放射性活度检测系统设计

刁 庶,王 君,2,凌振宝,2

(1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春 130026；2.吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室,长春 130026)

放射性污染[1]会影响人们的身体健康,随着人们生活水平的提高及对健康的日益关注,环境中的放射性问题[2]已引起人们广泛关注.传统放射性检测仪的脉冲检测系统多数以大量的模拟器件为主构成,仪器成本较高,且当周围环境发生变化时易产生漂移,使测量结果出现误差.目前,国内的放射性检测仪采用数字电路,虽比传统放射性检测仪更先进,但都存在着成本高、 体积大、 功耗大和操作复杂等问题,不能适应现场测量的便携式要求.本文基于放射性检测仪的现状,设计一种以单片机为核心,计算机为辅助设备的高精度、 多道便携式放射性检测仪.该检测仪主要对γ射线采用能谱分析的方法[3],利用放射性脉冲检测电路和刻度出的能量与道数的关系进行放射性所对应元素的活度计算,利用Visual Basic完成上位机软件开发,实现放射性元素含量的计算.

1 活度检测方案设计

图1 活度检测框图Fig.1 Diagram of activity detection

通过已刻度好的γ射线能量和全能峰峰位[4]所在道数间的关系,利用Visual Basic 6.0软件进行上位机程序编写,进行基底扣除和全能峰净面积计算.由活度已知的标准放射性元素,借助上位机软件计算一系列离散能量与效率的对应关系点,在最小二乘拟合算法[5]下,建立一条γ射线全能峰效率随能量变化的效率曲线,完成效率刻度软件界面.然后按γ能谱中γ射线全能峰对应的能量计算出相应的γ射线全能峰净面积计数率及由效率曲线内插得到该能量的全能峰效率[6]， 查找已在上位机软件帮助一栏中建立的常用γ射线发射几率对照表.当以上参数全部已知时,便可得到被测核素的活度.活度检测框图如图1所示.

2 稳谱方案设计

通过对系统电路的研究建立合适的稳谱算法[7],先利用MSP430单片机控制调理电路的信号放大参数,补偿特征峰信号的脉冲幅度变化,再通过硬件电路和软件算法调节特征峰位所在道数的增加或减少,降低谱漂程度[8].整个系统尽量做到干扰降到最小,从而达到稳谱的目的， 稳谱设计原理框图如图2所示.

图2 稳谱设计原理框图Fig.2 Diagram of the design principle of stable spectrum

3 稳谱电路硬件设计

图3 稳谱调节硬件电路Fig.3 Hardware circuit of stable spectrum regulation

4 电源模块设计

系统采用两节12 V,1.3 Ah电池组合成±12 V电压为电路供电,采用三端稳压器LM7809，LM7909，LM7805，LM7905提供+9，-9，+5，-5 V的电压,最大能提供1.5 A的输出电流,因此功率满足一般的电路.在三端稳压器的输入和输出端并联适量的滤波电容,滤除高频干扰,以提供稳定、 纹波小的电源[10].电路设计如图4所示.考虑到数字部分均采用+3.3 V的工作电压,因此需将+5 V电压转换为+3.3 V， 为单片机及液晶等数字部分提供工作电源[11].采用AMS1117为电路实现+5 V和+3.3 V之间的电压转换.

图4 ±5，±9 V电源的设计Fig.4 Design of ±5，±9 V power supply

5 检测系统的上位机软件设计

由于数据处理复杂,需采用上位机进行更快、 更准确地数据处理[12-13]， 系统的软件总体框图如图5所示.先利用Visual Basic 6.0软件中的控件及绘图函数等功能完成上位机界面的设计， 再利用最小二乘拟合法和活度计算原理,通过对数据谱的基底扣除和全能峰净面积计算获得被检测物质的放射性活度值.软件流程如图6所示.

图5 上位机软件总体框图Fig.5 Overall diagram of PC software

图6 系统软件流程Fig.6 Flowchart of system software

6 稳谱软件设计

下位机软件的主要功能包括实现峰值采样,能谱数据的存储、 预处理及通过串口向上位机的传送,实现友好的人机交互界面等,程序流程如图7所示.系统上电复位后,先进行校正,然后启动AD进行峰值采样,并存储数据.求出最大峰值后判断是否为期望值,如果是,直接进行flash存储,否则通过调整数字电位器校正后进行flash存储.

7 结果分析

图7 程序流程Fig.7 Flowchart of program

7.1 活度相对误差 重复精度：利用放射性点源进行效率刻度,在24 h内,用60 s对同一样品重复测量2次进行活度计算.测试结果列于表1.

表1 24 h内测量同一核素活度的重复精度Table 1 Repeated accuracy of measuring the same nuclide activity within 24 h

由表1可见,两次核素的活度测量相对误差为5.76%.

7.2 系统稳定性 在不同温度(-5～+40 ℃)、 不同时间内测试137Cs和60Co的峰位漂移,测试结果列于表2.

表2 峰位谱漂数据Table 2 Data of peak shift

由表2可见,仪器的谱漂为±2道,具有较好的稳定性,满足在温度范围内的要求.

7.3 核素活度测量的不确定性 测量同一标准放射源60，100 s时,测量总不确定度列于表3.由表3可见， 核素活度的不确定度小于20%.

基于系统的误差来源,用最小二乘曲线拟合方法进行效率刻度,减小了统计涨落误差,保持了效率曲线的原有特征.系统通过采用全峰面积法使本底扣除精度得到提高,同时降低了全能峰净面积的误差,以此作为提高处理能谱数据精度的方法,并使用稳谱技术对电路的稳定性进行稳谱,保证了系统的测量精度.

表3 测量总不确定度Table 3 Total uncertainty of measuring

综上所述， 本文基于检测电路能量刻度与道数的关系和特征稳谱法， 设计了一种放射性活度检测系统,该系统包含活度检测模块和稳谱电路模块.实时测试实验表明,该系统操作方便、 功耗低、 性能稳定、 测试误差小,适于现场放射性元素的检测.

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