2022, Vol. 44
随着核工业的快速发展，核科学与技术作为一种高新技术被广泛应用于工业、军事、医疗、考古等各个领域[1]。放射源由人工或者天然的放射性核素制造而成，对外发出的辐射会产生生物学效应从而破坏人体组织器官诱发各种疾病，甚至造成永久性损伤。由于放射源辐射的射线无法用人眼直接观测，所以实时的辐射监测设备就显得尤为重要[2]。放射源的应用场景复杂化，对辐射监测仪的灵活性便移动性需求日益增加，特别是舰船或潜艇等空间狭小的空间，便携式辐射监测仪体积小移动方便会在辐射监测领域发挥越来越重要的作用[3]。因此，便携式辐射监测仪具有非常广阔的市场前景。
目前，国内研发便携式多功能辐射监测设备较少，高端市场主要由美国GE公司、萨菲姆公司、堪培拉公司、德国布鲁克公司等国外公司占据，采用进口设备不仅成本较高，后期保养升级也诸多不便[4]。
随着新技术的不断发展，更高灵敏度的探测技术、GPS技术、新材料等新型技术不断被应用到便携式辐射仪中，使得便携式辐射监测仪实用性、可靠性、集成度大幅提高。国内便携式辐射仪研究起步较晚，与国外还存在一定差距，国产化设备多是基于G-M管的测量γ，X，β射线的仪表，功能单一[5]。能够同时实现α，β，γ，X和中子探测的便携式仪表多为国外公司垄断。
本文在前期α，β，γ手持式探测器基础上[6]，研制一种低功耗便携式多功能辐射探测系统，该系统主要由低功耗便携式辐射监测仪主机和与主机配套的多功能探测器组成。监测仪主机为内置电池供电，可同时处理3个探测器传来的信号。多功能探测器包括α/β/γ探测器，β/γ探测器，中子/γ探测器3种小型智能化探测器，该仪器的主要特点是方便携带，适于巡场测试。
1 研究技术路线 1.1 辐射监测仪主机设计锂电池为主机供电，具有低功耗工作模式。具备足够的资源实时实现数据处理和显示等主要功能。采用液晶显示屏，清晰显示电量、数据、设备状态等信息；设置外部存储器，可存储实时数据和历史数据。用专配电缆将主机与探测器相连接，配合伸缩杆进行放射性检测，主机可以同时处理3个探测器传来的信号，实现“一机多用”多种辐射探测。同时主机内置定位芯片，搭载GPS定位模块和通信模块，可对主机所在位置进行实时定位，与上位机及智能化探头进行通信，满足军事和应急目的放射性检测需求。
1.2 智能β/γ探测器采用双探测器结构设计，可同时探测β和γ射线。包括一个端窗型计数管探测器和一个G-M计数管，其中端窗型计数管探测器用于β粒子探测，内置G-M计数管可用于γ射线探测，同时可对由γ干扰引起的β放射性测量误差进行修正。
1.3 智能α/β/γ探测器采用闪烁体及G-M计数管进行结构设计，利用GM管探测γ射线，利用ZnS(Ag)塑料闪烁体配套光电倍增管探测α和β射线，α和β射线分别通过2个测量窗进行探测，测β射线窗前装有一定厚度钛膜，用于排除α射线干扰。探测器内部具备信号处理功能，通过RS485与主机进行通信。
1.4 智能中子/γ探测器研制采用Cs2LiYCl6:Ce (CLYC)闪烁体，可同时探测中子和 γ 射线，中子与CLYC闪烁体中6Li反应，闪烁体受到电离或激发产生光子[7]。高压模块产生高压驱动PMT，将闪烁体产生的光子进行光电转换和二次电子倍增形成脉冲电流输出，输出的电流信号经过信号调理模块信号进行滤波整形、放大、成形、信号甄别变换。经过调理后的矩形波信号进入微功耗处理器进行脉冲计数和数据处理，转换成对应的剂量率。
2 系统设计便携式辐射探测系统主要由辐射监测仪主机和与主机配套的多功能探测器组成。便携式多功能探测器包括α/β/γ探测器，β/γ探测器，中子/γ探测器3种小型智能化探测器，可以根据用户需求选择不同类型探测器与主机连接实现多功能辐射探测。
一个辐射监测仪主机适配3种探测器，一机多用实现多功能的辐射探测，3种探测器分别探测不同核辐射信号后，经过智能化处理后通过RS485传送给主机，主机将接收到的数据进行可视化展示，对处理结果进行在线分析、记录、诊断。
2.1 系统主机设计探测系统主机主要由以下部分组成：电池电源、LCD液晶显示屏、ALARM 蜂鸣器及报警电路、GPS定位模块、可存储实时数据和历史数据的外部存储器、可与上位机及智能化探头进行通信的通信模块。
探测器将辐射源发出的射线转化为电信号，核电子学部分将信号进行放大、调理后送入中央控制处理器(MCU)。MCU选用MSP430系列处理器，其在低功耗模式下能完成强大的处理功能。中央控制处理器将接收到的信号转化为剂量率等可处理的数据信息，并实时在显示屏进行显示，通过RS-485通信系统对外进行通信。系统主机方案设计如图1所示。
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图 1 系统主机方案设计 Fig. 1 System host scheme design |
对于β射线采用端窗型计数管进行探测，对于γ射线采用G-M计数管进行直接探测。β和γ的探测器在射线照射下输出微弱的脉冲电流信号，脉冲电流数量与射线辐射量成正比。前置放大器主要将探测器输出的电信号进行初步放大，后续信号调理单元将前级信号进一步滤波放大，信号优化成形，甄别变换后的矩形波信号进入微处理器进行脉冲计数和数据处理，探测器内设计有智能计数和处理功能，并且设计有通信模块，能与主机进行数据通信。主机利用γ探测器测量的γ值对β射测量值进行修正处理，最终转换成对应的剂量率。探测器方案如图2所示。
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图 2 β，γ探测器方案设计 Fig. 2 β，γ detector scheme design |
智能α/β/γ探测器主要包括：探头部分，主要用于收集α，β，γ射线并将辐射信号转化为电信号；调节电路部分，包括对脉冲信号的进一步放大、滤波、整形等；低功耗数据采集处理电路，包括信号甄别电路、MSP430处理模块、RS485输出电路等。α/β/γ探测器方案设计如图3所示。
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图 3 α，β，γ探测器方案设计 Fig. 3 α，β，γ detector scheme design |
对于γ射线，GM管在高压模块驱动时在射线照射下输出微弱的脉冲电流信号，经过信号调理单元将前级信号进一步滤波放大，信号优化成形，经过调理后的矩形波信号进入微功耗处理器进行脉冲计数和数据处理，转换成对应的剂量率。对于α和β射线，通过ZnS(Ag)塑料闪烁体及相配套的光电倍增管进行探测。α和β射线分别通过2个测量端窗进行探测，测β射线端窗前装有一定厚度钛膜，用于阻挡α射线的干扰。射线分别与测量端窗中的塑料闪烁体反应，闪烁体受到电离或激发产生光子。高压模块产生高压驱动PMT，将闪烁体产生的光子进行光电转换和二次电子倍增形成脉冲电流输出，输出的电流信号经过信号调理模块信号进行滤波整形、放大、成形。通过α和β射线甄别模块对其进一步甄别，甄别变换后信号进入微处理器进行脉冲计数和数据处理，最终转换成对应的剂量率。
2.4 智能中子/γ探测器设计主要采用CLYC 闪烁体进行探测，CLYC 闪烁体发射光谱范围在275 ～450 nm之间，峰值波长为 370 nm，可以很好地与光电倍增管匹配。闪烁体可以实现对γ射线、热中子和快中子的同时探测。中子/γ探测器方案设计如图4所示。
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图 4 中子/γ 探测器设计 Fig. 4 Neutron/γ detector scheme design |
中子与CLYC闪烁体中6Li反应，闪烁体受到电离或激发产生光子。高压模块产生高压驱动PMT，将闪烁体产生的光子进行光电转换和二次电子倍增形成脉冲电流输出，输出的电流信号经过信号调理模块信号进行滤波整形、放大、成形、信号甄别变换。经过调理后的矩形波信号进入微功耗处理器进行脉冲计数和数据处理，转换成对应的剂量率。
3 主要性能测试 3.1 功耗测试为验证多功能辐射探测系统功耗性能，使用容量为3.7 V、4 Ah的锂电池供电时，分别对其在几种模式下进行测试：1）睡眠模式，待机工作状态；2）低功耗模式，连接多种智能探测器，关闭显示背光及GPS接收器等；3）主机模式，不连接探测器，开启显示背光及GPS接收器等；4）探测模式，连接多种智能探测器进行辐射探测，开启各项功能。设备在不同模式下的功耗测试结果如表1所示。
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表 1 辐射探测系统在不同模式下的功耗测试 Tab.1 Power consumption test of radiation detection system under different modes |
可知，设备在待机工作状态，其静态功耗电流仅为4.2 mA，功耗仅为15.5 mW，锂电池续航时间可达600 h，系统在低功耗模式、主机模式、探测模式下均能维持在较低功耗下作业。设备在探测模式下功耗仅为182.8 mW，电池续航可达50 h，满足移动式辐射监测设备在不同探测情景下的使用需求。
3.2 γ射线测试分析本文设计的主机及β/γ探测器、α/β/γ探测器中γ探测模块均采用G-M计数管，为验证其γ射线准确性，分别将主机及探测器置于标准γ辐射校准场（辐射剂量0.1 μSv/h～1 Sv/h）下进行校准测试，典型γ射线测试结果如表2所示。
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表 2 典型γ射线测试结果 Tab.2 TypicalγRadiographic test results |
可知，多功能辐射监测系统中的G-M计数管对γ射线探测的相对误差最大约为11.17%，检测系统精度能达到γ辐射剂量率测试要求，且可通过其对其他探测器中由于γ干扰引起的测量误差进行修正。
3.3 α粒子探测性能测试为验证α/β/γ探测器中α粒子探测准确性，分别采用5颗Pu-239和Am-241标准面源对探测器进行校准测试，测试结果如表3所示。
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表 3 α粒子探测性能测试结果 Tab.3 αParticle detection performance test results |
可知，α/β/γ探测器对α粒子的2π平均探测效率为32.15%，平均表面活度响应为0.164，具有较高的α探测效率，能达到α辐射剂量率测试要求。
3.4 β粒子探测性能测试本文设计的β/γ探测器和α/β/γ探测器，均存在对β射线进行探测。为验证其β射线探测准确性，采用3颗不同表面发射率的90Sr-90Y标准面源对探测器进行校准测试，测试结果如表4所示。
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表 4 β粒子探测性能测试结果 Tab.4 βParticle detection performance test results |
可知，β/γ探测器对于β粒子2π平均探测效率约为31.4%，β射线平均表面活度响应约为0.193S−1·Bq−1·cm2，α/β/γ探测器对于β射线2π平均探测效率约为31.9%，β射线平均表面活度响应约为0.197S−1·Bq−1·cm2，具有较高的β探测效率，能达到β辐射剂量率测试要求。
3.5 中子探测性能测试为验证中子/γ探测器中对中子探测准确性，分别将探测器置于标准中子辐射校准场（辐射剂量0.1 μSv/h～60 Sv/h）下进行校准测试，测试结果如表5所示。
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表 5 典型γ射线测试结果 Tab.5 Typical γ Radiographic test results |
可知，多功能辐射监测系统中的中子探测器探测的相对误差最大约为19.56%，具有较高的检测精度，能达到中子剂量率测试要求。
4 结 语本文研制了一套低功耗便携手持式低功耗核辐射探测系统，由低功耗便携式辐射监测仪主机和与主机配套的多功能探测器组成。对辐射探测系统主机及3种智能化探测器进行详细设计，实现系统的低功耗、小型化、便携化。经试验测试，系统在探测模式下功耗仅为182.8 mW，γ射线和中子探测的相对误差最大分别为11.17%和19.56%，α粒子和β粒子的2π平均探测效率分别为32.15%和31.9%。测试结果表明，本系统具有较长续航能力和较高精度的辐射探测性能，能满足军事的核应急等放射性探测应用。
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