基于α能谱分析的放射性气溶胶监测仪硬件设计

刘明健，闫学昆,罗 明，谷铁男

(海军核化安全研究所, 北京 100077)

0 引 言

在核设施周围环境监测长寿命人工放射性气溶胶会受到天然放射性气溶胶的干扰，尤其是在高氡本底的环境中，监测微量人工放射性气溶胶尤为困难。消除天然放射性气溶胶影响的方法有衰变法、比值法、能量甄别法、假符合法等。随着测量技术的发展，α能谱分析法已经取代传统的能量甄别法成为国际上一种主流的方法，即对放射性气溶胶α谱进行剥谱分析。该方法不仅能消除天然放射性气溶胶对人工放射性气溶胶测量的影响，还能对放射性气溶胶中的每种α核素进行识别和浓度计算。

本文采用多道脉冲幅度分析技术，对基于α能谱分析的放射性气溶胶监测仪进行方案设计，并通过仪器研制解决放射性气溶胶连续采样、α能谱测量等关键技术。

1 仪器主要设计指标

1)监测范围：α气溶胶：0.1～1×104Bq/m3；β气溶胶：1～1×105Bq/m3；

2)固有误差：±20%；

3)环境条件：温度0～50 ℃；相对湿度95%；

4)取样流量：≥40 L；

5)供电：220 V，50 Hz，360 W；

6)重量：≤50 kg；

7)外形尺寸：≤420×250×500 mm。

2 放射性气溶胶监测仪组成

放射性气溶胶监测设备设计为自动取样、自动测量，取样与测量同时进行的形式，测量方法采用多道能谱分析方法，能够通过软件实现能量分析，给出α，β放射性气溶胶浓度。仪器由取样和测量2部分组成。

2.1 取样部分组成结构

取样部分包括：采样头、取样管路、取样滤纸、纸带仓、导向轮、样品仓、光电检测盘、滤纸托盘、流量计、真空泵等。半导体探测器置于取样管路中，样品仓的轴为主动轮，如图1所示。取样部分的作用是将放射性气溶胶富集在取样滤纸上，以提高测量灵敏度。其工作过程是真空泵工作时，在取样气路中产生一定负压，放射性气溶胶通过采样头、气路管路收集在取样滤纸上。

图1 取样部分结构示意图Fig.1 Composition structure scheme of the air sampling part

2.2 测量部分组成及原理

放射性气溶胶监测仪测量电路由PIPS探测器、电荷灵敏放大器、线性放大器、A/D变换器、FPGA控制单元、ARM系统、步进电机控制器、真空泵控制器、光电检测器、液晶显示器、485接口、220V电源接口、电源滤波器、线性直流电源、40V偏置电源组成，如图2所示。

图2 放射性气溶胶监测仪电路组成示框图Fig.2 Block diagram of circuit for the radioactive aerosol monitor

测量电路的原理是：PIPS探测器探测α，β射线，输出经电荷灵敏放大器、线性放大器放大后送至A/D变换器，A/D变换器由FPGA控制单元控制进行模数变换，并计算脉冲幅度值，获得的脉冲幅度值存储到相应的存储器，形成多道脉冲幅度谱。ARM系统对脉冲幅度谱进行曲线平滑、寻峰、剥谱分析和峰面积计算，然后根据流量值和效率刻度值计算人工放射性和天然放射性气溶胶α、β浓度。数据处理结果通过显示器显示，并可通过485接口传输。步进电机、真空泵由FPGA控制单元控制，FPGA控制单元根据光电检测器的计数值控制步进电机的转速。

3 主要功能模块设计

3.1 取样部分功能设计

3.1.1 纸带传送结构设计

纸带传动装置包括1个主动轮，同轴连接样品仓，1个被动轮，同轴连接样品仓。此外，设置2个导向轮，其中1个导向轮同轴设置光电检测盘。在光电监测盘上安装光电对管，通过对光电检测盘上狭缝的计数获得光电检测计数，其作用有2个：一是检测滤纸状态是否正常，当滤纸用完或出现卡纸、断纸等情况时，光电检测器的计数停止，用以判断滤纸状态；二是由于主动轮设置在样品仓的同轴上，步进电机的转数与滤纸的行进不是线性关系，而光电检测盘与导向轮为同轴，其转数与滤纸的行走是线性的，所以可通过光电检测器的计数来调节步进电机的转速，使滤纸的行进与步进电机转数或驱动脉冲数呈线性。

3.1.2 滤纸托盘

取样时，滤纸与托纸盘在气压的作用下，摩擦力较大，并且滤纸在潮湿的情况下摩擦力还会进一步增大。为保障纸带有一定的松紧度，滤纸仓的轴设计有一定的阻尼，在连续移动取样模式移动滤纸有可能因摩擦力过大导致滤纸拉断。将滤纸托盘设计为具有一定间隔的滚轴托盘[1]，将滑动摩擦转为滚动摩擦，并且辊轴的摩擦系数较小，能够保障滤纸不被拉断。

3.1.3 流量计

采用涡街流量计记录取样流量，涡街流量计与管路采用一体化设计，将传感器设置在带有螺纹的管路中，便于装配。

3.1.4 机箱

机箱设计为气密结构，保证连续移动滤纸采样测量模式富集的放射性气溶胶全部为通过采样头进入的。更换气溶胶滤纸设置专门的气密门，既方便更换气溶胶滤纸，又有较好的气密性。

3.2 主要电路功能设计

3.2.1 电荷灵敏放大器

电荷灵敏放大器[2]的输入端选择低噪声绝缘栅场效应管2N5434，场效应管输出偏置选用330 Ω电阻和100 mH电感并联，输出接9014、9015三极管组成的跟随器，积分电容选用1 p电容，泄放电阻选择100 M电阻。该电荷灵敏放大器具有较高的信噪比，可保证α谱测量有较高的分辨率。

3.2.2 线性放大器

线性放大器选用集成运放TL072组成的两级放大器。两级放大器之间加一级无源阻容微分滤波器，放大器的第一级设置为100倍，第二级设置为10至100倍可调，输出幅度适用A/D变换的范围。

3.2.3 A/D变换器

A/D变换器选用AD9235模数转换芯片，晶振频率为20 M，模数变换为等间隔实时转换。数据采集器采用FPGA控制，并进行数据预处理。通过用FPGA控制，对信号的幅度进行限位，即对在一定幅度范围内的信号，符合要求的数据进行采集，并计算脉冲信号的幅度值，将脉冲幅度值存入相应的存储器中。

3.2.4 ARM系统

选用TI Cortex-A8 AM3352型(军工级)ARM系统作为核心板。

3.2.5 步进电机控制器、真空泵控制器

步进电机控制器选用场效应管作为功率输出器件，按照步进电机控制逻辑由FPGA发出控制脉冲通过场效应管驱动步进电机；真空泵控制器选用场效应管作为开关器件，通过控制场效应管的栅极电压控制真空泵电源的导通与截止。

3.2.6 直流电源

选用朝阳线性电源，±15 V(500 mA)、+12 V(2 A)、+5 V(5 A)。±15 V为电荷灵敏放大器、线性放大器、40 V偏置电源提供电源；+12 V为步进电机供电；+5 V通过电平转换为A/D、FPGA、ARM等电路供电。模拟电路、数字电路、步进电机电源应独立，防止探测器受到数字电路的干扰。

3.2.7 40 V偏置电源

40 V偏置电源选用TL072集成运放组成正弦波发生器，通过倍压整流滤波获得40 V直流偏置电源为PIPS探测器提供偏置[3]，正弦波的频率调节在300 Hz以下，保证探测器不受震荡电路的影响。

3.3 软件功能设计

1)测量功能

包括取样控制、数据采集、曲线平滑、自动寻峰、天然放射性气溶胶α能谱剥离、总β活度浓度计算、人工α活度浓度计算等。

2)设置功能

包括工作方式、测量时间、报警阈值、效率修正、流量修正、日历时间、安全等设置。

3)查询功能

包括查询图谱数据、浓度数据等。

4)分析功能

显示图谱、区域和峰位选定、曲线平滑、自动寻峰、图谱剥离、面积计算等分析工具。

4 关键技术

4.1 能量分辨率

影响能量分辨率的因素主要是α在滤纸和空气中的自吸收，提高能量分辨率除了选择表面吸附较好的滤纸外，应选择较好的探测器和探测结构。选择国产PIPS离子注入式半导体探测器，该探测器具有良好的温度特性[4]，受温度的影响较小，具有良好的能量分辨率和较低的偏置电压等优点。在探测结构上，在不影响取样的前提下尽量将探测器靠近滤纸，可提高探测效率和能量分辨率。设计中也可在探测器与滤纸之间加格栅的方法减小α粒子的入射立体角，提高能量分辨率，不过该方法探测效率会降低，要选择合适的格栅尺寸使探测效率和分辨率能够满足测量要求。

4.2 抗干扰能力

获得良好的能谱和能量分辨率，解决抗干扰能力也是设计的重点，探测器、电荷灵敏放大器是最容易受到干扰的器件，提高抗干扰能力设计主要注重以下几点：

1)探测器、电荷灵敏放大器要有良好的屏蔽和接地，接地点必须是单点接地；

2)模拟电路要采用一体化设计，由于电荷灵敏放大器的连线较多，独立的电荷灵敏放大器与电路板需多条电缆连接，不仅体积较大，而且容易受到干扰。采用一体化设计是将电荷灵敏放大器、偏置电源等与后级电路设计在一块电路板上，在电路板上对电荷灵敏放大器进行屏蔽，这样设计的效果非常好，不易受到干扰，便于调试，电路板也美观；

3)要解决好电源的干扰问题，选择纹波较小的线性电源，不可用开关电源探测器；

4)解决好数字电路和驱动电路的干扰问题，数字电路和功率输出电路主要是通过电源干扰探测电路，所以要将探测电路、数字电路和功率输出电路的电源独立，并且在电源的输入端加电源滤波器。

4.3 连续取样测量

连续取样测量可以减少测量建立时间，随时获得测量数据，在机械设计上为了简化结构，主动轮设置在样品仓同轴。这样的设计重点考虑走纸的线性问题和减小取样点的摩擦力，本文的设计利用导向轮转数与走纸的线性关系，记录导向轮的旋转速度调整主动轮转速，解决了走纸的线性问题；采用辊轴式滤纸托盘，将滑动摩擦转为滚动摩擦，且选择摩擦系数较小的材料减小了采样点的摩擦力，从而解决了连续取样测量的关键技术。

5 结 语

根据以上设计方案和关键技术的解决，研制出具有自检、报警、自动测量和人工测量功能的放射性气溶胶监测仪样机，并进行基本性能测试，样机达到了设计的性能指标要求。图3为研制的放射性气溶胶监测仪测量的天然放射性气溶胶能谱，其分辨率约为250 keV，能够满足对常见放射性气溶胶中核素的识别、分析和浓度计算。

图3 天然放射性气溶胶取样测量能谱图Fig.3 Energy spectrum of alpha radial for natural radioactive aerosol

[1] 张燕，刘明健，李洋，等.一种辊轴式放射性气溶胶连续监测仪的走纸采样装置[P].国家知识产权局，ZL201110331277.9,2013-05-08.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,LI Yang,et al.A kind of paper feed and air sampling device for radioactive aerosol continuous monitoring based on roller axle[P].Chinese Patent:ZL201110331277.9,2013-05-08.

[2] 张燕，刘明健，谷铁男，等.一种简易实用的三管电荷灵敏放大器[J].辐射防护通讯，2012，33(1):32-34.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,GU Tie-nan,et al.Simple and practical charge sensitive preamplifier[J].Radiation Protection Bulletin,2012，33(1):32-34.

[3] 张燕，刘明健，李洋，等.一种简单实用的PIPS半导体探测器的高压电源[P].国家知识产权局，ZL201120417440.9.2012-08-18.

ZHANG Yan,LIU Ming-jian,LI Yang,et al.A kind of simple and practical high voltage power supply for Passivated Implanted Planar Silicon(PIPS)semiconductor detector[P].Chinese Patent:ZL201120417440.9.2012-08-18.

[4] 崔晓辉，谷铁男，张燕，等.离子注入型与金硅面磊型半导体探测器温度特性比较[J].辐射防护通讯，2011，31(2)：26-28.

CUI Xiao-hui,GU Tie-nan,ZHANG Yan,et al.Temperature characteristic comparison between ion-injection and gold silicon surface barrier semi-conducting detectors[J].Radiation Protection Bulletin,2011，31(2)：26-28.