基于MATLAB的γ能譜數據獲取與處理研究

陳鑫棟，顏擁軍,*，朱 皓，李廣鋒

(1.南華大學核科學技術學院，湖南 衡陽 421001；2.嶺澳核電有限公司，廣東 深圳 518031)

經典的多道能譜分析儀能夠確定待測樣品中各種具有γ輻射的放射性核素的種類及其強度[1]，是核輻射探測領域一種重要的測量方法，但是這種分析儀體積比較大、較為笨重，而且不能同時進行多通道的能譜測量。

本文嘗試用凌華提供的PCI—9812高速數據采集卡與MATLAB軟件相結合來進行能譜測量，以期望能克服傳統多道分析儀的這些不足之處。PCI—9812高速數據采集卡有12位高精度AD轉換器，而且采樣率可達20 MHz;有4個通道可以同時采集數據，因此有可能構成并行工作的4臺多道能譜分析儀，而且這種卡比較小巧、通用，所以體積上占有優勢。

1 系統組成

本系統由γ能譜數據獲取硬件與γ能譜數據獲取處理軟件組成。研究思路如下：選用溴化鑭(LaBr3)探測器對放射源進行探測，對探測到的核信號進行放大、濾波、硬件尋峰等預處理之后，觸發高速數據采集卡對核信號峰值進行采樣，將采樣好的數字核信號導入MATLAB軟件，并運用數據采集卡基于MATLAB的DAQ工具箱編寫程序界面來對核信號峰值進行處理形成能譜，隨后對能譜進行平滑、核素識別等數據分析。該思路充分利用MATLAB強大的數據處理和GUI功能[2]，靈活方便，在用戶界面看到實時變化的分析結果,系統框圖如圖1所示。

圖1 γ能譜數據采集系統示意框圖Fig.1 Schematic block diagram of nuclear energyspectrum data acquisition system

2 模擬信號處理電路

電荷靈敏前放輸出的信號通常是時間常數較大的指數衰減信號，在計數較大時容易產生堆積和基線漂移[3]，因此需要利用極-零相消來消除信號尾部的下沖來改善波形[4]，本文所設計極零相消電路原理圖如圖2所示。經過極—零相消電路使探測器輸出的波形從圖2(a)中所示波形，調整為圖2(b)所示波形，達到極—零相消目的。

圖2 極—零相消電路Fig.2 Pole—zero cancellation circuit

圖2中R2遠遠大于R1，這樣流過R1的電流就遠遠大于流過R2的電流。其中VB=aVi，a是分壓系數，

可以得出輸出電壓：

(1)

傳遞函數：

(2)

經過極零相消后的脈沖峰值持續時間短，信噪比不高，對于波形來說，當其為無限寬尖頂脈沖時，可以達到最佳信噪比，如圖中3(a)中所示，但在現實中無法實現。通常采用有源積分濾波電路來實現放大整形的功能，將脈沖整形為高斯型或準高斯型(具有無限寬的脈沖，其頂部也保持一定寬度)如圖3(b)中所示，來提高信噪比和能量分辨率。為達到此目的所設計的積分濾波電路如圖3(C)所示。

圖3 積分濾波電路Fig.3 Integral filter circuit

其中的運放為同向放大器，電路的電壓增益

(3)

根據KCL方法可以得到該電路的傳遞函數為：

H(S)=

(4)

品質因素為：

(5)

經過放大整形后的信號，峰值寬度較窄，需要進行峰值展寬處理來滿足后續對核信號的要求。圖4為峰值檢測保持電路。U64與U59構成峰值保持電路的主體，當有脈沖輸入時，核脈沖經過U64向保持電容C62充電，脈沖過后，由于二極管的反向電阻和U59的輸入電阻都很大，所以電容上基本沒有放電，可近似認為保持電容回路保持了峰值電壓，窄脈沖就會被展寬。經過多次實驗，C62取1 000的電解電容，D6、D7采用漏電流小、反相恢復時間短的開關二極管。

U52組成低閾值檢測電路的重要部分，當有閾值之內的信號輸入時，U52輸出一正脈沖，與經U55峰值檢測輸出的高電平經過U50A、U50B與非運算得到正脈沖，隨后與由U47、U53A構成的閾值甄別電路Q非端輸出的甄別信號進行與非運算，送入U53B、U56A，用來觸發單穩態觸發器產生一寬度確定的負脈沖作為觸發信號輸入高速數據采集卡，與此同時模擬開關U57D打開，對電容進行放電，這樣就對脈沖完成了一次峰值擴展。此電路的意義在于在峰值保持的同時產生一個同步上升沿觸發信號，用以觸發高速數據采集卡對處理后的核峰值信號進行數據采集。

3 數據采集卡

本系統中選取的PCI-9812具有高速多通道多種觸發方式等特點，可適用于各種采集頻率要求較高的數據采集用途。基于32位的PCI總線；12位高精度AD轉換器；4個通道可以同時采集數據；板內32 K字FIFO緩沖器；采樣頻率可達到20 MHz。

該卡具有軟件觸發、外部模擬觸發(正斜率觸發和負斜率沿觸發)、外部數字觸發(上升沿觸發和下降沿觸發)幾種觸發源[5]。其中模擬輸入通道CH0、CH1、CH2和CH3上的信號都可作為外部模擬觸發的觸發信號，本系統的模擬輸入采用的是單通道采集，選用CHO通道，外部數字上升沿觸發用到的引腳為JP1中的3號引腳、4號引腳。

而且PCI-9812而且有豐富的驅動程序；支持各種軟件開發平臺，如VC/C++、VB、

Borland、Matlab等，可以和MATLAB很好的結合。而且這種卡比較小巧、通用，體積上占有很大優勢，多通道同時工作，可構成多通道的能譜測量系統。

圖4 峰值檢測保持電路Fig.4 Peak detection and hold circuit

4 軟件平臺

4.1 MATLAB GUI數據采集界面的設計

采用MATLAB 中的DAQ工具箱，安裝之后就可以依據MATLAB DAQ Toolbox的標準來操作高速數據采集卡。數據采集工具箱由三部分組成：M文件格式的函數、數據采集引擎和硬件驅動[6]，這些組成部分使得MATLAB與數據采集硬件之間的信息傳遞成為可能。

當數據傳輸至數據采集卡后，就需要運用MATLAB來控制數據采集卡，進而進行數據處理分析，本裝置中采用MATLAB的gui功能，也就是圖形用戶界面，由窗口、菜單、圖標、光標、按鍵、對話框和文本等各種圖形對象組成的用戶界面，使用鼠標或按鍵選擇，激活這些對象或按鈕，觸發MATLAB中相應的代碼，來控制數據采集卡進行工作[7]。從而很方便的實現數據處理的功能。基于MATLAB平臺所設計的采集程序主流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4.2 處理軟件設計

數據采集卡獲取每個核脈沖的峰值后，應用軟件將峰值轉化為對應的道址，將不同峰值的計數轉化為相應道址的計數，可以繪制出橫坐標為道址、縱坐標為計數值的幅度譜圖。由于最終我們需要的是能譜圖，這里我們還需對幅度譜中的道址進行能量標定，將不同道址對應到入射射線的不同能量，最終繪制出橫坐標為能量值、縱坐標為計數值的能譜圖。

圖7為本系統所設計的處理軟件結構。測量前，設置好參數。在測量結束后，進行自動解譜，顯示峰位，通過核素庫對比識別核素，同時計算活度，與峰面積。所設計界面有5個功能模塊，每個模塊有相應的子選項對話框，因此具有友好的人機交互界面，提升了數據采集與處理分析的可操作性。

圖6 軟件結構框圖Fig.6 Software structure block diagram

5 測量實驗

系統設置觸發類型為外部觸發，觸發方式為上升沿觸發，在裝置組件完成后，在MATLAB中設置采樣頻率為20 M，設置采樣長度為8。在溫度0～35 ℃、相對濕度80%以下、環境劑量率：≤0.18 μSv/h的環境下對該裝置分別進行了探測器能量刻度線性實驗、能量分辨率測量實驗、能譜測量實驗。

5.1 探測器能量刻度線性實驗

分別對137Cs和152Eu 源進行測量，并記錄其特征峰能量和道址(見表1)。

表1 LaBr3(Ce) 探測器能量刻度表Table 1 LaBr3 (Ce) detector energy scale

能量刻度函數為：E=AX+B，其中E為γ射線的能量；X為相應的道址。根據表1數據，利用最小二乘法求出A、B的值。得出刻度函數為：

E=1.084X+4.762

(6)

線性關系如圖7所示。

圖7 線性關系圖Fig.7 Linear relationship

由上圖可以看出，溴化瀾探測器的能量線性較好。

5.2 能量分辨率測量實驗

將137CS源放置于LaBr3探測器的正前方，單獨測量137CS源50次，記錄其產生的662 keV能譜的數據，隨機選取其中五組數據進行計算，取其全能峰半高寬所對應的道數與全能峰所對應的多道道址數之比就得到能量分辨率。測量數據如表2所示。

表2 LaBr3(Ce) 探測器對137Cs (662 keV )γ射線能量分辨率Table 2 Energy resolution of 137Cs (662keV)gamma ray by LaBr3 (Ce) detector

可以看出LaBr3(Ce) 探測器對137Cs(662 keV)能量分辨率平均結果為3.47%，與廠家給出值3.12%相差較小。

5.3 能譜測量實驗

采取活度較小的低放射性活度源，實驗時放入鉛室中。首先用LaBr3(Ce)放入鉛室中測量本底，如圖8所示，可以看出本底中138La(1 348 keV)的峰位。接著用LaBr3(Ce)探測器單獨測量137Cs放射源半個小時，得到的能譜如圖9所示。然后在鉛室內用LaBr3(Ce)探測器單獨測量152Eu放射源半個小時，得到的能譜如圖10所示。最后在鉛室內用LaBr3(Ce)探測器對混合源(137Cs放射源、152Eu放射源)連續測量半個小時，得到能譜如圖11所示。

圖8 本底γ能譜圖Fig.8 g.spectrum ofbackground

圖9 137Cs的γ能譜Fig.9 Gamma spectrum of 137Cs

圖10 152Eu的γ能譜Fig.10 Gamma spectrum of 152Eu

圖11 混合源的γ能譜Fig.11 Gammaspectrum of mixed sources

從圖11可以明顯看出混合γ能譜圖上的若干個能峰，從第一個能峰開始依次對應的能量為：

152Eu——244.69 keV、152Eu——344.27 keV、

137Cs——661.657 keV、152Eu——778.903 keV、

152Eu——867.388 keV、152Eu——964.131 keV、

152Eu——1112.116 keV、152Eu——1408.011 keV。

通過最終能譜測量實驗，證明該系統已達到預期要求，測量系統信號輸入范圍0.02～5 V，測量核素能量范圍0.5～2.5 MeV。可適用于多核素γ能譜數據獲取與處理研究中。

6 結論

本文基于MATLAB和高速數據采集卡構建了γ能譜數據獲取系統，完成了γ能譜數據獲取與處理總界面的設計，并對多種核素進行刻度和混合能譜測量實驗。界面簡潔，易于操作，相關實驗數據與相關核素的衰變綱圖相吻合，能量線性度和分辨率滿足設計要求，簡化了數據處理分析，裝置穩定可靠，監測效果均良好。