一种提高NaI能谱仪高能区射线解谱能力的装置

赵孝文 吴珂 范庆丽

摘 要：介绍了一种新的碘化钠能谱多道分析器，该装置具有设定高能区功能。该装置能提高NaI能谱仪高能区射线解谱能力。

关键词：NaI能谱仪；高能区；解谱

能谱分析技术广泛应用于工业、农业、科研、环保等领域。能谱仪是能谱分析的一种重要工具。目前市场主要有两类能谱仪，分别为HPGe能谱仪和NaI能谱仪。其中HPGe能谱仪具有较好的能量分辨率，但HPGe探测器需要在低温（液氮）条件下工作，使用不方便，而且价格昂贵；而NaI能谱仪具有探测效率高、装置成本低、可在常温下使用、维护方便等特点。因此，NaI能谱仪在家居建材检测、放射性事故分析、野外地质勘测等领域有着广泛的应用。NaI能谱仪在应用过程中存在以下问题：能谱的能量分辨率较差，在高能区峰形过宽同时峰值幅度过低，利用现有的能谱分析方法进行寻峰很困难。鉴于国内对于NaI能谱仪产业的巨大市场需求和良好的应用前景，研制一种提高NaI能谱仪高能区射线解谱能力的装置显得非常迫切。

1 测量原理

在应用能谱仪进行放射性核素分析时，闪烁探测器接收到与射线能量成正比的脉冲信号，经电子学电路处理后送入模数转换器，模数转换器将脉冲信号转换成代表其脉冲幅度的数字量，并存入相应的存储器存储单元。不同的放射性核素具有不同的能量，其能量函数In（E）是唯一的。

I（E）=I1（E）+ I2（E）+···In（E） （1）

在能谱测量分析过程中，每个核素的峰内总计数是固定不变的，模数转换器的采样频率的值是固定的。基于闪烁探测器的分辨率是一个特定能量函数，高能端的FWHM（半宽度）比低能端的FWHM宽的特点，在谱仪谱图测量过程中，随着射线能量的增加，其所占谱图的道数相应增加，FWHM增大，高能区全能峰的峰值变小，幅度较低，峰位置很难确定，容易被噪声淹没。

在能谱测量过程中，针对峰内计数不变的情况下，峰值的幅度大小是随着峰FWHM的变化而变化，要增加峰值的幅度就要相应减小峰半宽度。因此，为了解决能谱仪高能区获得的能谱数据中FWHM和峰值幅度不能同时集中的矛盾，本项目中将根据实际需要，设计一个实时改变模数转换器采样率的窗口函数，函数如下：

ψ（n，ΔE） （2）

ΔE：模数转换的采样率

然后用该窗口函数调制能量函数可得

I（n）=I（E）ψ（n，ΔE） （3）

I（n）：第n道能量的采样计数值

当ΔE增加时， Δn（峰形所占能道宽数）减小， 同时I（n） 变大。这样谱图中每个能量峰都能显著减少了所需的能道数。

2 系统设计

系统包括探测器、主放大器、甄别器、模/数转换器、数字信号处理器和计算机。如图1所示，其中探测器和主放大器连接；主放大器與甄别器连接；甄别器与模/数转换器连接；模/数转换器与数字信号处理器连接；数字信号处理器与计算机连接。

其中探测器采用NaI晶体作为闪烁体，用于收集放射性核素衰变的辐射粒子，并将其转换为电脉冲信号；主放大器对探测器输出的信号进行放大；甄别器具有阈值电压可调节功能，甄别器对主放大器输出的信号进行甄别；模/数转换器接收数字信号处理器发出的可调节时钟脉冲，并将甄别器输出的信号转换为道址脉冲码；数字信号处理器接收模/数转换器输出的道址脉冲码进行运算处理；数字信号处理器与计算机连接；计算机将数字信号处理器输出的信号进行解谱分析。

图1 系统结构图

3 实验结果

下图为使用相同的标准放射源60Co进行能谱分析，得到的一组能谱图。装置的参数设定相同，采样时间相同，图2为普通模式下的60Co能谱图；图3为设定高能区，并且调节模/数转换器的采样频率后采集的60Co能谱图。由图能看出图3的60Co两个峰清晰且容易分辨。

图2 60Co的γ能谱图

图3 调节后60Co的γ能谱图

4 结束语

该装置通过设定能量区间，同时利用数字信号处理技术进行模数转换采样率调节，实现能量宽度与闪烁探测器在此能量段的分辨率成比例。通过使用60Co标准放射源对装置进行核素分析测试，该装置能提高NaI能谱仪高能区射线解谱能力。

参考文献

[1]赖万昌，葛良全，等.新型便携式微机多道γ能谱仪的研制[J].核电子学与探测技术，2004，24（1）：37.

[2]张怀强，葛良全，等.基于ARM的γ能谱仪的研制[J].核电子学与探测技术，2009，29（3）：543.