基于高精度時間分辨技術(shù)的四路低本底αβ測量儀研發(fā)

王 瑋，麻金龍，張兆山，李 婷，王海洋

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

基于高精度時間分辨技術(shù)的四路低本底αβ測量儀研發(fā)

王 瑋，麻金龍，張兆山，李 婷，王海洋

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

為了提高儀器性能，開發(fā)了一款新型的總α總β低本底測量儀，與傳統(tǒng)的信號幅度區(qū)分方式不同，儀器采用高精度時間分辨技術(shù)能夠更準(zhǔn)確地區(qū)分α信號和β信號。通過各項性能指標(biāo)測試表明，儀器性能指標(biāo)優(yōu)越。測量室采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有高靈敏、小型化、數(shù)字化及允許脫機(jī)自主工作等特點，測量緩存機(jī)制保證了斷電情況下的數(shù)據(jù)完整性，適用于αβ放射性活度的長時間穩(wěn)定測量。

總α總β； 時間分辨； 低本底； 脫機(jī)

低本底 α β測量儀作為生活飲用水、土壤、空氣、食品等環(huán)境樣品中總放射性測量的主要儀器，廣泛應(yīng)用于輻射防護(hù)、環(huán)境樣品、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)科學(xué)、進(jìn)出口商品檢驗、地質(zhì)勘探、核電站等領(lǐng)域。當(dāng)前國內(nèi)外的αβ測量儀探測器按照種類可以分為流體探測器、半導(dǎo)體探測器和閃爍體探測器［1］四類。其中流體探測器價格十分昂貴，半導(dǎo)體探測器電子線路復(fù)雜，并且不利于β測量。本文主要介紹基于國內(nèi)最常用的閃爍型低本底αβ測量儀在硬件線路、鉛室結(jié)構(gòu)和軟件操作上的設(shè)計與研發(fā)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由主控制電路、信號處理電路、閾值設(shè)置電路、線性電源電路及探測器跟隨電路等組成，系統(tǒng)的軟件組成主要包括CPLD信號處理模塊、STM32控制器模塊和計算機(jī)端數(shù)據(jù)管理軟件三部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram

探測器輸出的脈沖信號經(jīng)過跟隨電路后通過屏蔽電纜線傳輸?shù)接布娐分?，脈沖信號由放大電路反向放大和濾波后，進(jìn)入時域提取電路，時域提取電路通過電壓比較器將模擬信號轉(zhuǎn)換成具有時間寬度的數(shù)字脈沖信號輸入到編程邏輯器件CPLD，由CPLD對數(shù)字信號進(jìn)行時域甄別［2-5］及數(shù)字濾波，并根據(jù)反符合信號對主探測器進(jìn)行符合計數(shù)。四路計數(shù)結(jié)果經(jīng)鎖存器鎖存之后進(jìn)入FIFO隊列（先入先出）并存儲到RAM，通過SPI協(xié)議傳輸?shù)街骺刂破髦?。主控制器通過TCP/IP協(xié)議將計數(shù)數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件，同時會存儲到內(nèi)部存儲器中，防止斷電等意外情況時導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

1.2 測量室結(jié)構(gòu)設(shè)計

儀器測量室由鉛屏蔽室、四路主探測器及一路反符合探測器三部分組成。與以往的測量儀鉛室結(jié)構(gòu)不同，反符合探測器不再反向獨立于鉛室下部，而是與主探測器同向一體設(shè)計在鉛室中，使得整個測量室趨于小型化和輕量化。測量室整體外觀設(shè)計如圖2所示。

圖2 測量室整體外觀圖Fig.2 Overall appearance of the measuring chamber

1.3 系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計

1.3.1 控制器設(shè)計

系統(tǒng)控制器采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407VGT6芯片，通過移植嵌入式實時操作系統(tǒng) FreeRTOS實現(xiàn)多任務(wù)同時運行。STM32F407工作頻率高達(dá)168 MHz，除繼承Cortex-M3接口豐富等特點外，Cortex-M4還帶有單精度浮點運算單元（FPU），數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)。

控制器軟件任務(wù)流程如圖 3所示。在main函數(shù)中初始化FreeRTOS系統(tǒng)之后，開啟了參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、命令分析及關(guān)機(jī)守護(hù)4個任務(wù)，各個任務(wù)之間通過信號量進(jìn)行通信。當(dāng)計算機(jī)端操作軟件發(fā)送命令之后，命令分析任務(wù)負(fù)責(zé)對命令進(jìn)行解析并通過信號量通知其它任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)操作。當(dāng)發(fā)送關(guān)機(jī)命令后，關(guān)機(jī)守護(hù)任務(wù)首先將所有參數(shù)進(jìn)行保存，然后終止掉所有任務(wù)，關(guān)機(jī)守護(hù)任務(wù)也隨之結(jié)束，最后main函數(shù)執(zhí)行到返回，整個程序運行結(jié)束。

圖3 STM32控制器執(zhí)行流程圖Fig.3 Execution flow diagram of the STM32 controller

1.3.2 信號處理設(shè)計

信號處理由CPLD實現(xiàn)，主要完成數(shù)字脈沖信號的時域甄別、計數(shù)處理、SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。其軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CPLD設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.4 CPLD design structure diagram

由于宇宙射線的存在會對β本底測量造成一定的影響，因此需要設(shè)計反符合模塊，當(dāng)β信號和反符合信號（Anti通道）同時出現(xiàn)時，此信號將會被符合掉，不計入計數(shù)器中。

四路信號與反符合信號通過軟件模擬的FIFO結(jié)構(gòu)將并行輸入信號轉(zhuǎn)換為串行輸入保存至RAM當(dāng)中。

對于較大的α信號，由于幅度較大，其尾部的抖動會造成時域提取部分的比較器誤輸出，從而造成在測量α信號時出現(xiàn)大量β計數(shù)。本儀器通過在CPLD中設(shè)置 “死時間”的方式消除α大信號帶來的影響。其基本原理是假設(shè)當(dāng)一個α信號到來之后的一段時間里不會再出現(xiàn)任何信號，盡管在 “死時間”內(nèi)，出現(xiàn)另一個α信號的情況是存在的，但這種概率極低，對α計數(shù)并不會造成太大影響。

1.3.3 高精度時間分辨技術(shù)

傳統(tǒng)的復(fù)合閃爍體αβ測量儀，對于α和β信號的甄別主要通過幅度上的差異來實現(xiàn)，由于α和β脈沖信號的幅度區(qū)間存在重合的部分，如圖5所示，α和β信號在幅值上是相等的，因此幅度甄別技術(shù)無法完全區(qū)分開α信號和β信號，而通過兩個脈沖在時間寬度上的差別則可以解決上述問題，這也是時域甄別技術(shù)的主要依據(jù)。

圖5 幅度相同的脈沖信號輸出Fig.5 The wave form of same amplitude pulse signal

除了單純的幅度甄別之外，還有RC積分預(yù)處理的解決方案，其本質(zhì)也是利用兩種信號時間上的寬度差異實現(xiàn)甄別的。當(dāng)兩個幅度相同但時間寬度不同的信號經(jīng)過RC積分電路后輸出信號如圖6，通過積分改變了原有信號的幅度，最終通過幅度甄別區(qū)分α和β信號。盡管RC積分電路能夠?qū)崿F(xiàn)信號甄別，但設(shè)計多路的RC積分電路和脈沖甄別電路會增加硬件電路的成本和復(fù)雜程度，并且對元器件的性能要求也比較高。

圖6 幅度相同信號RC積分電路輸出Fig.6 The wave form of same amplitude pulse signal by RC integration

本儀器采用的高精度時間分辨技術(shù)，是直接利用脈沖信號的時域?qū)挾葘π盘栠M(jìn)行區(qū)分。信號處理使用的CPLD時間基準(zhǔn)頻率為200 MHz，時間分辨可達(dá)5 ns，而有效信號的時間寬度至少在800 ns以上，因此，時間測量精度可完全滿足采集要求，不會造成信號誤判的情況。CPLD通過測量快速比較器提取出的帶時間寬度的數(shù)字脈沖信號，并使用α和β的特征時間閾值進(jìn)行時域甄別，從而有效區(qū)分出α和β信號，而比較器的比較閾值也可濾除小幅度的干擾信號。時間分辨原理如圖7所示。

圖7 時間分辨原理圖Fig.7 Time-resolved schematic diagram

與單純的幅度甄別和RC積分方案相比，本方案不僅能夠大幅度提高信號甄別的準(zhǔn)確性，也避免了設(shè)計大量的積分電路和脈沖甄別電路，降低了硬件的設(shè)計復(fù)雜程度。

1.4 數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計與開發(fā)

數(shù)據(jù)管理軟件采用Qt框架中的QML和C＋＋混合編程實現(xiàn)，Qt是一個基于C＋＋的跨平臺圖形用戶界面程序開發(fā)框架，既可以開發(fā)GUI程序也可以開發(fā)非GUI程序。其中，QML主要實現(xiàn)軟件數(shù)據(jù)顯示即數(shù)據(jù)表示層，C＋＋實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯層，達(dá)到顯示和邏輯完全分離的目的。

儀器數(shù)據(jù)管理軟件采用模塊化編程，具有良好的人機(jī)交互界面和更高的兼容性。軟件功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及參數(shù)設(shè)置模塊（圖 8）。

圖8 數(shù)據(jù)管理軟件功能模塊圖Fig.8 Block diagram of data management software function

軟件的數(shù)據(jù)采集界面如圖9所示，可進(jìn)行環(huán)境、水、生物和氣體等樣品的測量。該軟件支持脫機(jī)工作，當(dāng)執(zhí)行采集任務(wù)時，允許上位機(jī)軟件斷開通信連接，并可在任意時間進(jìn)行重新連接。軟件的參數(shù)設(shè)置界面如圖10所示，可實現(xiàn)系統(tǒng)高壓和閾值的實時監(jiān)測與設(shè)置。

2 性能指標(biāo)測試

α β低本底測量儀最重要的指標(biāo)是本底、效率和串道比，這三個指標(biāo)決定著測量儀的性能和分類。指標(biāo)測試采用的標(biāo)準(zhǔn)源為核工業(yè)北京化工冶金研究院生產(chǎn)并經(jīng)中國計量科學(xué)院標(biāo)定的239Pu α工作源和90Sr-90Y β工作源。試驗結(jié)果如表1-3所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集功能界面圖Fig.9 Interface diagram of data acquisition function

圖10 參數(shù)設(shè)置功能界面圖Fig.10 Interface diagram of parameter setting function

由表可知，當(dāng)α探測效率比大于90%時，四路探測器的α本底均小于0.1；當(dāng)β探測效率比大于60%時，β本底均達(dá)到國標(biāo)Ⅱ級儀器水平；除β本底和β至 α串道比外的所有指標(biāo)均可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB11682-2008［6］中要求

表1 本底指標(biāo)測量Table 1 Measurement of background index

表2 效率比指標(biāo)測量 （幾何因子G＝0.9）Table 2 Measurement of efficiency ratio index （Geometric factor G＝0.9）

的Ⅰ級儀器水平。

表3 串道比指標(biāo)測量Table 3 Measurement of exchange channel ratio index

3 結(jié)論

本儀器實現(xiàn)了測量室與硬件電路的分離，儀器的信號處理、比較器輸出、信號甄別、電源管理以及與上位機(jī)軟件通信均由獨立模塊負(fù)責(zé)。利用CPLD的高速數(shù)字邏輯特性，使用高精度時間分辨技術(shù)采集分辨 α、β脈沖信號，提升了儀器指標(biāo)。鉛室采用反符合及測量一體式設(shè)計，減小了鉛室的體積和重量。良好的人機(jī)交互界面，計算機(jī)測量控制軟件中可完成閾值設(shè)置、高壓調(diào)節(jié)、實時監(jiān)測等操作。儀器結(jié)構(gòu)及電路采用模塊化設(shè)計，可方便擴(kuò)展到8路、12路甚至16路測量。

［1］汲長松．核輻射探測器及其實驗技術(shù)手冊［M］．北京：原子能出版社，1990:293-339．

［2］姜榮濤，谷鐵男，張燕，等．用于復(fù)合閃爍體的α、β脈沖甄別電路設(shè)計［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，30（7）:980-982.

［3］王經(jīng)瑾．核電子學(xué)［M］．北京:原子能出版社，1984:89-94．

［4］吳治華．原子核物理實驗方法［M］．北京:原子能出版社，1997:123-128．

［5］鄧長明，宋稱心，孟丹，等．基于雙閃爍體探測器的四路低本底αβ測量儀研制［J］．核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，30（8）:1 109-1 110.

［6］中核（北京）核儀器廠．GB112682—2008低本底α和β測量儀［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

Development of four circuts low background αβ measuring instrument based on high precision time-resolving technology

WANG Wei，MA Jinlong，ZHANG Zhaoshan，LI Ting，WANG Haiyang

（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

A new instrument for total α and total β low background measurement was developed in order to improve the instrument performance.Different to the traditional way distinguishing signals by amplitude，high-precision time-resolved technology is applied to distinguish α signal and β signal. Various tests show that the performance indices of the instrument are outstanding.Measuring chamber adopted a new structure design and with features of high sensitivity，miniaturization，digitalization and offline independent operation etc.Caching buffer mechanism of measured data can ensure the data integrity in case of outages which is suitable for stable alpha beta radioactivity measurement of long time.

total α and toal β；time-resolved；low background；offline

TP23

A

1672-0636（2017）01-0042-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2017.01.008

2016-10-16

王 瑋（1983—），男，江西都昌人，工程師，主要從事放射性核儀器的研究與開發(fā)。

E-mail：wind@bjhdkj.com