基于發(fā)光二極管的穩(wěn)譜技術(shù)研究

謝思亞，王國寶，田星皓，劉 超

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀在放射性測量中以較高的發(fā)光效率、良好的能量線性和高探測效率等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀易受溫度影響，在使用環(huán)境惡劣、溫度變化范圍大的情況下，會(huì)造成能譜的漂移[1-2]，使核素識(shí)別難度增加。因此，對(duì)NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀進(jìn)行穩(wěn)譜十分必要。目前國內(nèi)外主要穩(wěn)譜技術(shù)有γ參考源穩(wěn)譜[3]、α參考源穩(wěn)譜[4]、軟件穩(wěn)譜[5]及增加恒溫裝置[6]等。相較于這些穩(wěn)譜方法， LED穩(wěn)譜方法成本低、安全可靠，不會(huì)給環(huán)境、運(yùn)輸和使用帶來隱患。還可根據(jù)需要調(diào)節(jié)LED參考峰能量使之穩(wěn)定在合適的位置，不但中低能量時(shí)可以采用，還可用于高能量測量，從而拓寬了NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀的應(yīng)用場合。此外，LED參考峰干凈，不會(huì)像γ參考源穩(wěn)譜有Compton散射影響低能段的被測信息[7]。

基于LED的穩(wěn)譜技術(shù)，國外在二十世紀(jì)末已開展相關(guān)研究[8,10]，并在少數(shù)測量儀器上得到了實(shí)際的應(yīng)用，取得較好效果。如：identiFINDER-2型手持式核素識(shí)別儀[9]，CANBERRA公司和Saint-Gobain公司已可提供成熟的內(nèi)置LED的NaI(Tl)探測器。在國內(nèi)，海軍核化安全研究所李洋等[7]初步實(shí)現(xiàn)LED脈沖恒流供電，分析出恒流脈沖驅(qū)動(dòng)LED用于穩(wěn)譜可行；上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)卞治權(quán)[11]采用SMT32作為LED驅(qū)動(dòng)，并且使用算法進(jìn)行控制；南華大學(xué)文群等[12]使用精密脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)各種顏色的LED光源，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED與光電倍增管匹配效果較好; 曾菱等[13]在閃爍能譜儀中作為參考光源使用的藍(lán)光二極管。但目前國內(nèi)對(duì)于LED穩(wěn)譜技術(shù)的應(yīng)用都是基于進(jìn)口的內(nèi)置LED的NaI(Tl)探測器，而有關(guān)自主搭建LED穩(wěn)譜系統(tǒng)的文章中，并未給出具體核素識(shí)別結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)，實(shí)際上未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。因此，自主搭建基于LED的穩(wěn)譜系統(tǒng)，進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)并擬合曲線，進(jìn)行深入研究非常必要。

本研究自主搭建基于藍(lán)光LED的穩(wěn)譜系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比-25 ℃～+55 ℃溫度范圍下穩(wěn)譜前與穩(wěn)譜后不同放射源(241Am、137Cs、60Co、133Ba、152Eu)的峰位漂移量，查看穩(wěn)譜效果。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 LED穩(wěn)譜原理

NaI(Tl)閃爍體的發(fā)光效率受溫度影響是NaI(Tl)譜漂移的重要因素。在不同溫度下，NaI(Tl)閃爍體的發(fā)光效率發(fā)生變化，則意味著同樣能量的γ射線進(jìn)入閃爍體中，閃爍體光產(chǎn)額要發(fā)生變化，其結(jié)果是輸出電壓脈沖幅度不同，造成譜的漂移。此外，譜儀系統(tǒng)中高壓電源電流、光電倍增管、放大器的放大倍數(shù)等都會(huì)隨溫度發(fā)生變化，能譜的漂移導(dǎo)致能譜解析困難和強(qiáng)度測量誤差[9]。

LED的穩(wěn)譜方法屬于參考源穩(wěn)譜的一種，該方法是在NaI(Tl)閃爍體中靠近光電倍增管的一端內(nèi)嵌一個(gè)藍(lán)色氮化鎵基發(fā)光二極管(LED)，當(dāng)LED發(fā)出的光經(jīng)過光電倍增管、放大濾波電路及多道分析器后，產(chǎn)生一個(gè)參考峰，用于穩(wěn)譜。需要給LED設(shè)計(jì)一種脈沖驅(qū)動(dòng)電路，通過程序控制實(shí)現(xiàn)脈沖頻率、幅度、占空比均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)獲得LED輸出的參考峰位、放射源峰位與溫度變化關(guān)系，擬合出溫度變化曲線，再結(jié)合軟件方式進(jìn)行參數(shù)校正，最終達(dá)到穩(wěn)定γ能譜的目的。圖1所示為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System design block diagram

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

利用LED穩(wěn)譜的關(guān)鍵是獲得穩(wěn)定的LED光脈沖，LED的驅(qū)動(dòng)方式有兩種：恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)?？紤]到恒壓驅(qū)動(dòng)受溫度影響很大，因此實(shí)驗(yàn)中采用的是基于SD42511芯片的恒流驅(qū)動(dòng)方式。在本實(shí)驗(yàn)中，利用SD42511芯片設(shè)計(jì)了圖2所示的應(yīng)用電路圖。輸入一個(gè)5 V的脈沖方波信號(hào)，其脈沖寬度和脈沖頻率可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出恒定電流，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，經(jīng)過調(diào)節(jié)脈沖寬度和脈沖頻率，使得LED峰位穩(wěn)定在能譜合適的位置。

圖2 電流模式的LED驅(qū)動(dòng)器Fig.2 LED driver in current mode

通過恒流驅(qū)動(dòng)器可使LED穩(wěn)定發(fā)光，將LED嵌入到NaI(Tl)晶體中，LED發(fā)出的光經(jīng)過光電倍增管、放大濾波電路及多道后，室溫下在計(jì)算機(jī)上獲得參考峰如圖3所示，能量分辨率為2.89%。

圖3 室溫恒流驅(qū)動(dòng)下的LED參考峰Fig.3 LED reference peak under constant current drive at room temperature

同時(shí)測量LED與放射源(241Am、137Cs、60Co)能譜，獲得圖4所示能譜圖，表明此時(shí)LED參考峰位置和高度滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求。

圖4 0 ℃時(shí)LED與放射源(241Am、137Cs、60Co)能譜圖Fig.4 Energy spectrum of LED and radiation source (241Am、137Cs、60Co) at 0 ℃

2 溫度實(shí)驗(yàn)與曲線擬合

2.1 溫度實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中使用TEMAK公司TMJ-9712ESS718型高低溫實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行高低溫實(shí)驗(yàn)。將探測器(NaI(Tl)閃爍體、LED、光電倍增管)放入高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，同時(shí)，將放射源(241Am、137Cs、60Co)放在高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)探測器附近，在-25 ℃～+55 ℃溫度范圍，每隔5 ℃，待熱交換平衡后，記錄LED參考峰位及放射源峰位，每個(gè)溫度點(diǎn)記錄10個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)溫度點(diǎn)的10個(gè)數(shù)據(jù)變化小于±1道，取平均值，得到了圖5所示的LED參考峰位隨溫度變化曲線以及圖6所示的放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位隨溫度變化曲線。

圖5 LED參考峰位隨溫度變化曲線Fig.5 LED reference peak position as a function of temperature

可以看出，在-25 ℃～+25 ℃溫度范圍內(nèi)LED峰位變化較少，但呈線性，溫度繼續(xù)升高，峰位變化明顯，也基本呈線性，依據(jù)這種情況，可進(jìn)行分段擬合。

圖6 放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位隨溫度變化曲線Fig.6 Curve of peak position of radioactive source (241Am, 137Cs, 60Co) as a function of temperature

2.2 曲線擬合

在Origin軟件中，利用分段線性擬合方式擬合LED參考峰隨溫度變化曲線，之后采用非線性曲線擬合方式擬合出LED參考峰位與放射源(241Am、137Cs、60Co)各峰位的修正關(guān)系曲線，依據(jù)修正關(guān)系曲線進(jìn)行穩(wěn)譜。公式如下：Ey=a*E2+b*E+c，其中E代表修正前放射源峰位，Ey代表修正后放射源峰位， a、b、c為與LED峰位有關(guān)的參數(shù)。

3 穩(wěn)譜測試

利用Origin完成曲線擬合后，利用Matlab進(jìn)行理論修正，發(fā)現(xiàn)在-25 ℃～+55 ℃溫度范圍內(nèi)，實(shí)測放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位經(jīng)過修正關(guān)系曲線的修正后，得到的結(jié)果與理論值(241Am(59 keV)、137Cs(661 keV)、60Co(1 173 keV、1 332 keV))相差在±5%以內(nèi)，穩(wěn)譜效果明顯，結(jié)果如圖7所示。

圖7 穩(wěn)譜后放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位隨溫度變化曲線Fig.7 Variation curve of peak position of radiation source(241Am、137Cs、60Co) with temperature after spectrum stabilization

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得修正關(guān)系曲線的準(zhǔn)確性，對(duì)133Ba及152Eu兩種放射源在-20 ℃、20 ℃及+40 ℃溫度條件下測量能譜，獲得了穩(wěn)譜前和穩(wěn)譜后兩種放射源的峰位信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖8、圖9。

圖8 穩(wěn)譜前放射源(133Ba、152Eu)各峰位隨溫度變化曲線Fig.8 Variation curve of each peak position of the radiation source (133Ba、152Eu) with temperature before temperature stabilization

圖9 穩(wěn)譜后放射源(133Ba、152Eu)各峰位隨溫度變化曲線Fig.9 Variation curve of each peak position of the radiation source(133Ba、152Eu) with temperature after spectrum stabilization

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后可得，穩(wěn)譜前133Ba、152Eu各峰位在-20 ℃、+20 ℃、+40 ℃的漂移量部分超過10%；穩(wěn)譜后133Ba、152Eu各峰位在-20 ℃、+20 ℃、+40 ℃的漂移量均在±5%以內(nèi)。通常，核素識(shí)別過程中，若峰位漂移量在±5%以內(nèi)，核素可以被較好識(shí)別。因此，在-25 ℃～+55 ℃溫度范圍內(nèi)利用LED進(jìn)行穩(wěn)譜可行。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于LED的γ射線譜儀穩(wěn)譜技術(shù)，成功自主搭建了LED穩(wěn)譜系統(tǒng)，通過LED發(fā)光在能譜中產(chǎn)生參考峰進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定能譜的目的，初步實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的國產(chǎn)化。證明基于LED的穩(wěn)譜方式具有安全可靠、可拓寬γ射線譜儀應(yīng)用場合等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測試表明，穩(wěn)譜前，溫度在較大范圍內(nèi)變化時(shí)不同放射源能譜峰位都有較大程度的漂移，部分溫度下漂移量超過10%；穩(wěn)譜后，該技術(shù)將寬溫度范圍內(nèi)放射源能譜峰位漂移量降低到±5%以內(nèi)，與國外同類產(chǎn)品相比，可達(dá)到基本相同的使用效果，可滿足在實(shí)際應(yīng)用中的需要，實(shí)現(xiàn)了溫度在較大范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)γ射線譜儀進(jìn)行有效穩(wěn)譜。