可现场GPS定位的手持式γ能谱仪的设计

　　0　引言

　　γ能谱仪广泛应用于环境辐射检测、卫生防疫、进出口商检、地质普查、放射医疗、建材石油化工等领域[1]。有些应用领域需要方便快捷地进行现场工作,而传统的γ能谱仪日渐不能满足人们现场方便快捷及高灵敏度γ能谱测量工作的要求。本文针对现场γ能谱测量需要便携式、低功耗、高稳定性等应用要求,设计了一款可现场GPS定位的高灵敏度手持式γ能谱仪。

　　1　设计方案

　　现场γ能谱仪总体硬件设计方案如图1所示。它以NaI(Tl)闪烁体为探测元件,以片上系统微处理器C8051F340为控制核心,结合相应的外围电路实现γ射线的能谱测量。其工作原理是γ射线照射NaI(Tl)闪烁体探测器,使其发光,产生的光通过光导传递到光电倍增管,由光电倍增管转换成电信号,并将这个电信号放大输出到信号调理电路;信号调理电路把这个电信号调理成一定时间宽度和一定幅度的脉冲并输出给后续电路;后续电路对这个脉冲信号信息进行记录。脉冲的数量反映了γ射线粒子数,而脉冲幅度反映了不同放射性物质的特性。因此,可以通过脉冲幅度的分布情况来获取不同放射性物质的含量以及辐射剂量率。计算机软件提供了数据详细分析、存储及仪器详细参数设置等功能。

　　图1　系统组成框图

　　Fig. 1　The system composition

　　2　探测器

　　目前,作γ能谱测量的探测器主要有Ge(Li)半导体探测器、NaI(Tl)闪烁体探测器、溴化镧(LaBr3: Ce)闪烁体探测器等。虽然Ge(Li)半导体探测器能量分辨率高,但由于其需要在低温状态下使用,同时价格昂贵[2-3],因此,不适合野外便携式仪器使用。溴化镧晶体存在固有放射性核素138La和227Ac,1 468 keV干扰峰会影响40K的识别[4],虽然在较高能量段有好的能量分辨率,但100 keV以下低能段的能量分辨性能较差。而NaI(Tl)闪烁体闪烁时发出的光子数与入射γ射线能量有良好的线性关系,具有较高的能量分辨率,因此,非常适用于现场γ能谱测量。γ射线的探测灵敏度与NaI(Tl)闪烁体的大小密切相关。为了使系统具有足够的测量灵敏度,可缩短每次测量时间;同时,为了符合国家相关标准对闪烁体尺寸的要求,通过调研,选用Φ75mm×75mm大小的NaI(Tl)闪烁体作为γ射线探测器。在进行结构设计时,将其外层包裹一层保温材料,从而降低NaI(Tl)晶体受环境温度变化的影响程度。

　　3　电路设计

　　3. 1　信号调理电路

　　信号调理电路包括前置放大器和主放大器两部分,主要功能是对光电倍增管输出的信号进行放大调理。由于光电倍增管信号输出幅度较大,因此,前置放大器在信号调理电路中主要起阻抗匹配以及信号整形作用。由于探测器输出信号计数率高,因此,在信号调理电路中主要考虑的问题是防止信号重叠和信号拖尾现象而引起信号的失真,从而影响能谱测量的能量分辨率。一般采用极零相消电路来消除信号拖尾而引起的失真[5-6]。光电倍增管输出信号边沿特性与闪烁体性能和信号输出成型电路有关,闪烁体的余辉会增加光电倍增管输出信号的下降时间。根据实测数据,与NaI(Tl)闪烁体配合的光电倍增管的输出信号通过输出成型电路后,具有上升沿较快、下降沿较缓以及计数率较高的特点。为了防止前后信号脉冲的干扰,同时考虑弹道亏损对γ能谱测量的影响,一般通过调理电路使脉冲信号顶端较为平缓(调理后的信号一般保持几十微秒宽度为宜)。主放大器主要实现对信号幅度线性不失真的放大展宽。前置放大电路如图2所示。