基于α能譜分析的放射性氣溶膠監(jiān)測儀硬件設(shè)計

劉明健，閆學(xué)昆,羅 明，谷鐵男

(海軍核化安全研究所, 北京 100077)

0 引 言

在核設(shè)施周圍環(huán)境監(jiān)測長壽命人工放射性氣溶膠會受到天然放射性氣溶膠的干擾，尤其是在高氡本底的環(huán)境中，監(jiān)測微量人工放射性氣溶膠尤為困難。消除天然放射性氣溶膠影響的方法有衰變法、比值法、能量甄別法、假符合法等。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，α能譜分析法已經(jīng)取代傳統(tǒng)的能量甄別法成為國際上一種主流的方法，即對放射性氣溶膠α譜進行剝譜分析。該方法不僅能消除天然放射性氣溶膠對人工放射性氣溶膠測量的影響，還能對放射性氣溶膠中的每種α核素進行識別和濃度計算。

本文采用多道脈沖幅度分析技術(shù)，對基于α能譜分析的放射性氣溶膠監(jiān)測儀進行方案設(shè)計，并通過儀器研制解決放射性氣溶膠連續(xù)采樣、α能譜測量等關(guān)鍵技術(shù)。

1 儀器主要設(shè)計指標(biāo)

1)監(jiān)測范圍：α氣溶膠：0.1～1×104Bq/m3；β氣溶膠：1～1×105Bq/m3；

2)固有誤差：±20%；

3)環(huán)境條件：溫度0～50 ℃；相對濕度95%；

4)取樣流量：≥40 L；

5)供電：220 V，50 Hz，360 W；

6)重量：≤50 kg；

7)外形尺寸：≤420×250×500 mm。

2 放射性氣溶膠監(jiān)測儀組成

放射性氣溶膠監(jiān)測設(shè)備設(shè)計為自動取樣、自動測量，取樣與測量同時進行的形式，測量方法采用多道能譜分析方法，能夠通過軟件實現(xiàn)能量分析，給出α，β放射性氣溶膠濃度。儀器由取樣和測量2部分組成。

2.1 取樣部分組成結(jié)構(gòu)

取樣部分包括：采樣頭、取樣管路、取樣濾紙、紙帶倉、導(dǎo)向輪、樣品倉、光電檢測盤、濾紙托盤、流量計、真空泵等。半導(dǎo)體探測器置于取樣管路中，樣品倉的軸為主動輪，如圖1所示。取樣部分的作用是將放射性氣溶膠富集在取樣濾紙上，以提高測量靈敏度。其工作過程是真空泵工作時，在取樣氣路中產(chǎn)生一定負(fù)壓，放射性氣溶膠通過采樣頭、氣路管路收集在取樣濾紙上。

圖1 取樣部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Composition structure scheme of the air sampling part

2.2 測量部分組成及原理

放射性氣溶膠監(jiān)測儀測量電路由PIPS探測器、電荷靈敏放大器、線性放大器、A/D變換器、FPGA控制單元、ARM系統(tǒng)、步進電機控制器、真空泵控制器、光電檢測器、液晶顯示器、485接口、220V電源接口、電源濾波器、線性直流電源、40V偏置電源組成，如圖2所示。

圖2 放射性氣溶膠監(jiān)測儀電路組成示框圖Fig.2 Block diagram of circuit for the radioactive aerosol monitor

測量電路的原理是：PIPS探測器探測α，β射線，輸出經(jīng)電荷靈敏放大器、線性放大器放大后送至A/D變換器，A/D變換器由FPGA控制單元控制進行模數(shù)變換，并計算脈沖幅度值，獲得的脈沖幅度值存儲到相應(yīng)的存儲器，形成多道脈沖幅度譜。ARM系統(tǒng)對脈沖幅度譜進行曲線平滑、尋峰、剝譜分析和峰面積計算，然后根據(jù)流量值和效率刻度值計算人工放射性和天然放射性氣溶膠α、β濃度。數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過顯示器顯示，并可通過485接口傳輸。步進電機、真空泵由FPGA控制單元控制，F(xiàn)PGA控制單元根據(jù)光電檢測器的計數(shù)值控制步進電機的轉(zhuǎn)速。

3 主要功能模塊設(shè)計

3.1 取樣部分功能設(shè)計

3.1.1 紙帶傳送結(jié)構(gòu)設(shè)計

紙帶傳動裝置包括1個主動輪，同軸連接樣品倉，1個被動輪，同軸連接樣品倉。此外，設(shè)置2個導(dǎo)向輪，其中1個導(dǎo)向輪同軸設(shè)置光電檢測盤。在光電監(jiān)測盤上安裝光電對管，通過對光電檢測盤上狹縫的計數(shù)獲得光電檢測計數(shù)，其作用有2個：一是檢測濾紙狀態(tài)是否正常，當(dāng)濾紙用完或出現(xiàn)卡紙、斷紙等情況時，光電檢測器的計數(shù)停止，用以判斷濾紙狀態(tài)；二是由于主動輪設(shè)置在樣品倉的同軸上，步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)與濾紙的行進不是線性關(guān)系，而光電檢測盤與導(dǎo)向輪為同軸，其轉(zhuǎn)數(shù)與濾紙的行走是線性的，所以可通過光電檢測器的計數(shù)來調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速，使濾紙的行進與步進電機轉(zhuǎn)數(shù)或驅(qū)動脈沖數(shù)呈線性。

3.1.2 濾紙托盤

取樣時，濾紙與托紙盤在氣壓的作用下，摩擦力較大，并且濾紙在潮濕的情況下摩擦力還會進一步增大。為保障紙帶有一定的松緊度，濾紙倉的軸設(shè)計有一定的阻尼，在連續(xù)移動取樣模式移動濾紙有可能因摩擦力過大導(dǎo)致濾紙拉斷。將濾紙托盤設(shè)計為具有一定間隔的滾軸托盤[1]，將滑動摩擦轉(zhuǎn)為滾動摩擦，并且輥軸的摩擦系數(shù)較小，能夠保障濾紙不被拉斷。

3.1.3 流量計

采用渦街流量計記錄取樣流量，渦街流量計與管路采用一體化設(shè)計，將傳感器設(shè)置在帶有螺紋的管路中，便于裝配。

3.1.4 機箱

機箱設(shè)計為氣密結(jié)構(gòu)，保證連續(xù)移動濾紙采樣測量模式富集的放射性氣溶膠全部為通過采樣頭進入的。更換氣溶膠濾紙設(shè)置專門的氣密門，既方便更換氣溶膠濾紙，又有較好的氣密性。

3.2 主要電路功能設(shè)計

3.2.1 電荷靈敏放大器

電荷靈敏放大器[2]的輸入端選擇低噪聲絕緣柵場效應(yīng)管2N5434，場效應(yīng)管輸出偏置選用330 Ω電阻和100 mH電感并聯(lián)，輸出接9014、9015三極管組成的跟隨器，積分電容選用1 p電容，泄放電阻選擇100 M電阻。該電荷靈敏放大器具有較高的信噪比，可保證α譜測量有較高的分辨率。

3.2.2 線性放大器

線性放大器選用集成運放TL072組成的兩級放大器。兩級放大器之間加一級無源阻容微分濾波器，放大器的第一級設(shè)置為100倍，第二級設(shè)置為10至100倍可調(diào)，輸出幅度適用A/D變換的范圍。

3.2.3 A/D變換器

A/D變換器選用AD9235模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，晶振頻率為20 M，模數(shù)變換為等間隔實時轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集器采用FPGA控制，并進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。通過用FPGA控制，對信號的幅度進行限位，即對在一定幅度范圍內(nèi)的信號，符合要求的數(shù)據(jù)進行采集，并計算脈沖信號的幅度值，將脈沖幅度值存入相應(yīng)的存儲器中。

3.2.4 ARM系統(tǒng)

選用TI Cortex-A8 AM3352型(軍工級)ARM系統(tǒng)作為核心板。

3.2.5 步進電機控制器、真空泵控制器

步進電機控制器選用場效應(yīng)管作為功率輸出器件，按照步進電機控制邏輯由FPGA發(fā)出控制脈沖通過場效應(yīng)管驅(qū)動步進電機；真空泵控制器選用場效應(yīng)管作為開關(guān)器件，通過控制場效應(yīng)管的柵極電壓控制真空泵電源的導(dǎo)通與截止。

3.2.6 直流電源

選用朝陽線性電源，±15 V(500 mA)、+12 V(2 A)、+5 V(5 A)?！?5 V為電荷靈敏放大器、線性放大器、40 V偏置電源提供電源；+12 V為步進電機供電；+5 V通過電平轉(zhuǎn)換為A/D、FPGA、ARM等電路供電。模擬電路、數(shù)字電路、步進電機電源應(yīng)獨立，防止探測器受到數(shù)字電路的干擾。

3.2.7 40 V偏置電源

40 V偏置電源選用TL072集成運放組成正弦波發(fā)生器，通過倍壓整流濾波獲得40 V直流偏置電源為PIPS探測器提供偏置[3]，正弦波的頻率調(diào)節(jié)在300 Hz以下，保證探測器不受震蕩電路的影響。

3.3 軟件功能設(shè)計

1)測量功能

包括取樣控制、數(shù)據(jù)采集、曲線平滑、自動尋峰、天然放射性氣溶膠α能譜剝離、總β活度濃度計算、人工α活度濃度計算等。

2)設(shè)置功能

包括工作方式、測量時間、報警閾值、效率修正、流量修正、日歷時間、安全等設(shè)置。

3)查詢功能

包括查詢圖譜數(shù)據(jù)、濃度數(shù)據(jù)等。

4)分析功能

顯示圖譜、區(qū)域和峰位選定、曲線平滑、自動尋峰、圖譜剝離、面積計算等分析工具。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 能量分辨率

影響能量分辨率的因素主要是α在濾紙和空氣中的自吸收，提高能量分辨率除了選擇表面吸附較好的濾紙外，應(yīng)選擇較好的探測器和探測結(jié)構(gòu)。選擇國產(chǎn)PIPS離子注入式半導(dǎo)體探測器，該探測器具有良好的溫度特性[4]，受溫度的影響較小，具有良好的能量分辨率和較低的偏置電壓等優(yōu)點。在探測結(jié)構(gòu)上，在不影響取樣的前提下盡量將探測器靠近濾紙，可提高探測效率和能量分辨率。設(shè)計中也可在探測器與濾紙之間加格柵的方法減小α粒子的入射立體角，提高能量分辨率，不過該方法探測效率會降低，要選擇合適的格柵尺寸使探測效率和分辨率能夠滿足測量要求。

4.2 抗干擾能力

獲得良好的能譜和能量分辨率，解決抗干擾能力也是設(shè)計的重點，探測器、電荷靈敏放大器是最容易受到干擾的器件，提高抗干擾能力設(shè)計主要注重以下幾點：

1)探測器、電荷靈敏放大器要有良好的屏蔽和接地，接地點必須是單點接地；

2)模擬電路要采用一體化設(shè)計，由于電荷靈敏放大器的連線較多，獨立的電荷靈敏放大器與電路板需多條電纜連接，不僅體積較大，而且容易受到干擾。采用一體化設(shè)計是將電荷靈敏放大器、偏置電源等與后級電路設(shè)計在一塊電路板上，在電路板上對電荷靈敏放大器進行屏蔽，這樣設(shè)計的效果非常好，不易受到干擾，便于調(diào)試，電路板也美觀；

3)要解決好電源的干擾問題，選擇紋波較小的線性電源，不可用開關(guān)電源探測器；

4)解決好數(shù)字電路和驅(qū)動電路的干擾問題，數(shù)字電路和功率輸出電路主要是通過電源干擾探測電路，所以要將探測電路、數(shù)字電路和功率輸出電路的電源獨立，并且在電源的輸入端加電源濾波器。

4.3 連續(xù)取樣測量

連續(xù)取樣測量可以減少測量建立時間，隨時獲得測量數(shù)據(jù)，在機械設(shè)計上為了簡化結(jié)構(gòu)，主動輪設(shè)置在樣品倉同軸。這樣的設(shè)計重點考慮走紙的線性問題和減小取樣點的摩擦力，本文的設(shè)計利用導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)數(shù)與走紙的線性關(guān)系，記錄導(dǎo)向輪的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整主動輪轉(zhuǎn)速，解決了走紙的線性問題；采用輥軸式濾紙托盤，將滑動摩擦轉(zhuǎn)為滾動摩擦，且選擇摩擦系數(shù)較小的材料減小了采樣點的摩擦力，從而解決了連續(xù)取樣測量的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié) 語

根據(jù)以上設(shè)計方案和關(guān)鍵技術(shù)的解決，研制出具有自檢、報警、自動測量和人工測量功能的放射性氣溶膠監(jiān)測儀樣機，并進行基本性能測試，樣機達(dá)到了設(shè)計的性能指標(biāo)要求。圖3為研制的放射性氣溶膠監(jiān)測儀測量的天然放射性氣溶膠能譜，其分辨率約為250 keV，能夠滿足對常見放射性氣溶膠中核素的識別、分析和濃度計算。

圖3 天然放射性氣溶膠取樣測量能譜圖Fig.3 Energy spectrum of alpha radial for natural radioactive aerosol

[1] 張燕，劉明健，李洋，等.一種輥軸式放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀的走紙采樣裝置[P].國家知識產(chǎn)權(quán)局，ZL201110331277.9,2013-05-08.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,LI Yang,et al.A kind of paper feed and air sampling device for radioactive aerosol continuous monitoring based on roller axle[P].Chinese Patent:ZL201110331277.9,2013-05-08.

[2] 張燕，劉明健，谷鐵男，等.一種簡易實用的三管電荷靈敏放大器[J].輻射防護通訊，2012，33(1):32-34.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,GU Tie-nan,et al.Simple and practical charge sensitive preamplifier[J].Radiation Protection Bulletin,2012，33(1):32-34.

[3] 張燕，劉明健，李洋，等.一種簡單實用的PIPS半導(dǎo)體探測器的高壓電源[P].國家知識產(chǎn)權(quán)局，ZL201120417440.9.2012-08-18.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,LI Yang,et al.A kind of simple and practical high voltage power supply for Passivated Implanted Planar Silicon(PIPS)semiconductor detector[P].Chinese Patent:ZL201120417440.9.2012-08-18.

[4] 崔曉輝，谷鐵男，張燕，等.離子注入型與金硅面磊型半導(dǎo)體探測器溫度特性比較[J].輻射防護通訊，2011，31(2)：26-28.

CUI Xiao-hui,GU Tie-nan,ZHANG Yan,et al.Temperature characteristic comparison between ion-injection and gold silicon surface barrier semi-conducting detectors[J].Radiation Protection Bulletin,2011，31(2)：26-28.