便攜式α-β-γ譜儀設(shè)計(jì)

劉怡文，趙朝陽，王玉東，熊 浩，楊 鋒，董春輝，王忠海，周 榮，楊朝文

(四川大學(xué)物理學(xué)院 輻射物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064)

1 引 言

在輻射環(huán)境監(jiān)測和核安全排查等領(lǐng)域，放射性核素的現(xiàn)場化分析有助于相關(guān)人員對事故現(xiàn)場進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的評估，對于現(xiàn)場的應(yīng)急響應(yīng)和處理具有重大意義[1]. 便攜式譜儀因?yàn)榭梢詫Ψ派湫院怂剡M(jìn)行現(xiàn)場化的定量與定性分析而被廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域. 目前常見的便攜式譜儀以γ譜儀為主，可用于γ劑量率和γ能譜的測量. 對于α-β粒子的測量，目前常用的便攜式儀器為α-β表面沾染儀，主要基于ZnS(Ag)復(fù)合閃爍體探測器，該類儀器具有穩(wěn)定可靠、成本低廉、使用方便的特點(diǎn)，但只可用于計(jì)數(shù)測量以獲取劑量率信息，無法對核素種類進(jìn)行分析[2]. 對于未知涉核物質(zhì)的測量，分析其核素種類與獲取其劑量率信息一樣重要[3]. 因此，近年來國內(nèi)外也開展了關(guān)于便攜式α譜儀的研究[3-4]. 然而，上述便攜式譜儀只可對α-β粒子或γ射線進(jìn)行測量，對于一些同時具有α-β粒子和γ射線的環(huán)境監(jiān)測[5]和應(yīng)急事故場景[6]，現(xiàn)有便攜式譜儀無法單獨(dú)完成測量工作，需要多臺設(shè)備同時使用，給相關(guān)工作人員做出快速準(zhǔn)確的評估與處理帶來不便.

本文設(shè)計(jì)了一種可測量α-β-γ射線的便攜式譜儀. 該譜儀采用PIPS探測器對α-β粒子進(jìn)行測量以獲得高分辨的α-β能譜，采用LaBr3(Ce)探測器對γ射線進(jìn)行測量以獲得高分辨的γ能譜. 它能夠同時測量α-β-γ射線并獲取高分辨的能譜，有助于相關(guān)人員對測量現(xiàn)場做出快速準(zhǔn)確的評估與處理.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

譜儀由6個功能模塊構(gòu)成(見圖1). 其中核信號獲取模塊由兩路探測器構(gòu)成，分別對α-β粒子和γ射線進(jìn)行測量. 信號調(diào)理模塊用以對探測器輸入信號進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)，以使其匹配后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊. 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過高速ADC對信號進(jìn)行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸出到信號處理模塊. 信號處理模塊使用FPGA對數(shù)字化的信號進(jìn)行處理與分析以得到實(shí)時能譜，并將其傳輸至控制模塊. 控制模塊通過對外設(shè)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)譜儀系統(tǒng)的便攜式功能. 此外電源模塊用以給電路和探測器供電，以使其正常工作. 其中程控的LaBr3(Ce)探測器高壓模塊和控制模塊共同構(gòu)成了穩(wěn)譜系統(tǒng)，使得譜儀具有良好的溫度穩(wěn)定性.

圖1 便攜式譜儀功能框圖Fig.1 Functional block diagram of portable spectrometer

2.1 核信號獲取模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 α-β探測器選型 ZnS(Ag)復(fù)合閃爍體探測器是最為常見的α-β表面沾染儀探頭，該探測器具有良好的探測效率和較大的靈敏面積，但因其能量分辨率較差通常只用于計(jì)數(shù)測量. 金硅面壘探測器和PIPS探測器均具有高能量分辨率的特性，是最為常見的α-β譜儀探頭. 相較金硅面壘探測器，PIPS探測器具有良好的溫度穩(wěn)定性和可清洗的特性. 因此，選用PIPS探測器作為譜儀的α-β探測器，探測器的靈敏面積為1 200 mm2，最大厚度為325 μm.

2.1.2 γ探測器選型 NaI(TI)探測器具有寬測量范圍和低造價的特性是最為常見的便攜式γ譜儀探頭. 但由于其能量分辨率較差，因此不適用于復(fù)雜情況下的核素識別. CZT探測器具有良好的能量分辨率，但受限于體積，其對高能γ的探測效率較低，因此多用于核醫(yī)學(xué)，工業(yè)CT和宇宙線測量等中低能γ射線測量場景[7]. 相較NaI(TI)探測器，LaBr3(Ce)探測器具有良好的能量分辨率，可用于復(fù)雜環(huán)境下的核素識別. 此外由于其對高能γ射線的探測效率遠(yuǎn)高于CZT探測器，因此選用LaBr3(Ce)探測器作為本譜儀的γ探測器，晶體的尺寸為?38 mm×38 mm.

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

因探測器種類、入射粒子能量以及前放電路的不同，探測器前放輸出的信號幅度范圍可由幾毫伏至幾伏. 然而高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量程通常不超過2 V，因此需對探測器前放電路輸出的信號進(jìn)行幅度調(diào)理，使調(diào)理后的信號范圍與高速ADC的量程相匹配. 譜儀系統(tǒng)的信號調(diào)理電路由兩級構(gòu)成，第一級為可變增益放大器AD605，通過該放大器對探測器前放電路輸出的單端信號進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)，使其輸出信號范圍與高速ADC的量程相匹配. 此外，由于電路中高性能ADC通常使用差分輸入抑制共模噪聲和干擾[8]，因此在第二級使用ADA4932作為單倍增益ADC驅(qū)動器，將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號后，再將其輸入到ADC以獲得最佳性能.

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

對于PIPS探測器，其輸出信號的上升時間受偏壓和入射粒子種類的影響. 由于本譜儀為PIPS探測器所供高壓是一定值，因此輸出信號的上升時間由入射粒子種類決定. 通常情況下，α粒子所產(chǎn)生信號的上升時間為40～75 ns，β粒子所產(chǎn)生信號的上升時間為90～120 ns[9]. 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算可知PIPS探測器輸出信號帶寬約為2.91～8.75 MHz，因此依據(jù)奈奎斯特采樣定理，對于譜儀系統(tǒng)的α-β信號路，ADC的最低采樣頻率為17.5 MSPS. 由于實(shí)際信號會受噪聲影響，為獲得較佳信噪比，選用100 MSPS采樣頻率對PIPS探測器輸出信號進(jìn)行過采樣.

(1)

式中，BW為信號帶寬；RT為信號10%～90%的上升邊.

通常認(rèn)為LaBr3(Ce)晶體的發(fā)光衰減為20～35 ns[10]，因此LaBr3(Ce)探測器輸出信號帶寬約為10～17.5 MHz. 為獲得較佳信噪比，亦采用100 MSPS采樣頻率對γ信號進(jìn)行過采樣.

為了不使系統(tǒng)能量分辨率變差，通常峰的半高寬度應(yīng)取5～10道[11]. 因此綜合探測器的能量分辨率和測量范圍進(jìn)行考慮，選用ADI公司的12 bit低功耗高速ADC AD9230以100 MSPS采樣頻率對兩路探測器的輸出信號進(jìn)行采樣.

2.4 信號處理電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是信號處理電路的核心部件，主要負(fù)責(zé)對ADC輸入波形進(jìn)行處理并得到能譜. 本譜儀電路的FPGA程序由濾波成型，動態(tài)基線獲取，過閾觸發(fā)，峰值獲取，能譜統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)通信六個功能模塊構(gòu)成. FPGA程序首先使用濾波成形模塊對ADC輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過動態(tài)基線獲取模塊得到實(shí)時基線，以此避免因電子學(xué)基線的溫度效應(yīng)所帶來的譜漂. 接著過閾觸發(fā)模塊和峰值獲取分別用于甄別有效信號和提取有效信號的峰值信息. 最后使用能譜統(tǒng)計(jì)模塊對獲取的峰值信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以得到能譜，并使用數(shù)據(jù)通信模塊將實(shí)時能譜傳輸給MCU.

2.5 譜儀控制電路設(shè)計(jì)

譜儀系統(tǒng)的控制部分由微控制單元(MCU)和外設(shè)構(gòu)成，通過MCU對外設(shè)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)譜儀系統(tǒng)的便攜式功能. MCU程序包含溫度測量，能譜存儲，上位機(jī)通訊和人機(jī)交互四個功能模塊. 其中溫度測量模塊用于對γ能譜進(jìn)行穩(wěn)譜. 使用靠近LaBr3(Ce)探測器的溫度芯片對LaBr3(Ce)探測器光電倍增管的溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度發(fā)生較大變化時(大于0.5 ℃)，通過調(diào)節(jié)高壓使光電倍增管增益恒定，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時穩(wěn)譜. 能譜存儲模塊用于存儲儀器所測量的能譜，用戶可通過上位機(jī)程序?qū)⒋鎯Φ哪茏V讀回. 上位機(jī)通訊模塊則用于實(shí)現(xiàn)儀器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)和指令通訊. 人機(jī)交互模塊由按鍵和屏幕構(gòu)成，用戶可通過屏幕讀取實(shí)時能譜，并使用按鍵對儀器進(jìn)行參數(shù)和狀態(tài)設(shè)置.

2.6 電源電路設(shè)計(jì)

譜儀的電源電路用于給各芯片和探測器供電. 由于模擬信號對噪聲極為敏感，因此使用具有超低輸出噪聲和寬頻率范圍內(nèi)高PSRR特性的LDO芯片對模擬器件進(jìn)行供電，以獲得最佳信噪比. DC-DC芯片具有較高的效率和功率密度，因此選用DC-DC芯片對噪聲敏感度相對較低的數(shù)字器件進(jìn)行供電，以減小譜儀的發(fā)熱和功耗.

相較實(shí)驗(yàn)室儀器，便攜式譜儀需工作在更寬的溫度范圍內(nèi)且通常缺少標(biāo)準(zhǔn)放射源對其進(jìn)行重新刻度. 因此本譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于溫度芯片和程控高壓的穩(wěn)譜模塊以保證系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性. 對于PIPS探測器，由于其漏電流極低，因此在-20～50 ℃范圍內(nèi)，溫度的變化不會導(dǎo)致明顯的峰漂移[12]，故譜儀使用70 V的固定高壓給PIPS探測器供電.

對于LaBr3(Ce)探測器，由于其晶體具有良好的溫度穩(wěn)定性[13]，因此光電倍增管的溫度效應(yīng)是導(dǎo)致峰漂移的主要因素. 故對于LaBr3(Ce)探測器采用程控高壓模塊進(jìn)行供電，同時使用溫度芯片對LaBr3(Ce)探測器光電倍增管的溫度進(jìn)行監(jiān)測. 當(dāng)溫度發(fā)生較大變化時，通過譜儀控制電路對程控高壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使光電倍增管增益為一定值，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜.

3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)上述方案制作了便攜式α-β-γ譜儀的原理樣機(jī)如圖2所示. 原理樣機(jī)的整機(jī)尺寸為(長×厚×寬)：315 mm×190 mm×126 mm，儀器重2.098 kg.

圖2 便攜式α-β-γ譜儀Fig.2 Portable α-β-γ spectrometer

3.1 α能量分辨率

實(shí)驗(yàn)使用譜儀系統(tǒng)對241Am能譜進(jìn)行測量，所得能譜如圖3所示. 通過計(jì)算得到其對于241Am(5.486 MeV)的半高展寬為138.87 keV.

圖3 真空中的241Am能譜Fig.3 The energy spectrum of 241Am in vacuum

3.2 α/β表面發(fā)射率響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)分別使用241Am源(α源)和90Sr-90Y源(β源)在空氣中對譜儀的α/β表面發(fā)射率響應(yīng)進(jìn)行測試. 測試所用241Am源為標(biāo)準(zhǔn)平面源，放射源直徑為90 mm，活度為1.3×106/(min·2πsr)，測試時放射源距PIPS探測器窗5mm. 測試所用90Sr-90Y源為標(biāo)準(zhǔn)平面源，放射源面積為140 mm×100 mm，活度為1.66×107/(min·2πsr)，測試時放射源距PIPS探測器窗5 mm.

表1 α/β表面發(fā)射率響應(yīng)Tab.1 The surface emissivity responses of α and β

3.3 α/β串道率

α/β的串道會影響樣品的放射性測量結(jié)果，特別是對低活度的環(huán)境樣品進(jìn)行測量時，影響會更加明顯. 本實(shí)驗(yàn)使用241Am α源和90Sr-90Y β源在真空中(0.1 atm)對譜儀的α/β串道率進(jìn)行測試. 如圖4所示為真空中的α譜和β譜.

圖4 真空中的241Am和90Sr-90Y能譜Fig.4 The energy spectrum of 241Am and 90Sr-90Y in vacuum

選擇300道作為α和β道的分界線，得到真空中α粒子對β道串道率為0.510%，β粒子對α道串道率為0.047%.

3.4 γ能譜的測量范圍

實(shí)驗(yàn)通過測量137Cs源能譜驗(yàn)證譜儀的γ能量測量下限，所測能譜如圖5所示.

圖5 γ能量測量下限Fig.5 The lower limit of γ energy measurement

圖5中最左側(cè)的尖峰為137Cs的特征X射線峰，能量為32.19 keV. 因此譜儀的γ能量測量下限為30 keV.

由于實(shí)驗(yàn)室常用γ源的最高能量為1.33 MeV(60Co)，因此使用能量刻度的方法確定譜儀γ能量測量上限. 實(shí)驗(yàn)通過137Cs、60Co源對譜儀進(jìn)行標(biāo)定，各全能峰對應(yīng)道數(shù)如表2所示.

表2 全能峰峰位道址Tab.2 Full energy peaks corresponding to the number of channels

使用表2數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到譜儀系統(tǒng)的γ能量道數(shù)關(guān)系式:

y=3.04x+9.64

(2)

式中x為道數(shù)，y為能量，由于譜儀系統(tǒng)為1 024道，因此本譜儀的γ測量上限為3 122.60 keV. 譜儀系統(tǒng)的γ能量測量范圍為30 keV～3 MeV.

3.5 γ能量分辨率

使用譜儀測量137Cs能譜，通過計(jì)算得到譜儀的能量分辨率(662 keV)如表3所示，由表3可知譜儀的γ能量分辨率小于3.4%(662 keV).

表3 譜儀系統(tǒng)γ能量分辨率Tab.3 Gamma energy resolutions

3.6 γ能譜溫度穩(wěn)定性

在-10～40 ℃溫度范圍內(nèi)，分別使用穩(wěn)譜后的譜儀系統(tǒng)和未穩(wěn)譜的譜儀系統(tǒng)測量了60Co能譜. 圖6和圖7分別為60Co兩個全能峰峰位道數(shù)在穩(wěn)譜前后的對比.

圖6 穩(wěn)譜前后1 173 keV峰位變化Fig.6 The change of 1 173 keV with and without stabilizing method

圖7 穩(wěn)譜前后1 332 keV峰位變化Fig.7 The change of 1 332 keV with and without stabilizing method

由圖6和圖7可見，未穩(wěn)譜時60Co全能峰的峰位變化可達(dá)90道. 采用穩(wěn)譜方法后，峰位變化最大為3道，因此穩(wěn)譜后的譜儀具有較好的溫度穩(wěn)定性.

4 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種可測量α-β-γ射線的便攜式譜儀系統(tǒng)，并對其性能進(jìn)行了測試. 對于α-β粒子的測量，譜儀系統(tǒng)的α能量分辨率小于140 keV(5.486 MeV，0.1 atm)，α粒子串β道的串道率為0.510%(241Am)，β粒子串α道的串道率為0.047%(90Sr-90Y)，α表面發(fā)射率響應(yīng)為67.34%(241Am)，β表面發(fā)射率響應(yīng)為19.13%(90Sr-90Y). 對于γ射線的測量，譜儀系統(tǒng)的γ測量范圍為30 keV～3 MeV，γ能量分辨率小于3.4%(662 keV). 此外，基于探測器和電子學(xué)溫度特性的無源穩(wěn)譜設(shè)計(jì)使得譜儀在-10～40 ℃溫度范圍內(nèi)具有良好的溫度穩(wěn)定性，有利于溫度劇烈變化情況下的能譜測量及后續(xù)的能譜分析. 相較于現(xiàn)有便攜式譜儀，本譜儀系統(tǒng)除可用于一般情況下的環(huán)境和放射性沾染測量外，對于福島核電站泄漏這類復(fù)雜的突發(fā)事故場景，譜儀可同時測量α-β-γ能譜的功能將有助于相關(guān)人員對此類場景進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的評估.