基于发光二极管的稳谱技术研究

谢思亚，王国宝，田星皓，刘 超

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

NaI(Tl)闪烁γ射线谱仪在放射性测量中以较高的发光效率、良好的能量线性和高探测效率等优点得到广泛应用。但NaI(Tl)闪烁γ射线谱仪易受温度影响，在使用环境恶劣、温度变化范围大的情况下，会造成能谱的漂移[1-2]，使核素识别难度增加。因此，对NaI(Tl)闪烁γ射线谱仪进行稳谱十分必要。目前国内外主要稳谱技术有γ参考源稳谱[3]、α参考源稳谱[4]、软件稳谱[5]及增加恒温装置[6]等。相较于这些稳谱方法， LED稳谱方法成本低、安全可靠，不会给环境、运输和使用带来隐患。还可根据需要调节LED参考峰能量使之稳定在合适的位置，不但中低能量时可以采用，还可用于高能量测量，从而拓宽了NaI(Tl)闪烁γ射线谱仪的应用场合。此外，LED参考峰干净，不会像γ参考源稳谱有Compton散射影响低能段的被测信息[7]。

基于LED的稳谱技术，国外在二十世纪末已开展相关研究[8,10]，并在少数测量仪器上得到了实际的应用，取得较好效果。如：identiFINDER-2型手持式核素识别仪[9]，CANBERRA公司和Saint-Gobain公司已可提供成熟的内置LED的NaI(Tl)探测器。在国内，海军核化安全研究所李洋等[7]初步实现LED脉冲恒流供电，分析出恒流脉冲驱动LED用于稳谱可行；上海应用技术大学卞治权[11]采用SMT32作为LED驱动，并且使用算法进行控制；南华大学文群等[12]使用精密脉冲发生器驱动各种颜色的LED光源，发现蓝光LED与光电倍增管匹配效果较好; 曾菱等[13]在闪烁能谱仪中作为参考光源使用的蓝光二极管。但目前国内对于LED稳谱技术的应用都是基于进口的内置LED的NaI(Tl)探测器，而有关自主搭建LED稳谱系统的文章中，并未给出具体核素识别结果及技术指标，实际上未实现国产化。因此，自主搭建基于LED的稳谱系统，进行温度实验并拟合曲线，进行深入研究非常必要。

本研究自主搭建基于蓝光LED的稳谱系统，通过实验对比-25 ℃～+55 ℃温度范围下稳谱前与稳谱后不同放射源(241Am、137Cs、60Co、133Ba、152Eu)的峰位漂移量，查看稳谱效果。

1 实验原理

1.1 LED稳谱原理

NaI(Tl)闪烁体的发光效率受温度影响是NaI(Tl)谱漂移的重要因素。在不同温度下，NaI(Tl)闪烁体的发光效率发生变化，则意味着同样能量的γ射线进入闪烁体中，闪烁体光产额要发生变化，其结果是输出电压脉冲幅度不同，造成谱的漂移。此外，谱仪系统中高压电源电流、光电倍增管、放大器的放大倍数等都会随温度发生变化，能谱的漂移导致能谱解析困难和强度测量误差[9]。

LED的稳谱方法属于参考源稳谱的一种，该方法是在NaI(Tl)闪烁体中靠近光电倍增管的一端内嵌一个蓝色氮化镓基发光二极管(LED)，当LED发出的光经过光电倍增管、放大滤波电路及多道分析器后，产生一个参考峰，用于稳谱。需要给LED设计一种脉冲驱动电路，通过程序控制实现脉冲频率、幅度、占空比均可调。实验获得LED输出的参考峰位、放射源峰位与温度变化关系，拟合出温度变化曲线，再结合软件方式进行参数校正，最终达到稳定γ能谱的目的。图1所示为系统设计框图。

图1 系统设计框图Fig.1 System design block diagram

1.2 驱动电路设计

利用LED稳谱的关键是获得稳定的LED光脉冲，LED的驱动方式有两种：恒压驱动和恒流驱动。考虑到恒压驱动受温度影响很大，因此实验中采用的是基于SD42511芯片的恒流驱动方式。在本实验中，利用SD42511芯片设计了图2所示的应用电路图。输入一个5 V的脉冲方波信号，其脉冲宽度和脉冲频率可根据实验需要进行调节，输出恒定电流，驱动LED发光，经过调节脉冲宽度和脉冲频率，使得LED峰位稳定在能谱合适的位置。

图2 电流模式的LED驱动器Fig.2 LED driver in current mode

通过恒流驱动器可使LED稳定发光，将LED嵌入到NaI(Tl)晶体中，LED发出的光经过光电倍增管、放大滤波电路及多道后，室温下在计算机上获得参考峰如图3所示，能量分辨率为2.89%。

图3 室温恒流驱动下的LED参考峰Fig.3 LED reference peak under constant current drive at room temperature

同时测量LED与放射源(241Am、137Cs、60Co)能谱，获得图4所示能谱图，表明此时LED参考峰位置和高度满足后续实验要求。

图4 0 ℃时LED与放射源(241Am、137Cs、60Co)能谱图Fig.4 Energy spectrum of LED and radiation source (241Am、137Cs、60Co) at 0 ℃

2 温度实验与曲线拟合

2.1 温度实验

本实验中使用TEMAK公司TMJ-9712ESS718型高低温实验箱进行高低温实验。将探测器(NaI(Tl)闪烁体、LED、光电倍增管)放入高低温实验箱内，同时，将放射源(241Am、137Cs、60Co)放在高低温实验箱内探测器附近，在-25 ℃～+55 ℃温度范围，每隔5 ℃，待热交换平衡后，记录LED参考峰位及放射源峰位，每个温度点记录10个数据，每个温度点的10个数据变化小于±1道，取平均值，得到了图5所示的LED参考峰位随温度变化曲线以及图6所示的放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位随温度变化曲线。

图5 LED参考峰位随温度变化曲线Fig.5 LED reference peak position as a function of temperature

可以看出，在-25 ℃～+25 ℃温度范围内LED峰位变化较少，但呈线性，温度继续升高，峰位变化明显，也基本呈线性，依据这种情况，可进行分段拟合。

图6 放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位随温度变化曲线Fig.6 Curve of peak position of radioactive source (241Am, 137Cs, 60Co) as a function of temperature

2.2 曲线拟合

在Origin软件中，利用分段线性拟合方式拟合LED参考峰随温度变化曲线，之后采用非线性曲线拟合方式拟合出LED参考峰位与放射源(241Am、137Cs、60Co)各峰位的修正关系曲线，依据修正关系曲线进行稳谱。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为与LED峰位有关的参数。

3 稳谱测试

利用Origin完成曲线拟合后，利用Matlab进行理论修正，发现在-25 ℃～+55 ℃温度范围内，实测放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位经过修正关系曲线的修正后，得到的结果与理论值(241Am(59 keV)、137Cs(661 keV)、60Co(1 173 keV、1 332 keV))相差在±5%以内，稳谱效果明显，结果如图7所示。

图7 稳谱后放射源(241Am、137Cs、60Co)峰位随温度变化曲线Fig.7 Variation curve of peak position of radiation source(241Am、137Cs、60Co) with temperature after spectrum stabilization

为了进一步验证实验所得修正关系曲线的准确性，对133Ba及152Eu两种放射源在-20 ℃、20 ℃及+40 ℃温度条件下测量能谱，获得了稳谱前和稳谱后两种放射源的峰位信息，实验结果示于图8、图9。

图8 稳谱前放射源(133Ba、152Eu)各峰位随温度变化曲线Fig.8 Variation curve of each peak position of the radiation source (133Ba、152Eu) with temperature before temperature stabilization

图9 稳谱后放射源(133Ba、152Eu)各峰位随温度变化曲线Fig.9 Variation curve of each peak position of the radiation source(133Ba、152Eu) with temperature after spectrum stabilization

由上述实验数据经过计算后可得，稳谱前133Ba、152Eu各峰位在-20 ℃、+20 ℃、+40 ℃的漂移量部分超过10%；稳谱后133Ba、152Eu各峰位在-20 ℃、+20 ℃、+40 ℃的漂移量均在±5%以内。通常，核素识别过程中，若峰位漂移量在±5%以内，核素可以被较好识别。因此，在-25 ℃～+55 ℃温度范围内利用LED进行稳谱可行。

4 结论

本文设计并实现了一种基于LED的γ射线谱仪稳谱技术，成功自主搭建了LED稳谱系统，通过LED发光在能谱中产生参考峰进而达到稳定能谱的目的，初步实现了该技术的国产化。证明基于LED的稳谱方式具有安全可靠、可拓宽γ射线谱仪应用场合等优点。经测试表明，稳谱前，温度在较大范围内变化时不同放射源能谱峰位都有较大程度的漂移，部分温度下漂移量超过10%；稳谱后，该技术将宽温度范围内放射源能谱峰位漂移量降低到±5%以内，与国外同类产品相比，可达到基本相同的使用效果，可满足在实际应用中的需要，实现了温度在较大范围内变化时对γ射线谱仪进行有效稳谱。