基于LABVIEW的虚拟绝对测220Rn仪研制

赵平华

(湖南人文科技学院 物理与信息工程系，湖南 娄底 417000)

222Rn /220Rn是地球上无处不在的放射性气体，222Rn /220Rn子体是放射性气溶胶，吸入人体产生的辐照可诱发肺癌。因此，222Rn /220Rn问题的研究一直是辐射防护和环境保护的重要课题。222Rn/220Rn的准确测量是研究222Rn/220Rn问题的前提，包括测量方法、仪器及刻度等。由于222Rn的研究起步早，222Rn的准确测量日趋成熟。但是对220Rn的问题的研究还不够深入，原因是无标准钍射气(220Rn)源，220Rn的半衰期比较短，难以导出其探测效率，难以建立起钍的标准探测装置。

因此研制出220Rn的绝对测量方法及装置，建立220Rn的计量标准装置和量值传递系统，解决220Rn的计量问题有着重要的意义。

目前南华大学自然科学基金项目组已经验证了一种用小闪烁室实现流气式绝对测量220Rn的方法。通过减小闪烁室内部任意两点间的距离和内表面全部涂上ZnS(Ag)来提高粒子的利用效率，使其对220Rn及其子体的探测效率接近100%；通过改变闪烁室的结构，使其内部没有大的死角和拐点，保证在一定流率下使流过的气流符合层流状态，从而满足流气式测220Rn的要求。该探测仪已经制作完成，并且在南华大学氡实验室通过实验验证达到预期的效果。但是该流气式绝对测量220Rn装置的使用方面采用的是传统的插件机箱式，存在着容易受到环境的影响和不便于携带的缺点，因此，需要设计出一种值得推广的，廉价的、虚拟的绝对测220Rn仪，这正是本课题的出发点。

本文采用Labview开发设计虚拟绝对测220Rn仪。与传统的测量仪器相比，测量时仅需携带探测器和笔记本电脑即可，突破了传统测量仪器受时间、地点的限制的缺点，大大减小设备资金的投入，降低成本节省经费，充分发挥现有仪器的作用，提高使用效率。

一 虚拟仪器的概念及其在核领域中应用的优势分析

虚拟仪器的概念由美国国家仪器公司NI最先提出的，其核心思想是“软件即是仪器”。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。近几年来，虚拟仪器技术发展非常迅速，虚拟仪器系统及图形编程语言(LabVIEW)已成为许多高校理工科学生的一门必修课。

二 虚拟绝对测220Rn仪的设计

(一)设计方案

钍射气通过小闪烁室探测器、前置放大器、主放大器、通过数据采集卡采集数据，通过利用LabVIEW设计定标器(计数器)、计数与220Rn浓度转换，最后制作虚拟绝对测220Rn仪控制面板。

图1 虚拟绝对测220Rn仪设计方框图

本设计采用的数据采集卡(DAQ)是NI公司提供的，型号为PCI-6221，板卡为CB-68LP，它是完全的数据采集硬件，这类板卡具有12位的模数转换，8条TTL数字I/O线，两个24位的计数器，最高采样率为833ks/s,能够满足实验要求。利用LabVIEW软件完成的是，设计一个单道—定标器(计数器)、计数与220Rn浓度转换，最后设计虚拟绝对测220Rn仪控制面板。

(二)单道—定标器的设计

定标器是最早使用的一种核辐射测量仪器，一般都有自动操作和自动控制等功能，能够精确记录任意选定时间内的脉冲计数，可直接显示或输出测量结果。定标器的输入部分通常有倒相、缓冲器和脉冲幅度甄别器，它的作用是把输入脉冲成形为适合于能触发计数电路的脉冲，并剔除小的干扰信号和噪声脉冲。而核辐射探测器输出的脉冲信号数目与被探测的辐射强度成正比，直接记录单位时间内的脉冲数目可以测量核辐射强度。定标器又称计数器，用来记录一定时间间隔内的输入脉冲数目。

1. 虚拟定标器的设计与调试

虚拟定标器总体设计框图如图2 所示。脉冲信号由DAQ卡模拟信号输入端输入, 在DAQ 卡上完成采样、量化与编码, 并采用DMA 的方式送到指定的内存缓冲区。缓冲区采用环形缓冲区结构, 在虚拟定标器软件对原始的采样数据进行实时处理的同时,不间断采样, 采样率最高为100k/s。

图2 虚拟定标器总体设计框图

2. 虚拟定标器的前面板设计

打开前面板窗口，利用LabVIEW中的控制模板,分别在设计面板上放入模拟实际定标器控键的单道选择控件、道宽类型选择控件、定时开关控件、启动复位开关、电源指示器等，放在前面板适当位置。前面板设计如图3。

图3 虚拟单道定标器前面板

3. 虚拟定标器的程序框图设计

对于虚拟单道定标器而言,它的主要功能就是记录一定时间间隔内的输入脉冲数目，在流程图设计中,选用了一个计数子程序、一个计时子程序、几个比较函数一个顺序结构和一个While循环。程序框图设计如图4。

图4 单道定标器的程序框图

三 虚拟绝对测220Rn仪的设计

(一) 220Rn的测量原理

钍射气进入闪烁室后，钍及其子体发射的а粒子使闪烁室壁的ZnS(Ag)产生光，光电倍增管把这种光讯号变成电脉冲，经过电子学线路把电脉冲放大，最后记录下来。单时间内的脉冲数(脉冲计数率)与220Rn的浓度成正比，从而可确定220Rn的浓度。

设球形闪烁室每分钟净计数率为CPM1,小闪烁室每分钟净计数率为CPM2，则被测氡浓度为：

C=K×CPM1(Bq/m3)

(1)

K:球形闪烁室的刻度系数

可得小闪烁室的探测效率ε为：

(2)

V:小闪烁室的体积(ml); 3：平衡时每次衰变放出3个α粒子

(二) 测氡的程序设计

图5 虚拟绝对测氡仪的前面板

本程序是在虚拟单道定标器的程序基础上设计的，由虚拟单道定标器可以记录给定时间的计数，通过除法器，可以得到单位时间的计数率，通过乘法器可以得到每分钟的计数率，由上表给定的氡的刻度系数的理论值，根据测氡仪的理论公式对数据进行处理，最后在前面板的显示端口实现实时的氡的浓度的显示。并设计了报警指示器。当氡浓度超过最大允许值，过载指示灯亮。前面板如图5，程序框图如图6。

图6 虚拟绝对测氡仪的程序框图

本文围绕虚拟绝对测氡仪的研制进行了分析，设计一个单道定标器(计数率计)，根据计数率与220Rn浓度的转换公式，最后设计了虚拟绝对测220Rn仪。通过对标准信号的测试，达到了预期的目标，并有较高的可靠性。