高纯锗探测器实验的可视化数据分析系统

吴黄鑫,王 强,关兴彩

(兰州大学 核科学与技术学院,甘肃 兰州 730000)

高纯锗探测器能量分辨率高、线性好,是γ能谱分析的重要设备之一,在核素分析、环境辐射监测、中子活化分析等方面应用广泛[1-2]。HPGe探测器实验对于核学科人才培养至关重要。兰州大学核科学与技术学院面向本科生开设的HPGe探测器实验课程,要求通过实验,学生可以熟练掌握HPGe探测器的工作原理和使用方法,学会HPGe探测器的效率刻度和能量刻度方法,能够使用HPGe探测器测量放射源的活度、甄别样品中某种未知核素的种类等。

传统实验教学方式虽然可以满足教学目的,但相对枯燥,不利于学生掌握相关实验方法和数据获取分析。可视化实验数据分析系统可以为学生提供可视化的实验流程和数据分析与处理平台,减少繁琐的数学运算量,丰富实验教学模式,激发学生的学习兴趣,提升实验课堂教学效果[3-4]。

虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件与高效的软件实现各种测试、测量、自动化的应用,具有性能高、扩展性强、开发时间少、集成度高等优势[5]。美国国家仪器(National Instruments,NI)公司推出的LabVIEW是最早开发且最具影响力的一款虚拟仪器开发平台软件,它采用图形化编程方案,为使用者提供了一个具有强大的数据采集功能和直观的基于数据流的图形化应用程序开发环境,可以实现测量测试、模拟仿真等诸多功能;同时,使用者还可以创建自定义用户界面,简单易行。因此,LabVIEW常被应用于可视化实验系统(平台)的开发[6-8]。

面向兰州大学核科学与技术学院HPGe探测器本科生实验教学需求,开发了基于LabVIEW的可视化数据分析系统。利用LabVIEW强大的分析库、程序和算法,实现了对实验数据的分析与处理;同时,基于LabVIEW高效灵活的软件创建数据分析界面实现对实验流程和数据结果的可视化输出,简洁直观,人机交互界面友好,有利于本科生实验教学。

1 实验原理

HPGe探测器是利用极高纯度的锗(germanium,Ge)晶体制成的P-N结型半导体探测器,它的工作原理是:入射的γ光子与Ge原子发生相互作用产生次级电子作用在灵敏体积内产生电子-空穴对,这些电子-空穴对在外电场的作用下漂移而产生与γ能量成正比的脉冲信号,输出信号经电子学系统放大成形后,通过数字化多道谱仪转化存储为γ能谱图[9]。

HPGe探测器的探测效率与γ射线的能量有关,同时受到探测器类型、源性质和实验条件等的影响。因此,在数据分析前,需采用能量、活度等信息已知的标准γ源对HPGe探测器进行刻度。在选定的实验条件下,测量一组具有不同能量的γ射线的能谱,得出一组全能峰能量与对应道址的数据,用最小二乘法拟合得到能量与道址的关系曲线:

E(x)=m·x+n,

(1)

其中,x表示道址;E(x)表示x道址对应的能量;m为能量刻度常数;n为截距。

同时,通过对全能峰净计数的读取,可进行HPGe探测器的效率刻度。能量为Ei的γ射线的全能峰探测效率εi可表示为

(2)

其中,Ni表示能量为Ei的γ射线的全能峰净计数;Ii表示能量为Ei的γ射线的分支比;A表示标准源活度;t为测量时间。一般地,由于标准源的半衰期远大于测量时间t,所以在测量时间t内,可认为放射源的活度不发生变化。通过最小二乘法拟合得到探测效率与全能峰能量的关系曲线[10]:

(3)

其中,E表示γ射线的能量;ε(E)表示探测效率;a、b、c、d和f均为常数。

2 系统设计与开发

在本科教学中,通过HPGe探测器实验,帮助学生理解HPGe探测器的工作原理,掌握HPGe探测器的能量刻度和效率刻度方法,学会甄别样品中未知核素的种类以及测量某种核素的活度。因此,为满足HPGe探测器本科生实验教学需求,开发的可视化数据分析系统须具有以下功能:刻度(效率刻度和能量刻度)、活度测量,未知源判断[11-12]等。系统设计思路如图1所示。

图1 HPGe探测器实验可视化数据分析系统的设计思路框图

HPGe探测器实验的可视化数据分析系统的开始界面如图2所示。

图2 HPGe探测器实验可视化数据分析系统的开始界面

点击“点击进入系统”按钮即可进入功能界面。功能界面有三个选项,分别是“刻度”“活度测量”和“未知源判断”,可以满足不同实验需求。

在数据分析前,需构建子程序实现必要的数据转换,程序框图如图3所示。时间输入是以字符串形式输入当前时刻,需通过判断语句对时间进行分解,实现与时间相关的字符串与数字间的转换,便于运算。

图3 数据转换程序框图

2.1 刻度

“刻度”可以满足HPGe探测器使用的基本操作,进行能量刻度和效率刻度的方法:输入标准γ源种类、刻度时间信息和特征γ射线全能峰净计数(测量计数)及峰位置(道址),就可以进行能量刻度和效率刻度,并显示出刻度曲线。其中,特征γ射线全能峰净计数和峰位置可由文本文档给出。如图4所示,通过条件结构,建立标准源数据库,以提供效率计算中所需的各项参数。根据(2)式即可得出一组全能峰能量与对应效率的数组,作为效率刻度的输入值。在效率刻度中采用LabVIEW自带的曲线拟合功能,根据(3)式,采用最小二乘法拟合得到探测效率刻度曲线[13],并输出各常数量。效率刻度程序框图如图5所示。能量刻度采用同样的方式完成。

图4 刻度源数据库建立程序框图

图5 效率刻度程序框图

2.2 活度测量

“活度测量”和“未知源判断”可以实现γ放射源活度测量和判断未知γ源两种功能。在能量刻度和效率刻度完成的前提下,输入待测γ源的名称、测量时间信息和特征γ射线的全能峰净计数(测量计数),就可以利用(2)式计算出待测源的活度。如图6所示,采用条件结构建立待测源的数据库,并由建立的探测效率刻度的子VI引入效率刻度曲线常量得到特定条件下探测器对待测源主γ射线的探测效率,通过简单的数学运算即可得到待测源活度信息。需要说明的是,(2)式是建立在放射源半衰期长、测量时间短、认为活度不发生变化的前提下的,但在实际情况下,尤其是当待测源的半衰期较短时,需考虑放射源的衰变,此时活度计算公式为

(4)

其中,A为待测源活度;选择待测源能量为Ei的主γ射线;Ni为全能峰计数;εi为探测效率;Ii为能量为Ei的γ射线分支比;λ为待测源衰变常数,t为测量时间。

图6 活度测量程序框图

2.3 未知源判断

在能量刻度和效率刻度完成的前提下,输入特征γ射线的峰位置(道址),运行即可输出该道址对应的特征γ射线的能量以及可能的核素,实现未知γ源的判断。通过建立多种常用核素主γ射线能量数据库,如图7所示,输入全能峰道址,引入能量刻度曲线常量得到该道址对应的γ射线能量,通过循环结构将得到的γ射线能量与能量库中的γ射线能量逐一比较后输出该能量点在能量库中的位置,判断过程中允许能峰偏差为±0.5 keV[14],随后通过条件结构输出经判断后的未知源名称。

图7 未知源判断程序框图

3 系统运行示例

3.1 刻度

实验前,需要对HPGe探测器进行效率刻度和能量刻度。实验上通常采用152Eu、60Co、133Ba、241Am、137Cs等标准γ源对HPGe探测器进行刻度。此运行示例采用152Eu和60Co源进行刻度,刻度源信息包括出厂日期、半衰期、出厂活度等,这些信息已录入系统,显示在“刻度”板块的左侧,如图8所示。刻度源放在距离探测器1 cm的位置。刻度过程中,记录实验日期、开始刻度时间、结束刻度时间和特征γ射线的全能峰净计数(测量计数)及峰位置(道址),其中,特征γ射线的全能峰净计数和峰位置分别以“HPGe测量计数+元素符号.txt”和“HPGe峰位置+元素符号.txt”命名格式的文件输入;刻度时选用152Eu源的能量为121.8、244.7、344.3、778.9、867.4和964.1 keV的特征γ射线和60Co源的能量为1 173.2和1 332.5 keV的特征γ射线,它们的分支比由系统给出并可查询修改。运行即可得到HPGe探测器的能量刻度曲线和效率刻度曲线,并显示在“刻度”界面的右侧,如图8所示。

图8 刻度界面

3.2 活度测量

活度测量需要在HPGe探测器完成刻度之后进行。在测量γ源活度时,待测γ源信息、特征γ射线的能量及分支比等信息由系统给出并可查询修改。将待测γ源放入HPGe探测器进行测量,记录开始测量时间、结束测量时间和特征γ射线的全能峰净面积(测量计数),录入系统,运行即可得到待测源的活度信息。若待测γ源有多条特征γ射线,则可选择其中一条进行分析。

例如,当测量137Cs源的活度时,如图9所示,已知开始测量时间为15:41:38,结束测量时间为15:45:04,实验测得能量为662 keV的特征γ射线的全能峰净计数为42 811,录入系统,运行得到137Cs源的活度为34.2 kBq,与理论计算结果(32.0 kBq)在误差范围内一致。

图9 活度测量界面

3.3 未知源判断

未知源判断需要在HPGe探测器完成刻度之后进行。在进行未知γ源判断时,将未知γ源放入HPGe探测器进行测量,记录特征γ射线的峰位置,即道址,将其输入“未知源判断→道址1/道址2/……”,运行即可输出该道址对应的特征γ射线的能量以及可能的核素。若同时有多条特征γ射线,则判断会更加准确。如图10所示,已知实验测得某一特征γ射线峰的道址为9 781,根据能量刻度曲线得到其对应的特征γ射线的能量为1 276 keV,由此可判断出该未知γ源可能为22Na源(其仅有的一条特征γ射线的能量为1 274.5 keV)。

图10 未知源判断界面

4 结 论

本研究开发的HPGe探测器实验的可视化数据分析系统具有清晰直观的数据分析界面,通过对各参数的输入,结合各功能的开发原理,引导学生自主探索HPGe探测器效率刻度和能量刻度方法、学会甄别样品中未知核素的种类以及测量某种核素的活度。与传统的通过Excel或直接进行运算的方法相比,该系统的开发简化了HPGe探测器实验的数据分析与处理流程,实现了实验流程和数据结果的可视化输出,丰富了实验教学模式,有助于激发学生的学习兴趣,提升实验教学效果。此外,该系统还可以应用于中子活化分析、核素分析、环境辐射监测等诸多领域。

该系统目前为初级版本,在升级版本中将进一步丰富数据库、优化算法、美化系统页面,此外,还将扩展针对闪烁体探测器的功能[15-16],以使得系统的功能更加强大。LabVIEW图形化的编程方式将激励学生对数据分析系统的自主探究,目前可从实验需求引导的现有数据库的补充优化、放射性测量实验中所需的不确定度分析、活度测量中的修正系数的引入等方面引导学生对系统内部相关程序的自主开发进行探究,在程序开发过程中,有助于学生创新思维和科学研究逻辑的训练。