表示微分非線(xiàn)性的好壞，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是看各道計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小。由于實(shí)測(cè)核輻射譜不像白譜那樣平直，峰谷計(jì)數(shù)變化較大，所以常用伽馬射線(xiàn)自反散射峰開(kāi)始的一段較平直的康普頓散射坪來(lái)進(jìn)行測(cè)量，具體采用計(jì)算公式為式（3）:

式中：δn—各道計(jì)數(shù)率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；—各道計(jì)數(shù)率的平均值。采用137Cs源的實(shí)測(cè)譜線(xiàn)，測(cè)量總道為8192道，根據(jù)式（3）計(jì)算可得DNL＝1.6%，可見(jiàn)該能譜儀的微分非線(xiàn)性良好。

4.2.4 能量分辨率η［7-8］

伽馬全能峰的分辨率η的計(jì)算公式如式（4）：

式中：E—全能峰峰處的能量值；ΔE—全能峰峰處的半高度處的寬度值（能量）；FWHM（Full Width Half Maximum）—峰位處的半高寬（道址）；Chpeak—全能峰峰位的道址。采用對(duì)137Cs的662 keV全能峰的固有能量分辨率為7.6%的NaI（Tl）閃爍體探測(cè)器對(duì)137Cs源進(jìn)行能譜測(cè)量，通過(guò)對(duì)譜線(xiàn)進(jìn)行分析，計(jì)算該能譜儀的能量分辨率為7.9%，能量分辨率良好。

5 結(jié)論

基于QMCA4001-50N模塊，采用QTC（電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換）技術(shù)構(gòu)建便攜式伽馬能譜儀，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、功耗低。根據(jù)對(duì)銫源和鈾礦石樣品的實(shí)測(cè)譜線(xiàn)，并通過(guò)對(duì)能譜儀指標(biāo)的初步分析，在保證能譜儀穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)上，證明該能譜儀具有良好的積分非線(xiàn)性、微分非線(xiàn)性和能量分辨率，在完成整機(jī)的研制后，能夠在野外伽馬放射性測(cè)量中發(fā)揮重要作用。

［1］Y Fujita，N Ujiie，K Yoshidab，et.al.Test of charge-to-time conversion and multi-hit TDC technique for the BELLE CDC readout［J］.Nucl. Instr.and Meth.A，1998，405（1）:105-110.

［2］宋萬(wàn)杰，羅豐，吳順君.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

［3］周立功，王祖麟，陳明計(jì)，等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程：第2版［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1999.

［4］洪志全，洪學(xué)海.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)接口技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［5］Jeff Prosises.MFCWindows程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［6］ASIC Exploranium.GR-320 Portable Gamma Ray Spectrometer Users’Manual Revision3.5［Z］.Ontario:［s.n.］，2007.

［7］復(fù)旦大學(xué)，清華大學(xué)，北京大學(xué).原子核物理實(shí)驗(yàn)方法［M］.北京：原子能出版社，1985.

［8］王經(jīng)瑾，范天民，錢(qián)永庚，等.核電子學(xué)［M］.北京：原子能出版社，1985.

Portable gamma ray spectrometer based on QTC technique

ZHAO Dan1，2，MIN Ping3，LIJinfeng2，XU Jian2，YANG Longquan2

（1.China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2.CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；3.China National Nuclear Corporation，Beijing 100822，China）

At present，the function of data acquisition of portable gamma ray spectrometer is normally realized with pulse peak samplingmethod based on ADC（Analogue to Digital Converter）.This kind of instrument is of good stability，but the circuit is complicated and the power consumption is high，meanwhile，the instrument is expensive.According to the rule of guaranteeing the stability and reliability，concising the circuit structure，reducing the power consumption and controlling the cost，the QTC（Charge to Time Conversion）technique is adopted to design portable gamma ray spectrometer based on QMCA4001-50Nmodule.

QTC（Charge to Time Conversion）；timemeasurement；portable gamma ray spectrometer

P612；P619.14

A

1672-0636（2014）03-0526-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2014.03.006

2013-11-28；

2013-12-05

趙丹（1980—），男，遼寧北票人，工程師，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，從事能源與固體礦產(chǎn)資源地球物理勘探研究。

E-mail:zhaodan99158322@163.com