基于LabⅤIEW 的虛擬γ譜儀設計＊

覃國秀，潘靚亮，關百堯，李凡

（沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136）

γ能譜分析在核技術應用領域應用廣泛，尤其在核能應用、環境輻射監測、核輻射防護、核素分析以及在礦物勘察中都發揮著十分重要的作用[1-3]。常用的γ譜儀一般是由核輻射探測器、多道脈沖幅度分析器和γ譜分析軟件系統組成[4]。因此，目前γ譜儀產品基本上都是采用獨立的多道脈沖幅度分析器，其造價昂貴，且缺乏靈活性和可擴充性。

虛擬儀器是一種以計算機為硬件平臺的儀器系統，用戶可根據自己的需要進行設計，在相關軟件上實現與傳統儀器一致的功能，且設計的軟件具有與傳統儀器相似的面板。在對虛擬儀器進行測試的時候，只需在計算機上對儀器面板進行調節即可得到測試的結果。此外，虛擬儀器還可利用計算機的擴展功能，通過I/O 接口設備將模擬信號采集到計算機上進行處理和分析。虛擬儀器已在許多領域得到廣泛應用，其功能多樣、界面友好、操作簡便，可與許多設備集成。虛擬儀器的關鍵是軟件，目前最常用的虛擬儀器開發軟件是LabⅤIEW。LabⅤIEW 是美國國家儀器公司（NI）在1986 年推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發環境，是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖像化開發集成環境[5-6]。基于LabⅤIEW 的虛擬儀器開發技術，通過數據采集卡將常規儀器與計算機軟件相結合，使常規儀器的性能得到大幅度的提高[7]。為了提高γ譜儀系統的互用性、靈活性和最大限度地降低成本，本文基于虛擬儀器技術開發了一套虛擬γ譜儀系統，采用LabⅤIEW 軟件實現了γ譜的平滑、尋峰和峰面積計算等功能。

1 總體設計

目前，虛擬儀器的硬件平臺一般由計算機和相應的I/O 接口設備組成，虛擬儀器常用的I/O 接口設備很多，根據總線類型可分為5 種：PC-DAQ 系統、GPIB系統、ⅤXI 系統、PXI 系統和串口系統。其中應用最廣泛的是PC-DAQ/PCI 系統，該系統將數據采集卡插入計算機的插槽，其構成簡單、價格便宜，常用于各種工業測控現場、高校實驗室及科研機構。該虛擬γ譜儀的設計思路是利用高速數據采集卡將探測器輸出的模擬信號轉換為數字信號，然后通過計算機編寫的軟件完成相應的γ譜分析，其結構框圖如圖1 所示。

圖1 虛擬γ譜儀結構框圖

探測器的作用是將輻射源衰變放出的射線轉換成信號，該虛擬γ譜儀的探測器部分采用NaI（Tl）閃爍體。探測器探測到核輻射信號后，使用線性放大器對其進行初步放大再傳送到數據采集卡上。數據采集卡將采集到的核輻射信號，經過A/D 轉換，轉換為數字信號，然后即可在計算機上對這些信號進行處理。

2 軟件設計及測試

γ譜分析的主要作用是，通過測量給出樣品中放射性核素的種類和含量信息。由于γ射線在探測器中沉積能量有多種方式，使得γ譜較復雜。使用LabⅤIEW 設計的虛擬γ譜儀應是一個集數據采集、處理和文件的讀寫為一體的完整的應用程序。

2.1 數據采集

數據采集技術是LabⅤIEW 的核心技術，該技術通過數據采集卡從核輻射探測器獲得核信號。在使用LabⅤIEW 進行虛擬儀器設計時，需在計算機PCI 插槽上安裝好數據采集卡，然后再安裝數據采集卡的驅動程序，并進行必要的配置。在完成數據采集卡的安裝之后，使用LabⅤIEW 設計了數據采集的程序，并對該程序進行調試，以確保能夠將核信號完整地采集到計算機上。

2.2 能譜分析

設計的虛擬γ譜儀能譜分析部分包括能譜刻度模塊、能譜平滑模塊、尋峰信息模塊、峰面積計算模塊以及核素識別模塊，其前面板如圖2 所示。圖2 中，通過文件讀取模式獲取了某個樣品的γ譜，并對該γ譜進行了分析，給出了分析結果。

圖2 虛擬γ譜儀的前面板

2.2.1 能量刻度

γ能譜分析屬于相對測量，在得到能譜數據之前需要使用標準源來獲取能量與道址的關系，這就是所謂的能量刻度。能量刻度的作用主要有2 方面：①根據未知樣品中核素峰位與標準源相應γ射線峰位對比，明確所測量的核素種類；②由能量刻度結果評價γ能譜儀系統的線性優劣。在能譜分析測量過程中，能量刻度的功能是求出γ射線能量與譜儀道址的函數關系，通過該函數可明確測量得到γ譜中譜峰的能量與峰位道址的關系。完成能量刻度之后，通過尋峰即可準確找出各個峰所對應的能量，然后根據該能量就可知道該峰對應的核素，從而完成核素識別。所設計的虛擬γ譜儀采用的是比較簡單的方法，那就是測量某個標準源，獲取2 條特征γ射線的能譜，然后通過2 點求解直線關系式對全譜進行能譜刻度。一般，在程序中，可以根據已知條件做擬合曲線，代入峰值即可實現能量刻度。能量刻度的前面板及其測試結果如圖3 所示。

圖3 能量刻度前面板及其測試

2.2.2 能譜平滑

在γ能譜測量中，由于射線與探測器相互作用是隨機的，且測量過程中會受到外界及儀器本身噪聲的影響，因此獲得的能譜數據有很大的漲落，如果不進行處理會使測量結果產生較大誤差。能譜平滑就是通過數學方法對獲得的能譜進行處理，降低統計漲落的影響，使測量結果更準確[8]。設計的虛擬γ譜儀可根據需要選擇采用重心法、多項式最小二乘移動平滑法和傅里葉變換法對譜數據進行平滑處理。設計的虛擬γ譜儀采用的是多項式最小二乘移動平滑法，該方法最早用于γ譜數據的平滑處理。其基本原理是：首先確定平滑之后能譜數據中的某個點m，并在該點左右兩邊各取k個數據點，這些數據點共2k+1 個，形成一個2k+1 的數據段。使用多項式對該這段數據進行擬合，擬合之后的γ譜原始數據在m點的值就是平滑之后的γ譜數據在m點的值。m點隨著數據不斷移動，最終整個譜數據都得到平滑處理。圖2 中的能譜為使用多項式最小二乘移動平滑法處理后的結果，經過處理后的譜數據其統計漲落減少了很多，但能譜峰的形狀和峰的凈面積都沒有產生很大變化。

2.2.3 尋峰

尋峰在γ能譜分析中的作用是在能譜中找到正確的峰位，從而進行定性分析，即明確樣品中存在哪種核素。在能譜分析的時候，如何準確地計算出能譜中各個峰的峰位是核素識別的關鍵。由于γ能譜測量過程中統計漲落的影響及射線與物質相互作用形式的不同，得到的γ能譜是比較復雜的。雖然能譜平滑可減少統計漲落的影響，使尋峰、確定峰位及峰邊界更容易，但是想要將能譜中所有的峰找出來是比較困難的。當存在很高的康普頓平臺或統計漲落影響很大的時候，能譜中的弱峰和重峰就很難分辨。目前最常用的尋峰方法包括導數尋峰法、簡單比較法、協方差法、高斯乘積函數法和對稱零面積法等。針對不同的γ譜儀可采用不同的方法進行尋峰，或者同時采用多種方法進行尋峰以便于比較。不過不管是哪一種方法，其尋峰一般可分為2 個步驟：第一步是進行譜變換，該步驟的作用與譜平滑相似，即通過采用能譜平滑方法盡量地減少統計漲落對能譜分析的影響，使譜峰的形狀更明顯，峰位信息更突出；第二步是進行峰判定，即判別尋找到的譜峰是否符合設定的條件，如果符合則為真峰，否則為假峰。

根據譜分析在尋峰時對重峰分辨、弱峰識別及剔除假峰等能力的需要，設計的虛擬γ譜儀采用了簡單比較法、導數法和對稱零面積法來完成尋峰的任務，使用者可根據譜數據的實際來選擇合適的尋峰方法。圖2顯示的是導數法的尋峰結果，對比譜數據發現該尋峰方法能夠將譜中全部的峰都尋找出來了。

2.2.4 能量分辨率

在γ能譜分析中，在相同情況下，能夠分辨的峰更多，則相應的能量分辨率越高。能量分辨率是對探測器是否能夠區分2 個相近能譜峰的一種量度。可定義為：

式（1）中：h0為測量的γ射線特征峰峰位；Δh1/2為相應γ射線特征峰的半高寬。

使用LabⅤIEW 按照式（1）設計了能量分辨率的計算程序，使用該程序對第8 個峰（331 道）進行計算，結果如圖4 所示，該程序不但能給出能量分辨率，還能計算出峰的半高寬。

圖4 能量分辨率的計算結果

2.2.5 峰面積計算

峰面積的計算是放射性核素含量分析的重要依據。在測量獲得的γ能譜中，一般將譜峰左、右邊界以內各道的計數總和稱為峰的總面積，它包括了譜數據的本底和凈面積。譜數據的本底為譜峰左、右邊界內本底曲線所包圍的面積（計數總和）；譜峰的總面積減去本底面積得到的就是譜峰的凈面積。根據射線與物質相互作用的原理可知，譜峰的凈面積代表了放射性核素特征γ射線在核輻射探測器中通過光電效應沉積的能量，因此譜峰的凈面積與該射線的強度成線性關系。目前比較常用的方法有總峰面積法、科沃爾峰面積法、瓦森峰面積法、斯托林斯基峰面積法、奎特納峰面積法等[1]。設計的虛擬γ譜儀采用的是總峰面積法，其計算公式為：

式（2）中：yi為峰區第i道的計數。圖2 的面積信息當中顯示了由總峰面積法計算得到的結果。

2.2.6 核素識別

能譜定性分析的目的是獲取所測待測核素的種類。由于每一種放射性核素所發出的特征射線能量不同，因此可以根據測量得到的射線峰對應的能量來確定所含的各類核素。設計的虛擬γ譜儀可以自動完成核素的識別功能，從而確定測量的樣品中存在的核素的種類。核素識別的作用是從獲得的能譜數據中尋找出與能譜峰對應的核素。為了進行核素識別，需要預先存放有關的結構體成員，這些結構體成員將各種核素發射的特征γ射線按照能量大小及其對應核素進行排序并存儲；然后在各個成員中列出核素的有關數據，如半衰期、主峰能量和其他驗證峰的能量、發射概率；最后根據所尋到的峰能量進行信息檢索，查出該峰可能屬于哪種核素以及這種核素的相關信息。

設計的虛擬γ譜儀通過構建一個結構體，結構體中包括各核素成員，成員信息包括核素名稱、主峰能量、活度、半衰期、含量等，在程序中加入一個分支結構，由核素對應道址經過能量刻度后得到核素的射線能量，查找分支結構中所對應的這個能量，當然這個能量包含一定尺度的能量窗，這樣就可以得到結構體中對應的成員名，查找成員名所包含的信息就是該核素所有的信息。

3 結論

本文基于虛擬儀器平臺設計了一套虛擬γ譜儀系統，該系統包括硬件部分和軟件2 個部分。硬件部分包括核輻射探測器和高速數據采集卡，主要實現核輻射測量及核信號的采集功能。軟件部分采用圖形化編程語言LabⅤIEW 實現γ譜數據的處理，能夠完成γ譜數據的平滑、尋峰、能譜刻度、能量分辨率和峰面積的計算等功能。經過測試發現，所設計虛擬γ譜儀的性能達到了實際應用的要求。基于LabⅤIEW 虛擬儀器技術可將數據采集、數據分析以及數據顯示集中在同一個環境，可以根據自己需要在虛擬儀器平臺上實現集成一套完整的應用方案。其圖形化編程開發平臺在使用才過程中構建靈活、層次體系明晰、功能強大且人機界面友好，對實現儀器編程和數據采集提供了便捷途徑，這樣可大大提高工作效率。