基于α能譜分析的放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

劉明健，閆學(xué)昆,羅 明，谷鐵男

(海軍核化安全研究所, 北京 100077)

0 引 言

在核設(shè)施周?chē)h(huán)境監(jiān)測(cè)長(zhǎng)壽命人工放射性氣溶膠會(huì)受到天然放射性氣溶膠的干擾，尤其是在高氡本底的環(huán)境中，監(jiān)測(cè)微量人工放射性氣溶膠尤為困難。消除天然放射性氣溶膠影響的方法有衰變法、比值法、能量甄別法、假符合法等。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，α能譜分析法已經(jīng)取代傳統(tǒng)的能量甄別法成為國(guó)際上一種主流的方法，即對(duì)放射性氣溶膠α譜進(jìn)行剝譜分析。該方法不僅能消除天然放射性氣溶膠對(duì)人工放射性氣溶膠測(cè)量的影響，還能對(duì)放射性氣溶膠中的每種α核素進(jìn)行識(shí)別和濃度計(jì)算。

本文采用多道脈沖幅度分析技術(shù)，對(duì)基于α能譜分析的放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并通過(guò)儀器研制解決放射性氣溶膠連續(xù)采樣、α能譜測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)。

1 儀器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

1)監(jiān)測(cè)范圍：α氣溶膠：0.1～1×104Bq/m3；β氣溶膠：1～1×105Bq/m3；

2)固有誤差：±20%；

3)環(huán)境條件：溫度0～50 ℃；相對(duì)濕度95%；

4)取樣流量：≥40 L；

5)供電：220 V，50 Hz，360 W；

6)重量：≤50 kg；

7)外形尺寸：≤420×250×500 mm。

2 放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀組成

放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)為自動(dòng)取樣、自動(dòng)測(cè)量，取樣與測(cè)量同時(shí)進(jìn)行的形式，測(cè)量方法采用多道能譜分析方法，能夠通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)能量分析，給出α，β放射性氣溶膠濃度。儀器由取樣和測(cè)量2部分組成。

2.1 取樣部分組成結(jié)構(gòu)

取樣部分包括：采樣頭、取樣管路、取樣濾紙、紙帶倉(cāng)、導(dǎo)向輪、樣品倉(cāng)、光電檢測(cè)盤(pán)、濾紙托盤(pán)、流量計(jì)、真空泵等。半導(dǎo)體探測(cè)器置于取樣管路中，樣品倉(cāng)的軸為主動(dòng)輪，如圖1所示。取樣部分的作用是將放射性氣溶膠富集在取樣濾紙上，以提高測(cè)量靈敏度。其工作過(guò)程是真空泵工作時(shí)，在取樣氣路中產(chǎn)生一定負(fù)壓，放射性氣溶膠通過(guò)采樣頭、氣路管路收集在取樣濾紙上。

圖1 取樣部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Composition structure scheme of the air sampling part

2.2 測(cè)量部分組成及原理

放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀測(cè)量電路由PIPS探測(cè)器、電荷靈敏放大器、線性放大器、A/D變換器、FPGA控制單元、ARM系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制器、真空泵控制器、光電檢測(cè)器、液晶顯示器、485接口、220V電源接口、電源濾波器、線性直流電源、40V偏置電源組成，如圖2所示。

圖2 放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀電路組成示框圖Fig.2 Block diagram of circuit for the radioactive aerosol monitor

測(cè)量電路的原理是：PIPS探測(cè)器探測(cè)α，β射線，輸出經(jīng)電荷靈敏放大器、線性放大器放大后送至A/D變換器，A/D變換器由FPGA控制單元控制進(jìn)行模數(shù)變換，并計(jì)算脈沖幅度值，獲得的脈沖幅度值存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)器，形成多道脈沖幅度譜。ARM系統(tǒng)對(duì)脈沖幅度譜進(jìn)行曲線平滑、尋峰、剝譜分析和峰面積計(jì)算，然后根據(jù)流量值和效率刻度值計(jì)算人工放射性和天然放射性氣溶膠α、β濃度。數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過(guò)顯示器顯示，并可通過(guò)485接口傳輸。步進(jìn)電機(jī)、真空泵由FPGA控制單元控制，F(xiàn)PGA控制單元根據(jù)光電檢測(cè)器的計(jì)數(shù)值控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3 主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 取樣部分功能設(shè)計(jì)

3.1.1 紙帶傳送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紙帶傳動(dòng)裝置包括1個(gè)主動(dòng)輪，同軸連接樣品倉(cāng)，1個(gè)被動(dòng)輪，同軸連接樣品倉(cāng)。此外，設(shè)置2個(gè)導(dǎo)向輪，其中1個(gè)導(dǎo)向輪同軸設(shè)置光電檢測(cè)盤(pán)。在光電監(jiān)測(cè)盤(pán)上安裝光電對(duì)管，通過(guò)對(duì)光電檢測(cè)盤(pán)上狹縫的計(jì)數(shù)獲得光電檢測(cè)計(jì)數(shù)，其作用有2個(gè)：一是檢測(cè)濾紙狀態(tài)是否正常，當(dāng)濾紙用完或出現(xiàn)卡紙、斷紙等情況時(shí)，光電檢測(cè)器的計(jì)數(shù)停止，用以判斷濾紙狀態(tài)；二是由于主動(dòng)輪設(shè)置在樣品倉(cāng)的同軸上，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)與濾紙的行進(jìn)不是線性關(guān)系，而光電檢測(cè)盤(pán)與導(dǎo)向輪為同軸，其轉(zhuǎn)數(shù)與濾紙的行走是線性的，所以可通過(guò)光電檢測(cè)器的計(jì)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使濾紙的行進(jìn)與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)或驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)呈線性。

3.1.2 濾紙托盤(pán)

取樣時(shí)，濾紙與托紙盤(pán)在氣壓的作用下，摩擦力較大，并且濾紙?jiān)诔睗竦那闆r下摩擦力還會(huì)進(jìn)一步增大。為保障紙帶有一定的松緊度，濾紙倉(cāng)的軸設(shè)計(jì)有一定的阻尼，在連續(xù)移動(dòng)取樣模式移動(dòng)濾紙有可能因摩擦力過(guò)大導(dǎo)致濾紙拉斷。將濾紙托盤(pán)設(shè)計(jì)為具有一定間隔的滾軸托盤(pán)[1]，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滾動(dòng)摩擦，并且輥軸的摩擦系數(shù)較小，能夠保障濾紙不被拉斷。

3.1.3 流量計(jì)

采用渦街流量計(jì)記錄取樣流量，渦街流量計(jì)與管路采用一體化設(shè)計(jì)，將傳感器設(shè)置在帶有螺紋的管路中，便于裝配。

3.1.4 機(jī)箱

機(jī)箱設(shè)計(jì)為氣密結(jié)構(gòu)，保證連續(xù)移動(dòng)濾紙采樣測(cè)量模式富集的放射性氣溶膠全部為通過(guò)采樣頭進(jìn)入的。更換氣溶膠濾紙?jiān)O(shè)置專(zhuān)門(mén)的氣密門(mén)，既方便更換氣溶膠濾紙，又有較好的氣密性。

3.2 主要電路功能設(shè)計(jì)

3.2.1 電荷靈敏放大器

電荷靈敏放大器[2]的輸入端選擇低噪聲絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管2N5434，場(chǎng)效應(yīng)管輸出偏置選用330 Ω電阻和100 mH電感并聯(lián)，輸出接9014、9015三極管組成的跟隨器，積分電容選用1 p電容，泄放電阻選擇100 M電阻。該電荷靈敏放大器具有較高的信噪比，可保證α譜測(cè)量有較高的分辨率。

3.2.2 線性放大器

線性放大器選用集成運(yùn)放TL072組成的兩級(jí)放大器。兩級(jí)放大器之間加一級(jí)無(wú)源阻容微分濾波器，放大器的第一級(jí)設(shè)置為100倍，第二級(jí)設(shè)置為10至100倍可調(diào)，輸出幅度適用A/D變換的范圍。

3.2.3 A/D變換器

A/D變換器選用AD9235模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，晶振頻率為20 M，模數(shù)變換為等間隔實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集器采用FPGA控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。通過(guò)用FPGA控制，對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行限位，即對(duì)在一定幅度范圍內(nèi)的信號(hào)，符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并計(jì)算脈沖信號(hào)的幅度值，將脈沖幅度值存入相應(yīng)的存儲(chǔ)器中。

3.2.4 ARM系統(tǒng)

選用TI Cortex-A8 AM3352型(軍工級(jí))ARM系統(tǒng)作為核心板。

3.2.5 步進(jìn)電機(jī)控制器、真空泵控制器

步進(jìn)電機(jī)控制器選用場(chǎng)效應(yīng)管作為功率輸出器件，按照步進(jìn)電機(jī)控制邏輯由FPGA發(fā)出控制脈沖通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；真空泵控制器選用場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓控制真空泵電源的導(dǎo)通與截止。

3.2.6 直流電源

選用朝陽(yáng)線性電源，±15 V(500 mA)、+12 V(2 A)、+5 V(5 A)。±15 V為電荷靈敏放大器、線性放大器、40 V偏置電源提供電源；+12 V為步進(jìn)電機(jī)供電；+5 V通過(guò)電平轉(zhuǎn)換為A/D、FPGA、ARM等電路供電。模擬電路、數(shù)字電路、步進(jìn)電機(jī)電源應(yīng)獨(dú)立，防止探測(cè)器受到數(shù)字電路的干擾。

3.2.7 40 V偏置電源

40 V偏置電源選用TL072集成運(yùn)放組成正弦波發(fā)生器，通過(guò)倍壓整流濾波獲得40 V直流偏置電源為PIPS探測(cè)器提供偏置[3]，正弦波的頻率調(diào)節(jié)在300 Hz以下，保證探測(cè)器不受震蕩電路的影響。

3.3 軟件功能設(shè)計(jì)

1)測(cè)量功能

包括取樣控制、數(shù)據(jù)采集、曲線平滑、自動(dòng)尋峰、天然放射性氣溶膠α能譜剝離、總β活度濃度計(jì)算、人工α活度濃度計(jì)算等。

2)設(shè)置功能

包括工作方式、測(cè)量時(shí)間、報(bào)警閾值、效率修正、流量修正、日歷時(shí)間、安全等設(shè)置。

3)查詢功能

包括查詢圖譜數(shù)據(jù)、濃度數(shù)據(jù)等。

4)分析功能

顯示圖譜、區(qū)域和峰位選定、曲線平滑、自動(dòng)尋峰、圖譜剝離、面積計(jì)算等分析工具。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 能量分辨率

影響能量分辨率的因素主要是α在濾紙和空氣中的自吸收，提高能量分辨率除了選擇表面吸附較好的濾紙外，應(yīng)選擇較好的探測(cè)器和探測(cè)結(jié)構(gòu)。選擇國(guó)產(chǎn)PIPS離子注入式半導(dǎo)體探測(cè)器，該探測(cè)器具有良好的溫度特性[4]，受溫度的影響較小，具有良好的能量分辨率和較低的偏置電壓等優(yōu)點(diǎn)。在探測(cè)結(jié)構(gòu)上，在不影響取樣的前提下盡量將探測(cè)器靠近濾紙，可提高探測(cè)效率和能量分辨率。設(shè)計(jì)中也可在探測(cè)器與濾紙之間加格柵的方法減小α粒子的入射立體角，提高能量分辨率，不過(guò)該方法探測(cè)效率會(huì)降低，要選擇合適的格柵尺寸使探測(cè)效率和分辨率能夠滿足測(cè)量要求。

4.2 抗干擾能力

獲得良好的能譜和能量分辨率，解決抗干擾能力也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，探測(cè)器、電荷靈敏放大器是最容易受到干擾的器件，提高抗干擾能力設(shè)計(jì)主要注重以下幾點(diǎn)：

1)探測(cè)器、電荷靈敏放大器要有良好的屏蔽和接地，接地點(diǎn)必須是單點(diǎn)接地；

2)模擬電路要采用一體化設(shè)計(jì)，由于電荷靈敏放大器的連線較多，獨(dú)立的電荷靈敏放大器與電路板需多條電纜連接，不僅體積較大，而且容易受到干擾。采用一體化設(shè)計(jì)是將電荷靈敏放大器、偏置電源等與后級(jí)電路設(shè)計(jì)在一塊電路板上，在電路板上對(duì)電荷靈敏放大器進(jìn)行屏蔽，這樣設(shè)計(jì)的效果非常好，不易受到干擾，便于調(diào)試，電路板也美觀；

3)要解決好電源的干擾問(wèn)題，選擇紋波較小的線性電源，不可用開(kāi)關(guān)電源探測(cè)器；

4)解決好數(shù)字電路和驅(qū)動(dòng)電路的干擾問(wèn)題，數(shù)字電路和功率輸出電路主要是通過(guò)電源干擾探測(cè)電路，所以要將探測(cè)電路、數(shù)字電路和功率輸出電路的電源獨(dú)立，并且在電源的輸入端加電源濾波器。

4.3 連續(xù)取樣測(cè)量

連續(xù)取樣測(cè)量可以減少測(cè)量建立時(shí)間，隨時(shí)獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)上為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，主動(dòng)輪設(shè)置在樣品倉(cāng)同軸。這樣的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮走紙的線性問(wèn)題和減小取樣點(diǎn)的摩擦力，本文的設(shè)計(jì)利用導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)數(shù)與走紙的線性關(guān)系，記錄導(dǎo)向輪的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，解決了走紙的線性問(wèn)題；采用輥軸式濾紙托盤(pán)，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滾動(dòng)摩擦，且選擇摩擦系數(shù)較小的材料減小了采樣點(diǎn)的摩擦力，從而解決了連續(xù)取樣測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)的解決，研制出具有自檢、報(bào)警、自動(dòng)測(cè)量和人工測(cè)量功能的放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)，并進(jìn)行基本性能測(cè)試，樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求。圖3為研制的放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的天然放射性氣溶膠能譜，其分辨率約為250 keV，能夠滿足對(duì)常見(jiàn)放射性氣溶膠中核素的識(shí)別、分析和濃度計(jì)算。

圖3 天然放射性氣溶膠取樣測(cè)量能譜圖Fig.3 Energy spectrum of alpha radial for natural radioactive aerosol

[1] 張燕，劉明健，李洋，等.一種輥軸式放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測(cè)儀的走紙采樣裝置[P].國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，ZL201110331277.9,2013-05-08.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,LI Yang,et al.A kind of paper feed and air sampling device for radioactive aerosol continuous monitoring based on roller axle[P].Chinese Patent:ZL201110331277.9,2013-05-08.

[2] 張燕，劉明健，谷鐵男，等.一種簡(jiǎn)易實(shí)用的三管電荷靈敏放大器[J].輻射防護(hù)通訊，2012，33(1):32-34.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,GU Tie-nan,et al.Simple and practical charge sensitive preamplifier[J].Radiation Protection Bulletin,2012，33(1):32-34.

[3] 張燕，劉明健，李洋，等.一種簡(jiǎn)單實(shí)用的PIPS半導(dǎo)體探測(cè)器的高壓電源[P].國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，ZL201120417440.9.2012-08-18.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,LI Yang,et al.A kind of simple and practical high voltage power supply for Passivated Implanted Planar Silicon(PIPS)semiconductor detector[P].Chinese Patent:ZL201120417440.9.2012-08-18.

[4] 崔曉輝，谷鐵男，張燕，等.離子注入型與金硅面磊型半導(dǎo)體探測(cè)器溫度特性比較[J].輻射防護(hù)通訊，2011，31(2)：26-28.

CUI Xiao-hui,GU Tie-nan,ZHANG Yan,et al.Temperature characteristic comparison between ion-injection and gold silicon surface barrier semi-conducting detectors[J].Radiation Protection Bulletin,2011，31(2)：26-28.