基于發光二極管的穩譜技術研究

謝思亞，王國寶，田星皓，劉 超

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀在放射性測量中以較高的發光效率、良好的能量線性和高探測效率等優點得到廣泛應用。但NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀易受溫度影響，在使用環境惡劣、溫度變化范圍大的情況下，會造成能譜的漂移[1-2]，使核素識別難度增加。因此，對NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀進行穩譜十分必要。目前國內外主要穩譜技術有γ參考源穩譜[3]、α參考源穩譜[4]、軟件穩譜[5]及增加恒溫裝置[6]等。相較于這些穩譜方法， LED穩譜方法成本低、安全可靠，不會給環境、運輸和使用帶來隱患。還可根據需要調節LED參考峰能量使之穩定在合適的位置，不但中低能量時可以采用，還可用于高能量測量，從而拓寬了NaI(Tl)閃爍γ射線譜儀的應用場合。此外，LED參考峰干凈，不會像γ參考源穩譜有Compton散射影響低能段的被測信息[7]。

基于LED的穩譜技術，國外在二十世紀末已開展相關研究[8,10]，并在少數測量儀器上得到了實際的應用，取得較好效果。如：identiFINDER-2型手持式核素識別儀[9]，CANBERRA公司和Saint-Gobain公司已可提供成熟的內置LED的NaI(Tl)探測器。在國內，海軍核化安全研究所李洋等[7]初步實現LED脈沖恒流供電，分析出恒流脈沖驅動LED用于穩譜可行；上海應用技術大學卞治權[11]采用SMT32作為LED驅動，并且使用算法進行控制；南華大學文群等[12]使用精密脈沖發生器驅動各種顏色的LED光源，發現藍光LED與光電倍增管匹配效果較好; 曾菱等[13]在閃爍能譜儀中作為參考光源使用的藍光二極管。但目前國內對于LED穩譜技術的應用都是基于進口的內置LED的NaI(Tl)探測器，而有關自主搭建LED穩譜系統的文章中，并未給出具體核素識別結果及技術指標，實際上未實現國產化。因此，自主搭建基于LED的穩譜系統，進行溫度實驗并擬合曲線，進行深入研究非常必要。

本研究自主搭建基于藍光LED的穩譜系統，通過實驗對比-25 ℃～+55 ℃溫度范圍下穩譜前與穩譜后不同放射源(241Am、137Cs、60Co、133Ba、152Eu)的峰位漂移量，查看穩譜效果。

1 實驗原理

1.1 LED穩譜原理

NaI(Tl)閃爍體的發光效率受溫度影響是NaI(Tl)譜漂移的重要因素。在不同溫度下，NaI(Tl)閃爍體的發光效率發生變化，則意味著同樣能量的γ射線進入閃爍體中，閃爍體光產額要發生變化，其結果是輸出電壓脈沖幅度不同，造成譜的漂移。此外，譜儀系統中高壓電源電流、光電倍增管、放大器的放大倍數等都會隨溫度發生變化，能譜的漂移導致能譜解析困難和強度測量誤差[9]。

LED的穩譜方法屬于參考源穩譜的一種，該方法是在NaI(Tl)閃爍體中靠近光電倍增管的一端內嵌一個藍色氮化鎵基發光二極管(LED)，當LED發出的光經過光電倍增管、放大濾波電路及多道分析器后，產生一個參考峰，用于穩譜。需要給LED設計一種脈沖驅動電路，通過程序控制實現脈沖頻率、幅度、占空比均可調。實驗獲得LED輸出的參考峰位、放射源峰位與溫度變化關系，擬合出溫度變化曲線，再結合軟件方式進行參數校正，最終達到穩定γ能譜的目的。圖1所示為系統設計框圖。

圖1 系統設計框圖Fig.1 System design block diagram

1.2 驅動電路設計

利用LED穩譜的關鍵是獲得穩定的LED光脈沖，LED的驅動方式有兩種：恒壓驅動和恒流驅動。考慮到恒壓驅動受溫度影響很大，因此實驗中采用的是基于SD42511芯片的恒流驅動方式。在本實驗中，利用SD42511芯片設計了圖2所示的應用電路圖。輸入一個5 V的脈沖方波信號，其脈沖寬度和脈沖頻率可根據實驗需要進行調節，輸出恒定電流，驅動LED發光，經過調節脈沖寬度和脈沖頻率，使得LED峰位穩定在能譜合適的位置。

圖2 電流模式的LED驅動器Fig.2 LED driver in current mode

通過恒流驅動器可使LED穩定發光，將LED嵌入到NaI(Tl)晶體中，LED發出的光經過光電倍增管、放大濾波電路及多道后，室溫下在計算機上獲得參考峰如圖3所示，能量分辨率為2.89%。

圖3 室溫恒流驅動下的LED參考峰Fig.3 LED reference peak under constant current drive at room temperature

同時測量LED與放射源(241Am、137Cs、60Co)能譜，獲得圖4所示能譜圖，表明此時LED參考峰位置和高度滿足后續實驗要求。

圖4 0 ℃時LED與放射源(241Am、137Cs、60Co)能譜圖Fig.4 Energy spectrum of LED and radiation source (241Am、137Cs、60Co) at 0 ℃

2 溫度實驗與曲線擬合

2.1 溫度實驗

本實驗中使用TEMAK公司TMJ-9712ESS718型高低溫實驗箱進行高低溫實驗。將探測器(NaI(Tl)閃爍體、LED、光電倍增管)放入高低溫實驗箱內，同時，將放射源(241Am、137Cs、60Co)放在高低溫實驗箱內探測器附近，在-25 ℃～+55 ℃溫度范圍，每隔5 ℃，待熱交換平衡后，記錄LED參考峰位及放射源峰位，每個溫度點記錄10個數據，每個溫度點的10個數據變化小于±1道，取平均值，得到了圖5所示的LED參考峰位隨溫度變化曲線以及圖6所示的放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位隨溫度變化曲線。

圖5 LED參考峰位隨溫度變化曲線Fig.5 LED reference peak position as a function of temperature

可以看出，在-25 ℃～+25 ℃溫度范圍內LED峰位變化較少，但呈線性，溫度繼續升高，峰位變化明顯，也基本呈線性，依據這種情況，可進行分段擬合。

圖6 放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位隨溫度變化曲線Fig.6 Curve of peak position of radioactive source (241Am, 137Cs, 60Co) as a function of temperature

2.2 曲線擬合

在Origin軟件中，利用分段線性擬合方式擬合LED參考峰隨溫度變化曲線，之后采用非線性曲線擬合方式擬合出LED參考峰位與放射源(241Am、137Cs、60Co)各峰位的修正關系曲線，依據修正關系曲線進行穩譜。公式如下：Ey=a*E2+b*E+c，其中E代表修正前放射源峰位，Ey代表修正后放射源峰位， a、b、c為與LED峰位有關的參數。

3 穩譜測試

利用Origin完成曲線擬合后，利用Matlab進行理論修正，發現在-25 ℃～+55 ℃溫度范圍內，實測放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位經過修正關系曲線的修正后，得到的結果與理論值(241Am(59 keV)、137Cs(661 keV)、60Co(1 173 keV、1 332 keV))相差在±5%以內，穩譜效果明顯，結果如圖7所示。

圖7 穩譜后放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位隨溫度變化曲線Fig.7 Variation curve of peak position of radiation source(241Am、137Cs、60Co) with temperature after spectrum stabilization

為了進一步驗證實驗所得修正關系曲線的準確性，對133Ba及152Eu兩種放射源在-20 ℃、20 ℃及+40 ℃溫度條件下測量能譜，獲得了穩譜前和穩譜后兩種放射源的峰位信息，實驗結果示于圖8、圖9。

圖8 穩譜前放射源(133Ba、152Eu)各峰位隨溫度變化曲線Fig.8 Variation curve of each peak position of the radiation source (133Ba、152Eu) with temperature before temperature stabilization

圖9 穩譜后放射源(133Ba、152Eu)各峰位隨溫度變化曲線Fig.9 Variation curve of each peak position of the radiation source(133Ba、152Eu) with temperature after spectrum stabilization

由上述實驗數據經過計算后可得，穩譜前133Ba、152Eu各峰位在-20 ℃、+20 ℃、+40 ℃的漂移量部分超過10%；穩譜后133Ba、152Eu各峰位在-20 ℃、+20 ℃、+40 ℃的漂移量均在±5%以內。通常，核素識別過程中，若峰位漂移量在±5%以內，核素可以被較好識別。因此，在-25 ℃～+55 ℃溫度范圍內利用LED進行穩譜可行。

4 結論

本文設計并實現了一種基于LED的γ射線譜儀穩譜技術，成功自主搭建了LED穩譜系統，通過LED發光在能譜中產生參考峰進而達到穩定能譜的目的，初步實現了該技術的國產化。證明基于LED的穩譜方式具有安全可靠、可拓寬γ射線譜儀應用場合等優點。經測試表明，穩譜前，溫度在較大范圍內變化時不同放射源能譜峰位都有較大程度的漂移，部分溫度下漂移量超過10%；穩譜后，該技術將寬溫度范圍內放射源能譜峰位漂移量降低到±5%以內，與國外同類產品相比，可達到基本相同的使用效果，可滿足在實際應用中的需要，實現了溫度在較大范圍內變化時對γ射線譜儀進行有效穩譜。