孫肖南，孫 陶

(核工業(yè)航測遙感中心，石家莊 050002)

0 引言

在航空放射性地球物理探測技術(shù)領(lǐng)域中，我國航空伽瑪射線能譜測量技術(shù)經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，從當初的只能進行4道(鉀，鈾，釷，總道)模擬能譜窗數(shù)據(jù)測量，逐步發(fā)展到具有放射性能譜256道數(shù)字化測量技術(shù)的先進水平，當前更是達到了具有國際先進水平的航空放射性1024道能譜分析測量的新高度[1]。但是，目前我國航空伽瑪能譜1024道測量儀器主要來自于進口，設(shè)備的核心部件“多道能譜分析器”更需要從國外引進，不掌握核心技術(shù)。針對這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計研究了1024道航空放射性伽瑪能譜測量儀器制作技術(shù)，掌握了航空放射性伽瑪能譜儀器1024道能譜分析的技術(shù)核心。

航空放射性伽瑪能譜測量主要是利用晶體探測器接收放射性元素發(fā)出的伽瑪射線粒子，對伽瑪能譜射線產(chǎn)生的電信號進行提取分析脈沖計數(shù)得到測量數(shù)據(jù)結(jié)果。航空放射性1024道伽瑪能譜儀器設(shè)計主要包括：伽瑪射線數(shù)據(jù)采集、能譜脈沖信號數(shù)字化分析處理，放射性全譜數(shù)據(jù)圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲，具體為：將自然界中放射性元素發(fā)出的0～3 MeV能量的伽瑪能譜射線[2]進行數(shù)據(jù)采集并進行快速數(shù)字化分析處理，伽瑪能譜數(shù)據(jù)分別對應累加記錄到0～1023道的數(shù)據(jù)存儲位置上，監(jiān)測顯示的主要放射性元素伽瑪射線能譜為：鉀道設(shè)置：457～523道(1370～1570 keV)，鈾道設(shè)置：553～620道(1660～1860 keV)，釷道設(shè)置：803～937道(2410～2810 keV)[3]。

設(shè)計內(nèi)容主要為：1)放射性1024道能譜儀器的硬件電路設(shè)計：包括光電倍增管高壓調(diào)整電路、脈沖信號放大電路、高速A/D數(shù)據(jù)采集電路、FPGA功能模塊電路、以及1024道能譜數(shù)據(jù)輸出電路；2)放射性1024道能譜分析功能的FPGA硬件程序設(shè)計：具體包括對伽瑪射線能譜信號進行高速數(shù)據(jù)采集，信號脈沖幅度的快速識別、信號脈沖基線檢查、信號脈沖堆積的識別和處理、宇宙射線的識別，能譜射線脈沖實時分析累加；3)放射性1024道全譜數(shù)據(jù)和放射性元素能譜窗數(shù)據(jù)的實時圖形顯示和原始數(shù)據(jù)記錄。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 方案設(shè)計

自然界中天然放射性物質(zhì)的原子核放射出的伽瑪射線能量都在3 MeV以下，超過3 MeV能量的伽瑪射線都為來自外太空的高能粒子。因此1024道能譜數(shù)據(jù)對應的伽瑪射線能量為0～3.07 MeV，3KeV/道，超過3.07 MeV能量的伽瑪射線粒子計為宇宙射線。設(shè)計內(nèi)容主要為：伽瑪能譜射線采集，光電信號轉(zhuǎn)換，電脈沖信號放大，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，能譜脈沖數(shù)據(jù)分析處理，全譜數(shù)據(jù)串口傳輸，放射性能譜1024道全譜數(shù)據(jù)實時記錄和圖形窗口顯示。

放射性1024道伽瑪能譜儀器設(shè)計主要包括：1)NaI(Tl)晶體和光電倍增管電路；2)脈沖信號放大電路；3)高速A/D數(shù)字采集電路；4)FPGA硬件電路和實現(xiàn)FPGA對脈沖信號分析處理的硬件程序；5)能譜分析器輸出的1024道全譜數(shù)據(jù)實時觀測軟件。電路結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 硬件設(shè)計及原理

1.2.1 能譜探測器

伽瑪能譜探測器采用16英寸的NaI(Tl)晶體和光電倍增管構(gòu)成的閃爍體探測器，光電倍增管高壓供電選用最大為1400 V的可調(diào)整正高壓電源模塊。

伽瑪射線照射進NaI(Tl)晶體，在晶體中產(chǎn)生大量激發(fā)電子，能發(fā)出熒光的激發(fā)電子產(chǎn)生的光子打到光電倍增管陰極產(chǎn)生光電子，經(jīng)多次倍增放大，在陽極產(chǎn)生電荷電流信號脈沖，其電荷放大關(guān)系可表示為：A= (δ為光電倍增管打拿極倍增系數(shù)，n為打拿級個數(shù))，這些電荷經(jīng)陽極電容收集產(chǎn)生信號脈沖，脈沖信號幅度與入射的γ射線能量有線性關(guān)系。光電倍增管陽極輸出信號可由下列公式表示[4]：

τfl為NaI(Tl)晶體發(fā)光時間常數(shù)，約為0.25 μs；τα為充電時間常數(shù)；U0為電荷完全被收集后最大電壓幅度。

1.2.2 脈沖信號放大電路與A/D采集電路設(shè)計

A/D數(shù)據(jù)采集選用AD9226芯片，其特性為12位高速A/D轉(zhuǎn)換、并行輸出，最高轉(zhuǎn)換速率可達到65 MSPS，本設(shè)計選用50 MHz采樣頻率、為了能夠能譜數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)讀取的時鐘同步，A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘由FPGA鎖相環(huán)模塊提供，采樣周期為20 ns，AD9226芯片VREF設(shè)為 2 V，對應的模擬輸入脈沖信號范圍1～3 V及2 Vp-p值。

脈沖信號放大電路將光電倍增管陽極輸出的電流脈沖信號，放大轉(zhuǎn)換為符合AD9226芯片輸入特性的電壓脈沖信號；設(shè)計要求為：將0～3.07 MeV能量的伽瑪射線在光電倍增管陽極產(chǎn)生的輸出脈沖信號，放大為1～3 V的電壓脈沖信號。放大電路設(shè)計選用高頻運算放大器AD8065芯片，放大電路供電設(shè)計采用低紋波系數(shù)、線性、+5 V單電源供電。

放大電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 信號放大電路

放大電路中AD8065輸出u1點信號電壓幅度可由下列公式表示：

Eγ為γ射線的能量(MeV)；Nphot為γ射線進入閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)(MeV)。ε為光電倍增管陰極收集光子的效率；GPMT為光電倍增管增益。

1.2.3 FPGA硬件電路和輸出電路設(shè)計

FPGA選用ALTERA公司的Cyclone系列EP4CE15F23芯片，選用的外部晶振為50 MHz，晶振頻率信號通過PLL模塊電路為各功能部件提供穩(wěn)定的時鐘信號；AD9226芯片并口輸出的12位數(shù)字輸出引腳與FPGA接口引腳相連，AD9226芯片需要的50 M時鐘頻率由FPGA提供。數(shù)據(jù)輸出芯片選用USB轉(zhuǎn)UART芯片CP2102，F(xiàn)PGA分析處理的1 024道全譜數(shù)據(jù)通過CP2102實時發(fā)送到外部數(shù)據(jù)采集計算機，在計算機界面顯示中實時顯示和記錄所采集到的全譜數(shù)據(jù)。

1.2.4 宇宙伽瑪射線鑒別方法設(shè)計

一些型號的航空伽瑪能譜儀，在測量到伽瑪射線能量比較高的放射性元素異常點時，例如：放射性元素釷異常區(qū)域，伴隨著能量窗計數(shù)數(shù)據(jù)的增加，宇宙射線道也會發(fā)生不同程度的計數(shù)增加現(xiàn)象，使宇宙射線道計數(shù)發(fā)生較大的偏差。

宇宙伽瑪射線為地球外太空中進入地球的高能伽瑪射線粒子，其能量超過3 MeV[2]。本設(shè)計中A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為1～3 V，其對應的所接收的γ射線能量為0～3.07 MeV所產(chǎn)生的電脈沖幅度信號。大于3 MeV能量的伽瑪射線產(chǎn)生的脈沖信號在A/D轉(zhuǎn)換器中會產(chǎn)生溢出。A/D轉(zhuǎn)換器引起溢出的信號脈沖，既有宇宙γ射線產(chǎn)生的脈沖信號，又有非宇宙伽瑪射線在同一時刻，發(fā)生兩個或兩個以上粒子在很近時間內(nèi)、幾乎同時進入探測器產(chǎn)生信號疊加而引起的較大的超過2Vp-p的信號脈沖，這些信號脈沖也會發(fā)生A/D溢出；所以不能將A/D轉(zhuǎn)換器溢出的脈沖信號判斷為大于3 MeV能量的宇宙射線的計數(shù)，否則這可能會引起伽瑪射線能譜探測儀器在伽瑪射線能量比較高的天然放射性元素異常點上測量時，宇宙射線道計數(shù)明顯偏高，宇宙射線記錄偏差比較大的現(xiàn)象。

Exploranium公司研制的GR-820航空伽瑪射線能譜儀器為了減小宇宙射線的計數(shù)偏差，將宇宙射線計數(shù)閾值設(shè)置為4 MeV[5]，超過4 MeV能量伽瑪射線對應產(chǎn)生的電脈沖信號計為宇宙射線。

本設(shè)計宇宙射線提取采用監(jiān)測脈沖幅度、寬度的方法。放大電路輸出的脈沖信號：滿量程時 2Vp-p對應接收的伽瑪射線量子能量為3.07 MeV；通過編制軟件測量脈沖信號超過2Vp-p時信號的脈沖溢出時間，發(fā)現(xiàn)宇宙射線產(chǎn)生的電信號脈沖溢出時間在本電路的RC放電時間常數(shù)的設(shè)計中大都在3.5～4 μs范圍內(nèi)。而大多數(shù)由電脈沖信號疊加而產(chǎn)生的超過2Vp-p信號脈沖溢出時間都在2 μs以下。本設(shè)計采用的方法為：檢測伽瑪射線對應的電脈沖信號,當電脈沖信號幅度大于2Vp-p值時，開始檢測脈沖信號的溢出時間，當溢出時間超過1.8 μs時計錄為宇宙射線計數(shù)。這種方法極大的降低了能量比較高的放射性元素發(fā)出伽瑪射線進入宇宙射線道計數(shù)的概率。

1.3 FPGA硬件程序設(shè)計

FPGA硬件程序主要為在FPGA中實現(xiàn)1024道能譜分析功能的程序模塊，F(xiàn)PGA硬件程序設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA設(shè)計圖

FPGA程序功能設(shè)計：工程中分別建立PLL鎖相環(huán)模塊、雙口存儲器模塊:建立2個16位數(shù)據(jù)寬度、1024個存儲單元的雙口存儲器、CPU軟核模塊、UART串口等模塊；

FPGA程序設(shè)計采用Verilog HDL編程語言，1024道γ射線能譜分析硬件程序設(shè)計主要包括：50 MHz/秒高速的接收ADC電路采集數(shù)據(jù)，設(shè)計編寫信號并行分析處理模塊，采用寄存器數(shù)組對數(shù)據(jù)進行跟蹤記錄，快速濾波、信號起點基線判斷、采用脈沖形狀分析方法[6-7]，提取脈沖信號幅度、脈沖堆積識別，依據(jù)脈沖的重疊大小，采取舍棄或修正的處理方法處理脈沖堆積數(shù)據(jù)，對宇宙γ射線的判斷鑒別處理；采集到的能譜數(shù)據(jù)實時的通過雙口存儲器A口記錄到1024道存儲器中，并在存儲器中進行全譜數(shù)據(jù)計數(shù)累加。

能譜分析1024道數(shù)據(jù)傳輸采用嵌入式CPU控制方式，將上述多道能譜分析功能模塊程序設(shè)計制作成為基于Avalon總線接口模塊，作為CPU軟核處理器的一個外設(shè)，制作的多道能譜分析模塊通過Avalon從總線接口與CPU處理器連接在一起，CPU處理器通過雙口存儲器B口讀取采集到的1024道全譜累加數(shù)據(jù)，兩個雙口存儲器采用乒乓工作方式輪流的進行全譜數(shù)據(jù)記錄和全譜數(shù)據(jù)讀取，即多道能譜分析模塊向一個雙口存儲器中記錄1024道能譜數(shù)據(jù)時，CPU從另一個雙口存儲器讀取1024道全譜數(shù)據(jù)，兩個雙口存儲器的操作轉(zhuǎn)換由自制的多道能譜分析模塊控制[6]。CPU實時的將讀取的1024道伽瑪射線能譜數(shù)據(jù)通過UART轉(zhuǎn)USB外設(shè)芯片CP2102傳輸?shù)酵獠坑嬎銠C顯示界面中，并能夠從串口接收到外部操作指令，改變多道分析器的工作狀態(tài)。

1.4 1024道全譜數(shù)據(jù)顯示界面設(shè)計

1024道航空伽瑪能譜儀器設(shè)計采用：16位/道數(shù)據(jù)記錄，1024道能譜數(shù)據(jù)(0～1023道)，宇宙射線記錄到1023道，采用二進制數(shù)據(jù)傳輸格式和USB轉(zhuǎn)串口傳輸方式：波特率設(shè)為115 200。

能譜顯示界面，采用C++編譯系統(tǒng)，設(shè)計編寫1024道γ能譜數(shù)據(jù)實時監(jiān)測顯示圖形軟件，設(shè)計上采用多窗體結(jié)構(gòu)，每個窗體進入采用動態(tài)分配方式，進入時自動分配內(nèi)存空間，退出時及時釋放所占用的內(nèi)存資源，以減少內(nèi)存的占用。顯示界面包括1024道全譜圖形實時顯示窗口，放射性能譜總道、鉀道、鈾道、釷道各圖形實時顯示窗口，以及數(shù)字實時顯示窗口[8-10]。點擊數(shù)據(jù)采集運行命令，自動建立以當前時間命名的測量數(shù)據(jù)文件夾，并以當前時間建立數(shù)據(jù)記錄文件，接收的1024道放射性全譜數(shù)據(jù)實時地以二進制記錄格式記錄到數(shù)據(jù)文件中，同時把接收時間也自動記錄到數(shù)據(jù)文件中。顯示界面軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 顯示界面軟件結(jié)構(gòu)及流程圖

2 系統(tǒng)測試

2.1 峰位調(diào)整

在NaI(Tl)晶體附近，通過放置放射性元素Cs源、Th源，觀察所接收的1024道伽瑪射線全譜圖形數(shù)據(jù)，檢查各元素能譜特征峰所在的顯示位置，調(diào)整放大器靜態(tài)工作點和放大器放大倍數(shù)，使放射性元素銫產(chǎn)生的伽瑪射線能譜峰位(0.662 MeV)對應的顯示記錄到220道數(shù)據(jù)存儲位置上，放射性元素釷產(chǎn)生的伽瑪射線能譜峰位 (2.61 MeV)顯示在872道數(shù)據(jù)記錄位置上[2,11]。

2.2 操作界面

1024道能譜分析器，能譜監(jiān)視顯示圖形軟件運行在Win7操作系統(tǒng)上，啟動程序進入操作界面，主菜單項包括：文件、能譜、幫助。

2.3 串口設(shè)置界面

點擊菜單能譜/設(shè)置串口，顯示界面如圖5所示。

圖5 串口設(shè)置界面

在顯示界面中設(shè)置相應接收串口的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)：設(shè)備名、串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位。點擊瀏覽按鈕，指定串口所輸入的數(shù)據(jù)自動顯示到界面內(nèi)的文本框中，界面中還能夠?qū)崟r的觀察到1024道全譜數(shù)據(jù)和1024道全譜累加數(shù)據(jù)。

2.4 進入數(shù)據(jù)采集界面

點擊菜單能譜/進入采集，在顯示界面后點擊運行按鍵，顯示界面如圖6所示。

圖6 1024道γ射線全譜數(shù)據(jù)、能譜窗數(shù)據(jù)實時觀察界面

顯示界面實時顯示1024道能譜儀器所采集的1024道全譜數(shù)據(jù)圖形曲線(0～1022道：γ射線能量0～3.06 MeV，1023道記錄宇宙射線數(shù)據(jù))、K、U、Th、總道能譜窗數(shù)據(jù)圖形曲線，數(shù)字顯示K、U、Th、總道能譜窗數(shù)據(jù)計數(shù)和宇宙射線數(shù)據(jù)，實時地將所接收到的1024道伽瑪射線全譜數(shù)據(jù)以二進制形式記錄到數(shù)據(jù)文件中。

1024道能譜窗數(shù)據(jù)閾值設(shè)置如下：

總道設(shè)置：137～937道(480～2810 keV)，K道設(shè)置：457～523道(1370～1570 keV)，U道設(shè)置：553～620道(1660～1860 keV)，Th道設(shè)置：803～937道(2410～2810 keV)[3]。

2.5 實驗結(jié)果與分析

試驗測試分別采用放射性銫源、釷源以及天然鉀元素放射性累加計數(shù)測量，測量能譜峰位數(shù)據(jù)如圖7～9所示。

圖7 Cs137放射源累加計數(shù)測試能譜曲線

圖8 天然k40能譜峰位計數(shù)累加譜線

圖9 用Tl208放射源累加計數(shù)測試能譜曲線

測試結(jié)果數(shù)據(jù)為：Cs137伽馬射線能量0.662 MeV峰位數(shù)據(jù)記錄在220.3道，分辨率7.9；k40能量1.46 MeV峰位數(shù)據(jù)記錄在487.2道，分辨率5.7；Tl208測試源測試：可以觀測到Tl208和釷系中一些衰變子體產(chǎn)生的伽馬射線特征峰曲線[2]，Tl208能量2.615 MeV峰位數(shù)據(jù)記錄在872.6道，分辨率4.9；能譜線性度<0.3%，能譜峰位數(shù)據(jù)指標滿足規(guī)范要求[2,11]。

3 結(jié)束語

1024道伽瑪能譜儀設(shè)計才用軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計方式，完成了從伽瑪射線接收到放射性能譜數(shù)據(jù)顯示記錄的全過程設(shè)計制作，實現(xiàn)了1024道航空伽瑪能譜儀設(shè)計制作；在測試檢驗中， Cs峰，K峰，U峰，Th峰的特征峰能量辨別以及能譜線性指標均符合設(shè)計要求[2,11]，1024道能譜線性優(yōu)于0.3%，在計算機顯示界面中完成了對能譜分析器輸出的1024道全譜數(shù)據(jù)接收顯示，并實時地將接收的1024道全譜數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中。1024道能譜分析技術(shù)的研究開發(fā)，有利于更深入的研究和掌握能譜伽瑪射線脈沖信號的分析方法和數(shù)字處理方法，更有利于發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空伽瑪能譜探測儀器應用到航空放射性測量領(lǐng)域中。