基于光纖探頭的伽馬射線輻照探測系統(tǒng)

劉 瑞，張良力,2，謝寶杰，何 笠

(1.武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學，冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430081)

0 引言

伽馬射線裝置已廣泛運用于工業(yè)物料成分分析、輻照加工、無損檢測等領(lǐng)域，給人們生產(chǎn)生活帶來便利。與此同時，伽馬射線穿透力極強、照射距離遠等效應(yīng)會對周邊環(huán)境以及人員健康安全造成一定影響[1]。因此，有必要對伽馬射線裝置周邊輻照情況進行探測與防控。傳統(tǒng)伽馬射線輻照探測裝置采用一體化設(shè)計，其敏感材料與光電轉(zhuǎn)換器件距離近，置于復雜輻射源環(huán)境中，電子電路器件易受到高能高劑量伽馬射線電離損傷[2]，引起探測信號偏差。另外，在空間狹窄和不宜帶電測量環(huán)境中，甚至無法探測到輻照信號。

將輻照探測系統(tǒng)中的敏感材料與光電轉(zhuǎn)換器件分離，采用光纖傳輸熒光信號，并將光纖探頭中的光電轉(zhuǎn)換器件置于帶屏蔽罩的恒溫空間，可有效降低輻射環(huán)境對光電轉(zhuǎn)換器件的干擾，使探測過程穩(wěn)定可靠。為快速分析具有光纖探頭的伽馬射線輻照探測系統(tǒng)準確性，并使輻照強度測量過程具有可視性，引入LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺。借助計算機高效運算處理能力，構(gòu)建了信號解析模塊，尋峰統(tǒng)計模塊，信號波形測量以及相應(yīng)的運算模塊，減少了硬件開銷[3]，增強了伽馬射線輻照信號的準確分析與輻照強度顯示的直觀效果。

1 輻照探測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 探測基本原理

伽馬射線一般以高能粒子形式向外輻射，高能粒子進入探測端閃爍體(CsI晶體)后與之發(fā)生相互作用，閃爍體分子因吸收高能粒子產(chǎn)生電離和激發(fā)，在退激發(fā)時會產(chǎn)生大量的熒光光子。熒光光子入射到雪崩光電二極管(APD)中，在外置偏置電壓作用下，在吸收區(qū)轉(zhuǎn)化為光生電流并在雪崩區(qū)倍增，最終轉(zhuǎn)化為電脈沖信號輸出。脈沖信號的幅度大小、峰位個數(shù)等波形信息與伽馬射線輻照強度相關(guān)，通過對脈沖信號采集、放大、分析、標定，即可獲取伽馬射線輻照強度、能譜及粒子種類等測量數(shù)據(jù)。探測及轉(zhuǎn)化原理如圖1所示。

圖1 探測及轉(zhuǎn)化原理示意圖

1.2 光纖探頭結(jié)構(gòu)

光纖探頭組件包括CsI晶體、光錐耦合器、傳輸光纖和雪崩光電二極管，結(jié)構(gòu)如圖2所示。光錐耦合器將CsI晶體發(fā)出的熒光導入光纖中并傳輸至雪崩光電二極管(APD)內(nèi)。為使熒光衰減最小，保證入射光全反射進入光纖，光錐耦合器材質(zhì)選用PMMA材料，錐形體底面直徑取決于CsI晶體直徑，高度則依據(jù)光子全反射條件確定。在出射角低于30°，CsI晶體直徑為23 mm，光纖直徑為3 mm的設(shè)計條件下，利用MATLAB模擬1.0×108個光子入射，得出光錐耦合器的高度為80 mm，母線與水平線夾角為7.1°時，滿足全反射的出射光子數(shù)量最多，符合設(shè)計要求。

圖2 光纖探頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伽馬射線輻照探測系統(tǒng)如圖3所示，主要包括光纖探頭、前端讀出電路(前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換)、控制及測量單元、電源與APD偏壓電路、PC機(運行LabVIEW程序)。

圖3 探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作過程為：光纖探頭接收到伽馬射線輻照，輸出電脈沖信號(微弱)；前置放大電路對電脈沖信號進行放大，放大信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，讀入STM32單片機中，與此同時探測環(huán)境GPS信息和實時溫度值也被讀入。根據(jù)當前溫度值，溫度補償電路自動調(diào)節(jié)并控制APD兩端偏壓，使光生倍增電流增益穩(wěn)定。伽馬射線輻照信號連續(xù)采樣值、GPS位置、實時溫度等信息以數(shù)據(jù)幀形式傳輸?shù)絇C機。PC機內(nèi)的LabVIEW軟件通過VISA端口讀取數(shù)據(jù)幀，經(jīng)解碼獲取伽馬輻照信號等數(shù)據(jù)。LabVIEW軟件通過matlabscript節(jié)點調(diào)用提升小波和5點移動平滑程序，對伽馬射線輻照信號進行降噪平滑預處理，并進行后續(xù)的尋峰統(tǒng)計和波形分析。

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換選用HWD9288芯片，電源使用12 V鋰電池，采用常規(guī)設(shè)計方法，此處只介紹前置放大電路、APD偏壓電路、控制及測量單元設(shè)計過程。

2.1 前置放大電路

前置放大電路與APD輸出直接連接，具有對輸出的微弱信號進行放大、限制噪聲信號、提高信噪比等作用[4]。電路采用交流耦合方式設(shè)計，具有計數(shù)通過率高、無直流漂移現(xiàn)象等特點[5]。整個電路分為前級、中間級、輸出級三級結(jié)構(gòu)，選用2SK147為輸入端場效應(yīng)管，配合運算放大器AD8065工作，如圖4所示。前級為提取微弱的APD輸出信號的共源極放大電路。為保證前置放大電路輸出信號無零極點，偏置電阻(圖4中R15、R20、R21)和電容C17構(gòu)成的放電回路，其時間常數(shù)需遠大于后級微分成形電路(由R13、C9構(gòu)成)的時間常數(shù)。因APD(S8664)的暗電流僅10 nA，為保證上偏置電壓達到0.5 V，偏置電阻R20設(shè)置為50 MΩ，相應(yīng)的R15、R21阻值可根據(jù)實際電路輸出情況進行微調(diào)。C17和前置放大電路的等效電容形成電容分壓且保持適中，一般選用10 nF左右電容即可。欲使輸出信號信噪比較好，APD結(jié)電容需與JEFT輸入電容匹配。S8664結(jié)電容約為270 pF，故選用柵源極電容較大的2SK147。

中間級采用共基級放大電路。圖4中R4、R10、R12構(gòu)成偏置電阻，限定放大電路合適的靜態(tài)工作點。R12、R16和Q3恒流源作為有源負載，提高了電路的穩(wěn)定性和開環(huán)增益。為了使輸出信號進一步放大，輸出級采用低噪聲運算放大器AD8065。防止后級運算放大器滿幅度過載，在AD8065前增設(shè)RC微分整形電路。經(jīng)過示波器實際測量，運放輸出后的電流可達幾百mA，滿足設(shè)計要求。

圖4 前置放大電路

2.2 基于溫度補償?shù)腁PD偏壓電路

APD內(nèi)置增益大小與兩端偏置電壓、環(huán)境溫度相關(guān)。增益偏小時，APD不能發(fā)揮最佳性能。增益過大時，噪聲隨之增大，信號可能被湮沒而影響輸出性能[6]。本次設(shè)計基于溫度補償?shù)腁PD偏壓電路采用MAX1932來控制電壓，此外還含有外圍電路、倍壓整流電路以及濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

MAX1932通過SPI接口(CS，SCLK，DIN和CL組成)與STM32單片機通信，內(nèi)部DAOUT端口輸出偏壓計算公式為

(1)

式中CODE為STM32輸出的8位編碼量。

MAX1932輸出的電壓值VDAOUT范圍在0.01～1.25 V，與實時溫度值有關(guān)。在Q1和D3泵壓作用下，A點輸出40～70 V交流電壓。由于APD的漏電流Iss為μA級，采用D4～D13和C11～C21組成適用于高壓小電流的倍壓整流電路[7]，作為偏壓控制電路。圖5中A點經(jīng)過倍壓整流后，B點輸出為240 ～420 V可控直流電壓。

圖5 基于溫度補償?shù)腁PD偏壓電路

2.3 控制及測量單元

控制及測量單元核心器件采用STM32單片機。STM32讀取 A/D轉(zhuǎn)換端口輸出的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換為伽馬射線輻照數(shù)據(jù)后儲存在閃存中。待PC機中的LabVIEW程序打開串口，STM32將儲存器中的伽馬射線輻照數(shù)據(jù)通過RS485總線傳輸給PC機USB端口，供LabVIEW程序中VISA模塊讀取。

控制及測量單元采用SP3485芯片作為RS485轉(zhuǎn)換端口，便于串行信號遠距離輸送并與LabVIEW程序通信。此外，系統(tǒng)還使用了北斗/GPS雙模芯片S1216F8、溫度傳感器DS18B20，獲取測量環(huán)境的地理位置信息和APD環(huán)境實時溫度。

3 LabVIEW軟件設(shè)計

LabVIEW是儀器測控領(lǐng)域?qū)I(yè)開發(fā)軟件，具有界面直觀、簡單易行、節(jié)省開發(fā)周期的特點[8]，適合本探測系統(tǒng)的設(shè)計與測試。使用LabVIEW開發(fā)的伽馬射線輻照探測系統(tǒng)軟件包括前面板、信號解析子VI、尋峰子VI和核心主程序VI。

3.1 前面板設(shè)計

探測系統(tǒng)前面板如圖6所示。使用者可根據(jù)探測需求進行參數(shù)設(shè)置。具體包括：

(1)串口參數(shù)：選擇串口號、波特率、數(shù)據(jù)位等。

(2)采樣規(guī)則：信號采樣頻率、樣本數(shù)等。

(3)信號預處理：預處理操作啟停。

(4)尋峰寬度設(shè)置：尋峰點數(shù)選擇，點數(shù)一般在3～5之間，特殊情況可以適當提高點數(shù)上限。

(5)輻射強度記錄選擇：選擇記錄輻照強度的均值還是實時值，輸出值在波形顯示區(qū)顯示。

(6)信號顯示控制：設(shè)置統(tǒng)計時間(默認10 s)。顯示電壓基準，若波形顯示整體偏移，可向上或向下調(diào)節(jié)。

圖6 探測系統(tǒng)前面板

參數(shù)設(shè)置完畢，點擊“開始”按鈕，LabVIEW軟件主動與下位機通信，并在前面板波形顯示區(qū)顯示伽馬射線輻照信號實時波形，在各參數(shù)欄顯示溫度、地理位置信息、電壓上下限、波形相位等數(shù)值。系統(tǒng)間隔10 s統(tǒng)計1次波峰數(shù)，并進行輻照強度計算，最終將得出的輻照強度值顯示在相應(yīng)參數(shù)欄和顯示區(qū)。

3.2 信號解析子VI

LabVIEW程序通過VISA串口讀入STM32上傳的數(shù)據(jù)幀并按照通信協(xié)議對數(shù)據(jù)幀進行解析。信號解析子VI如圖7所示。

圖7 信號解析子VI

信號解析子VI首先對VISA串口進行配置(波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8位、串口接收超時10 000 ms)，運行時可向STM32發(fā)送讀寫控制指令。為防止幀字節(jié)數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼，在讀取幀字節(jié)時設(shè)置80 ms延時。同時，設(shè)置串口讀取數(shù)據(jù)開關(guān)(條件結(jié)構(gòu)為True，表示打開串口開關(guān)，讀取串口幀字節(jié))。讀取幀字節(jié)數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)組索引，將幀字節(jié)上表示不同信息的字節(jié)截取出來分別處理。其中，伽馬輻照信號保存在excel表中，溫度、地理信息數(shù)據(jù)顯示到前面板上。

3.3 尋峰統(tǒng)計子VI

伽馬射線輻照信號經(jīng)過降噪平滑預處理后，進入尋峰統(tǒng)計子VI，如圖8所示。

圖8 尋峰統(tǒng)計子VI

尋峰統(tǒng)計子VI采用二次擬合法在給定寬度數(shù)據(jù)點之間進行插值尋峰。查找寬度通過width變量設(shè)置，在3～5之間選擇。寬度過大可能降低波峰振幅并影響波峰位置判別。理想情況下，寬度應(yīng)當盡量小，避免由噪聲引起的波峰檢測錯誤。未進行平滑預處理而出現(xiàn)的噪聲易遮蔽實際波峰，導致波峰統(tǒng)計錯誤。在給定某正弦和余弦函數(shù)信號疊加后，尋峰統(tǒng)計子VI可正常識別波峰。尋峰統(tǒng)計子VI正常運行測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 尋峰統(tǒng)計測試

3.4 核心主程序VI

核心主程序VI主要功能為伽馬射線輻照信號處理與尋峰計數(shù)。本次設(shè)計給出的伽馬射線輻照探測系統(tǒng)核心主程序VI如圖10所示。

圖10 核心主程序VI

核心主程序VI由主循環(huán)和10 s定時中斷讀取函數(shù)組成，能定時讀取信號解析子VI存儲在excel表格中的伽馬射線輻照信號數(shù)據(jù)。程序調(diào)用MatlabScript節(jié)點，運行節(jié)點中預置的提升小波和5點移動平滑程序，實現(xiàn)對伽馬射線輻照信號的降噪平滑預處理。對預處理后的信號調(diào)用尋峰統(tǒng)計子VI進行二次擬合尋峰統(tǒng)計，記錄10 s內(nèi)波峰個數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果并調(diào)用標定公式，得出輻射強度。為了對伽馬射線輻照波形進行實時監(jiān)測，調(diào)用頻率測量模塊、幅值/電平測量模塊，對波形的參數(shù)進行實時監(jiān)測并顯示。

4 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)處理

在距離某實體伽馬輻照源10 cm處(儀表顯示均值為4.5 μSv/h)，使用本次設(shè)計的基于光纖探頭的伽馬射線輻照探測系統(tǒng)，得到未經(jīng)處理的伽馬射線輻照信號如圖11所示。

圖11 未經(jīng)處理的伽馬射線輻照信號

從圖11可看出，伽馬射線輻照信號包含大量的噪聲，噪聲信號使得常規(guī)探測系統(tǒng)難以識別出信號波峰，對波峰幅度測量和計數(shù)造成嚴重干擾。

4.1 信號預處理

Matlabscript節(jié)點程序?qū)ゑR射線輻照信號的預處理分為2步。

(1)提升小波降噪處理：提升小波不依賴傅里葉變換，但繼承了第一代小波多分辨率的特性[9]。選取db4小波作為小波基，提升方案為

els={‘p’,[-0.125 0.125],0}。

利用addlift函數(shù)將提升方案添加到提升小波中，lwt函數(shù)實現(xiàn)對伽馬射線輻照信號的提升小波進行2層分解。通過wnoisest函數(shù)實現(xiàn)噪聲標準差的估計，根據(jù)估計值，調(diào)用wbmpen函數(shù)實現(xiàn)伽馬射線輻照信號的降噪處理。

(2)5點移動平滑處理：在降噪后的信號中取5點進行平滑處理，設(shè)ti時刻對應(yīng)的信號值為yi，hi為第i點平滑后所得的新值，其計算數(shù)值公式為

(2)

式中i≥3，為整數(shù)。

隨后調(diào)用smooth函數(shù)可實現(xiàn)5點移動平滑處理。對圖11所示信號預處理后得到的波形如圖12所示。

圖12 LabVIEW預處理后信號波形圖

平滑處理可降低高頻信號干擾，濾除噪聲信號，提高后續(xù)尋峰算法的精度[10]。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)實際波形情況，適當增加平滑點數(shù)。

4.2 性能對比測試

根據(jù)用戶需求，要求本次設(shè)計的基于光纖探頭的伽馬射線輻照探測系統(tǒng)輻照強度量程為10-2～105μSv/h。將系統(tǒng)置于多種不同輻照強度環(huán)境中，對其探測精度和量程進行測試，測得數(shù)據(jù)與ZDD3901監(jiān)測儀、FLUKE451P巡檢儀輸出的輻照強度數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 輻照探測系統(tǒng)量程測試

從表1可看出，本次設(shè)計的探測系統(tǒng)在低劑量輻照環(huán)境中的測試數(shù)據(jù)平均誤差較低，在 5%誤差范圍以內(nèi)，出現(xiàn)偏差的原因主要是不同探測儀器的探測前端幾何形狀及探測方向有差異，造成測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度偏差，也可能是光纖探頭中的傳輸環(huán)節(jié)造成的影響。在測試某131I源時發(fā)現(xiàn)，隨著伽馬輻照源的輻照強度增大，測量誤差會隨之增大，主要原因是系統(tǒng)在統(tǒng)計波峰個數(shù)時，可能出現(xiàn)漏記現(xiàn)象，導致輻照強度計算結(jié)果不一致，可在LabVIEW程序?qū)し褰y(tǒng)計子VI中增加尋峰點數(shù)和平滑點數(shù)解決。

5 結(jié)論

(1)將伽馬射線輻照探測系統(tǒng)中的閃爍體與APD分離，使用自行設(shè)計的光錐耦合器接收CsI晶體發(fā)出的熒光光子，采用光纖作為熒光傳輸媒介，可有效減少APD受到的干擾，使整個探測系統(tǒng)能適應(yīng)復雜的安裝、調(diào)試、監(jiān)測環(huán)境，有利于系統(tǒng)探測功能穩(wěn)定運行。

(2)探測系統(tǒng)以STM32為控制核心，設(shè)計的前端讀出電路、溫度補償偏壓控制電路，較好地穩(wěn)定輻照信號增益，實現(xiàn)了伽馬射線輻照信號的采集、轉(zhuǎn)換、上傳。

(3)利用LabVIEW軟件開發(fā)的前面板、信號解析子VI、尋峰統(tǒng)計子VI、核心主程序VI，界面直觀，操作簡單，能快速實現(xiàn)信號處理與計算功能。經(jīng)測試，整個探測系統(tǒng)能有效探測設(shè)定條件下伽馬射線輻照信號并測定輻照強度，在低劑量輻照環(huán)境中的測試數(shù)據(jù)平均誤差在±5%以內(nèi)。

此次開發(fā)的伽馬射線輻照探測系統(tǒng)可為后續(xù)進行的射線粒子甄別及其能譜分析提供基礎(chǔ)平臺。