高集成度自動化γ能譜儀

陳 琦， 王忠海， 張肇驛， 李佛泉， 楊朝文

(四川大學物理學院輻射物理與技術教育部重點實驗室， 成都 610064)

1 引 言

γ能譜儀是輻射探測相關的重要儀器設備. 它被廣泛應用于輻射環境監測、衛生防疫、地質普查、放射醫療等領域[1]. 傳統的γ能譜儀一般采用探測器外接成型電路、數據采集電路和供電電源的系統結構，存在體積大、重量大、攜帶不方便和抗干擾能力差等缺點. 隨著我國核電事業快速發展，截至2019年12月，中國大陸共有16座核電站47臺機組投入商業運行，并有13座核電站正在建設當中[2]. 考慮到反應堆內部的空間狹小、電磁環境復雜且不方便供電和人員進出，為了探測反應堆運行時產生的γ射線，要求γ能譜探測設備具有體積小、可長期無人值守、自動測量的特點. 針對以上需求，本文研制了基于STM32L4系列微處理器的高集成度、高分辨率、高穩定性、低功耗和智能化γ能譜儀.

2 系統設計

γ能譜儀的總體設計方案如圖1所示. 譜儀采用閃爍體探測器探測γ射線，通過設計小尺寸高壓電路為閃爍體探測器供電；采用電荷靈敏前置放大器電路對探測器輸出信號進行讀出和放大；采用集成運算放大器芯片設計了兩級二階有源低通濾波電路，對前置放大電路輸出信號進行濾波、成形

和放大；γ能譜儀采用低功耗高性能STM32L4系列的ARM處理器設計了高集成度多道分析電路，并結合嵌入式程序實現了探測器信號能譜處理和系統控制；同時γ能譜儀還設計了專用的鋰電池電源管理電路，以實現γ能譜儀的低功耗和長續航功能.

2.1 探測器選型

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

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

2.2 信號讀出電路設計

信號讀出電路主要分為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源分壓電路和有源分壓電路. 無源分壓電路的結構簡單，但對于寬能量范圍的γ射線探測往往存在非線性效應和信號失真問題. 而有源式分壓電路會在后幾級打拿極間添加三極管組成電壓跟隨器，通過穩定極間電壓來優化非線性問題[6]. 本譜儀設計采用有源分壓電路方案如圖2所示，同時設計了錐形分壓電阻比例，不僅提高了PMT前端的電子收集效率，而且進一步優化了γ能譜儀的能量線性. PMT輸出電流信號通過耦合電容C1(如圖3)送入前置放大電路轉變為電壓信號. 為了減少探測器電容變化對輸出信號的影響，達到最佳的信噪比，譜儀設計了電荷靈敏型的前置放大電路[7]. 其中運算放大器型號選取的是ADI公司生產的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源濾波電路. 為了用更少的濾波級數得到準高斯的濾波效果，并且減少負載變化給濾波電路帶來的影響, 本譜儀設計選用了兩級基于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響應，可以使濾波過后的信號充分滿足ADC的輸入量程范圍，同時減少在高計數率情況下信號尾堆積引起的脈沖幅度變化. 該濾波成形電路設計選用ADI公司生產的型號為ADA4807的運算放大器, 它具有高壓擺率(225 V/μs)和低失真度，適合應用于濾波成形電路.

圖4 濾波成形電路原理圖

2.3 小尺寸高壓電路設計

高壓電路的作用是通過分壓電路給PMT各個打拿級提供高壓，驅動PMT正常工作. 高壓電路在滿足輸出電壓要求的同時往往還需要輸出電流夠大，防止PMT在高的信號計數率的情況下出現飽和或脈沖幅度失真.同時為了保證PMT各個打拿級間增益的穩定性，還要求高壓電路的工作溫度范圍寬、溫度變化系數低和輸出穩定性高.另外，較小的輸出高壓噪聲紋波也可以提高輸出信號的信噪比，進而提高譜儀的能量分辨率. 綜合以上幾點和譜儀集成度的設計要求，我們選用了濱松公司生產的型號為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)分壓后送入高壓監測ADC進行采集，確保譜儀探測器工作電壓正常.

表2 CC228P-09Y高壓電源模塊主要參數

圖5 CC228P-09Y高壓電源模塊實物圖

2.4 多道脈沖幅度分析電路設計

常見的多道脈沖幅度分析電路主要由峰值保持電路和ADC采樣電路實現對探測器輸出信號脈沖幅度采集，整體電路結構較為復雜且電路功耗較大. 本譜儀在設計時針對這些問題采用了波形全采樣的多道分析電路設計方案. 方案選取了意法半導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的內核，最大主頻可以到達80 MHz，待機電流低至120 nA. 同時它集成5 Msps、12-bit高速ADC以實現波形全采樣. 濾波成形電路的輸出信號一方面可以直接送入該ADC完成模數轉換，另一方面可以輸入到ARM處理器自帶的比較器來指示信號的到達時間(如圖6). CPU通過比較器得知探測器信號到來后會去緩存區獲取ADC采樣數據，接著對這些數據進行波形平滑、峰值提取和能譜統計等處理，從而實現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，保證譜儀在待機狀態下測量數據不會丟失. 同時規定好相關的讀取指令，當ARM處理器從以太網等通訊接口接收到讀取指令時，會自動把已經存儲好的測量數據發送給用戶.

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計

為了能夠在核反應堆內部進行長期的無外接電源續航工作，譜儀在設計時一方面需要設計基于鋰電池的電源供電方案，解決反應堆內部供電不方便的問題；另一方面需要設計ARM可程控的電源管理方案，實現譜儀待機功耗的最小化.

譜儀設計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的紐扣電池單獨給集成在ARM處理器上的實時時鐘(RTC)供電，用戶可以提前在嵌入式程序上設定好自動睡眠和定時喚醒的時間表. 當RTC上的時間到達喚醒時間點時會自動喚醒ARM處理器，并將電源芯片以及電源開關芯片的使能管腳EN上拉至高電平，啟動譜儀正常工作進入γ能譜工作模式；當RTC上的時間到達睡眠時間點時會提醒ARM處理器進入睡眠模式，電源芯片和電源開關芯片使能管腳EN恢復至默認的低電平狀態，測量結束，此時譜儀的功耗降到8.40 mW，從而實現了長期待機和自動定時喚醒并開展γ能譜測量的智能化功能.

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，板與板之間通過合適長度的六角黃銅柱連接固定起來，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. 實際通過測量得到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、按鈕開關和以太網接口，方便用戶對γ能譜儀進行外部供電輸入、電源開關控制和能譜數據獲取，其具體實物圖如圖8.

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

4 實驗測試和實驗結果

為了對設計的γ能譜儀性能做詳細的測試，搭建的實驗平臺如圖9所示. 實驗選取了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能譜儀的探測器晶體. 實驗還選用了濱松公司生產的型號為RS6231-100的PMT，并設置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，并用室內的空調將室溫恒溫到22 ℃. 實驗分別對譜儀的能量分辨率、能量非線性度、長期穩定性、待機功耗和運行功耗進行測試.

圖9 實驗平臺搭建示意圖

4.1 能量分辨率測試

能量分辨率是表征譜儀分辨相近能量γ射線的重要指標. 實驗時，為了防止信號堆積導致能譜峰位畸變，根據137Cs放射源的活度和γ能譜儀的探測效率，最后確定將137Cs放射源放置距離探測器10 cm處，此時能譜儀的計數率約為400 cps. 同時設置γ能譜儀的單次測量時間為20 min，重復測量10次，測得137Cs放射源的能譜如圖10所示. 實驗通過用241Am放射源(59.5 keV)和60Co放射源(1 173和1 332 keV)對譜儀進行能量刻度，計算得662 keV的能量分辨率為3.0%.

圖10 實測137Cs γ放射源能譜圖

4.2 能量非線性測試

譜儀對射線能量響應線性度越高，表示譜儀對射線能量的測量精度越高. 為了準確地對譜儀的能量線性響應進行測試，實驗選用多種γ放射源進行測試：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). 測量得到的峰位道址-能量對應關系見表3，根據測量結果作出能量響應線性擬合曲線見圖11，可以看到譜儀在50～3 000 keV探測能區內具有良好的線性，其最大相對偏差為9.5%.

表3 測試放射源γ射線能量和峰位道址

圖11 γ能譜儀能量響應線性擬合曲線

4.3 長期穩定性測試

γ能譜儀的長期穩定性是指測量環境條件和放射源保持不變的情況下，測量到的γ能譜峰位道址的穩定性. 實驗通過固定好γ能譜測量儀和232Th γ放射源的相對位置，并在程序上設置好單次能譜測量時間為30 min，能譜測量時間間隔為30 min. 保證譜儀供電正常同時測試環境溫度穩定的情況下，設置儀器連續工作48 h，共獲得48個能譜. 統計這些能譜中232Th源的238和2 614 keV兩個特征峰峰位道址隨時間的變化關系如圖12.由圖12可以看到譜儀在48 h連續工作的情況下具有良好的穩定性，通過計算得到238 keV 特征峰峰位道址的最大相對偏差為0.14%，2 614 keV特征峰峰位道址的最大相對偏差為0.22%.

4.4 待機功耗和運行功耗測試

實驗用線性電源給γ能譜儀提供12 V電源后，測得待機功耗為8.40 mW. 當儀器進入工作模式時，測得運行功耗為1.38 W. 由此推算，在選用10 Ah聚合物鋰電池供電的情況下，如果譜儀每天測量時間2 h，待機22 h，譜儀可連續工作40 d.

圖12 γ能譜儀穩定性測試Fig.12 Stability test of γ spectrometer

5 結 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γ能譜儀，譜儀整體尺寸僅為φ60 mm×220 mm. 能譜儀具有按照預先設置自動切換工作模式和待機模式的自動能譜測量功能，滿足了反應堆安全殼內復雜環境下γ放射性的監測需求. 文章對該譜儀的能量分辨率、能量非線性、長期穩定性、待機功耗和工作功耗進行詳細測試. 實驗測得662 keV γ射線能量分辨率為3.0%；采用241Am、57Co、133Ba、137Cs、54Mn、60Co和232Th γ放射源測得譜儀在50～3 000 keV能量區間的積分非線性為9.5%；實驗通過用232Th γ放射源連續48 h測試譜儀的能譜穩定性，計算得到238和2 614 keV特征峰峰位道址的最大相對偏差分別為0.14%和0.22%；實驗測得譜儀的工作功耗為1.38W，待機功耗為8.40 mW，以每天工作2 h、待機22 h為例，采用10 Ah鋰電池供電，譜儀可連續工作40 d.