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杨 松 张晓泉 邓长明 张艳婷 许 非 关玲玲 段少强
（中国辐射防护研究院 太原 030006）
目前，传统的便携式辐射测量仪一般为单台专用设备，根据被测对象的放射性类型选择合适的探测器及后端处理电路，研制出相应的辐射探测仪来满足特定辐射场下辐射测量的需求［1-2］。随着核科学技术的不断发展，在核辐射探测领域也加快了研发步伐。新的探测材料，新的技术，使得核辐射探测器在小型化、量程、效率、灵敏度、可靠性方面都得到了提升，其中便携式多功能辐射检测仪成为研发热点之一。然而便携式一体化辐射测量仪要满足在混合辐射场下γ核素的快速识别、η-γ甄别、低能X射线的同时测量，对检测仪的设计提出了更高的要求。LaBr3（Ce）晶体由于其高能量分辨率的优势而广泛应用于核素识别［3］，硅酸锂铝（Lithium Aluminum Silicate Oxygen，LASO）型中子探测器具有非常好的η-γ甄别能力，在探测一定范围能量的中子是反应能为一固定值，因此形成的的脉冲幅度也是固定值，用脉冲幅度甄别可以实现η-γ混合场的测量［4-5］，ZP1301型盖革-米勒（Geiger-Muller，GM）管计数器具有高辐射场下的测量优势。由此，本文针对不同辐射场测量的需求［6-7］，设计一款集∅38 mm×高38 mm的LaBr3（Ce）晶体、ZP1301型盖革-米勒管计数器、LASO型中子探测器多个探头为一体的便携式辐射测量仪，针对不同探测器输出的核脉冲幅度特征设计相对应的高压及信号处理电路，对于能谱识别采用美国ORTEC公司数字一体化多道进行高速采集与数字化处理。最后，将前端处理的数字信号传入到ARM（Advanced RISC Machine）控制器上进行分时采集、显示、上传等功能。
图1为多功能辐射检测仪总体结构图。主要包括：探测器单元、信号处理系统、控制系统等部分。该检测仪可同时测量周围X、γ、n辐射水平，并具有核素识别的功能。检测仪总体设计具有宽量程、精度高、智能化、便携式等特点，整体外观实物图见图2。
2.1 GM计数管信号处理电路设计
GM计数管相比闪烁体和半导体探测器，具有输出信号幅度大、前置信号处理电路简单、环境适应性强、体积小等特性，在便携式核仪表中广泛被应用，其信号处理电路包含前置信号处理电路和信号成形电路［8］，R1为计数管的阳极限流电阻，推荐为MΩ级，R2为计数管阴极取样电阻，初始信号从计数管与阴极电阻之间输出，经过电容C1耦合，电阻R3为输出脉冲时间常数调节电阻，经RC电路输出脉宽不会太大，适应了高计数率，输出的脉冲幅度也不至于太小。然后经过Q2三极管和U1施密特触发器SN74LVC1G14组成的单稳成形电路，输出合适的方波，以接入到ARM控制器的外部计数端进行数据采集。图2为GM计数管信号处理电路。
图2 GM计数管信号处理电路Fig.2 Signal processing circuit for GM counter
2.2 LaBr3探测器倍压电路设计
本检测仪表设计的低剂量和能谱测量采用的是LaBr3+CR332光电倍增管作为探测单元，通过专用的14P管座及分压组件连接到数字多道上。根据CR332光电管各倍增级的不同电压，且需要高电压、小电流，故设计了倍压整流电路［9］。本倍压整流电路采用耐压较高的整流二极管和电容器，把较低的交流电压整出较高的直流电压，通过多级倍压后分别分配到光电倍增管不同的倍增级上。由于本检测仪所选的GM计数管工作电压在400～500 V之间，所以GM计数管的工作电压也由此倍压电路提供。
2.3 中子探测器后端处理电路设计
本文的中子探测器采用的是LASO型中子探测器，主要成分钾冰晶石［10］，外形尺寸∅22 mm×20 mm，灵敏体积1 000 mm3，对中子和γ都有响应，输出幅度大、噪声低。采用29 V电源模块供电，正常工作功耗低于5 mW，后端处理电路设计如图3所示，电路设计先用了一个比较器LMV7235M5X和一个稳态触发器CD4528及若干个电容、电阻等器件。主要分两级：第一级比较电路，第二级脉冲整形电路。第一级采用的电压比较器，主要是将噪声信号以及γ信号滤掉，对中子信号进行放大，通过反向输入端设置门槛电平。第二级采用的单稳态触发器CD4528，起脉冲整形的作用，可输出规则的方波信号，通过选择不同的R37和C27可以决定脉冲的宽度。
图3 中子探测器后端处理电路设计Fig.3 Design of back-end processing circuit of neutron detector
钾冰晶石探测器对于中子和γ射线作用，分别输出脉冲信号的幅度有比较大的差异。实验采用多道分析器分别测量252Cf、137Cs、60Co的响应能谱，如图4所示，可以看到，252Cf-n峰位在1 700道左右，其对应的幅度脉冲约为477 mV，而对于137Cs-γ和60Co-γ的响应绝大部分小于1 200道，其对应的幅度脉冲小于330 mV。这样，当设置门槛电平阈值大于330 mV时，就能滤除掉γ对探测器的响应，但阈值过大又会滤除掉有效的中子信号，所以设置阈值的上限不大于400 mV。当门槛电平阈值的设置在330～400 mV之间，探测器对中子的测量结果没有影响。
图4 探测器对中子、137Cs-γ、60Co-γ的响应能谱Fig.4 Response spectra of detector to neutrons,137Cs-γ,60Co-γ
2.4 主控制系统设计
2.4.1 硬件设计
主控制系统设计采用的STM32F103C8T6为核心模块，32位Cortex的ARM微控制器，成本低、性能强，有多个IO（Input/Output）端口可供使用，3个16位定时器，2个I2C（Inter-Integrated Circuit）接口，3个USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，2个SPI（Serial Perripheral Interface）同步串行接口，一个USB2.0通信接口。主控制器主要实现对探测到的信号进行采集处理、对数字多道进行能谱采集、OLCD（Organic Light-Emitting Diode）显示、按键输入、数据存储、数据上传等功能。硬件最小系统控制电路如图5所示，经处理后γ和中子信号分别接入PA1和PB6端口作为定时计数，外接按键芯片采用模拟I2C控制，OLED液晶采用模拟SPI控制，能谱数据采用USART串口与多道通讯，数据存储采用2 M×8 bit的FLASH芯片通过硬件SPI控制，与上位机采用USB通讯，处理器的IO端口通过输出功能控制蜂鸣器、LED灯来实现声光报警，IO的输入功能可检测电池是否电压，此外还有外部晶振8 MHz和32.768 kHz设计。
图5 最小系统控制电路Fig.5 Minimum system control circuit
2.4.2 软件设计
软件设计是在Keil5 MDK上用C语言完成的，程序主要包括：低功耗模式配置、OLED显示初始化、USART串口传输配置、外部按键中断、定时器中断、剂量率拟合及突变算法、低能X射线能量补偿算法等。首先，执行系统初始化，读取Flash中的配置参数；
然后仪器进入低功耗模式等待开机唤醒，低功耗模式配置成待机模式，此时模式系统会关闭所有的时钟以及外设，电流可降低超400 mA。开机后仪表进入主界面显示，开始X、γ数据采集，对ARM处理器采集的X、γ脉冲数据进行平滑和突变算法处理，然后在不同剂量下进行多点拟合得出剂量率。对于低能X射线采用能谱法进行能量补偿，根据特征峰信息可以把能谱数据的低能区分成若干段，每一区间对应一个能量补偿因子［11］。程序定时扫描是否有外部按键中断，当有按键指令后会进入不同的功能界面，包括中子剂量率测量、核素识别、参数设置、上位机通信等。中子剂量率测量是根据不同的中子剂量场下仪器得到的计数率转换成剂量率所得，软件内部编写了对应的刻度公式。核素识别部分采用的是ORTEC提供的函数库，可直接调用其库函数实现，其中稳谱部分采用软件稳谱方法，利用K峰（1.46 MeV）的特征峰进行实时寻峰，在探测器放大增益固定的情况下，通过调整LaBr3探测器的高压值，将K40峰位调整到固定的道址，从而实现稳峰的目的。参数设置主要是对仪表的报警阈值、刻度因子、测量周期等进行修改，最后多功能便携式仪表预留了USB通信接口，可以根据上位机指令上传相应的数据。软件设计流程图如图6所示。
图6 软件设计流程图Fig.6 Software design flow chart
本仪表根据不同的探测器进行辐射测量，通过切换不同的测量界面实现X、γ、中子剂量率的测量以及放射性核素的识别。在混合场下，仪表开机默认进入X、γ剂量率的自动测量界面，并实时更新X、γ剂量率的测量数据。通过按键设置切换到中子剂量率测量界面，中子探测器开始工作，并自动对混合场中的中子剂量率进行测量。对于可疑放射源进行核素识别时，仪表开机进入主界面需远离放射源，然后按键切换到核素识别界面，点击“采集”按钮开始测量，默认采集时间60 s，待数据采集完毕，仪表自动进行核素识别并显示识别结果。
3.1 剂量当量率测量
本次仪表放射性实验在国防科技工业电离辐射一级计量站进行，仪器本底γ计数平均值0.162 μSv·h-1，经在参考辐射源137Cs、60Co源下测试，仪表的γ剂量当量率相对固有误差≤±20%，满足便携式X、γ辐射周围剂量当量（率）仪检定规程［12］。表1为γ剂量当量率相对固有误测试结果，测量范围涵盖10-1～107μSv·h-18个数量级的宽量程。GM计数管在该便携式仪表中实现高量程剂量率的测量，当γ剂量率大于100 μSv·h-1时，硬件后会自动切换成GM计数管测量。本仪表采用的GM的剂量率测量范围可达102～107μSv·h-1。
仪表中所用的中子探测器，在本底环境下中子剂量率测量值为0.1 μSv·h-1，测量范围可达0.1～100 mSv·h-1，相对于252Cf源其灵敏度≥5 μSv·h-1，采用Am-Be和252Cf中子源进行测试，测量结果如表2所示，相对固有误差≤±15%，满足中子周围剂量当量（率）仪检定规程［13］。
表2 中子剂量当量率相对固有误差测试结果Table 2 Test results of relative intrinsic error of neutron dose equivalent rate
3.2 X、γ射线能量响应测量
对于仪表的能量范围要求满足48 keV～3 MeV，针对LaBr3探测器和GM探测器的能量响应是否满足国标要求，LaBr3探测器分别在特征能量为48 keV、60 keV、87 keV、149 keV、211 keV的X射线和137Cs、60Co标准辐射场下测试，能量响应测试结果如表3所示。
通过表3的测试结果来看，采用能谱法进行低能X射线能量补偿的方法，实现了在48 keV～1.25 MeV能量范围内的准确测量，能量响应误差≤±15%。对于经能量补偿的GM探测器，能量响应实验分别在特征能量为48 keV、65 keV、83 keV、100 keV、118 keV、164 keV、250 keV的X射 线和137Cs、60Co标准辐射场下测试，能量响应测试结果如表4所示。
表3 LaBr3探测器能量响应测试结果Table 3 Test results of LaBr3detector energy response
通过表4的测试结果看，经物理补偿后的GM探测器，实现了在48 keV～1.25 MeV能量范围内的较准确地测量，能量响应误差≤±30%。
表4 GM管能量响应测试结果Table 4 Test results of GM detector energy response
3.3 能量分辨率
能量分辨率是表征核辐射探测器分辨相近能量γ峰的本领，是探测器的一项重要指标。本文设计的便携式多功能辐射检测仪基于LaBr3探测器具有较高的核素识别能力，仪表将原始的能谱数据通过USB上传到上位机软件进行计算分析。实验将137Cs标准点源（活性区≤∅3 mm）置于距探测器中心垂直距离10 cm处，为了保证测量的准确性，137Cs全能峰总计数大于104，通过测试分析LaBr3探测器对于137Cs的662 keV射线的能量分辨率可达2.8%，远远优于NaI（Tl）探测器的7%～8%的分辨率，能量分辨率测试如图7所示。
图7 能量分辨率测试Fig.7 Energy resolution test
3.4 环境适应性、电磁兼容以及可靠性试验
便携式多功能辐射测量仪在设计完成后，对环境适应性、电磁兼容、可靠性进行了试验［14］。环境适应性及可靠性试验在苏试试验北京实验室进行，电磁兼容试验在北京东方计量测试研究所进行。环境试验中对仪表的低温、高温、恒定湿热、低气压进行了试验，其中温度在-20～45℃范围，相对湿度93%，气压在常压0.5 kPa范围，仪表的外观和结构以及基本性能均正常。在外部辐射场的耦合形成干扰信号的条件下，对本设计的检测仪没有产生敏感现象，指示灯显示及功能状态正常，图8是电磁兼容现场实验图。可靠性试验总时长为100 h，试验中检测仪未发生故障，测量数据正常。
图8 电磁兼容实验Fig.8 Electromagnetic compatibility experiment
本文设计的便携式多功能辐射检测仪基于多种探测器为一体，设计相应的硬件电路及软件程序，整体设计紧凑，具备搜索、检测、报警、数据上传等功能。通过对其主要性能进行测试，具有较好的抗干扰能力，工作稳定，实现了X、γ、中子剂量当量率的准确测量以及高分辨率的核素识别。可应用到放射性混合场下快速、准确地判别放射性核素种类及辐射强度要求，为环境辐射监测、核反恐安检、辐射源清理和其他核技术应用领域提供理想的检测手段。
本文设计的LASO中子探测器具有优异的性能参数，但由于整机结构的限制，只考虑该探测器作为中子剂量率测量使用，后续可对中子能谱的测量做进一步地研究，另外该便携式仪表对γ剂量率具有宽量程的测量，但对GM管的能量响应偏差较大，后续可通过实验修正的方式提高其测量的精度。
作者贡献声明杨松：负责文章的起草、收集文献以及整体方案设计；
张晓泉：负责研究的提出和设计；
邓长明：负责技术指导并对文章的知识性内容作批评性审阅；
张艳婷：负责硬件研制；
许非：负责文献收集和校对；
关玲玲：负责软件开发；
段少强：负责实验测试。
