多道g 能谱测量系统的研究

黄成伟　王双玲　李东波　李玉凤

(1.河南省计量科学研究院，郑州 450008；2.郑州博天电子技术有限公司，郑州 450000；3.河南巩义市质量技术监督检验测试中心，巩义 451200)

0　引言

由于自然本底的存在，使得地球上的材料存在不同程度的放射性。然而由于矿渣、碳渣和化工废料等材料在建材中的使用，使得这些建筑材料的放射性有明显的增强[1]。随着人民的生活水平的提高以及环保意识的增强，对建筑材料放射性的检测尤为重要。按照国标GB6566对建材放射性的要求[2]，本文设计一款多道伽玛能谱仪采集分析系统，用来测量建筑材料的放射性。

1　系统工作原理

针对g能谱，线性脉冲放大器的输出与输入成正比，因此可以通过分析输出的能量来了解输入的能量。多道脉冲幅度分析器就是利用模数转换(ADC)进行幅度分类[3]，并将其转换成对应的数字量，即道址。道址中的计数代表对应能量的粒子量，即射线的强度。道址的多少取决于ADC的转换精度。其工作原理如图1所示。例如将输入的脉冲幅度分为8类，即最大道址m=8。每类幅度间隔为Δm，称为道宽。每道所编的十进制码为0，1，2，3，4，5，6，7。对应的二进制数码为000，001，010，011，100，101，110，111。每个道址码相应于一类输入的幅度。从图1(a)中可以看出，第1个信号属于第2道，应存入第2个存储单元；第2个信号属于第4道，应存入第4个存储单元；……。如果将各个存储单元的n顺序排列起来，得到n和m，即幅度直方图，也就是能谱分布图，代表各种能量的信号在测量时间内的数量分布。

图1　多道脉冲分析器工作原理

由此可得道宽Δm=V/2n(mV)

(1)

式中，V为输入信号的峰值电压，为ADC转换的精度。即输入信号的幅度为

V=Δm·2n

(2)

模数转换器的精度越高，道宽越小即幅度分类越细。

2　系统组成

多道能谱测量系统的组成主要包括：NaI(Tl)晶体探测器、主放大器、峰位展宽及门控电路、高压电路、DSP应用开发板和PC机。其构成框图如图2所示。

图2　基于DSP多道脉冲幅度分析器原理框图

当探测器探测到射线时，会产生一个电压脉冲信号，经过前置放大器和主放大器的成形、滤波、放大后输出0～3.3V的电压信号，由峰位展宽器将脉冲信号峰位展宽，并同时触发A/D转换，最终数据将通过SCI模块传输到上位机，由应用软件进行能谱的显示和处理。

2.1　NaI(Tl)晶体探测器

本系统的探测器采用具有较高发光效率和良好的能量线性、能量分辨率的NaI(Tl)晶体探测器[4]。该探测器主要由NaI(Tl)晶体、光学收集系统、光电倍增管、光电倍增管各电极供电的分压器以及前置放大器组成。NaI(Tl)晶体在射线作用下能发射荧光光子，利用光电转换器件将微弱的荧光转换成光电子，光电子经过光电倍增管倍增放大之后输出一个电压脉冲，输出的电压脉冲幅度与入射粒子的能量成正比，达到测量粒子能量的目的。

2.2　主放大器

主放大器选用北京核仪器厂生产的BH1218型线性放大器，整个放大器由输入极性转换、微分电路、四级放大电路、积分电路和基线恢复电路五个部分组成，如图3所示。

图3　主放大器原理方框图

主放大器具体的工作原理是：从前置放大器来的信号进行极性转换后，经过一次微分得到微分脉冲。经微分后的信号经过三级放大进入到积分成形电路，以获得不同的脉冲宽度和较好的信号噪声比。成形后的信号进入到第四级放大电路，进一步成形和放大。放大后的信号经基线恢复器来改善漂移，以恢复基线。最后输入到峰位展宽器中进行峰位检测。

2.3　峰位展宽器及门控电路

射线能谱测量中，主要测量脉冲信号的峰值幅度。探测器输出的信号经过主放大器的成形、滤波和放大后，其峰顶的宽度比较窄，无法满足ADC模块转换的时间要求。采用峰位展宽电路可以展宽脉冲的峰顶并保持一段时间。同时，控制电路和线性门配合以防止后续脉冲的叠加，影响峰值采样。峰位展宽器及门控电路如图4所示。

图4　峰位展宽器及门控电路

2.4　高压控制电路

本系统中采用如图5所示的高压控制电路为探测器提供高电压。为适应不同探头多方面的测量，高压电路的输出必须连续可调。本系统设计的光电倍增管的高压电路的输出电压从0～1000V范围内连续可调，这样可以通过调整高压使NaI(Tl)晶体探测器输出的脉冲达到需要的幅度。光电倍增管输出电压的大小由控制端口输入的0～5V电压来控制，进而控制探测器的工作高压。

图5　高压控制电路框图

3　实验结果[5]

采用由中国计量科学研究院出产并检定的规格为Ф75mm×70mm，不确定度为Urel=5％,k=2的标准源及规格为Ф3mm的137Cs点源，严格按照JJG 417—2006g谱仪计量检定规程[6]的要求对本文所述系统进行测试。

3.1　稳定性及重复性实验

将标准源137Cs点源放入探测器进行单次测量600s，对每一个被测仪器分别重复测量6次，6次测的661.66keV全能峰的峰位分别为Xi(i=1,2,3,4,5,6),用单次测量相对偏差V表示其重复性

(3)

根据661.66keV全能峰的峰位Xi(i=2,3,4,5,6)，计算峰位漂移绝对值|Xi-X1|，找出最大值|Xi-X1|max，计算峰位相对漂移

s=|Xi-X1|max/X1×100％

(4)

实验结果如表1所示。

表1　重复性及峰值稳定性实验结果

续表

3.2　活度测量实验

将226Ra、232Th和40K的混合标准源放于探测器内严格按照JJG 417—2006g 谱仪计量检定规程的要求对每台被测仪器进行连续10000s的测量，分别计算活度测量值的相对误差(估计值)D：

D=(Am-As)/As×100％

(5)

式中，Am表示测量的活度值；As表示源活度的标准值。

测量结果如表2所示。

活度测量值的不确定度主要受测量重复性、稳定性和混合标准源的不确定度影响，三者之间互不相关，因此可按照公式(6)进行评定，被检仪器的测量不确定度如表3所示。

(6)

式中，U标准器为所用标准混合源的相对扩展不确定度；k标准器为所用标准混合源的不确定度因子；V为被测仪器的重复性；n为被测仪器的被测次数；s为被测仪器的稳定性。

表2　测量活度误差

表3　测量不确定度

4　结束语

本文所设计系统经郑州博天电子技术有限公司生产推广，经标准混合源对随机抽取的五个产品进行检验测试，由表2可知，活度测量值相对偏差小于最大允许误差MPE:±20％，测量结果的扩展相对不确定度远小于国家规程规定的20％(k=3)[6]，满足国家标准的相关要求。

[1]周春林,韩峰,等.建材放射性对居民健康的影响及防护.中国科协学术年会论文集，2005

[2]GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》

[3]周国家,庹先国,等.基于C8051F060的多道脉冲幅度分析器的设计[J].核电子学与探测技术.2011(12)

[4]吕海江,蔡康松,等.NaI(TI)晶体的性能研究[J]安徽师范大学学报(自然科学版).2006(10)

[5]谭金波,李彦禄,等.高纯锗g谱仪活度测量标准装置[J].计量学报.2000(7)

[6]国家质量监督检验检疫总局.JJG 417—2006《g谱仪》中华人民共和国国家计量检定规程.2007