一種提高NaI能譜儀高能區(qū)射線解譜能力的裝置

趙孝文 吳珂 范慶麗

摘 要：介紹了一種新的碘化鈉能譜多道分析器，該裝置具有設(shè)定高能區(qū)功能。該裝置能提高NaI能譜儀高能區(qū)射線解譜能力。

關(guān)鍵詞：NaI能譜儀；高能區(qū)；解譜

能譜分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、環(huán)保等領(lǐng)域。能譜儀是能譜分析的一種重要工具。目前市場主要有兩類能譜儀，分別為HPGe能譜儀和NaI能譜儀。其中HPGe能譜儀具有較好的能量分辨率，但HPGe探測器需要在低溫（液氮）條件下工作，使用不方便，而且價格昂貴；而NaI能譜儀具有探測效率高、裝置成本低、可在常溫下使用、維護方便等特點。因此，NaI能譜儀在家居建材檢測、放射性事故分析、野外地質(zhì)勘測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。NaI能譜儀在應(yīng)用過程中存在以下問題：能譜的能量分辨率較差，在高能區(qū)峰形過寬同時峰值幅度過低，利用現(xiàn)有的能譜分析方法進行尋峰很困難。鑒于國內(nèi)對于NaI能譜儀產(chǎn)業(yè)的巨大市場需求和良好的應(yīng)用前景，研制一種提高NaI能譜儀高能區(qū)射線解譜能力的裝置顯得非常迫切。

1 測量原理

在應(yīng)用能譜儀進行放射性核素分析時，閃爍探測器接收到與射線能量成正比的脈沖信號，經(jīng)電子學(xué)電路處理后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將脈沖信號轉(zhuǎn)換成代表其脈沖幅度的數(shù)字量，并存入相應(yīng)的存儲器存儲單元。不同的放射性核素具有不同的能量，其能量函數(shù)In（E）是唯一的。

I（E）=I1（E）+ I2（E）+···In（E） （1）

在能譜測量分析過程中，每個核素的峰內(nèi)總計數(shù)是固定不變的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率的值是固定的。基于閃爍探測器的分辨率是一個特定能量函數(shù)，高能端的FWHM（半寬度）比低能端的FWHM寬的特點，在譜儀譜圖測量過程中，隨著射線能量的增加，其所占譜圖的道數(shù)相應(yīng)增加，F(xiàn)WHM增大，高能區(qū)全能峰的峰值變小，幅度較低，峰位置很難確定，容易被噪聲淹沒。

在能譜測量過程中，針對峰內(nèi)計數(shù)不變的情況下，峰值的幅度大小是隨著峰FWHM的變化而變化，要增加峰值的幅度就要相應(yīng)減小峰半寬度。因此，為了解決能譜儀高能區(qū)獲得的能譜數(shù)據(jù)中FWHM和峰值幅度不能同時集中的矛盾，本項目中將根據(jù)實際需要，設(shè)計一個實時改變模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率的窗口函數(shù)，函數(shù)如下：

ψ（n，ΔE） （2）

ΔE：模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣率

然后用該窗口函數(shù)調(diào)制能量函數(shù)可得

I（n）=I（E）ψ（n，ΔE） （3）

I（n）：第n道能量的采樣計數(shù)值

當ΔE增加時， Δn（峰形所占能道寬數(shù)）減小， 同時I（n） 變大。這樣譜圖中每個能量峰都能顯著減少了所需的能道數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)包括探測器、主放大器、甄別器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和計算機。如圖1所示，其中探測器和主放大器連接；主放大器與甄別器連接；甄別器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號處理器連接；數(shù)字信號處理器與計算機連接。

其中探測器采用NaI晶體作為閃爍體，用于收集放射性核素衰變的輻射粒子，并將其轉(zhuǎn)換為電脈沖信號；主放大器對探測器輸出的信號進行放大；甄別器具有閾值電壓可調(diào)節(jié)功能，甄別器對主放大器輸出的信號進行甄別；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器接收數(shù)字信號處理器發(fā)出的可調(diào)節(jié)時鐘脈沖，并將甄別器輸出的信號轉(zhuǎn)換為道址脈沖碼；數(shù)字信號處理器接收模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的道址脈沖碼進行運算處理；數(shù)字信號處理器與計算機連接；計算機將數(shù)字信號處理器輸出的信號進行解譜分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 實驗結(jié)果

下圖為使用相同的標準放射源60Co進行能譜分析，得到的一組能譜圖。裝置的參數(shù)設(shè)定相同，采樣時間相同，圖2為普通模式下的60Co能譜圖；圖3為設(shè)定高能區(qū)，并且調(diào)節(jié)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率后采集的60Co能譜圖。由圖能看出圖3的60Co兩個峰清晰且容易分辨。

圖2 60Co的γ能譜圖

圖3 調(diào)節(jié)后60Co的γ能譜圖

4 結(jié)束語

該裝置通過設(shè)定能量區(qū)間，同時利用數(shù)字信號處理技術(shù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)能量寬度與閃爍探測器在此能量段的分辨率成比例。通過使用60Co標準放射源對裝置進行核素分析測試，該裝置能提高NaI能譜儀高能區(qū)射線解譜能力。

參考文獻

[1]賴萬昌，葛良全，等.新型便攜式微機多道γ能譜儀的研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2004，24（1）：37.

[2]張懷強，葛良全，等.基于ARM的γ能譜儀的研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2009，29（3）：543.