高集成度自動(dòng)化γ能譜儀

陳 琦， 王忠海， 張肇驛， 李佛泉， 楊朝文

(四川大學(xué)物理學(xué)院輻射物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610064)

1 引 言

γ能譜儀是輻射探測(cè)相關(guān)的重要儀器設(shè)備. 它被廣泛應(yīng)用于輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生防疫、地質(zhì)普查、放射醫(yī)療等領(lǐng)域[1]. 傳統(tǒng)的γ能譜儀一般采用探測(cè)器外接成型電路、數(shù)據(jù)采集電路和供電電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，存在體積大、重量大、攜帶不方便和抗干擾能力差等缺點(diǎn). 隨著我國(guó)核電事業(yè)快速發(fā)展，截至2019年12月，中國(guó)大陸共有16座核電站47臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，并有13座核電站正在建設(shè)當(dāng)中[2]. 考慮到反應(yīng)堆內(nèi)部的空間狹小、電磁環(huán)境復(fù)雜且不方便供電和人員進(jìn)出，為了探測(cè)反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的γ射線，要求γ能譜探測(cè)設(shè)備具有體積小、可長(zhǎng)期無(wú)人值守、自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn). 針對(duì)以上需求，本文研制了基于STM32L4系列微處理器的高集成度、高分辨率、高穩(wěn)定性、低功耗和智能化γ能譜儀.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

γ能譜儀的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示. 譜儀采用閃爍體探測(cè)器探測(cè)γ射線，通過(guò)設(shè)計(jì)小尺寸高壓電路為閃爍體探測(cè)器供電；采用電荷靈敏前置放大器電路對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行讀出和放大；采用集成運(yùn)算放大器芯片設(shè)計(jì)了兩級(jí)二階有源低通濾波電路，對(duì)前置放大電路輸出信號(hào)進(jìn)行濾波、成形

和放大；γ能譜儀采用低功耗高性能STM32L4系列的ARM處理器設(shè)計(jì)了高集成度多道分析電路，并結(jié)合嵌入式程序?qū)崿F(xiàn)了探測(cè)器信號(hào)能譜處理和系統(tǒng)控制；同時(shí)γ能譜儀還設(shè)計(jì)了專用的鋰電池電源管理電路，以實(shí)現(xiàn)γ能譜儀的低功耗和長(zhǎng)續(xù)航功能.

2.1 探測(cè)器選型

目前γ能譜儀中常用的探測(cè)器主要包括半導(dǎo)體探測(cè)器和閃爍體探測(cè)器. 其中半導(dǎo)體探測(cè)器能量分辨率較好，比如高純鍺探測(cè)器的能量分辨率約為0.2%@662 keV. 但是半導(dǎo)體探測(cè)器通常需要液氮制冷或者電制冷保證探測(cè)器正常工作，使得這類γ能譜儀體積大，不方便攜帶，同時(shí)功耗高，一般只作為固定式γ能譜儀放置在實(shí)驗(yàn)室里面使用[3]. 另外閃爍體探測(cè)器體積小、成本低，普遍用于便攜式的γ能譜儀，但其能量分辨率相對(duì)較差，比如NaI(TI)閃爍體探測(cè)器約為7.0%@662 keV. 因此這類γ能譜儀對(duì)于能量分辨率要求高的應(yīng)用環(huán)境還存在一定的不足. 本次研究通過(guò)調(diào)研選擇了高能量分辨率LaBr3(Ce)閃爍體探測(cè)器(3.0%@662 keV)，其與NaI(TI)閃爍體探測(cè)器的性能對(duì)比[4-5]如表1所示. 由表1可知LaBr3(Ce)閃爍體探測(cè)器具有能量分辨率高、能量線性好、探測(cè)效率高、光產(chǎn)額高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于存在一定的放射性本底和價(jià)格較高等.

表1 LaBr3(Ce)探測(cè)器與NaI(TI)閃爍體探測(cè)器的主要性能對(duì)比[4-5]

2.2 信號(hào)讀出電路設(shè)計(jì)

信號(hào)讀出電路主要分為PMT分壓電路、前置放大電路和濾波成形電路. PMT分壓電路一般可以分為無(wú)源分壓電路和有源分壓電路. 無(wú)源分壓電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)于寬能量范圍的γ射線探測(cè)往往存在非線性效應(yīng)和信號(hào)失真問(wèn)題. 而有源式分壓電路會(huì)在后幾級(jí)打拿極間添加三極管組成電壓跟隨器，通過(guò)穩(wěn)定極間電壓來(lái)優(yōu)化非線性問(wèn)題[6]. 本譜儀設(shè)計(jì)采用有源分壓電路方案如圖2所示，同時(shí)設(shè)計(jì)了錐形分壓電阻比例，不僅提高了PMT前端的電子收集效率，而且進(jìn)一步優(yōu)化了γ能譜儀的能量線性. PMT輸出電流信號(hào)通過(guò)耦合電容C1(如圖3)送入前置放大電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào). 為了減少探測(cè)器電容變化對(duì)輸出信號(hào)的影響，達(dá)到最佳的信噪比，譜儀設(shè)計(jì)了電荷靈敏型的前置放大電路[7]. 其中運(yùn)算放大器型號(hào)選取的是ADI公司生產(chǎn)的AD8065，具有高帶寬(145 MHz)，低噪聲(7 nV/Hz)，低輸入偏置電流(1 pA)，適用于γ能譜測(cè)量[8].

圖2 有源分壓電路原理圖

圖3 電荷靈敏前置放大電路原理圖

常用的濾波成形電路可分為有源濾波電路和無(wú)源濾波電路. 為了用更少的濾波級(jí)數(shù)得到準(zhǔn)高斯的濾波效果，并且減少負(fù)載變化給濾波電路帶來(lái)的影響, 本譜儀設(shè)計(jì)選用了兩級(jí)基于S-K濾波電路的二階有源低通Bessel濾波器(如圖4). S-K濾波電路由于采用了部分正反饋具有較高的品質(zhì)因子，普遍用于核脈沖的濾波成形[9].Bessel濾波器具有最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，可以使濾波過(guò)后的信號(hào)充分滿足ADC的輸入量程范圍，同時(shí)減少在高計(jì)數(shù)率情況下信號(hào)尾堆積引起的脈沖幅度變化. 該濾波成形電路設(shè)計(jì)選用ADI公司生產(chǎn)的型號(hào)為ADA4807的運(yùn)算放大器, 它具有高壓擺率(225 V/μs)和低失真度，適合應(yīng)用于濾波成形電路.

圖4 濾波成形電路原理圖

2.3 小尺寸高壓電路設(shè)計(jì)

高壓電路的作用是通過(guò)分壓電路給PMT各個(gè)打拿級(jí)提供高壓，驅(qū)動(dòng)PMT正常工作. 高壓電路在滿足輸出電壓要求的同時(shí)往往還需要輸出電流夠大，防止PMT在高的信號(hào)計(jì)數(shù)率的情況下出現(xiàn)飽和或脈沖幅度失真.同時(shí)為了保證PMT各個(gè)打拿級(jí)間增益的穩(wěn)定性，還要求高壓電路的工作溫度范圍寬、溫度變化系數(shù)低和輸出穩(wěn)定性高.另外，較小的輸出高壓噪聲紋波也可以提高輸出信號(hào)的信噪比，進(jìn)而提高譜儀的能量分辨率. 綜合以上幾點(diǎn)和譜儀集成度的設(shè)計(jì)要求，我們選用了濱松公司生產(chǎn)的型號(hào)為CC228P-09Y的小型高壓電源模塊[10]，其尺寸為46 mm×25 mm×12 mm(如圖5)，具體參數(shù)見表2. 高壓模塊的輸出電壓按比例(400∶1)分壓后送入高壓監(jiān)測(cè)ADC進(jìn)行采集，確保譜儀探測(cè)器工作電壓正常.

表2 CC228P-09Y高壓電源模塊主要參數(shù)

圖5 CC228P-09Y高壓電源模塊實(shí)物圖

2.4 多道脈沖幅度分析電路設(shè)計(jì)

常見的多道脈沖幅度分析電路主要由峰值保持電路和ADC采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)脈沖幅度采集，整體電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且電路功耗較大. 本譜儀在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)這些問(wèn)題采用了波形全采樣的多道分析電路設(shè)計(jì)方案. 方案選取了意法半導(dǎo)體公司主打的超低功耗ARM處理器芯片STM32L4系列作為控制芯片[11]，它是基于cortex-m4的內(nèi)核，最大主頻可以到達(dá)80 MHz，待機(jī)電流低至120 nA. 同時(shí)它集成5 Msps、12-bit高速ADC以實(shí)現(xiàn)波形全采樣. 濾波成形電路的輸出信號(hào)一方面可以直接送入該ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，另一方面可以輸入到ARM處理器自帶的比較器來(lái)指示信號(hào)的到達(dá)時(shí)間(如圖6). CPU通過(guò)比較器得知探測(cè)器信號(hào)到來(lái)后會(huì)去緩存區(qū)獲取ADC采樣數(shù)據(jù)，接著對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行波形平滑、峰值提取和能譜統(tǒng)計(jì)等處理，從而實(shí)現(xiàn)了多道脈沖幅度分析電路的功能. 最后能譜信息存入ARM處理器自帶的FLASH中，保證譜儀在待機(jī)狀態(tài)下測(cè)量數(shù)據(jù)不會(huì)丟失. 同時(shí)規(guī)定好相關(guān)的讀取指令，當(dāng)ARM處理器從以太網(wǎng)等通訊接口接收到讀取指令時(shí)，會(huì)自動(dòng)把已經(jīng)存儲(chǔ)好的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶.

圖6 多道脈沖幅度分析處理框圖

2.5 低功耗電源管理電路設(shè)計(jì)

為了能夠在核反應(yīng)堆內(nèi)部進(jìn)行長(zhǎng)期的無(wú)外接電源續(xù)航工作，譜儀在設(shè)計(jì)時(shí)一方面需要設(shè)計(jì)基于鋰電池的電源供電方案，解決反應(yīng)堆內(nèi)部供電不方便的問(wèn)題；另一方面需要設(shè)計(jì)ARM可程控的電源管理方案，實(shí)現(xiàn)譜儀待機(jī)功耗的最小化.

譜儀設(shè)計(jì)了基于鋰電池供電的電源方案如圖7所示. 由于ARM主控電路上包含有一塊容量為255 mAh的紐扣電池單獨(dú)給集成在ARM處理器上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)供電，用戶可以提前在嵌入式程序上設(shè)定好自動(dòng)睡眠和定時(shí)喚醒的時(shí)間表. 當(dāng)RTC上的時(shí)間到達(dá)喚醒時(shí)間點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)喚醒ARM處理器，并將電源芯片以及電源開關(guān)芯片的使能管腳EN上拉至高電平，啟動(dòng)譜儀正常工作進(jìn)入γ能譜工作模式；當(dāng)RTC上的時(shí)間到達(dá)睡眠時(shí)間點(diǎn)時(shí)會(huì)提醒ARM處理器進(jìn)入睡眠模式，電源芯片和電源開關(guān)芯片使能管腳EN恢復(fù)至默認(rèn)的低電平狀態(tài)，測(cè)量結(jié)束，此時(shí)譜儀的功耗降到8.40 mW，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期待機(jī)和自動(dòng)定時(shí)喚醒并開展γ能譜測(cè)量的智能化功能.

圖7 譜儀電源電路供電方案框圖

3 譜儀搭建

考慮到PMT管座整體的尺寸大小和內(nèi)部可用空間，譜儀采用板-板堆疊的電路板空間布局，板與板之間通過(guò)合適長(zhǎng)度的六角黃銅柱連接固定起來(lái)，并把它們組裝在鋁制的圓管中，最大程度上增加了空間利用率，減少了整體體積，使譜儀更加緊湊輕便. 實(shí)際通過(guò)測(cè)量得到γ能譜儀的整體尺寸為φ60 mm×220 mm. γ能譜儀背后包含有電源接口、按鈕開關(guān)和以太網(wǎng)接口，方便用戶對(duì)γ能譜儀進(jìn)行外部供電輸入、電源開關(guān)控制和能譜數(shù)據(jù)獲取，其具體實(shí)物圖如圖8.

圖8 電路結(jié)構(gòu): (a) 板-板堆疊實(shí)物圖, (b) γ能譜儀, (c) 交互式接口

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)設(shè)計(jì)的γ能譜儀性能做詳細(xì)的測(cè)試，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示. 實(shí)驗(yàn)選取了241Am(59.5 keV)、57Co(122 keV)、133Ba(356 keV)、137Cs(662 keV)、54Mn(835 keV)、232Th (1 588和2 614 keV)、60Co(1 173和1 332 keV)作為γ放射源，同時(shí)選取了1英寸(1英寸 = 2.54 cm)的LaBr3(Ce)晶體作為γ能譜儀的探測(cè)器晶體. 實(shí)驗(yàn)還選用了濱松公司生產(chǎn)的型號(hào)為RS6231-100的PMT，并設(shè)置PMT的供電電壓為940 V. 外部選用了12 V、10 Ah的聚合物鋰電池和線性電源作為電源輸入，并用室內(nèi)的空調(diào)將室溫恒溫到22 ℃. 實(shí)驗(yàn)分別對(duì)譜儀的能量分辨率、能量非線性度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、待機(jī)功耗和運(yùn)行功耗進(jìn)行測(cè)試.

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建示意圖

4.1 能量分辨率測(cè)試

能量分辨率是表征譜儀分辨相近能量γ射線的重要指標(biāo). 實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了防止信號(hào)堆積導(dǎo)致能譜峰位畸變，根據(jù)137Cs放射源的活度和γ能譜儀的探測(cè)效率，最后確定將137Cs放射源放置距離探測(cè)器10 cm處，此時(shí)能譜儀的計(jì)數(shù)率約為400 cps. 同時(shí)設(shè)置γ能譜儀的單次測(cè)量時(shí)間為20 min，重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)得137Cs放射源的能譜如圖10所示. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)用241Am放射源(59.5 keV)和60Co放射源(1 173和1 332 keV)對(duì)譜儀進(jìn)行能量刻度，計(jì)算得662 keV的能量分辨率為3.0%.

圖10 實(shí)測(cè)137Cs γ放射源能譜圖

4.2 能量非線性測(cè)試

譜儀對(duì)射線能量響應(yīng)線性度越高，表示譜儀對(duì)射線能量的測(cè)量精度越高. 為了準(zhǔn)確地對(duì)譜儀的能量線性響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)選用多種γ放射源進(jìn)行測(cè)試：241Am(59.5 keV)、57Co(122 keV)、133Ba(356 keV)、137Cs(662 keV)、54Mn(835 keV)、60Co(1 173和1 332 keV)和232Th(1 588 keV和2 614 keV). 測(cè)量得到的峰位道址-能量對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3，根據(jù)測(cè)量結(jié)果作出能量響應(yīng)線性擬合曲線見圖11，可以看到譜儀在50～3 000 keV探測(cè)能區(qū)內(nèi)具有良好的線性，其最大相對(duì)偏差為9.5%.

表3 測(cè)試放射源γ射線能量和峰位道址

圖11 γ能譜儀能量響應(yīng)線性擬合曲線

4.3 長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試

γ能譜儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是指測(cè)量環(huán)境條件和放射源保持不變的情況下，測(cè)量到的γ能譜峰位道址的穩(wěn)定性. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)固定好γ能譜測(cè)量?jī)x和232Th γ放射源的相對(duì)位置，并在程序上設(shè)置好單次能譜測(cè)量時(shí)間為30 min，能譜測(cè)量時(shí)間間隔為30 min. 保證譜儀供電正常同時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度穩(wěn)定的情況下，設(shè)置儀器連續(xù)工作48 h，共獲得48個(gè)能譜. 統(tǒng)計(jì)這些能譜中232Th源的238和2 614 keV兩個(gè)特征峰峰位道址隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖12.由圖12可以看到譜儀在48 h連續(xù)工作的情況下具有良好的穩(wěn)定性，通過(guò)計(jì)算得到238 keV 特征峰峰位道址的最大相對(duì)偏差為0.14%，2 614 keV特征峰峰位道址的最大相對(duì)偏差為0.22%.

4.4 待機(jī)功耗和運(yùn)行功耗測(cè)試

實(shí)驗(yàn)用線性電源給γ能譜儀提供12 V電源后，測(cè)得待機(jī)功耗為8.40 mW. 當(dāng)儀器進(jìn)入工作模式時(shí)，測(cè)得運(yùn)行功耗為1.38 W. 由此推算，在選用10 Ah聚合物鋰電池供電的情況下，如果譜儀每天測(cè)量時(shí)間2 h，待機(jī)22 h，譜儀可連續(xù)工作40 d.

圖12 γ能譜儀穩(wěn)定性測(cè)試Fig.12 Stability test of γ spectrometer

5 結(jié) 論

本文研制了基于STM32L4系列微處理器的低功耗、高分辨、高集成度的自動(dòng)γ能譜儀，譜儀整體尺寸僅為φ60 mm×220 mm. 能譜儀具有按照預(yù)先設(shè)置自動(dòng)切換工作模式和待機(jī)模式的自動(dòng)能譜測(cè)量功能，滿足了反應(yīng)堆安全殼內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下γ放射性的監(jiān)測(cè)需求. 文章對(duì)該譜儀的能量分辨率、能量非線性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、待機(jī)功耗和工作功耗進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試. 實(shí)驗(yàn)測(cè)得662 keV γ射線能量分辨率為3.0%；采用241Am、57Co、133Ba、137Cs、54Mn、60Co和232Th γ放射源測(cè)得譜儀在50～3 000 keV能量區(qū)間的積分非線性為9.5%；實(shí)驗(yàn)通過(guò)用232Th γ放射源連續(xù)48 h測(cè)試譜儀的能譜穩(wěn)定性，計(jì)算得到238和2 614 keV特征峰峰位道址的最大相對(duì)偏差分別為0.14%和0.22%；實(shí)驗(yàn)測(cè)得譜儀的工作功耗為1.38W，待機(jī)功耗為8.40 mW，以每天工作2 h、待機(jī)22 h為例，采用10 Ah鋰電池供電，譜儀可連續(xù)工作40 d.