为汲取日本福岛核事故的经验和教训，进一步提高我国核电站的安全水平，国家核安全局在2012年6月发布了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求(试行) 》 ^[1]，其中第七部分"辐射环境监测及应急改进的技术要求"，对我国运行和在建核电厂的环境监测系统改进提出了具体要求。《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求(试行) 》指出“当极端外部事件导致环境监测设施不可用时，应具备适当的后备宽量程监测手段或及时恢复监测设施可用性的手段”，导致环境监测设施不可用的因素很多，及时恢复损坏的设施有困难，所以后备监测手段成为首选。

1 研制内容

本项目主要是研制一套事故后应急环境监测谱仪，具有防护等级高、自带无线电传输功能及电池，并可识别人工核素及其剂量率的特点，探测器可在事故后快速在核设施周围组成监测网络。

谱仪技术要求如表 1。

2 研制方案

为实现事故后应急监测谱仪研制、生产及维修的便捷，项目研制过程遵循模块化设计方案，主要包括6大模块。

2.1 辐射测量模块

使用NaI(Tl)用于测量γ剂量率为100 μSv /h以下的能谱，并且当γ剂量率超过100 μSv /h在不能测量能谱时，使用GM管测量γ剂量率，因此同时采用了NaI(Tl)和GM管。

2.2 中央控制器模块(CPU)

由于谱仪需要实现能谱分析、核素识别及无线冗余传输模式的选择等复杂功能，采用了嵌入式PC作为中央控制器，主要功能为获取测量数据并处理为剂量率和能谱数据，包括大容量存储器，控制其他模块，接收并执行外部命令，包括各种标准接口。

2.3 通信及定位模块

通过无线方式与外界进行通信，保留有线通讯能力，模块主动获取设备地理位置坐标、时间信息，该模块包括3G通讯模块、射频(RF)通讯模块、GPS定位模块及GM管电路等。

2.4 电源模块

由于谱仪需要在事故后即时部署使用，因此使用外置电源将外部电源转换为12 V直流电源为各模块供电，外置电池可以在缺少外部电源的情况下支持超过7 × 24 h工作时间。

2.5 外壳支架模块

铝合金外壳、内部支架、感雨计及对外接口。

2.6 软件模块

用于采集数据的存储、展示、仪器设备参数的设置等。

系统开发结构如图 1:

3 核心技术的实现 3.1 能谱解析的实现

通过能谱解析实现对总剂量率、核素识别及各核素产生的剂量率份额等关键信息的计算。核素识别目前实现了对全能峰能量的识别，再与核素分库中包含核素的全能峰能量进行对比，以此来实现核素识别的功能。能谱解析基本工作流程如图 2所示:

3.1.1 谱数据平滑

项目中对线性卷积方法和快速傅里叶变换方法进行了分析对比，最后选取了快速傅里叶变换方法进行谱数据平滑。

傅里叶变换法平滑谱的基本思想如下:把测得的伽玛能谱数据认为是低频的真信号与高频的噪声(统计涨落)之和。将道域的谱数据函数Y(i)，经傅立叶变换变换到频域，得到频率特征的Y(ω)的信号，Y (ω)经一个频率特征的滤波函数F(ω)滤波得，将Z (ω)经傅立叶逆变换再变换到道域，则得光滑后的谱数据(低频的真信号)。

FFT方法中关键在于滤波函数的选择，这里实现了滤波器:

这里实现的基于FFT的谱平滑方法，先对能谱进行FFT变换，再根据功率谱计算截断频率，用滤波函数对频谱进行滤波后FFT逆变换得到平滑的能谱。

FFT平滑方法流程图如图 3所示。

3.1.2 寻峰

项目中使用“高斯对称零面积法”实现对峰位、峰区的确定。流程图见图 4。

3.1.2.1 构建高斯型对称零面积窗函数G

其中: j、m均为整数。窗宽度W = 2m + 1，d满足

3.1.2.2 重叠峰找寻

利用较大的窗宽度W(如W = 3H)初步找峰，估计重叠峰的可能性利用峰区判定变量P进行找峰，若P(im)取得局部极大值且其值大于阈值threshold(threshold＞0)，可初步确定i为峰区位置。

找到im两侧最邻近的过零点位置l_m、r_m(l_m＜r_m)。若该两点间的距离r_m-l_m满足r_m-l_m≥1.2H，则认为该峰区中可能存在重叠峰，利用较小的窗宽度W’ (如W’= H + 1)分辨重叠峰。

对称零面积法寻峰的主要参数为窗函数的变换宽度W和峰判定的阈值threshold。W的选取通常与全能峰的半高宽FWHMC有关，比如:初步判断峰位的时候，选择W = 3FWHMC，在判断重峰时选择W≈ FWHMC，在本工作中通过综合判断选择适合谱仪的FWHMC作为固定值以达到较好的综合效果。峰判定变量的阈值threshold的选择与误判和漏判相关，是涉及到寻峰灵敏程度的变量，在本工作中比较不同的threshold对寻峰的影响，threshold作为最终用户接口由用户输入。

3.1.3 全谱连续本底扣除

将各道计数做变换: a，其中yi表示原谱数据第i道计数，a(i)表示变换后第i道数值。波窗口宽度为W = 2m + 1时，各道数值为: a_m(i) = min{a_m-1(i)，[a_m-1(i-m) + a_m-1(i + m)]/2}。由此a_m(i)值反变换便得各道本底计数(即全谱本底)。

SNIP实现本底扣除流程图如图 5。

经过分析对比，以滤波宽度为30对平滑后能谱进行本底计算并扣除得到的结果能较好的适合所在全能峰的半高宽。

3.1.4 峰面积计算

使用FFT方法对原始谱进行平滑; 使用高斯对称零面积法寻峰，设置阈值为15，半高宽=30;使用SNIP方法进行本底扣除; 对以上得到的能谱利用龙贝格积分方法计算拟合得到的高斯函数面积。

3.2 稳谱功能的实现

造成Nal(Tl) γ谱仪长时间使用中测得的γ能谱漂移的主要原因是:环境温度的变化，因为NaI(TI)闪烁探测器和电子学系统都具有一定的温度效应:仪器的不稳定性，包括元器件的疲劳效应、老化现象及电流电压漂移、外界干扰等^[2]。

目前NaI谱仪中使用的稳谱技术主要有三种方式: ①参考峰稳谱技术(包括利用内嵌α参考源或环境本底中的⁴⁰K或²³²Th); ②温度补偿稳谱技术; ③ LED稳谱技术。

本项目同时使用了温度补偿稳谱和LED稳谱两种技术。

项目组在NaI谱仪电路设计中增加了一个高精度的温度传感器。通过事先测试的在不同温度下，实际测量谱数据的漂移情况，在设备内部建立一个温度和道指之间的曲线。通过对温度的不断测量来自动调整多道参数以减少谱仪的温漂。

虽然使用温度补偿稳谱可以减少谱仪的温漂情况，但是为了进一步减少谱仪的温漂，项目组还在谱仪中增加了LED稳谱技术。

利用LED发光系统产生信号形成参考峰，代替参考源，根据所测量得到的峰位道址变化信息，通过谱仪的内部控制电路去进行反馈控制，使LED参考峰峰位稳定不变，从而达到稳定被测特征峰的目的。

LED稳谱技术具有很多优点: ①LED在测量谱中所形成的峰分辨率极佳，一般只占有2~4道左右的宽度; ②不会引入外部放射源，对测量没有影响; ③不会产生其他康普顿散射效应，对低能区核素测量没有影响; ④调整准确，精确度高。

在该谱仪设计中，采用蓝光LED进行稳谱，设置LED的脉冲频率为10 Hz，当获得1024个LED脉冲时就将谱仪的增益调整，每24 h自动稳谱一次。

3.3 谱仪稳定性的实现

稳定性是谱仪性能指标中的关键指标，谱仪在正常运行的情况下采集数据率可达100%，但是由于静电、电磁等外部因素的干扰会导致谱仪死机，为了保证系统稳定运行，防止由外部干扰(如静电、电磁等)造成系统死机，项目组在谱仪中加入了看门狗电路对系统进行监控，使得谱仪死机后可以自动重启。

看门狗电路原理如图 6所示:

CPU正常工作状态，每隔1秒会发出一个喂狗信号给看门狗电路。一旦CPU死机，那么喂狗信号就终止，看门狗2秒内收不到喂狗信号就会通过复位电路复位CPU。这样就可以保证CPU在受到外部干扰死机后能够恢复。

在谱仪增加看门狗电路以后，经过1年多的运行，目前系统数据获取率接近100%。

4 结论

该项目开发的事故后应急环境监测谱仪的技术指标详见表2，并具有如下特点: ①事故发生后可以快速在核设施周围组成环境监测网络; ②使用设备自带无线电传输数据，不依赖公用网络，数据传输模式包括3G、RF和有线; ③设备自带电池，不依赖外部电源，自带电池可支持系统工作10 × 24 h; ④防护等级高，环境适应能力强，工业防护等级达到IP68; ⑤可以识别人工核素以及其导致的剂量率。