覃國(guó)秀，潘靚亮，關(guān)百堯，李凡

（沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

γ能譜分析在核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其在核能應(yīng)用、環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)、核輻射防護(hù)、核素分析以及在礦物勘察中都發(fā)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(cè)器、多道脈沖幅度分析器和γ譜分析軟件系統(tǒng)組成[4]。因此，目前γ譜儀產(chǎn)品基本上都是采用獨(dú)立的多道脈沖幅度分析器，其造價(jià)昂貴，且缺乏靈活性和可擴(kuò)充性。

虛擬儀器是一種以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)的儀器系統(tǒng)，用戶可根據(jù)自己的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，在相關(guān)軟件上實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)儀器一致的功能，且設(shè)計(jì)的軟件具有與傳統(tǒng)儀器相似的面板。在對(duì)虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，只需在計(jì)算機(jī)上對(duì)儀器面板進(jìn)行調(diào)節(jié)即可得到測(cè)試的結(jié)果。此外，虛擬儀器還可利用計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展功能，通過I/O 接口設(shè)備將模擬信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和分析。虛擬儀器已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其功能多樣、界面友好、操作簡(jiǎn)便，可與許多設(shè)備集成。虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件，目前最常用的虛擬儀器開發(fā)軟件是LabⅤIEW。LabⅤIEW 是美國(guó)國(guó)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(fā)環(huán)境，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖像化開發(fā)集成環(huán)境[5-6]。基于LabⅤIEW 的虛擬儀器開發(fā)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡將常規(guī)儀器與計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合，使常規(guī)儀器的性能得到大幅度的提高[7]。為了提高γ譜儀系統(tǒng)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(shù)開發(fā)了一套虛擬γ譜儀系統(tǒng)，采用LabⅤIEW 軟件實(shí)現(xiàn)了γ譜的平滑、尋峰和峰面積計(jì)算等功能。

1 總體設(shè)計(jì)

目前，虛擬儀器的硬件平臺(tái)一般由計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的I/O 接口設(shè)備組成，虛擬儀器常用的I/O 接口設(shè)備很多，根據(jù)總線類型可分為5 種：PC-DAQ 系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、ⅤXI 系統(tǒng)、PXI 系統(tǒng)和串口系統(tǒng)。其中應(yīng)用最廣泛的是PC-DAQ/PCI 系統(tǒng)，該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集卡插入計(jì)算機(jī)的插槽，其構(gòu)成簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，常用于各種工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、高校實(shí)驗(yàn)室及科研機(jī)構(gòu)。該虛擬γ譜儀的設(shè)計(jì)思路是利用高速數(shù)據(jù)采集卡將探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過計(jì)算機(jī)編寫的軟件完成相應(yīng)的γ譜分析，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 虛擬γ譜儀結(jié)構(gòu)框圖

探測(cè)器的作用是將輻射源衰變放出的射線轉(zhuǎn)換成信號(hào)，該虛擬γ譜儀的探測(cè)器部分采用NaI（Tl）閃爍體。探測(cè)器探測(cè)到核輻射信號(hào)后，使用線性放大器對(duì)其進(jìn)行初步放大再傳送到數(shù)據(jù)采集卡上。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的核輻射信號(hào)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后即可在計(jì)算機(jī)上對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理。

2 軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試

γ譜分析的主要作用是，通過測(cè)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(cè)器中沉積能量有多種方式，使得γ譜較復(fù)雜。使用LabⅤIEW 設(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀應(yīng)是一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、處理和文件的讀寫為一體的完整的應(yīng)用程序。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是LabⅤIEW 的核心技術(shù)，該技術(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡從核輻射探測(cè)器獲得核信號(hào)。在使用LabⅤIEW 進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì)時(shí)，需在計(jì)算機(jī)PCI 插槽上安裝好數(shù)據(jù)采集卡，然后再安裝數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，并進(jìn)行必要的配置。在完成數(shù)據(jù)采集卡的安裝之后，使用LabⅤIEW 設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集的程序，并對(duì)該程序進(jìn)行調(diào)試，以確保能夠?qū)⒑诵盘?hào)完整地采集到計(jì)算機(jī)上。

2.2 能譜分析

設(shè)計(jì)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(jì)算模塊以及核素識(shí)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(gè)樣品的γ譜，并對(duì)該γ譜進(jìn)行了分析，給出了分析結(jié)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(duì)測(cè)量，在得到能譜數(shù)據(jù)之前需要使用標(biāo)準(zhǔn)源來獲取能量與道址的關(guān)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(jù)未知樣品中核素峰位與標(biāo)準(zhǔn)源相應(yīng)γ射線峰位對(duì)比，明確所測(cè)量的核素種類；②由能量刻度結(jié)果評(píng)價(jià)γ能譜儀系統(tǒng)的線性優(yōu)劣。在能譜分析測(cè)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(shù)關(guān)系，通過該函數(shù)可明確測(cè)量得到γ譜中譜峰的能量與峰位道址的關(guān)系。完成能量刻度之后，通過尋峰即可準(zhǔn)確找出各個(gè)峰所對(duì)應(yīng)的能量，然后根據(jù)該能量就可知道該峰對(duì)應(yīng)的核素，從而完成核素識(shí)別。所設(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀采用的是比較簡(jiǎn)單的方法，那就是測(cè)量某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源，獲取2 條特征γ射線的能譜，然后通過2 點(diǎn)求解直線關(guān)系式對(duì)全譜進(jìn)行能譜刻度。一般，在程序中，可以根據(jù)已知條件做擬合曲線，代入峰值即可實(shí)現(xiàn)能量刻度。能量刻度的前面板及其測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 能量刻度前面板及其測(cè)試

2.2.2 能譜平滑

在γ能譜測(cè)量中，由于射線與探測(cè)器相互作用是隨機(jī)的，且測(cè)量過程中會(huì)受到外界及儀器本身噪聲的影響，因此獲得的能譜數(shù)據(jù)有很大的漲落，如果不進(jìn)行處理會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。能譜平滑就是通過數(shù)學(xué)方法對(duì)獲得的能譜進(jìn)行處理，降低統(tǒng)計(jì)漲落的影響，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確[8]。設(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀可根據(jù)需要選擇采用重心法、多項(xiàng)式最小二乘移動(dòng)平滑法和傅里葉變換法對(duì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。設(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀采用的是多項(xiàng)式最小二乘移動(dòng)平滑法，該方法最早用于γ譜數(shù)據(jù)的平滑處理。其基本原理是：首先確定平滑之后能譜數(shù)據(jù)中的某個(gè)點(diǎn)m，并在該點(diǎn)左右兩邊各取k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)共2k+1 個(gè)，形成一個(gè)2k+1 的數(shù)據(jù)段。使用多項(xiàng)式對(duì)該這段數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合之后的γ譜原始數(shù)據(jù)在m點(diǎn)的值就是平滑之后的γ譜數(shù)據(jù)在m點(diǎn)的值。m點(diǎn)隨著數(shù)據(jù)不斷移動(dòng)，最終整個(gè)譜數(shù)據(jù)都得到平滑處理。圖2 中的能譜為使用多項(xiàng)式最小二乘移動(dòng)平滑法處理后的結(jié)果，經(jīng)過處理后的譜數(shù)據(jù)其統(tǒng)計(jì)漲落減少了很多，但能譜峰的形狀和峰的凈面積都沒有產(chǎn)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(jìn)行定性分析，即明確樣品中存在哪種核素。在能譜分析的時(shí)候，如何準(zhǔn)確地計(jì)算出能譜中各個(gè)峰的峰位是核素識(shí)別的關(guān)鍵。由于γ能譜測(cè)量過程中統(tǒng)計(jì)漲落的影響及射線與物質(zhì)相互作用形式的不同，得到的γ能譜是比較復(fù)雜的。雖然能譜平滑可減少統(tǒng)計(jì)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(dāng)存在很高的康普頓平臺(tái)或統(tǒng)計(jì)漲落影響很大的時(shí)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(dǎo)數(shù)尋峰法、簡(jiǎn)單比較法、協(xié)方差法、高斯乘積函數(shù)法和對(duì)稱零面積法等。針對(duì)不同的γ譜儀可采用不同的方法進(jìn)行尋峰，或者同時(shí)采用多種方法進(jìn)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(gè)步驟：第一步是進(jìn)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(tǒng)計(jì)漲落對(duì)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(jìn)行峰判定，即判別尋找到的譜峰是否符合設(shè)定的條件，如果符合則為真峰，否則為假峰。

根據(jù)譜分析在尋峰時(shí)對(duì)重峰分辨、弱峰識(shí)別及剔除假峰等能力的需要，設(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀采用了簡(jiǎn)單比較法、導(dǎo)數(shù)法和對(duì)稱零面積法來完成尋峰的任務(wù)，使用者可根據(jù)譜數(shù)據(jù)的實(shí)際來選擇合適的尋峰方法。圖2顯示的是導(dǎo)數(shù)法的尋峰結(jié)果，對(duì)比譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該尋峰方法能夠?qū)⒆V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(yīng)的能量分辨率越高。能量分辨率是對(duì)探測(cè)器是否能夠區(qū)分2 個(gè)相近能譜峰的一種量度?？啥x為：

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

使用LabⅤIEW 按照式（1）設(shè)計(jì)了能量分辨率的計(jì)算程序，使用該程序?qū)Φ? 個(gè)峰（331 道）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4 所示，該程序不但能給出能量分辨率，還能計(jì)算出峰的半高寬。

圖4 能量分辨率的計(jì)算結(jié)果

2.2.5 峰面積計(jì)算

峰面積的計(jì)算是放射性核素含量分析的重要依據(jù)。在測(cè)量獲得的γ能譜中，一般將譜峰左、右邊界以內(nèi)各道的計(jì)數(shù)總和稱為峰的總面積，它包括了譜數(shù)據(jù)的本底和凈面積。譜數(shù)據(jù)的本底為譜峰左、右邊界內(nèi)本底曲線所包圍的面積（計(jì)數(shù)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(jù)射線與物質(zhì)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(cè)器中通過光電效應(yīng)沉積的能量，因此譜峰的凈面積與該射線的強(qiáng)度成線性關(guān)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(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀采用的是總峰面積法，其計(jì)算公式為：

式（2）中：yi為峰區(qū)第i道的計(jì)數(shù)。圖2 的面積信息當(dāng)中顯示了由總峰面積法計(jì)算得到的結(jié)果。

2.2.6 核素識(shí)別

能譜定性分析的目的是獲取所測(cè)待測(cè)核素的種類。由于每一種放射性核素所發(fā)出的特征射線能量不同，因此可以根據(jù)測(cè)量得到的射線峰對(duì)應(yīng)的能量來確定所含的各類核素。設(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀可以自動(dòng)完成核素的識(shí)別功能，從而確定測(cè)量的樣品中存在的核素的種類。核素識(shí)別的作用是從獲得的能譜數(shù)據(jù)中尋找出與能譜峰對(duì)應(yīng)的核素。為了進(jìn)行核素識(shí)別，需要預(yù)先存放有關(guān)的結(jié)構(gòu)體成員，這些結(jié)構(gòu)體成員將各種核素發(fā)射的特征γ射線按照能量大小及其對(duì)應(yīng)核素進(jìn)行排序并存儲(chǔ)；然后在各個(gè)成員中列出核素的有關(guān)數(shù)據(jù)，如半衰期、主峰能量和其他驗(yàn)證峰的能量、發(fā)射概率；最后根據(jù)所尋到的峰能量進(jìn)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(guān)信息。

設(shè)計(jì)的虛擬γ譜儀通過構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)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(gè)分支結(jié)構(gòu)，由核素對(duì)應(yīng)道址經(jīng)過能量刻度后得到核素的射線能量，查找分支結(jié)構(gòu)中所對(duì)應(yīng)的這個(gè)能量，當(dāng)然這個(gè)能量包含一定尺度的能量窗，這樣就可以得到結(jié)構(gòu)體中對(duì)應(yīng)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(jié)論

本文基于虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套虛擬γ譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括硬件部分和軟件2 個(gè)部分。硬件部分包括核輻射探測(cè)器和高速數(shù)據(jù)采集卡，主要實(shí)現(xiàn)核輻射測(cè)量及核信號(hào)的采集功能。軟件部分采用圖形化編程語言LabⅤIEW 實(shí)現(xiàn)γ譜數(shù)據(jù)的處理，能夠完成γ譜數(shù)據(jù)的平滑、尋峰、能譜刻度、能量分辨率和峰面積的計(jì)算等功能。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)虛擬γ譜儀的性能達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求?；贚abⅤIEW 虛擬儀器技術(shù)可將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)顯示集中在同一個(gè)環(huán)境，可以根據(jù)自己需要在虛擬儀器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)集成一套完整的應(yīng)用方案。其圖形化編程開發(fā)平臺(tái)在使用才過程中構(gòu)建靈活、層次體系明晰、功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好，對(duì)實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集提供了便捷途徑，這樣可大大提高工作效率。