口袋式伽馬能譜儀研制

李鈺龍， 王忠海， 高 泰， 陳 琦， 趙倩儒， 董春輝， 周 榮， 楊朝文

(四川大學(xué)輻射物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065)

1 引 言

便攜式能譜儀在環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)[1]、放射性活度鑒定[2-3]、無(wú)損檢測(cè)[4-5]等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用. 傳統(tǒng)的伽馬譜儀可分為兩種：一種是基于獨(dú)立的探測(cè)器、電子學(xué)插件和PC機(jī)組成的傳統(tǒng)能譜測(cè)量?jī)x，它重量大、體積大，一般放置于實(shí)驗(yàn)室中使用；另一種是手持式能譜測(cè)量?jī)x，主要應(yīng)用于野外環(huán)保監(jiān)察和核設(shè)施設(shè)備巡查等. 但即使是手持式便攜能譜儀，其常規(guī)體積也相近于一臺(tái)投影儀，重約3～5 kg(例如CANBERRA InSpectorTM1000). 較大的體積和重量一定程度地影響了工作效率，限制了能譜儀的應(yīng)用范圍. 小體積、高性能、低功耗已經(jīng)成為便攜式譜儀的發(fā)展趨勢(shì). 劉毅等人[6]采用GAGG:Ce晶體耦合SiPM的方式，成功研制了一款小體積高分辨的伽馬相機(jī). 但由于其數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采用ADC+FPGA的框架，未能解決低成本、低功耗等問(wèn)題. 本文借鑒其GAGG:Ce閃爍晶體耦合SiPM的方式，同時(shí)利用最新的高性能ARM處理器平臺(tái)，設(shè)計(jì)一套信號(hào)采集處理電路，研制一套集成度更高、成本更低、體積更小以及功耗更低的口袋式能譜測(cè)量?jī)x.

2 晶體和探測(cè)器

2.1 閃爍晶體

近年來(lái)，高能物理、行李檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域發(fā)展迅速，其中作為探測(cè)器核心部分的閃爍晶體也有了眾多的研究成果. 高靈敏度、高光輸出、發(fā)光衰減時(shí)間短和高能量分辨率等特性是閃爍晶體的發(fā)展目標(biāo).Gd3(Al1-xGax)5O12:Ce(簡(jiǎn)寫(xiě)GAGG:Ce)是基于LuAG：Ge晶體進(jìn)行替代參雜Gd3+，Ga3+而生長(zhǎng)出的多組分石榴石閃爍晶體. GAGG:Ce屬于立方晶體，呈淡黃色，與其他晶體相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)：不易潮解，相比于NaI(Tl)，CsI(Na)等晶體長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好；不含Lu元素，沒(méi)有自身本底放射性，相比于LaBr3(Ce)，LSO等晶體更適合作為低劑量能譜儀的晶體材料[6]；密度大(6.63 g/cm3)，發(fā)光衰減時(shí)間短(<100 ns)，相比于其他晶體具有更高的探測(cè)效率[7-8]；不同濃度的Gd3+，Ga3+元素參雜比生長(zhǎng)出的晶體光產(chǎn)額差值較小，在對(duì)尺寸要求較大的領(lǐng)域，相比于其他晶體性能表現(xiàn)更加優(yōu)異，具有更大的應(yīng)用前景[9]. 本文選用日本C&A公司研制的High resolution型GAGG:Ce晶體，尺寸12 mm*12 mm*12 mm，晶體六面拋光，其中五面貼有反射膜層(圖1).

圖1 日本C&A公司研制的High resolution型GAGG:Ce晶體

2.2 SiPM硅光電倍增管

光電倍增管(PMT)是輻射探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的弱光探測(cè)器. 光電倍增管的電子倍增可以達(dá)到104～108倍[10]，具有高量子效率，高靈敏度與超快事件響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[11-13]. 但是PMT為真空器件，具有體積較大、需工作在高電壓下、光譜響應(yīng)范圍窄、探測(cè)效率受光陰極限制等缺點(diǎn)[14].這限制了便攜式能譜儀性能的進(jìn)一步提高. 上世紀(jì)九十年代，一種新型的光電探測(cè)器概念“硅光電倍增管(Siliconphotomultiplier, SiPM)”被提出[15]. SiPM具有體積小、探測(cè)效率高、增益高(105～106)、工作電壓低(20～70 V)[16]、單光子分辨能力強(qiáng)(2 ns)[17]、對(duì)磁場(chǎng)不敏感等特點(diǎn)[18]. 相比于傳統(tǒng)的PMT，SiPM更適合應(yīng)用于口袋式能譜儀. 目前SiPM器件已經(jīng)在輻射探測(cè)的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了成功實(shí)踐，例如：高能物理實(shí)驗(yàn)裝置[19]和核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備PET[20].

本文選用SensL公司生產(chǎn)的ARRAYJ-60035-4P-BGA像素型SiPM，像素面積為6.13 mm×6.13 mm，靈敏面積為6.07 mm×6.07 mm. 每個(gè)SiPM內(nèi)有22 292個(gè)微像素單元APD，用4個(gè)SiPM組成2×2的SiPM陣列，相鄰的兩個(gè)SiPM間隔0.2 mm，整個(gè)SiPM陣列的面積為12.46 mm×12.46 mm. 表1給出了SensL J-60035系列SiPM基本信息.

表1 SensL J-60035系列SiPM基本信息

3 信號(hào)處理電路

圖2為口袋式能譜儀的信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖. 探測(cè)器獲取的核信號(hào)經(jīng)模擬電路放大整形后，由ARM自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行信號(hào)采集. 采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊依次實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、波形平滑、峰值提取、能譜統(tǒng)計(jì)等處理后，將測(cè)得能譜存儲(chǔ)在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中. 測(cè)量時(shí)間由片內(nèi)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器(RTC)控制，數(shù)據(jù)交互模塊用于能譜儀與PC間的USB通信控制，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置與數(shù)據(jù)的讀出.

圖2 口袋式譜儀電子學(xué)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of pocket spectrometer

3.1 模擬電路設(shè)計(jì)

由于GAGG晶體光產(chǎn)額較大，且SiPM增益較高，使得前端探測(cè)器輸出電流較大，所以本文選擇將SiPM陣列的四路電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻端接到地的方式把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后由加法電路進(jìn)行求和放大輸出. 主放大器電路包含4個(gè)運(yùn)算放大器：第一個(gè)運(yùn)算放大器和最后一個(gè)運(yùn)算放大器只對(duì)輸入的脈沖波形進(jìn)行放大，以提高帶載能力和匹配ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍；中間兩個(gè)運(yùn)算放大器組合成兩個(gè)二階低通Sallen-Key濾波器，濾除高頻噪聲，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高斯成形. 電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示.

圖3 口袋式譜儀模擬電路設(shè)計(jì)Fig.3 Analog circuit design of pocket spectrometer

3.2 多道處理電路

ARM微處理器是英國(guó)Acorn公司設(shè)計(jì)的高性能RISC微處理器. 近年來(lái)，ARM微處理器技術(shù)在多道γ探測(cè)器領(lǐng)域有了一定的研究成果.黃凱等人[21]利用外接高速ADC的方法構(gòu)建了一個(gè)可多任務(wù)運(yùn)行的便攜式γ譜儀，但降低了系統(tǒng)的集成度與穩(wěn)定性. 解洪亮等人[22]研制的γ譜儀則利用ARM本身自帶的ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，但是譜儀的整體性能受到采樣率的限制. 為了解決以上問(wèn)題，本文選用ARM產(chǎn)品最新的低功耗系列STM32L4R5ZI作為核心處理器，設(shè)計(jì)了由ARM內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、比較器(COMP)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)組成的多道數(shù)據(jù)處理模塊. 主放大電路的輸出信號(hào)被分成兩個(gè)通道送入ADC端口與COMP端口，COMP的比較電壓由DAC提供. 當(dāng)COMP檢測(cè)到有效信號(hào)的上升沿時(shí)，觸發(fā)內(nèi)部中斷，提示數(shù)據(jù)處理模塊讀取ADC采樣數(shù)據(jù)，接著等待下一次的COMP中斷觸發(fā). 通過(guò)該解決方案，處理器可以準(zhǔn)確地甄別出有效信號(hào)，篩選掉無(wú)效的基線數(shù)據(jù)，節(jié)省CPU消耗，極大地提高系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率，增加系統(tǒng)的集成度與穩(wěn)定性.

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

口袋式能譜儀的最大的特點(diǎn)在于其具有良好便攜性，而便攜性設(shè)備的一個(gè)非常重要的問(wèn)題就是供電問(wèn)題. 為了提高系統(tǒng)便攜性與可擴(kuò)展能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于單顆鋰電池的電源驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示. 鋰電池輸出通過(guò)線性電源降壓為3.3 V為ARM供電，通過(guò)電荷泵升壓到5 V為放大器供電；通過(guò)開(kāi)關(guān)電源升壓和線性電源穩(wěn)壓后給SiPM供電，同時(shí)根據(jù)溫度傳感器返回?cái)?shù)據(jù)，采用數(shù)字電位器對(duì)SiPM供電偏壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫度修正.

圖4 電源方案框圖Fig.4 Power supply scheme block diagram

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試模型如圖5所示，為了提供穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境，譜儀的所有性能測(cè)試均在封閉的暗箱中進(jìn)行，室內(nèi)環(huán)境溫度在16± 0.2 ℃，SiPM的工作電壓為29.5 V，放射源置于晶體前端1 cm處. 晶體由ESR鏡面反射膜包裹，出光面通過(guò)光學(xué)硅脂與SiPM耦合. 暗箱上留有USB接口，可保證PC與譜儀的數(shù)據(jù)通信.

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試模型圖Fig.5 Experimental test model diagram

4.1 電子學(xué)實(shí)物

圖6展示了口袋式能譜儀電子學(xué)部分的實(shí)物圖. 前端電路部分包括SiPM陣列與前端放大電路，電路板尺寸30 mm×30 mm；后端電路部分包括主放大電路、ARM處理器核心電路與電源管理電路，電路尺寸70 mm×30 mm. 所有的電子元器件均采用低功耗系列元器件，保證了功耗的最優(yōu)化.

圖6 口袋式能譜儀電子學(xué)實(shí)物圖

4.2 功 耗

口袋式能譜測(cè)量?jī)x采用3.7 V鋰電池供電，電池容量3 400 mAh. 譜儀的工作電流為130 mA，功率為481 mW，可連續(xù)工作26 h.

4.3 能譜性能測(cè)試

為了確定系統(tǒng)能譜性能，使用口袋式能譜儀樣機(jī)對(duì)常見(jiàn)放射源進(jìn)行了能譜測(cè)量，包括241Am，57Co，133Ba，137Cs，54Mn，60Co放射源. 不同放射源全能峰峰位如表2所示. 所有的測(cè)試都是在暗箱中進(jìn)行，單個(gè)能譜測(cè)量時(shí)間為300 s. 通過(guò)對(duì)7個(gè)能量點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，口袋式能譜儀在60～1 332 keV能量區(qū)間的線性擬合優(yōu)度R2=0.996，能量線性曲線如圖7所示.

表2 性能測(cè)試使用的放射源信息

圖7 口袋式能譜儀能量響應(yīng)線性曲線

根據(jù)圖7的能量響應(yīng)線性曲線對(duì)口袋式能譜儀樣機(jī)完成能譜刻度. 圖8給出了能量刻度后的137Cs能譜. 通過(guò)對(duì)137Cs全能峰進(jìn)行高斯擬合，計(jì)算得到662 keV時(shí)的能量分辨率為5.2%.

圖8 口袋式能譜儀測(cè)量的137Cs能譜

本文采用SiPM耦合GAGG:Ce閃爍晶體的方式，以ARM作為系統(tǒng)核心處理器，利用其內(nèi)部集成的ADC和COMP等外設(shè)，成功研制了一款低成本、小體積、低功耗、高性能的口袋式能譜測(cè)量?jī)x. 經(jīng)過(guò)測(cè)試，該口袋式譜儀具有良好的能量線性響應(yīng)和較好的能量分辨率. 該儀器可應(yīng)用于野外測(cè)量，核設(shè)施設(shè)備巡查，個(gè)人劑量測(cè)量以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域. 在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)器設(shè)計(jì)，改進(jìn)電路噪聲，提高系統(tǒng)性能.