1024道航空伽瑪能譜儀器設計

孫肖南，孫 陶

(核工業航測遙感中心，石家莊 050002)

0 引言

在航空放射性地球物理探測技術領域中，我國航空伽瑪射線能譜測量技術經過幾十年的技術發展，從當初的只能進行4道(鉀，鈾，釷，總道)模擬能譜窗數據測量，逐步發展到具有放射性能譜256道數字化測量技術的先進水平，當前更是達到了具有國際先進水平的航空放射性1024道能譜分析測量的新高度[1]。但是，目前我國航空伽瑪能譜1024道測量儀器主要來自于進口，設備的核心部件“多道能譜分析器”更需要從國外引進，不掌握核心技術。針對這一現狀，本文設計研究了1024道航空放射性伽瑪能譜測量儀器制作技術，掌握了航空放射性伽瑪能譜儀器1024道能譜分析的技術核心。

航空放射性伽瑪能譜測量主要是利用晶體探測器接收放射性元素發出的伽瑪射線粒子，對伽瑪能譜射線產生的電信號進行提取分析脈沖計數得到測量數據結果。航空放射性1024道伽瑪能譜儀器設計主要包括：伽瑪射線數據采集、能譜脈沖信號數字化分析處理，放射性全譜數據圖形顯示和數據存儲，具體為：將自然界中放射性元素發出的0～3 MeV能量的伽瑪能譜射線[2]進行數據采集并進行快速數字化分析處理，伽瑪能譜數據分別對應累加記錄到0～1023道的數據存儲位置上，監測顯示的主要放射性元素伽瑪射線能譜為：鉀道設置：457～523道(1370～1570 keV)，鈾道設置：553～620道(1660～1860 keV)，釷道設置：803～937道(2410～2810 keV)[3]。

設計內容主要為：1)放射性1024道能譜儀器的硬件電路設計：包括光電倍增管高壓調整電路、脈沖信號放大電路、高速A/D數據采集電路、FPGA功能模塊電路、以及1024道能譜數據輸出電路；2)放射性1024道能譜分析功能的FPGA硬件程序設計：具體包括對伽瑪射線能譜信號進行高速數據采集，信號脈沖幅度的快速識別、信號脈沖基線檢查、信號脈沖堆積的識別和處理、宇宙射線的識別，能譜射線脈沖實時分析累加；3)放射性1024道全譜數據和放射性元素能譜窗數據的實時圖形顯示和原始數據記錄。

1 系統設計

1.1 方案設計

自然界中天然放射性物質的原子核放射出的伽瑪射線能量都在3 MeV以下，超過3 MeV能量的伽瑪射線都為來自外太空的高能粒子。因此1024道能譜數據對應的伽瑪射線能量為0～3.07 MeV，3KeV/道，超過3.07 MeV能量的伽瑪射線粒子計為宇宙射線。設計內容主要為：伽瑪能譜射線采集，光電信號轉換，電脈沖信號放大，模擬數字轉換，能譜脈沖數據分析處理，全譜數據串口傳輸，放射性能譜1024道全譜數據實時記錄和圖形窗口顯示。

放射性1024道伽瑪能譜儀器設計主要包括：1)NaI(Tl)晶體和光電倍增管電路；2)脈沖信號放大電路；3)高速A/D數字采集電路；4)FPGA硬件電路和實現FPGA對脈沖信號分析處理的硬件程序；5)能譜分析器輸出的1024道全譜數據實時觀測軟件。電路結構設計見圖1。

圖1 電路結構設計

1.2 硬件設計及原理

1.2.1 能譜探測器

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

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

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

1.2.2 脈沖信號放大電路與A/D采集電路設計

A/D數據采集選用AD9226芯片，其特性為12位高速A/D轉換、并行輸出，最高轉換速率可達到65 MSPS，本設計選用50 MHz采樣頻率、為了能夠能譜數據采樣和數據讀取的時鐘同步，A/D轉換器的時鐘由FPGA鎖相環模塊提供，采樣周期為20 ns，AD9226芯片VREF設為 2 V，對應的模擬輸入脈沖信號范圍1～3 V及2 Vp-p值。

脈沖信號放大電路將光電倍增管陽極輸出的電流脈沖信號，放大轉換為符合AD9226芯片輸入特性的電壓脈沖信號；設計要求為：將0～3.07 MeV能量的伽瑪射線在光電倍增管陽極產生的輸出脈沖信號，放大為1～3 V的電壓脈沖信號。放大電路設計選用高頻運算放大器AD8065芯片，放大電路供電設計采用低紋波系數、線性、+5 V單電源供電。

放大電路設計如圖2所示。

圖2 信號放大電路

放大電路中AD8065輸出u1點信號電壓幅度可由下列公式表示：

Eγ為γ射線的能量(MeV)；Nphot為γ射線進入閃爍體中產生的光子數(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計

FPGA選用ALTERA公司的Cyclone系列EP4CE15F23芯片，選用的外部晶振為50 MHz，晶振頻率信號通過PLL模塊電路為各功能部件提供穩定的時鐘信號；AD9226芯片并口輸出的12位數字輸出引腳與FPGA接口引腳相連，AD9226芯片需要的50 M時鐘頻率由FPGA提供。數據輸出芯片選用USB轉UART芯片CP2102，FPGA分析處理的1 024道全譜數據通過CP2102實時發送到外部數據采集計算機，在計算機界面顯示中實時顯示和記錄所采集到的全譜數據。

1.2.4 宇宙伽瑪射線鑒別方法設計

一些型號的航空伽瑪能譜儀，在測量到伽瑪射線能量比較高的放射性元素異常點時，例如：放射性元素釷異常區域，伴隨著能量窗計數數據的增加，宇宙射線道也會發生不同程度的計數增加現象，使宇宙射線道計數發生較大的偏差。

宇宙伽瑪射線為地球外太空中進入地球的高能伽瑪射線粒子，其能量超過3 MeV[2]。本設計中A/D轉換器輸入電壓范圍為1～3 V，其對應的所接收的γ射線能量為0～3.07 MeV所產生的電脈沖幅度信號。大于3 MeV能量的伽瑪射線產生的脈沖信號在A/D轉換器中會產生溢出。A/D轉換器引起溢出的信號脈沖，既有宇宙γ射線產生的脈沖信號，又有非宇宙伽瑪射線在同一時刻，發生兩個或兩個以上粒子在很近時間內、幾乎同時進入探測器產生信號疊加而引起的較大的超過2Vp-p的信號脈沖，這些信號脈沖也會發生A/D溢出；所以不能將A/D轉換器溢出的脈沖信號判斷為大于3 MeV能量的宇宙射線的計數，否則這可能會引起伽瑪射線能譜探測儀器在伽瑪射線能量比較高的天然放射性元素異常點上測量時，宇宙射線道計數明顯偏高，宇宙射線記錄偏差比較大的現象。

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數偏差，將宇宙射線計數閾值設置為4 MeV[5]，超過4 MeV能量伽瑪射線對應產生的電脈沖信號計為宇宙射線。

本設計宇宙射線提取采用監測脈沖幅度、寬度的方法。放大電路輸出的脈沖信號：滿量程時 2Vp-p對應接收的伽瑪射線量子能量為3.07 MeV；通過編制軟件測量脈沖信號超過2Vp-p時信號的脈沖溢出時間，發現宇宙射線產生的電信號脈沖溢出時間在本電路的RC放電時間常數的設計中大都在3.5～4 μs范圍內。而大多數由電脈沖信號疊加而產生的超過2Vp-p信號脈沖溢出時間都在2 μs以下。本設計采用的方法為：檢測伽瑪射線對應的電脈沖信號,當電脈沖信號幅度大于2Vp-p值時，開始檢測脈沖信號的溢出時間，當溢出時間超過1.8 μs時計錄為宇宙射線計數。這種方法極大的降低了能量比較高的放射性元素發出伽瑪射線進入宇宙射線道計數的概率。

1.3 FPGA硬件程序設計

FPGA硬件程序主要為在FPGA中實現1024道能譜分析功能的程序模塊，FPGA硬件程序設計結構如圖3所示。

圖3 FPGA設計圖

FPGA程序功能設計：工程中分別建立PLL鎖相環模塊、雙口存儲器模塊:建立2個16位數據寬度、1024個存儲單元的雙口存儲器、CPU軟核模塊、UART串口等模塊；

FPGA程序設計采用Verilog HDL編程語言，1024道γ射線能譜分析硬件程序設計主要包括：50 MHz/秒高速的接收ADC電路采集數據，設計編寫信號并行分析處理模塊，采用寄存器數組對數據進行跟蹤記錄，快速濾波、信號起點基線判斷、采用脈沖形狀分析方法[6-7]，提取脈沖信號幅度、脈沖堆積識別，依據脈沖的重疊大小，采取舍棄或修正的處理方法處理脈沖堆積數據，對宇宙γ射線的判斷鑒別處理；采集到的能譜數據實時的通過雙口存儲器A口記錄到1024道存儲器中，并在存儲器中進行全譜數據計數累加。

能譜分析1024道數據傳輸采用嵌入式CPU控制方式，將上述多道能譜分析功能模塊程序設計制作成為基于Avalon總線接口模塊，作為CPU軟核處理器的一個外設，制作的多道能譜分析模塊通過Avalon從總線接口與CPU處理器連接在一起，CPU處理器通過雙口存儲器B口讀取采集到的1024道全譜累加數據，兩個雙口存儲器采用乒乓工作方式輪流的進行全譜數據記錄和全譜數據讀取，即多道能譜分析模塊向一個雙口存儲器中記錄1024道能譜數據時，CPU從另一個雙口存儲器讀取1024道全譜數據，兩個雙口存儲器的操作轉換由自制的多道能譜分析模塊控制[6]。CPU實時的將讀取的1024道伽瑪射線能譜數據通過UART轉USB外設芯片CP2102傳輸到外部計算機顯示界面中，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。

1.4 1024道全譜數據顯示界面設計

1024道航空伽瑪能譜儀器設計采用：16位/道數據記錄，1024道能譜數據(0～1023道)，宇宙射線記錄到1023道，采用二進制數據傳輸格式和USB轉串口傳輸方式：波特率設為115 200。

能譜顯示界面，采用C++編譯系統，設計編寫1024道γ能譜數據實時監測顯示圖形軟件，設計上采用多窗體結構，每個窗體進入采用動態分配方式，進入時自動分配內存空間，退出時及時釋放所占用的內存資源，以減少內存的占用。顯示界面包括1024道全譜圖形實時顯示窗口，放射性能譜總道、鉀道、鈾道、釷道各圖形實時顯示窗口，以及數字實時顯示窗口[8-10]。點擊數據采集運行命令，自動建立以當前時間命名的測量數據文件夾，并以當前時間建立數據記錄文件，接收的1024道放射性全譜數據實時地以二進制記錄格式記錄到數據文件中，同時把接收時間也自動記錄到數據文件中。顯示界面軟件結構如圖4所示。

圖4 顯示界面軟件結構及流程圖

2 系統測試

2.1 峰位調整

在NaI(Tl)晶體附近，通過放置放射性元素Cs源、Th源，觀察所接收的1024道伽瑪射線全譜圖形數據，檢查各元素能譜特征峰所在的顯示位置，調整放大器靜態工作點和放大器放大倍數，使放射性元素銫產生的伽瑪射線能譜峰位(0.662 MeV)對應的顯示記錄到220道數據存儲位置上，放射性元素釷產生的伽瑪射線能譜峰位 (2.61 MeV)顯示在872道數據記錄位置上[2,11]。

2.2 操作界面

1024道能譜分析器，能譜監視顯示圖形軟件運行在Win7操作系統上，啟動程序進入操作界面，主菜單項包括：文件、能譜、幫助。

2.3 串口設置界面

點擊菜單能譜/設置串口，顯示界面如圖5所示。

圖5 串口設置界面

在顯示界面中設置相應接收串口的數據傳輸參數：設備名、串口號、波特率、數據位、停止位。點擊瀏覽按鈕，指定串口所輸入的數據自動顯示到界面內的文本框中，界面中還能夠實時的觀察到1024道全譜數據和1024道全譜累加數據。

2.4 進入數據采集界面

點擊菜單能譜/進入采集，在顯示界面后點擊運行按鍵，顯示界面如圖6所示。

圖6 1024道γ射線全譜數據、能譜窗數據實時觀察界面

顯示界面實時顯示1024道能譜儀器所采集的1024道全譜數據圖形曲線(0～1022道：γ射線能量0～3.06 MeV，1023道記錄宇宙射線數據)、K、U、Th、總道能譜窗數據圖形曲線，數字顯示K、U、Th、總道能譜窗數據計數和宇宙射線數據，實時地將所接收到的1024道伽瑪射線全譜數據以二進制形式記錄到數據文件中。

1024道能譜窗數據閾值設置如下：

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

2.5 實驗結果與分析

試驗測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數測量，測量能譜峰位數據如圖7～9所示。

圖7 Cs137放射源累加計數測試能譜曲線

圖8 天然k40能譜峰位計數累加譜線

圖9 用Tl208放射源累加計數測試能譜曲線

測試結果數據為：Cs137伽馬射線能量0.662 MeV峰位數據記錄在220.3道，分辨率7.9；k40能量1.46 MeV峰位數據記錄在487.2道，分辨率5.7；Tl208測試源測試：可以觀測到Tl208和釷系中一些衰變子體產生的伽馬射線特征峰曲線[2]，Tl208能量2.615 MeV峰位數據記錄在872.6道，分辨率4.9；能譜線性度<0.3%，能譜峰位數據指標滿足規范要求[2,11]。

3 結束語

1024道伽瑪能譜儀設計才用軟件和硬件相結合的設計方式，完成了從伽瑪射線接收到放射性能譜數據顯示記錄的全過程設計制作，實現了1024道航空伽瑪能譜儀設計制作；在測試檢驗中， Cs峰，K峰，U峰，Th峰的特征峰能量辨別以及能譜線性指標均符合設計要求[2,11]，1024道能譜線性優于0.3%，在計算機顯示界面中完成了對能譜分析器輸出的1024道全譜數據接收顯示，并實時地將接收的1024道全譜數據記錄到數據文件中。1024道能譜分析技術的研究開發，有利于更深入的研究和掌握能譜伽瑪射線脈沖信號的分析方法和數字處理方法，更有利于發展具有自主知識產權的航空伽瑪能譜探測儀器應用到航空放射性測量領域中。