麻金龍，武旭東，王瑋，李婷，段金松，張兆山

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

伽馬輻射儀廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、輻射防護、地質(zhì)勘探等工作中，具有簡單可靠、輕便靈活等特點，其測量結(jié)果是一定時間內(nèi)輻射總量，反應輻射的強弱［1-2］。目前應用于地礦行業(yè)的伽馬輻射儀，其探測器多采用NaI晶體+PMT 組合，NaI晶體易潮解、光電倍增管體積較大且需要高壓電源，導致儀器整體結(jié)構(gòu)較大，在野外地質(zhì)勘探中，略顯笨重［3］。針對以上問題，結(jié)合國內(nèi)、外儀器設計優(yōu)點，采用BGO 晶體+SiPM 組合探測器，設計一款袖珍式伽馬輻射儀具有重要意義。

1 整機結(jié)構(gòu)設計

整機采用一體化設計理念，集信號采集、處理、轉(zhuǎn)化、測量、通信和顯示等功能于一體［4］。整體結(jié)構(gòu)設計緊湊，主要分為上殼、下殼和主體3 部分組成，其結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.1 Exploded view of instrument structure

整機結(jié)構(gòu)設計有以下幾個方面特點：

1）整機上下殼之間有密封圈，使用螺絲和卡扣鎖死，液晶、按鍵、接口部分均采用防水防塵設計，可以達到IP65 防護等級；探測器部分內(nèi)部填充有減震PE 海綿，外殼有減震橡膠，具有良好的減震效果。

2）外殼采用ABS+PC 材料，抗沖擊性能好，整機輕盈便攜；殼體內(nèi)層電鍍有金屬屏蔽漆，可有效隔離外界電磁干擾；外殼手持部位采用TPE 包膠，防滑、親膚觸感。

3）儀器主體各個功能模塊采用模塊化接插針方式連接，最大限度減少了內(nèi)部線纜，有效避免了數(shù)據(jù)傳輸線纜斷裂，接口松動接觸不良的問題，增強了系統(tǒng)可靠性。

4）設計有TYPE-C 標準接口，兼數(shù)據(jù)通信、充電、耳機設備連接等功能。

2 系統(tǒng)整體方案設計

系統(tǒng)整體設計方案框圖如圖2 所示，主要由探測器、信號采集處理、主控系統(tǒng)、智能電源管理及外圍功能模塊組成。其中探測器采用BGO 晶體+SiPM 組合設計［5-6］；信號采集處理模塊包括信號提取、整形濾波和信號甄別電路等；主控系統(tǒng)采用CPLD+低功耗控制器組合方式，實現(xiàn)系統(tǒng)整體控制；智能電源管理模塊可實現(xiàn)鋰電池智能充放電管理，保證工作安全，降低整機功耗［7］；外圍功能模塊包括聲光報警、液晶顯示、GPS 定位、藍牙通信和TYPE-C 接口等。

圖2 系統(tǒng)整體設計方案框圖Fig.2 The diagram of overall design scheme

2.1 探測器及信號采集系統(tǒng)設計

射線探測原理如圖3 所示，入射γ射線在閃爍體損耗并沉積能量，引起閃爍體中原子（或離子、分子）的電離激發(fā)，之后受激粒子退激放出閃爍光子，完成射線到光信號的轉(zhuǎn)換。閃爍光子通過耦合面，射入光電轉(zhuǎn)換器件（PMT、SiPM 等），將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過后續(xù)信號處理電路，完成輻射探測。

圖3 射線探測原理Fig.3 The principle of ray detection

作為一款袖珍式的伽馬輻射儀，要求體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，對探測器及信號采集系統(tǒng)設計有3 個難點問題需要解決：

1）該儀器采用的是BGO 晶體+SiPM，BGO晶體密度大，比同體積NaI 晶體探測效率高［8］，所以可以選用小尺寸的BGO 晶體，這就要求從探測效率和成本兩方面去衡量，選擇適合于該儀器的BGO 晶體。

2）BGO 晶體相對光輸出較小，且輸出信號幅度也比較小，要求盡可能的對光信號進行收集，減小光傳輸過程中的損耗，所以對光路的設計提出了一定的要求。

3）該儀器采用的是半導體探測器SiPM，器件暗電流較大，導致輸出信號信噪比較低，所以如何提取微弱信號，濾波放大，提高信噪比，也是該儀器設計的一個重點問題。

2.1.1 BGO 晶體選型

目前市面上常見的伽馬輻射儀，多采用NaI 晶體+PMT 組合作為輻射探測器。本設計為了選取合適尺寸的BGO 晶體，滿足設計要求的探測效率，采用直徑3 cm，長度分別為1.5、2.0 和2.5 cm 的BGO 晶 體+SiPM 組 合 探 測 器，對5 種伽馬輻射源進行計數(shù)測量，并與直徑3 cm，長度為5 cm 的NaI 晶體+PMT 組合探測器進行計數(shù)對比。計數(shù)率對比如圖4 所示。

由圖4 可見，直徑3 cm，長度2 cm 的BGO晶體+SiPM 組成的探測器，對5 種伽馬輻射源測得的計數(shù)率均高于直徑3 cm，長度為5 cm 的NaI 晶體+光電倍增管組成探測器測得的計數(shù)率的10%上下，已經(jīng)完全滿足探測效率的需求，結(jié)合成本考慮，選用該尺寸的BGO 晶體。

圖4 計數(shù)率對比圖Fig.4 Comparative chart of counting rate

2.1.2 探測器光收集耦合方案設計

本儀器選用的BGO 晶體，其光輸出面為直徑30 mm 的圓，而選用的SiPM 光接接收面為邊長6 mm 的正方形，兩者面積、形狀不一致，直接耦合在一起，會降低光收集效率，所以設計了BGO 閃爍體與SiPM 的楔形耦合光導，對光有一定匯聚效果。并且在BGO 閃爍體外壁及光導側(cè)面均勻噴涂了白色反光材料，形成光反射層，可以將BGO 閃爍體發(fā)出的光盡可能多地匯聚到SiPM 光接收面。此外在光導器件裝配過程中，在其兩端涂抹硅油，排除耦合面的空氣，減少光在傳輸界面上的全反射，進一步減少光子損失。探測器外殼使用金屬材質(zhì)，在晶體與外殼之間填充減震材料。

2.1.3 高靈敏度信號處理電路設計

探測器使用的BGO 晶體光輸出較弱，此外使用的光電轉(zhuǎn)換器件為SiPM，暗電流較大，為增強信號輸入響應，提高信噪比，本設計信號處理電路主要考慮以下3 個方面的問題：

1）SiPM 輸出信號幅度比較小，對于前端運放的要求較高，運放輸入噪聲應盡可能地小，以減少器件帶入的噪聲。此外，為了減少電路本身對信號的損耗，運放要求有較大的輸入阻抗，靜態(tài)功耗也盡可能低。單級的前置放大器，不能將信噪比提高到最佳狀態(tài)，在后續(xù)電路中還要針對性設計濾波電路，對信號進行濾波處理，進一步提高其信噪比；

2）線性放大器的一個基本要求是穩(wěn)定性。理想的放大電路輸出信號與輸入信號完全呈線性關(guān)系，但是，由于組成放大電路的半導體器件均具有非線性特征，同時放大器的增益可能受到電源電壓不穩(wěn)定、元件老化以及溫度變化的影響，造成放大電路的非線性失真；

3）在計數(shù)率較高的情況下，會造成放大器飽和堵塞，易導致信號丟失，引起漏記。為提高計數(shù)脈沖通過率，可以增加一級微分電路，使信號寬度變窄，但是探測器信號經(jīng)過微分電路之后，信號會產(chǎn)生下沖，引起基線漂移，所以本設計利用極零相消技術(shù)，設計相應電路通過調(diào)整參數(shù)，使其中一個零點或極點和另外一個極點或零點相抵消，就可以消除脈沖下沖的現(xiàn)象［9-10］。

根據(jù)上述分析，采用高精度高輸入阻抗運放，結(jié)合外圍電路設計前置放大器將SiPM 輸出的電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號；設計濾波放大電路，進一步提升信噪比，并對信號進一步放大；設計有極零相消電路，通過調(diào)整電路參數(shù)可以達到極零相消的目的，將信號下沖消除。經(jīng)過上述電路處理后的輸出信號，信噪比較高，完全滿足后續(xù)電路需求。

2.1.4 信號甄別電路設計

信號甄別電路設計采用閾值窗方法，即，當信號幅值小于識別下閾時，該信號被當作干擾而直接丟棄；信號幅值大于識別上閾時，則判斷為宇宙射線被忽略；當輸入信號脈沖幅度介于給定的識別閾之間時，則被認定為γ射線產(chǎn)生的真實脈沖信號［11-12］。信號甄別示意圖如圖5 所示。

圖5 探測器信號幅值甄別示意圖Fig.5 Schematic diagram of detector signal amplitude discrimination

2.2 主控系統(tǒng)設計

2.2.1 低功耗控制器系統(tǒng)

微控制器采用高性能、低成本的ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32L152 芯片，通過移植嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS 實現(xiàn)各項功能。系統(tǒng)工作頻率為32 MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達512 K 字節(jié)的閃存和80 K 字節(jié)的RAM），超低功耗設計，具有豐富的I/O 端口及多種外設，STM32L152 的多種省電模式保證其低功耗應用。

FreeRTOS 是一種支持多個微控制器、輕量級嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持靈活的多任務調(diào)度策略，實現(xiàn)基本的實時調(diào)度、信號量、隊列和存儲管理。存儲空間允許的情況下，F(xiàn)reeRTOS 可支持運行的任務數(shù)量不受限制，且允許多個任務使用同一優(yōu)先級，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級進行任務調(diào)度，或啟用時間片輪轉(zhuǎn)法實行相同優(yōu)先級任務的輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

該儀器移植了FreeRTOS 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)任務包括OLED 顯示更新任務、系統(tǒng)信息顯示任務、按鍵菜單控制任務、測量控制任務和數(shù)據(jù)通信控制任務，多個任務在系統(tǒng)調(diào)度下輪轉(zhuǎn)運行，保證了系統(tǒng)功能的正常，系統(tǒng)任務控制程序執(zhí)行流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)控制執(zhí)行流程圖Fig.6 Flow chart of control system

2.2.2 CPLD 時序控制系統(tǒng)

作為一款袖珍式的伽馬輻射儀，在電路設計上，為了減少分立元件使用，最大限度集成化，降低整機功耗，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，本設計使用了可編程邏輯器件（CPLD）設計相應的程序，利用芯片內(nèi)部邏輯可實現(xiàn)對信號甄別、PWM 信號生成和聲光報警等部分的時序編程控制［13］。

2.3 外圍功能模塊設計

2.3.1 數(shù)據(jù)通信接口設計

儀器設計有藍牙通信接口與USB 通信接口?？梢宰鳛橹鳈C通過無線通信接口與微型熱敏打印機通信，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)打??；也可以作為從機，通過無線或有線通信接口與電腦主機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與主機控制。配備上位機軟件，可進行數(shù)據(jù)下載及參數(shù)寫入等。

2.3.2 聲光報警系統(tǒng)設計

輻射儀可以對環(huán)境中的伽馬輻射強度進行監(jiān)控測量。儀器設計有聲光報警系統(tǒng)，聲音鳴響及發(fā)光頻率會根據(jù)輻射強度變化，提示操作人員。報警閾值可調(diào)，也可以選擇打開關(guān)閉該功能。報警聲音還可以通過TYPE-C 耳機播放，滿足不同場合使用需求，報警燈還可以作為應急照明燈使用。

2.3.3 按鍵顯示模塊設計

儀器使用128*64 OLED 顯示屏，其自身可以發(fā)光，亮度、對比度高，功耗低，有較好的顯示效果，用于系統(tǒng)信息顯示；設計有3 個親膚質(zhì)感硅膠按鍵，可完成系統(tǒng)測量、設置及數(shù)據(jù)查看等操作。

2.4 智能電源管理系統(tǒng)設計

電源設計作為整機工作的基礎和前提，其穩(wěn)定性和安全可靠顯得尤為重要。而且對于袖珍式儀器，功耗也是比較關(guān)鍵的問題。本機采用一節(jié)26650 型鈷酸鋰電池為系統(tǒng)供電，電路設計上使用具有高精度電壓檢測電路和延遲電路的保護IC 進行電路過充、過放、過電流保護，通過芯片輸出端精確控制開關(guān)管通斷，實現(xiàn)電池充電回路或放電回路的正常運轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)采用開關(guān)降壓型芯片設計充電管理電路，實現(xiàn)5～18 V 寬輸入電壓，對電池進行涓流預充、恒流和恒壓充電。恒流充電電流通過設置Rs（外部電阻）進行限制，本設計將最大充電電流設置為1 500 mA，由公式（1）可知Rs等效值為0.067 Ω。預充電流為恒流充電電流的1/10。為防止充電過程中溫度過高或過低對電池造成損害，管理芯片內(nèi)置溫度檢測電路通過檢測Ts（溫度監(jiān)測引腳）端電壓實現(xiàn)實時溫度檢測。Ts端電壓由電池內(nèi)NTC（熱敏電阻）和電阻分壓網(wǎng)絡實現(xiàn)，當45%VREG（參考電壓）＜VTs（Ts端電壓）＜80%VREG 時，系統(tǒng)處于正常工作溫度范圍內(nèi)，超過該區(qū)域范圍時，則視為電池溫度過高或過低，從而暫停充電過程，等待溫度恢復，該電路可有效保證電池充電安全性，提高鋰電池使用壽命。常溫（25℃）時NTC 熱敏電阻為10 k，設定保護溫度為-5～55 ℃時，NTC 限流電阻、串聯(lián)電阻阻值分別為3.6 和8.2 k。本設計采用標準TYPE-C 接口作為充電接口。

式中：IBAT—充電電流，mA。

3 整機性能測試

3.1 相對示值誤差測試

選用不同標稱值模型體源，設置單次測量時間為10 s，測量組數(shù)為10 組，計算3 臺樣機的相對示值誤差［14-15］，測試結(jié)果如表1 所示。根據(jù)檢定規(guī)程JJG（軍工）29—2012《輕便γ 總量閃爍輻射儀》［16］要求示值誤差不大于7.5%可知，計算測試結(jié)果符合規(guī)程要求。

表1 樣機相對示值誤差測量結(jié)果Table 1 Relative indication error of prototype

3.2 重復性測試

將3 臺樣機置于模型體源表面中心位置，進行測量，單次測量時間為60 s，連續(xù)測量10 次，測試結(jié)果如表2 所示。根據(jù)第3.1 節(jié)檢定規(guī)程要求重復性優(yōu)于5%可知，測試結(jié)果符合規(guī)程要求。

表2 樣機重復性測量結(jié)果Table 2 Repeatability of prototype

3.3 環(huán)境高低溫實驗

環(huán)境高低溫實驗是檢驗儀器在惡劣環(huán)境下工作是否穩(wěn)定和可靠的重要步驟。使用型號為CTH-SG65150-02F 的溫度試驗箱，以3℃·min-1的速率，先由常溫降至-10℃，依次升溫到20、50℃，在每個溫度點保持2 h 后進行測量。其中，各溫度點單次測量時間60 s，測量5 次。實驗結(jié)果如表3 所示，根據(jù)EJ/T 757—1993T 鈾礦山γ輻射取樣、γ編錄標準［17］中要求測量值與正常溫度條件下（20±2℃）相比，相對誤差不大于±10%可知，其測量結(jié)果在合理范圍內(nèi)波動。

表3 樣機環(huán)境高低溫實驗測量結(jié)果Table 3 The temperature experiment of prototype

4 結(jié) 論

袖珍式伽馬輻射儀創(chuàng)新使用了BGO 晶體+SiPM 組合探測器，對結(jié)構(gòu)設計和電路設計上的難點問題逐個突破，完成整機設計。相對于傳統(tǒng)儀器，具有以下優(yōu)勢：1）小巧便攜，整機長15 cm，重量僅約290 g；2）IP65 防護等級，具有應急燈，更加適用于野外環(huán)境；3）TYPE-C 多功能接口，可用于充電、數(shù)據(jù)傳輸及連接耳機；4）采用低功耗設計，可連續(xù)工作48 h。該儀器既可以用于野外地質(zhì)勘探，也可用于普通民眾生活環(huán)境輻射測量，具有廣闊的市場前景。