摘 要:阐述利用虚拟仪器开发平台 LabVIEW 和通用的数据采集卡开发虚拟伽玛能谱仪的过程。从脉冲幅度分析, 再到谱数据的分析和处理, 均给予详细的介绍。最后从实验结果, 得出所开发系统的可用性。
伽玛射线能谱测量是一种重要的核地球物理方法, 在地球科学、核科学及环境科学中的应用广泛, 相关的研究是颇有意义的。近些年, 我国先后研制了 256 道微机化能谱仪、轻便能谱测井仪、手持 NaI 多道谱仪等, 特别是随着微型机引入伽玛能谱仪, 研制出 2048 道能谱测井仪, 以及建材专用低本底多道 γ能谱仪系统等。这些仪器的组成件部分是: 探测器、多道分析器、计算机。具体工作原理是探测器将信号输入到谱分析器, 多道脉冲幅度分析器将信号放大、整形, 经过 A/D 转换后, 将经过幅度分析后的数据输入计算机。本文阐述利用虚拟仪器开发平台LabVIEW 和通用的数据采集卡开发虚拟伽玛能谱仪的过程。
1 系统概述
1.1 系统硬件组成
虚拟伽玛能谱仪的硬件部分由三部分组成: 探头、采集卡、计算机系统。相较于传统仪器中独立的多道分析系统, 本设计结构更为紧凑。
γ能谱探头采用通用 NaI 探头 , NaI 晶 体 大 小 为 φ50×50mm, 输入工作电压为+12V, 信号幅度:0V～6.8V, 信号脉冲宽度: 1～5μs, 噪声: <0.03V, 能量分辨率≤12%。数据采集卡使用美国 Measurement Computing 公 司 生 产 的 PCI-DAS4020/12采集卡, 该卡为四道 PCI 总线插卡, 每通道一路 A/D, 采样速率单通道 20MHz 连续、双通道 20MHz 连续、四通道 10MHz 连续, 12BitA/D 分辨率采集数据, A/D 转换时间 40ns, 输入带宽17MHz, 精度 3.0LSB, 典型值 5.5LSB, DMA 数据传输, 总线控制。此外, 板上所有地址, 中断, 通道全部由软件设置, 支持 Lab-View。得到的有效数据将输入 VI 进行数据分析。NaI 探测器通过BNC 头与采集卡连接, 采集卡通过 PCI 总线与计算机连接。
1.2 软件系统设计
软件设计采用模块化设计理念, 系统首先通过采集控制, 读入原始数据, 经过脉冲幅度分析, 进行谱显示。随后就可以根据相应的要求将数据进行谱平滑、谱寻峰、感兴趣区分析, 含量计算等谱处理控制。软件功能模块的调用关系如图 1。主要功能包括以下几个部分:
1) 采集控制: 采集卡初始化、开始采集、结束采集、定时控制、采集方式控制( 包括手动、自动、连续自动) 、谱文件保存位置设置。
2)文件管理:主要实现能谱数据读入和保存。包括谱数据文件(.spe)、加亮区文件(.roi)、配置文件(.config)、谱图文件(.jpg)、能量刻度系数文件(energy.cal) 、标定系数文件(coeffient.lib) 。
3)谱操作: 谱数据显示、谱数据加亮选择。
4) 谱处理: 谱寻峰、谱平滑、积分区间计数、计数率、感兴趣区操作、系数标定、能谱刻度、含量计算等。系统界面设计如图 2 所示, 主要包括功能菜单、采集卡参数设置区、采集控制区、简单统计区、峰位信息区、积分区间计数及死时间显示区、程序退出区等。
2 虚拟多道脉冲幅度分析器设计
多道分析器是核能谱测量的核心部分, 在传统的核测量系统中, 大多是由甄别及峰值检测电路、控制电路、模数转换电路和单片机等组成。本设计开发的多道脉冲幅度分析系统则利用了虚拟技术的思想, 采用通用的数据采集卡与计算机相结合, 利用虚拟仪器软件编程实现对核脉冲信号的幅度提取和多道计数功能。为避免高速采集时, 大量的数据给后面的脉冲幅度分析造成影响以及产生不必要的死时间, 软件开发过程中, 采取了以下几个措施:
1)使用硬件触发的方式, 使数据量大大减少了, 为后面的脉冲幅度分析减轻了压力。
2)开辟适当大小的内存, 使得从卡上送过来的数据, 不会因为软件读取速度太慢, 而造成旧数据还没读出, 就被新数据覆盖。
3)采用队列缓冲技术, 使得脉冲幅度分析更加的从容。
4)采用自编的动态链接库, 进行幅度分析, 使得分析速度显著提高。多道幅冲幅度分析的动态链接库的源代码如下:
多道谱处理和分析, 都需要对系统进行刻度。能量刻度是指道址和能量的关系。而完成能量刻度, 需要已知能量的一个低能峰和一个高能峰。本系统的能量刻度界面及源代码分别如图 4和 4 所示。在“输入道址 1”、“输入能量 1”、“输入道址 2”、“输入能量 2”中输入相应数值, 就可自动得到刻度系数, 单击“保存”,就可以将系数保存于 energy.cal 中。
3.2 寻峰求分辨率
寻峰求分辨率, 即对当前加亮的谱峰, 计算峰位、峰面积、半高宽、及仪器的分辨率。本系统只对 Cs 源求分辨率。另外, 在谱分析模块中, 还包含谱平滑、感兴趣区模块、积分区计数、计数率、铀钍钾含量计算等。
4 结束语
在伽玛能谱系统中引入虚拟仪器技术收到了良好的效果.其性能稳定, 具有良好的用户界面, 灵活的使用方式和快速的数据处理能力。随着各项技术指标的不断完善, 它将有可能取代传统的伽玛能谱仪, 而得到广泛的应用。
参考文献
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