基于LABVIEW的虛擬絕對測220Rn儀研制

趙平華

(湖南人文科技學院 物理與信息工程系，湖南 婁底 417000)

222Rn /220Rn是地球上無處不在的放射性氣體，222Rn /220Rn子體是放射性氣溶膠，吸入人體產生的輻照可誘發肺癌。因此，222Rn /220Rn問題的研究一直是輻射防護和環境保護的重要課題。222Rn/220Rn的準確測量是研究222Rn/220Rn問題的前提，包括測量方法、儀器及刻度等。由于222Rn的研究起步早，222Rn的準確測量日趨成熟。但是對220Rn的問題的研究還不夠深入，原因是無標準釷射氣(220Rn)源，220Rn的半衰期比較短，難以導出其探測效率，難以建立起釷的標準探測裝置。

因此研制出220Rn的絕對測量方法及裝置，建立220Rn的計量標準裝置和量值傳遞系統，解決220Rn的計量問題有著重要的意義。

目前南華大學自然科學基金項目組已經驗證了一種用小閃爍室實現流氣式絕對測量220Rn的方法。通過減小閃爍室內部任意兩點間的距離和內表面全部涂上ZnS(Ag)來提高粒子的利用效率，使其對220Rn及其子體的探測效率接近100%；通過改變閃爍室的結構，使其內部沒有大的死角和拐點，保證在一定流率下使流過的氣流符合層流狀態，從而滿足流氣式測220Rn的要求。該探測儀已經制作完成，并且在南華大學氡實驗室通過實驗驗證達到預期的效果。但是該流氣式絕對測量220Rn裝置的使用方面采用的是傳統的插件機箱式，存在著容易受到環境的影響和不便于攜帶的缺點，因此，需要設計出一種值得推廣的，廉價的、虛擬的絕對測220Rn儀，這正是本課題的出發點。

本文采用Labview開發設計虛擬絕對測220Rn儀。與傳統的測量儀器相比，測量時僅需攜帶探測器和筆記本電腦即可，突破了傳統測量儀器受時間、地點的限制的缺點，大大減小設備資金的投入，降低成本節省經費，充分發揮現有儀器的作用，提高使用效率。

一 虛擬儀器的概念及其在核領域中應用的優勢分析

虛擬儀器的概念由美國國家儀器公司NI最先提出的，其核心思想是“軟件即是儀器”。虛擬儀器以通用計算機和配備標準數字接口的測量儀器為基礎，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件和測量儀器等硬件資源與計算機軟件資源有機的結合起來。近幾年來，虛擬儀器技術發展非常迅速，虛擬儀器系統及圖形編程語言(LabVIEW)已成為許多高校理工科學生的一門必修課。

二 虛擬絕對測220Rn儀的設計

(一)設計方案

釷射氣通過小閃爍室探測器、前置放大器、主放大器、通過數據采集卡采集數據，通過利用LabVIEW設計定標器(計數器)、計數與220Rn濃度轉換，最后制作虛擬絕對測220Rn儀控制面板。

圖1 虛擬絕對測220Rn儀設計方框圖

本設計采用的數據采集卡(DAQ)是NI公司提供的，型號為PCI-6221，板卡為CB-68LP，它是完全的數據采集硬件，這類板卡具有12位的模數轉換，8條TTL數字I/O線，兩個24位的計數器，最高采樣率為833ks/s,能夠滿足實驗要求。利用LabVIEW軟件完成的是，設計一個單道—定標器(計數器)、計數與220Rn濃度轉換，最后設計虛擬絕對測220Rn儀控制面板。

(二)單道—定標器的設計

定標器是最早使用的一種核輻射測量儀器，一般都有自動操作和自動控制等功能，能夠精確記錄任意選定時間內的脈沖計數，可直接顯示或輸出測量結果。定標器的輸入部分通常有倒相、緩沖器和脈沖幅度甄別器，它的作用是把輸入脈沖成形為適合于能觸發計數電路的脈沖，并剔除小的干擾信號和噪聲脈沖。而核輻射探測器輸出的脈沖信號數目與被探測的輻射強度成正比，直接記錄單位時間內的脈沖數目可以測量核輻射強度。定標器又稱計數器，用來記錄一定時間間隔內的輸入脈沖數目。

1. 虛擬定標器的設計與調試

虛擬定標器總體設計框圖如圖2 所示。脈沖信號由DAQ卡模擬信號輸入端輸入, 在DAQ 卡上完成采樣、量化與編碼, 并采用DMA 的方式送到指定的內存緩沖區。緩沖區采用環形緩沖區結構, 在虛擬定標器軟件對原始的采樣數據進行實時處理的同時,不間斷采樣, 采樣率最高為100k/s。

圖2 虛擬定標器總體設計框圖

2. 虛擬定標器的前面板設計

打開前面板窗口，利用LabVIEW中的控制模板,分別在設計面板上放入模擬實際定標器控鍵的單道選擇控件、道寬類型選擇控件、定時開關控件、啟動復位開關、電源指示器等，放在前面板適當位置。前面板設計如圖3。

圖3 虛擬單道定標器前面板

3. 虛擬定標器的程序框圖設計

對于虛擬單道定標器而言,它的主要功能就是記錄一定時間間隔內的輸入脈沖數目，在流程圖設計中,選用了一個計數子程序、一個計時子程序、幾個比較函數一個順序結構和一個While循環。程序框圖設計如圖4。

圖4 單道定標器的程序框圖

三 虛擬絕對測220Rn儀的設計

(一) 220Rn的測量原理

釷射氣進入閃爍室后，釷及其子體發射的а粒子使閃爍室壁的ZnS(Ag)產生光，光電倍增管把這種光訊號變成電脈沖，經過電子學線路把電脈沖放大，最后記錄下來。單時間內的脈沖數(脈沖計數率)與220Rn的濃度成正比，從而可確定220Rn的濃度。

設球形閃爍室每分鐘凈計數率為CPM1,小閃爍室每分鐘凈計數率為CPM2，則被測氡濃度為：

C=K×CPM1(Bq/m3)

(1)

K:球形閃爍室的刻度系數

可得小閃爍室的探測效率ε為：

(2)

V:小閃爍室的體積(ml); 3：平衡時每次衰變放出3個α粒子

(二) 測氡的程序設計

圖5 虛擬絕對測氡儀的前面板

本程序是在虛擬單道定標器的程序基礎上設計的，由虛擬單道定標器可以記錄給定時間的計數，通過除法器，可以得到單位時間的計數率，通過乘法器可以得到每分鐘的計數率，由上表給定的氡的刻度系數的理論值，根據測氡儀的理論公式對數據進行處理，最后在前面板的顯示端口實現實時的氡的濃度的顯示。并設計了報警指示器。當氡濃度超過最大允許值，過載指示燈亮。前面板如圖5，程序框圖如圖6。

圖6 虛擬絕對測氡儀的程序框圖

本文圍繞虛擬絕對測氡儀的研制進行了分析，設計一個單道定標器(計數率計)，根據計數率與220Rn濃度的轉換公式，最后設計了虛擬絕對測220Rn儀。通過對標準信號的測試，達到了預期的目標，并有較高的可靠性。