基于LabVIEW的脉冲辐射探测器灵敏度标定系统

刘　建，胡孟春，唐登攀，张建华，甫跃成，陈钰钰

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳　621900)

0　引言

脉冲辐射探测器是诊断脉冲辐射源内部发生的瞬态、剧烈反应过程的核心器件，其性能参数包括灵敏度、时间响应等直接决定测试数据的质量[1-2]。传统的灵敏度标定实验，测量数据由实验人员手工抄录，且只能记录到仪器显示某一时刻的瞬态数据，数据量少、人为和统计误差较大，从而造成灵敏度标定精度不高。文中利用LabVIEW软件开发平台，通过GPIB-USB卡控制Keithley 6517A静电计，搭建了一套脉冲辐射探测器灵敏度标定系统，提高了探测器灵敏度标定精度。

1　标定系统构成

脉冲辐射探测器通常工作在电流模式，其灵敏度定义为[1]：

式中：I(E)为探测器输出的电流值；φ(E)为探测器测点处的辐射注量率。

灵敏度标定系统如图1所示，单能辐射经准直屏蔽后入射到探测器，与探测器灵敏介质相互作用产生电信号或先产生光信号再经光电器件转换后输出电信号，随后电信号由同轴电缆传输至电流仪进行测量，最后通过PC端的“测量程序”完成对测量数据的自动采集、处理和存储。由于脉冲辐射探测器灵敏度很低，输出电流为pA～μA量级，因此要求高精度电流仪能够测量到pA级电流。6517A型静电计，电流测量范围达10-16～10-2A且具有低偏置电流(3 fA)、低噪声(0．75 fA p-p)[3]，非常适合标定系统的测量要求。静电计通过GPIB-USB控制卡将GPIB接口转换成USB接口，以便直接与PC计算机进行通讯。控制卡采用NI公司生产的 GPIB-USB-HS，该卡在标准IEEE 488协议下数据传输速度为1．8 MB/s，采用高速IEEE 488协议(HS488)时速度可达7．7 MB/s[4]，且具有扩展性好、稳定性高等优点，能很好地满足系统要求。

图1　标定系统框图

2　标定系统的软件设计

软件以LabVIEW为开发平台，采用基于事件结构的生产者/消费者设计模式，结构模型如图2所示[5]。软件流程图如图3所示，主要由数据采集、数据处理与显示、数据存储等模块组成。数据采集模块和数据处理与显示模块并行，采用队列作为数据缓存器，前者负责把采集到的数据放入队列，后者则不停地从队列中取出数据并完成处理、显示及保存。

图2　生产者/消费者结构模型

图3　标定系统软件流程图

2．1数据采集模块的设计

为了提高数据采集的定时精度，数据采集模块采用了定时循环结构，循环周期由采集间隔参数进行设置。模块中使用SCPI命令实现对6517A的控制，SCPI是一种建立在标准IEEE488．1和IEEE488．2基础上的标准化仪器编程语言，采用一套树状分层结构的命令集，可用一条足够长的命令直接实现某个功能。6517A中相关的SCPI命令功能如下[6]：

(1)：SENSe1子命令集用于配置和控制测量参数；

(2)：SYSTem子命令集用于设置与系统相关的各种命令；

(3)：FORMat子命令集用于选择通过数据总线输出的数据格式。

数据采集模块包括仪器初始化和电流采集2个部分，其中仪器初始化包括仪器复位、选定电流测量方式、选择数据输出格式、选定动态测量范围、设置NPLC等，仪器初始化程序框图如图4所示，电流采集程序框图如图5所示。由于6517A采用GPIB总线与PC端连接，因此模块中采用LabVIEW函数库的GPIB函数实现与6517A的通讯，其中GPIB写入函数用于向6517A发送各种命令，GPIB读取函数用于接收6517A 返回的各种信息，如测量数据、工作状态等。

图4　仪器初始化程序框图

图5　电流采集程序框图

2．2数据处理与显示模块的设计

数据处理与显示模块的部分程序框图如图6所示，模块的主要功能包括实时显示电流值-时间曲线，实时处理平均电流值、测量标准差、总电荷、灵敏度等。电流值的实时显示采用了LabVIEW的波形图表控件，与波形图控件不同，波形图表并不一次性接收所有数据，而是逐点接收并同步显示。数据的实时处理是个动态过程，包括了从开始采集时刻到分析时刻内的所有数据，因此采用了循环结构中的反馈节点，将上一次循环的值自动传递到下一次循环从而实现动态处理，需要注意的是循环开始前必须对反馈节点进行初始化，否则多次的采集数据会被累加，从而造成结果出错。

2．3数据存储模块的设计

数据存储模块包括了两部分，一部分实现将采集到的电流值以文本文件的形式在计算机中保存，作为原始实验数据方便日后进行查阅分析；另一部分实现将实验条件和实验结果如探测器信息、辐射源信息、测点注量率、平均电流值、灵敏度等以EXCEL文件格式进行存储，其程序框图如图7所示。

3　标定系统实验测试

测试实验采用了源强已知的60Co同位素源和灵敏度已知的光电探测器，实验布局如图1所示。图8是标定系统软件在实验中的实时截图，从图中可以看出：软件实时显示了16：38：47～16：39：06时间段内各时刻的实测电流，同时还提供了已用时间、平均电流值、标准偏差、注量率、灵敏度等实时数据，实现了探测器输出电流的自动采集和处理、探测器灵敏度的实时计算、实验条件和实验结果的规范化存储等预期功能。

4　结束语

实验结果表明，基于LabVIEW软件开发平台的脉冲辐射探测器灵敏度标定系统工作状态稳定可靠，测量与控制精度高，与传统的标定方法相比，自动化程度高，克服了数据量少、人为和统计误差较大等不足，提高了脉冲辐射探测器灵敏度标定精度。目前该系统已成功应用于脉冲辐射探测器性能研究中，为国家大型试验提供了可靠的基础数据。

图6　数据处理与显示模块的部分程序框图

图7　数据存储模块的部分程序框图

图8　软件前面板

参考文献：

[1]刘庆兆．脉冲辐射场诊断技术．北京：科学出版社，1994．

[2]欧阳晓平．脉冲中子、伽马探测系统性能表征与设计技术．中国工程科学，2009，11(5)：44-53．

[3]Keithley Instruments inc．Model 6517A Electrometer service Manual．Cleveland：Keithley，1999．

[4]National Instruments inc．GPIB Hardware Guide．Texas：NI，2010．

[5]阮奇桢．我和LabVIEW．北京：北京航空航天大学出版社，2009．

[6]Keithley Instruments inc．Model 6517A Electrometer User?s Manual．Cleveland：Keithley，2003．