基于NaI晶体的车载γ能谱采集系统研制.pdf

第 40 卷 第 3 期2024年 5月Uranium Geology铀矿地质Vol.40 No.3May2024基于 NaI晶体的车载 能谱采集系统研制王先贺，吴伟军，刘金尧，陈元庆，黄清波（核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050000）摘要 针对我国辐射环境监测、核应急、放射性地球物理勘查等特殊领域的应用要求，研制了一种基于NaI晶体的车载 能谱采集系统。文章采用 NaI晶体探测器将 射线信号转换为电脉冲信号，设计了前置放大、极零相消、SK 滤波成形、增益调节等调理电路，对 NaI晶体探测器原始信号进行了处理，得到了准高斯波形；然后通过多道脉冲幅度分析器对脉冲信号数字化处理得到谱数据；最后开发了一套上位机分析软件来对谱数据进行分析、处理以及显示，实现了数据捕获、能量刻度、核素识别以及谱线显示等功能。为解决现有车载 能谱仪分辨率低、谱线漂移的问题，文章提出了一种自动无源稳谱算法改善了车载 能谱仪的能量分辨率和能量线性度，提高了测量数据的准确度。实验结果表明：该设备可以准确快速地进行能谱分析，具有 1 024 道的高分辨率，能量分辨率达到 8.06%（137Cs），对40K 的 1.461 MeV 能谱峰漂不超过1 道，并具有测量速度快、探测精度高、实时定位等优势，在核应急与核辐射环境监测以及放射性勘查等领域具有广泛的应用前景。关键词 放射性地球物理勘查；车载 能谱采集；多道脉冲幅度分析器；自动无源稳谱文章编号 1000-0658（2024）03-0540-07 中图分类号 TL817.2 文献标志码 A随着中国核技术的快速发展及国家对环境保护日益重视，环境放射性检测需要一种快速、高灵敏度的测量手段1。近年来，车载 能谱测量技术发展成为辐射环境污染调查与评价、核设施监测、核应急事件监测以及周边国家核泄漏引起的核污染监测的主要支撑技术2。作为辐射环境污染监测领域中的重要仪器设备，车载 能谱仪能够在辐射事故发生时快速到达指定位置，可以对辐射区域进行大面积实时监测，给调查事故原因、评价事故后果及采取防护措施提供了技术支撑3。因此，车载能谱仪在环境放射性检测领域具有较高的使用价值和广泛的应用前景。车载 能谱测量是 能谱测量的重要技术手段，可将仪器安装于汽车上，按照一定的行车速度连续测量，在数据采集时间内的行驶路段进行记录，每个记录点可反映出对应空间介质体总的 辐射效应4。国外车载 能谱测量技术5主要应用于车载 能谱仪，国外比较成熟的产品有：美国 RSI公司生产的 RS700 型 能谱测量系统，该系统具有1 024 通道的高分辨率，可操作性强；德国 Target 公司生产的移动式环境辐射监测车可以准确快速地进行能谱分析6；加拿大开发的 GR460 车载放射性全谱测量系统，是一套高度集成化的谱仪系统，而且具备 GPS卫星定位接收能力。国内车载 能谱技术的发展起步较晚，1984 年，核工业北京地质研究院成功研制 GP106 型四道车载 能谱测量系统，并将其应用于铀矿勘查，取得了较好的效果7。2009年，广东省环境监测研究中心也研制了辐射应急监测车8，能够对地面上的 辐射及大气中放射性气溶胶进行测量。中国原子能科学研究院自主研发的高灵敏、快速测量的 辐射监测车，具有应急辐射监测能力8。国内关于环境监测应用车载 谱仪的研究较少，且现有车载 能谱仪9数字化程度不高、探测器分辨率和探测效率不佳。因此，本文开展了一种基于 NaI晶体的车载 能谱采集系统的研制工作，旨为进一步完善车载 能谱探测技术，使DOI:10.3969/j.issn.1000-0658.2024.40.048王先贺收稿日期 2024-01-23 改回日期 2024-02-26第一作者 王先贺（1995），男，助理工程师，硕士，主要从事地球物理探测设备研制。E-mail：通信作者 陈元庆（1982），男，工程师，大学本科，毕业于电子科技大学，主要从事放射性物探仪器研制工作。E-mail：王先贺，等：基于 NaI晶体的车载 能谱采集系统研制第 3期之广泛应用于辐射监测等领域。1 系统总体设计1.1 总体结构车载 能谱采集系统由 NaI晶体探测器、GPS定位模块、外壳保护箱及上位机软件组成，通过减震装置将其固定于车顶。与主机连接成功后可在软件中对实时采集的数据进行处理，可以准确快速地进行能谱分析，同时该系统配备 GPS定位功能，可以直观地看到环境辐射监测车的位置及实时移动速度。其整体框图如图 1所示。NaI晶体探测器主控制器GPS 定位模块车顶行李架主机上位机软件电源AC/DC220V输入5 V供电数字信号图 1 车载 能谱系统整体框图Fig.1 Overall block diagram of vehicle spectroscopy system1.2 设计思路针对现有车载 能谱仪数字化程度不高、分辨率和探测效率不佳9的问题，本文研制了一种基于NaI 晶体的车载 能谱采集系统。依据车载 能谱仪探测原理，在保障仪器性能指标的前提下，最大限度地提高仪器的探测效率和分辨率。本文采用NaI 晶体探测器保障了能量分辨率和探测效率，设计了信号采集系统降低了统计起伏误差；利用自动无源稳谱技术实现增益自动调节，提升了车载 能谱采集系统的能量分辨率和能量线性度；开发上位机软件对能谱数据进行处理，实现了能谱测量。车载 能谱采集系统结构图如图 2所示。1.3 自动无源稳谱算法NaI 晶体探测器中的 NaI 晶体、光电倍增管、电子元器件易受温度、放射性强度等环境因素的影响，不同幅度的脉冲信号的峰位会产生漂移，影响仪器测量结果的准确性。NaI 晶体易受温度的影响，会造成输出脉冲幅度的变化，形成谱线漂移现象；环境放射性强度会影响光电倍增管的工作状态，进而影响探测器输出的脉冲幅度；高压电源带来的噪声也会给谱线带来干扰。以上因素给仪器准确测量带来极大的困难，本文提出了一种自动无源稳谱算法，减弱了峰漂对测量准确性的影响。在自然界中 能谱仪能测到的天然放射性核素主要是钾（40K）、铀系和钍系的 射线，本文中的自动无源稳谱算法就是利用被测谱中含有的天然放射性核素形成的 谱峰，计算稳谱修正值，进而调整高压值完成自动稳谱功能。在实测谱线中分别计算天然核素钾（1 461 keV）、铀系（1 764 keV）、钍系（2 615 keV）3个峰位，并计算各峰对应的峰面积和峰净面积，利用各峰的峰净面积与峰面积的比值确定某个特征峰参与稳谱修正计算。该算法在稳谱修正计算中采用了权重参数，即利用各峰的峰净面积计算权重系数，权重系数决定稳谱修正量的大小。求出稳谱修正量后，通过数模转换器调节高压模块控制端，利用稳谱修正量来调整光电倍增管高压值，完成自动稳谱。自动无源稳谱算法流程图如图3所示。2 NaI晶体探测器的电路设计NaI 晶体探测器由 NaI 晶体、光电倍增管、分压电路及调理电路等组成。依据 JJG（军工）1502017车载 能谱仪检定规程10晶体探测器体积不小于 4 L，车载 能谱仪探测器一般选用单晶体（4 L）或者双晶体（8 L）。NaI晶体探测效率高、价格适中、使用方便，是车载 能谱仪的常用晶体。本文从 NaI晶体的成本、体积、技术处理等方面进行了综合考量，对晶体体积大小进行了择优选择。NaI 单晶体相较于双晶体成本更低，体积更小，易于实现小型化；且使用 NaI单晶体不用进行谱线合成，相较于双晶体探测器在数据处理方法上更简单。而且此次图 2 车载 能谱采集系统结构Fig.2 Structure diagram of vehicle energy spectrum system 541铀 矿 地 质第 40 卷研究的目的之一是探索车载 能谱仪小型化，为研制典型核环境场景下特种机器人监测系统做技术储备研究。经过综合考量，本文采用了 1 条 10.16 cm10.16 cm40.64 cm 的大型 NaI晶体，体积为 4 L，其结构示意图如图 4所示。首先通过 NaI 闪烁体将 射线信号转换为电脉冲信号11，然后通过信号处理电路对 NaI 晶体输出的电脉冲信号进行放大、成形、滤波处理，形成利于后期多道处理的脉冲信号。探测器输出的电脉冲信号经过前置放大电路，可以避免信号在前级电路中造成过多的损耗，在提高输入阻抗的同时，可以大幅度减少输入电容的容量，从而保证信号的稳定性。极零相消电路使脉冲宽度尽可能变窄，这样可以尽量减少信号堆积，避免基线涨落12，并消除信号尾部的反冲现象。在前置放大电路之后，采用滤波成形电路来对脉冲信号进行处理。经主放大电路放大后的脉冲信号由后面一级 SK 滤波器完成准高斯滤波成形13，有利于多道脉冲幅度分析电路去甄别和分析，可以得到相对 较 为 准 确 的 脉 冲 幅 值。最 后 采 用 基 线 恢 复器14，滤除直流分量，达到基线恢复的目的。多道脉冲幅度分析电路由峰值检测电路和 A/D 转换电路组成，经过基线恢复后的信号首先被送入单片机等待 A/D 转换15，而 A/D 转换必须在脉冲信号到达峰值时刻启动，因此，设计了由微分电路和过零比较器构成的脉冲峰值检测电路16。硬件电路结构框图如图 5 所示。图 5 硬件电路结构框图Fig.5 Hardware circuit structure diagram3 系统软件设计基于上述硬件电路设计，利用单片机控制器对脉冲信号进行处理，单片机程序设计主体包括信号捕获、脉冲峰值判断、模数转换、脉冲幅度分析以及串口通信等。通过单片机的模数转换对脉冲峰值的幅度的采样值进行数字化处理，将不同幅度的脉冲信号的计数存储在不同的存储单元，对存储单元数模转换器采集实时谱线计算钾、铀、钍峰位选定特征峰确定高压修正值完成自动稳谱开始调节高压模块根据峰净面积计算权重系数确定稳谱修正量结束开启下一轮稳谱测量完成计算各峰的峰净面积与峰面积的比值图 3 自动无源稳谱算法流程图Fig.3 Flowchart of the automatic passive spectrum stabilization algorithmNaI晶体不锈钢保护罩光导材料光电倍增管图 4 NaI晶体探测器结构示意图Fig.4 Schematic structure of a NaI crystal detector 542王先贺，等：基于 NaI晶体的车载 能谱采集系统研制第 3期的数据进行分析处理。为了实时控制车载 能谱采集系统的工作状态并对仪器采集的谱数据直观地显示，本文基于 C+面向对象的程序设计开发了上位机分析软件，该软件可以实现数据捕获、能量刻度、分辨率计算、稳谱算法等数据处理工作，并将采集到的谱数据以表格、曲线、图形等直观的形式显示出来，同时完成后台的同步存储。系统软件设计流程如图 6所示。开始是初始化各个模块上位机发送数据结束否下位机等待状态启动测量下位机采集信息获取谱数据等信息是上位机数据校验否数据打包传输解析数据显示谱数据、核素含量、GPS信息等图 6 系统软件设计流程Fig.6 Design flowchart of system software下位机通电之后，全部初始化完毕就进入待机状态，连续检测上位机是否有数据传输。如果没有收到信号，系统一直等待，直到上位机的数据传送过来，便立即对上位机传来的数据进行解析。若上位机指令为“启动测量”，则下位机进入数据采集模式，经数据处理后获得谱数据、时间位置信息等，并将数据打包，发送至上位机。上位机首先要判断数据包格式是否为按照自定义的协议。如果不符合自定义协议，那就说明这是一个错误的数据，将其去除。如果符合协议，则开始解析这个数据。上位机可以读取、处理谱数据，显示谱线、光标、时间、GPS定位信息等。4 仪器性能分析研究车载 能谱采集系统研制过程中，为了测试仪器的能量线性刻度、分辨率、稳定性、以及稳谱效果等性能，在核工业放射性勘查计量站做了相关试验，其中环境温度为 25，湿度为 40%。实验结果参照JJG（军 工）1502017 车 载 能 谱 仪 检 定 规程10对仪器进行评价。4.1 仪器能量线性刻度测试为 了 检 测 车 载 能 谱 采 集 系 统 的 能 量 线 性度，选 取 了 4 种 标 准 放 射 源（137Cs、40K、铀 系 和 钍系）对车载 能谱采集系统进行了能量刻度，其中137Cs的特征峰能量为 0.662 MeV、40K 的特征峰能量是 1.461 MeV，铀系的特征峰能量是 1.764 MeV，钍 系 的 特 征 峰 能 量 为 2.614 MeV。4 种 标 准 放 射源的特征峰能量与多道脉冲幅度分析器的“1 024道址”一一对应，如表 1 所示，然后以道址为横坐标、能量为纵坐标，根据最小二乘法原理，对测量数据进行曲线拟合，其关系曲线如图 7 所示。表 1 探测器线性度测试数据Table 1 Linearity test data of the detector放射性源能量/MeV特征峰对应道址137Cs0.662215.240K1.461479.8铀系1.764569.7钍系2.614820.2图 7 能量与道址线性关系图Fig.7 Linear relationship between energy and road site 543铀 矿 地 质第 40 卷从图 7可以得出探测器能量和道址关系的线性表达式为：E=0.0032CH-0.0571（1）式中：E放射性核素能量；CH道址。其相关系数为 R2=0.9988，该设备在探测范围 303 000 keV 内，可以准确反映道址和能量的对应关系，符合 JJG（军工）1502017车载 能谱仪检定规程10规定：“车载 能谱仪能量线性不小于 0.99”的要求。4.2 分辨率测试晶体分辨率的测量选用的是国际原子能机构（IAEA）推荐使用的标准源之一铯源（137Cs），137Cs 衰 变 时 可 以 放 出 0.662 MeV 的 射 线。要求137Cs窗计数不小于 104个，统计涨落1%，根据式（2）可以计算分辨率大小：RCs=FWHMCHCs 100%（2）式中：RCs晶体分辨率，%；FWHM 谱线的137Cs峰值半高宽度，MeV；CHCs 谱线的137Cs峰值对应的能量，MeV。测试方法为待车载 能谱采集系统开机稳定后，在距探测器晶体中心约 50 cm 位置处，放置一枚137Cs 源。开 启137Cs 源 稳 谱，稳 谱 300 s 后，关掉137Cs 源稳谱，再连续测量 300 s，得到137Cs 源谱线。依据公式（2）来对车载 能谱采集系统的分辨率进行计算求解。该系统开发了一套上位机分析软件，手动输入两个道址，根据预先设置好的分辨率计算方法，可以自动计算出分辨率大小。晶体探测器对137Cs 能量分辨率为 8.06%，分辨率计算结果见图 8，符合 JJG（军工）1502017 车载 能谱仪检定规程10 规定“对137Cs核素 0.662 MeV特征能量分辨率不大于 11%”的要求。图 8 探测器能量分辨率计算图Fig.8 Calculation diagram of detector energy resolution4.3 稳定性测试参考 JJG（军工）1502017 车载 能谱仪检定规程10中关于稳定性评价方法，对系统进行了稳定性测试。仪器的能窗按国际原子能机构（IAEA）推荐的标准给定，记录窗计数结果，再利用公式（3）计算仪器各能窗的稳定性。=|Nj-Nmax-N 100%（3）式中：仪器的稳定性，%；Nj第 j组测量结果，计数每秒（s-1）；-N为 n组测量结果的算术平均值，计数每秒（s-1）。开启仪器的自动无源稳谱功能后，先让仪器预热半小时，待稳定后，使用标准放射源（40K、铀系、钍系及其混合体源）进行测试，将标准放射源放置于仪器周边，每 1 h 测量 1 组数，连续测量 8 h，钾、铀、钍三能窗以及钾、铀、钍混合体源能窗的最 544王先贺，等：基于 NaI晶体的车载 能谱采集系统研制第 3期大稳定性结果如表 2 所示。表 2 各能窗的稳定性结果Table 2 Stability results of each energy window放射性源能窗稳定性/%40K2.05铀系4.90钍系4.98混合体源1.92由表 2 可见，各能窗的最大稳定性优于 5%，符合JJG（军 工）1502017 车 载 能 谱 仪 检 定 规程10规定“车载 能谱仪稳定性优于 5%”的要求。4.4 稳谱效果测试车载 能谱仪进入自动稳谱状态后，持续测量24 小时，每组测量时间不小于 300 s，每两个小时选取一组数据，计算40K 的 1.461 MeV 能量峰位，取其中最大和最小的两组数据与所有抽取测量数据的平均值进行比较，如表 3所示。表 3 稳谱测试结果Table 3 Stable spectrum test results序号123456789101112平均值最大值最小值高压/V733.0734.5734.0733.6735.0733.3733.6734.0734.2735.8736.0735.9钾峰位/道459.8459.5459.1459.5459.4459.6459.2458.9459.0459.0460.4460.3459.5460.4458.9由表 3 可见，车载 能谱仪对40K 的 1.461 MeV能谱峰漂不超过1道，说明自动稳谱算法良好，有广泛的实用前景。5 结论1）完成了车载 能谱采集系统的研制，实现了对探测器信号读取和谱数据采集功能，可准确快速地进行能谱分析，实现了核素识别、能谱测量、系统定位、数据回放等功能。2）自动无源稳谱算法有效地抑制了峰位漂移，提高了测量准确度。3）为检验该仪器的性能，进行了测试实验，实验 结 果 表 明：能 量 分 辨 率 达 到 8.06%（对137Cs 的0.662 MeV 射线），能量线性度的相关系数 R2达到0.998 8，各能窗的最大稳定性优于 5%，40K峰位漂移在室温环境下 1道。参考文献1 曹凤琦，黄晓华，杨斌，等.辐射环境安全事故的应急准备和演练 J.环境监控与预警，2011，3（4）：6-8.CAO Fengqi，HUANG Xiaohua，YANG Bin，et al.Emergency preparedness and drills for radiation environmental safety accidents J.Environmental Monitoring and Early Warning，2011，3（4）：6-8（in Chinese）.2 蒋维华，张宪民.核事故应急辐射监测系统设计 J.计算机应用研究，2005，22（4）：180-182.JIANG Weihua，ZHANG Xianmin.Design of emergency radiation monitoring system for nuclear accidents J.Computer Application Research，2005，22（4）：180-182（in Chinese）.3 成智威，苏川英，马怀成，等.地形对车载就地HPGe谱仪测量结果的影响 J.辐射防护，2005，25（1）：40-44.CHENG Zhiwei，SU Chuanying，MA Huaicheng，et al.Terrain impact on vehicle mounted on-site HPGe The influence of spectrometer measurement results J.Radiation Protection，2005，25（1）：40-44（in Chinese）.4 李必红.铀矿勘查中的车载伽玛能谱技术研究 D.北京：核工业北京地质研究院，2014.5 JURZA P，CAMPBELL I，ROBINSON P，et al.Use of 214Pb photopeaks for radon removal：utilising current airborne-ray spectrometer technology and data processingJ.Exploration Geophysics，2005，36（3）：322-328.6 刘振景.辐射场数据采集及无线传输处理 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.7 李必红，陆士立，韩绍阳，等.核探测中的车载 能谱技术 J.原子能科学技术，2012，46（增刊）：560-564.LI Bihong，LU Shili，HAN Shaoyang，et al.Vehicle mounted in nuclear detection energy spectrum technology J.Atomic Energy Science and Technology，2012，46（S1）：560-564（in Chinese）.8 朱晓翔，陆继根，张起虹，等.田湾核电站核应急环境监测车载系统设计 J.中国辐射卫生，2009，18（2）：205-206.ZHU Xiaoxiang，LU Jigen，ZHANG Qihong，et al.Design of nuclear emergency environmental monitoring vehicle system for Tianwan nuclear power plant J China Radiation Health，2009，18（2）：205-206（in Chinese）.545铀 矿 地 质第 40 卷9 冯天成，雷卫国，刘俊，等.一套用于现场视察的车载 NaI（Tl）谱仪系统的研制 J.核电子学与探测技术，2013，33（3）：296-300.FENG Tiancheng，LEI Weiguo，LIU Jun，et al.A set of vehicle mounted NaI（Tl）for on-site inspection the development of a spectrometer system J.Nuclear Electronics and Detection Technology，2013，33（3）：296-300（in Chinese）.10国防科技工业 1313二级计量站.JJG（军工）1502017车载能谱仪检定规程 S.北京：国家国防科技工业局，2017.11赵耀.基于FPGA的新型多道伽马能谱分析仪设计 D.长春：吉林大学，2023.12BELLI F，ESPOSITO B，MAROCCO D，et al.A method for digital processing of pile-up events in organic scintillators J.Nuclear Instruments&Methods in Physics Research，2008，595（2）：512-519.13郝金龙，董文明，陈宁，等.基于LaBr3（Ce）闪烁体的能谱测井仪性能提升研究 J.核技术，2022，45（7）：59-66.HAO Jinlong，DONG Wenming，CHEN Ning，et al.Based on LaBr3（Ce）scintillator research on performance improvement of energy spectrum logging tools J.Nuclear Technology，2022，45（7）：59-66（in Chinese）.14IMPERIALE C，IMPERIALE A.On nuclear spectrometry pulses digital shaping and processingJ.Measurement，2001，30（1）：49-73.15段丁槊.基于闪烁探测器的伽玛能谱测量研究 J.科技风，2018（25）：208.DUAN Dingshuo.Research on spectrum measurement based on scintillation detectors J.Science and Technology Wind，2018（25）：208（in Chinese）.16杨剑，曾国强，赖茂林，等.车载 能谱仪数据实时传输系统设计 J.核电子学与探测技术，2016，36（5）：466-469.YANG Jian，ZENG Guoqiang，LAI Maolin，et al.Vehicle mounted design of real-time data transmission system for energy spectrometer J.Nuclear Electronics and Detection Technology，2016，36（5）：466-469（in Chinese）.Design of An Vehicle Mounted Energy Spectrum Acquisition System Based on Sodium Iodide Crystals WANG Xianhe,WU Weijun,LIU Jinyao,CHEN Yuanqing,HUANG Qingbo（Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry,Shijiazhuang,Hebei 050000,China）Abstract：To meet the special application requirements in the fields of radiation environment monitoring,nuclear emergency,and radioactive geophysical survey in China,the article developed a vehicle-mounted energy spectrum acquisition system based on NaI crystal.The system uses the NaI detector to convert the-ray signal into an electrical pulse signal,and conditioning circuits such as pre-amplification,pole-zero phase cancellation,S-K filter shaping,gain adjustment,and so on,was designed to process the original signal of the NaI detector and obtained a quasi-Gaussian waveform;then the spectral data were obtained by digitizing the pulse signal through a multi-channel pulse amplitude analyzer;after then,a set of upper computer analysis software was developed to analyze the spectral data.Finally,a set of upper computer analysis software was developed to analyze,process and display the spectral data,which realized the activity measurement,real-time nuclide identification and digital spectroscopy.In order to solve the problems of low resolution and spectral drift of the existing vehicle-mounted-energy spectrometer,an automatic passive stabilization algorithm was proposed to improve the energy resolution and the linearity of the vehicle-mounted-energy spectrometer,which improved the accuracy of the measurement data.The experimental results showed that the device can accurately and rapidly carry out energy spectrum analysis and radioactivity detection,with a high resolution of 1 024 channels,energy resolution of 8.06%(137Cs),and the peak drift of the 1.461 MeV energy spectrum of 40K is not more than 1 channel,and has the advantages of fast measurement speed,high detection accuracy,real-time positioning,etc.,which are need in the field of nuclear emergency response and nuclear radiation environmental protection.Therefore,the designed system has a wide range of application prospects in the field of nuclear emergency and nuclear radiation environmental protection.Keywords：radioactive geophysical survey;vehicle-mounted spectrum acquisition;multi-channel pulse amplitude analyzer;automatic passive spectrum stabilization 546