20世纪末，无人机核辐射监测技术逐渐开始发展起来，最早的无人机核辐射监测系统将一些核辐射监测的传感器安装在小型无人机上，进行核事故环境方面的辐射监测^[1-3]。2017年，国家在《国家突发事件应急体系建设“十三五”规划》中将无人机纳入应急救援体系专业装备^[4] 。由于NaI（Tl） 探测器 γ能谱仪系统探测效率高，在应对核与辐射事故领域已普遍得到应用。但是在核事故情况下，会释放多种人工核素，如¹³⁷Cs、¹³⁴Cs、¹³¹I等^[5-6]，其核素分辨能力远不如CeBr₃晶体探测器。CeBr₃（溴化铈）是一种无机化合物，近些年来，CeBr₃闪烁体探测器加工制造得到了快速发展，其晶体高能量分辨率、发光衰减时间快、低本底特性等优异性能备受关注。另一种光电转换倍增器件——硅光电倍增管（SiPM）具有总灵敏度高于 PMT（光电倍增管） 的光阴极，在波长长的波段、位于红外区域时，其量子效率更为突出。此外，SiPM 具有以下优点：体积小、便于研制成阵列分布的形式、可拆解分离；增益高、工作电压低（通常在30～100 V之间）；抗外界环境干扰能力强；可在强磁场环境下正常工作；探测效率高，单光子分辨本领强，具有较宽的光谱响应波长范围（300～1000 nm）（Huizenga J et al, 2012）；能与更多的闪烁体进行匹配；价格便宜^[7-11]。

本次研制基于Z-3型和Z-5B型无人机为搭载平台，为了缩小探测系统的体积、提高探测效率、有效识别核素，采用CeBr₃ + SiPM探测器、高度集成化模块、智能化电子器件，设计开发可以满足常温使用需求、能量分辨率相较于NaI（Tl）探测器更优、探测效率更高、构型更紧凑、重量更轻、抗振性能更好、使用更便捷的无人机载CeBr₃探测器监测系统。

1 材料与方法 1.1 硬件设计

无人机载CeBr₃探测器监测系统（简称“CeBr₃系统”）主要由CeBr₃晶体探测器（耦合SiPM阵列及配套电路）、数字多道分析器、数据采集收录模块、电源模块、辅助参量传感器（气压高度计、温湿度计、雷达高度计、导航定位信息等）、集成箱体6部分组成。为了获取较高的核素识别能力和探测效率，采用4个尺寸为φ76.0 mm × H76.0 mm的柱状CeBr₃晶体组成探测器单元，合计晶体体积为1378.4 cm³。

数字多道分析器采用体积小、重量轻、功耗小的DP3300C-POE型数字多道分析器，集成高压电源、前放、主放、多道分析器于一体，尺寸长 65 mm × 宽 65 mm × 高 65 mm，重量约 310 g，典型功耗 < 3.0 W。通信方式采用以太网通信；能谱道数1024、2048、4096道可选，最大具备8 k能谱分辨率输出功能。

光电转换倍增器正面由64 个SensL 6mm J系列组成的圆形SiPM阵列构成，按照最优化的空间排布方式布局，并配有信号引出部件和供电版（偏压器）。分布成圆形的SiPM阵列有效探测面积对应直径约为76 mm，其波长范围为200～900 nm，操作电压25.2～30.7 V。反面包括消除SiPM串扰的专用64∶1求和放大电路、高精度热敏电阻和2个板对板连接器；64个SiPM全部通过并联方式供电。

CeBr₃系统通过耦合在CeBr₃晶体光窗上的SiPM阵列及配套电路完成光电转化，之后通过数字多道脉冲幅度分析器（MCA）完成模拟电信号到数字信号的转换，并对能谱脉冲进行脉冲整形、滤波、堆积识别、幅度分析等处理，然后将γ能谱数据输出到数据采集收录模块。系统需连接的辅助参量传感器通过标准的数字通信接口与数据采集收录模块进行通讯。数据采集收录模块将γ能谱数据和辅助参量数据同时收录到数据文件中。图1为无人机载CeBr₃探测器监测系统的组成框图。

CeBr₃晶体光窗与 SiPM 阵列之间用EJ-560硅橡胶学垫片（光学耦合剂）进行光学耦合连接，使二者紧密无缝结合。EJ-560具有优异的透光性和热稳定性，耐久性好，化学稳定性好，耐辐照耐老化、密度为1.03 g/cm³，使用温度−40 ℃～70 ℃，热膨胀系数为3 × 10⁻⁴ cm/cm/℃。

探测器箱体外壳由强度高、密度小、重量轻的碳纤维复合材料制成。为了便于在不同类型的无人机上和不同需求下进行安装，4个CeBr₃晶体和4个数字多道分析器分装两个在探测器箱体内，并在内配备数据采集收录模块和电源模块。辅助参量传感器通过DB9型接口与数据采集收录模块进行连接。单个探测器箱体单元尺寸为长500 mm × 宽220 mm × 高210 mm，重量11 kg左右（图2）。

1.2 各组件电气特性

CeBr₃系统集成后测试得到各组件/模块电气特性见表1。

1.3 软件设计

数据收录软件主要由参数设置、性能测试分析和数据采集收录模块组成，从而实现各端口及其相应的开关选择、稳谱核素选择、稳谱方式选择、增益设置、系统状态实时查看等功能，实现监测系统性能测试及状态分析等功能。具有监测系统通电后延时自动启动数据采集收录程序、能谱数据实时稳谱、多源数据收录、实时状态显示等功能。

数据收录软件基于EMBC-1000工控机为平台开发。此工控机外形尺寸为146 mm × 102 mm × 50 mm，含10个串口、2个USB口及Dvi24 + 1高清视频接口，9～36V直流供电，支持Windows系统开发，工作温度范围为−40℃～50℃，适合小型化系统集成和野外恶劣环境工作。研制的CeBr₃系统主要技术指标见表2。

2 结　果 2.1 探测器晶体能量分辨率

分别对4个CeBr₃晶体的能量分辨率进行测试和计算。测试时将¹³⁷Cs豁免点源放置在晶体端顶帽一定距离处，使得¹³⁷Cs的能量峰有一定的计数率（图3），通过测试和计算各个晶体的能量分辨率分别为4.85%、4.61%、4.50%、4.58%（@0.662 MeV），采用4个晶体探测合成谱的数据进行计算，其总晶体的能量分辨率为4.93%。

2.2 能谱仪能量线性

使用¹⁵²Eu的主能峰121.7817、344.2758、778.9045、964.057、1112.076、1408.01 keV和²⁰⁸Tl的主能峰2614.50 keV进行能谱线性计算（图4），4个CeBr₃探测器和总箱的γ能谱能量线性拟合度均为0.99997（图5）。

2.3 CeBr₃系统相对探测效率

使用豁免⁶⁰Co点源分别对NaI（Tl）（φ76.0 mm × H76.0 mm）晶体 + PMT探测器和CeBr₃晶体探测器进行探测效率测试。测试时将⁶⁰Co点源放置在晶体端顶帽25.0 cm处，CeBr₃系统记录的能谱曲线见图6，NaI（Tl）和CeBr₃系统记录的能谱窗原始计数率相对误差分别控制在1%以内。

为了比较不同类型探测器的探测效率，GB/T 7167—2008 锗γ射线探测器测试方法定义了探测器相对探测效率的计算方法^[12]，见公式1），即：

$ \text{ε} _{{\rm{rel}}}=\text{ε}_{{\rm{a}}} /\text{ε}_{{\rm{NaI(Tl)}} } \times 100\% $

(l)

式中，

ε_a — ⁶⁰Co点薄膜源位于探测器端帽中心轴线上，距离探测器端顶帽25.0 cm处，1332.5 keV能峰的绝对探测效率。

ε_NaI（Tl） — φ76.0 mm × H76.0 mm NaI（Tl）闪烁探测器对⁶⁰Co点薄膜源距离探测器端顶帽25.0 cm处，1332.5 keV能峰的绝对探测效率。

计算得出单箱CeBr₃探测器的相对探测效率为316%（表3）。

2.4 CeBr₃系统长期稳定性

将整个CeBr₃系统放置在正常大气环境下开机运行，待系统稳定后连续测试12 h，设置采样频率1 Hz、能谱仪道数为1024道。各能量窗设置见表4，依据规范的计算方法^[13-14]，计算K窗、U窗、Th窗和Cs窗计数率的最大变化为1.81%。另外，通过对12 h的连续测试数据进行分析，就Cs窗数据而言，69.1%的数据在平均值±1倍方差之内变化，95.6%的数据在平均值±2倍方差之内变化，99.7%的数据在平均值±3倍方差之内变化，可以看出，CeBr₃系统采集的放射性数据符合放射性统计涨落。

2.5 能谱仪能谱峰漂

CeBr₃系统长时间（时间>12 h）测量前后，分别使用¹³⁷Cs点源和²⁰⁸Tl点源进行测试，并计算²⁰⁸Tl的主能峰（2614.50 keV）峰位变化。计算得出²⁰⁸Tl的主能量峰峰漂为0.2道（1024道谱数据），可以看出其稳谱性能良好（表5）。

2.6 CeBr₃系统探测能力分析

设置置信度为95%，在钾含量为1.6%、铀含量为2 μg/g、钍含量为10 μg/g的天然核素辐射背景下，采用蒙特卡罗方法进行数值模拟，计算了CeBr₃系统在离地测量高度30、60、90和120 m情况下，¹³⁷Cs的最低探测限和最小可探测活度（图7）。系统在距离地面90 m高度的情况下对人工核素¹³⁷Cs的探测限为17.9 s⁻¹、最小可探测活度为15309.0 Bq/m²。

2.7 康普顿散射剥离系数计算

将单箱CeBr₃探测器箱体分别放置在地面饱和模型体源（简称“地面模型”）YK2（钾模型）、YU1（铀模型）、YTh1（钍模型）、YM1（混合模型）、YM2（混合模型）、YB2（本底模型）上表面中心点进行测试，测量时保证主核素能量窗原始数据计数 > 10000。采用各个地面模型测试数据（表6）和已知的各个地面模型含量数据计算系统的康普顿散射剥离系数，计算结果见表7，α、β、γ分别为0.2625、0.4233、0.8875。

2.8 CeBr₃闪烁晶体（和SiPM阵列）本底测试

首先，ARD便携式多道能谱仪开机稳定后，ARD探测器放置在低本底铅室内（铅室壁由100 mm厚的低本底铅组成），测量时间累计50 min；其次，ARD便携式多道能谱仪和一个CeBr₃闪烁晶体（和SiPM阵列）同时放置到低本底铅室内，测量时间累计50 min。通过对测量全谱数据进行分析，低本底铅室自身本底为4.859 s⁻¹，放置一个CeBr₃晶体在铅室内后，测量的总计数为5.216 s⁻¹，可以看出单个CeBr₃晶体（含SiPM及相应电路板）产生的放射性计数为0.357 s⁻¹，因此，CeBr₃晶体自身本底为0.0010 counts/cm³/s。

2.9 人工核素点源测试

分别采用¹³⁷Cs、¹³⁷Cs + ²⁰⁸Tl、¹⁵²Eu γ射线测试源靠近系统进行测试，系统对测试源响应明显，地面测量可以明显区分不同的源项（图8）。其中¹⁵²Eu测试源的γ能谱是在源与探测器距离正下方70 cm、单箱晶体1s中的测试谱，从图中可以看出，对121.7817、344.2758、778.9045、964.057、1112.076、1408.01 keV特征峰响应明显。另外从图6看出，可以明显区分1460.8 keV能量峰（⁴⁰K）和1332.5 keV能量峰（⁶⁰Co），因此，具有好的核素识别能力。

2.10 CeBr₃系统死时间测试

CeBr₃系统死时间测量使用双源净计数法进行实际测试^[15]，将CeBr₃探测器箱体放置在距离地面高度45 cm左右，且探测器中心位于A源和B源（¹³⁷Cs平面源）组合形成的正六边形平面源形状中心位置正上方，分别对辐射环境本底、A源、B源、A源 + B源进行测量，保持原始计数率相对误差＜1%。实际测试，A源、B源、A源 + B源¹³⁷Cs 能量峰计数分别为1234.8 s⁻¹、1169.2 s⁻¹、2379.5 s⁻¹，本底计数为19.0 s⁻¹，依据公式2）计算CeBr₃系统死时间τ为1.98μs，可见能谱仪系统的死时间很小。

$ \tau =\frac{{m}_{\rm{A}}{m}_{\rm{B}}-\sqrt{{m}_{\rm{A}}{m}_{\rm{B}}\left({m}_{AB}{-m}_{\rm{A}}\right)\left({m}_{{\rm{AB}}}{-m}_{\rm{B}}\right)}}{{m}_{\rm{A}}{m}_{\rm{B}}{m}_{{\rm{AB}}}} $

(2)

式中：

m_A—A源实际测量的计数率，s⁻¹，

m_B—B源实际测量的计数率，s⁻¹，

m_AB—A源 + B源实际测量的计数率，s⁻¹，

τ—系统的死时间，μs。

3 讨　论

本文采用圆形阵列式SiPM硅光电倍增管和CeBr₃晶体耦合技术，晶体能量分辨率由NaI（Tl）晶体能量分辨率的10%提高到CeBr₃晶体能量分辨率的4.93%（@662 keV），增强了对复杂人工核素的识别能力^[16]；构建了在Z-5B无人直升机底部进行阵列式晶体探测器的安装技术，提高了探测效率；同时减小了探测器箱体的体积和重量，便捷了安装方式，为将来有效载荷的增加奠定了技术基础。

国家核应急救援航空辐射监测分队是核应急救援的国家级支援力量，其任务之一是在发生核事故（事件）情况下，按照国家指令，承担核应急航空辐射监测任务，开展核素识别工作，为决策部门提供技术支持。CeBr₃探测器监测系统的研究为将来的核素识别奠定了硬件和软件基础，完善了我国无人机核应急救援航空监测技术体系。

本文针对此系统模拟计算了特定天然辐射环境不同测量高度下的¹³⁷Cs最小可探测活度，随着测量高度的增加，最小可探测活度逐渐增大，此结果有待于进一步的实际飞行验证。