基于ARM的軟件延遲符合法氡同位素分辨測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制

顏擁軍，周劍良，楊 彬，丘壽康

（南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

氡及其子體的測量和控制是氡計量學(xué)和輻射防護(hù)研究共同關(guān)心的問題。219Rn在自然條件下濃度較低，含量較少，半衰期非常短，研究難度較大。目前氡的研究方面主要側(cè)重于220Rn和222Rn的測量。同時，分辨測量氡同位素（222Rn／220Rn／219Rn）是間接分辨測量鐳同位素（226Ra／224Ra／223Ra）的有效方法，而鐳的各同位素是海洋學(xué)過程研究的非常重要的示蹤劑，鐳同位素的分辨測量是同位素海洋學(xué)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)［1］。

氡的測量有多種方法，其中延遲符合技術(shù)適用于低水平氡同位素的分辨測量。延遲符合技術(shù)根據(jù)氡同位素的短壽命子體釙半衰期不同來分辨測量219Rn和220Rn，該技術(shù)已成功應(yīng)用于空氣中低濃度220Rn的測量，特別是海水中鐳同位素的間接測量［2－7］。

本文提出一種軟件延遲符合測量方案，以S3C2410嵌入式微處理器為控制核心，通過移植uC／OS－Ⅱ操作系統(tǒng)，記錄存儲核脈沖信號的脈沖寬度及時間間隔分布信息，采用軟件實(shí)現(xiàn)延遲時間調(diào)整和符合測量計數(shù)，實(shí)現(xiàn)氡同位素的分辨。

1 延遲符合測量氡同位素理論分析

1.1 延遲符合氡同位素原理

延遲符合分辨測量氡同位素原理［2－3］如圖1所示。符合測量軟件中有3個計數(shù)通道，a通道為延遲符合測量后220Rn脈沖計數(shù)，b通道為延遲符合前總脈沖計數(shù)，c通道為延遲符合測量后219Rn脈沖計數(shù)。各符合通道的符合時間記為Tg。1個220Rn或219Rn發(fā)生衰變后產(chǎn)生 子 體216Po或215Po，并放出1個α粒子。α粒子脈沖首先觸發(fā)延遲電路，經(jīng)延遲Td時間后打開符合電路。子體216Po或215Po在很短的時間內(nèi)發(fā)生衰變并放出α粒子，如果釙衰變產(chǎn)生的脈沖在Td到Td＋Tg時間內(nèi)到達(dá)符合電路，脈沖將被記錄。

根據(jù)氡同位素衰變規(guī)律，219Rn通道延遲時間Td219＝0.15ms，目的是使整個系統(tǒng)穩(wěn)定，219Rn通道開門時間Tg219＝5.6ms（約為4倍215Po半衰期），以保證215Po衰變產(chǎn)生的脈沖均被記錄。由于216Po半衰期為150ms，可認(rèn)為在這段時間內(nèi)216Po未衰變，不會影響219Rn通道計數(shù)。同樣，220Rn通道延遲時間 Td220＝10ms（約為6倍215Po半衰期），以保證這段時間內(nèi)215Po已衰變完，不會對220Rn通道計數(shù)產(chǎn)生影響。220Rn通道開門時間Tg220＝600ms（約為4倍216Po半衰期），以保證216Po產(chǎn)生的脈沖均被記錄。

1.2 偶然符合計數(shù)率修正

實(shí)際測量中，兩個延遲符合通道的計數(shù)會受到222Rn衰變及其他本底計數(shù)的影響，另外，符合通道之間也會產(chǎn)生互擾。

Giffin等［2］推導(dǎo)出計算偶然符合事件的概率表達(dá)式。每個通道都會有偶然符合事件發(fā)生，其修正根據(jù)總計數(shù)率和每個通道的開門時間。為了測定220Rn或219Rn的真計數(shù)率，需將偶然符合事件從測量到的計數(shù)率中扣除，偶然符合事件計數(shù)率y的計算公式如下：

式中：nb為符合前總計數(shù)率；na為符合后計數(shù)率。具體計算各通道偶然符合計數(shù)率時，只需代入相應(yīng)的開門時間和計數(shù)率即可。

從式（1）可看出，各通道偶然符合計數(shù)率隨總計數(shù)率和開門時間的增加而增加，220Rn通道開門時間較長，更易受隨機(jī)脈沖的影響，因此延遲符合法不適合測量高活度氡同位素。測量高活度氡時，可用一定比例的潔凈氣體（不含氡且不產(chǎn)生α粒子）將其稀釋后再測量。

圖1 軟件延遲符合法原理圖Fig.1 Software delayed coincidence flow

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

延遲符合測量系統(tǒng)以達(dá)盛公司的EL－ARM－830實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為開發(fā)平臺，S3C2410（ARM9）核心板為控制中心。S3C2410是Samsung公司推出的16／32位RISC處理器，基于ARM9TDMI內(nèi)核，最高工作頻率202.8MHz，24個外部中斷源，4個16位定時器，片上集成了32M的FLASH和64M的SDRAM，為用戶的軟件研發(fā)提供了足夠的空間。核心板具有體積小、功耗低、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［8］。

探測器輸出信號經(jīng)放大整形為矩形脈沖序列后，送入S3C2410外中斷引腳，并由核心板記錄脈沖序列的上升沿及下降沿時間信息。根據(jù)氡子體215Po和216Po具有不同的半衰期，通過在分析軟件中設(shè)置不同的符合時間來達(dá)到分辨測 量219Rn 和220Rn 的 目 的。該 系 統(tǒng) 采 用UCGUI圖形用戶界面模塊設(shè)計，結(jié)果通過LCD顯示，具有良好的人機(jī)交互界面。同時數(shù)據(jù)能通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)一步分析處理。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware chart of system

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

延遲符合測量軟件［8－10］主要包括 uC／OS－Ⅱ操作系統(tǒng)及運(yùn)行其上的符合分析軟件。符合分析軟件主要由定時時間設(shè)置程序、核脈沖采集程序、延遲符合測量程序、脈沖寬度及間隔計算程序、測量結(jié)果查詢程序、UCGUI圖形用戶界面等組成。

該系統(tǒng)除了能實(shí)時顯示符合測量結(jié)果外，還能在線查詢測量結(jié)果，并設(shè)置了清除查詢標(biāo)志鍵。在多次查詢后，能返回第1次測量結(jié)果重新查詢。

2.2.1 定時時間設(shè)置 本設(shè)計利用定時器Time0產(chǎn)生定時時鐘，程序開始測量即啟動該定時器計時。S3C2410有5個16位定時器，定時器工作頻率PCLK＝50.7MHz，每個定時器有1個時鐘分割器TCFG0（2，4，8，16）和1個8位預(yù)定標(biāo)器TCFG1（0～255），根據(jù)TCFG0和TCFG1中的數(shù)值分割PCLK。定時時鐘頻率為PCLK／（（TCFG1＋1）＊TCFG0）。設(shè)置TCFG0＝2，TCFG1＝0，根 據(jù) PCLK／（（TCFG1＋1）＊TCFG0）計算定時時鐘頻率為25.35MHz（最大定時時鐘頻率）。 設(shè) 置TCNTB0＝63357，TCMPB0＝0，定時器中斷1次時間為63357／25.35MHz＝25ms。在定時器中斷服務(wù)程序中遞減定時器計數(shù)timecount，當(dāng)其遞減到0時結(jié)束定時。如需定時1s，則設(shè)置timecount＝400，定時器經(jīng)400次重載后停止，總定時時間為25ms＊400＝1s。其余定時時間依次類推。

2.2.2 脈沖采集 放大整形電路輸出脈沖序列，送入S3C2410微處理器F口的第0和第3外中斷引腳，分別設(shè)置上升沿及下降沿觸發(fā)產(chǎn)生中斷。在外中斷服務(wù)程序中，記錄定時時間。當(dāng)定時器計數(shù)timecount遞減到0時，在定時器中斷服務(wù)程序中關(guān)閉外中斷0和外中斷3及定時器，完成此次脈沖采集。

2.2.3 脈沖符合計數(shù) 本工作提出的軟件延遲符合法的思路是先記錄脈沖序列的時序信息，然后用軟件方式實(shí)現(xiàn)延遲時間控制，根據(jù)上述延遲符合分辨測量氡同位素原理對脈沖到達(dá)的時刻進(jìn)行分析，滿足符合時序即可得到每個通道1個符合計數(shù)，依次遞推。軟件延遲符合測量程序設(shè)計流程如圖3所示。分別存儲單次符合計數(shù)和總符合計數(shù)，符合測量結(jié)束后，將總符合計數(shù)sum除以定時時間得到符合計數(shù)率。將總計數(shù)率減去220Rn通道和219Rn通道計數(shù)率即可得到222Rn計數(shù)。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 測量方法

以 EL－ARM－830實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、FD－125室內(nèi)氡釷分析器、放大整形電路構(gòu)建延遲符合測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖3 軟件延遲符合測量程序設(shè)計流程圖Fig.3 Flow of software delayed coincidence counting

利用延遲符合測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量219Rn源（活度A 約為8Bq）和220Rn源（活度A 約為15Bq）。采用流氣閃爍室。由于所用219Rn源和220Rn源的活度較實(shí)際樣品大得多，所以在源與閃爍室之間接一級緩沖容器，使219Rn和220Rn的活度因衰變而降低，從而減少單位時間閃爍室內(nèi)219Rn和220Rn的衰變數(shù)。

3.2 計算公式

1）閃爍室內(nèi)219Rn或220Rn衰變率標(biāo)稱值計算公式

閃爍室內(nèi)219Rn或220Rn衰變率標(biāo)稱值計算公式［7］如下：

其中：D為衰變率標(biāo)稱值；A為源活度；f1為氡原子流經(jīng)樣品到閃爍室之間的存活因子（圖4中的1至2）；f2為氡原子流經(jīng)閃爍室的衰變因子（圖4中的2至3），且，式中，V1為從源表面1到閃爍室入口2的體積，V2為閃爍室容積，λ為219Rn或220Rn的衰變常量，ω為空氣采樣泵流率（L／min）。

2）符合通道效率計算公式

符合通道效率f包括兩個方面：（1）閃爍室探測效率fD；（2）氡子體釙在開門時間內(nèi)衰變概率fE。閃爍室探測單個粒子效率為fD，則探測Rn－Po粒子對效率為。因此，有：

219Rn通道開門時間5.6ms，則fE219＝1－＝0.8842。220Rn通道開門時間600ms，則fE220＝1－＝0.9374。

閃爍室探測效率fD約為0.86（閃爍室標(biāo)定常數(shù)K為每分1個計數(shù)對應(yīng)的氡濃度，單位為Bq·m－3min－1，實(shí)驗(yàn)所用的閃爍室標(biāo)定常數(shù)K 約為13Bq·m－3min－1）。根據(jù)式（3）計算219Rn通道效率理論值f219＝0.654，220Rn通道效率理論值f220＝0.693。

3.3 閃爍室內(nèi)220 Rn和219 Rn衰變率測量值與標(biāo)稱值比較

閃爍室內(nèi)220Rn和219Rn衰變率測量值與標(biāo)稱值列于表1。219Rn和220Rn衰變率測量值＝凈計數(shù)率／f。

從表1可見，閃爍室內(nèi)220Rn衰變率測量值與標(biāo)稱值接近，兩者的相對偏差在2.0%以內(nèi)；219Rn衰變率測量值較標(biāo)稱值偏差較大，但不同流率時，此偏大程度相近，約為20.0%，這說明測量值的精密度較好，主要偏差來源是219Rn源活度不準(zhǔn)確。

圖4 延遲符合測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Experiment system of delayed coincidence counting

表1 220 Rn和219 Rn衰變率測量值與標(biāo)稱值Table 1 Comparison between measurement values and theoretical values of 220 Rn and 219 Rn decay rate

由上述分析可知，該軟件延遲符合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能在環(huán)境水平222Rn的背景下分辨測量較低水平220Rn和219Rn源。

4 結(jié)論

軟件延遲符合測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能測量低水平219Rn和220Rn，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對220Rn源測量的相對偏差在2%以內(nèi)。軟件延遲符合法相比于傳統(tǒng)的硬件符合系統(tǒng)有一定的優(yōu)越性，如它能對脈沖數(shù)據(jù)用符合、反符合等多種方法進(jìn)行處理，簡化了電路結(jié)構(gòu)，延遲時間調(diào)整方便且精度高，功能靈活，有更好的抗干擾力，因而是一種靈活的核脈沖處理技術(shù)。

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