赵丹，闵苹，李金凤，徐健，杨龙泉

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；3.中国核工业集团公司，北京 100822）

基于QTC技术构建的便携式伽马能谱仪

赵丹1，2，闵苹3，李金凤2，徐健2，杨龙泉2

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；3.中国核工业集团公司，北京 100822）

目前便携式伽马能谱仪通常采用ADC（模数转换）对脉冲峰值采样的方法实现能谱数据采集功能。该类仪器稳定性好，但其电路复杂、功耗较大，而且价格比较昂贵。基于QMCA4001-50N模块，采用QTC（电荷-时间转换）技术构建便携式伽马能谱仪，在保证伽马能谱仪稳定性和可靠性的基础上，能够使其电路结构简洁、功耗降低、成本得到有效控制。

QTC（电荷-时间转换）；时间测量；便携式伽马能谱仪

目前便携式伽马能谱仪通常采用ADC（模数转换）对脉冲峰值采样的方法实现能谱数据采集功能，该类仪器稳定性好，但其电路复杂、功耗较大，而且价格比较昂贵。采用QTC（电荷-时间转换）技术构建便携式伽马能谱仪，在保证伽马能谱仪稳定性和可靠性的基础上，可使能谱采集电路结构简洁、功耗降低、整机成本得到有效控制。因此，研制基于QTC技术的便携式伽马能谱仪是非常必要的。

1 QTC（电荷-时间转换）技术原理及模块简介

QTC技术即为电荷-时间转换技术，图1为电荷-时间转换电路的简化原理图。由图1可见，输入的负脉冲信号经反向有源整流电路整流后，通过电阻R3对电容C1进行充电，充电电荷量Q与输入脉冲包含的电量成正比。在C1充满后，通过恒流源Idisch对C1进行线性放电，经鉴别器A3输出宽度为Tout的逻辑脉冲。Tout的计算如式（1）所示：

因此，Tout正比于充电电荷量Q，进而正比于脉冲所包含的电量，从而实现电荷量到时间的转换。

QTC技术实现采用QMCA4001-50N模块。该模块可直接与闪烁探测器连接，不需前置放大器和信号成形电路，可仅通过一个输入电阻对信号增益进行调节，其输出可直接连接CPLD或FPGA器件，是一款高精度电荷积分式多道分析模块，具有高稳定性、低功耗（240 mW）和小尺寸等优点，能够在－40～＋85℃范围内稳定地工作。

通过调节光电倍增管的高压和QTC器件的输入电阻，对能量为3 MeV的伽马射线，QTC输出逻辑脉冲的宽度为4.27μs，在选用CPLD计时频率为60 MHz的情况下，其相应的道址为512道。QTC器件的最大伽马计数率与伽马射线的谱成分有关，在假设伽马射线能量全部为3 MeV的条件下，其理论最高计数率为234 k·s-1。

2 基于QTC的伽马能谱仪的结构设计［1-3］

图2为基于QTC技术的能谱仪的结构简图，主要包括闪烁体探测器、模拟电路、数字电路和上位机。模拟电路部分主要由QTC模块组成，将从NaI（Tl）探测器输出的脉冲信号转化为宽度为Tout的矩形脉冲信号；数字电路部分包括时间测量和谱数据处理单元两个模块，时间测量模块完成对矩形脉冲高电频持续时间的量化并输出为道址，谱数据处理单元负责对道址对应单元的数据进行加1操作，并实时向上位机传递谱数据。

3 基于QTC伽马能谱仪的硬件电路结构设计

该能谱仪的关键硬件电路主要包括3个部分：电源电路、电荷-时间转换（QTC）电路和时间-数字转换（TDC）电路与数据上传电路。

3.1 电源电路

由于伽马能谱测量电路需要高稳定度、低噪声的电源供电，设计了由“单一＋12 V输入、±5 V输出、＋3.3 V输出”的高效率DC-DC变换电路。3.3 V直流电源为QTC器件QMCA4001-50N、CPLD器件EPM3128芯片和ARM器件LPC2148芯片提供电源。5 V直流电源主要为与上位机进行串口通讯的器件MAX202CSE提供电源。其中，＋5V与＋3.3 V输出电源电路使用LT公司先进的高效率PWM降压电路芯片LT3480，－5 V输出电源使用Maxim公司的MAX764芯片。

3.2 电荷-时间转换（QTC）电路

电荷-时间转换（QTC）电路的功能是将NaI（Tl）探测器输出的脉冲电荷量，转换成宽度与输出电荷量成正比的数字逻辑脉冲，该逻辑脉冲的幅度为＋3.3 V。由于入射伽马光子在晶体里沉积的能量与光电倍增管输出脉冲的电荷量成正比，因此该电路输出逻辑脉冲的宽度与入射伽马光子的能量成正比，实现了对伽马射线的定性测量。由于电荷转换的过程是积分与线性放电过程，因此对高频噪声的敏感度低，从而可以获得较好的能量分辨本领。

在电路实现上，QTC器件采用针对高能物理实验设计的电荷转换模块QMCA4001-50N模块。如图3为采用QMCA4001-50N芯片设计的QTC连接电路，其端口CON301直接接收来自光电倍增管或者经前置放大器输出的负脉冲信号，经由QTC器件转化为逻辑脉冲信号，由OUTL端输出至TDC处理单元。其中，通过更改光电倍增管的高压或R301的阻值来改变输入信号的幅度，在确定TDC测量脉冲频率的情况下，设定能谱测量的道数。

3.3 时间-数字转换（TDC）与数据上传电路

时间-数字转换（TDC）电路使用CPLD器件，其功能是将QTC电路输出的逻辑脉冲进行数字量化，输出数字值对应入射伽马光子的能量。其原理是在输入脉冲有效期间，采用基准时钟进行计数。谱数据的记录和上传采用ARM微处理器。图4为时间-数字转换（TDC）与数据上传原理简图。

实现脉冲宽度测量的具体过程为：编写VHDL语言程序，烧录到CPLD器件中，使CPLD器件具有计数器功能，根据采用的时钟频率器件的晶振频率，可设置不同的测量时钟频率，本设计采用的测量时钟频率为60 MHz。当从QTC器件输出的逻辑脉冲的上升沿到来时，触发计数器进行计数；当逻辑脉冲的下降沿到来时，触发计数器停止计数，该计数器最后的计数值即为被处理的伽马射线的道址值。

脉冲测量由ARM器件控制启动和停止。在启动测量后，CPLD接收QTC模块的输入，将脉冲信号宽度转化为数字信号。在转换期间，CPLD关闭信号输入端，对QTC输入的脉冲不做处理。在将脉冲宽度值转化为数字信号后，由ARM读取CPLD中的数值信号（道址），并根据道址进行数据累加，实现对伽马脉冲的定量测量。在上位机要求数据传输后，ARM通过RS232串口将数据传输给上位机，并清空ARM中当前测量的结果。

3.4 实际硬件电路图

根据上述各部分的电路原理图，制作了能谱仪的主要硬件电路的电路板。如图5为硬件电路的实物图片，显示了功能分区及主要元器件。

4 上位机接口软件及测试结果分析

4.1 上位机接口软件［4-5］

基于Windows XP系统，采用VC2005编写上位机接口软件-伽马谱分析软件，通过RS232串口实时将能谱数据传递给计算机。该软件具备控制谱数据采集、谱线显示和能量刻度等基本功能。

4.2 测试结果及分析

将NaI（Tl）探测器配接在基于QTC的能谱采集板上，采用上位机接口软件控制谱数据采集，分别获取了铯源和铀矿石样品的伽马谱线，分别如图6、7所示。

4.2.1 能谱采集板的功耗

设计的能谱采集板的功耗主要由3部分组成，即QTC模块、CPLD器件和ARM器件的功耗。在进行测量工作时，QTC模块的最大功耗为240 mW，CPLD器件EPM3128芯片在晶振频率为60 MHz时的功耗最大为600 mW，ARM器件LPC2148芯片工作时的功耗最大为350mW，估计完成整机后，在单探测器模式下工作时，总功耗大约在2 300mW左右。GR320在采用单探测器模式进行测量工作时，总功耗约为2 600 mW［6］。可以看出，基于QTC设计的能谱仪功耗相对稍低，能够满足野外测量工作对仪器功耗的要求。

4.2.2 积分非线性INL（Integral NonLinearity）［7-8］

积分非线性INL是用来度量能谱测量系统的输出信息（伽马射线能量）和输入信息（道址）之间的非线性特征的。INL值越小，说明系统的传输特性的线性越好。根据积分非线性的定义，INL的计算如式（2）所示：

式中：a、b分别为在进行能量刻度时，采用最小二乘法求得的道址和能量最佳拟合直线的斜率和零点；xi—道址；xM—积分非线性计算范围内的x最大值，即为进行能谱测量时的最大道址值。采用图7所示的对铀矿石样品所测得的伽马谱线进行初步分析，计算可得到INL值为0.094%，可见该能谱仪具有良好的积分非线性。

4.2.3 微分非线性DNL（Differential NonLinearity）［7-8］

微分非线性DNL是用来描述能谱道宽一致性的一个物理量，DNL值越小说明道宽一致性越好。该能谱仪采用实测核辐射谱来表示微分非线性的好坏，判断的标准是看各道计数的相对标准偏差的大小。由于实测核辐射谱不像白谱那样平直，峰谷计数变化较大，所以常用伽马射线自反散射峰开始的一段较平直的康普顿散射坪来进行测量，具体采用计算公式为式（3）:

式中：δn—各道计数率的相对标准偏差；—各道计数率的平均值。采用137Cs源的实测谱线，测量总道为8192道，根据式（3）计算可得DNL＝1.6%，可见该能谱仪的微分非线性良好。

4.2.4 能量分辨率η［7-8］

伽马全能峰的分辨率η的计算公式如式（4）：

式中：E—全能峰峰处的能量值；ΔE—全能峰峰处的半高度处的宽度值（能量）；FWHM（Full Width Half Maximum）—峰位处的半高宽（道址）；Chpeak—全能峰峰位的道址。采用对137Cs的662 keV全能峰的固有能量分辨率为7.6%的NaI（Tl）闪烁体探测器对137Cs源进行能谱测量，通过对谱线进行分析，计算该能谱仪的能量分辨率为7.9%，能量分辨率良好。

5 结论

基于QMCA4001-50N模块，采用QTC（电荷-时间转换）技术构建便携式伽马能谱仪，其电路结构简洁、功耗低。根据对铯源和铀矿石样品的实测谱线，并通过对能谱仪指标的初步分析，在保证能谱仪稳定性和可靠性的基础上，证明该能谱仪具有良好的积分非线性、微分非线性和能量分辨率，在完成整机的研制后，能够在野外伽马放射性测量中发挥重要作用。

［1］Y Fujita，N Ujiie，K Yoshidab，et.al.Test of charge-to-time conversion and multi-hit TDC technique for the BELLE CDC readout［J］.Nucl. Instr.and Meth.A，1998，405（1）:105-110.

［2］宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1999.

［3］周立功，王祖麟，陈明计，等.ARM嵌入式系统基础教程：第2版［M］.北京：北京航天航空大学出版社，1999.

［4］洪志全，洪学海.现代计算机接口技术［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［5］Jeff Prosises.MFCWindows程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［6］ASIC Exploranium.GR-320 Portable Gamma Ray Spectrometer Users’Manual Revision3.5［Z］.Ontario:［s.n.］，2007.

［7］复旦大学，清华大学，北京大学.原子核物理实验方法［M］.北京：原子能出版社，1985.

［8］王经瑾，范天民，钱永庚，等.核电子学［M］.北京：原子能出版社，1985.

Portable gamma ray spectrometer based on QTC technique

ZHAO Dan1，2，MIN Ping3，LIJinfeng2，XU Jian2，YANG Longquan2

（1.China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2.CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；3.China National Nuclear Corporation，Beijing 100822，China）

At present，the function of data acquisition of portable gamma ray spectrometer is normally realized with pulse peak samplingmethod based on ADC（Analogue to Digital Converter）.This kind of instrument is of good stability，but the circuit is complicated and the power consumption is high，meanwhile，the instrument is expensive.According to the rule of guaranteeing the stability and reliability，concising the circuit structure，reducing the power consumption and controlling the cost，the QTC（Charge to Time Conversion）technique is adopted to design portable gamma ray spectrometer based on QMCA4001-50Nmodule.

QTC（Charge to Time Conversion）；timemeasurement；portable gamma ray spectrometer

P612；P619.14

A

1672-0636（2014）03-0526-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2014.03.006

2013-11-28；

2013-12-05

赵丹（1980—），男，辽宁北票人，工程师，中国地质大学（北京）在读博士研究生，从事能源与固体矿产资源地球物理勘探研究。

E-mail:zhaodan99158322@163.com