航空伽瑪測(cè)量穩(wěn)譜電路設(shè)計(jì)

孫肖南，孫 陶，李江坤，張文峰，吳 雪

(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，石家莊 050002；2.鈾資源地球物理勘查技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050002；3.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050002)

0 引言

天然放射性元素發(fā)出的伽瑪射線特征峰能量固定，各特征峰數(shù)據(jù)在能譜測(cè)量中的記數(shù)道位置也固定；但是在航空伽瑪能譜測(cè)量中，對(duì)伽瑪射線的接收主要采用NaI(Tl)晶體與光電倍增管電路，碘化鈉晶體發(fā)光效率和光電倍增管的放大性能受溫度變化的影響，在能譜測(cè)量工作中，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生能譜數(shù)據(jù)記錄道數(shù)的非線性漂移[1-2]，影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此在放射性伽瑪能譜測(cè)量中，設(shè)計(jì)自動(dòng)穩(wěn)譜電路，減小能譜測(cè)量數(shù)據(jù)的漂移，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量有著非常重要的意義；伽瑪能譜測(cè)量自動(dòng)穩(wěn)譜技術(shù)是在測(cè)量中利用軟件尋找天然放射性元素具有的伽瑪射線能量特征峰數(shù)據(jù)，計(jì)算中心峰位與相應(yīng)的特征峰標(biāo)準(zhǔn)峰位道數(shù)偏差，跟據(jù)偏差數(shù)據(jù)控制穩(wěn)譜電路調(diào)整能譜測(cè)量信號(hào)脈沖的大小，減小特征峰記錄道數(shù)的漂移；常用于穩(wěn)譜的天然放射性元素特征峰有：40K 1.46 MeV、214Bi 1.76 MeV、208Th 2.615 MeV以及測(cè)試源137Cs 0.662 MeV[3]；航空伽瑪測(cè)量穩(wěn)譜電路設(shè)計(jì)采用軟件尋峰控制，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)特征峰位的漂移變化，利用軟件程序調(diào)整控制能譜信號(hào)增益、調(diào)整信號(hào)電平相對(duì)基線的偏移變化，減小環(huán)境溫度變化引起的能譜數(shù)據(jù)非線性漂移；設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1)高壓調(diào)整控制電路：在穩(wěn)譜軟件控制下利用單片機(jī)調(diào)整光電倍增管高壓，改變信號(hào)增益，穩(wěn)定信號(hào)輸出幅度；2)信號(hào)脈沖電平疊加與消減電路：在穩(wěn)譜軟件控制下利用單片機(jī)操作信號(hào)脈沖電平疊加與消減，平移能譜信號(hào)脈沖幅度；3)單片機(jī)控制電路：執(zhí)行單片機(jī)與數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)傳輸，跟據(jù)接收到的穩(wěn)譜命令控制穩(wěn)譜電路的工作狀態(tài)[4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

圖1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在能譜儀器測(cè)量工作中，伽瑪射線照射到能譜探測(cè)器晶體上，在晶體內(nèi)部產(chǎn)生電離，電離產(chǎn)生的熒光在光電倍增管陰極打出電子，電子在光電倍增管內(nèi)部經(jīng)多級(jí)倍增放大，在陽(yáng)極產(chǎn)生電荷信號(hào)脈沖，其陽(yáng)極信號(hào)的放大與光電倍增管的高壓存在指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系[5]，本設(shè)計(jì)電路利用stm32f407調(diào)整光電倍增管的高壓控制光電倍增管信號(hào)脈沖輸出的幅度；電荷脈沖信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)入信號(hào)脈沖幅度調(diào)整電路，脈沖幅度調(diào)整電路可以在信號(hào)脈沖幅度上進(jìn)行電平電壓的疊加，調(diào)整信號(hào)的增加或減小，利用stm32f407控制脈沖幅度調(diào)整電路調(diào)整信號(hào)對(duì)基線的偏移；多道分析器電路將接收到的脈沖信號(hào)分析、處理，輸出1 024道全譜數(shù)據(jù)；并通過(guò)單片機(jī)電路發(fā)送到能譜數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)；在數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)中運(yùn)行的穩(wěn)譜軟件，循環(huán)不斷的對(duì)接收到的1 024道全譜數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定時(shí)間的計(jì)數(shù)累加，當(dāng)設(shè)定的計(jì)數(shù)累加時(shí)間結(jié)束，大量的能譜測(cè)量累加數(shù)據(jù)，特征峰計(jì)數(shù)曲線符合高斯分布[6]，穩(wěn)譜尋峰程序利用逐道比較法在1 024道能譜測(cè)量累加數(shù)據(jù)中尋找可用的特征峰以及特征峰數(shù)據(jù)的左右邊界，計(jì)算特征峰位計(jì)數(shù)的中心峰位和中心峰位與標(biāo)準(zhǔn)峰位的偏移大小，以及特征峰位之間的相對(duì)記錄數(shù)據(jù)位置的偏移量，計(jì)算出調(diào)整控制參數(shù)并通過(guò)串口發(fā)送到stm32f407控制單元，利用stm32f407控制穩(wěn)譜電路執(zhí)行相關(guān)功能的穩(wěn)峰操作，穩(wěn)定能譜特征鋒位的數(shù)據(jù)記錄，穩(wěn)譜程序工作如圖2所示[7-8]。

圖2 穩(wěn)譜程序流程框圖

在連續(xù)的伽瑪能譜測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)累加中，各道能譜數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)經(jīng)一定時(shí)間的測(cè)量數(shù)據(jù)累加，累加數(shù)據(jù)中放射性元素能譜特征峰計(jì)數(shù)曲線符合正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律，特征峰中心峰位計(jì)算如下：

nl為特征峰的左邊界道值,nr為特征峰的右邊界道值,Ci代表各道計(jì)數(shù)，i代表能譜道數(shù)。

穩(wěn)譜常用的幾種放射性元素能量及特征峰中心峰位記錄道數(shù)如表1所示。

表1 放射性元素特征峰位

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

放射性能譜測(cè)量自動(dòng)穩(wěn)譜電路設(shè)計(jì)包括：1)stm32f407單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和穩(wěn)譜控制電路：負(fù)責(zé)接收多道能譜分析器發(fā)送的1 024道能譜數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口將接收的能譜數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)，通過(guò)串口接收穩(wěn)譜控制命令并執(zhí)行穩(wěn)譜命令的相關(guān)操作;2)由stm32f407控制的光電倍增管高壓調(diào)整控制電路;3)由stm32f407控制的能譜脈沖信號(hào)加減電平電路;4)系統(tǒng)電源供電電路。

電路設(shè)計(jì)中，能譜探測(cè)器光電倍增管采用進(jìn)口型號(hào)，高壓工作范圍為1 000～1 400 V；高壓電路設(shè)計(jì)采用國(guó)產(chǎn)高壓電源模塊HG-P152-1M66，12 V電壓輸入，最高輸出1 500 V可調(diào)整高壓。

2.1 stm32F407單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和控制電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)譜控制處理電路采用ST公司Cortex M4內(nèi)核stm32f407單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成；利用stm32f407單片機(jī)接收能譜多道分析器電路發(fā)送的1 024道全譜數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口將接收到的全譜數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)，同時(shí)stm32F4單片機(jī)通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)發(fā)來(lái)的穩(wěn)譜控制命令，根據(jù)穩(wěn)譜命令內(nèi)容控制光電倍增管的高壓調(diào)整和控制信號(hào)脈沖幅度調(diào)整電路的電平調(diào)整數(shù)值；STM32F407單片機(jī)設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 stm32f407單片機(jī)控制電路電路設(shè)計(jì)圖

stm32f407單片機(jī)通過(guò)串口PA10實(shí)時(shí)發(fā)送1 024道全譜數(shù)據(jù)到收錄系統(tǒng)，同時(shí)不斷監(jiān)測(cè)串口的接收狀態(tài)，通過(guò)串口PA9、接收數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)穩(wěn)譜程序發(fā)送來(lái)的穩(wěn)譜高壓調(diào)整指令和峰位調(diào)整指令；單片機(jī)根據(jù)指令中調(diào)整數(shù)據(jù)的大小 通過(guò)PA4和PA5口輸出相應(yīng)的模擬控制電壓，輸出的模擬信號(hào)DAC2調(diào)整光電倍增管工作高壓，DAC1調(diào)整能譜接收信號(hào)脈沖幅值增量，單片機(jī)通過(guò)PD0和PD1接口分別操縱模擬開(kāi)關(guān)SGM3001_A和SGM3001_B控制能譜數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖幅度基值的增加或減小[9-10]。

2.2 光電倍增管高壓調(diào)整控制電路設(shè)計(jì)

光電倍增管高壓調(diào)整由程序命令進(jìn)行控制，高壓調(diào)整電路設(shè)計(jì)如圖4所示，高壓模塊選用HG-P152-1M66，高壓輸出為0～1 500 V，高壓調(diào)整控制電壓為0～5 V；設(shè)計(jì)電路選用光電倍增管高壓工作范圍在1 000～1 400 V，考慮到所使用光電倍增管的型號(hào)更換，增強(qiáng)電路的兼容性，設(shè)計(jì)電路高壓調(diào)整范圍為700～1 400 V；光電倍增管高壓調(diào)整控制是由stm32f407單片機(jī)D/A模擬輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)置單片機(jī)控制電壓輸出范圍為：0～2.5 V，由J2插口送入高壓調(diào)整控制電路，與MAX6062輸出的基準(zhǔn)電壓疊加，控制高壓模塊的調(diào)整電壓輸入端，電路中放大電路芯片采用AD8065，AD8065輸出端電壓設(shè)計(jì)符合下式規(guī)律：VHV-ADJ=VD/A+2，輸出的調(diào)整控制電壓2～4.5 V，對(duì)應(yīng)高壓輸出范圍為650～1 400 V。

圖4 高壓調(diào)整電路設(shè)計(jì)圖

2.3 能譜信號(hào)脈沖幅度加減電平電路

能譜信號(hào)脈沖幅度加減電平調(diào)整由程序命令控制，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。信號(hào)脈沖幅度調(diào)整設(shè)計(jì)為：信號(hào)脈沖到來(lái)時(shí)允許進(jìn)行幅度調(diào)整，信號(hào)脈沖消失后保持基線狀態(tài)，信號(hào)脈沖幅度調(diào)整功能不起作用；電路設(shè)計(jì)主要包括放大電路、信號(hào)比較電路和高速電子開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成，所采用的芯片主要有：AD8065、MAX913、SGM7222和SGM3001。電路利用接收到的信號(hào)脈沖通過(guò)MAX913比較器產(chǎn)生與接收到的信號(hào)脈沖同步的方波信號(hào)，控制SGM7222電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)閉，保證只有信號(hào)脈沖到來(lái)時(shí)，才起調(diào)節(jié)作用；SGM7222模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)為高電平時(shí)，將單片機(jī)控制輸出的模擬電壓接入信號(hào)脈沖放大電路，模擬電壓由穩(wěn)譜控制控制命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到，模擬電壓作為信號(hào)脈沖幅度增加或減小的調(diào)整值；SGM7222模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)為低電平時(shí)，將地電平接入信號(hào)電路，使得電路基線電平保持不變。能譜信號(hào)脈沖幅度的調(diào)節(jié)大小及方向由運(yùn)行在數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)的自動(dòng)穩(wěn)譜程進(jìn)行控制，STM32f407單片機(jī)通過(guò)串口接收發(fā)送來(lái)的穩(wěn)譜命令，操縱脈沖幅度調(diào)整電路執(zhí)行相應(yīng)的命令動(dòng)作，單片機(jī)通過(guò)對(duì)兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)SGM3001的控制操作來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)脈沖幅度增加或減小的操作功能，單片機(jī)PD0口操縱的SGM3001電子開(kāi)關(guān)控制信號(hào)脈沖幅度的增加操作，PD1口連接的SGM3001電子開(kāi)關(guān)控制信號(hào)基脈沖幅度的減小操作[11-12]。

圖5 信號(hào)脈沖幅度調(diào)整電路設(shè)計(jì)圖

2.4 電源電路

設(shè)計(jì)電路供電采用12 V電壓輸入，12 V電壓分別供給高壓電源模塊HG-P152-1M66和開(kāi)關(guān)電源芯片MP1482，通過(guò)電源芯片MP1482及相關(guān)元件電路得到5 V電路工作電壓，其輸出電流可達(dá)2 A，效率93%，工作溫度范圍-40～85 ℃。

3 穩(wěn)譜電路控制軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)穩(wěn)譜程序在收錄系統(tǒng)中不斷的對(duì)接收到的放射性全譜數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，在設(shè)定的數(shù)據(jù)累加時(shí)間結(jié)束，尋峰程序采用逐道比較法尋找適合于穩(wěn)譜控制的特征峰，計(jì)算特征峰中心峰位的數(shù)據(jù)偏移，以及各特征峰位的相對(duì)偏移數(shù)據(jù)，通過(guò)串口向stm32f407單片機(jī)控制電路發(fā)送相應(yīng)的能譜特征峰數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)偏離調(diào)整命令，stm32f407單片機(jī)控制和操縱穩(wěn)譜電路執(zhí)行相應(yīng)命令的數(shù)據(jù)操作；

自動(dòng)穩(wěn)譜電路控制采用stm32f407單片機(jī)，stm32f407軟件編程包括單片機(jī)系統(tǒng)的初始化程序，主要有系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、GPIO接口初始化、DMA通道初始化、中斷初始化、以及串口初始化和模擬端口的初始化，單片機(jī)初始化程序完畢后自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，將從能譜多道分析器電路接收到的1 024道全譜數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送到數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)，同時(shí)不斷的監(jiān)測(cè)串口輸入，通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)發(fā)出的穩(wěn)譜操作指令，根據(jù)穩(wěn)譜控制命令執(zhí)行相應(yīng)的電路操作。stm32f407單片機(jī)接收穩(wěn)譜數(shù)據(jù)指令，調(diào)整控制程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 stm32f407單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)框圖

stm32f407單片機(jī)通過(guò)PC11引腳接收多道能譜分析器發(fā)出的1 024道全譜數(shù)據(jù)，通過(guò)DMA通道傳輸?shù)酱诎l(fā)送緩沖區(qū)，按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式通過(guò)串口發(fā)送引腳PA9實(shí)時(shí)向收錄系統(tǒng)發(fā)送所接收的1 024道全譜數(shù)據(jù)，同時(shí)串口接收引腳PA10實(shí)時(shí)的等待接收收錄系統(tǒng)穩(wěn)譜程序發(fā)來(lái)的穩(wěn)譜控制命令，命令格式設(shè)計(jì)為：高壓調(diào)整命令為：Vdddd 加回車(chē)換行符結(jié)束，其中“V”為英文大寫(xiě)字母，后跟的“dddd”為4位要調(diào)整的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，01 000峰位道數(shù)向高偏移調(diào)整，dddd<1 000峰位道數(shù)向低偏移調(diào)整，900

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

系統(tǒng)測(cè)試?yán)么谲浖绦蛲ㄟ^(guò)串口分別發(fā)送高壓調(diào)整命令和脈沖信號(hào)幅度調(diào)整命令，檢查調(diào)整電路對(duì)調(diào)整參數(shù)的反應(yīng)狀態(tài)。

4.1 光電倍增管高壓與調(diào)整參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)試

光電倍增管工作點(diǎn)設(shè)定高壓為1 207 V，對(duì)應(yīng)的調(diào)整數(shù)據(jù)為2 178，以2 178為調(diào)整數(shù)據(jù)中心點(diǎn)，連續(xù)的增加和減小數(shù)值，測(cè)試高壓的變化；高壓調(diào)整參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 調(diào)整參數(shù)與高壓測(cè)試表

由測(cè)量數(shù)據(jù)得到調(diào)整數(shù)據(jù)與高壓輸出線性趨勢(shì)線：y=0.263 3x+633.41，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 7。

由高壓調(diào)整測(cè)試數(shù)據(jù)表顯示，光電倍增管高壓由單片機(jī)控制可以進(jìn)行0.2～0.3伏的變化的調(diào)整，對(duì)于鉀道1.76 MeV的特征峰有0.4道左右變化量的調(diào)整，且測(cè)試數(shù)據(jù)的線性度比較好，滿足高壓調(diào)整設(shè)計(jì)的要求。

4.2 信號(hào)脈沖增加消減電平電路測(cè)試

1 024道能譜數(shù)據(jù)特征峰道數(shù)偏移與調(diào)整參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)試，利用信號(hào)幅度調(diào)整命令通過(guò)串口發(fā)送調(diào)整指令，采用改變調(diào)整數(shù)據(jù)參數(shù)測(cè)量調(diào)整輸出電壓進(jìn)行測(cè)試，電路設(shè)計(jì)中：每道信號(hào)電壓=2 000 mV/1 024=1.953 mV/道，利用測(cè)試電壓與道數(shù)偏移的線性關(guān)系計(jì)算出偏移道數(shù)：道數(shù)偏移=V/1.953 V為測(cè)試電壓，單位為毫伏。脈沖幅度調(diào)整參數(shù)與道偏移測(cè)試如表3所示。

表3 脈沖幅度調(diào)整參數(shù)與能譜偏移道數(shù)測(cè)試表

由測(cè)量數(shù)據(jù)得到峰位調(diào)整參數(shù)與能譜道數(shù)偏移趨勢(shì)線：y=0.406 1x+406.12，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9。

由脈沖幅度調(diào)整測(cè)試數(shù)據(jù)可看出脈沖幅度調(diào)整，一個(gè)調(diào)整數(shù)字的增量改變可使能譜峰位有0.4道左右的變化，調(diào)整作用明顯且測(cè)試數(shù)據(jù)的線性度很好，滿足信號(hào)脈沖峰位調(diào)整的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)航空伽瑪能譜測(cè)量自動(dòng)穩(wěn)譜控制電路峰位調(diào)整功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

在航空伽瑪能譜測(cè)量中，能譜自動(dòng)穩(wěn)譜電路對(duì)于減小測(cè)量數(shù)據(jù)的漂移，提高伽瑪能譜測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量、起著非常重要的作用；對(duì)于溫差較大時(shí)，能譜數(shù)據(jù)的漂移往往是非線性的[1]，本穩(wěn)譜電路設(shè)計(jì)采用軟件控制，利用改變光電倍增管高壓的方式調(diào)整信號(hào)增益，在能譜測(cè)量信號(hào)脈沖上疊加控制電平、調(diào)整能譜信號(hào)相對(duì)基線的漂移變化，結(jié)合兩種調(diào)整方式可以控制能譜峰位的漂移變化。在穩(wěn)譜電路的測(cè)量試驗(yàn)中，對(duì)于放射性元素137Cs、40K、214Bi、208Th特征峰位測(cè)量數(shù)據(jù)線性擬合R2=0.999 9，1 024道能譜測(cè)量數(shù)據(jù)特征峰最大峰漂1.5道，達(dá)到了穩(wěn)譜電路設(shè)計(jì)的要求[10]。穩(wěn)譜軟件程序?qū)怆姳对龉艿母邏嚎刂瓶梢赃_(dá)到0.2～0.3 V調(diào)整變化；軟件程序?qū)π盘?hào)幅度增量的調(diào)整控制，由于受到單片機(jī)D/A輸出精度限制，信號(hào)幅度調(diào)整電路最小調(diào)整增量電平為0.9 mV，為提高調(diào)整精度設(shè)計(jì)可以采用更高精度的外部D/A電路。