口袋式伽马能谱仪研制

李钰龙， 王忠海， 高 泰， 陈 琦， 赵倩儒， 董春辉， 周 荣， 杨朝文

(四川大学辐射物理与技术教育部重点实验室， 成都 610065)

1 引 言

便携式能谱仪在环境辐射监测[1]、放射性活度鉴定[2-3]、无损检测[4-5]等领域有着重要的应用. 传统的伽马谱仪可分为两种：一种是基于独立的探测器、电子学插件和PC机组成的传统能谱测量仪，它重量大、体积大，一般放置于实验室中使用；另一种是手持式能谱测量仪，主要应用于野外环保监察和核设施设备巡查等. 但即使是手持式便携能谱仪，其常规体积也相近于一台投影仪，重约3～5 kg(例如CANBERRA InSpectorTM1000). 较大的体积和重量一定程度地影响了工作效率，限制了能谱仪的应用范围. 小体积、高性能、低功耗已经成为便携式谱仪的发展趋势. 刘毅等人[6]采用GAGG:Ce晶体耦合SiPM的方式，成功研制了一款小体积高分辨的伽马相机. 但由于其数据采集及处理系统采用ADC+FPGA的框架，未能解决低成本、低功耗等问题. 本文借鉴其GAGG:Ce闪烁晶体耦合SiPM的方式，同时利用最新的高性能ARM处理器平台，设计一套信号采集处理电路，研制一套集成度更高、成本更低、体积更小以及功耗更低的口袋式能谱测量仪.

2 晶体和探测器

2.1 闪烁晶体

近年来，高能物理、行李检测和医学成像等领域发展迅速，其中作为探测器核心部分的闪烁晶体也有了众多的研究成果. 高灵敏度、高光输出、发光衰减时间短和高能量分辨率等特性是闪烁晶体的发展目标.Gd3(Al1-xGax)5O12:Ce(简写GAGG:Ce)是基于LuAG：Ge晶体进行替代参杂Gd3+，Ga3+而生长出的多组分石榴石闪烁晶体. GAGG:Ce属于立方晶体，呈淡黄色，与其他晶体相比，具有很多优点：不易潮解，相比于NaI(Tl)，CsI(Na)等晶体长期稳定性更好；不含Lu元素，没有自身本底放射性，相比于LaBr3(Ce)，LSO等晶体更适合作为低剂量能谱仪的晶体材料[6]；密度大(6.63 g/cm3)，发光衰减时间短(<100 ns)，相比于其他晶体具有更高的探测效率[7-8]；不同浓度的Gd3+，Ga3+元素参杂比生长出的晶体光产额差值较小，在对尺寸要求较大的领域，相比于其他晶体性能表现更加优异，具有更大的应用前景[9]. 本文选用日本C&A公司研制的High resolution型GAGG:Ce晶体，尺寸12 mm*12 mm*12 mm，晶体六面抛光，其中五面贴有反射膜层(图1).

图1 日本C&A公司研制的High resolution型GAGG:Ce晶体

2.2 SiPM硅光电倍增管

光电倍增管(PMT)是辐射探测领域应用最为广泛的弱光探测器. 光电倍增管的电子倍增可以达到104～108倍[10]，具有高量子效率，高灵敏度与超快事件响应等优点[11-13]. 但是PMT为真空器件，具有体积较大、需工作在高电压下、光谱响应范围窄、探测效率受光阴极限制等缺点[14].这限制了便携式能谱仪性能的进一步提高. 上世纪九十年代，一种新型的光电探测器概念“硅光电倍增管(Siliconphotomultiplier, SiPM)”被提出[15]. SiPM具有体积小、探测效率高、增益高(105～106)、工作电压低(20～70 V)[16]、单光子分辨能力强(2 ns)[17]、对磁场不敏感等特点[18]. 相比于传统的PMT，SiPM更适合应用于口袋式能谱仪. 目前SiPM器件已经在辐射探测的多个应用领域得到了成功实践，例如：高能物理实验装置[19]和核医学影像设备PET[20].

本文选用SensL公司生产的ARRAYJ-60035-4P-BGA像素型SiPM，像素面积为6.13 mm×6.13 mm，灵敏面积为6.07 mm×6.07 mm. 每个SiPM内有22 292个微像素单元APD，用4个SiPM组成2×2的SiPM阵列，相邻的两个SiPM间隔0.2 mm，整个SiPM阵列的面积为12.46 mm×12.46 mm. 表1给出了SensL J-60035系列SiPM基本信息.

表1 SensL J-60035系列SiPM基本信息

3 信号处理电路

图2为口袋式能谱仪的信号处理电路结构框图. 探测器获取的核信号经模拟电路放大整形后，由ARM自带的模数转换器(ADC)进行信号采集. 采集后的数据经数据处理模块依次实现脉冲触发、波形平滑、峰值提取、能谱统计等处理后，将测得能谱存储在片内数据存储模块中. 测量时间由片内时钟计数器(RTC)控制，数据交互模块用于能谱仪与PC间的USB通信控制，实现各项参数的设置与数据的读出.

图2 口袋式谱仪电子学硬件框图Fig.2 Hardware block diagram of pocket spectrometer

3.1 模拟电路设计

由于GAGG晶体光产额较大，且SiPM增益较高，使得前端探测器输出电流较大，所以本文选择将SiPM阵列的四路电流信号经过电阻端接到地的方式把电流信号转换为电压信号，然后由加法电路进行求和放大输出. 主放大器电路包含4个运算放大器：第一个运算放大器和最后一个运算放大器只对输入的脉冲波形进行放大，以提高带载能力和匹配ADC的输入动态范围；中间两个运算放大器组合成两个二阶低通Sallen-Key滤波器，滤除高频噪声，同时对信号进行高斯成形. 电路设计框图如图3所示.

图3 口袋式谱仪模拟电路设计Fig.3 Analog circuit design of pocket spectrometer

3.2 多道处理电路

ARM微处理器是英国Acorn公司设计的高性能RISC微处理器. 近年来，ARM微处理器技术在多道γ探测器领域有了一定的研究成果.黄凯等人[21]利用外接高速ADC的方法构建了一个可多任务运行的便携式γ谱仪，但降低了系统的集成度与稳定性. 解洪亮等人[22]研制的γ谱仪则利用ARM本身自带的ADC实现数据采集，但是谱仪的整体性能受到采样率的限制. 为了解决以上问题，本文选用ARM产品最新的低功耗系列STM32L4R5ZI作为核心处理器，设计了由ARM内部模数转换器(ADC)、比较器(COMP)、数模转换器(DAC)组成的多道数据处理模块. 主放大电路的输出信号被分成两个通道送入ADC端口与COMP端口，COMP的比较电压由DAC提供. 当COMP检测到有效信号的上升沿时，触发内部中断，提示数据处理模块读取ADC采样数据，接着等待下一次的COMP中断触发. 通过该解决方案，处理器可以准确地甄别出有效信号，筛选掉无效的基线数据，节省CPU消耗，极大地提高系统的计数率，增加系统的集成度与稳定性.

3.3 电源电路设计

口袋式能谱仪的最大的特点在于其具有良好便携性，而便携性设备的一个非常重要的问题就是供电问题. 为了提高系统便携性与可扩展能力，我们设计了基于单颗锂电池的电源驱动电路，结构框图如图4所示. 锂电池输出通过线性电源降压为3.3 V为ARM供电，通过电荷泵升压到5 V为放大器供电；通过开关电源升压和线性电源稳压后给SiPM供电，同时根据温度传感器返回数据，采用数字电位器对SiPM供电偏压进行实时调节，实现温度修正.

图4 电源方案框图Fig.4 Power supply scheme block diagram

4 系统性能测试

系统测试模型如图5所示，为了提供稳定的测试环境，谱仪的所有性能测试均在封闭的暗箱中进行，室内环境温度在16± 0.2 ℃，SiPM的工作电压为29.5 V，放射源置于晶体前端1 cm处. 晶体由ESR镜面反射膜包裹，出光面通过光学硅脂与SiPM耦合. 暗箱上留有USB接口，可保证PC与谱仪的数据通信.

图5 实验测试模型图Fig.5 Experimental test model diagram

4.1 电子学实物

图6展示了口袋式能谱仪电子学部分的实物图. 前端电路部分包括SiPM阵列与前端放大电路，电路板尺寸30 mm×30 mm；后端电路部分包括主放大电路、ARM处理器核心电路与电源管理电路，电路尺寸70 mm×30 mm. 所有的电子元器件均采用低功耗系列元器件，保证了功耗的最优化.

图6 口袋式能谱仪电子学实物图

4.2 功 耗

口袋式能谱测量仪采用3.7 V锂电池供电，电池容量3 400 mAh. 谱仪的工作电流为130 mA，功率为481 mW，可连续工作26 h.

4.3 能谱性能测试

为了确定系统能谱性能，使用口袋式能谱仪样机对常见放射源进行了能谱测量，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. 所有的测试都是在暗箱中进行，单个能谱测量时间为300 s. 通过对7个能量点进行线性拟合，口袋式能谱仪在60～1 332 keV能量区间的线性拟合优度R2=0.996，能量线性曲线如图7所示.

表2 性能测试使用的放射源信息

图7 口袋式能谱仪能量响应线性曲线

根据图7的能量响应线性曲线对口袋式能谱仪样机完成能谱刻度. 图8给出了能量刻度后的137Cs能谱. 通过对137Cs全能峰进行高斯拟合，计算得到662 keV时的能量分辨率为5.2%.

图8 口袋式能谱仪测量的137Cs能谱

本文采用SiPM耦合GAGG:Ce闪烁晶体的方式，以ARM作为系统核心处理器，利用其内部集成的ADC和COMP等外设，成功研制了一款低成本、小体积、低功耗、高性能的口袋式能谱测量仪. 经过测试，该口袋式谱仪具有良好的能量线性响应和较好的能量分辨率. 该仪器可应用于野外测量，核设施设备巡查，个人剂量测量以及科学实验等领域. 在后续的研究中，将进一步优化探测器设计，改进电路噪声，提高系统性能.