白春星，王繼山，楊誠，陳偉峰，胡慶偉

(中國人民解放軍96401 部隊(duì)80 分隊(duì)，陜西寶雞721006)

0 引言

在核能應(yīng)用等國防工業(yè)領(lǐng)域，需大量使用α，β 平面源，α，β 平面源表面發(fā)射率的校準(zhǔn)/檢定結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠直接關(guān)系著工作人員的輻射防護(hù)安全。目前，α，β 平面源表面發(fā)射率的校準(zhǔn)/檢定工作存在以下幾個(gè)問題:一是測量過程和測量數(shù)據(jù)處理都是由檢定人員手動(dòng)完成，工作效率低;二是檢定人員的重復(fù)性勞動(dòng)多、強(qiáng)度大，易引入人為誤差;三是α，β 平面源表面發(fā)射率檢定裝置穩(wěn)定性不好，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)重復(fù)性差。

為了提高α，β 平面源表面發(fā)射率校準(zhǔn)/檢定的工作效率和準(zhǔn)確度，適應(yīng)不同領(lǐng)域科研和實(shí)驗(yàn)的需要，研制一種高性能的α，β 平面源表面發(fā)射率自動(dòng)測試系統(tǒng)是非常必要的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件部分設(shè)計(jì)

1.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由大面積流氣式2π 多絲正比計(jì)數(shù)器、高壓電源、前置放大器、主放大器、測量控制電路及數(shù)據(jù)采集電路、主控計(jì)算機(jī)等部分組成，原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為:將待測的α 或β平面放射源放到2π多絲正比計(jì)數(shù)器中的源托板上，推入電離室中，電離室中通入純度為99.8%甲烷工作氣體，使之流氣，氣流速度大約為每秒1 ～2 個(gè)氣泡，當(dāng)工作氣體把電離室中的空氣全部排除后，通過主控計(jì)算機(jī)上的控制電路調(diào)節(jié)高壓電源向2π 多絲正比計(jì)數(shù)器中的陽極加工作電壓，電壓通過前置放大器加到2π 多絲正比計(jì)數(shù)器陽極，待測平面源發(fā)射的帶電粒子使計(jì)數(shù)器內(nèi)的工作氣體電離，形成正負(fù)離子，在電場力作用下，計(jì)數(shù)器內(nèi)電極收集到負(fù)離子后形成脈沖信號(hào)，信號(hào)通過前置放大器、主放大器兩級(jí)放大后輸出到數(shù)據(jù)采集電路［1］，經(jīng)A/D 變換后的數(shù)字信號(hào)通過閾值比較電路進(jìn)入到計(jì)數(shù)電路，大于低端閾值且小于高端閾值的信號(hào)認(rèn)為是有用信號(hào)，可使計(jì)數(shù)器響應(yīng)，計(jì)數(shù)器在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)數(shù)，并在計(jì)數(shù)結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉，主控計(jì)算機(jī)從計(jì)數(shù)器中采集數(shù)據(jù)并根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行處理，完成一次測量。

主控計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)改變高壓電源的電壓值，按上面的步驟進(jìn)行下一次測量。通過連續(xù)多點(diǎn)測量后計(jì)算機(jī)給出平面源的坪曲線，并選擇坪曲線的2/3 處電壓為工作高壓進(jìn)行多次測量，整個(gè)測量過程完成后，由計(jì)算機(jī)對(duì)工作高壓點(diǎn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)由公式(1)計(jì)算出待測放射源的表面發(fā)射率，并給出測量結(jié)果及其不確定度。

在本系統(tǒng)測量中還要考慮各種使測量結(jié)果發(fā)生偏離的影響因素，如死時(shí)間、本底和小能量損失等，對(duì)這些影響因素進(jìn)行修正后，平面源的表面發(fā)射率N 為

式中:N' 為包括本底在內(nèi)的平面源平均計(jì)數(shù)率;Nb為本底的平均計(jì)數(shù)率;τd為測試系統(tǒng)的死時(shí)間;η 為小能量損失校正系數(shù)。

1.2 軟件部分設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法，利用軟件在屏幕上生成傳統(tǒng)的儀器面板，通過生成的儀器面板選擇α，β測試系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如選擇高壓電源的輸出范圍及遞增間隔，小能量損失的測量，本底測量、監(jiān)督源測量、待檢源測量，確定測量時(shí)間的長短，完成數(shù)據(jù)的處理、傳送、存儲(chǔ)、顯示、出具檢定證書等功能。整個(gè)軟件部分的設(shè)計(jì)包括主控程序的設(shè)計(jì)、監(jiān)督源測量程序模塊設(shè)計(jì)、小能量損失測量程序模塊設(shè)計(jì)、本底測量程序模塊設(shè)計(jì)、死時(shí)間測量程序模塊設(shè)計(jì)和待檢源測量程序模塊設(shè)計(jì)等，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖

軟件設(shè)計(jì)采用VB 語言開發(fā)，菜單及所有的面板均采用中文顯示方式，并給出各項(xiàng)操作的中文幫助和提示［2］。測試人員只需利用鍵盤和鼠標(biāo)，通過操作計(jì)算機(jī)上的虛擬面板，即可完成對(duì)α，β平面源表面發(fā)射率的檢定和測試;另外，將原始數(shù)據(jù)資料保存在計(jì)算機(jī)中，可為日后的設(shè)備檢修提供第一手資料。

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)α，β 平面源進(jìn)行自動(dòng)檢定和測試的要求，并可對(duì)定標(biāo)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，給出計(jì)量檢定的最終結(jié)果和測量不確定度。

1.2.2 系統(tǒng)程序的工作流程

系統(tǒng)加電并對(duì)主控程序調(diào)用后，程序首先對(duì)測試系統(tǒng)初始化、對(duì)脈沖幅度分析器和定標(biāo)器進(jìn)行自檢，接收鍵盤的輸入信號(hào)選擇測量類型(α 或β 測量)和測量范圍等參數(shù)。

程序?qū)γ}沖幅度分析器和定標(biāo)器初始化完成后，接著進(jìn)行對(duì)監(jiān)督源測量程序模塊、小能量損失測量程序模塊、本底測量程序模塊、死時(shí)間測量程序模塊和待檢源測量程序模等各種功能模塊的調(diào)用，控制高壓電源輸出和整個(gè)測量過程:通過測量待測放射源坪曲線來確定工作電壓(按檢定規(guī)程工作電壓取在坪曲線的2/3 處)，在選定工作電壓和閾值的條件下進(jìn)行本底測量和待測平面源表面發(fā)射率的測量;在工作電壓不變的情況下，在選定的閾值附近改變閾值的大小，作閾值(甄別電壓)與計(jì)數(shù)率的曲線，通過外推法確定小能量損失校正系數(shù)。測量完成后，主控計(jì)算機(jī)對(duì)測量數(shù)據(jù)智能化處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小能量損失校正、死時(shí)間校正、本底校正，并給出測量結(jié)果與測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)與性能測試分析

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下:

1)測量范圍:

待檢平面源的活性區(qū)尺寸:圓形，直徑≤100 mm;矩形，面積≤150 mm×100 mm。

待檢平面源的表面發(fā)射率:α:(101～104)s-1·(2πsr)-1;β:(102～104)s-1·(2πsr)-1。

2)坪特性:坪長≥250 V;坪斜≤(1.0%)/100 V。

3)本底計(jì)數(shù)率:α:(0.01 ～1.5)/s;β:(2 ～15)/s。

4)穩(wěn)定性:0.2%(8 h 連續(xù)測量)。

5)定時(shí)誤差:10-3s。

6)裝置的不確定度:≤2.0%，可檢定二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)平面源。

2.2 性能測試分析

2.2.1 坪曲線的測量

在選定的放大倍數(shù)和閾值條件下，從α 或β 選定初始高壓點(diǎn)開始測量，系統(tǒng)以100 V 的增量連續(xù)遞增高壓，繪制電壓與計(jì)數(shù)率的關(guān)系曲線，然后確定坪區(qū)的特性。

α，β源分別為標(biāo)準(zhǔn)平面源241Am(88-33)和204Tl(96-26)，其活性區(qū)大小均為150 mm×100 mm，工作氣體為純甲烷氣體，測量的坪曲線數(shù)據(jù)如下:

241Am(88-33)的坪曲線測量:

JJG(核工)11-91《用2π 多絲正比計(jì)數(shù)器測定α，β平面源的發(fā)射率》檢定規(guī)程中“6 檢定用的標(biāo)準(zhǔn)裝置”規(guī)定:坪長≥250V，坪斜≤(0.5%)/100 V［3］。從圖3 中可知，241Am(88-33)源坪曲線的好坪區(qū)間在高壓2400 V 至2800 V 段，坪長400 V，其坪斜為0.3% /100 V，系統(tǒng)測量結(jié)果好于計(jì)量檢定規(guī)程的要求。

圖3 241Am(88-33)源的坪曲線

204Tl(96-26)的坪曲線測量:

從圖4 中可知，204Tl(96-26)源坪曲線的好坪區(qū)間在高壓4000 V 至4600 V 段，坪長600 V，其坪斜為0.1% /100 V，好于JJG(核工)11-91 中對(duì)裝置性能的要求:坪長≥250 V，坪斜≤0.5% /100 V。

2.2.2 不確定度

圖4 204Tl(96-26)源的坪曲線

對(duì)本系統(tǒng)來說，不確定度分量由以下幾部分構(gòu)成:①計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落引起的不確定度分量u1;②本底漲落引起的不確定度的分量u2;③死時(shí)間誤差引入的不確定度分量u3;④小能量損失校正系數(shù)K 引入的不確定度分量u4;⑤裝置8 h 穩(wěn)定性引入的不確定度分量u5。

由以上不確定度分量，得出α 或β 源表面發(fā)射率測量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度［4］uc:

按照國家α，β 平面源表面發(fā)射率檢定規(guī)程中規(guī)定的檢定方法，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證，整套系統(tǒng)滿足α，β 平面源表面發(fā)射率測量的不確定度要求。α 平面源表面發(fā)射率測量不確定度≤2.0%，β 平面源表面發(fā)射率測量不確定度≤2.0%。

3 結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了近年來傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的新成果，實(shí)現(xiàn)了α，β 平面源表面發(fā)射率測量過程中測量信號(hào)的自動(dòng)采集、測量量程的自動(dòng)調(diào)節(jié)、測量過程的自動(dòng)控制、測量結(jié)果的自動(dòng)處理的全程自動(dòng)化測量。系統(tǒng)成功地解決了目前在α，β 平面源表面發(fā)射率測量過程中，存在的因過多依賴人工操作和測量數(shù)據(jù)依靠手工計(jì)算、分析、處理而造成人為誤差嚴(yán)重影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的技術(shù)難題，降低了測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了工作效率和測量準(zhǔn)確度，其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下:

1)測試過程的軟件智能控制

系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)了高壓電源的調(diào)節(jié)、脈沖幅度分析器的數(shù)據(jù)采集、定標(biāo)器計(jì)數(shù)、量程切換、閾值的設(shè)定、坪曲線的測量、死時(shí)間修正、不確定度分析等測量過程的軟件智能控制，簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，降低了功耗，從根本上消除了人為誤差的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。

2)測量數(shù)據(jù)的智能化處理系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制對(duì)脈沖幅度分析器進(jìn)行高速掃描采樣，采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線性化處理、算術(shù)平均值處理、加權(quán)平均值計(jì)算、相關(guān)性分析等算法，實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的快速、精確的智能化處理，提高了測量精度和速度，獲得了更加精確可靠的測量結(jié)果。

3)采用了虛擬儀器設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)采用虛擬儀器設(shè)計(jì)方法，以最少的硬件和完善的軟件實(shí)現(xiàn)了計(jì)量測試儀器的各項(xiàng)功能，降低了測試系統(tǒng)的成本，提高了測量系統(tǒng)的實(shí)用性。

4)采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能部件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法

本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為測試控制和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)新技術(shù)及智能部件如智能傳感器、智能控制器等應(yīng)用于測試系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的智能化程度和可靠性，為以后測試系統(tǒng)功能擴(kuò)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］王慧.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］喻以光.JJG(核工)11-1991 用2π 多絲正比計(jì)數(shù)器測定α，β 平面源的發(fā)射率［S］.北京:中國核工業(yè)總公司，1991.

［3］容超凡.電離輻射計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［4］陳衛(wèi)，程禮，高星偉.基于VXI 總線的發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2003，11(10):788-790.