楊 松 張曉泉 鄧長明 張艷婷 許 非 關玲玲 段少強

（中國輻射防護研究院 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］。隨著核科學技術的不斷發(fā)展，在核輻射探測領域也加快了研發(fā)步伐。新的探測材料，新的技術，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計相對應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）控制器上進行分時采集、顯示、上傳等功能。

1 總體設計

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。檢測儀總體設計具有寬量程、精度高、智能化、便攜式等特點，整體外觀實物圖見圖2。

2 部件設計

2.1 GM計數(shù)管信號處理電路設計

GM計數(shù)管相比閃爍體和半導體探測器，具有輸出信號幅度大、前置信號處理電路簡單、環(huán)境適應性強、體積小等特性，在便攜式核儀表中廣泛被應用，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探測器倍壓電路設計

本檢測儀表設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，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，后端處理電路設計如圖3所示，電路設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，對中子信號進行放大，通過反向輸入端設置門檻電平。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。實驗采用多道分析器分別測量252Cf、137Cs、60Co的響應能譜，如圖4所示，可以看到，252Cf-n峰位在1 700道左右，其對應的幅度脈沖約為477 mV，而對于137Cs-γ和60Co-γ的響應絕大部分小于1 200道，其對應的幅度脈沖小于330 mV。這樣，當設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，但閾值過大又會濾除掉有效的中子信號，所以設置閾值的上限不大于400 mV。當門檻電平閾值的設置在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的響應能譜Fig.4 Response spectra of detector to neutrons,137Cs-γ,60Co-γ

2.4 主控制系統(tǒng)設計

2.4.1 硬件設計

主控制系統(tǒng)設計采用的STM32F103C8T6為核心模塊，32位Cortex的ARM微控制器，成本低、性能強，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。主控制器主要實現(xiàn)對探測到的信號進行采集處理、對數(shù)字多道進行能譜采集、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設計。

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

2.4.2 軟件設計

軟件設計是在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)；然后儀器進入低功耗模式等待開機喚醒，低功耗模式配置成待機模式，此時模式系統(tǒng)會關閉所有的時鐘以及外設，電流可降低超400 mA。開機后儀表進入主界面顯示，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)進行平滑和突變算法處理，然后在不同劑量下進行多點擬合得出劑量率。對于低能X射線采用能譜法進行能量補償，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)間對應一個能量補償因子［11］。程序定時掃描是否有外部按鍵中斷，當有按鍵指令后會進入不同的功能界面，包括中子劑量率測量、核素識別、參數(shù)設置、上位機通信等。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）的特征峰進行實時尋峰，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，從而實現(xiàn)穩(wěn)峰的目的。參數(shù)設置主要是對儀表的報警閾值、刻度因子、測量周期等進行修改，最后多功能便攜式儀表預留了USB通信接口，可以根據(jù)上位機指令上傳相應的數(shù)據(jù)。軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設計流程圖Fig.6 Software design flow chart

3 主要性能測試與討論

本儀表根據(jù)不同的探測器進行輻射測量，通過切換不同的測量界面實現(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，儀表開機默認進入X、γ劑量率的自動測量界面，并實時更新X、γ劑量率的測量數(shù)據(jù)。通過按鍵設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行測量。對于可疑放射源進行核素識別時，儀表開機進入主界面需遠離放射源，然后按鍵切換到核素識別界面，點擊“采集”按鈕開始測量，默認采集時間60 s，待數(shù)據(jù)采集完畢，儀表自動進行核素識別并顯示識別結(jié)果。

3.1 劑量當量率測量

本次儀表放射性實驗在國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站進行，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劑量當量率相對固有誤差≤±20%，滿足便攜式X、γ輻射周圍劑量當量（率）儀檢定規(guī)程［12］。表1為γ劑量當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現(xiàn)高量程劑量率的測量，當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量（率）儀檢定規(guī)程［13］。

表2 中子劑量當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探測器的能量響應是否滿足國標要求，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標準輻射場下測試，能量響應測試結(jié)果如表3所示。

通過表3的測試結(jié)果來看，采用能譜法進行低能X射線能量補償?shù)姆椒ǎ瑢崿F(xiàn)了在48 keV～1.25 MeV能量范圍內(nèi)的準確測量，能量響應誤差≤±15%。對于經(jīng)能量補償?shù)腉M探測器，能量響應實驗分別在特征能量為48 keV、65 keV、83 keV、100 keV、118 keV、164 keV、250 keV的X射 線和137Cs、60Co標準輻射場下測試，能量響應測試結(jié)果如表4所示。

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

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

表4 GM管能量響應測試結(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，是探測器的一項重要指標。本文設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上傳到上位機軟件進行計算分析。實驗將137Cs標準點源（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2.8%，遠遠優(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)境適應性、電磁兼容以及可靠性試驗

便攜式多功能輻射測量儀在設計完成后，對環(huán)境適應性、電磁兼容、可靠性進行了試驗［14］。環(huán)境適應性及可靠性試驗在蘇試試驗北京實驗室進行，電磁兼容試驗在北京東方計量測試研究所進行。環(huán)境試驗中對儀表的低溫、高溫、恒定濕熱、低氣壓進行了試驗，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)場實驗圖。可靠性試驗總時長為100 h，試驗中檢測儀未發(fā)生故障，測量數(shù)據(jù)正常。

圖8 電磁兼容實驗Fig.8 Electromagnetic compatibility experiment

4 結(jié)語

本文設計的便攜式多功能輻射檢測儀基于多種探測器為一體，設計相應的硬件電路及軟件程序，整體設計緊湊，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行測試，具有較好的抗干擾能力，工作穩(wěn)定，實現(xiàn)了X、γ、中子劑量當量率的準確測量以及高分辨率的核素識別。可應用到放射性混合場下快速、準確地判別放射性核素種類及輻射強度要求，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應用領域提供理想的檢測手段。

本文設計的LASO中子探測器具有優(yōu)異的性能參數(shù)，但由于整機結(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管的能量響應偏差較大，后續(xù)可通過實驗修正的方式提高其測量的精度。

作者貢獻聲明楊松：負責文章的起草、收集文獻以及整體方案設計；張曉泉：負責研究的提出和設計；鄧長明：負責技術指導并對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱；張艷婷：負責硬件研制；許非：負責文獻收集和校對；關玲玲：負責軟件開發(fā)；段少強：負責實驗測試。