孫肖南，孫 陶，李江坤，張文峰，吳 雪

(1.核工業(yè)航測遙感中心，石家莊 050002；2.鈾資源地球物理勘查技術(shù)重點實驗室，石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點實驗室，石家莊 050002)

0 引言

天然放射性元素發(fā)出的伽瑪射線特征峰能量固定，各特征峰數(shù)據(jù)在能譜測量中的記數(shù)道位置也固定；但是在航空伽瑪能譜測量中，對伽瑪射線的接收主要采用NaI(Tl)晶體與光電倍增管電路，碘化鈉晶體發(fā)光效率和光電倍增管的放大性能受溫度變化的影響，在能譜測量工作中，測量數(shù)據(jù)會隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生能譜數(shù)據(jù)記錄道數(shù)的非線性漂移[1-2]，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此在放射性伽瑪能譜測量中，設(shè)計自動穩(wěn)譜電路，減小能譜測量數(shù)據(jù)的漂移，提高測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量有著非常重要的意義；伽瑪能譜測量自動穩(wěn)譜技術(shù)是在測量中利用軟件尋找天然放射性元素具有的伽瑪射線能量特征峰數(shù)據(jù)，計算中心峰位與相應(yīng)的特征峰標(biāo)準(zhǔn)峰位道數(shù)偏差，跟據(jù)偏差數(shù)據(jù)控制穩(wěn)譜電路調(diào)整能譜測量信號脈沖的大小，減小特征峰記錄道數(shù)的漂移；常用于穩(wěn)譜的天然放射性元素特征峰有：40K 1.46 MeV、214Bi 1.76 MeV、208Th 2.615 MeV以及測試源137Cs 0.662 MeV[3]；航空伽瑪測量穩(wěn)譜電路設(shè)計采用軟件尋峰控制，根據(jù)測量數(shù)據(jù)特征峰位的漂移變化，利用軟件程序調(diào)整控制能譜信號增益、調(diào)整信號電平相對基線的偏移變化，減小環(huán)境溫度變化引起的能譜數(shù)據(jù)非線性漂移；設(shè)計內(nèi)容包括：1)高壓調(diào)整控制電路：在穩(wěn)譜軟件控制下利用單片機(jī)調(diào)整光電倍增管高壓，改變信號增益，穩(wěn)定信號輸出幅度；2)信號脈沖電平疊加與消減電路：在穩(wěn)譜軟件控制下利用單片機(jī)操作信號脈沖電平疊加與消減，平移能譜信號脈沖幅度；3)單片機(jī)控制電路：執(zhí)行單片機(jī)與數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)傳輸，跟據(jù)接收到的穩(wěn)譜命令控制穩(wěn)譜電路的工作狀態(tài)[4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

圖1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在能譜儀器測量工作中，伽瑪射線照射到能譜探測器晶體上，在晶體內(nèi)部產(chǎn)生電離，電離產(chǎn)生的熒光在光電倍增管陰極打出電子，電子在光電倍增管內(nèi)部經(jīng)多級倍增放大，在陽極產(chǎn)生電荷信號脈沖，其陽極信號的放大與光電倍增管的高壓存在指數(shù)增長關(guān)系[5]，本設(shè)計電路利用stm32f407調(diào)整光電倍增管的高壓控制光電倍增管信號脈沖輸出的幅度；電荷脈沖信號經(jīng)放大電路進(jìn)入信號脈沖幅度調(diào)整電路，脈沖幅度調(diào)整電路可以在信號脈沖幅度上進(jìn)行電平電壓的疊加，調(diào)整信號的增加或減小，利用stm32f407控制脈沖幅度調(diào)整電路調(diào)整信號對基線的偏移；多道分析器電路將接收到的脈沖信號分析、處理，輸出1 024道全譜數(shù)據(jù)；并通過單片機(jī)電路發(fā)送到能譜數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)；在數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)中運行的穩(wěn)譜軟件，循環(huán)不斷的對接收到的1 024道全譜數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定時間的計數(shù)累加，當(dāng)設(shè)定的計數(shù)累加時間結(jié)束，大量的能譜測量累加數(shù)據(jù)，特征峰計數(shù)曲線符合高斯分布[6]，穩(wěn)譜尋峰程序利用逐道比較法在1 024道能譜測量累加數(shù)據(jù)中尋找可用的特征峰以及特征峰數(shù)據(jù)的左右邊界，計算特征峰位計數(shù)的中心峰位和中心峰位與標(biāo)準(zhǔn)峰位的偏移大小，以及特征峰位之間的相對記錄數(shù)據(jù)位置的偏移量，計算出調(diào)整控制參數(shù)并通過串口發(fā)送到stm32f407控制單元，利用stm32f407控制穩(wěn)譜電路執(zhí)行相關(guān)功能的穩(wěn)峰操作，穩(wěn)定能譜特征鋒位的數(shù)據(jù)記錄，穩(wěn)譜程序工作如圖2所示[7-8]。

圖2 穩(wěn)譜程序流程框圖

在連續(xù)的伽瑪能譜測量數(shù)據(jù)計數(shù)累加中，各道能譜數(shù)據(jù)計數(shù)經(jīng)一定時間的測量數(shù)據(jù)累加，累加數(shù)據(jù)中放射性元素能譜特征峰計數(shù)曲線符合正態(tài)分布統(tǒng)計規(guī)律，特征峰中心峰位計算如下：

nl為特征峰的左邊界道值,nr為特征峰的右邊界道值,Ci代表各道計數(shù)，i代表能譜道數(shù)。

穩(wěn)譜常用的幾種放射性元素能量及特征峰中心峰位記錄道數(shù)如表1所示。

表1 放射性元素特征峰位

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

放射性能譜測量自動穩(wěn)譜電路設(shè)計包括：1)stm32f407單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和穩(wěn)譜控制電路：負(fù)責(zé)接收多道能譜分析器發(fā)送的1 024道能譜數(shù)據(jù)，并通過串口將接收的能譜數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)，通過串口接收穩(wěn)譜控制命令并執(zhí)行穩(wěn)譜命令的相關(guān)操作;2)由stm32f407控制的光電倍增管高壓調(diào)整控制電路;3)由stm32f407控制的能譜脈沖信號加減電平電路;4)系統(tǒng)電源供電電路。

電路設(shè)計中，能譜探測器光電倍增管采用進(jìn)口型號，高壓工作范圍為1 000～1 400 V；高壓電路設(shè)計采用國產(chǎn)高壓電源模塊HG-P152-1M66，12 V電壓輸入，最高輸出1 500 V可調(diào)整高壓。

2.1 stm32F407單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和控制電路設(shè)計

穩(wěn)譜控制處理電路采用ST公司Cortex M4內(nèi)核stm32f407單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成；利用stm32f407單片機(jī)接收能譜多道分析器電路發(fā)送的1 024道全譜數(shù)據(jù)，并通過串口將接收到的全譜數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)，同時stm32F4單片機(jī)通過串口接收數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)發(fā)來的穩(wěn)譜控制命令，根據(jù)穩(wěn)譜命令內(nèi)容控制光電倍增管的高壓調(diào)整和控制信號脈沖幅度調(diào)整電路的電平調(diào)整數(shù)值；STM32F407單片機(jī)設(shè)計電路如圖3所示。

圖3 stm32f407單片機(jī)控制電路電路設(shè)計圖

stm32f407單片機(jī)通過串口PA10實時發(fā)送1 024道全譜數(shù)據(jù)到收錄系統(tǒng)，同時不斷監(jiān)測串口的接收狀態(tài)，通過串口PA9、接收數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)穩(wěn)譜程序發(fā)送來的穩(wěn)譜高壓調(diào)整指令和峰位調(diào)整指令；單片機(jī)根據(jù)指令中調(diào)整數(shù)據(jù)的大小 通過PA4和PA5口輸出相應(yīng)的模擬控制電壓，輸出的模擬信號DAC2調(diào)整光電倍增管工作高壓，DAC1調(diào)整能譜接收信號脈沖幅值增量，單片機(jī)通過PD0和PD1接口分別操縱模擬開關(guān)SGM3001_A和SGM3001_B控制能譜數(shù)據(jù)信號脈沖幅度基值的增加或減小[9-10]。

2.2 光電倍增管高壓調(diào)整控制電路設(shè)計

光電倍增管高壓調(diào)整由程序命令進(jìn)行控制，高壓調(diào)整電路設(shè)計如圖4所示，高壓模塊選用HG-P152-1M66，高壓輸出為0～1 500 V，高壓調(diào)整控制電壓為0～5 V；設(shè)計電路選用光電倍增管高壓工作范圍在1 000～1 400 V，考慮到所使用光電倍增管的型號更換，增強(qiáng)電路的兼容性，設(shè)計電路高壓調(diào)整范圍為700～1 400 V；光電倍增管高壓調(diào)整控制是由stm32f407單片機(jī)D/A模擬輸出來實現(xiàn)，設(shè)置單片機(jī)控制電壓輸出范圍為：0～2.5 V，由J2插口送入高壓調(diào)整控制電路，與MAX6062輸出的基準(zhǔn)電壓疊加，控制高壓模塊的調(diào)整電壓輸入端，電路中放大電路芯片采用AD8065，AD8065輸出端電壓設(shè)計符合下式規(guī)律：VHV-ADJ=VD/A+2，輸出的調(diào)整控制電壓2～4.5 V，對應(yīng)高壓輸出范圍為650～1 400 V。

圖4 高壓調(diào)整電路設(shè)計圖

2.3 能譜信號脈沖幅度加減電平電路

能譜信號脈沖幅度加減電平調(diào)整由程序命令控制，設(shè)計電路如圖5所示。信號脈沖幅度調(diào)整設(shè)計為：信號脈沖到來時允許進(jìn)行幅度調(diào)整，信號脈沖消失后保持基線狀態(tài)，信號脈沖幅度調(diào)整功能不起作用；電路設(shè)計主要包括放大電路、信號比較電路和高速電子開關(guān)電路構(gòu)成，所采用的芯片主要有：AD8065、MAX913、SGM7222和SGM3001。電路利用接收到的信號脈沖通過MAX913比較器產(chǎn)生與接收到的信號脈沖同步的方波信號，控制SGM7222電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)閉，保證只有信號脈沖到來時，才起調(diào)節(jié)作用；SGM7222模擬開關(guān)控制信號為高電平時，將單片機(jī)控制輸出的模擬電壓接入信號脈沖放大電路，模擬電壓由穩(wěn)譜控制控制命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到，模擬電壓作為信號脈沖幅度增加或減小的調(diào)整值；SGM7222模擬開關(guān)控制信號為低電平時，將地電平接入信號電路，使得電路基線電平保持不變。能譜信號脈沖幅度的調(diào)節(jié)大小及方向由運行在數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)的自動穩(wěn)譜程進(jìn)行控制，STM32f407單片機(jī)通過串口接收發(fā)送來的穩(wěn)譜命令，操縱脈沖幅度調(diào)整電路執(zhí)行相應(yīng)的命令動作，單片機(jī)通過對兩個電子開關(guān)SGM3001的控制操作來實現(xiàn)信號脈沖幅度增加或減小的操作功能，單片機(jī)PD0口操縱的SGM3001電子開關(guān)控制信號脈沖幅度的增加操作，PD1口連接的SGM3001電子開關(guān)控制信號基脈沖幅度的減小操作[11-12]。

圖5 信號脈沖幅度調(diào)整電路設(shè)計圖

2.4 電源電路

設(shè)計電路供電采用12 V電壓輸入，12 V電壓分別供給高壓電源模塊HG-P152-1M66和開關(guān)電源芯片MP1482，通過電源芯片MP1482及相關(guān)元件電路得到5 V電路工作電壓，其輸出電流可達(dá)2 A，效率93%，工作溫度范圍-40～85 ℃。

3 穩(wěn)譜電路控制軟件設(shè)計

自動穩(wěn)譜程序在收錄系統(tǒng)中不斷的對接收到的放射性全譜數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，在設(shè)定的數(shù)據(jù)累加時間結(jié)束，尋峰程序采用逐道比較法尋找適合于穩(wěn)譜控制的特征峰，計算特征峰中心峰位的數(shù)據(jù)偏移，以及各特征峰位的相對偏移數(shù)據(jù)，通過串口向stm32f407單片機(jī)控制電路發(fā)送相應(yīng)的能譜特征峰數(shù)據(jù)計數(shù)偏離調(diào)整命令，stm32f407單片機(jī)控制和操縱穩(wěn)譜電路執(zhí)行相應(yīng)命令的數(shù)據(jù)操作；

自動穩(wěn)譜電路控制采用stm32f407單片機(jī)，stm32f407軟件編程包括單片機(jī)系統(tǒng)的初始化程序，主要有系統(tǒng)時鐘初始化、GPIO接口初始化、DMA通道初始化、中斷初始化、以及串口初始化和模擬端口的初始化，單片機(jī)初始化程序完畢后自動進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，將從能譜多道分析器電路接收到的1 024道全譜數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送到數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)，同時不斷的監(jiān)測串口輸入，通過串口接收數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)發(fā)出的穩(wěn)譜操作指令，根據(jù)穩(wěn)譜控制命令執(zhí)行相應(yīng)的電路操作。stm32f407單片機(jī)接收穩(wěn)譜數(shù)據(jù)指令，調(diào)整控制程序設(shè)計如圖6所示。

圖6 stm32f407單片機(jī)控制程序設(shè)計框圖

stm32f407單片機(jī)通過PC11引腳接收多道能譜分析器發(fā)出的1 024道全譜數(shù)據(jù)，通過DMA通道傳輸?shù)酱诎l(fā)送緩沖區(qū)，按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)送引腳PA9實時向收錄系統(tǒng)發(fā)送所接收的1 024道全譜數(shù)據(jù)，同時串口接收引腳PA10實時的等待接收收錄系統(tǒng)穩(wěn)譜程序發(fā)來的穩(wěn)譜控制命令，命令格式設(shè)計為：高壓調(diào)整命令為：Vdddd 加回車換行符結(jié)束，其中“V”為英文大寫字母，后跟的“dddd”為4位要調(diào)整的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，01 000峰位道數(shù)向高偏移調(diào)整，dddd<1 000峰位道數(shù)向低偏移調(diào)整，900

4 系統(tǒng)測試分析

系統(tǒng)測試?yán)么谲浖绦蛲ㄟ^串口分別發(fā)送高壓調(diào)整命令和脈沖信號幅度調(diào)整命令，檢查調(diào)整電路對調(diào)整參數(shù)的反應(yīng)狀態(tài)。

4.1 光電倍增管高壓與調(diào)整參數(shù)對應(yīng)關(guān)系測試

光電倍增管工作點設(shè)定高壓為1 207 V，對應(yīng)的調(diào)整數(shù)據(jù)為2 178，以2 178為調(diào)整數(shù)據(jù)中心點，連續(xù)的增加和減小數(shù)值，測試高壓的變化；高壓調(diào)整參數(shù)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 調(diào)整參數(shù)與高壓測試表

由測量數(shù)據(jù)得到調(diào)整數(shù)據(jù)與高壓輸出線性趨勢線：y=0.263 3x+633.41，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 7。

由高壓調(diào)整測試數(shù)據(jù)表顯示，光電倍增管高壓由單片機(jī)控制可以進(jìn)行0.2～0.3伏的變化的調(diào)整，對于鉀道1.76 MeV的特征峰有0.4道左右變化量的調(diào)整，且測試數(shù)據(jù)的線性度比較好，滿足高壓調(diào)整設(shè)計的要求。

4.2 信號脈沖增加消減電平電路測試

1 024道能譜數(shù)據(jù)特征峰道數(shù)偏移與調(diào)整參數(shù)對應(yīng)關(guān)系測試，利用信號幅度調(diào)整命令通過串口發(fā)送調(diào)整指令，采用改變調(diào)整數(shù)據(jù)參數(shù)測量調(diào)整輸出電壓進(jìn)行測試，電路設(shè)計中：每道信號電壓=2 000 mV/1 024=1.953 mV/道，利用測試電壓與道數(shù)偏移的線性關(guān)系計算出偏移道數(shù)：道數(shù)偏移=V/1.953 V為測試電壓，單位為毫伏。脈沖幅度調(diào)整參數(shù)與道偏移測試如表3所示。

表3 脈沖幅度調(diào)整參數(shù)與能譜偏移道數(shù)測試表

由測量數(shù)據(jù)得到峰位調(diào)整參數(shù)與能譜道數(shù)偏移趨勢線：y=0.406 1x+406.12，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9。

由脈沖幅度調(diào)整測試數(shù)據(jù)可看出脈沖幅度調(diào)整，一個調(diào)整數(shù)字的增量改變可使能譜峰位有0.4道左右的變化，調(diào)整作用明顯且測試數(shù)據(jù)的線性度很好，滿足信號脈沖峰位調(diào)整的設(shè)計要求，設(shè)計電路可以實現(xiàn)航空伽瑪能譜測量自動穩(wěn)譜控制電路峰位調(diào)整功能。

5 結(jié)束語

在航空伽瑪能譜測量中，能譜自動穩(wěn)譜電路對于減小測量數(shù)據(jù)的漂移，提高伽瑪能譜測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量、起著非常重要的作用；對于溫差較大時，能譜數(shù)據(jù)的漂移往往是非線性的[1]，本穩(wěn)譜電路設(shè)計采用軟件控制，利用改變光電倍增管高壓的方式調(diào)整信號增益，在能譜測量信號脈沖上疊加控制電平、調(diào)整能譜信號相對基線的漂移變化，結(jié)合兩種調(diào)整方式可以控制能譜峰位的漂移變化。在穩(wěn)譜電路的測量試驗中，對于放射性元素137Cs、40K、214Bi、208Th特征峰位測量數(shù)據(jù)線性擬合R2=0.999 9，1 024道能譜測量數(shù)據(jù)特征峰最大峰漂1.5道，達(dá)到了穩(wěn)譜電路設(shè)計的要求[10]。穩(wěn)譜軟件程序?qū)怆姳对龉艿母邏嚎刂瓶梢赃_(dá)到0.2～0.3 V調(diào)整變化；軟件程序?qū)π盘柗仍隽康恼{(diào)整控制，由于受到單片機(jī)D/A輸出精度限制，信號幅度調(diào)整電路最小調(diào)整增量電平為0.9 mV，為提高調(diào)整精度設(shè)計可以采用更高精度的外部D/A電路。