便携式α-β-γ谱仪设计

刘怡文，赵朝阳，王玉东，熊 浩，杨 锋，董春辉，王忠海，周 荣，杨朝文

(四川大学物理学院 辐射物理与技术教育部重点实验室，成都 610064)

1 引 言

在辐射环境监测和核安全排查等领域，放射性核素的现场化分析有助于相关人员对事故现场进行快速且准确的评估，对于现场的应急响应和处理具有重大意义[1]. 便携式谱仪因为可以对放射性核素进行现场化的定量与定性分析而被广泛应用于上述领域. 目前常见的便携式谱仪以γ谱仪为主，可用于γ剂量率和γ能谱的测量. 对于α-β粒子的测量，目前常用的便携式仪器为α-β表面沾染仪，主要基于ZnS(Ag)复合闪烁体探测器，该类仪器具有稳定可靠、成本低廉、使用方便的特点，但只可用于计数测量以获取剂量率信息，无法对核素种类进行分析[2]. 对于未知涉核物质的测量，分析其核素种类与获取其剂量率信息一样重要[3]. 因此，近年来国内外也开展了关于便携式α谱仪的研究[3-4]. 然而，上述便携式谱仪只可对α-β粒子或γ射线进行测量，对于一些同时具有α-β粒子和γ射线的环境监测[5]和应急事故场景[6]，现有便携式谱仪无法单独完成测量工作，需要多台设备同时使用，给相关工作人员做出快速准确的评估与处理带来不便.

本文设计了一种可测量α-β-γ射线的便携式谱仪. 该谱仪采用PIPS探测器对α-β粒子进行测量以获得高分辨的α-β能谱，采用LaBr3(Ce)探测器对γ射线进行测量以获得高分辨的γ能谱. 它能够同时测量α-β-γ射线并获取高分辨的能谱，有助于相关人员对测量现场做出快速准确的评估与处理.

2 系统设计方案

谱仪由6个功能模块构成(见图1). 其中核信号获取模块由两路探测器构成，分别对α-β粒子和γ射线进行测量. 信号调理模块用以对探测器输入信号进行幅度调节，以使其匹配后续模数转换模块. 模数转换模块通过高速ADC对信号进行采样，将模拟信号转换为数字信号后输出到信号处理模块. 信号处理模块使用FPGA对数字化的信号进行处理与分析以得到实时能谱，并将其传输至控制模块. 控制模块通过对外设进行控制以实现谱仪系统的便携式功能. 此外电源模块用以给电路和探测器供电，以使其正常工作. 其中程控的LaBr3(Ce)探测器高压模块和控制模块共同构成了稳谱系统，使得谱仪具有良好的温度稳定性.

图1 便携式谱仪功能框图Fig.1 Functional block diagram of portable spectrometer

2.1 核信号获取模块设计

2.1.1 α-β探测器选型 ZnS(Ag)复合闪烁体探测器是最为常见的α-β表面沾染仪探头，该探测器具有良好的探测效率和较大的灵敏面积，但因其能量分辨率较差通常只用于计数测量. 金硅面垒探测器和PIPS探测器均具有高能量分辨率的特性，是最为常见的α-β谱仪探头. 相较金硅面垒探测器，PIPS探测器具有良好的温度稳定性和可清洗的特性. 因此，选用PIPS探测器作为谱仪的α-β探测器，探测器的灵敏面积为1 200 mm2，最大厚度为325 μm.

2.1.2 γ探测器选型 NaI(TI)探测器具有宽测量范围和低造价的特性是最为常见的便携式γ谱仪探头. 但由于其能量分辨率较差，因此不适用于复杂情况下的核素识别. CZT探测器具有良好的能量分辨率，但受限于体积，其对高能γ的探测效率较低，因此多用于核医学，工业CT和宇宙线测量等中低能γ射线测量场景[7]. 相较NaI(TI)探测器，LaBr3(Ce)探测器具有良好的能量分辨率，可用于复杂环境下的核素识别. 此外由于其对高能γ射线的探测效率远高于CZT探测器，因此选用LaBr3(Ce)探测器作为本谱仪的γ探测器，晶体的尺寸为ø38 mm×38 mm.

2.2 信号调理电路设计

因探测器种类、入射粒子能量以及前放电路的不同，探测器前放输出的信号幅度范围可由几毫伏至几伏. 然而高速模数转换器(ADC)的量程通常不超过2 V，因此需对探测器前放电路输出的信号进行幅度调理，使调理后的信号范围与高速ADC的量程相匹配. 谱仪系统的信号调理电路由两级构成，第一级为可变增益放大器AD605，通过该放大器对探测器前放电路输出的单端信号进行幅度调节，使其输出信号范围与高速ADC的量程相匹配. 此外，由于电路中高性能ADC通常使用差分输入抑制共模噪声和干扰[8]，因此在第二级使用ADA4932作为单倍增益ADC驱动器，将单端信号转换为差分信号后，再将其输入到ADC以获得最佳性能.

2.3 模数转换电路设计

对于PIPS探测器，其输出信号的上升时间受偏压和入射粒子种类的影响. 由于本谱仪为PIPS探测器所供高压是一定值，因此输出信号的上升时间由入射粒子种类决定. 通常情况下，α粒子所产生信号的上升时间为40～75 ns，β粒子所产生信号的上升时间为90～120 ns[9]. 根据经验公式(1)计算可知PIPS探测器输出信号带宽约为2.91～8.75 MHz，因此依据奈奎斯特采样定理，对于谱仪系统的α-β信号路，ADC的最低采样频率为17.5 MSPS. 由于实际信号会受噪声影响，为获得较佳信噪比，选用100 MSPS采样频率对PIPS探测器输出信号进行过采样.

(1)

式中，BW为信号带宽；RT为信号10%～90%的上升边.

通常认为LaBr3(Ce)晶体的发光衰减为20～35 ns[10]，因此LaBr3(Ce)探测器输出信号带宽约为10～17.5 MHz. 为获得较佳信噪比，亦采用100 MSPS采样频率对γ信号进行过采样.

为了不使系统能量分辨率变差，通常峰的半高宽度应取5～10道[11]. 因此综合探测器的能量分辨率和测量范围进行考虑，选用ADI公司的12 bit低功耗高速ADC AD9230以100 MSPS采样频率对两路探测器的输出信号进行采样.

2.4 信号处理电路设计

现场可编程门阵列(FPGA)是信号处理电路的核心部件，主要负责对ADC输入波形进行处理并得到能谱. 本谱仪电路的FPGA程序由滤波成型，动态基线获取，过阈触发，峰值获取，能谱统计和数据通信六个功能模块构成. FPGA程序首先使用滤波成形模块对ADC输入数据进行处理，然后通过动态基线获取模块得到实时基线，以此避免因电子学基线的温度效应所带来的谱漂. 接着过阈触发模块和峰值获取分别用于甄别有效信号和提取有效信号的峰值信息. 最后使用能谱统计模块对获取的峰值信息进行统计以得到能谱，并使用数据通信模块将实时能谱传输给MCU.

2.5 谱仪控制电路设计

谱仪系统的控制部分由微控制单元(MCU)和外设构成，通过MCU对外设进行控制，以实现谱仪系统的便携式功能. MCU程序包含温度测量，能谱存储，上位机通讯和人机交互四个功能模块. 其中温度测量模块用于对γ能谱进行稳谱. 使用靠近LaBr3(Ce)探测器的温度芯片对LaBr3(Ce)探测器光电倍增管的温度进行监测，当温度发生较大变化时(大于0.5 ℃)，通过调节高压使光电倍增管增益恒定，从而实现实时稳谱. 能谱存储模块用于存储仪器所测量的能谱，用户可通过上位机程序将存储的能谱读回. 上位机通讯模块则用于实现仪器与上位机之间的数据和指令通讯. 人机交互模块由按键和屏幕构成，用户可通过屏幕读取实时能谱，并使用按键对仪器进行参数和状态设置.

2.6 电源电路设计

谱仪的电源电路用于给各芯片和探测器供电. 由于模拟信号对噪声极为敏感，因此使用具有超低输出噪声和宽频率范围内高PSRR特性的LDO芯片对模拟器件进行供电，以获得最佳信噪比. DC-DC芯片具有较高的效率和功率密度，因此选用DC-DC芯片对噪声敏感度相对较低的数字器件进行供电，以减小谱仪的发热和功耗.

相较实验室仪器，便携式谱仪需工作在更宽的温度范围内且通常缺少标准放射源对其进行重新刻度. 因此本谱仪系统设计了基于温度芯片和程控高压的稳谱模块以保证系统的温度稳定性. 对于PIPS探测器，由于其漏电流极低，因此在-20～50 ℃范围内，温度的变化不会导致明显的峰漂移[12]，故谱仪使用70 V的固定高压给PIPS探测器供电.

对于LaBr3(Ce)探测器，由于其晶体具有良好的温度稳定性[13]，因此光电倍增管的温度效应是导致峰漂移的主要因素. 故对于LaBr3(Ce)探测器采用程控高压模块进行供电，同时使用温度芯片对LaBr3(Ce)探测器光电倍增管的温度进行监测. 当温度发生较大变化时，通过谱仪控制电路对程控高压进行调节，使光电倍增管增益为一定值，从而实现稳谱.

3 系统技术指标

根据上述方案制作了便携式α-β-γ谱仪的原理样机如图2所示. 原理样机的整机尺寸为(长×厚×宽)：315 mm×190 mm×126 mm，仪器重2.098 kg.

图2 便携式α-β-γ谱仪Fig.2 Portable α-β-γ spectrometer

3.1 α能量分辨率

实验使用谱仪系统对241Am能谱进行测量，所得能谱如图3所示. 通过计算得到其对于241Am(5.486 MeV)的半高展宽为138.87 keV.

图3 真空中的241Am能谱Fig.3 The energy spectrum of 241Am in vacuum

3.2 α/β表面发射率响应

实验分别使用241Am源(α源)和90Sr-90Y源(β源)在空气中对谱仪的α/β表面发射率响应进行测试. 测试所用241Am源为标准平面源，放射源直径为90 mm，活度为1.3×106/(min·2πsr)，测试时放射源距PIPS探测器窗5mm. 测试所用90Sr-90Y源为标准平面源，放射源面积为140 mm×100 mm，活度为1.66×107/(min·2πsr)，测试时放射源距PIPS探测器窗5 mm.

表1 α/β表面发射率响应Tab.1 The surface emissivity responses of α and β

3.3 α/β串道率

α/β的串道会影响样品的放射性测量结果，特别是对低活度的环境样品进行测量时，影响会更加明显. 本实验使用241Am α源和90Sr-90Y β源在真空中(0.1 atm)对谱仪的α/β串道率进行测试. 如图4所示为真空中的α谱和β谱.

图4 真空中的241Am和90Sr-90Y能谱Fig.4 The energy spectrum of 241Am and 90Sr-90Y in vacuum

选择300道作为α和β道的分界线，得到真空中α粒子对β道串道率为0.510%，β粒子对α道串道率为0.047%.

3.4 γ能谱的测量范围

实验通过测量137Cs源能谱验证谱仪的γ能量测量下限，所测能谱如图5所示.

图5 γ能量测量下限Fig.5 The lower limit of γ energy measurement

图5中最左侧的尖峰为137Cs的特征X射线峰，能量为32.19 keV. 因此谱仪的γ能量测量下限为30 keV.

由于实验室常用γ源的最高能量为1.33 MeV(60Co)，因此使用能量刻度的方法确定谱仪γ能量测量上限. 实验通过137Cs、60Co源对谱仪进行标定，各全能峰对应道数如表2所示.

表2 全能峰峰位道址Tab.2 Full energy peaks corresponding to the number of channels

使用表2数据进行线性拟合得到谱仪系统的γ能量道数关系式:

y=3.04x+9.64

(2)

式中x为道数，y为能量，由于谱仪系统为1 024道，因此本谱仪的γ测量上限为3 122.60 keV. 谱仪系统的γ能量测量范围为30 keV～3 MeV.

3.5 γ能量分辨率

使用谱仪测量137Cs能谱，通过计算得到谱仪的能量分辨率(662 keV)如表3所示，由表3可知谱仪的γ能量分辨率小于3.4%(662 keV).

表3 谱仪系统γ能量分辨率Tab.3 Gamma energy resolutions

3.6 γ能谱温度稳定性

在-10～40 ℃温度范围内，分别使用稳谱后的谱仪系统和未稳谱的谱仪系统测量了60Co能谱. 图6和图7分别为60Co两个全能峰峰位道数在稳谱前后的对比.

图6 稳谱前后1 173 keV峰位变化Fig.6 The change of 1 173 keV with and without stabilizing method

图7 稳谱前后1 332 keV峰位变化Fig.7 The change of 1 332 keV with and without stabilizing method

由图6和图7可见，未稳谱时60Co全能峰的峰位变化可达90道. 采用稳谱方法后，峰位变化最大为3道，因此稳谱后的谱仪具有较好的温度稳定性.

4 总 结

本文设计了一种可测量α-β-γ射线的便携式谱仪系统，并对其性能进行了测试. 对于α-β粒子的测量，谱仪系统的α能量分辨率小于140 keV(5.486 MeV，0.1 atm)，α粒子串β道的串道率为0.510%(241Am)，β粒子串α道的串道率为0.047%(90Sr-90Y)，α表面发射率响应为67.34%(241Am)，β表面发射率响应为19.13%(90Sr-90Y). 对于γ射线的测量，谱仪系统的γ测量范围为30 keV～3 MeV，γ能量分辨率小于3.4%(662 keV). 此外，基于探测器和电子学温度特性的无源稳谱设计使得谱仪在-10～40 ℃温度范围内具有良好的温度稳定性，有利于温度剧烈变化情况下的能谱测量及后续的能谱分析. 相较于现有便携式谱仪，本谱仪系统除可用于一般情况下的环境和放射性沾染测量外，对于福岛核电站泄漏这类复杂的突发事故场景，谱仪可同时测量α-β-γ能谱的功能将有助于相关人员对此类场景进行快速且准确的评估.