基于 LaBr3探測(cè)器和數(shù)字化多道的便攜式γ譜儀研制

李曉旭，賈銘椿，劉明健，張 燕，羅 明，閆學(xué)昆

(1. 海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，湖北 武漢 430033；2. 中國(guó)人民解放軍92609部隊(duì)，北京 100077)

基于 LaBr3探測(cè)器和數(shù)字化多道的便攜式γ譜儀研制

李曉旭1,2，賈銘椿1，劉明健2，張 燕2，羅 明2，閆學(xué)昆2

(1. 海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，湖北 武漢 430033；2. 中國(guó)人民解放軍92609部隊(duì)，北京 100077)

連續(xù)監(jiān)控燃料元件的完整性是保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行和人員輻射安全的重要措施之一。介紹一種便攜式γ譜儀的研制情況，用于主冷卻劑中放射性核素的現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別及其活度濃度的監(jiān)測(cè)分析。采用鋁合金材料包裹 1″×1″ 的 LaBr3晶體、CR173 型光電倍增管和前置放大器作為探測(cè)器。脈沖信號(hào)經(jīng)線性放大器和 AD 變換后進(jìn)入以 FPGA 為核心的數(shù)字化多道系統(tǒng)，再用 ARm嵌入式系統(tǒng)完成能譜數(shù)據(jù)的讀取、分析處理和人機(jī)交互。測(cè)試結(jié)果表明，該便攜式譜儀的主要指標(biāo)能夠初步滿足一回路水現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需求。

燃料元件破損監(jiān)測(cè)；γ 譜儀；溴化鑭探測(cè)器；數(shù)字化多道；核素識(shí)別

0 引 言

目前船用堆燃料元件破損監(jiān)測(cè)主要采用總γ探測(cè)裝置和緩發(fā)中子測(cè)量裝置，當(dāng)二者同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了燃料元件破損。不過(guò)，這 2 種裝置易受本底輻射干擾，故障率和誤報(bào)率比較高，難以定量監(jiān)測(cè)燃料元件破損的程度，就是定性監(jiān)測(cè)也不能滿足要求[1]。不管是誤報(bào)警，還是確定有燃料元件破損之后的“帶病”運(yùn)行，都會(huì)給船員造成巨大心理負(fù)擔(dān)。因此有必要增加新的監(jiān)測(cè)手段，以便及時(shí)掌握燃料元件是否破損以及破損程度變化情況。

針對(duì)這一問(wèn)題，充分采用核輻射探測(cè)的新方法、新技術(shù)，研制一套適用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的船用便攜式γ譜儀。具有核素識(shí)別和定量分析功能，能夠?qū)σ换芈匪畼又蟹派湫院怂兀ㄖ攸c(diǎn)關(guān)注137Cs 和131I）的活度濃度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析，為及時(shí)采取相關(guān)控制措施提供技術(shù)支持，對(duì)于確保反應(yīng)堆運(yùn)行安全和艇員輻射安全具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成

船用便攜式γ譜儀主要由溴化鑭（LaBr3）探測(cè)器、模擬前端（含電荷靈敏放大器、線性放大器、成形濾波等單元）、以 FPGA 為核心的數(shù)字化多道系統(tǒng)、以 ARm嵌入式系統(tǒng)為核心的數(shù)據(jù)處理與顯示控制系統(tǒng)及電源等組成，如圖1 所示。

圖1 船用便攜式γ譜儀的系統(tǒng)組成Fig. 1 Function diagramof the portable gamma-ray spectrometer

1.1 溴化鑭探測(cè)器

與傳統(tǒng)的便攜式核素識(shí)別儀所采用的碘化鈉（NaI）探測(cè)器和碲鋅鎘（CZT）探測(cè)器相比，溴化鑭（LaBr3）探測(cè)器具有光產(chǎn)額高、能量分辨率好、空間分辨能力強(qiáng)、衰減時(shí)間短、能量線性好等優(yōu)點(diǎn)[2–3]，是便攜式γ能譜儀的理想選擇[4–6]。綜合考慮性能參數(shù)和價(jià)格等因素，選用國(guó)產(chǎn) 1″×1″ 溴化鑭晶體，搭配 CR173型光電倍增管和電荷靈敏前置放大器構(gòu)成探測(cè)器。

對(duì)于探測(cè)器的包裹材料，經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研主要有不銹鋼、鋁合金、聚乙烯、聚甲醛和聚氯乙烯等[3,7]。利用MCNP 軟件分別計(jì)算的 662 keVγ射線隨著上述材料厚度增加時(shí)的衰減情況，對(duì)于同樣厚度的包裹材料，不銹鋼和鋁合金對(duì)γ射線造成的衰減較大，而聚乙烯、聚甲醛和聚氯乙烯等有機(jī)高分子材料的衰減較小[3]。綜合考慮對(duì)γ射線的衰減情況、加工工藝和價(jià)格等因素，暫時(shí)采用 1mm厚的鋁合金，其衰減效果與有機(jī)高分子材料比較接近。

1.2 數(shù)字化多道系統(tǒng)

從探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬前端（完成線性放大、脈沖成形），送入多道分析器進(jìn)行幅度分析。首先由高速 ADC 對(duì)脈沖進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果經(jīng)FIFO（先入先出）高速緩存后被 FPGA 讀取，并經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波等處理完成幅度提取，由此獲得脈沖幅度分布譜。FPGA 完成的功能主要有：1）數(shù)字濾波；2）基線恢復(fù)；3）堆積判棄；4）幅度提?。?）生成能譜文件；6）ADC 芯片的時(shí)序控制；7）對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行并位處理以改善微分非線性；8）溫度數(shù)據(jù)讀取；9）其他外圍控制邏輯整合等。

1.3 數(shù)據(jù)處理與顯示控制系統(tǒng)

ARm嵌入式系統(tǒng)主要完成對(duì) FPGA 生成的能譜數(shù)據(jù)的讀取、分析處理和人機(jī)交互。系統(tǒng)微處理器為ARM11，內(nèi)存 256mB，存儲(chǔ)介質(zhì)為 8 G 的 SD 卡，操作系統(tǒng)為 Windows CE。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含驅(qū)動(dòng)程序（包括 USB 接口、鍵盤(pán)、液晶顯示屏等）和用戶界面應(yīng)用軟件兩部分。應(yīng)用軟件采用 VC++ 編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，運(yùn)行于 Windows CE 環(huán)境下，可以完成測(cè)量的啟動(dòng)與停止、譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理、能譜處理算法實(shí)現(xiàn)、文件的打開(kāi)與保存、參數(shù)設(shè)置、人機(jī)交互等功能。

1.4 軟件流程

能譜分析軟件流程如圖2 所示。軟件設(shè)置了水樣模式和正常模式 2 種測(cè)量模式。水樣模式只需要設(shè)置采集時(shí)間等基本參數(shù)，而不需要知道譜分析的具體過(guò)程，就能自動(dòng)測(cè)量并給出計(jì)算結(jié)果，適合艇員進(jìn)行快速測(cè)量；正常模式包含了更全面的譜顯示、譜分析、參數(shù)設(shè)置等操作，適合技術(shù)人員進(jìn)行更細(xì)致的分析處理。

圖2 能譜軟件分析流程Fig. 2 Block diagramfor the software of spectrumanalysis

2 主要性能測(cè)試

2.1 能量分辨率

利用研制的便攜式γ譜儀對(duì)137Cs 源進(jìn)行測(cè)量，得到137Cs 的能譜，將能譜文件導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確計(jì)算，計(jì)算出能量分辨率為 3.1%。文獻(xiàn)[2–3, 8]報(bào)道溴化鑭探測(cè)器能量分辨率范圍在 2.9%～3.5% 之間，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)積分非線性

用137Cs 和60Co 源對(duì)便攜式γ譜儀進(jìn)行刻度，然后測(cè)量133Ba，137Cs 和60Co 三種放射源，得到 81 keV，276.4 keV，302.9 keV，356.1 keV，383.9 keV，661.7 keV，1 173 keV，1 332 keV 這 8 個(gè)峰的峰位對(duì)應(yīng)的道址，計(jì)算出系統(tǒng)的非線性偏差為 0.11%。

2.3 核素識(shí)別測(cè)試

利用固體放射源考察譜儀核素識(shí)別的準(zhǔn)確性。分別對(duì)22Na，133Ba，137Cs，60Co，241Am和152Eu 源進(jìn)行測(cè)量，得到各自的能譜，作為標(biāo)準(zhǔn)譜保存在譜儀中。然后分別對(duì)單源、雙源、多源進(jìn)行測(cè)量，均能正確識(shí)別核素。圖3（a）給出了22Na 和60Co 兩種核素識(shí)別的結(jié)果，圖3（b）給出了133Ba，137Cs，152Eu 和241Am四種核素識(shí)別的結(jié)果。

圖3 核素能譜及種類識(shí)別結(jié)果Fig. 3 Spectra of different nuclides and their right identification

2.4 Cs-137 效率刻度系數(shù)

譜儀能量刻度好后，對(duì) 2 種不同活度濃度的137Cs溶液進(jìn)行測(cè)量，譜儀均能夠正確識(shí)別為137Cs。采用wason 法計(jì)算的峰凈面積和137Cs 液體源實(shí)際活度濃度值來(lái)計(jì)算137Cs 的效率刻度系數(shù)。將此效率刻度系數(shù)保存在譜儀中，再測(cè)量不同活度濃度的137Cs 溶液，測(cè)量結(jié)果列于表1。由表1 可見(jiàn)，譜儀定量分析的測(cè)量誤差在 10% 以內(nèi)。

表1 137Cs 溶液測(cè)量結(jié)果Tab. 1 Testing results of different activity concentration for137Cs

3 結(jié) 語(yǔ)

初步研制了一種便攜式γ譜儀樣機(jī)，用于主冷卻劑中放射性核素（重點(diǎn)關(guān)注裂變產(chǎn)物137Cs 和131I）的現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別及其活度濃度的監(jiān)測(cè)分析，以便及時(shí)掌握燃料元件是否破損以及破損程度變化情況。譜儀由 LaBr3探測(cè)器、以 FPGA 為核心的數(shù)字化多道模塊、以ARM11 為核心的能譜分析處理模塊和人機(jī)交互軟件等組成。能量分辨率達(dá)到了 3.1%（@137Cs，662 keV），為準(zhǔn)確進(jìn)行核素識(shí)別奠定了基礎(chǔ)，且能正確識(shí)別單源、雙源、四種混合源，對(duì) 2 種不同活度濃度的137Cs溶液的測(cè)量誤差均在 10% 以內(nèi)。

下一步有待提高譜儀的環(huán)境適應(yīng)性，通過(guò)對(duì)一回路水樣品進(jìn)行實(shí)測(cè)，不斷優(yōu)化、完善譜儀樣機(jī)。

[1]閆學(xué)昆, 劉明健, 賈銘椿, 等. NaI多道脈沖幅度分析系統(tǒng)在燃料元件破損監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 核科學(xué)與工程, 2006, 26(3): 239–242. YAN Xue-kun, LIUming-jian, JIAming-chun, et al. Fuel element rupture detection based on NaI detector andmulti-channel pulse amplitude analyzer [J]. Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 2006, 26(3): 239–242.

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[4]陳亮, 魏義祥. 溴化鑭探測(cè)器γ能譜的MC模擬及特性研究[J].核技術(shù), 2009,32(2): 142–145.

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Development of portableγspectrometer based on LaBr3detector and digitalmulti-channel analyzer

LI Xiao-xu1,2, JIAming-chun1, LIUming-jian2, ZHANG Yan2, LUOming2, YAN Xue-kun2
(1. Department of Nuclear Science and Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. No.92609 Unit of PLA, Beijing 100077, China)

Continuousmonitoring the integrity of fuel element is very important tomaintain the pressurized-water reactor running safely and keep personnel out of nuclear radiation.aportable gamma-ray spectrometer is developed and applied for radionuclides identification in situ and detecting their activity concentration in primary coolant. The detector consists ofa1″×1″ LaBr3scintillation crystal, connected withaCR173 typed photomultiplier,apreamplifier and power supply, and aluminumalloy is chosen for the watertight cylindrical enclosure. The pulse signal was amplified and AD converted firstly, and then transmitted to the digitalmulti-channel analyzer taking FPGA as core. The spectrumdata was read and analyzed by the ARmsystem, so was the humanmachine interaction. Experimental results show that themain index of this portable gamma-ray spectrometer canmeet the needs of in situmonitoring the integrity of fuel element.

fuel element rupture detection；Gamma-ray spectrometer；lanthanumbromide detector；digitalmultichannel analyzer；radionuclides identification

TL817+.2，TL812+.1

A

1672–7619(2016)10–0142–03

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.10.029

2016–08–26；

李曉旭(1978–)，男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)楹松O(jiān)測(cè)與防護(hù)。