1024道航空伽瑪能譜儀器設(shè)計(jì)

孫肖南，孫 陶

(核工業(yè)航測(cè)遙感中心，石家莊 050002)

0 引言

在航空放射性地球物理探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中，我國(guó)航空伽瑪射線能譜測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)發(fā)展，從當(dāng)初的只能進(jìn)行4道(鉀，鈾，釷，總道)模擬能譜窗數(shù)據(jù)測(cè)量，逐步發(fā)展到具有放射性能譜256道數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)水平，當(dāng)前更是達(dá)到了具有國(guó)際先進(jìn)水平的航空放射性1024道能譜分析測(cè)量的新高度[1]。但是，目前我國(guó)航空伽瑪能譜1024道測(cè)量?jī)x器主要來(lái)自于進(jìn)口，設(shè)備的核心部件“多道能譜分析器”更需要從國(guó)外引進(jìn)，不掌握核心技術(shù)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)研究了1024道航空放射性伽瑪能譜測(cè)量?jī)x器制作技術(shù)，掌握了航空放射性伽瑪能譜儀器1024道能譜分析的技術(shù)核心。

航空放射性伽瑪能譜測(cè)量主要是利用晶體探測(cè)器接收放射性元素發(fā)出的伽瑪射線粒子，對(duì)伽瑪能譜射線產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行提取分析脈沖計(jì)數(shù)得到測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。航空放射性1024道伽瑪能譜儀器設(shè)計(jì)主要包括：伽瑪射線數(shù)據(jù)采集、能譜脈沖信號(hào)數(shù)字化分析處理，放射性全譜數(shù)據(jù)圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具體為：將自然界中放射性元素發(fā)出的0～3 MeV能量的伽瑪能譜射線[2]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行快速數(shù)字化分析處理，伽瑪能譜數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)累加記錄到0～1023道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置上，監(jiān)測(cè)顯示的主要放射性元素伽瑪射線能譜為：鉀道設(shè)置：457～523道(1370～1570 keV)，鈾道設(shè)置：553～620道(1660～1860 keV)，釷道設(shè)置：803～937道(2410～2810 keV)[3]。

設(shè)計(jì)內(nèi)容主要為：1)放射性1024道能譜儀器的硬件電路設(shè)計(jì)：包括光電倍增管高壓調(diào)整電路、脈沖信號(hào)放大電路、高速A/D數(shù)據(jù)采集電路、FPGA功能模塊電路、以及1024道能譜數(shù)據(jù)輸出電路；2)放射性1024道能譜分析功能的FPGA硬件程序設(shè)計(jì)：具體包括對(duì)伽瑪射線能譜信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，信號(hào)脈沖幅度的快速識(shí)別、信號(hào)脈沖基線檢查、信號(hào)脈沖堆積的識(shí)別和處理、宇宙射線的識(shí)別，能譜射線脈沖實(shí)時(shí)分析累加；3)放射性1024道全譜數(shù)據(jù)和放射性元素能譜窗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)圖形顯示和原始數(shù)據(jù)記錄。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

自然界中天然放射性物質(zhì)的原子核放射出的伽瑪射線能量都在3 MeV以下，超過(guò)3 MeV能量的伽瑪射線都為來(lái)自外太空的高能粒子。因此1024道能譜數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的伽瑪射線能量為0～3.07 MeV，3KeV/道，超過(guò)3.07 MeV能量的伽瑪射線粒子計(jì)為宇宙射線。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要為：伽瑪能譜射線采集，光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，電脈沖信號(hào)放大，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，能譜脈沖數(shù)據(jù)分析處理，全譜數(shù)據(jù)串口傳輸，放射性能譜1024道全譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄和圖形窗口顯示。

放射性1024道伽瑪能譜儀器設(shè)計(jì)主要包括：1)NaI(Tl)晶體和光電倍增管電路；2)脈沖信號(hào)放大電路；3)高速A/D數(shù)字采集電路；4)FPGA硬件電路和實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)脈沖信號(hào)分析處理的硬件程序；5)能譜分析器輸出的1024道全譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)軟件。電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 硬件設(shè)計(jì)及原理

1.2.1 能譜探測(cè)器

伽瑪能譜探測(cè)器采用16英寸的NaI(Tl)晶體和光電倍增管構(gòu)成的閃爍體探測(cè)器，光電倍增管高壓供電選用最大為1400 V的可調(diào)整正高壓電源模塊。

伽瑪射線照射進(jìn)NaI(Tl)晶體，在晶體中產(chǎn)生大量激發(fā)電子，能發(fā)出熒光的激發(fā)電子產(chǎn)生的光子打到光電倍增管陰極產(chǎn)生光電子，經(jīng)多次倍增放大，在陽(yáng)極產(chǎn)生電荷電流信號(hào)脈沖，其電荷放大關(guān)系可表示為：A= (δ為光電倍增管打拿極倍增系數(shù)，n為打拿級(jí)個(gè)數(shù))，這些電荷經(jīng)陽(yáng)極電容收集產(chǎn)生信號(hào)脈沖，脈沖信號(hào)幅度與入射的γ射線能量有線性關(guān)系。光電倍增管陽(yáng)極輸出信號(hào)可由下列公式表示[4]：

τfl為NaI(Tl)晶體發(fā)光時(shí)間常數(shù)，約為0.25 μs；τα為充電時(shí)間常數(shù)；U0為電荷完全被收集后最大電壓幅度。

1.2.2 脈沖信號(hào)放大電路與A/D采集電路設(shè)計(jì)

A/D數(shù)據(jù)采集選用AD9226芯片，其特性為12位高速A/D轉(zhuǎn)換、并行輸出，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到65 MSPS，本設(shè)計(jì)選用50 MHz采樣頻率、為了能夠能譜數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)讀取的時(shí)鐘同步，A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘由FPGA鎖相環(huán)模塊提供，采樣周期為20 ns，AD9226芯片VREF設(shè)為 2 V，對(duì)應(yīng)的模擬輸入脈沖信號(hào)范圍1～3 V及2 Vp-p值。

脈沖信號(hào)放大電路將光電倍增管陽(yáng)極輸出的電流脈沖信號(hào)，放大轉(zhuǎn)換為符合AD9226芯片輸入特性的電壓脈沖信號(hào)；設(shè)計(jì)要求為：將0～3.07 MeV能量的伽瑪射線在光電倍增管陽(yáng)極產(chǎn)生的輸出脈沖信號(hào)，放大為1～3 V的電壓脈沖信號(hào)。放大電路設(shè)計(jì)選用高頻運(yùn)算放大器AD8065芯片，放大電路供電設(shè)計(jì)采用低紋波系數(shù)、線性、+5 V單電源供電。

放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 信號(hào)放大電路

放大電路中AD8065輸出u1點(diǎn)信號(hào)電壓幅度可由下列公式表示：

Eγ為γ射線的能量(MeV)；Nphot為γ射線進(jìn)入閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)(MeV)。ε為光電倍增管陰極收集光子的效率；GPMT為光電倍增管增益。

1.2.3 FPGA硬件電路和輸出電路設(shè)計(jì)

FPGA選用ALTERA公司的Cyclone系列EP4CE15F23芯片，選用的外部晶振為50 MHz，晶振頻率信號(hào)通過(guò)PLL模塊電路為各功能部件提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)；AD9226芯片并口輸出的12位數(shù)字輸出引腳與FPGA接口引腳相連，AD9226芯片需要的50 M時(shí)鐘頻率由FPGA提供。數(shù)據(jù)輸出芯片選用USB轉(zhuǎn)UART芯片CP2102，F(xiàn)PGA分析處理的1 024道全譜數(shù)據(jù)通過(guò)CP2102實(shí)時(shí)發(fā)送到外部數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)界面顯示中實(shí)時(shí)顯示和記錄所采集到的全譜數(shù)據(jù)。

1.2.4 宇宙伽瑪射線鑒別方法設(shè)計(jì)

一些型號(hào)的航空伽瑪能譜儀，在測(cè)量到伽瑪射線能量比較高的放射性元素異常點(diǎn)時(shí)，例如：放射性元素釷異常區(qū)域，伴隨著能量窗計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的增加，宇宙射線道也會(huì)發(fā)生不同程度的計(jì)數(shù)增加現(xiàn)象，使宇宙射線道計(jì)數(shù)發(fā)生較大的偏差。

宇宙伽瑪射線為地球外太空中進(jìn)入地球的高能伽瑪射線粒子，其能量超過(guò)3 MeV[2]。本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為1～3 V，其對(duì)應(yīng)的所接收的γ射線能量為0～3.07 MeV所產(chǎn)生的電脈沖幅度信號(hào)。大于3 MeV能量的伽瑪射線產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換器中會(huì)產(chǎn)生溢出。A/D轉(zhuǎn)換器引起溢出的信號(hào)脈沖，既有宇宙γ射線產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，又有非宇宙伽瑪射線在同一時(shí)刻，發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子在很近時(shí)間內(nèi)、幾乎同時(shí)進(jìn)入探測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)疊加而引起的較大的超過(guò)2Vp-p的信號(hào)脈沖，這些信號(hào)脈沖也會(huì)發(fā)生A/D溢出；所以不能將A/D轉(zhuǎn)換器溢出的脈沖信號(hào)判斷為大于3 MeV能量的宇宙射線的計(jì)數(shù)，否則這可能會(huì)引起伽瑪射線能譜探測(cè)儀器在伽瑪射線能量比較高的天然放射性元素異常點(diǎn)上測(cè)量時(shí)，宇宙射線道計(jì)數(shù)明顯偏高，宇宙射線記錄偏差比較大的現(xiàn)象。

Exploranium公司研制的GR-820航空伽瑪射線能譜儀器為了減小宇宙射線的計(jì)數(shù)偏差，將宇宙射線計(jì)數(shù)閾值設(shè)置為4 MeV[5]，超過(guò)4 MeV能量伽瑪射線對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)為宇宙射線。

本設(shè)計(jì)宇宙射線提取采用監(jiān)測(cè)脈沖幅度、寬度的方法。放大電路輸出的脈沖信號(hào)：滿量程時(shí) 2Vp-p對(duì)應(yīng)接收的伽瑪射線量子能量為3.07 MeV；通過(guò)編制軟件測(cè)量脈沖信號(hào)超過(guò)2Vp-p時(shí)信號(hào)的脈沖溢出時(shí)間，發(fā)現(xiàn)宇宙射線產(chǎn)生的電信號(hào)脈沖溢出時(shí)間在本電路的RC放電時(shí)間常數(shù)的設(shè)計(jì)中大都在3.5～4 μs范圍內(nèi)。而大多數(shù)由電脈沖信號(hào)疊加而產(chǎn)生的超過(guò)2Vp-p信號(hào)脈沖溢出時(shí)間都在2 μs以下。本設(shè)計(jì)采用的方法為：檢測(cè)伽瑪射線對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào),當(dāng)電脈沖信號(hào)幅度大于2Vp-p值時(shí)，開(kāi)始檢測(cè)脈沖信號(hào)的溢出時(shí)間，當(dāng)溢出時(shí)間超過(guò)1.8 μs時(shí)計(jì)錄為宇宙射線計(jì)數(shù)。這種方法極大的降低了能量比較高的放射性元素發(fā)出伽瑪射線進(jìn)入宇宙射線道計(jì)數(shù)的概率。

1.3 FPGA硬件程序設(shè)計(jì)

FPGA硬件程序主要為在FPGA中實(shí)現(xiàn)1024道能譜分析功能的程序模塊，F(xiàn)PGA硬件程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA設(shè)計(jì)圖

FPGA程序功能設(shè)計(jì)：工程中分別建立PLL鎖相環(huán)模塊、雙口存儲(chǔ)器模塊:建立2個(gè)16位數(shù)據(jù)寬度、1024個(gè)存儲(chǔ)單元的雙口存儲(chǔ)器、CPU軟核模塊、UART串口等模塊；

FPGA程序設(shè)計(jì)采用Verilog HDL編程語(yǔ)言，1024道γ射線能譜分析硬件程序設(shè)計(jì)主要包括：50 MHz/秒高速的接收ADC電路采集數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)編寫(xiě)信號(hào)并行分析處理模塊，采用寄存器數(shù)組對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤記錄，快速濾波、信號(hào)起點(diǎn)基線判斷、采用脈沖形狀分析方法[6-7]，提取脈沖信號(hào)幅度、脈沖堆積識(shí)別，依據(jù)脈沖的重疊大小，采取舍棄或修正的處理方法處理脈沖堆積數(shù)據(jù)，對(duì)宇宙γ射線的判斷鑒別處理；采集到的能譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的通過(guò)雙口存儲(chǔ)器A口記錄到1024道存儲(chǔ)器中，并在存儲(chǔ)器中進(jìn)行全譜數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)累加。

能譜分析1024道數(shù)據(jù)傳輸采用嵌入式CPU控制方式，將上述多道能譜分析功能模塊程序設(shè)計(jì)制作成為基于Avalon總線接口模塊，作為CPU軟核處理器的一個(gè)外設(shè)，制作的多道能譜分析模塊通過(guò)Avalon從總線接口與CPU處理器連接在一起，CPU處理器通過(guò)雙口存儲(chǔ)器B口讀取采集到的1024道全譜累加數(shù)據(jù)，兩個(gè)雙口存儲(chǔ)器采用乒乓工作方式輪流的進(jìn)行全譜數(shù)據(jù)記錄和全譜數(shù)據(jù)讀取，即多道能譜分析模塊向一個(gè)雙口存儲(chǔ)器中記錄1024道能譜數(shù)據(jù)時(shí)，CPU從另一個(gè)雙口存儲(chǔ)器讀取1024道全譜數(shù)據(jù)，兩個(gè)雙口存儲(chǔ)器的操作轉(zhuǎn)換由自制的多道能譜分析模塊控制[6]。CPU實(shí)時(shí)的將讀取的1024道伽瑪射線能譜數(shù)據(jù)通過(guò)UART轉(zhuǎn)USB外設(shè)芯片CP2102傳輸?shù)酵獠坑?jì)算機(jī)顯示界面中，并能夠從串口接收到外部操作指令，改變多道分析器的工作狀態(tài)。

1.4 1024道全譜數(shù)據(jù)顯示界面設(shè)計(jì)

1024道航空伽瑪能譜儀器設(shè)計(jì)采用：16位/道數(shù)據(jù)記錄，1024道能譜數(shù)據(jù)(0～1023道)，宇宙射線記錄到1023道，采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸格式和USB轉(zhuǎn)串口傳輸方式：波特率設(shè)為115 200。

能譜顯示界面，采用C++編譯系統(tǒng)，設(shè)計(jì)編寫(xiě)1024道γ能譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示圖形軟件，設(shè)計(jì)上采用多窗體結(jié)構(gòu)，每個(gè)窗體進(jìn)入采用動(dòng)態(tài)分配方式，進(jìn)入時(shí)自動(dòng)分配內(nèi)存空間，退出時(shí)及時(shí)釋放所占用的內(nèi)存資源，以減少內(nèi)存的占用。顯示界面包括1024道全譜圖形實(shí)時(shí)顯示窗口，放射性能譜總道、鉀道、鈾道、釷道各圖形實(shí)時(shí)顯示窗口，以及數(shù)字實(shí)時(shí)顯示窗口[8-10]。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集運(yùn)行命令，自動(dòng)建立以當(dāng)前時(shí)間命名的測(cè)量數(shù)據(jù)文件夾，并以當(dāng)前時(shí)間建立數(shù)據(jù)記錄文件，接收的1024道放射性全譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地以二進(jìn)制記錄格式記錄到數(shù)據(jù)文件中，同時(shí)把接收時(shí)間也自動(dòng)記錄到數(shù)據(jù)文件中。顯示界面軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 顯示界面軟件結(jié)構(gòu)及流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 峰位調(diào)整

在NaI(Tl)晶體附近，通過(guò)放置放射性元素Cs源、Th源，觀察所接收的1024道伽瑪射線全譜圖形數(shù)據(jù)，檢查各元素能譜特征峰所在的顯示位置，調(diào)整放大器靜態(tài)工作點(diǎn)和放大器放大倍數(shù)，使放射性元素銫產(chǎn)生的伽瑪射線能譜峰位(0.662 MeV)對(duì)應(yīng)的顯示記錄到220道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置上，放射性元素釷產(chǎn)生的伽瑪射線能譜峰位 (2.61 MeV)顯示在872道數(shù)據(jù)記錄位置上[2,11]。

2.2 操作界面

1024道能譜分析器，能譜監(jiān)視顯示圖形軟件運(yùn)行在Win7操作系統(tǒng)上，啟動(dòng)程序進(jìn)入操作界面，主菜單項(xiàng)包括：文件、能譜、幫助。

2.3 串口設(shè)置界面

點(diǎn)擊菜單能譜/設(shè)置串口，顯示界面如圖5所示。

圖5 串口設(shè)置界面

在顯示界面中設(shè)置相應(yīng)接收串口的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)：設(shè)備名、串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位。點(diǎn)擊瀏覽按鈕，指定串口所輸入的數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示到界面內(nèi)的文本框中，界面中還能夠?qū)崟r(shí)的觀察到1024道全譜數(shù)據(jù)和1024道全譜累加數(shù)據(jù)。

2.4 進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面

點(diǎn)擊菜單能譜/進(jìn)入采集，在顯示界面后點(diǎn)擊運(yùn)行按鍵，顯示界面如圖6所示。

圖6 1024道γ射線全譜數(shù)據(jù)、能譜窗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀察界面

顯示界面實(shí)時(shí)顯示1024道能譜儀器所采集的1024道全譜數(shù)據(jù)圖形曲線(0～1022道：γ射線能量0～3.06 MeV，1023道記錄宇宙射線數(shù)據(jù))、K、U、Th、總道能譜窗數(shù)據(jù)圖形曲線，數(shù)字顯示K、U、Th、總道能譜窗數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)和宇宙射線數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地將所接收到的1024道伽瑪射線全譜數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式記錄到數(shù)據(jù)文件中。

1024道能譜窗數(shù)據(jù)閾值設(shè)置如下：

總道設(shè)置：137～937道(480～2810 keV)，K道設(shè)置：457～523道(1370～1570 keV)，U道設(shè)置：553～620道(1660～1860 keV)，Th道設(shè)置：803～937道(2410～2810 keV)[3]。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)試分別采用放射性銫源、釷源以及天然鉀元素放射性累加計(jì)數(shù)測(cè)量，測(cè)量能譜峰位數(shù)據(jù)如圖7～9所示。

圖7 Cs137放射源累加計(jì)數(shù)測(cè)試能譜曲線

圖8 天然k40能譜峰位計(jì)數(shù)累加譜線

圖9 用Tl208放射源累加計(jì)數(shù)測(cè)試能譜曲線

測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)為：Cs137伽馬射線能量0.662 MeV峰位數(shù)據(jù)記錄在220.3道，分辨率7.9；k40能量1.46 MeV峰位數(shù)據(jù)記錄在487.2道，分辨率5.7；Tl208測(cè)試源測(cè)試：可以觀測(cè)到Tl208和釷系中一些衰變子體產(chǎn)生的伽馬射線特征峰曲線[2]，Tl208能量2.615 MeV峰位數(shù)據(jù)記錄在872.6道，分辨率4.9；能譜線性度<0.3%，能譜峰位數(shù)據(jù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求[2,11]。

3 結(jié)束語(yǔ)

1024道伽瑪能譜儀設(shè)計(jì)才用軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，完成了從伽瑪射線接收到放射性能譜數(shù)據(jù)顯示記錄的全過(guò)程設(shè)計(jì)制作，實(shí)現(xiàn)了1024道航空伽瑪能譜儀設(shè)計(jì)制作；在測(cè)試檢驗(yàn)中， Cs峰，K峰，U峰，Th峰的特征峰能量辨別以及能譜線性指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求[2,11]，1024道能譜線性優(yōu)于0.3%，在計(jì)算機(jī)顯示界面中完成了對(duì)能譜分析器輸出的1024道全譜數(shù)據(jù)接收顯示，并實(shí)時(shí)地將接收的1024道全譜數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中。1024道能譜分析技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，有利于更深入的研究和掌握能譜伽瑪射線脈沖信號(hào)的分析方法和數(shù)字處理方法，更有利于發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空伽瑪能譜探測(cè)儀器應(yīng)用到航空放射性測(cè)量領(lǐng)域中。