1024道航空伽玛能谱仪器设计

孙肖南，孙 陶

(核工业航测遥感中心，石家庄 050002)

0 引言

在航空放射性地球物理探测技术领域中，我国航空伽玛射线能谱测量技术经过几十年的技术发展，从当初的只能进行4道(钾，铀，钍，总道)模拟能谱窗数据测量，逐步发展到具有放射性能谱256道数字化测量技术的先进水平，当前更是达到了具有国际先进水平的航空放射性1024道能谱分析测量的新高度[1]。但是，目前我国航空伽玛能谱1024道测量仪器主要来自于进口，设备的核心部件“多道能谱分析器”更需要从国外引进，不掌握核心技术。针对这一现状，本文设计研究了1024道航空放射性伽玛能谱测量仪器制作技术，掌握了航空放射性伽玛能谱仪器1024道能谱分析的技术核心。

航空放射性伽玛能谱测量主要是利用晶体探测器接收放射性元素发出的伽玛射线粒子，对伽玛能谱射线产生的电信号进行提取分析脉冲计数得到测量数据结果。航空放射性1024道伽玛能谱仪器设计主要包括：伽玛射线数据采集、能谱脉冲信号数字化分析处理，放射性全谱数据图形显示和数据存储，具体为：将自然界中放射性元素发出的0～3 MeV能量的伽玛能谱射线[2]进行数据采集并进行快速数字化分析处理，伽玛能谱数据分别对应累加记录到0～1023道的数据存储位置上，监测显示的主要放射性元素伽玛射线能谱为：钾道设置：457～523道(1370～1570 keV)，铀道设置：553～620道(1660～1860 keV)，钍道设置：803～937道(2410～2810 keV)[3]。

设计内容主要为：1)放射性1024道能谱仪器的硬件电路设计：包括光电倍增管高压调整电路、脉冲信号放大电路、高速A/D数据采集电路、FPGA功能模块电路、以及1024道能谱数据输出电路；2)放射性1024道能谱分析功能的FPGA硬件程序设计：具体包括对伽玛射线能谱信号进行高速数据采集，信号脉冲幅度的快速识别、信号脉冲基线检查、信号脉冲堆积的识别和处理、宇宙射线的识别，能谱射线脉冲实时分析累加；3)放射性1024道全谱数据和放射性元素能谱窗数据的实时图形显示和原始数据记录。

1 系统设计

1.1 方案设计

自然界中天然放射性物质的原子核放射出的伽玛射线能量都在3 MeV以下，超过3 MeV能量的伽玛射线都为来自外太空的高能粒子。因此1024道能谱数据对应的伽玛射线能量为0～3.07 MeV，3KeV/道，超过3.07 MeV能量的伽玛射线粒子计为宇宙射线。设计内容主要为：伽玛能谱射线采集，光电信号转换，电脉冲信号放大，模拟数字转换，能谱脉冲数据分析处理，全谱数据串口传输，放射性能谱1024道全谱数据实时记录和图形窗口显示。

放射性1024道伽玛能谱仪器设计主要包括：1)NaI(Tl)晶体和光电倍增管电路；2)脉冲信号放大电路；3)高速A/D数字采集电路；4)FPGA硬件电路和实现FPGA对脉冲信号分析处理的硬件程序；5)能谱分析器输出的1024道全谱数据实时观测软件。电路结构设计见图1。

图1 电路结构设计

1.2 硬件设计及原理

1.2.1 能谱探测器

伽玛能谱探测器采用16英寸的NaI(Tl)晶体和光电倍增管构成的闪烁体探测器，光电倍增管高压供电选用最大为1400 V的可调整正高压电源模块。

伽玛射线照射进NaI(Tl)晶体，在晶体中产生大量激发电子，能发出荧光的激发电子产生的光子打到光电倍增管阴极产生光电子，经多次倍增放大，在阳极产生电荷电流信号脉冲，其电荷放大关系可表示为：A= (δ为光电倍增管打拿极倍增系数，n为打拿级个数)，这些电荷经阳极电容收集产生信号脉冲，脉冲信号幅度与入射的γ射线能量有线性关系。光电倍增管阳极输出信号可由下列公式表示[4]：

τfl为NaI(Tl)晶体发光时间常数，约为0.25 μs；τα为充电时间常数；U0为电荷完全被收集后最大电压幅度。

1.2.2 脉冲信号放大电路与A/D采集电路设计

A/D数据采集选用AD9226芯片，其特性为12位高速A/D转换、并行输出，最高转换速率可达到65 MSPS，本设计选用50 MHz采样频率、为了能够能谱数据采样和数据读取的时钟同步，A/D转换器的时钟由FPGA锁相环模块提供，采样周期为20 ns，AD9226芯片VREF设为 2 V，对应的模拟输入脉冲信号范围1～3 V及2 Vp-p值。

脉冲信号放大电路将光电倍增管阳极输出的电流脉冲信号，放大转换为符合AD9226芯片输入特性的电压脉冲信号；设计要求为：将0～3.07 MeV能量的伽玛射线在光电倍增管阳极产生的输出脉冲信号，放大为1～3 V的电压脉冲信号。放大电路设计选用高频运算放大器AD8065芯片，放大电路供电设计采用低纹波系数、线性、+5 V单电源供电。

放大电路设计如图2所示。

图2 信号放大电路

放大电路中AD8065输出u1点信号电压幅度可由下列公式表示：

Eγ为γ射线的能量(MeV)；Nphot为γ射线进入闪烁体中产生的光子数(MeV)。ε为光电倍增管阴极收集光子的效率；GPMT为光电倍增管增益。

1.2.3 FPGA硬件电路和输出电路设计

FPGA选用ALTERA公司的Cyclone系列EP4CE15F23芯片，选用的外部晶振为50 MHz，晶振频率信号通过PLL模块电路为各功能部件提供稳定的时钟信号；AD9226芯片并口输出的12位数字输出引脚与FPGA接口引脚相连，AD9226芯片需要的50 M时钟频率由FPGA提供。数据输出芯片选用USB转UART芯片CP2102，FPGA分析处理的1 024道全谱数据通过CP2102实时发送到外部数据采集计算机，在计算机界面显示中实时显示和记录所采集到的全谱数据。

1.2.4 宇宙伽玛射线鉴别方法设计

一些型号的航空伽玛能谱仪，在测量到伽玛射线能量比较高的放射性元素异常点时，例如：放射性元素钍异常区域，伴随着能量窗计数数据的增加，宇宙射线道也会发生不同程度的计数增加现象，使宇宙射线道计数发生较大的偏差。

宇宙伽玛射线为地球外太空中进入地球的高能伽玛射线粒子，其能量超过3 MeV[2]。本设计中A/D转换器输入电压范围为1～3 V，其对应的所接收的γ射线能量为0～3.07 MeV所产生的电脉冲幅度信号。大于3 MeV能量的伽玛射线产生的脉冲信号在A/D转换器中会产生溢出。A/D转换器引起溢出的信号脉冲，既有宇宙γ射线产生的脉冲信号，又有非宇宙伽玛射线在同一时刻，发生两个或两个以上粒子在很近时间内、几乎同时进入探测器产生信号叠加而引起的较大的超过2Vp-p的信号脉冲，这些信号脉冲也会发生A/D溢出；所以不能将A/D转换器溢出的脉冲信号判断为大于3 MeV能量的宇宙射线的计数，否则这可能会引起伽玛射线能谱探测仪器在伽玛射线能量比较高的天然放射性元素异常点上测量时，宇宙射线道计数明显偏高，宇宙射线记录偏差比较大的现象。

Exploranium公司研制的GR-820航空伽玛射线能谱仪器为了减小宇宙射线的计数偏差，将宇宙射线计数阈值设置为4 MeV[5]，超过4 MeV能量伽玛射线对应产生的电脉冲信号计为宇宙射线。

本设计宇宙射线提取采用监测脉冲幅度、宽度的方法。放大电路输出的脉冲信号：满量程时 2Vp-p对应接收的伽玛射线量子能量为3.07 MeV；通过编制软件测量脉冲信号超过2Vp-p时信号的脉冲溢出时间，发现宇宙射线产生的电信号脉冲溢出时间在本电路的RC放电时间常数的设计中大都在3.5～4 μs范围内。而大多数由电脉冲信号叠加而产生的超过2Vp-p信号脉冲溢出时间都在2 μs以下。本设计采用的方法为：检测伽玛射线对应的电脉冲信号,当电脉冲信号幅度大于2Vp-p值时，开始检测脉冲信号的溢出时间，当溢出时间超过1.8 μs时计录为宇宙射线计数。这种方法极大的降低了能量比较高的放射性元素发出伽玛射线进入宇宙射线道计数的概率。

1.3 FPGA硬件程序设计

FPGA硬件程序主要为在FPGA中实现1024道能谱分析功能的程序模块，FPGA硬件程序设计结构如图3所示。

图3 FPGA设计图

FPGA程序功能设计：工程中分别建立PLL锁相环模块、双口存储器模块:建立2个16位数据宽度、1024个存储单元的双口存储器、CPU软核模块、UART串口等模块；

FPGA程序设计采用Verilog HDL编程语言，1024道γ射线能谱分析硬件程序设计主要包括：50 MHz/秒高速的接收ADC电路采集数据，设计编写信号并行分析处理模块，采用寄存器数组对数据进行跟踪记录，快速滤波、信号起点基线判断、采用脉冲形状分析方法[6-7]，提取脉冲信号幅度、脉冲堆积识别，依据脉冲的重叠大小，采取舍弃或修正的处理方法处理脉冲堆积数据，对宇宙γ射线的判断鉴别处理；采集到的能谱数据实时的通过双口存储器A口记录到1024道存储器中，并在存储器中进行全谱数据计数累加。

能谱分析1024道数据传输采用嵌入式CPU控制方式，将上述多道能谱分析功能模块程序设计制作成为基于Avalon总线接口模块，作为CPU软核处理器的一个外设，制作的多道能谱分析模块通过Avalon从总线接口与CPU处理器连接在一起，CPU处理器通过双口存储器B口读取采集到的1024道全谱累加数据，两个双口存储器采用乒乓工作方式轮流的进行全谱数据记录和全谱数据读取，即多道能谱分析模块向一个双口存储器中记录1024道能谱数据时，CPU从另一个双口存储器读取1024道全谱数据，两个双口存储器的操作转换由自制的多道能谱分析模块控制[6]。CPU实时的将读取的1024道伽玛射线能谱数据通过UART转USB外设芯片CP2102传输到外部计算机显示界面中，并能够从串口接收到外部操作指令，改变多道分析器的工作状态。

1.4 1024道全谱数据显示界面设计

1024道航空伽玛能谱仪器设计采用：16位/道数据记录，1024道能谱数据(0～1023道)，宇宙射线记录到1023道，采用二进制数据传输格式和USB转串口传输方式：波特率设为115 200。

能谱显示界面，采用C++编译系统，设计编写1024道γ能谱数据实时监测显示图形软件，设计上采用多窗体结构，每个窗体进入采用动态分配方式，进入时自动分配内存空间，退出时及时释放所占用的内存资源，以减少内存的占用。显示界面包括1024道全谱图形实时显示窗口，放射性能谱总道、钾道、铀道、钍道各图形实时显示窗口，以及数字实时显示窗口[8-10]。点击数据采集运行命令，自动建立以当前时间命名的测量数据文件夹，并以当前时间建立数据记录文件，接收的1024道放射性全谱数据实时地以二进制记录格式记录到数据文件中，同时把接收时间也自动记录到数据文件中。显示界面软件结构如图4所示。

图4 显示界面软件结构及流程图

2 系统测试

2.1 峰位调整

在NaI(Tl)晶体附近，通过放置放射性元素Cs源、Th源，观察所接收的1024道伽玛射线全谱图形数据，检查各元素能谱特征峰所在的显示位置，调整放大器静态工作点和放大器放大倍数，使放射性元素铯产生的伽玛射线能谱峰位(0.662 MeV)对应的显示记录到220道数据存储位置上，放射性元素钍产生的伽玛射线能谱峰位 (2.61 MeV)显示在872道数据记录位置上[2,11]。

2.2 操作界面

1024道能谱分析器，能谱监视显示图形软件运行在Win7操作系统上，启动程序进入操作界面，主菜单项包括：文件、能谱、帮助。

2.3 串口设置界面

点击菜单能谱/设置串口，显示界面如图5所示。

图5 串口设置界面

在显示界面中设置相应接收串口的数据传输参数：设备名、串口号、波特率、数据位、停止位。点击浏览按钮，指定串口所输入的数据自动显示到界面内的文本框中，界面中还能够实时的观察到1024道全谱数据和1024道全谱累加数据。

2.4 进入数据采集界面

点击菜单能谱/进入采集，在显示界面后点击运行按键，显示界面如图6所示。

图6 1024道γ射线全谱数据、能谱窗数据实时观察界面

显示界面实时显示1024道能谱仪器所采集的1024道全谱数据图形曲线(0～1022道：γ射线能量0～3.06 MeV，1023道记录宇宙射线数据)、K、U、Th、总道能谱窗数据图形曲线，数字显示K、U、Th、总道能谱窗数据计数和宇宙射线数据，实时地将所接收到的1024道伽玛射线全谱数据以二进制形式记录到数据文件中。

1024道能谱窗数据阈值设置如下：

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

2.5 实验结果与分析

试验测试分别采用放射性铯源、钍源以及天然钾元素放射性累加计数测量，测量能谱峰位数据如图7～9所示。

图7 Cs137放射源累加计数测试能谱曲线

图8 天然k40能谱峰位计数累加谱线

图9 用Tl208放射源累加计数测试能谱曲线

测试结果数据为：Cs137伽马射线能量0.662 MeV峰位数据记录在220.3道，分辨率7.9；k40能量1.46 MeV峰位数据记录在487.2道，分辨率5.7；Tl208测试源测试：可以观测到Tl208和钍系中一些衰变子体产生的伽马射线特征峰曲线[2]，Tl208能量2.615 MeV峰位数据记录在872.6道，分辨率4.9；能谱线性度<0.3%，能谱峰位数据指标满足规范要求[2,11]。

3 结束语

1024道伽玛能谱仪设计才用软件和硬件相结合的设计方式，完成了从伽玛射线接收到放射性能谱数据显示记录的全过程设计制作，实现了1024道航空伽玛能谱仪设计制作；在测试检验中， Cs峰，K峰，U峰，Th峰的特征峰能量辨别以及能谱线性指标均符合设计要求[2,11]，1024道能谱线性优于0.3%，在计算机显示界面中完成了对能谱分析器输出的1024道全谱数据接收显示，并实时地将接收的1024道全谱数据记录到数据文件中。1024道能谱分析技术的研究开发，有利于更深入的研究和掌握能谱伽玛射线脉冲信号的分析方法和数字处理方法，更有利于发展具有自主知识产权的航空伽玛能谱探测仪器应用到航空放射性测量领域中。