口袋式伽馬能譜儀研制

李鈺龍， 王忠海， 高 泰， 陳 琦， 趙倩儒， 董春輝， 周 榮， 楊朝文

(四川大學輻射物理與技術教育部重點實驗室， 成都 610065)

1 引 言

便攜式能譜儀在環境輻射監測[1]、放射性活度鑒定[2-3]、無損檢測[4-5]等領域有著重要的應用. 傳統的伽馬譜儀可分為兩種：一種是基于獨立的探測器、電子學插件和PC機組成的傳統能譜測量儀，它重量大、體積大，一般放置于實驗室中使用；另一種是手持式能譜測量儀，主要應用于野外環保監察和核設施設備巡查等. 但即使是手持式便攜能譜儀，其常規體積也相近于一臺投影儀，重約3～5 kg(例如CANBERRA InSpectorTM1000). 較大的體積和重量一定程度地影響了工作效率，限制了能譜儀的應用范圍. 小體積、高性能、低功耗已經成為便攜式譜儀的發展趨勢. 劉毅等人[6]采用GAGG:Ce晶體耦合SiPM的方式，成功研制了一款小體積高分辨的伽馬相機. 但由于其數據采集及處理系統采用ADC+FPGA的框架，未能解決低成本、低功耗等問題. 本文借鑒其GAGG:Ce閃爍晶體耦合SiPM的方式，同時利用最新的高性能ARM處理器平臺，設計一套信號采集處理電路，研制一套集成度更高、成本更低、體積更小以及功耗更低的口袋式能譜測量儀.

2 晶體和探測器

2.1 閃爍晶體

近年來，高能物理、行李檢測和醫學成像等領域發展迅速，其中作為探測器核心部分的閃爍晶體也有了眾多的研究成果. 高靈敏度、高光輸出、發光衰減時間短和高能量分辨率等特性是閃爍晶體的發展目標.Gd3(Al1-xGax)5O12:Ce(簡寫GAGG:Ce)是基于LuAG：Ge晶體進行替代參雜Gd3+，Ga3+而生長出的多組分石榴石閃爍晶體. GAGG:Ce屬于立方晶體，呈淡黃色，與其他晶體相比，具有很多優點：不易潮解，相比于NaI(Tl)，CsI(Na)等晶體長期穩定性更好；不含Lu元素，沒有自身本底放射性，相比于LaBr3(Ce)，LSO等晶體更適合作為低劑量能譜儀的晶體材料[6]；密度大(6.63 g/cm3)，發光衰減時間短(<100 ns)，相比于其他晶體具有更高的探測效率[7-8]；不同濃度的Gd3+，Ga3+元素參雜比生長出的晶體光產額差值較小，在對尺寸要求較大的領域，相比于其他晶體性能表現更加優異，具有更大的應用前景[9]. 本文選用日本C&A公司研制的High resolution型GAGG:Ce晶體，尺寸12 mm*12 mm*12 mm，晶體六面拋光，其中五面貼有反射膜層(圖1).

圖1 日本C&A公司研制的High resolution型GAGG:Ce晶體

2.2 SiPM硅光電倍增管

光電倍增管(PMT)是輻射探測領域應用最為廣泛的弱光探測器. 光電倍增管的電子倍增可以達到104～108倍[10]，具有高量子效率，高靈敏度與超快事件響應等優點[11-13]. 但是PMT為真空器件，具有體積較大、需工作在高電壓下、光譜響應范圍窄、探測效率受光陰極限制等缺點[14].這限制了便攜式能譜儀性能的進一步提高. 上世紀九十年代，一種新型的光電探測器概念“硅光電倍增管(Siliconphotomultiplier, SiPM)”被提出[15]. SiPM具有體積小、探測效率高、增益高(105～106)、工作電壓低(20～70 V)[16]、單光子分辨能力強(2 ns)[17]、對磁場不敏感等特點[18]. 相比于傳統的PMT，SiPM更適合應用于口袋式能譜儀. 目前SiPM器件已經在輻射探測的多個應用領域得到了成功實踐，例如：高能物理實驗裝置[19]和核醫學影像設備PET[20].

本文選用SensL公司生產的ARRAYJ-60035-4P-BGA像素型SiPM，像素面積為6.13 mm×6.13 mm，靈敏面積為6.07 mm×6.07 mm. 每個SiPM內有22 292個微像素單元APD，用4個SiPM組成2×2的SiPM陣列，相鄰的兩個SiPM間隔0.2 mm，整個SiPM陣列的面積為12.46 mm×12.46 mm. 表1給出了SensL J-60035系列SiPM基本信息.

表1 SensL J-60035系列SiPM基本信息

3 信號處理電路

圖2為口袋式能譜儀的信號處理電路結構框圖. 探測器獲取的核信號經模擬電路放大整形后，由ARM自帶的模數轉換器(ADC)進行信號采集. 采集后的數據經數據處理模塊依次實現脈沖觸發、波形平滑、峰值提取、能譜統計等處理后，將測得能譜存儲在片內數據存儲模塊中. 測量時間由片內時鐘計數器(RTC)控制，數據交互模塊用于能譜儀與PC間的USB通信控制，實現各項參數的設置與數據的讀出.

圖2 口袋式譜儀電子學硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of pocket spectrometer

3.1 模擬電路設計

由于GAGG晶體光產額較大，且SiPM增益較高，使得前端探測器輸出電流較大，所以本文選擇將SiPM陣列的四路電流信號經過電阻端接到地的方式把電流信號轉換為電壓信號，然后由加法電路進行求和放大輸出. 主放大器電路包含4個運算放大器：第一個運算放大器和最后一個運算放大器只對輸入的脈沖波形進行放大，以提高帶載能力和匹配ADC的輸入動態范圍；中間兩個運算放大器組合成兩個二階低通Sallen-Key濾波器，濾除高頻噪聲，同時對信號進行高斯成形. 電路設計框圖如圖3所示.

圖3 口袋式譜儀模擬電路設計Fig.3 Analog circuit design of pocket spectrometer

3.2 多道處理電路

ARM微處理器是英國Acorn公司設計的高性能RISC微處理器. 近年來，ARM微處理器技術在多道γ探測器領域有了一定的研究成果.黃凱等人[21]利用外接高速ADC的方法構建了一個可多任務運行的便攜式γ譜儀，但降低了系統的集成度與穩定性. 解洪亮等人[22]研制的γ譜儀則利用ARM本身自帶的ADC實現數據采集，但是譜儀的整體性能受到采樣率的限制. 為了解決以上問題，本文選用ARM產品最新的低功耗系列STM32L4R5ZI作為核心處理器，設計了由ARM內部模數轉換器(ADC)、比較器(COMP)、數模轉換器(DAC)組成的多道數據處理模塊. 主放大電路的輸出信號被分成兩個通道送入ADC端口與COMP端口，COMP的比較電壓由DAC提供. 當COMP檢測到有效信號的上升沿時，觸發內部中斷，提示數據處理模塊讀取ADC采樣數據，接著等待下一次的COMP中斷觸發. 通過該解決方案，處理器可以準確地甄別出有效信號，篩選掉無效的基線數據，節省CPU消耗，極大地提高系統的計數率，增加系統的集成度與穩定性.

3.3 電源電路設計

口袋式能譜儀的最大的特點在于其具有良好便攜性，而便攜性設備的一個非常重要的問題就是供電問題. 為了提高系統便攜性與可擴展能力，我們設計了基于單顆鋰電池的電源驅動電路，結構框圖如圖4所示. 鋰電池輸出通過線性電源降壓為3.3 V為ARM供電，通過電荷泵升壓到5 V為放大器供電；通過開關電源升壓和線性電源穩壓后給SiPM供電，同時根據溫度傳感器返回數據，采用數字電位器對SiPM供電偏壓進行實時調節，實現溫度修正.

圖4 電源方案框圖Fig.4 Power supply scheme block diagram

4 系統性能測試

系統測試模型如圖5所示，為了提供穩定的測試環境，譜儀的所有性能測試均在封閉的暗箱中進行，室內環境溫度在16± 0.2 ℃，SiPM的工作電壓為29.5 V，放射源置于晶體前端1 cm處. 晶體由ESR鏡面反射膜包裹，出光面通過光學硅脂與SiPM耦合. 暗箱上留有USB接口，可保證PC與譜儀的數據通信.

圖5 實驗測試模型圖Fig.5 Experimental test model diagram

4.1 電子學實物

圖6展示了口袋式能譜儀電子學部分的實物圖. 前端電路部分包括SiPM陣列與前端放大電路，電路板尺寸30 mm×30 mm；后端電路部分包括主放大電路、ARM處理器核心電路與電源管理電路，電路尺寸70 mm×30 mm. 所有的電子元器件均采用低功耗系列元器件，保證了功耗的最優化.

圖6 口袋式能譜儀電子學實物圖

4.2 功 耗

口袋式能譜測量儀采用3.7 V鋰電池供電，電池容量3 400 mAh. 譜儀的工作電流為130 mA，功率為481 mW，可連續工作26 h.

4.3 能譜性能測試

為了確定系統能譜性能，使用口袋式能譜儀樣機對常見放射源進行了能譜測量，包括241Am，57Co，133Ba，137Cs，54Mn，60Co放射源. 不同放射源全能峰峰位如表2所示. 所有的測試都是在暗箱中進行，單個能譜測量時間為300 s. 通過對7個能量點進行線性擬合，口袋式能譜儀在60～1 332 keV能量區間的線性擬合優度R2=0.996，能量線性曲線如圖7所示.

表2 性能測試使用的放射源信息

圖7 口袋式能譜儀能量響應線性曲線

根據圖7的能量響應線性曲線對口袋式能譜儀樣機完成能譜刻度. 圖8給出了能量刻度后的137Cs能譜. 通過對137Cs全能峰進行高斯擬合，計算得到662 keV時的能量分辨率為5.2%.

圖8 口袋式能譜儀測量的137Cs能譜

本文采用SiPM耦合GAGG:Ce閃爍晶體的方式，以ARM作為系統核心處理器，利用其內部集成的ADC和COMP等外設，成功研制了一款低成本、小體積、低功耗、高性能的口袋式能譜測量儀. 經過測試，該口袋式譜儀具有良好的能量線性響應和較好的能量分辨率. 該儀器可應用于野外測量，核設施設備巡查，個人劑量測量以及科學實驗等領域. 在后續的研究中，將進一步優化探測器設計，改進電路噪聲，提高系統性能.