袖珍式BGO 晶體伽馬輻射儀的研制

麻金龍，武旭東，王瑋，李婷，段金松，張兆山

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

伽馬輻射儀廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、輻射防護(hù)、地質(zhì)勘探等工作中，具有簡(jiǎn)單可靠、輕便靈活等特點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果是一定時(shí)間內(nèi)輻射總量，反應(yīng)輻射的強(qiáng)弱［1-2］。目前應(yīng)用于地礦行業(yè)的伽馬輻射儀，其探測(cè)器多采用NaI晶體+PMT 組合，NaI晶體易潮解、光電倍增管體積較大且需要高壓電源，導(dǎo)致儀器整體結(jié)構(gòu)較大，在野外地質(zhì)勘探中，略顯笨重［3］。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)、外儀器設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，采用BGO 晶體+SiPM 組合探測(cè)器，設(shè)計(jì)一款袖珍式伽馬輻射儀具有重要意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)理念，集信號(hào)采集、處理、轉(zhuǎn)化、測(cè)量、通信和顯示等功能于一體［4］。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，主要分為上殼、下殼和主體3 部分組成，其結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.1 Exploded view of instrument structure

整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)：

1）整機(jī)上下殼之間有密封圈，使用螺絲和卡扣鎖死，液晶、按鍵、接口部分均采用防水防塵設(shè)計(jì)，可以達(dá)到IP65 防護(hù)等級(jí)；探測(cè)器部分內(nèi)部填充有減震PE 海綿，外殼有減震橡膠，具有良好的減震效果。

2）外殼采用ABS+PC 材料，抗沖擊性能好，整機(jī)輕盈便攜；殼體內(nèi)層電鍍有金屬屏蔽漆，可有效隔離外界電磁干擾；外殼手持部位采用TPE 包膠，防滑、親膚觸感。

3）儀器主體各個(gè)功能模塊采用模塊化接插針?lè)绞竭B接，最大限度減少了內(nèi)部線纜，有效避免了數(shù)據(jù)傳輸線纜斷裂，接口松動(dòng)接觸不良的問(wèn)題，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

4）設(shè)計(jì)有TYPE-C 標(biāo)準(zhǔn)接口，兼數(shù)據(jù)通信、充電、耳機(jī)設(shè)備連接等功能。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案框圖如圖2 所示，主要由探測(cè)器、信號(hào)采集處理、主控系統(tǒng)、智能電源管理及外圍功能模塊組成。其中探測(cè)器采用BGO 晶體+SiPM 組合設(shè)計(jì)［5-6］；信號(hào)采集處理模塊包括信號(hào)提取、整形濾波和信號(hào)甄別電路等；主控系統(tǒng)采用CPLD+低功耗控制器組合方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制；智能電源管理模塊可實(shí)現(xiàn)鋰電池智能充放電管理，保證工作安全，降低整機(jī)功耗［7］；外圍功能模塊包括聲光報(bào)警、液晶顯示、GPS 定位、藍(lán)牙通信和TYPE-C 接口等。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案框圖Fig.2 The diagram of overall design scheme

2.1 探測(cè)器及信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

射線探測(cè)原理如圖3 所示，入射γ射線在閃爍體損耗并沉積能量，引起閃爍體中原子（或離子、分子）的電離激發(fā)，之后受激粒子退激放出閃爍光子，完成射線到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。閃爍光子通過(guò)耦合面，射入光電轉(zhuǎn)換器件（PMT、SiPM 等），將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)后續(xù)信號(hào)處理電路，完成輻射探測(cè)。

圖3 射線探測(cè)原理Fig.3 The principle of ray detection

作為一款袖珍式的伽馬輻射儀，要求體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)探測(cè)器及信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3 個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題需要解決：

1）該儀器采用的是BGO 晶體+SiPM，BGO晶體密度大，比同體積NaI 晶體探測(cè)效率高［8］，所以可以選用小尺寸的BGO 晶體，這就要求從探測(cè)效率和成本兩方面去衡量，選擇適合于該儀器的BGO 晶體。

2）BGO 晶體相對(duì)光輸出較小，且輸出信號(hào)幅度也比較小，要求盡可能的對(duì)光信號(hào)進(jìn)行收集，減小光傳輸過(guò)程中的損耗，所以對(duì)光路的設(shè)計(jì)提出了一定的要求。

3）該儀器采用的是半導(dǎo)體探測(cè)器SiPM，器件暗電流較大，導(dǎo)致輸出信號(hào)信噪比較低，所以如何提取微弱信號(hào)，濾波放大，提高信噪比，也是該儀器設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。

2.1.1 BGO 晶體選型

目前市面上常見(jiàn)的伽馬輻射儀，多采用NaI 晶體+PMT 組合作為輻射探測(cè)器。本設(shè)計(jì)為了選取合適尺寸的BGO 晶體，滿足設(shè)計(jì)要求的探測(cè)效率，采用直徑3 cm，長(zhǎng)度分別為1.5、2.0 和2.5 cm 的BGO 晶 體+SiPM 組 合 探 測(cè) 器，對(duì)5 種伽馬輻射源進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，并與直徑3 cm，長(zhǎng)度為5 cm 的NaI 晶體+PMT 組合探測(cè)器進(jìn)行計(jì)數(shù)對(duì)比。計(jì)數(shù)率對(duì)比如圖4 所示。

由圖4 可見(jiàn)，直徑3 cm，長(zhǎng)度2 cm 的BGO晶體+SiPM 組成的探測(cè)器，對(duì)5 種伽馬輻射源測(cè)得的計(jì)數(shù)率均高于直徑3 cm，長(zhǎng)度為5 cm 的NaI 晶體+光電倍增管組成探測(cè)器測(cè)得的計(jì)數(shù)率的10%上下，已經(jīng)完全滿足探測(cè)效率的需求，結(jié)合成本考慮，選用該尺寸的BGO 晶體。

圖4 計(jì)數(shù)率對(duì)比圖Fig.4 Comparative chart of counting rate

2.1.2 探測(cè)器光收集耦合方案設(shè)計(jì)

本儀器選用的BGO 晶體，其光輸出面為直徑30 mm 的圓，而選用的SiPM 光接接收面為邊長(zhǎng)6 mm 的正方形，兩者面積、形狀不一致，直接耦合在一起，會(huì)降低光收集效率，所以設(shè)計(jì)了BGO 閃爍體與SiPM 的楔形耦合光導(dǎo)，對(duì)光有一定匯聚效果。并且在BGO 閃爍體外壁及光導(dǎo)側(cè)面均勻噴涂了白色反光材料，形成光反射層，可以將BGO 閃爍體發(fā)出的光盡可能多地匯聚到SiPM 光接收面。此外在光導(dǎo)器件裝配過(guò)程中，在其兩端涂抹硅油，排除耦合面的空氣，減少光在傳輸界面上的全反射，進(jìn)一步減少光子損失。探測(cè)器外殼使用金屬材質(zhì)，在晶體與外殼之間填充減震材料。

2.1.3 高靈敏度信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

探測(cè)器使用的BGO 晶體光輸出較弱，此外使用的光電轉(zhuǎn)換器件為SiPM，暗電流較大，為增強(qiáng)信號(hào)輸入響應(yīng)，提高信噪比，本設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路主要考慮以下3 個(gè)方面的問(wèn)題：

1）SiPM 輸出信號(hào)幅度比較小，對(duì)于前端運(yùn)放的要求較高，運(yùn)放輸入噪聲應(yīng)盡可能地小，以減少器件帶入的噪聲。此外，為了減少電路本身對(duì)信號(hào)的損耗，運(yùn)放要求有較大的輸入阻抗，靜態(tài)功耗也盡可能低。單級(jí)的前置放大器，不能將信噪比提高到最佳狀態(tài)，在后續(xù)電路中還要針對(duì)性設(shè)計(jì)濾波電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，進(jìn)一步提高其信噪比；

2）線性放大器的一個(gè)基本要求是穩(wěn)定性。理想的放大電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)完全呈線性關(guān)系，但是，由于組成放大電路的半導(dǎo)體器件均具有非線性特征，同時(shí)放大器的增益可能受到電源電壓不穩(wěn)定、元件老化以及溫度變化的影響，造成放大電路的非線性失真；

3）在計(jì)數(shù)率較高的情況下，會(huì)造成放大器飽和堵塞，易導(dǎo)致信號(hào)丟失，引起漏記。為提高計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)率，可以增加一級(jí)微分電路，使信號(hào)寬度變窄，但是探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過(guò)微分電路之后，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生下沖，引起基線漂移，所以本設(shè)計(jì)利用極零相消技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)電路通過(guò)調(diào)整參數(shù)，使其中一個(gè)零點(diǎn)或極點(diǎn)和另外一個(gè)極點(diǎn)或零點(diǎn)相抵消，就可以消除脈沖下沖的現(xiàn)象［9-10］。

根據(jù)上述分析，采用高精度高輸入阻抗運(yùn)放，結(jié)合外圍電路設(shè)計(jì)前置放大器將SiPM 輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)；設(shè)計(jì)濾波放大電路，進(jìn)一步提升信噪比，并對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大；設(shè)計(jì)有極零相消電路，通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)可以達(dá)到極零相消的目的，將信號(hào)下沖消除。經(jīng)過(guò)上述電路處理后的輸出信號(hào)，信噪比較高，完全滿足后續(xù)電路需求。

2.1.4 信號(hào)甄別電路設(shè)計(jì)

信號(hào)甄別電路設(shè)計(jì)采用閾值窗方法，即，當(dāng)信號(hào)幅值小于識(shí)別下閾時(shí)，該信號(hào)被當(dāng)作干擾而直接丟棄；信號(hào)幅值大于識(shí)別上閾時(shí)，則判斷為宇宙射線被忽略；當(dāng)輸入信號(hào)脈沖幅度介于給定的識(shí)別閾之間時(shí)，則被認(rèn)定為γ射線產(chǎn)生的真實(shí)脈沖信號(hào)［11-12］。信號(hào)甄別示意圖如圖5 所示。

圖5 探測(cè)器信號(hào)幅值甄別示意圖Fig.5 Schematic diagram of detector signal amplitude discrimination

2.2 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 低功耗控制器系統(tǒng)

微控制器采用高性能、低成本的ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32L152 芯片，通過(guò)移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS 實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。系統(tǒng)工作頻率為32 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512 K 字節(jié)的閃存和80 K 字節(jié)的RAM），超低功耗設(shè)計(jì)，具有豐富的I/O 端口及多種外設(shè)，STM32L152 的多種省電模式保證其低功耗應(yīng)用。

FreeRTOS 是一種支持多個(gè)微控制器、輕量級(jí)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持靈活的多任務(wù)調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)基本的實(shí)時(shí)調(diào)度、信號(hào)量、隊(duì)列和存儲(chǔ)管理。存儲(chǔ)空間允許的情況下，F(xiàn)reeRTOS 可支持運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量不受限制，且允許多個(gè)任務(wù)使用同一優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，或啟用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法實(shí)行相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

該儀器移植了FreeRTOS 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)任務(wù)包括OLED 顯示更新任務(wù)、系統(tǒng)信息顯示任務(wù)、按鍵菜單控制任務(wù)、測(cè)量控制任務(wù)和數(shù)據(jù)通信控制任務(wù)，多個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)調(diào)度下輪轉(zhuǎn)運(yùn)行，保證了系統(tǒng)功能的正常，系統(tǒng)任務(wù)控制程序執(zhí)行流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)控制執(zhí)行流程圖Fig.6 Flow chart of control system

2.2.2 CPLD 時(shí)序控制系統(tǒng)

作為一款袖珍式的伽馬輻射儀，在電路設(shè)計(jì)上，為了減少分立元件使用，最大限度集成化，降低整機(jī)功耗，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)使用了可編程邏輯器件（CPLD）設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，利用芯片內(nèi)部邏輯可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)甄別、PWM 信號(hào)生成和聲光報(bào)警等部分的時(shí)序編程控制［13］。

2.3 外圍功能模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)

儀器設(shè)計(jì)有藍(lán)牙通信接口與USB 通信接口。可以作為主機(jī)通過(guò)無(wú)線通信接口與微型熱敏打印機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)打印；也可以作為從機(jī)，通過(guò)無(wú)線或有線通信接口與電腦主機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與主機(jī)控制。配備上位機(jī)軟件，可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載及參數(shù)寫(xiě)入等。

2.3.2 聲光報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輻射儀可以對(duì)環(huán)境中的伽馬輻射強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量。儀器設(shè)計(jì)有聲光報(bào)警系統(tǒng)，聲音鳴響及發(fā)光頻率會(huì)根據(jù)輻射強(qiáng)度變化，提示操作人員。報(bào)警閾值可調(diào)，也可以選擇打開(kāi)關(guān)閉該功能。報(bào)警聲音還可以通過(guò)TYPE-C 耳機(jī)播放，滿足不同場(chǎng)合使用需求，報(bào)警燈還可以作為應(yīng)急照明燈使用。

2.3.3 按鍵顯示模塊設(shè)計(jì)

儀器使用128*64 OLED 顯示屏，其自身可以發(fā)光，亮度、對(duì)比度高，功耗低，有較好的顯示效果，用于系統(tǒng)信息顯示；設(shè)計(jì)有3 個(gè)親膚質(zhì)感硅膠按鍵，可完成系統(tǒng)測(cè)量、設(shè)置及數(shù)據(jù)查看等操作。

2.4 智能電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)作為整機(jī)工作的基礎(chǔ)和前提，其穩(wěn)定性和安全可靠顯得尤為重要。而且對(duì)于袖珍式儀器，功耗也是比較關(guān)鍵的問(wèn)題。本機(jī)采用一節(jié)26650 型鈷酸鋰電池為系統(tǒng)供電，電路設(shè)計(jì)上使用具有高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路的保護(hù)IC 進(jìn)行電路過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流保護(hù)，通過(guò)芯片輸出端精確控制開(kāi)關(guān)管通斷，實(shí)現(xiàn)電池充電回路或放電回路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)降壓型芯片設(shè)計(jì)充電管理電路，實(shí)現(xiàn)5～18 V 寬輸入電壓，對(duì)電池進(jìn)行涓流預(yù)充、恒流和恒壓充電。恒流充電電流通過(guò)設(shè)置Rs（外部電阻）進(jìn)行限制，本設(shè)計(jì)將最大充電電流設(shè)置為1 500 mA，由公式（1）可知Rs等效值為0.067 Ω。預(yù)充電流為恒流充電電流的1/10。為防止充電過(guò)程中溫度過(guò)高或過(guò)低對(duì)電池造成損害，管理芯片內(nèi)置溫度檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)Ts（溫度監(jiān)測(cè)引腳）端電壓實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)。Ts端電壓由電池內(nèi)NTC（熱敏電阻）和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)45%VREG（參考電壓）＜VTs（Ts端電壓）＜80%VREG 時(shí)，系統(tǒng)處于正常工作溫度范圍內(nèi)，超過(guò)該區(qū)域范圍時(shí)，則視為電池溫度過(guò)高或過(guò)低，從而暫停充電過(guò)程，等待溫度恢復(fù)，該電路可有效保證電池充電安全性，提高鋰電池使用壽命。常溫（25℃）時(shí)NTC 熱敏電阻為10 k，設(shè)定保護(hù)溫度為-5～55 ℃時(shí)，NTC 限流電阻、串聯(lián)電阻阻值分別為3.6 和8.2 k。本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)TYPE-C 接口作為充電接口。

式中：IBAT—充電電流，mA。

3 整機(jī)性能測(cè)試

3.1 相對(duì)示值誤差測(cè)試

選用不同標(biāo)稱值模型體源，設(shè)置單次測(cè)量時(shí)間為10 s，測(cè)量組數(shù)為10 組，計(jì)算3 臺(tái)樣機(jī)的相對(duì)示值誤差［14-15］，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。根據(jù)檢定規(guī)程JJG（軍工）29—2012《輕便γ 總量閃爍輻射儀》［16］要求示值誤差不大于7.5%可知，計(jì)算測(cè)試結(jié)果符合規(guī)程要求。

表1 樣機(jī)相對(duì)示值誤差測(cè)量結(jié)果Table 1 Relative indication error of prototype

3.2 重復(fù)性測(cè)試

將3 臺(tái)樣機(jī)置于模型體源表面中心位置，進(jìn)行測(cè)量，單次測(cè)量時(shí)間為60 s，連續(xù)測(cè)量10 次，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。根據(jù)第3.1 節(jié)檢定規(guī)程要求重復(fù)性優(yōu)于5%可知，測(cè)試結(jié)果符合規(guī)程要求。

表2 樣機(jī)重復(fù)性測(cè)量結(jié)果Table 2 Repeatability of prototype

3.3 環(huán)境高低溫實(shí)驗(yàn)

環(huán)境高低溫實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)儀器在惡劣環(huán)境下工作是否穩(wěn)定和可靠的重要步驟。使用型號(hào)為CTH-SG65150-02F 的溫度試驗(yàn)箱，以3℃·min-1的速率，先由常溫降至-10℃，依次升溫到20、50℃，在每個(gè)溫度點(diǎn)保持2 h 后進(jìn)行測(cè)量。其中，各溫度點(diǎn)單次測(cè)量時(shí)間60 s，測(cè)量5 次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，根據(jù)EJ/T 757—1993T 鈾礦山γ輻射取樣、γ編錄標(biāo)準(zhǔn)［17］中要求測(cè)量值與正常溫度條件下（20±2℃）相比，相對(duì)誤差不大于±10%可知，其測(cè)量結(jié)果在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。

表3 樣機(jī)環(huán)境高低溫實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Table 3 The temperature experiment of prototype

4 結(jié) 論

袖珍式伽馬輻射儀創(chuàng)新使用了BGO 晶體+SiPM 組合探測(cè)器，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)問(wèn)題逐個(gè)突破，完成整機(jī)設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)儀器，具有以下優(yōu)勢(shì)：1）小巧便攜，整機(jī)長(zhǎng)15 cm，重量?jī)H約290 g；2）IP65 防護(hù)等級(jí)，具有應(yīng)急燈，更加適用于野外環(huán)境；3）TYPE-C 多功能接口，可用于充電、數(shù)據(jù)傳輸及連接耳機(jī)；4）采用低功耗設(shè)計(jì)，可連續(xù)工作48 h。該儀器既可以用于野外地質(zhì)勘探，也可用于普通民眾生活環(huán)境輻射測(cè)量，具有廣闊的市場(chǎng)前景。