袖珍式BGO 晶体伽马辐射仪的研制

麻金龙，武旭东，王玮，李婷，段金松，张兆山

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

伽马辐射仪广泛应用于环境监测、辐射防护、地质勘探等工作中，具有简单可靠、轻便灵活等特点，其测量结果是一定时间内辐射总量，反应辐射的强弱［1-2］。目前应用于地矿行业的伽马辐射仪，其探测器多采用NaI晶体+PMT 组合，NaI晶体易潮解、光电倍增管体积较大且需要高压电源，导致仪器整体结构较大，在野外地质勘探中，略显笨重［3］。针对以上问题，结合国内、外仪器设计优点，采用BGO 晶体+SiPM 组合探测器，设计一款袖珍式伽马辐射仪具有重要意义。

1 整机结构设计

整机采用一体化设计理念，集信号采集、处理、转化、测量、通信和显示等功能于一体［4］。整体结构设计紧凑，主要分为上壳、下壳和主体3 部分组成，其结构爆炸图如图1 所示。

图1 结构爆炸图Fig.1 Exploded view of instrument structure

整机结构设计有以下几个方面特点：

1）整机上下壳之间有密封圈，使用螺丝和卡扣锁死，液晶、按键、接口部分均采用防水防尘设计，可以达到IP65 防护等级；探测器部分内部填充有减震PE 海绵，外壳有减震橡胶，具有良好的减震效果。

2）外壳采用ABS+PC 材料，抗冲击性能好，整机轻盈便携；壳体内层电镀有金属屏蔽漆，可有效隔离外界电磁干扰；外壳手持部位采用TPE 包胶，防滑、亲肤触感。

3）仪器主体各个功能模块采用模块化接插针方式连接，最大限度减少了内部线缆，有效避免了数据传输线缆断裂，接口松动接触不良的问题，增强了系统可靠性。

4）设计有TYPE-C 标准接口，兼数据通信、充电、耳机设备连接等功能。

2 系统整体方案设计

系统整体设计方案框图如图2 所示，主要由探测器、信号采集处理、主控系统、智能电源管理及外围功能模块组成。其中探测器采用BGO 晶体+SiPM 组合设计［5-6］；信号采集处理模块包括信号提取、整形滤波和信号甄别电路等；主控系统采用CPLD+低功耗控制器组合方式，实现系统整体控制；智能电源管理模块可实现锂电池智能充放电管理，保证工作安全，降低整机功耗［7］；外围功能模块包括声光报警、液晶显示、GPS 定位、蓝牙通信和TYPE-C 接口等。

图2 系统整体设计方案框图Fig.2 The diagram of overall design scheme

2.1 探测器及信号采集系统设计

射线探测原理如图3 所示，入射γ射线在闪烁体损耗并沉积能量，引起闪烁体中原子（或离子、分子）的电离激发，之后受激粒子退激放出闪烁光子，完成射线到光信号的转换。闪烁光子通过耦合面，射入光电转换器件（PMT、SiPM 等），将光信号转换为电信号，再经过后续信号处理电路，完成辐射探测。

图3 射线探测原理Fig.3 The principle of ray detection

作为一款袖珍式的伽马辐射仪，要求体积小，结构紧凑，对探测器及信号采集系统设计有3 个难点问题需要解决：

1）该仪器采用的是BGO 晶体+SiPM，BGO晶体密度大，比同体积NaI 晶体探测效率高［8］，所以可以选用小尺寸的BGO 晶体，这就要求从探测效率和成本两方面去衡量，选择适合于该仪器的BGO 晶体。

2）BGO 晶体相对光输出较小，且输出信号幅度也比较小，要求尽可能的对光信号进行收集，减小光传输过程中的损耗，所以对光路的设计提出了一定的要求。

3）该仪器采用的是半导体探测器SiPM，器件暗电流较大，导致输出信号信噪比较低，所以如何提取微弱信号，滤波放大，提高信噪比，也是该仪器设计的一个重点问题。

2.1.1 BGO 晶体选型

目前市面上常见的伽马辐射仪，多采用NaI 晶体+PMT 组合作为辐射探测器。本设计为了选取合适尺寸的BGO 晶体，满足设计要求的探测效率，采用直径3 cm，长度分别为1.5、2.0 和2.5 cm 的BGO 晶 体+SiPM 组 合 探 测 器，对5 种伽马辐射源进行计数测量，并与直径3 cm，长度为5 cm 的NaI 晶体+PMT 组合探测器进行计数对比。计数率对比如图4 所示。

由图4 可见，直径3 cm，长度2 cm 的BGO晶体+SiPM 组成的探测器，对5 种伽马辐射源测得的计数率均高于直径3 cm，长度为5 cm 的NaI 晶体+光电倍增管组成探测器测得的计数率的10%上下，已经完全满足探测效率的需求，结合成本考虑，选用该尺寸的BGO 晶体。

图4 计数率对比图Fig.4 Comparative chart of counting rate

2.1.2 探测器光收集耦合方案设计

本仪器选用的BGO 晶体，其光输出面为直径30 mm 的圆，而选用的SiPM 光接接收面为边长6 mm 的正方形，两者面积、形状不一致，直接耦合在一起，会降低光收集效率，所以设计了BGO 闪烁体与SiPM 的楔形耦合光导，对光有一定汇聚效果。并且在BGO 闪烁体外壁及光导侧面均匀喷涂了白色反光材料，形成光反射层，可以将BGO 闪烁体发出的光尽可能多地汇聚到SiPM 光接收面。此外在光导器件装配过程中，在其两端涂抹硅油，排除耦合面的空气，减少光在传输界面上的全反射，进一步减少光子损失。探测器外壳使用金属材质，在晶体与外壳之间填充减震材料。

2.1.3 高灵敏度信号处理电路设计

探测器使用的BGO 晶体光输出较弱，此外使用的光电转换器件为SiPM，暗电流较大，为增强信号输入响应，提高信噪比，本设计信号处理电路主要考虑以下3 个方面的问题：

1）SiPM 输出信号幅度比较小，对于前端运放的要求较高，运放输入噪声应尽可能地小，以减少器件带入的噪声。此外，为了减少电路本身对信号的损耗，运放要求有较大的输入阻抗，静态功耗也尽可能低。单级的前置放大器，不能将信噪比提高到最佳状态，在后续电路中还要针对性设计滤波电路，对信号进行滤波处理，进一步提高其信噪比；

2）线性放大器的一个基本要求是稳定性。理想的放大电路输出信号与输入信号完全呈线性关系，但是，由于组成放大电路的半导体器件均具有非线性特征，同时放大器的增益可能受到电源电压不稳定、元件老化以及温度变化的影响，造成放大电路的非线性失真；

3）在计数率较高的情况下，会造成放大器饱和堵塞，易导致信号丢失，引起漏记。为提高计数脉冲通过率，可以增加一级微分电路，使信号宽度变窄，但是探测器信号经过微分电路之后，信号会产生下冲，引起基线漂移，所以本设计利用极零相消技术，设计相应电路通过调整参数，使其中一个零点或极点和另外一个极点或零点相抵消，就可以消除脉冲下冲的现象［9-10］。

根据上述分析，采用高精度高输入阻抗运放，结合外围电路设计前置放大器将SiPM 输出的电流信号转为电压信号；设计滤波放大电路，进一步提升信噪比，并对信号进一步放大；设计有极零相消电路，通过调整电路参数可以达到极零相消的目的，将信号下冲消除。经过上述电路处理后的输出信号，信噪比较高，完全满足后续电路需求。

2.1.4 信号甄别电路设计

信号甄别电路设计采用阈值窗方法，即，当信号幅值小于识别下阈时，该信号被当作干扰而直接丢弃；信号幅值大于识别上阈时，则判断为宇宙射线被忽略；当输入信号脉冲幅度介于给定的识别阈之间时，则被认定为γ射线产生的真实脉冲信号［11-12］。信号甄别示意图如图5 所示。

图5 探测器信号幅值甄别示意图Fig.5 Schematic diagram of detector signal amplitude discrimination

2.2 主控系统设计

2.2.1 低功耗控制器系统

微控制器采用高性能、低成本的ARM Cortex-M3 内核的STM32L152 芯片，通过移植嵌入式实时操作系统FreeRTOS 实现各项功能。系统工作频率为32 MHz，内置高速存储器（高达512 K 字节的闪存和80 K 字节的RAM），超低功耗设计，具有丰富的I/O 端口及多种外设，STM32L152 的多种省电模式保证其低功耗应用。

FreeRTOS 是一种支持多个微控制器、轻量级嵌入式实时操作系统内核，支持灵活的多任务调度策略，实现基本的实时调度、信号量、队列和存储管理。存储空间允许的情况下，FreeRTOS 可支持运行的任务数量不受限制，且允许多个任务使用同一优先级，系统根据优先级进行任务调度，或启用时间片轮转法实行相同优先级任务的轮转调度。

该仪器移植了FreeRTOS 操作系统，系统任务包括OLED 显示更新任务、系统信息显示任务、按键菜单控制任务、测量控制任务和数据通信控制任务，多个任务在系统调度下轮转运行，保证了系统功能的正常，系统任务控制程序执行流程如图6 所示。

图6 系统控制执行流程图Fig.6 Flow chart of control system

2.2.2 CPLD 时序控制系统

作为一款袖珍式的伽马辐射仪，在电路设计上，为了减少分立元件使用，最大限度集成化，降低整机功耗，提升系统稳定性，本设计使用了可编程逻辑器件（CPLD）设计相应的程序，利用芯片内部逻辑可实现对信号甄别、PWM 信号生成和声光报警等部分的时序编程控制［13］。

2.3 外围功能模块设计

2.3.1 数据通信接口设计

仪器设计有蓝牙通信接口与USB 通信接口。可以作为主机通过无线通信接口与微型热敏打印机通信，实现作业现场数据打印；也可以作为从机，通过无线或有线通信接口与电脑主机通信，实现数据传输与主机控制。配备上位机软件，可进行数据下载及参数写入等。

2.3.2 声光报警系统设计

辐射仪可以对环境中的伽马辐射强度进行监控测量。仪器设计有声光报警系统，声音鸣响及发光频率会根据辐射强度变化，提示操作人员。报警阈值可调，也可以选择打开关闭该功能。报警声音还可以通过TYPE-C 耳机播放，满足不同场合使用需求，报警灯还可以作为应急照明灯使用。

2.3.3 按键显示模块设计

仪器使用128*64 OLED 显示屏，其自身可以发光，亮度、对比度高，功耗低，有较好的显示效果，用于系统信息显示；设计有3 个亲肤质感硅胶按键，可完成系统测量、设置及数据查看等操作。

2.4 智能电源管理系统设计

电源设计作为整机工作的基础和前提，其稳定性和安全可靠显得尤为重要。而且对于袖珍式仪器，功耗也是比较关键的问题。本机采用一节26650 型钴酸锂电池为系统供电，电路设计上使用具有高精度电压检测电路和延迟电路的保护IC 进行电路过充、过放、过电流保护，通过芯片输出端精确控制开关管通断，实现电池充电回路或放电回路的正常运转。

系统采用开关降压型芯片设计充电管理电路，实现5～18 V 宽输入电压，对电池进行涓流预充、恒流和恒压充电。恒流充电电流通过设置Rs（外部电阻）进行限制，本设计将最大充电电流设置为1 500 mA，由公式（1）可知Rs等效值为0.067 Ω。预充电流为恒流充电电流的1/10。为防止充电过程中温度过高或过低对电池造成损害，管理芯片内置温度检测电路通过检测Ts（温度监测引脚）端电压实现实时温度检测。Ts端电压由电池内NTC（热敏电阻）和电阻分压网络实现，当45%VREG（参考电压）＜VTs（Ts端电压）＜80%VREG 时，系统处于正常工作温度范围内，超过该区域范围时，则视为电池温度过高或过低，从而暂停充电过程，等待温度恢复，该电路可有效保证电池充电安全性，提高锂电池使用寿命。常温（25℃）时NTC 热敏电阻为10 k，设定保护温度为-5～55 ℃时，NTC 限流电阻、串联电阻阻值分别为3.6 和8.2 k。本设计采用标准TYPE-C 接口作为充电接口。

式中：IBAT—充电电流，mA。

3 整机性能测试

3.1 相对示值误差测试

选用不同标称值模型体源，设置单次测量时间为10 s，测量组数为10 组，计算3 台样机的相对示值误差［14-15］，测试结果如表1 所示。根据检定规程JJG（军工）29—2012《轻便γ 总量闪烁辐射仪》［16］要求示值误差不大于7.5%可知，计算测试结果符合规程要求。

表1 样机相对示值误差测量结果Table 1 Relative indication error of prototype

3.2 重复性测试

将3 台样机置于模型体源表面中心位置，进行测量，单次测量时间为60 s，连续测量10 次，测试结果如表2 所示。根据第3.1 节检定规程要求重复性优于5%可知，测试结果符合规程要求。

表2 样机重复性测量结果Table 2 Repeatability of prototype

3.3 环境高低温实验

环境高低温实验是检验仪器在恶劣环境下工作是否稳定和可靠的重要步骤。使用型号为CTH-SG65150-02F 的温度试验箱，以3℃·min-1的速率，先由常温降至-10℃，依次升温到20、50℃，在每个温度点保持2 h 后进行测量。其中，各温度点单次测量时间60 s，测量5 次。实验结果如表3 所示，根据EJ/T 757—1993T 铀矿山γ辐射取样、γ编录标准［17］中要求测量值与正常温度条件下（20±2℃）相比，相对误差不大于±10%可知，其测量结果在合理范围内波动。

表3 样机环境高低温实验测量结果Table 3 The temperature experiment of prototype

4 结 论

袖珍式伽马辐射仪创新使用了BGO 晶体+SiPM 组合探测器，对结构设计和电路设计上的难点问题逐个突破，完成整机设计。相对于传统仪器，具有以下优势：1）小巧便携，整机长15 cm，重量仅约290 g；2）IP65 防护等级，具有应急灯，更加适用于野外环境；3）TYPE-C 多功能接口，可用于充电、数据传输及连接耳机；4）采用低功耗设计，可连续工作48 h。该仪器既可以用于野外地质勘探，也可用于普通民众生活环境辐射测量，具有广阔的市场前景。