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重點實驗室，石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術重點實驗室，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，各特征峰數據在能譜測量中的記數道位置也固定；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，測量數據會隨著環(huán)境溫度的變化而產生能譜數據記錄道數的非線性漂移[1-2]，影響測量數據的準確性。因此在放射性伽瑪能譜測量中，設計自動穩(wěn)譜電路，減小能譜測量數據的漂移，提高測量數據的質量有著非常重要的意義；伽瑪能譜測量自動穩(wěn)譜技術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據，計算中心峰位與相應的特征峰標準峰位道數偏差，跟據偏差數據控制穩(wěn)譜電路調整能譜測量信號脈沖的大小，減小特征峰記錄道數的漂移；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)譜電路設計采用軟件尋峰控制，根據測量數據特征峰位的漂移變化，利用軟件程序調整控制能譜信號增益、調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據非線性漂移；設計內容包括：1)高壓調整控制電路：在穩(wěn)譜軟件控制下利用單片機調整光電倍增管高壓，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)單片機控制電路：執(zhí)行單片機與數據收錄系統(tǒng)的數據通信和數據傳輸，跟據接收到的穩(wěn)譜命令控制穩(wěn)譜電路的工作狀態(tài)[4]。

1 系統(tǒng)結構設計原理

圖1 電路系統(tǒng)結構框圖

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，在晶體內部產生電離，電離產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部經多級倍增放大，在陽極產生電荷信號脈沖，其陽極信號的放大與光電倍增管的高壓存在指數增長關系[5]，本設計電路利用stm32f407調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；電荷脈沖信號經放大電路進入信號脈沖幅度調整電路，脈沖幅度調整電路可以在信號脈沖幅度上進行電平電壓的疊加，調整信號的增加或減小，利用stm32f407控制脈沖幅度調整電路調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道全譜數據；并通過單片機電路發(fā)送到能譜數據收錄系統(tǒng)；在數據收錄系統(tǒng)中運行的穩(wěn)譜軟件，循環(huán)不斷的對接收到的1 024道全譜數據進行設定時間的計數累加，當設定的計數累加時間結束，大量的能譜測量累加數據，特征峰計數曲線符合高斯分布[6]，穩(wěn)譜尋峰程序利用逐道比較法在1 024道能譜測量累加數據中尋找可用的特征峰以及特征峰數據的左右邊界，計算特征峰位計數的中心峰位和中心峰位與標準峰位的偏移大小，以及特征峰位之間的相對記錄數據位置的偏移量，計算出調整控制參數并通過串口發(fā)送到stm32f407控制單元，利用stm32f407控制穩(wěn)譜電路執(zhí)行相關功能的穩(wěn)峰操作，穩(wěn)定能譜特征鋒位的數據記錄，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)的伽瑪能譜測量數據計數累加中，各道能譜數據計數經一定時間的測量數據累加，累加數據中放射性元素能譜特征峰計數曲線符合正態(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，i代表能譜道數。

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如表1所示。

表1 放射性元素特征峰位

2 系統(tǒng)硬件設計

放射性能譜測量自動穩(wěn)譜電路設計包括：1)stm32f407單片機數據傳輸和穩(wěn)譜控制電路：負責接收多道能譜分析器發(fā)送的1 024道能譜數據，并通過串口將接收的能譜數據發(fā)送到數據收錄系統(tǒng)，通過串口接收穩(wěn)譜控制命令并執(zhí)行穩(wěn)譜命令的相關操作;2)由stm32f407控制的光電倍增管高壓調整控制電路;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。

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

2.1 stm32F407單片機數據傳輸和控制電路設計

穩(wěn)譜控制處理電路采用ST公司Cortex M4內核stm32f407單片機及外圍電路構成；利用stm32f407單片機接收能譜多道分析器電路發(fā)送的1 024道全譜數據，并通過串口將接收到的全譜數據發(fā)送到數據收錄系統(tǒng)，同時stm32F4單片機通過串口接收數據收錄系統(tǒng)發(fā)來的穩(wěn)譜控制命令，根據穩(wěn)譜命令內容控制光電倍增管的高壓調整和控制信號脈沖幅度調整電路的電平調整數值；STM32F407單片機設計電路如圖3所示。

圖3 stm32f407單片機控制電路電路設計圖

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

2.2 光電倍增管高壓調整控制電路設計

光電倍增管高壓調整由程序命令進行控制，高壓調整電路設計如圖4所示，高壓模塊選用HG-P152-1M66，高壓輸出為0～1 500 V，高壓調整控制電壓為0～5 V；設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，增強電路的兼容性，設計電路高壓調整范圍為700～1 400 V；光電倍增管高壓調整控制是由stm32f407單片機D/A模擬輸出來實現(xiàn)，設置單片機控制電壓輸出范圍為：0～2.5 V，由J2插口送入高壓調整控制電路，與MAX6062輸出的基準電壓疊加，控制高壓模塊的調整電壓輸入端，電路中放大電路芯片采用AD8065，AD8065輸出端電壓設計符合下式規(guī)律：VHV-ADJ=VD/A+2，輸出的調整控制電壓2～4.5 V，對應高壓輸出范圍為650～1 400 V。

圖4 高壓調整電路設計圖

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整由程序命令控制，設計電路如圖5所示。信號脈沖幅度調整設計為：信號脈沖到來時允許進行幅度調整，信號脈沖消失后保持基線狀態(tài)，信號脈沖幅度調整功能不起作用；電路設計主要包括放大電路、信號比較電路和高速電子開關電路構成，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比較器產生與接收到的信號脈沖同步的方波信號，控制SGM7222電子開關的導通與關閉，保證只有信號脈沖到來時，才起調節(jié)作用；SGM7222模擬開關控制信號為高電平時，將單片機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)譜控制控制命令數據轉換得到，模擬電壓作為信號脈沖幅度增加或減小的調整值；SGM7222模擬開關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節(jié)大小及方向由運行在數據收錄系統(tǒng)的自動穩(wěn)譜程進行控制，STM32f407單片機通過串口接收發(fā)送來的穩(wěn)譜命令，操縱脈沖幅度調整電路執(zhí)行相應的命令動作，單片機通過對兩個電子開關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PD0口操縱的SGM3001電子開關控制信號脈沖幅度的增加操作，PD1口連接的SGM3001電子開關控制信號基脈沖幅度的減小操作[11-12]。

圖5 信號脈沖幅度調整電路設計圖

2.4 電源電路

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

3 穩(wěn)譜電路控制軟件設計

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據進行累加，在設定的數據累加時間結束，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據偏移，以及各特征峰位的相對偏移數據，通過串口向stm32f407單片機控制電路發(fā)送相應的能譜特征峰數據計數偏離調整命令，stm32f407單片機控制和操縱穩(wěn)譜電路執(zhí)行相應命令的數據操作；

自動穩(wěn)譜電路控制采用stm32f407單片機，stm32f407軟件編程包括單片機系統(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，單片機初始化程序完畢后自動進入數據傳輸狀態(tài)，將從能譜多道分析器電路接收到的1 024道全譜數據，通過串口發(fā)送到數據收錄系統(tǒng)，同時不斷的監(jiān)測串口輸入，通過串口接收數據收錄系統(tǒng)發(fā)出的穩(wěn)譜操作指令，根據穩(wěn)譜控制命令執(zhí)行相應的電路操作。stm32f407單片機接收穩(wěn)譜數據指令，調整控制程序設計如圖6所示。

圖6 stm32f407單片機控制程序設計框圖

stm32f407單片機通過PC11引腳接收多道能譜分析器發(fā)出的1 024道全譜數據，通過DMA通道傳輸到串口發(fā)送緩沖區(qū)，按照相應的數據格式通過串口發(fā)送引腳PA9實時向收錄系統(tǒng)發(fā)送所接收的1 024道全譜數據，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，命令格式設計為：高壓調整命令為：Vdddd 加回車換行符結束，其中“V”為英文大寫字母，后跟的“dddd”為4位要調整的十進制數據，01 000峰位道數向高偏移調整，dddd<1 000峰位道數向低偏移調整，900

4 系統(tǒng)測試分析

系統(tǒng)測試利用串口軟件程序通過串口分別發(fā)送高壓調整命令和脈沖信號幅度調整命令，檢查調整電路對調整參數的反應狀態(tài)。

4.1 光電倍增管高壓與調整參數對應關系測試

光電倍增管工作點設定高壓為1 207 V，對應的調整數據為2 178，以2 178為調整數據中心點，連續(xù)的增加和減小數值，測試高壓的變化；高壓調整參數測試數據如表2所示。

表2 調整參數與高壓測試表

由測量數據得到調整數據與高壓輸出線性趨勢線：y=0.263 3x+633.41，線性相關系數R2=0.999 7。

由高壓調整測試數據表顯示，光電倍增管高壓由單片機控制可以進行0.2～0.3伏的變化的調整，對于鉀道1.76 MeV的特征峰有0.4道左右變化量的調整，且測試數據的線性度比較好，滿足高壓調整設計的要求。

4.2 信號脈沖增加消減電平電路測試

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

表3 脈沖幅度調整參數與能譜偏移道數測試表

由測量數據得到峰位調整參數與能譜道數偏移趨勢線：y=0.406 1x+406.12，線性相關系數R2=0.999 9。

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

5 結束語

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據的漂移，提高伽瑪能譜測量數據的質量、起著非常重要的作用；對于溫差較大時，能譜數據的漂移往往是非線性的[1]，本穩(wěn)譜電路設計采用軟件控制，利用改變光電倍增管高壓的方式調整信號增益，在能譜測量信號脈沖上疊加控制電平、調整能譜信號相對基線的漂移變化，結合兩種調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特征峰位測量數據線性擬合R2=0.999 9，1 024道能譜測量數據特征峰最大峰漂1.5道，達到了穩(wěn)譜電路設計的要求[10]。穩(wěn)譜軟件程序對光電倍增管的高壓控制可以達到0.2～0.3 V調整變化；軟件程序對信號幅度增量的調整控制，由于受到單片機D/A輸出精度限制，信號幅度調整電路最小調整增量電平為0.9 mV，為提高調整精度設計可以采用更高精度的外部D/A電路。