1. 研究背景
我国的核仪器在过去三十年中得到迅速发展，并广泛应用于国民经济的各个领域 [1]。核科学与核技术自身蓬勃发展，大力的推动了核电子学、核医学、医疗影像学、核化学等学科发展，推动了世界经济的进步。
所谓“放射事故”，按照卫生部与公安部于1995年联合发布的《放射事故管理规定》明确定义的那样：指放射性同位素、射线装置等辐射源失控引起的丢失放射性物质、人员超计量照射、放射污染等异常事故 [2]。放射事故会给人民群众带来严重的影响，因此，做好应急响应，有力控制事件对社会安全和国家正常秩序的破坏是当前阶段的当务之急的任务。车载伽马巡测谱仪系统是当前比较常用且兼具实用性与经济性的一种快速分析和搜寻被盗或遗失放射源的技术手段，当城市发生放射事故时，该系统能够快速进行源项识别和综合态势分析，为事故后续工作开展提供有效支持 [3]。
2. 车载伽马巡测谱仪系统总体设计
车载伽马巡测谱仪系统主要由NaI (Tl)探测器、GM盖革管剂量计系统、北斗GNSS测量型天线套件、WiFi模块、锂电池、管座式数字能谱仪、电源管理系统、主控板、桌面能谱系统程序组成。组成框图如下图1所示：
图1. 车载伽马巡测谱仪系统设计框图
2.1. 硬件系统设计
硬件系统部分包括NaI (Tl)探测器、GM盖革管剂量计系统、北斗GNSS测量型天线套件、WiFi通讯系统、锂电池、管座式数字能谱仪、电源管理系统、主控板和电量显示。
2.1.1. NaI (Tl)探测器
NaI (Tl)探测器选用乌克兰Amcrys公司的PMT-R10233 4L的探测器，尺寸为102 × 102 × 406，它由被密封在金属容器中的闪烁晶体和可拆卸的光电倍增管(PMT)组成。该NaI (Tl)探测器可用于高灵敏度辐射监测，能够检测到能量范围为0.1到0.4 MeV的弱伽马流参数，NaI (Tl)探测器如图2所示。
2.1.2. GM盖革管剂量系统
盖革计数管选用北京北测精密仪器的GJ4034系列高量程能量补偿型盖革计数器和GJ4010系列超高量程能量补偿型盖革计数器。其中GJ4034高量程能量补偿型盖革管能量测量范围为48 keV~3 MeV，γ量程范围为0.1 mSv/h~10 Sv/h；GJ4010超高量程盖革计数器γ量程范围为1 mSv/h~100 Sv/h，GJ4010和GJ4034系列盖革管计数器工作电压为320 V~370 V。盖革管计数器如下图3和图4所示：
图2. NaI (Tl)探测器
图3. GJ4034盖革管计数器
图4. GJ4010盖革管计数器
硬件电路方面GM盖革管剂量系统由主控板提供+12 V电源供电，经过高压升压电路后输出+350 V直流电压给盖革管计数器，电压转换电路如下图5所示。
盖革管计数器输出的电流信号经负载电阻R4和R11转换为电压信号，然后经过比较器电路输出计数方波信号，以供控制板外部PWM计数采集并进行计数。盖革管比较器电路如下图6所示。
盖革管比较器电路采用单电源供电，供电电压为+3.3 V，由主控板提供+12 V电源经过降压电路实现，下图7为供电电路。
图5. 盖革管计数器升压电路
图6. 盖革管比较器电路
2.1.3. 北斗GNSS定位系统
北斗GNSS定位系统分为高精度GNSS板卡和电源底板两部分组成，高精度GNSS板卡采用北云科技新一代RTK算法架构的基于Alita基带芯片和Ripley射频芯片设计，能够实现更智能的算法引擎、更高效的RTK解算，能实时提供高精度的位置、速度等导航参数，具有体积小、功耗低、全性能等优点，稳定工作时电流为700 mA左右。GNSS板卡如下图8所示：
图7. 盖革管比较器供电电路
图8. GNSS板卡
电源底板由主控板提供+24 V电源供电，选用金升阳URB2403系列6 W功率的隔离电源，将主控板提供的+24 V电源降压为+3.3 V给GNSS板卡供电。电路原理图如下图9所示，其中BynavC1为GNSS板卡。
2.1.4. WiFi通讯系统
WiFi通讯部分选用卓岚信息科技的ZLAN7146系列WiFi通讯模块，该WiFi模块可以通过串口连接到主控板上进行无限WiFi网络通讯。WiFi支持STA模式连接到无限路由器，或者作为AP模式让手机等WiFi设备连接，在该车载伽马巡测谱仪系统中将WiFi配置为STA模式，通过异步串口通讯和主控板互传数据。ZLAN7146 WiFi模块如下图10所示。
2.1.5. 主控板系统
主控板系统包括主控电源底板和主控核心板两部分，主控电源底板由外部直流+24 V供电，然后通过隔离电源将隔离后的+24 V电压输入到降压稳压电路进行降压，分别通过金升阳URB2412降压模块、URB2405降压模块、URB2403降压模块将输入的+24 V电压降压到直流+12 V、+5 V、+3.3 V，其
图9. GNSS电源底板电路图
图10. WIFI通讯模块
中+24 V和+12 V通过继电器物理隔离后作为外部供电电源，+3.3 V则为主控核心板供电。主控电源底板部分电路原理如下图11(a)和图11(b)所示。
主控核心板MCU选用STM32F429ZGT6，外部搭载4Gb美光FLASH存储器，由主控电源底板输出的+3.3 V作为电源。主控核心板实物图如下图12所示。
2.1.6. 电源管理系统
车载伽马巡测谱仪系统主供电为+24 V，由24 V 20AH锂电池和220 V交流转24 V直流开关电源双路供电，并且两路电源能够通过直流双电源自动切换器实现主电和备电的自动切换，其中直流开关电源为主电，锂电池为备电，直流双电源自动切换器输出为主控电源底板和电量显示提供电源。直流双电源自动切换器如下图13所示。
图11. (a) 主控电源底板电源隔离电路图；(b) 主控电源底板电源降压电路图
图12. 主控核心板PCB
图13. 直流双电源自动切换器
2.2. 软件系统设计
车载伽马巡测谱仪系统底层硬件通过串口TTL通讯与上位机程序进行实时数据传输，上位机程序可实现实时测量、数据回放、数据管理三种数据管理模式。通过硬件GNSS定位功能，可在上位机地图中显示当前时间、位置坐标、海拔高度和雷达高度。NaI (Tl)探测器采集到的核信号通过数字多道的串口通讯将数据发送至上位机形成谱线，谱线图能够显示核信号的真时间、活时间、死时间、道址和能量，且通过对核信号数据的提取可计算出伽马剂量率、能谱剂量率等。软件测量数据如下图14所示，软件数据回放如下图15所示：
图14. 车载巡测谱仪系统软件测量数据图
图15. 车载巡测谱仪系统软件测量数据回放图
3. 数据测试
对系统在自然环境下的部分GNSS数据如表1所示：
表1. 车载巡测谱仪系统GNSS部分数据
对系统在自然环境下的部分谱线数据及各个系数如表2所示。
4. 实物
车载巡测谱仪系统成品如下图16所示。
表2. 车载巡测谱仪系统谱线部分数据
图16. 车载巡测谱仪系统成品实物图
5. 结语
车载伽马巡测谱仪系统具有较强自身机动性、自动化程度高、覆盖面宽等优点 [4]，平时搭载在车载移动平台上，作为环境放射性检测领域中的重要仪器设备，车载伽马巡测谱仪系统能够在城市发生辐射事故时快速到达指定位置，有效地对大面积区域进行实时监测，并及时向上级部门发送现场辐射环境状况等信息 [5]，给调查事故原因、评价事故后果及采取保护措施提供了技术支持。
基金项目
四川省重大科技专项项目(项目编号：2020ZDZX0007)；国家自然科学基金青年基金(项目编号：11905020)。
车载伽马巡测谱仪系统
摘要：车载伽马巡测谱仪系统是一套将伽马能谱仪放置在车载移动平台上探测目标区域伽马射线能量和强度，并且识别出放射性核素种类和含量的系统设备。车载伽马巡测谱仪系统是一种快速、高灵敏度检测环境放射性的测量手段，通常应用于环境辐射监测领域，以及承当放射性勘察任务。该车载伽马巡测谱仪由大体积NaI (Tl)探测器、盖革管计数器、北斗定位系统、数据采集及嵌入式控制等系统组成，能够实现城市放射性污染的快速巡查、源项识别及综合态势分析等功能，为事故后城市大面积污染的快速监测与识别分析提供技术支撑，提高工作效率保护人员安全。
关键词：车载伽马巡测谱仪系统、NaI (Tl)探测器、放射性勘察、源项识别