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摘要：为了实现铀矿石的放射性预分选，基于放射性铀矿分选项目中阵列探测器对铀矿石数据读出的需求，设计了一种Nal线阵探测器系统。该系统由多路数字化单道脉冲幅度分析器、FPGA、STM32、Nal探测器构成。该系统具有精度高、操作简易等优点，能够针对多个探测器进行信号采集，同时能够矫正探测器不一致性。系统能够甄别探测器输出的信号，将信号幅度在参考电压范围之内的信号反符合成方波信号，不符合条件的信号过滤，再使用FPGA对方波信号进行计数。用户能够通过上位机对系统参数进行调节，改变系统中电路的相关参数指标使得不同的探测器对铀矿石的探测响应保持一致性。经测试，系统能够对10 kHz的信号准确计数，能够准确甄别Nal探测器输出信号，简单易用，稳定性好，长时间使用阈值电压漂移0.205%，高压漂移0.8%，且实现通过改变系统参数使得不同探测器对同一铀矿石响应具有一致性。
关键词：放射性分选；Nal探测器；一致性
Design of Nal Linear Array Detector System for Uranium Ore Separation
Abstract:In order to realize radioactive pre-separation of uranium ore,based on the requirement of array detector to read out uranium ore data in radioactive uranium ore separation project,a Nal linear array detector system was designed.The system was composed of multi-channel digital pulse amplitude analyzer,FPGA,STM32 and Nal detector.The system had the advantages of high precision,simple operation and so on.It could collect signals for multiple detectors,and at the same time could correct the inconsistency of detectors.The system could screen the signal output by the detector,reverse the signal amplitude within the reference voltage range to square wave signal,filter the signal that did not meet the conditions,and could use the FPGA other wave signal to count.Users could adjust the system parameters through the upper computer,and changing the relevant parameters of the circuit in the system could make different detectors to keep the same response to uranium ore detection.After testing,the system could accurately count the 10 kHz signal and accurately screen the output signal of the Nal detector.It is easy to use and has good stability.The threshold voltage drift of 0.205%and high voltage drift of 0.8%are used for a long time,and the system parameters can be changed to make different detectors have the same response to the same uranium ore.
Key words:radioactive sorting;Nal detector;consistency
0引言
铀资源是国家的重要战略资源和能源矿产资源，我国已经探明的铀矿床以中小型矿床为主，矿体多而散、形态复杂、连续性差、铀矿矿产品味低且普遍存在与多种元素矿产伴生产出的现象[1-2]。且伴有开采后的铀矿具有品位低、伴生元素多、有害物质占比高、加工成本较大等问题[3]。处理此类矿石时，由于其他矿物含量过高，导致如果直接采用浸出法处理会消耗大量的试剂且造成后续铀矿难以处理的问题[4]。因此为了减少后续矿石处理成本及难度，可以对铀矿石进行放射性预处理，剔除矿石中废石部分，提高矿石整体品味[5]。
放射性分选是一种针对矿石粒度范围为20~300 mm粗粒级铀矿石的选矿方法，利用探测器对矿石的放射性信号进行采集，从而达到分选铀矿和废石的目的，并通过采集到的放射性信号数据来得到矿石筛选依据[6-7]。放射性分选技术具有能够分离铀矿石和废石、提高矿石品位、扩大了矿石资源，延长矿山寿命，提高了采矿效率等优点[8-9]。铀矿的分选系统的准确率取决于探测器对矿石信号采集的效率，单个探测器的采集效率有限，本文采用多个Nal探测器对皮带上传输的矿石进行放射性信号的采集，达到初步筛选铀矿的目的。
Nal探测器可以根据所测量的放射性信号的大小，输出不同幅度的负指数脉冲信号，具有对放射性信号的探测效率高、计数率高、噪声低、性能稳定、体积小等优点，使得其多用于辐射信号探测等场景[10-12]。由于每个探测器在性能、器件参数上的差异，导致探测器探测效率、分辨率等参数指标有些许差异。因此对同一块铀矿石的测量，不同探测器会得到不同的测量结果[13]。因此需要对探测器做一致性的矫正实验，减小不同探测器对同一块矿石测量结果的差异性。
1系统原理及设计
系统由探测器阵列、数据采集电路、FPGA、STM32及上位机构成。系统总设计框图如图1所示。数据采集电路将Nal探测器输出满足调教的负指数信号进行反符合处理，采用FPGA对信号进行计数，FPGA将数据传输给STM32，STM32与上位机通讯实现系统的控制。矿石与探测器位置示意图如图2所示，铀矿石放置于履带上，履带以一定的速度带动铀矿石移动，Nal探测器置于履带下方。由于铀矿石逐渐靠近，Nal探测器输出的信号幅值也逐渐增强。当铀矿石移动到Nal探测器的正下方时，Nal探测器所探测到的γ光子能量达到峰值，其输出的信号幅值也达到最大值，随着矿石的远离输出信号幅值又逐渐降低。
2硬件设计
2.1 Nal探头
Nal探测器是闪烁体探测器的一种，既能测量射线的强度，也能测量射线的能量[14]。Nal探测器由Nal晶体、光电倍增管、前置放大器构成。本文使用的Nal探测器的Nal晶体尺寸为小38 mm×38 mm，Nal探测器结构如图3所示，其中外部提供高压给光电倍增管供电，+12 V给前置放大器供电。
2.2数据采集电路
数据采集电路由多路单道脉冲幅度分析器构成，单道脉冲幅度分析器是一款甄别不同大小的核脉冲信号的电路装置，是核辐射测量实验中重要构成部分，其功能是对单个或多个能道的信号进行计数且对于单个能道有高计数率的特点[15-16]。传统的单道脉冲幅度分析器由上下甄别电路和反符合电路构成，上下甄别电路的参考电压多由可调电位器分压提供，人为手动调节参考电压难以满足高精度要求且调节繁琐。传统的单道脉冲幅度分析器对核脉冲信号判别通过芯片将波形延时固定时间或拉宽固定时间的方法实现反符合，这样容易造成误计数和漏记数。传统单道脉冲幅度分析器结构框图如图4所示。
本文设计的数据采集电路结构如图5所示。探测器输出负指数脉冲信号幅值较小，首先通过反向放大器将信号反向并且放大。上下甄别器将反向放大的信号进行判别，过滤掉低于下参考电压和高于上参考电压的信号，达到信号筛选的目的。下甄别器输出的信号通过单稳态触发器进行一级延时并减小信号的脉冲宽度，一级延时信号V5通过第二个单稳态触发器进行二级延时并减小信号的脉冲宽度，信号V6接入D触发器的触发端，能够将V1调整成更宽的方波并且取反得到信号V3。最后将D触发器输出V3和信号V4与和得到脉冲信号V6，再用FPGA对信号进行计数。通过信号V6作为D触发器的触发信号能够将任意波形的上下甄别信号通过信号触发的方式进行反符合，这样能够解决核脉冲信号因为硬件问题造成的误计数或漏记数问题。同时采用高精度的可编程DAC芯片提供阈值电压，能够做到上位机数字化修改数据采集电路上的电压参数，具有高精度、调试方便的优点。
3主要性能指标测试
3.1功能实验
使用FY2300信号发生器进行实验，生成频率为10 kHz幅值在DAC输出的上下阈值范围之内的负指数信号模拟探测器信号，使用数据采集电路进行为期10 s的计数测试，实验结果如表1所示。通过分析实验结果，不同探测器对于同一个负指数脉冲信号的计数率均为10 000，表明该系统能够对符合筛选条件的信号进行准确计数。
3.2稳定性实验
检测连续工作时多路数据采集电路上的阈值漂移和高压漂移情况。四路通道阈值电压测试前统一设置成下阈1 000 mV上阈4 000 mV，8 h后测量各阈值相较于初始阈值的数值，得到上下阈值的漂移量和平均漂移量，数据如表2所示。
同时对高压的稳定性进行测试，设定开始工作高压值为650 V，记录连续工作8 h高压值的漂移量，实验结果如表3所示。通过实验分析，阈值在连续工作8 h后相较于初始阈值最多漂移了0.205%，高压工作8 h漂移了0.8%，阈值漂移量和高压漂移量都在可接受范围内，证明该数据采集系统具有较高的稳定性。
3.3基于单因素方差分析的的一致性实验
由于制造工艺上的原因，不同探测器对于相同强度的γ光子响应是不一致的，因此需要对探测器输出做一致性矫正[17]。单因素方差分析通过统计分析组间数据之间的差别，从而推断不同数据组之间是否因为探测器改变的原因而导致测量得到的数据之间存在差异[18]。实验使用4个探头分别对137Cs标准源进行计数测试，测试10次，每次测试时间为30 s，测量结果如表4所示。
数据进行单因素方差方法对数据进行分析，结果如表5所示。
其中F>Fcrit且P>0.05，则4组数据差异无统计学意义，即不同数据组之间的数据存在显著差异性。表明未经过阈值矫正的不同探测器之间的一致性较差，不同的探测器采集到的数据差异性较大。
3.4矫正后的一致性实验
通过上位机对数据采集电路的阈值电压进行调整后，用4个探测器分别对137Cs进行计数测试，测试10次，每次测试时间为30 s，得到结果如表6所示。
对数据进行单因素方差分析，得到结果如表7所示。
其中F<Fcrit且P>0.05，则4组数据差异无统计学意义，即不同Nal探测器对137Cs的测量结果影响不明显，说明通过改变数据采集板上不同通道的阈值电压，可以使得不同的Nal探测器对137Cs测量的结果具有一致性。
3.5对铀矿石的一致性实验
用4个探测器分别对铀矿石进行实验，通过上位机改变数据采集板的上下阈值电压，从而达到4个探测器对铀矿石的计数结果相差通过一致性检验的目的，实验数据如表8所示。
对数据进行单因素方差分析，结果如表9所示。
其中F<Fcrit且P>0.05，则4组数据差异无统计学意义，即不同Nal探测器对同一块的铀矿石的测量结果影响不明显，说明通过改变数据采集板上不同通道的阈值电压，可以使得不同的Nal探测器对同一块铀矿石的测量结果具有一致性。
3.6线阵探测器测量实验
分别将4块铀矿石和4块天然混凝土放置于履带上，矿石以0.5 m/s的速度移动，系统采集频率为每0.1 s采集一次。将测量到的两组数据处理并成图，得到图6矿石移动成像图。其中图6(a)(a)混凝土样本(b)铀矿石样本为混凝土的探测器阵列图6矿石移动成像测量结果成像图，图6(b)为铀矿石的探测器阵列测量结果成像图。实验结果表明该阵列探测器能够对铀矿石的放射性信号进行测量，从而达到筛选铀矿的目的。
4结束语
本文设计了一种基于Nal探测器的铀矿石选矿测量系统，该系统能实现对铀矿石放射性能量进行测量，得到筛选铀矿石的依据。该系统能够通过数字化对阈值电压调节，调试简便。为了实现探测器对铀矿石测量的结果具有一致性，通过调节不同通道的阈值电压，然后将不同探测器测量得到的数据进行单因素方差分析，结果表明不同探测器对同一块铀矿石的测量数据具有一致性。证明通过调节电路参数可以解决不同探测器对同一块矿石测量数据一致性不同的问题。通过相关实验测试，结果表明该系统计数精准、工作稳定满足项目对铀矿石选矿的探测需求。
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