放射性活度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刁 庶,王 君,2,凌振寶,2

(1.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長春 130026；2.吉林大學(xué) 地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130026)

放射性污染[1]會(huì)影響人們的身體健康,隨著人們生活水平的提高及對(duì)健康的日益關(guān)注,環(huán)境中的放射性問題[2]已引起人們廣泛關(guān)注.傳統(tǒng)放射性檢測(cè)儀的脈沖檢測(cè)系統(tǒng)多數(shù)以大量的模擬器件為主構(gòu)成,儀器成本較高,且當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)易產(chǎn)生漂移,使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差.目前,國內(nèi)的放射性檢測(cè)儀采用數(shù)字電路,雖比傳統(tǒng)放射性檢測(cè)儀更先進(jìn),但都存在著成本高、 體積大、 功耗大和操作復(fù)雜等問題,不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的便攜式要求.本文基于放射性檢測(cè)儀的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心,計(jì)算機(jī)為輔助設(shè)備的高精度、 多道便攜式放射性檢測(cè)儀.該檢測(cè)儀主要對(duì)γ射線采用能譜分析的方法[3],利用放射性脈沖檢測(cè)電路和刻度出的能量與道數(shù)的關(guān)系進(jìn)行放射性所對(duì)應(yīng)元素的活度計(jì)算,利用Visual Basic完成上位機(jī)軟件開發(fā),實(shí)現(xiàn)放射性元素含量的計(jì)算.

1 活度檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

圖1 活度檢測(cè)框圖Fig.1 Diagram of activity detection

通過已刻度好的γ射線能量和全能峰峰位[4]所在道數(shù)間的關(guān)系,利用Visual Basic 6.0軟件進(jìn)行上位機(jī)程序編寫,進(jìn)行基底扣除和全能峰凈面積計(jì)算.由活度已知的標(biāo)準(zhǔn)放射性元素,借助上位機(jī)軟件計(jì)算一系列離散能量與效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系點(diǎn),在最小二乘擬合算法[5]下,建立一條γ射線全能峰效率隨能量變化的效率曲線,完成效率刻度軟件界面.然后按γ能譜中γ射線全能峰對(duì)應(yīng)的能量計(jì)算出相應(yīng)的γ射線全能峰凈面積計(jì)數(shù)率及由效率曲線內(nèi)插得到該能量的全能峰效率[6]， 查找已在上位機(jī)軟件幫助一欄中建立的常用γ射線發(fā)射幾率對(duì)照表.當(dāng)以上參數(shù)全部已知時(shí),便可得到被測(cè)核素的活度.活度檢測(cè)框圖如圖1所示.

2 穩(wěn)譜方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)系統(tǒng)電路的研究建立合適的穩(wěn)譜算法[7],先利用MSP430單片機(jī)控制調(diào)理電路的信號(hào)放大參數(shù),補(bǔ)償特征峰信號(hào)的脈沖幅度變化,再通過硬件電路和軟件算法調(diào)節(jié)特征峰位所在道數(shù)的增加或減少,降低譜漂程度[8].整個(gè)系統(tǒng)盡量做到干擾降到最小,從而達(dá)到穩(wěn)譜的目的， 穩(wěn)譜設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示.

圖2 穩(wěn)譜設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 Diagram of the design principle of stable spectrum

3 穩(wěn)譜電路硬件設(shè)計(jì)

圖3 穩(wěn)譜調(diào)節(jié)硬件電路Fig.3 Hardware circuit of stable spectrum regulation

4 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩節(jié)12 V,1.3 Ah電池組合成±12 V電壓為電路供電,采用三端穩(wěn)壓器LM7809，LM7909，LM7805，LM7905提供+9，-9，+5，-5 V的電壓,最大能提供1.5 A的輸出電流,因此功率滿足一般的電路.在三端穩(wěn)壓器的輸入和輸出端并聯(lián)適量的濾波電容,濾除高頻干擾,以提供穩(wěn)定、 紋波小的電源[10].電路設(shè)計(jì)如圖4所示.考慮到數(shù)字部分均采用+3.3 V的工作電壓,因此需將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V， 為單片機(jī)及液晶等數(shù)字部分提供工作電源[11].采用AMS1117為電路實(shí)現(xiàn)+5 V和+3.3 V之間的電壓轉(zhuǎn)換.

圖4 ±5，±9 V電源的設(shè)計(jì)Fig.4 Design of ±5，±9 V power supply

5 檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,需采用上位機(jī)進(jìn)行更快、 更準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)處理[12-13]， 系統(tǒng)的軟件總體框圖如圖5所示.先利用Visual Basic 6.0軟件中的控件及繪圖函數(shù)等功能完成上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)， 再利用最小二乘擬合法和活度計(jì)算原理,通過對(duì)數(shù)據(jù)譜的基底扣除和全能峰凈面積計(jì)算獲得被檢測(cè)物質(zhì)的放射性活度值.軟件流程如圖6所示.

圖5 上位機(jī)軟件總體框圖Fig.5 Overall diagram of PC software

圖6 系統(tǒng)軟件流程Fig.6 Flowchart of system software

6 穩(wěn)譜軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的主要功能包括實(shí)現(xiàn)峰值采樣,能譜數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、 預(yù)處理及通過串口向上位機(jī)的傳送,實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面等,程序流程如圖7所示.系統(tǒng)上電復(fù)位后,先進(jìn)行校正,然后啟動(dòng)AD進(jìn)行峰值采樣,并存儲(chǔ)數(shù)據(jù).求出最大峰值后判斷是否為期望值,如果是,直接進(jìn)行flash存儲(chǔ),否則通過調(diào)整數(shù)字電位器校正后進(jìn)行flash存儲(chǔ).

7 結(jié)果分析

圖7 程序流程Fig.7 Flowchart of program

7.1 活度相對(duì)誤差 重復(fù)精度：利用放射性點(diǎn)源進(jìn)行效率刻度,在24 h內(nèi),用60 s對(duì)同一樣品重復(fù)測(cè)量2次進(jìn)行活度計(jì)算.測(cè)試結(jié)果列于表1.

表1 24 h內(nèi)測(cè)量同一核素活度的重復(fù)精度Table 1 Repeated accuracy of measuring the same nuclide activity within 24 h

由表1可見,兩次核素的活度測(cè)量相對(duì)誤差為5.76%.

7.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性 在不同溫度(-5～+40 ℃)、 不同時(shí)間內(nèi)測(cè)試137Cs和60Co的峰位漂移,測(cè)試結(jié)果列于表2.

表2 峰位譜漂數(shù)據(jù)Table 2 Data of peak shift

由表2可見,儀器的譜漂為±2道,具有較好的穩(wěn)定性,滿足在溫度范圍內(nèi)的要求.

7.3 核素活度測(cè)量的不確定性 測(cè)量同一標(biāo)準(zhǔn)放射源60，100 s時(shí),測(cè)量總不確定度列于表3.由表3可見， 核素活度的不確定度小于20%.

基于系統(tǒng)的誤差來源,用最小二乘曲線擬合方法進(jìn)行效率刻度,減小了統(tǒng)計(jì)漲落誤差,保持了效率曲線的原有特征.系統(tǒng)通過采用全峰面積法使本底扣除精度得到提高,同時(shí)降低了全能峰凈面積的誤差,以此作為提高處理能譜數(shù)據(jù)精度的方法,并使用穩(wěn)譜技術(shù)對(duì)電路的穩(wěn)定性進(jìn)行穩(wěn)譜,保證了系統(tǒng)的測(cè)量精度.

表3 測(cè)量總不確定度Table 3 Total uncertainty of measuring

綜上所述， 本文基于檢測(cè)電路能量刻度與道數(shù)的關(guān)系和特征穩(wěn)譜法， 設(shè)計(jì)了一種放射性活度檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)包含活度檢測(cè)模塊和穩(wěn)譜電路模塊.實(shí)時(shí)測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)操作方便、 功耗低、 性能穩(wěn)定、 測(cè)試誤差小,適于現(xiàn)場(chǎng)放射性元素的檢測(cè).

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