在后处理厂、核燃料生产厂等工作场所中，存在大量发射能量低于60 keV的放射性核素，比如，¹²⁹I（40 keV）、¹⁴⁰Ba（30 keV）、²¹⁰Pb（47 keV）、²⁴¹Am（59.5 keV）、^157mTe（59 keV）等。此外，大部分元素的特征X射线能量也小于60 keV，比如¹⁰⁹Cd、¹³³Ba、¹³⁷Cs的K层电子特征X射线能量分别为22.1 keV、30.9 keV、32.1 keV。这些核素一般来自于核燃料裂变碎片或者中子吸收核反应。从剂量学的角度，不同能量光子的单位注量对剂量的贡献不一样，在20～120 keV范围内贡献远大于高能光子，因而在场所监测和工作人员辐射防护中，此类低能X/γ射线的放射性水平及其对总剂量的贡献占有重要地位。当前常用的如电离室、闪烁体、GM管等场所区域监测剂量率仪，可测量的能量下限通常在50 keV以上，对低能X/γ射线没有很好的测量效果，可能存在少测、漏测等情况，对场所的剂量水平存在低估风险，难以满足监测需求。此外，上述剂量仪器大部分没有能量分辨能力或者能量分辨率很差，无法进行对于低能γ能射线能谱测量，也不具备核素识别功能^[1-4]。

碲锌镉探测器是过去近30年中发展起来的高性能室温半导体辐射探测器，具有平均原子序数高、密度高、可在室温使用、能量分辨率好等优点，广泛应用在高能光子的辐射探测中。已有文献报导，碲锌镉晶体能量探测下限可低至10 KeV，在低能情况下仍然保持不错的能量分辨率，这使得基于碲锌镉探测器开发低能光子能谱测量仪成为现实^[1-3]。本文研制了一种基于碲锌镉的便携式核素识别仪，室温环境探测能量下限可低至20 keV，能很好地对20 keV～2 MeV的X/γ射线核素进行探测。对²⁴¹Am核素59 keV射线的能量分辨率可达4.1%，足够能谱解析需求，配合内置解谱软件，可实现常用核素的识别。

1 材料与方法

该核素识别仪由CdZnTe探测器、脉冲幅度分析器、辅助电路、和内置软件组成。CdZnTe探测器为半球型碲锌镉，与前放电路一起进行整体封装，实现辐射探测功能；脉冲幅度分析器采用全国产化器件，主要实现前放信号处理和脉冲幅度分析功能；辅助电路包括液晶屏、控制板、电源板、锂电池等，主要实现逻辑控制、数据处理、人机交互、和供电；内置软件包括嵌入式软件和人机交互软件，核心部分为核素识别计算模块。

1.1 探测器硬件设计

CdZnTe探测器选用陕西迪泰克有限公司生产的10 mm × 10 mm × 5 mm半球型碲锌镉，对低能X射线具有良好的测量性能^[3]。

数字脉冲幅度分析器用于探测器输出信号的脉冲幅度分析，由放大电路、AD模块、供电模块、主控制器和接口组成。探测器接收低能X射线产生的脉冲信号较弱，为提高探测器对低能X射线的测量精度，需要采用高精度ADC和参考电压，并对电路进行良好的电磁兼容设计。考虑到国产化需求，AD模块选用了上海贝岭生产的BLAD14D80型高速高精度ADC芯片，该芯片是一款14位、80 MSPS的模数转换器（ADC）。FPGA选用上海复旦微电子的FMQL45T900型FPGA + ARM一体化可编程融合芯片。数字脉冲幅度分析器硬件模块设计如图1，电路板实物图如图2。

脉冲幅度分析处理是在FPGA片上系统完成的，FPGA及嵌入式软件是整个系统的核心。通过逻辑控制实现高速AD转换数据的采集，然后对数字信号进行预滤波、成形处理、阈值甄别、基线计算、堆积判弃、幅度分析等，在片内实现能谱缓存，并将能谱数据发送给MCU。其软件流程和逻辑如图3所示，图中双线箭头表示总线数据，单线箭头表示控制信号。

FPGA系统里实现了辐射脉冲信号处理所需的多种算法，这些算法的精度直接关系到测量能谱的性能，经过反复调试确定了各算法的参数，确保系统对于低能X射线的准确获取和正确分析。

1.2 峰形拟合和剂量计算

碲锌镉探测器的峰形拟合精度与本文采用的剂量测量方法和核素识别方法有直接关系，需要选择一种快速准确的峰形拟合方法，实现剂量的准确测量和核素的快速识别。由于碲锌镉材料特有的拖尾效应，通常采用峰形拟合方法保证模拟结果的准确性^[5-6]。本文采用的峰形拟合函数形式为 $ {{F}}_{\left({E}_{i},{E}_{0}\right)}={G}_{\left({E}_{i},{E}_{0}\right)} + {T}_{\left({E}_{i},{E}_{0}\right)} $ ：

$ {{G}}_{\left({E}_{i},{E}_{0}\right)}={H}_{g}\times {e}^{-\frac{{\left({E}_{i}-{E}_{0}\right)}^{2}}{2{\sigma }^{2}}} $

(1)

$ {{T}}_{\left({E}_{i},{E}_{0}\right)}={{H}_{g}\times H}_{t}\times {e}^{\frac{{E}_{i}-{E}_{0}}{{T}_{s}\sigma }}\times erfc\left(\frac{{E}_{i}-{E}_{0}}{\sqrt{2}\sigma } + \frac{1}{{\sqrt{2}T}_{s}}\right) $

(2)

式中， $ {G}_{\left({E}_{i},{E}_{0}\right)} $ 为高斯峰形函数， $ {T}_{\left({E}_{i},{E}_{0}\right)} $ 为拖尾峰形函数， ${{H}}_{\mathrm{g}}$ 是高斯峰高， ${{H}}_{\mathrm{t}}$ 是拖尾高度比， $ {T}_{s} $ 是拖尾的反斜率， $ \sigma $ 是高斯标准差， $ erfc\left(x\right) $ 是余误差函数， ${e}{r}{f}{c}\left(x\right)=2/\sqrt{\text{π}}{\displaystyle\int }_{x}^{\infty }\mathrm{exp}\left(-{t}^{2}\right)dt$ 。

剂量数据是通过G（E）函数与测量能谱计算得到的。基于蒙特卡罗模拟和峰形拟合的碲锌镉探测器G（E）函数简便计算方法^[6-10]，得到G（E）函数如图4。

1.3 核素识别算法

探测器获取的能谱先经过快速傅里叶变换进行平滑，基于SNIP方法扣除本底，按上述所述峰形拟合方法求解高斯峰形部分的峰位置，并与核素库中的核素特征峰进行匹配，得到核素分析的结果^[5,11-13]。

1.3.1 谱数据平滑

对能谱类型的离散数据进行滤波的常用方法是傅里叶变换，其基本思想是认为能谱为理想能谱数据（低频）和噪声扰动（高频）的叠加，通过傅里叶变换将谱数据转换为频谱数据Y（ω）。通过滤波函数F（ω）将属于噪声扰动的高频部分滤除，得到实际能谱（低频）。快速傅里叶变换是该方法针对计算机运算的改进，可大幅减少计算资源。这里选择滤波器函数：

$ F(\omega ) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {0.54 + 0.46\cos \left(\dfrac{{\pi \omega }}{{MFC}}\right)\;\;\;\left| \omega \right| \leqslant MFC} \\ {0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left| \omega \right| > MFC} \end{array}} \right. $

(3)

其中，MFC为滤波灵敏度参数，按需求进行调整。

1.3.2 峰形拟合方法求解峰位置

如前所述，碲锌镉材料测量能谱有拖尾效应，考虑到设备的寻峰精度和效率，可以对峰形拟合中的高斯峰形部分进行分析，并采用对称零面积法求解峰位置。构建高斯型对称零面积窗函数G（j）：

$ G\left(j\right)=C\left(j\right)-d(-m\leqslant j\leqslant m) $

(4)

$ C\left(j\right)=\mathit{exp}\left[-4ln2{\left(\frac{j}{H}\right)}^{2}\right](-m\leqslant j\leqslant m) $

(5)

其中，j、m均为整数。

寻峰判定函数P（i）：

$ P\left(i\right)=\frac{\tilde{y}\left(i\right)}{\Delta \tilde{y}\left(i\right)}=\frac{{\displaystyle\sum }_{j=-m}^{m}G\left(j\right)\tilde{y}\left(i + j\right)}{{\left[{\displaystyle\sum }_{j=-m}^{m}{G}^{2}\left(j\right)\tilde{y}\left(i + j\right)\right]}^{1/2}} $

(6)

其中，i为能谱道址。

寻峰判定函数P（i）到极值时认为此时道址i为峰位置。通过峰形拟合函数和龙贝格积分法求解峰面积，从而可计算对应核素的活度信息^[14]。

2 结　果 2.1 设备总体性能

对设备的剂量率范围、能量范围、分辨率、电磁兼容、环境适应性等各项指标进行第三方测试，并经过长期应用试验验证其稳定性和可靠性，得到设备的主要性能指标如表1。

2.2 核素识别能力和能量分辨率测试

室温环境下，使用活度约879 Bq的²⁴¹Am放射源放置在探测器附近，测量约81 s得到测量能谱。由上位机软件给出核素分析信息，结果如图5所示。

结果表明，测量能谱的能量分辨率约为3.44%@59.5 keV@12℃，设备能准确识别²⁴¹Am。

2.3 周围剂量当量率测试

在国防一级电离辐射计量站，将设备测得的周围剂量当量率与¹³⁷Cs 662 keV标准场比对，数据如表2所示。

结果表明，在¹³⁷Cs 662 keV射线标准场的本底至10 mSv/h范围内，设备测得的周围剂量当量率与标准场比对误差在12%以内，满足规程要求。

3 讨　论

目前便携式核素识别仪主要针对50 keV以上的中高能γ射线探测，缺少对低能X射线的探测及核素识别方法研究^{[3, 6, 9, 13]}。但低能射线部分对工作人员也可能造成较大的辐射危害，尤其是在后处理厂、核燃料生产厂等主要产生低能X/γ射线的场所中，更需要关注低能X/γ射线的辐射剂量水平和核素种类，以便采取必要的辐射防护措施。碲锌镉探测器具有原子序数高、密度高、可在室温使用、能量分辨率好等优点，特别适合于低能X/γ射线的测量。但由于晶体体积较小、价格较贵等原因，在实际应用中使用较少，可作为现有场所监测的技术手段补充。

本文研制了一套基于碲锌镉探测器的便携式核素识别仪，在当前国际背景下，采用国产器件设计研制了高精度数字脉冲分析电路。并对现有的嵌入式脉冲处理方法改进优化，实现了对低能X/γ射线良好的分辨率。该电路采用高速ADC采集脉冲信号，FPGA片上实现脉冲处理，实现了较好的低能γ射线分辨率3.44%@59.5 keV@12℃。考虑到晶体特性和个体差异，已达到了该材料同等条件测量的较好水平，优于国外类似产品的该项指标，对于低能X/γ射线的探测设备研制具有很好的借鉴参考价值。但由于采样速度高、器件选型等因素，整机功耗仍然较高，作为便携式核素识别仪使用仍需要进一步优化硬件功耗。

采用峰形拟合和对称峰零面积结合的算法，实现了对核素的快速准确识别。基于Monte-Carlo模拟和峰形拟合方法，计算得到了碲锌镉探测器的能谱-剂量转换G(E)函数。在已有工作基础上做了优化改进^{[1, 6]}，并将所有算法及软件功能移植到嵌入式系统上，实现了整机的小型化和便携化。但对于重峰的核素识别效果仍然缺少考虑和验证，下一步工作的重点在于算法的进一步优化。

本文研制的便携式核素识别仪在材料、算法、软件、功耗、重量上都充分考虑了工作人员的操作需求，其对低能X/γ射线良好的探测性能，特别适合于后处理厂、核燃料生产厂等工作场所中的超铀核素测量。探测器灵敏部分可拆卸操作，可用于复杂狭小空间内的污染定位，为超铀核素的辐射监测提供了技术手段^[13]。该设备已交付后处理厂工作人员使用，并得到了良好的反馈。由于探测器的抗震及屏蔽结构阻挡了部分低能X射线的入射探测，因此设备可测的最低能量未达到材料可达的10 keV^[3]，后续将在能窗设计和结构设计上继续改进设备的低能探测性能。