便攜式多功能輻射檢測儀設(shè)計

楊 松 張曉泉 鄧長明 張艷婷 許 非 關(guān)玲玲 段少強(qiáng)

（中國輻射防護(hù)研究院 太原 030006）

目前，傳統(tǒng)的便攜式輻射測量儀一般為單臺專用設(shè)備，根據(jù)被測對象的放射性類型選擇合適的探測器及后端處理電路，研制出相應(yīng)的輻射探測儀來滿足特定輻射場下輻射測量的需求［1-2］。隨著核科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在核輻射探測領(lǐng)域也加快了研發(fā)步伐。新的探測材料，新的技術(shù)，使得核輻射探測器在小型化、量程、效率、靈敏度、可靠性方面都得到了提升，其中便攜式多功能輻射檢測儀成為研發(fā)熱點(diǎn)之一。然而便攜式一體化輻射測量儀要滿足在混合輻射場下γ核素的快速識別、η-γ甄別、低能X射線的同時測量，對檢測儀的設(shè)計提出了更高的要求。LaBr3（Ce）晶體由于其高能量分辨率的優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于核素識別［3］，硅酸鋰鋁（Lithium Aluminum Silicate Oxygen，LASO）型中子探測器具有非常好的η-γ甄別能力，在探測一定范圍能量的中子是反應(yīng)能為一固定值，因此形成的的脈沖幅度也是固定值，用脈沖幅度甄別可以實(shí)現(xiàn)η-γ混合場的測量［4-5］，ZP1301型蓋革-米勒（Geiger-Muller，GM）管計數(shù)器具有高輻射場下的測量優(yōu)勢。由此，本文針對不同輻射場測量的需求［6-7］，設(shè)計一款集?38 mm×高38 mm的LaBr3（Ce）晶體、ZP1301型蓋革-米勒管計數(shù)器、LASO型中子探測器多個探頭為一體的便攜式輻射測量儀，針對不同探測器輸出的核脈沖幅度特征設(shè)計相對應(yīng)的高壓及信號處理電路，對于能譜識別采用美國ORTEC公司數(shù)字一體化多道進(jìn)行高速采集與數(shù)字化處理。最后，將前端處理的數(shù)字信號傳入到ARM（Advanced RISC Machine）控制器上進(jìn)行分時采集、顯示、上傳等功能。

1 總體設(shè)計

圖1為多功能輻射檢測儀總體結(jié)構(gòu)圖。主要包括：探測器單元、信號處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分。該檢測儀可同時測量周圍X、γ、n輻射水平，并具有核素識別的功能。檢測儀總體設(shè)計具有寬量程、精度高、智能化、便攜式等特點(diǎn)，整體外觀實(shí)物圖見圖2。

2 部件設(shè)計

2.1 GM計數(shù)管信號處理電路設(shè)計

GM計數(shù)管相比閃爍體和半導(dǎo)體探測器，具有輸出信號幅度大、前置信號處理電路簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、體積小等特性，在便攜式核儀表中廣泛被應(yīng)用，其信號處理電路包含前置信號處理電路和信號成形電路［8］，R1為計數(shù)管的陽極限流電阻，推薦為MΩ級，R2為計數(shù)管陰極取樣電阻，初始信號從計數(shù)管與陰極電阻之間輸出，經(jīng)過電容C1耦合，電阻R3為輸出脈沖時間常數(shù)調(diào)節(jié)電阻，經(jīng)RC電路輸出脈寬不會太大，適應(yīng)了高計數(shù)率，輸出的脈沖幅度也不至于太小。然后經(jīng)過Q2三極管和U1施密特觸發(fā)器SN74LVC1G14組成的單穩(wěn)成形電路，輸出合適的方波，以接入到ARM控制器的外部計數(shù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖2為GM計數(shù)管信號處理電路。

圖2 GM計數(shù)管信號處理電路Fig.2 Signal processing circuit for GM counter

2.2 LaBr3探測器倍壓電路設(shè)計

本檢測儀表設(shè)計的低劑量和能譜測量采用的是LaBr3+CR332光電倍增管作為探測單元，通過專用的14P管座及分壓組件連接到數(shù)字多道上。根據(jù)CR332光電管各倍增級的不同電壓，且需要高電壓、小電流，故設(shè)計了倍壓整流電路［9］。本倍壓整流電路采用耐壓較高的整流二極管和電容器，把較低的交流電壓整出較高的直流電壓，通過多級倍壓后分別分配到光電倍增管不同的倍增級上。由于本檢測儀所選的GM計數(shù)管工作電壓在400～500 V之間，所以GM計數(shù)管的工作電壓也由此倍壓電路提供。

2.3 中子探測器后端處理電路設(shè)計

本文的中子探測器采用的是LASO型中子探測器，主要成分鉀冰晶石［10］，外形尺寸?22 mm×20 mm，靈敏體積1 000 mm3，對中子和γ都有響應(yīng)，輸出幅度大、噪聲低。采用29 V電源模塊供電，正常工作功耗低于5 mW，后端處理電路設(shè)計如圖3所示，電路設(shè)計先用了一個比較器LMV7235M5X和一個穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4528及若干個電容、電阻等器件。主要分兩級：第一級比較電路，第二級脈沖整形電路。第一級采用的電壓比較器，主要是將噪聲信號以及γ信號濾掉，對中子信號進(jìn)行放大，通過反向輸入端設(shè)置門檻電平。第二級采用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4528，起脈沖整形的作用，可輸出規(guī)則的方波信號，通過選擇不同的R37和C27可以決定脈沖的寬度。

圖3 中子探測器后端處理電路設(shè)計Fig.3 Design of back-end processing circuit of neutron detector

鉀冰晶石探測器對于中子和γ射線作用，分別輸出脈沖信號的幅度有比較大的差異。實(shí)驗(yàn)采用多道分析器分別測量252Cf、137Cs、60Co的響應(yīng)能譜，如圖4所示，可以看到，252Cf-n峰位在1 700道左右，其對應(yīng)的幅度脈沖約為477 mV，而對于137Cs-γ和60Co-γ的響應(yīng)絕大部分小于1 200道，其對應(yīng)的幅度脈沖小于330 mV。這樣，當(dāng)設(shè)置門檻電平閾值大于330 mV時，就能濾除掉γ對探測器的響應(yīng)，但閾值過大又會濾除掉有效的中子信號，所以設(shè)置閾值的上限不大于400 mV。當(dāng)門檻電平閾值的設(shè)置在330～400 mV之間，探測器對中子的測量結(jié)果沒有影響。

圖4 探測器對中子、137Cs-γ、60Co-γ的響應(yīng)能譜Fig.4 Response spectra of detector to neutrons,137Cs-γ,60Co-γ

2.4 主控制系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 硬件設(shè)計

主控制系統(tǒng)設(shè)計采用的STM32F103C8T6為核心模塊，32位Cortex的ARM微控制器，成本低、性能強(qiáng)，有多個IO（Input/Output）端口可供使用，3個16位定時器，2個I2C（Inter-Integrated Circuit）接口，3個USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，2個SPI（Serial Perripheral Interface）同步串行接口，一個USB2.0通信接口。主控制器主要實(shí)現(xiàn)對探測到的信號進(jìn)行采集處理、對數(shù)字多道進(jìn)行能譜采集、OLCD（Organic Light-Emitting Diode）顯示、按鍵輸入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳等功能。硬件最小系統(tǒng)控制電路如圖5所示，經(jīng)處理后γ和中子信號分別接入PA1和PB6端口作為定時計數(shù)，外接按鍵芯片采用模擬I2C控制，OLED液晶采用模擬SPI控制，能譜數(shù)據(jù)采用USART串口與多道通訊，數(shù)據(jù)存儲采用2 M×8 bit的FLASH芯片通過硬件SPI控制，與上位機(jī)采用USB通訊，處理器的IO端口通過輸出功能控制蜂鳴器、LED燈來實(shí)現(xiàn)聲光報警，IO的輸入功能可檢測電池是否電壓，此外還有外部晶振8 MHz和32.768 kHz設(shè)計。

圖5 最小系統(tǒng)控制電路Fig.5 Minimum system control circuit

2.4.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是在Keil5 MDK上用C語言完成的，程序主要包括：低功耗模式配置、OLED顯示初始化、USART串口傳輸配置、外部按鍵中斷、定時器中斷、劑量率擬合及突變算法、低能X射線能量補(bǔ)償算法等。首先，執(zhí)行系統(tǒng)初始化，讀取Flash中的配置參數(shù)；然后儀器進(jìn)入低功耗模式等待開機(jī)喚醒，低功耗模式配置成待機(jī)模式，此時模式系統(tǒng)會關(guān)閉所有的時鐘以及外設(shè)，電流可降低超400 mA。開機(jī)后儀表進(jìn)入主界面顯示，開始X、γ數(shù)據(jù)采集，對ARM處理器采集的X、γ脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和突變算法處理，然后在不同劑量下進(jìn)行多點(diǎn)擬合得出劑量率。對于低能X射線采用能譜法進(jìn)行能量補(bǔ)償，根據(jù)特征峰信息可以把能譜數(shù)據(jù)的低能區(qū)分成若干段，每一區(qū)間對應(yīng)一個能量補(bǔ)償因子［11］。程序定時掃描是否有外部按鍵中斷，當(dāng)有按鍵指令后會進(jìn)入不同的功能界面，包括中子劑量率測量、核素識別、參數(shù)設(shè)置、上位機(jī)通信等。中子劑量率測量是根據(jù)不同的中子劑量場下儀器得到的計數(shù)率轉(zhuǎn)換成劑量率所得，軟件內(nèi)部編寫了對應(yīng)的刻度公式。核素識別部分采用的是ORTEC提供的函數(shù)庫，可直接調(diào)用其庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其中穩(wěn)譜部分采用軟件穩(wěn)譜方法，利用K峰（1.46 MeV）的特征峰進(jìn)行實(shí)時尋峰，在探測器放大增益固定的情況下，通過調(diào)整LaBr3探測器的高壓值，將K40峰位調(diào)整到固定的道址，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)峰的目的。參數(shù)設(shè)置主要是對儀表的報警閾值、刻度因子、測量周期等進(jìn)行修改，最后多功能便攜式儀表預(yù)留了USB通信接口，可以根據(jù)上位機(jī)指令上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程圖Fig.6 Software design flow chart

3 主要性能測試與討論

本儀表根據(jù)不同的探測器進(jìn)行輻射測量，通過切換不同的測量界面實(shí)現(xiàn)X、γ、中子劑量率的測量以及放射性核素的識別。在混合場下，儀表開機(jī)默認(rèn)進(jìn)入X、γ劑量率的自動測量界面，并實(shí)時更新X、γ劑量率的測量數(shù)據(jù)。通過按鍵設(shè)置切換到中子劑量率測量界面，中子探測器開始工作，并自動對混合場中的中子劑量率進(jìn)行測量。對于可疑放射源進(jìn)行核素識別時，儀表開機(jī)進(jìn)入主界面需遠(yuǎn)離放射源，然后按鍵切換到核素識別界面，點(diǎn)擊“采集”按鈕開始測量，默認(rèn)采集時間60 s，待數(shù)據(jù)采集完畢，儀表自動進(jìn)行核素識別并顯示識別結(jié)果。

3.1 劑量當(dāng)量率測量

本次儀表放射性實(shí)驗(yàn)在國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站進(jìn)行，儀器本底γ計數(shù)平均值0.162 μSv·h-1，經(jīng)在參考輻射源137Cs、60Co源下測試，儀表的γ劑量當(dāng)量率相對固有誤差≤±20%，滿足便攜式X、γ輻射周圍劑量當(dāng)量（率）儀檢定規(guī)程［12］。表1為γ劑量當(dāng)量率相對固有誤測試結(jié)果，測量范圍涵蓋10-1～107μSv·h-18個數(shù)量級的寬量程。GM計數(shù)管在該便攜式儀表中實(shí)現(xiàn)高量程劑量率的測量，當(dāng)γ劑量率大于100 μSv·h-1時，硬件后會自動切換成GM計數(shù)管測量。本儀表采用的GM的劑量率測量范圍可達(dá)102～107μSv·h-1。

儀表中所用的中子探測器，在本底環(huán)境下中子劑量率測量值為0.1 μSv·h-1，測量范圍可達(dá)0.1～100 mSv·h-1，相對于252Cf源其靈敏度≥5 μSv·h-1，采用Am-Be和252Cf中子源進(jìn)行測試，測量結(jié)果如表2所示，相對固有誤差≤±15%，滿足中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀檢定規(guī)程［13］。

表2 中子劑量當(dāng)量率相對固有誤差測試結(jié)果Table 2 Test results of relative intrinsic error of neutron dose equivalent rate

3.2 X、γ射線能量響應(yīng)測量

對于儀表的能量范圍要求滿足48 keV～3 MeV，針對LaBr3探測器和GM探測器的能量響應(yīng)是否滿足國標(biāo)要求，LaBr3探測器分別在特征能量為48 keV、60 keV、87 keV、149 keV、211 keV的X射線和137Cs、60Co標(biāo)準(zhǔn)輻射場下測試，能量響應(yīng)測試結(jié)果如表3所示。

通過表3的測試結(jié)果來看，采用能譜法進(jìn)行低能X射線能量補(bǔ)償?shù)姆椒?，?shí)現(xiàn)了在48 keV～1.25 MeV能量范圍內(nèi)的準(zhǔn)確測量，能量響應(yīng)誤差≤±15%。對于經(jīng)能量補(bǔ)償?shù)腉M探測器，能量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)分別在特征能量為48 keV、65 keV、83 keV、100 keV、118 keV、164 keV、250 keV的X射 線和137Cs、60Co標(biāo)準(zhǔn)輻射場下測試，能量響應(yīng)測試結(jié)果如表4所示。

表3 LaBr3探測器能量響應(yīng)測試結(jié)果Table 3 Test results of LaBr3detector energy response

通過表4的測試結(jié)果看，經(jīng)物理補(bǔ)償后的GM探測器，實(shí)現(xiàn)了在48 keV～1.25 MeV能量范圍內(nèi)的較準(zhǔn)確地測量，能量響應(yīng)誤差≤±30%。

表4 GM管能量響應(yīng)測試結(jié)果Table 4 Test results of GM detector energy response

3.3 能量分辨率

能量分辨率是表征核輻射探測器分辨相近能量γ峰的本領(lǐng)，是探測器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文設(shè)計的便攜式多功能輻射檢測儀基于LaBr3探測器具有較高的核素識別能力，儀表將原始的能譜數(shù)據(jù)通過USB上傳到上位機(jī)軟件進(jìn)行計算分析。實(shí)驗(yàn)將137Cs標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源（活性區(qū)≤?3 mm）置于距探測器中心垂直距離10 cm處，為了保證測量的準(zhǔn)確性，137Cs全能峰總計數(shù)大于104，通過測試分析LaBr3探測器對于137Cs的662 keV射線的能量分辨率可達(dá)2.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于NaI（Tl）探測器的7%～8%的分辨率，能量分辨率測試如圖7所示。

圖7 能量分辨率測試Fig.7 Energy resolution test

3.4 環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容以及可靠性試驗(yàn)

便攜式多功能輻射測量儀在設(shè)計完成后，對環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容、可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)［14］。環(huán)境適應(yīng)性及可靠性試驗(yàn)在蘇試試驗(yàn)北京實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，電磁兼容試驗(yàn)在北京東方計量測試研究所進(jìn)行。環(huán)境試驗(yàn)中對儀表的低溫、高溫、恒定濕熱、低氣壓進(jìn)行了試驗(yàn)，其中溫度在-20～45℃范圍，相對濕度93%，氣壓在常壓0.5 kPa范圍，儀表的外觀和結(jié)構(gòu)以及基本性能均正常。在外部輻射場的耦合形成干擾信號的條件下，對本設(shè)計的檢測儀沒有產(chǎn)生敏感現(xiàn)象，指示燈顯示及功能狀態(tài)正常，圖8是電磁兼容現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)圖。可靠性試驗(yàn)總時長為100 h，試驗(yàn)中檢測儀未發(fā)生故障，測量數(shù)據(jù)正常。

圖8 電磁兼容實(shí)驗(yàn)Fig.8 Electromagnetic compatibility experiment

4 結(jié)語

本文設(shè)計的便攜式多功能輻射檢測儀基于多種探測器為一體，設(shè)計相應(yīng)的硬件電路及軟件程序，整體設(shè)計緊湊，具備搜索、檢測、報警、數(shù)據(jù)上傳等功能。通過對其主要性能進(jìn)行測試，具有較好的抗干擾能力，工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了X、γ、中子劑量當(dāng)量率的準(zhǔn)確測量以及高分辨率的核素識別?？蓱?yīng)用到放射性混合場下快速、準(zhǔn)確地判別放射性核素種類及輻射強(qiáng)度要求，為環(huán)境輻射監(jiān)測、核反恐安檢、輻射源清理和其他核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域提供理想的檢測手段。

本文設(shè)計的LASO中子探測器具有優(yōu)異的性能參數(shù)，但由于整機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，只考慮該探測器作為中子劑量率測量使用，后續(xù)可對中子能譜的測量做進(jìn)一步地研究，另外該便攜式儀表對γ劑量率具有寬量程的測量，但對GM管的能量響應(yīng)偏差較大，后續(xù)可通過實(shí)驗(yàn)修正的方式提高其測量的精度。

作者貢獻(xiàn)聲明楊松：負(fù)責(zé)文章的起草、收集文獻(xiàn)以及整體方案設(shè)計；張曉泉：負(fù)責(zé)研究的提出和設(shè)計；鄧長明：負(fù)責(zé)技術(shù)指導(dǎo)并對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱；張艷婷：負(fù)責(zé)硬件研制；許非：負(fù)責(zé)文獻(xiàn)收集和校對；關(guān)玲玲：負(fù)責(zé)軟件開發(fā)；段少強(qiáng)：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)測試。