基于ARM的软件延迟符合法氡同位素分辨测量实验系统研制

颜拥军，周剑良，杨 彬，丘寿康

（南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001）

氡及其子体的测量和控制是氡计量学和辐射防护研究共同关心的问题。219Rn在自然条件下浓度较低，含量较少，半衰期非常短，研究难度较大。目前氡的研究方面主要侧重于220Rn和222Rn的测量。同时，分辨测量氡同位素（222Rn／220Rn／219Rn）是间接分辨测量镭同位素（226Ra／224Ra／223Ra）的有效方法，而镭的各同位素是海洋学过程研究的非常重要的示踪剂，镭同位素的分辨测量是同位素海洋学当前的研究热点［1］。

氡的测量有多种方法，其中延迟符合技术适用于低水平氡同位素的分辨测量。延迟符合技术根据氡同位素的短寿命子体钋半衰期不同来分辨测量219Rn和220Rn，该技术已成功应用于空气中低浓度220Rn的测量，特别是海水中镭同位素的间接测量［2－7］。

本文提出一种软件延迟符合测量方案，以S3C2410嵌入式微处理器为控制核心，通过移植uC／OS－Ⅱ操作系统，记录存储核脉冲信号的脉冲宽度及时间间隔分布信息，采用软件实现延迟时间调整和符合测量计数，实现氡同位素的分辨。

1 延迟符合测量氡同位素理论分析

1.1 延迟符合氡同位素原理

延迟符合分辨测量氡同位素原理［2－3］如图1所示。符合测量软件中有3个计数通道，a通道为延迟符合测量后220Rn脉冲计数，b通道为延迟符合前总脉冲计数，c通道为延迟符合测量后219Rn脉冲计数。各符合通道的符合时间记为Tg。1个220Rn或219Rn发生衰变后产生 子 体216Po或215Po，并放出1个α粒子。α粒子脉冲首先触发延迟电路，经延迟Td时间后打开符合电路。子体216Po或215Po在很短的时间内发生衰变并放出α粒子，如果钋衰变产生的脉冲在Td到Td＋Tg时间内到达符合电路，脉冲将被记录。

根据氡同位素衰变规律，219Rn通道延迟时间Td219＝0.15ms，目的是使整个系统稳定，219Rn通道开门时间Tg219＝5.6ms（约为4倍215Po半衰期），以保证215Po衰变产生的脉冲均被记录。由于216Po半衰期为150ms，可认为在这段时间内216Po未衰变，不会影响219Rn通道计数。同样，220Rn通道延迟时间 Td220＝10ms（约为6倍215Po半衰期），以保证这段时间内215Po已衰变完，不会对220Rn通道计数产生影响。220Rn通道开门时间Tg220＝600ms（约为4倍216Po半衰期），以保证216Po产生的脉冲均被记录。

1.2 偶然符合计数率修正

实际测量中，两个延迟符合通道的计数会受到222Rn衰变及其他本底计数的影响，另外，符合通道之间也会产生互扰。

Giffin等［2］推导出计算偶然符合事件的概率表达式。每个通道都会有偶然符合事件发生，其修正根据总计数率和每个通道的开门时间。为了测定220Rn或219Rn的真计数率，需将偶然符合事件从测量到的计数率中扣除，偶然符合事件计数率y的计算公式如下：

式中：nb为符合前总计数率；na为符合后计数率。具体计算各通道偶然符合计数率时，只需代入相应的开门时间和计数率即可。

从式（1）可看出，各通道偶然符合计数率随总计数率和开门时间的增加而增加，220Rn通道开门时间较长，更易受随机脉冲的影响，因此延迟符合法不适合测量高活度氡同位素。测量高活度氡时，可用一定比例的洁净气体（不含氡且不产生α粒子）将其稀释后再测量。

图1 软件延迟符合法原理图Fig.1 Software delayed coincidence flow

2 系统设计

2.1 硬件结构

延迟符合测量系统以达盛公司的EL－ARM－830实验系统为开发平台，S3C2410（ARM9）核心板为控制中心。S3C2410是Samsung公司推出的16／32位RISC处理器，基于ARM9TDMI内核，最高工作频率202.8MHz，24个外部中断源，4个16位定时器，片上集成了32M的FLASH和64M的SDRAM，为用户的软件研发提供了足够的空间。核心板具有体积小、功耗低、处理能力强等优点［8］。

探测器输出信号经放大整形为矩形脉冲序列后，送入S3C2410外中断引脚，并由核心板记录脉冲序列的上升沿及下降沿时间信息。根据氡子体215Po和216Po具有不同的半衰期，通过在分析软件中设置不同的符合时间来达到分辨测 量219Rn 和220Rn 的 目 的。该 系 统 采 用UCGUI图形用户界面模块设计，结果通过LCD显示，具有良好的人机交互界面。同时数据能通过串口发送到上位机进一步分析处理。硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件框图Fig.2 Hardware chart of system

2.2 软件结构

延迟符合测量软件［8－10］主要包括 uC／OS－Ⅱ操作系统及运行其上的符合分析软件。符合分析软件主要由定时时间设置程序、核脉冲采集程序、延迟符合测量程序、脉冲宽度及间隔计算程序、测量结果查询程序、UCGUI图形用户界面等组成。

该系统除了能实时显示符合测量结果外，还能在线查询测量结果，并设置了清除查询标志键。在多次查询后，能返回第1次测量结果重新查询。

2.2.1 定时时间设置 本设计利用定时器Time0产生定时时钟，程序开始测量即启动该定时器计时。S3C2410有5个16位定时器，定时器工作频率PCLK＝50.7MHz，每个定时器有1个时钟分割器TCFG0（2，4，8，16）和1个8位预定标器TCFG1（0～255），根据TCFG0和TCFG1中的数值分割PCLK。定时时钟频率为PCLK／（（TCFG1＋1）＊TCFG0）。设置TCFG0＝2，TCFG1＝0，根 据 PCLK／（（TCFG1＋1）＊TCFG0）计算定时时钟频率为25.35MHz（最大定时时钟频率）。 设 置TCNTB0＝63357，TCMPB0＝0，定时器中断1次时间为63357／25.35MHz＝25ms。在定时器中断服务程序中递减定时器计数timecount，当其递减到0时结束定时。如需定时1s，则设置timecount＝400，定时器经400次重载后停止，总定时时间为25ms＊400＝1s。其余定时时间依次类推。

2.2.2 脉冲采集 放大整形电路输出脉冲序列，送入S3C2410微处理器F口的第0和第3外中断引脚，分别设置上升沿及下降沿触发产生中断。在外中断服务程序中，记录定时时间。当定时器计数timecount递减到0时，在定时器中断服务程序中关闭外中断0和外中断3及定时器，完成此次脉冲采集。

2.2.3 脉冲符合计数 本工作提出的软件延迟符合法的思路是先记录脉冲序列的时序信息，然后用软件方式实现延迟时间控制，根据上述延迟符合分辨测量氡同位素原理对脉冲到达的时刻进行分析，满足符合时序即可得到每个通道1个符合计数，依次递推。软件延迟符合测量程序设计流程如图3所示。分别存储单次符合计数和总符合计数，符合测量结束后，将总符合计数sum除以定时时间得到符合计数率。将总计数率减去220Rn通道和219Rn通道计数率即可得到222Rn计数。

3 系统实验

3.1 测量方法

以 EL－ARM－830实验系统、FD－125室内氡钍分析器、放大整形电路构建延迟符合测量实验系统，如图4所示。

图3 软件延迟符合测量程序设计流程图Fig.3 Flow of software delayed coincidence counting

利用延迟符合测量实验系统测量219Rn源（活度A 约为8Bq）和220Rn源（活度A 约为15Bq）。采用流气闪烁室。由于所用219Rn源和220Rn源的活度较实际样品大得多，所以在源与闪烁室之间接一级缓冲容器，使219Rn和220Rn的活度因衰变而降低，从而减少单位时间闪烁室内219Rn和220Rn的衰变数。

3.2 计算公式

1）闪烁室内219Rn或220Rn衰变率标称值计算公式

闪烁室内219Rn或220Rn衰变率标称值计算公式［7］如下：

其中：D为衰变率标称值；A为源活度；f1为氡原子流经样品到闪烁室之间的存活因子（图4中的1至2）；f2为氡原子流经闪烁室的衰变因子（图4中的2至3），且，式中，V1为从源表面1到闪烁室入口2的体积，V2为闪烁室容积，λ为219Rn或220Rn的衰变常量，ω为空气采样泵流率（L／min）。

2）符合通道效率计算公式

符合通道效率f包括两个方面：（1）闪烁室探测效率fD；（2）氡子体钋在开门时间内衰变概率fE。闪烁室探测单个粒子效率为fD，则探测Rn－Po粒子对效率为。因此，有：

219Rn通道开门时间5.6ms，则fE219＝1－＝0.8842。220Rn通道开门时间600ms，则fE220＝1－＝0.9374。

闪烁室探测效率fD约为0.86（闪烁室标定常数K为每分1个计数对应的氡浓度，单位为Bq·m－3min－1，实验所用的闪烁室标定常数K 约为13Bq·m－3min－1）。根据式（3）计算219Rn通道效率理论值f219＝0.654，220Rn通道效率理论值f220＝0.693。

3.3 闪烁室内220 Rn和219 Rn衰变率测量值与标称值比较

闪烁室内220Rn和219Rn衰变率测量值与标称值列于表1。219Rn和220Rn衰变率测量值＝净计数率／f。

从表1可见，闪烁室内220Rn衰变率测量值与标称值接近，两者的相对偏差在2.0%以内；219Rn衰变率测量值较标称值偏差较大，但不同流率时，此偏大程度相近，约为20.0%，这说明测量值的精密度较好，主要偏差来源是219Rn源活度不准确。

图4 延迟符合测量实验系统Fig.4 Experiment system of delayed coincidence counting

表1 220 Rn和219 Rn衰变率测量值与标称值Table 1 Comparison between measurement values and theoretical values of 220 Rn and 219 Rn decay rate

由上述分析可知，该软件延迟符合实验系统能在环境水平222Rn的背景下分辨测量较低水平220Rn和219Rn源。

4 结论

软件延迟符合测量实验系统能测量低水平219Rn和220Rn，该实验系统对220Rn源测量的相对偏差在2%以内。软件延迟符合法相比于传统的硬件符合系统有一定的优越性，如它能对脉冲数据用符合、反符合等多种方法进行处理，简化了电路结构，延迟时间调整方便且精度高，功能灵活，有更好的抗干扰力，因而是一种灵活的核脉冲处理技术。

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