基于MATLAB的γ能谱数据获取与处理研究

2020-09-07 07:49陈鑫栋颜拥军李广锋
核科学与工程 2020年3期
关键词:采集卡能谱探测器

陈鑫栋,颜拥军,*,朱 皓,李广锋

(1.南华大学核科学技术学院,湖南 衡阳 421001;2.岭澳核电有限公司,广东 深圳 518031)

经典的多道能谱分析仪能够确定待测样品中各种具有γ辐射的放射性核素的种类及其强度[1],是核辐射探测领域一种重要的测量方法,但是这种分析仪体积比较大、较为笨重,而且不能同时进行多通道的能谱测量。

本文尝试用凌华提供的PCI—9812高速数据采集卡与MATLAB软件相结合来进行能谱测量,以期望能克服传统多道分析仪的这些不足之处。PCI—9812高速数据采集卡有12位高精度AD转换器,而且采样率可达20 MHz;有4个通道可以同时采集数据,因此有可能构成并行工作的4台多道能谱分析仪,而且这种卡比较小巧、通用,所以体积上占有优势。

1 系统组成

本系统由γ能谱数据获取硬件与γ能谱数据获取处理软件组成。研究思路如下:选用溴化镧(LaBr3)探测器对放射源进行探测,对探测到的核信号进行放大、滤波、硬件寻峰等预处理之后,触发高速数据采集卡对核信号峰值进行采样,将采样好的数字核信号导入MATLAB软件,并运用数据采集卡基于MATLAB的DAQ工具箱编写程序界面来对核信号峰值进行处理形成能谱,随后对能谱进行平滑、核素识别等数据分析。该思路充分利用MATLAB强大的数据处理和GUI功能[2],灵活方便,在用户界面看到实时变化的分析结果,系统框图如图1所示。

图1 γ能谱数据采集系统示意框图Fig.1 Schematic block diagram of nuclear energyspectrum data acquisition system

2 模拟信号处理电路

电荷灵敏前放输出的信号通常是时间常数较大的指数衰减信号,在计数较大时容易产生堆积和基线漂移[3],因此需要利用极-零相消来消除信号尾部的下冲来改善波形[4],本文所设计极零相消电路原理图如图2所示。经过极—零相消电路使探测器输出的波形从图2(a)中所示波形,调整为图2(b)所示波形,达到极—零相消目的。

图2 极—零相消电路Fig.2 Pole—zero cancellation circuit

图2中R2远远大于R1,这样流过R1的电流就远远大于流过R2的电流。其中VB=aVi,a是分压系数,

可以得出输出电压:

(1)

传递函数:

(2)

经过极零相消后的脉冲峰值持续时间短,信噪比不高,对于波形来说,当其为无限宽尖顶脉冲时,可以达到最佳信噪比,如图中3(a)中所示,但在现实中无法实现。通常采用有源积分滤波电路来实现放大整形的功能,将脉冲整形为高斯型或准高斯型(具有无限宽的脉冲,其顶部也保持一定宽度)如图3(b)中所示,来提高信噪比和能量分辨率。为达到此目的所设计的积分滤波电路如图3(C)所示。

图3 积分滤波电路Fig.3 Integral filter circuit

其中的运放为同向放大器,电路的电压增益

(3)

根据KCL方法可以得到该电路的传递函数为:

H(S)=

(4)

品质因素为:

(5)

经过放大整形后的信号,峰值宽度较窄,需要进行峰值展宽处理来满足后续对核信号的要求。图4为峰值检测保持电路。U64与U59构成峰值保持电路的主体,当有脉冲输入时,核脉冲经过U64向保持电容C62充电,脉冲过后,由于二极管的反向电阻和U59的输入电阻都很大,所以电容上基本没有放电,可近似认为保持电容回路保持了峰值电压,窄脉冲就会被展宽。经过多次实验,C62取1 000的电解电容,D6、D7采用漏电流小、反相恢复时间短的开关二极管。

U52组成低阈值检测电路的重要部分,当有阈值之内的信号输入时,U52输出一正脉冲,与经U55峰值检测输出的高电平经过U50A、U50B与非运算得到正脉冲,随后与由U47、U53A构成的阈值甄别电路Q非端输出的甄别信号进行与非运算,送入U53B、U56A,用来触发单稳态触发器产生一宽度确定的负脉冲作为触发信号输入高速数据采集卡,与此同时模拟开关U57D打开,对电容进行放电,这样就对脉冲完成了一次峰值扩展。此电路的意义在于在峰值保持的同时产生一个同步上升沿触发信号,用以触发高速数据采集卡对处理后的核峰值信号进行数据采集。

3 数据采集卡

本系统中选取的PCI-9812具有高速多通道多种触发方式等特点,可适用于各种采集频率要求较高的数据采集用途。基于32位的PCI总线;12位高精度AD转换器;4个通道可以同时采集数据;板内32 K字FIFO缓冲器;采样频率可达到20 MHz。

该卡具有软件触发、外部模拟触发(正斜率触发和负斜率沿触发)、外部数字触发(上升沿触发和下降沿触发)几种触发源[5]。其中模拟输入通道CH0、CH1、CH2和CH3上的信号都可作为外部模拟触发的触发信号,本系统的模拟输入采用的是单通道采集,选用CHO通道,外部数字上升沿触发用到的引脚为JP1中的3号引脚、4号引脚。

而且PCI-9812而且有丰富的驱动程序;支持各种软件开发平台,如VC/C++、VB、

Borland、Matlab等,可以和MATLAB很好的结合。而且这种卡比较小巧、通用,体积上占有很大优势,多通道同时工作,可构成多通道的能谱测量系统。

图4 峰值检测保持电路Fig.4 Peak detection and hold circuit

4 软件平台

4.1 MATLAB GUI数据采集界面的设计

采用MATLAB 中的DAQ工具箱,安装之后就可以依据MATLAB DAQ Toolbox的标准来操作高速数据采集卡。数据采集工具箱由三部分组成:M文件格式的函数、数据采集引擎和硬件驱动[6],这些组成部分使得MATLAB与数据采集硬件之间的信息传递成为可能。

当数据传输至数据采集卡后,就需要运用MATLAB来控制数据采集卡,进而进行数据处理分析,本装置中采用MATLAB的gui功能,也就是图形用户界面,由窗口、菜单、图标、光标、按键、对话框和文本等各种图形对象组成的用户界面,使用鼠标或按键选择,激活这些对象或按钮,触发MATLAB中相应的代码,来控制数据采集卡进行工作[7]。从而很方便的实现数据处理的功能。基于MATLAB平台所设计的采集程序主流程如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Main program flow chart

4.2 处理软件设计

数据采集卡获取每个核脉冲的峰值后,应用软件将峰值转化为对应的道址,将不同峰值的计数转化为相应道址的计数,可以绘制出横坐标为道址、纵坐标为计数值的幅度谱图。由于最终我们需要的是能谱图,这里我们还需对幅度谱中的道址进行能量标定,将不同道址对应到入射射线的不同能量,最终绘制出横坐标为能量值、纵坐标为计数值的能谱图。

图7为本系统所设计的处理软件结构。测量前,设置好参数。在测量结束后,进行自动解谱,显示峰位,通过核素库对比识别核素,同时计算活度,与峰面积。所设计界面有5个功能模块,每个模块有相应的子选项对话框,因此具有友好的人机交互界面,提升了数据采集与处理分析的可操作性。

图6 软件结构框图Fig.6 Software structure block diagram

5 测量实验

系统设置触发类型为外部触发,触发方式为上升沿触发,在装置组件完成后,在MATLAB中设置采样频率为20 M,设置采样长度为8。在温度0~35 ℃、相对湿度80%以下、环境剂量率:≤0.18 μSv/h的环境下对该装置分别进行了探测器能量刻度线性实验、能量分辨率测量实验、能谱测量实验。

5.1 探测器能量刻度线性实验

分别对137Cs和152Eu 源进行测量,并记录其特征峰能量和道址(见表1)。

表1 LaBr3(Ce) 探测器能量刻度表Table 1 LaBr3 (Ce) detector energy scale

能量刻度函数为:E=AX+B,其中E为γ射线的能量;X为相应的道址。根据表1数据,利用最小二乘法求出A、B的值。得出刻度函数为:

E=1.084X+4.762

(6)

线性关系如图7所示。

图7 线性关系图Fig.7 Linear relationship

由上图可以看出,溴化澜探测器的能量线性较好。

5.2 能量分辨率测量实验

将137CS源放置于LaBr3探测器的正前方,单独测量137CS源50次,记录其产生的662 keV能谱的数据,随机选取其中五组数据进行计算,取其全能峰半高宽所对应的道数与全能峰所对应的多道道址数之比就得到能量分辨率。测量数据如表2所示。

表2 LaBr3(Ce) 探测器对137Cs (662 keV )γ射线能量分辨率Table 2 Energy resolution of 137Cs (662keV)gamma ray by LaBr3 (Ce) detector

可以看出LaBr3(Ce) 探测器对137Cs(662 keV)能量分辨率平均结果为3.47%,与厂家给出值3.12%相差较小。

5.3 能谱测量实验

采取活度较小的低放射性活度源,实验时放入铅室中。首先用LaBr3(Ce)放入铅室中测量本底,如图8所示,可以看出本底中138La(1 348 keV)的峰位。接着用LaBr3(Ce)探测器单独测量137Cs放射源半个小时,得到的能谱如图9所示。然后在铅室内用LaBr3(Ce)探测器单独测量152Eu放射源半个小时,得到的能谱如图10所示。最后在铅室内用LaBr3(Ce)探测器对混合源(137Cs放射源、152Eu放射源)连续测量半个小时,得到能谱如图11所示。

图8 本底γ能谱图Fig.8 g.spectrum ofbackground

图9 137Cs的γ能谱Fig.9 Gamma spectrum of 137Cs

图10 152Eu的γ能谱Fig.10 Gamma spectrum of 152Eu

图11 混合源的γ能谱Fig.11 Gammaspectrum of mixed sources

从图11可以明显看出混合γ能谱图上的若干个能峰,从第一个能峰开始依次对应的能量为:

152Eu——244.69 keV、152Eu——344.27 keV、

137Cs——661.657 keV、152Eu——778.903 keV、

152Eu——867.388 keV、152Eu——964.131 keV、

152Eu——1112.116 keV、152Eu——1408.011 keV。

通过最终能谱测量实验,证明该系统已达到预期要求,测量系统信号输入范围0.02~5 V,测量核素能量范围0.5~2.5 MeV。可适用于多核素γ能谱数据获取与处理研究中。

6 结论

本文基于MATLAB和高速数据采集卡构建了γ能谱数据获取系统,完成了γ能谱数据获取与处理总界面的设计,并对多种核素进行刻度和混合能谱测量实验。界面简洁,易于操作,相关实验数据与相关核素的衰变纲图相吻合,能量线性度和分辨率满足设计要求,简化了数据处理分析,装置稳定可靠,监测效果均良好。

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