基于通用采集卡的伽玛能谱仪设计与测试分析①

蔡思静

(福建工程学院电子信息与电气工程系，福建福州350108)

0 引言

伽玛能谱仪作为放射性核素的主要仪器，被广泛应用于核地球物理方法测量[1]．与此同时，随着人们对居住环境要求不断提升，伽玛能谱仪成为放射性污染检测的主要手段，国家曾多次立项逐步将伽玛射线能谱测量在地球科学、核科学及环境科学中的应用推向深入．

现阶段伽玛能谱仪的设计主要采用:伽玛能谱探测器、专用多道脉冲幅度分析器和计算机软件系统组成．独立的多道脉冲幅度分析器造价高昂、而且扩展性及灵活性不高．

虚拟仪器技术利用计算机为核心硬件平台[2，3]，结合高效灵活的软件设计完成各种测试和自动化应用．本文将集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，其特点如下:

(1)纯软件开发，增强扩展性、缩短开发周期、实现无缝集成．

(2)纯软件设计近年来的研究热点:多道脉冲幅度分析器．有助于在较大范围内提高生产率及性能．

(3)采用性能优异的Measurement Computing通用数据采集卡，确保了数据采集的高速度、高稳定、高精确、低温漂．

(4)为放射性物理仪器的应用研究提供了新的研究途径．

1 系统设计

该系统引入了虚拟仪器技术，克服了传统独立的多道脉冲幅度分析器设计，实现了纯软件的多道脉冲幅度分析模块的设计，主要硬件设备由:通用NaI探头伽玛能谱探测器、通用数据采集卡和计算机组成．作为一种全新仪器设计的概念，突破了传统仪器设计理念，具备了开放性、可重复性及互换性等特点，使测量仪器与计算机之间的界限消失了．

2 系统主要功能

通过该系统可以完成对核脉冲信号的采集、谱分析、处理、显示等功能，具体如下:

(1)谱采集控制:包括采集参数的设置，采集的开始、暂停和终止等功能．

(2)谱文件管理:主要实现谱文件的打开和保存．系统提供以下几种谱文件类型:谱数据文件(．spe)、加亮区文件(．roi)、谱图文件 (．jpg)、能量刻度系数文件(energy．cal)、标定系数文件(coeffient．lib)、配置文件(．config)，用户可以根据需要进行相应的文本控制管理．

(3)谱加亮操作:是根据各种核素所放出的不同伽玛射线能量确定其对应的谱数据段．加亮操作包括加亮、清除和正常状态的设置．

(4)谱显示:提供2048道谱数据显示、用户选择的加亮区信息显示、双谱显示等功能．

(5)谱操作:包括谱的叠加、分离、道数切换等功能．

(6)谱分析:包括能量刻度、谱寻峰、积分区间计数、寻峰分辨率、谱平滑、含量计算、标定系数的计算等功能．

表1 系统连续工作峰漂检查

表2 系统能量分辨率测定

3 脉冲幅度分析器设计

虚拟多道脉冲幅度分析模块完成对数据采集预处理、寻峰之后，在相应的道址执行加1操作[4]．该设计为了最大限度的调用软件资源，采用了软接口模块化多线程设计，主要由数据预处理模块、寻峰模块和计数输出模块组成．

数据采集预处理模块:实现数据从采集卡导入脉冲幅度分析模块，并剔除无效数据．由于采集卡速度高于数据分析模块，在数据导入设计中要解决采集卡同脉冲幅度分析模块之间的速度匹配问题．系统采用了“队列缓存多线程运行机制”，该机制:首先设计了原始数据、分析数据两个队列，通过Insert操作将采集卡的数据读入原始队列，利用Remove操作将数据移除队列进行数据分析．队列起到了有效的约束和补偿作用，从而完成多线程、多任务的独立设计，有效的解决了数据匹配问题．

LabVIEW平台提供了寻峰模块，该模块的速度及性能并不高，因此，本系统自定义了C#语言的寻峰模块动态连接库，通过LabVIEW的CLF节点实现软接口动态连接[3，5－8]，从而提高了系统的速度及性能．部分代码如下:

4 仪器性能测试与分析

测试条件:NaI(Tl)探头(晶体尺寸:Φ50×50 mm)、12V 低压电源、PCIDAS－4020/12采集卡、主频1．8G的P4计算机一台

其它:BH1936多道伽玛能谱仪一台(NaI(Tl):Φ75×75 mm)

环境:实验室条件下室温16～25℃(1)性能参数分析

仪器连续工作8h，计数稳定性能满足要求．其具体性能如下所述:①峰漂稳定性测试

连续工作8h后，每隔30min，每次持续5min测量137Cs谱线，测得结果如表1所示．其峰位漂移小于±1%．

②能量分辨率测试

每隔半小时测量一次谱线，实测能量分辨率平均值为11．54%，测得结果如表2所示:

③能量线性检查

分别对212Pb，226Ra的伽玛射线能谱进行了测定，212Pb伽玛射线能谱如图1所示．

图1 212Pb伽玛谱图

(2)仪器对比测试

本测试将仪器厂生产的独立BH1936多道伽玛能谱仪和虚拟伽玛能谱仪分别对一块铀矿进行测量，得到谱图分别如图2，3所示．

图2 BH1936测得的铀矿能谱图

图3 虚拟伽玛能谱仪测得的铀矿能谱图

综上所述，我们得出以下结论:峰位漂移小于1%，能量分辨率＜12%，计数稳定性能满足要求，能量线性良好．

5 结束语

本文完成了纯软件接口化的虚拟伽玛能谱仪设计，实现无缝集成开发．通过系统测试、参数分析以及同BH1936多道伽玛能谱仪的参数性能测试比较，参数性能良好，实现了高性能的伽玛能谱仪设计，为伽玛能谱仪的设计乃至核素测量研究提供了很好的平台．

[1] 乐仁昌．氡及其子体的释放和运移规律及机理研究[D]．成都:成都理工大学．2002．

[2] 刘君华，贾惠芹，丁晖，等．虚拟仪器图形化编程语言Lab-VIEW教程[M]．西安:西安电子科技大学出版社．2001．

[3] 杨乐平，李海涛，杨磊．LabVIEW程序设计与应用(第2版)[M]．北京:电子工业出版社．2005，8 ．

[4] 刘平，阮裕泉，浦世节．基于Windows的多道脉冲幅度分析器的软件开发[J]．核技术．2005(01)．

[5] 李学生，戴波．基于DLL的LabVIEW数据采集系统[J]．北京石油化工学院学报．2005，(13)，2．

[6] 赖永泉，王毅，曹银强．基于DLL的虚拟仪器系统开发技术[J]．仪器仪表与检测技术．2005，24(4)．