基于MATLAB的γ能譜數(shù)據(jù)獲取與處理研究

陳鑫棟，顏擁軍,*，朱 皓，李廣鋒

(1.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.嶺澳核電有限公司，廣東 深圳 518031)

經(jīng)典的多道能譜分析儀能夠確定待測(cè)樣品中各種具有γ輻射的放射性核素的種類及其強(qiáng)度[1]，是核輻射探測(cè)領(lǐng)域一種重要的測(cè)量方法，但是這種分析儀體積比較大、較為笨重，而且不能同時(shí)進(jìn)行多通道的能譜測(cè)量。

本文嘗試用凌華提供的PCI—9812高速數(shù)據(jù)采集卡與MATLAB軟件相結(jié)合來(lái)進(jìn)行能譜測(cè)量，以期望能克服傳統(tǒng)多道分析儀的這些不足之處。PCI—9812高速數(shù)據(jù)采集卡有12位高精度AD轉(zhuǎn)換器，而且采樣率可達(dá)20 MHz;有4個(gè)通道可以同時(shí)采集數(shù)據(jù)，因此有可能構(gòu)成并行工作的4臺(tái)多道能譜分析儀，而且這種卡比較小巧、通用，所以體積上占有優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由γ能譜數(shù)據(jù)獲取硬件與γ能譜數(shù)據(jù)獲取處理軟件組成。研究思路如下：選用溴化鑭(LaBr3)探測(cè)器對(duì)放射源進(jìn)行探測(cè)，對(duì)探測(cè)到的核信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、硬件尋峰等預(yù)處理之后，觸發(fā)高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)核信號(hào)峰值進(jìn)行采樣，將采樣好的數(shù)字核信號(hào)導(dǎo)入MATLAB軟件，并運(yùn)用數(shù)據(jù)采集卡基于MATLAB的DAQ工具箱編寫程序界面來(lái)對(duì)核信號(hào)峰值進(jìn)行處理形成能譜，隨后對(duì)能譜進(jìn)行平滑、核素識(shí)別等數(shù)據(jù)分析。該思路充分利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和GUI功能[2]，靈活方便，在用戶界面看到實(shí)時(shí)變化的分析結(jié)果,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 γ能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意框圖Fig.1 Schematic block diagram of nuclear energyspectrum data acquisition system

2 模擬信號(hào)處理電路

電荷靈敏前放輸出的信號(hào)通常是時(shí)間常數(shù)較大的指數(shù)衰減信號(hào)，在計(jì)數(shù)較大時(shí)容易產(chǎn)生堆積和基線漂移[3]，因此需要利用極-零相消來(lái)消除信號(hào)尾部的下沖來(lái)改善波形[4]，本文所設(shè)計(jì)極零相消電路原理圖如圖2所示。經(jīng)過(guò)極—零相消電路使探測(cè)器輸出的波形從圖2(a)中所示波形，調(diào)整為圖2(b)所示波形，達(dá)到極—零相消目的。

圖2 極—零相消電路Fig.2 Pole—zero cancellation circuit

圖2中R2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R1，這樣流過(guò)R1的電流就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流過(guò)R2的電流。其中VB=aVi，a是分壓系數(shù)，

可以得出輸出電壓：

(1)

傳遞函數(shù)：

(2)

經(jīng)過(guò)極零相消后的脈沖峰值持續(xù)時(shí)間短，信噪比不高，對(duì)于波形來(lái)說(shuō)，當(dāng)其為無(wú)限寬尖頂脈沖時(shí)，可以達(dá)到最佳信噪比，如圖中3(a)中所示，但在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通常采用有源積分濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)放大整形的功能，將脈沖整形為高斯型或準(zhǔn)高斯型(具有無(wú)限寬的脈沖，其頂部也保持一定寬度)如圖3(b)中所示，來(lái)提高信噪比和能量分辨率。為達(dá)到此目的所設(shè)計(jì)的積分濾波電路如圖3(C)所示。

圖3 積分濾波電路Fig.3 Integral filter circuit

其中的運(yùn)放為同向放大器，電路的電壓增益

(3)

根據(jù)KCL方法可以得到該電路的傳遞函數(shù)為：

H(S)=

(4)

品質(zhì)因素為：

(5)

經(jīng)過(guò)放大整形后的信號(hào)，峰值寬度較窄，需要進(jìn)行峰值展寬處理來(lái)滿足后續(xù)對(duì)核信號(hào)的要求。圖4為峰值檢測(cè)保持電路。U64與U59構(gòu)成峰值保持電路的主體，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)，核脈沖經(jīng)過(guò)U64向保持電容C62充電，脈沖過(guò)后，由于二極管的反向電阻和U59的輸入電阻都很大，所以電容上基本沒(méi)有放電，可近似認(rèn)為保持電容回路保持了峰值電壓，窄脈沖就會(huì)被展寬。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，C62取1 000的電解電容，D6、D7采用漏電流小、反相恢復(fù)時(shí)間短的開關(guān)二極管。

U52組成低閾值檢測(cè)電路的重要部分，當(dāng)有閾值之內(nèi)的信號(hào)輸入時(shí)，U52輸出一正脈沖，與經(jīng)U55峰值檢測(cè)輸出的高電平經(jīng)過(guò)U50A、U50B與非運(yùn)算得到正脈沖，隨后與由U47、U53A構(gòu)成的閾值甄別電路Q非端輸出的甄別信號(hào)進(jìn)行與非運(yùn)算，送入U(xiǎn)53B、U56A，用來(lái)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一寬度確定的負(fù)脈沖作為觸發(fā)信號(hào)輸入高速數(shù)據(jù)采集卡，與此同時(shí)模擬開關(guān)U57D打開，對(duì)電容進(jìn)行放電，這樣就對(duì)脈沖完成了一次峰值擴(kuò)展。此電路的意義在于在峰值保持的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)同步上升沿觸發(fā)信號(hào)，用以觸發(fā)高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)處理后的核峰值信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)中選取的PCI-9812具有高速多通道多種觸發(fā)方式等特點(diǎn)，可適用于各種采集頻率要求較高的數(shù)據(jù)采集用途?；?2位的PCI總線；12位高精度AD轉(zhuǎn)換器；4個(gè)通道可以同時(shí)采集數(shù)據(jù)；板內(nèi)32 K字FIFO緩沖器；采樣頻率可達(dá)到20 MHz。

該卡具有軟件觸發(fā)、外部模擬觸發(fā)(正斜率觸發(fā)和負(fù)斜率沿觸發(fā))、外部數(shù)字觸發(fā)(上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā))幾種觸發(fā)源[5]。其中模擬輸入通道CH0、CH1、CH2和CH3上的信號(hào)都可作為外部模擬觸發(fā)的觸發(fā)信號(hào)，本系統(tǒng)的模擬輸入采用的是單通道采集，選用CHO通道，外部數(shù)字上升沿觸發(fā)用到的引腳為JP1中的3號(hào)引腳、4號(hào)引腳。

而且PCI-9812而且有豐富的驅(qū)動(dòng)程序；支持各種軟件開發(fā)平臺(tái)，如VC/C++、VB、

Borland、Matlab等，可以和MATLAB很好的結(jié)合。而且這種卡比較小巧、通用，體積上占有很大優(yōu)勢(shì)，多通道同時(shí)工作，可構(gòu)成多通道的能譜測(cè)量系統(tǒng)。

圖4 峰值檢測(cè)保持電路Fig.4 Peak detection and hold circuit

4 軟件平臺(tái)

4.1 MATLAB GUI數(shù)據(jù)采集界面的設(shè)計(jì)

采用MATLAB 中的DAQ工具箱，安裝之后就可以依據(jù)MATLAB DAQ Toolbox的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)操作高速數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集工具箱由三部分組成：M文件格式的函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎和硬件驅(qū)動(dòng)[6]，這些組成部分使得MATLAB與數(shù)據(jù)采集硬件之間的信息傳遞成為可能。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡后，就需要運(yùn)用MATLAB來(lái)控制數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，本裝置中采用MATLAB的gui功能，也就是圖形用戶界面，由窗口、菜單、圖標(biāo)、光標(biāo)、按鍵、對(duì)話框和文本等各種圖形對(duì)象組成的用戶界面，使用鼠標(biāo)或按鍵選擇，激活這些對(duì)象或按鈕，觸發(fā)MATLAB中相應(yīng)的代碼，來(lái)控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行工作[7]。從而很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能?；贛ATLAB平臺(tái)所設(shè)計(jì)的采集程序主流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4.2 處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡獲取每個(gè)核脈沖的峰值后，應(yīng)用軟件將峰值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的道址，將不同峰值的計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)道址的計(jì)數(shù)，可以繪制出橫坐標(biāo)為道址、縱坐標(biāo)為計(jì)數(shù)值的幅度譜圖。由于最終我們需要的是能譜圖，這里我們還需對(duì)幅度譜中的道址進(jìn)行能量標(biāo)定，將不同道址對(duì)應(yīng)到入射射線的不同能量，最終繪制出橫坐標(biāo)為能量值、縱坐標(biāo)為計(jì)數(shù)值的能譜圖。

圖7為本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的處理軟件結(jié)構(gòu)。測(cè)量前，設(shè)置好參數(shù)。在測(cè)量結(jié)束后，進(jìn)行自動(dòng)解譜，顯示峰位，通過(guò)核素庫(kù)對(duì)比識(shí)別核素，同時(shí)計(jì)算活度，與峰面積。所設(shè)計(jì)界面有5個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊有相應(yīng)的子選項(xiàng)對(duì)話框，因此具有友好的人機(jī)交互界面，提升了數(shù)據(jù)采集與處理分析的可操作性。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Software structure block diagram

5 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)置觸發(fā)類型為外部觸發(fā)，觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，在裝置組件完成后，在MATLAB中設(shè)置采樣頻率為20 M，設(shè)置采樣長(zhǎng)度為8。在溫度0～35 ℃、相對(duì)濕度80%以下、環(huán)境劑量率：≤0.18 μSv/h的環(huán)境下對(duì)該裝置分別進(jìn)行了探測(cè)器能量刻度線性實(shí)驗(yàn)、能量分辨率測(cè)量實(shí)驗(yàn)、能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

5.1 探測(cè)器能量刻度線性實(shí)驗(yàn)

分別對(duì)137Cs和152Eu 源進(jìn)行測(cè)量，并記錄其特征峰能量和道址(見(jiàn)表1)。

表1 LaBr3(Ce) 探測(cè)器能量刻度表Table 1 LaBr3 (Ce) detector energy scale

能量刻度函數(shù)為：E=AX+B，其中E為γ射線的能量；X為相應(yīng)的道址。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用最小二乘法求出A、B的值。得出刻度函數(shù)為：

E=1.084X+4.762

(6)

線性關(guān)系如圖7所示。

圖7 線性關(guān)系圖Fig.7 Linear relationship

由上圖可以看出，溴化瀾探測(cè)器的能量線性較好。

5.2 能量分辨率測(cè)量實(shí)驗(yàn)

將137CS源放置于LaBr3探測(cè)器的正前方，單獨(dú)測(cè)量137CS源50次，記錄其產(chǎn)生的662 keV能譜的數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取其中五組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，取其全能峰半高寬所對(duì)應(yīng)的道數(shù)與全能峰所對(duì)應(yīng)的多道道址數(shù)之比就得到能量分辨率。測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 LaBr3(Ce) 探測(cè)器對(duì)137Cs (662 keV )γ射線能量分辨率Table 2 Energy resolution of 137Cs (662keV)gamma ray by LaBr3 (Ce) detector

可以看出LaBr3(Ce) 探測(cè)器對(duì)137Cs(662 keV)能量分辨率平均結(jié)果為3.47%，與廠家給出值3.12%相差較小。

5.3 能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)

采取活度較小的低放射性活度源，實(shí)驗(yàn)時(shí)放入鉛室中。首先用LaBr3(Ce)放入鉛室中測(cè)量本底，如圖8所示，可以看出本底中138La(1 348 keV)的峰位。接著用LaBr3(Ce)探測(cè)器單獨(dú)測(cè)量137Cs放射源半個(gè)小時(shí)，得到的能譜如圖9所示。然后在鉛室內(nèi)用LaBr3(Ce)探測(cè)器單獨(dú)測(cè)量152Eu放射源半個(gè)小時(shí)，得到的能譜如圖10所示。最后在鉛室內(nèi)用LaBr3(Ce)探測(cè)器對(duì)混合源(137Cs放射源、152Eu放射源)連續(xù)測(cè)量半個(gè)小時(shí)，得到能譜如圖11所示。

圖8 本底γ能譜圖Fig.8 g.spectrum ofbackground

圖9 137Cs的γ能譜Fig.9 Gamma spectrum of 137Cs

圖10 152Eu的γ能譜Fig.10 Gamma spectrum of 152Eu

圖11 混合源的γ能譜Fig.11 Gammaspectrum of mixed sources

從圖11可以明顯看出混合γ能譜圖上的若干個(gè)能峰，從第一個(gè)能峰開始依次對(duì)應(yīng)的能量為：

152Eu——244.69 keV、152Eu——344.27 keV、

137Cs——661.657 keV、152Eu——778.903 keV、

152Eu——867.388 keV、152Eu——964.131 keV、

152Eu——1112.116 keV、152Eu——1408.011 keV。

通過(guò)最終能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期要求，測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)輸入范圍0.02～5 V，測(cè)量核素能量范圍0.5～2.5 MeV?？蛇m用于多核素γ能譜數(shù)據(jù)獲取與處理研究中。

6 結(jié)論

本文基于MATLAB和高速數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建了γ能譜數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，完成了γ能譜數(shù)據(jù)獲取與處理總界面的設(shè)計(jì)，并對(duì)多種核素進(jìn)行刻度和混合能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)。界面簡(jiǎn)潔，易于操作，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)核素的衰變綱圖相吻合，能量線性度和分辨率滿足設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理分析，裝置穩(wěn)定可靠，監(jiān)測(cè)效果均良好。