基于通用采集卡的伽瑪能譜儀設(shè)計(jì)與測(cè)試分析①

蔡思靜

(福建工程學(xué)院電子信息與電氣工程系，福建福州350108)

0 引言

伽瑪能譜儀作為放射性核素的主要儀器，被廣泛應(yīng)用于核地球物理方法測(cè)量[1]．與此同時(shí)，隨著人們對(duì)居住環(huán)境要求不斷提升，伽瑪能譜儀成為放射性污染檢測(cè)的主要手段，國家曾多次立項(xiàng)逐步將伽瑪射線能譜測(cè)量在地球科學(xué)、核科學(xué)及環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用推向深入．

現(xiàn)階段伽瑪能譜儀的設(shè)計(jì)主要采用:伽瑪能譜探測(cè)器、專用多道脈沖幅度分析器和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成．獨(dú)立的多道脈沖幅度分析器造價(jià)高昂、而且擴(kuò)展性及靈活性不高．

虛擬儀器技術(shù)利用計(jì)算機(jī)為核心硬件平臺(tái)[2，3]，結(jié)合高效靈活的軟件設(shè)計(jì)完成各種測(cè)試和自動(dòng)化應(yīng)用．本文將集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，其特點(diǎn)如下:

(1)純軟件開發(fā)，增強(qiáng)擴(kuò)展性、縮短開發(fā)周期、實(shí)現(xiàn)無縫集成．

(2)純軟件設(shè)計(jì)近年來的研究熱點(diǎn):多道脈沖幅度分析器．有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)率及性能．

(3)采用性能優(yōu)異的Measurement Computing通用數(shù)據(jù)采集卡，確保了數(shù)據(jù)采集的高速度、高穩(wěn)定、高精確、低溫漂．

(4)為放射性物理儀器的應(yīng)用研究提供了新的研究途徑．

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)引入了虛擬儀器技術(shù)，克服了傳統(tǒng)獨(dú)立的多道脈沖幅度分析器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了純軟件的多道脈沖幅度分析模塊的設(shè)計(jì)，主要硬件設(shè)備由:通用NaI探頭伽瑪能譜探測(cè)器、通用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成．作為一種全新儀器設(shè)計(jì)的概念，突破了傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)理念，具備了開放性、可重復(fù)性及互換性等特點(diǎn)，使測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)之間的界限消失了．

2 系統(tǒng)主要功能

通過該系統(tǒng)可以完成對(duì)核脈沖信號(hào)的采集、譜分析、處理、顯示等功能，具體如下:

(1)譜采集控制:包括采集參數(shù)的設(shè)置，采集的開始、暫停和終止等功能．

(2)譜文件管理:主要實(shí)現(xiàn)譜文件的打開和保存．系統(tǒng)提供以下幾種譜文件類型:譜數(shù)據(jù)文件(．spe)、加亮區(qū)文件(．roi)、譜圖文件 (．jpg)、能量刻度系數(shù)文件(energy．cal)、標(biāo)定系數(shù)文件(coeffient．lib)、配置文件(．config)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的文本控制管理．

(3)譜加亮操作:是根據(jù)各種核素所放出的不同伽瑪射線能量確定其對(duì)應(yīng)的譜數(shù)據(jù)段．加亮操作包括加亮、清除和正常狀態(tài)的設(shè)置．

(4)譜顯示:提供2048道譜數(shù)據(jù)顯示、用戶選擇的加亮區(qū)信息顯示、雙譜顯示等功能．

(5)譜操作:包括譜的疊加、分離、道數(shù)切換等功能．

(6)譜分析:包括能量刻度、譜尋峰、積分區(qū)間計(jì)數(shù)、尋峰分辨率、譜平滑、含量計(jì)算、標(biāo)定系數(shù)的計(jì)算等功能．

表1 系統(tǒng)連續(xù)工作峰漂檢查

表2 系統(tǒng)能量分辨率測(cè)定

3 脈沖幅度分析器設(shè)計(jì)

虛擬多道脈沖幅度分析模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、尋峰之后，在相應(yīng)的道址執(zhí)行加1操作[4]．該設(shè)計(jì)為了最大限度的調(diào)用軟件資源，采用了軟接口模塊化多線程設(shè)計(jì)，主要由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、尋峰模塊和計(jì)數(shù)輸出模塊組成．

數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊:實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集卡導(dǎo)入脈沖幅度分析模塊，并剔除無效數(shù)據(jù)．由于采集卡速度高于數(shù)據(jù)分析模塊，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)計(jì)中要解決采集卡同脈沖幅度分析模塊之間的速度匹配問題．系統(tǒng)采用了“隊(duì)列緩存多線程運(yùn)行機(jī)制”，該機(jī)制:首先設(shè)計(jì)了原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)兩個(gè)隊(duì)列，通過Insert操作將采集卡的數(shù)據(jù)讀入原始隊(duì)列，利用Remove操作將數(shù)據(jù)移除隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．隊(duì)列起到了有效的約束和補(bǔ)償作用，從而完成多線程、多任務(wù)的獨(dú)立設(shè)計(jì)，有效的解決了數(shù)據(jù)匹配問題．

LabVIEW平臺(tái)提供了尋峰模塊，該模塊的速度及性能并不高，因此，本系統(tǒng)自定義了C#語言的尋峰模塊動(dòng)態(tài)連接庫，通過LabVIEW的CLF節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟接口動(dòng)態(tài)連接[3，5－8]，從而提高了系統(tǒng)的速度及性能．部分代碼如下:

4 儀器性能測(cè)試與分析

測(cè)試條件:NaI(Tl)探頭(晶體尺寸:Φ50×50 mm)、12V 低壓電源、PCIDAS－4020/12采集卡、主頻1．8G的P4計(jì)算機(jī)一臺(tái)

其它:BH1936多道伽瑪能譜儀一臺(tái)(NaI(Tl):Φ75×75 mm)

環(huán)境:實(shí)驗(yàn)室條件下室溫16～25℃(1)性能參數(shù)分析

儀器連續(xù)工作8h，計(jì)數(shù)穩(wěn)定性能滿足要求．其具體性能如下所述:①峰漂穩(wěn)定性測(cè)試

連續(xù)工作8h后，每隔30min，每次持續(xù)5min測(cè)量137Cs譜線，測(cè)得結(jié)果如表1所示．其峰位漂移小于±1%．

②能量分辨率測(cè)試

每隔半小時(shí)測(cè)量一次譜線，實(shí)測(cè)能量分辨率平均值為11．54%，測(cè)得結(jié)果如表2所示:

③能量線性檢查

分別對(duì)212Pb，226Ra的伽瑪射線能譜進(jìn)行了測(cè)定，212Pb伽瑪射線能譜如圖1所示．

圖1 212Pb伽瑪譜圖

(2)儀器對(duì)比測(cè)試

本測(cè)試將儀器廠生產(chǎn)的獨(dú)立BH1936多道伽瑪能譜儀和虛擬伽瑪能譜儀分別對(duì)一塊鈾礦進(jìn)行測(cè)量，得到譜圖分別如圖2，3所示．

圖2 BH1936測(cè)得的鈾礦能譜圖

圖3 虛擬伽瑪能譜儀測(cè)得的鈾礦能譜圖

綜上所述，我們得出以下結(jié)論:峰位漂移小于1%，能量分辨率＜12%，計(jì)數(shù)穩(wěn)定性能滿足要求，能量線性良好．

5 結(jié)束語

本文完成了純軟件接口化的虛擬伽瑪能譜儀設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無縫集成開發(fā)．通過系統(tǒng)測(cè)試、參數(shù)分析以及同BH1936多道伽瑪能譜儀的參數(shù)性能測(cè)試比較，參數(shù)性能良好，實(shí)現(xiàn)了高性能的伽瑪能譜儀設(shè)計(jì)，為伽瑪能譜儀的設(shè)計(jì)乃至核素測(cè)量研究提供了很好的平臺(tái)．

[1] 樂仁昌．氡及其子體的釋放和運(yùn)移規(guī)律及機(jī)理研究[D]．成都:成都理工大學(xué)．2002．

[2] 劉君華，賈惠芹，丁暉，等．虛擬儀器圖形化編程語言Lab-VIEW教程[M]．西安:西安電子科技大學(xué)出版社．2001．

[3] 楊樂平，李海濤，楊磊．LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用(第2版)[M]．北京:電子工業(yè)出版社．2005，8 ．

[4] 劉平，阮裕泉，浦世節(jié)．基于Windows的多道脈沖幅度分析器的軟件開發(fā)[J]．核技術(shù)．2005(01)．

[5] 李學(xué)生，戴波．基于DLL的LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]．北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)．2005，(13)，2．

[6] 賴永泉，王毅，曹銀強(qiáng)．基于DLL的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)[J]．儀器儀表與檢測(cè)技術(shù)．2005，24(4)．