基于LabVIEW的地面伽瑪能譜儀校準(zhǔn)軟件的設(shè)計(jì)

【摘要】闡述利用虛擬儀器LabVIEW完成地面伽瑪能譜儀校準(zhǔn)軟件的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)系數(shù)、靈敏度系數(shù)、準(zhǔn)確度計(jì)算等多項(xiàng)功能。并通過(guò)實(shí)例應(yīng)用，證明該軟件設(shè)計(jì)可行。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；LabVIEW；地面伽瑪能譜儀；校準(zhǔn)

Abstract：This paper states software design of calculating field gamma spectrometer calibration via virtual instrument LabVIEW.The software accomplishes some functions such as the calculation of calibration coefficient，the calculation of sensitivity coefficient，the calculation of the calculation accuracy.And it proved the design software is feasibility through application instance.

Key words：virtual instrument；LabVIEW；field gamma spectrometer；calibration

1.引言

地面伽瑪能譜測(cè)量是利用便攜式伽瑪能譜儀直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤、巖石中鉀、鈾、釷含量的一種核地球物理方法。在解決地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有重要作用[4]。地面伽瑪能譜儀的校準(zhǔn)通常采用飽和模型法[1-2]，目前，儀器校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算方法大多采用離線工計(jì)算，工作繁瑣，易出錯(cuò)。為此，筆者針對(duì)地面伽瑪能譜儀校準(zhǔn)的校準(zhǔn)系數(shù)、靈敏度系數(shù)、準(zhǔn)確度的計(jì)算特點(diǎn)，運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)出一款自動(dòng)計(jì)算軟件。

2.伽瑪能譜儀的校準(zhǔn)與檢驗(yàn)

2.1 靈敏度系數(shù)及校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算

按照規(guī)范，伽瑪能譜儀的校準(zhǔn)方程式如下：

（1）

式中，Ik、Iu、Ith分別為譜儀在模型上實(shí)測(cè)的鉀道、鈾道和釷道扣除本底后的凈計(jì)數(shù)率；QK、QU、QTh分別為模型中鉀、鈾、釷扣除本底的模型含量；ai、bi、ci（i=1，2，3）為譜儀的靈敏度系數(shù)。

簡(jiǎn)化形式為：I=AQ，顯然：Q=A-1I，A為靈敏度系數(shù)矩陣，A的逆矩陣A-1即為譜儀的校準(zhǔn)系數(shù)矩陣。譜儀靈敏度合格[2]要求為：Skk>=2.9cps/（%K）；Suu>=0.28cps/（ppmeU）；Stt>=0.11cps/（ppmeTh）。

2.2 儀器本底

伽瑪能譜儀在校準(zhǔn)檢驗(yàn)過(guò)程中，儀器本底對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響，儀器本底的測(cè)量方法有水面法，鉛室法和本底模型法，由于前兩種方法和儀器的校準(zhǔn)場(chǎng)地缺乏一致性，故本軟件采用本底模型法[3]。于前兩種方法和儀器的校準(zhǔn)場(chǎng)地缺乏一致性，故本軟件采用本底模型法[3]。

2.3 含量的計(jì)算

含量計(jì)算公式如方程組（2）所示：

（2）

式中，Nk、Nu、Nt為用本底模型法扣除的儀器本底計(jì)數(shù)的鉀、鈾、釷的凈計(jì)數(shù)率；QK、QU、QTh分別表示被測(cè)點(diǎn)的鉀、鈾、釷含量；Ai、Bi、Ci（i=1、2、3）為儀器相應(yīng)譜段對(duì)應(yīng)的鉀、鈾、釷的校準(zhǔn)系數(shù)。

2.4 準(zhǔn)確度檢查

使用混合模型驗(yàn)證儀器校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)好的儀器在混合模型測(cè)得的含量值相對(duì)誤差要求參考文獻(xiàn)[2]，低含量的允許誤差以絕對(duì)誤差表示，高含量的允許誤差以相對(duì)誤差表示。

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，軟件首先通過(guò)讀取文件數(shù)據(jù)，選擇模型類型，就可得出校準(zhǔn)檢定結(jié)果。軟件主要部分包括：打開(kāi)文件、校準(zhǔn)/檢定結(jié)果和含量計(jì)算。打開(kāi)文件部分包括測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取、標(biāo)定模型次序的選擇和模型推薦含量的顯示，其界面如圖1所示。測(cè)量數(shù)據(jù)可以從excel文件中導(dǎo)入，也可以通過(guò)接口直接從能譜儀讀取。校準(zhǔn)/檢定結(jié)果部分包括校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算、靈敏度系數(shù)的計(jì)算、儀器本底的計(jì)算、以及靈敏度系數(shù)和混合模型準(zhǔn)確度檢驗(yàn)，其界面如圖2所示。含量計(jì)算部分能夠根據(jù)前部分得出的校準(zhǔn)系數(shù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的含量計(jì)算。

3.1 模型排序模塊設(shè)計(jì)

通常，譜儀在模型上標(biāo)定的先后順序是不定的，導(dǎo)致在對(duì)譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)檢定時(shí)，往往需要人工的將標(biāo)定數(shù)據(jù)按照一定模型順序進(jìn)行排列，增加了分析強(qiáng)度，降低了計(jì)算效率。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了模型排序模塊，只需選擇譜儀標(biāo)定模型的先后順序，就能夠進(jìn)行后面的計(jì)算，此模塊采用將“K模型”、“Th模型”、“U模型”、“混合模型”、“本底模型”分別與數(shù)字1、2、3、4、5綁定，通過(guò)數(shù)字按照從小到大的排序順序，就能將模型排序。采用whlie和for循環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)程序進(jìn)行排序。

3.2 靈敏度系數(shù)和校準(zhǔn)系數(shù)模塊設(shè)計(jì)

此模塊通過(guò)“求解線性方程”控件得出靈敏度系數(shù)矩陣，通過(guò)“逆矩陣”控件得出校準(zhǔn)系數(shù)矩陣。同時(shí)，本軟件能夠自動(dòng)判定靈敏度和準(zhǔn)確度是否合格，若不合格會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話框顯示具體的哪個(gè)測(cè)量項(xiàng)目不合格，若合格，則會(huì)顯示合格，如圖2中的彈出對(duì)話框所示。主要是通過(guò)“顯示對(duì)話框信息”控件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.3 含量計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

依次輸入測(cè)得的鉀、鈾、釷計(jì)數(shù)率，單擊“計(jì)算”按鈕，將鉀、鈾、釷計(jì)數(shù)率通過(guò)“創(chuàng)建數(shù)組”控件成為數(shù)組，扣除本底后，通過(guò)“矩陣A×B”控件與校準(zhǔn)系數(shù)矩陣進(jìn)行矩陣運(yùn)算，就能得出相應(yīng)鉀、鈾、釷含量。

4.實(shí)例

在四川省核工業(yè)某標(biāo)準(zhǔn)體源模型站對(duì)一臺(tái)已經(jīng)校準(zhǔn)好的NP4-2型微機(jī)多道伽瑪能譜儀進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的計(jì)算結(jié)果與其他軟件的計(jì)算結(jié)果一致，因此本軟件計(jì)算可靠。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文利用LabVIEW作為地面伽瑪校準(zhǔn)系數(shù)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該系統(tǒng)具有友好的用戶界面，快速的數(shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易，靈活性和可擴(kuò)充性強(qiáng)。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：（1）模型選擇模式極大限度的避免因人工操作引入的計(jì)算誤差。（2）利用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地面伽瑪校準(zhǔn)系數(shù)、靈敏度系數(shù)、準(zhǔn)確度計(jì)算等多種功能。并通過(guò)實(shí)例應(yīng)用，證明該軟件設(shè)計(jì)可行。對(duì)于地面伽瑪能譜校準(zhǔn)檢驗(yàn)具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]P.G.基林.野外伽瑪能譜儀的標(biāo)定方法[J].國(guó)外放射性地質(zhì)，1972（02）：26-28.

[2]中華人民共和國(guó)核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).地面伽瑪能譜測(cè)量規(guī)范[Z].1998.

[3]毛利戰(zhàn).關(guān)于伽瑪能譜儀本底測(cè)定與方法的討論[J].鈾礦地質(zhì)，1993，9（6）：362-366.

[4]王南萍，裴少英，黃英，等.環(huán)境γ能譜測(cè)量方法研究及應(yīng)用[J].輻射防護(hù)，2005，25（6）：348-356.

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目“高精度伽瑪能譜儀研發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：2012AA06180303）資助。

作者簡(jiǎn)介：鄭秀紅（1988—），女，江西撫州人，在讀碩士研究生，研究方向：輻射防護(hù)及環(huán)境保護(hù)。