趙平華

(湖南人文科技學(xué)院 物理與信息工程系，湖南 婁底 417000)

222Rn /220Rn是地球上無(wú)處不在的放射性氣體，222Rn /220Rn子體是放射性氣溶膠，吸入人體產(chǎn)生的輻照可誘發(fā)肺癌。因此，222Rn /220Rn問(wèn)題的研究一直是輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)的重要課題。222Rn/220Rn的準(zhǔn)確測(cè)量是研究222Rn/220Rn問(wèn)題的前提，包括測(cè)量方法、儀器及刻度等。由于222Rn的研究起步早，222Rn的準(zhǔn)確測(cè)量日趨成熟。但是對(duì)220Rn的問(wèn)題的研究還不夠深入，原因是無(wú)標(biāo)準(zhǔn)釷射氣(220Rn)源，220Rn的半衰期比較短，難以導(dǎo)出其探測(cè)效率，難以建立起釷的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)裝置。

因此研制出220Rn的絕對(duì)測(cè)量方法及裝置，建立220Rn的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和量值傳遞系統(tǒng)，解決220Rn的計(jì)量問(wèn)題有著重要的意義。

目前南華大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目組已經(jīng)驗(yàn)證了一種用小閃爍室實(shí)現(xiàn)流氣式絕對(duì)測(cè)量220Rn的方法。通過(guò)減小閃爍室內(nèi)部任意兩點(diǎn)間的距離和內(nèi)表面全部涂上ZnS(Ag)來(lái)提高粒子的利用效率，使其對(duì)220Rn及其子體的探測(cè)效率接近100%；通過(guò)改變閃爍室的結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部沒(méi)有大的死角和拐點(diǎn)，保證在一定流率下使流過(guò)的氣流符合層流狀態(tài)，從而滿足流氣式測(cè)220Rn的要求。該探測(cè)儀已經(jīng)制作完成，并且在南華大學(xué)氡實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期的效果。但是該流氣式絕對(duì)測(cè)量220Rn裝置的使用方面采用的是傳統(tǒng)的插件機(jī)箱式，存在著容易受到環(huán)境的影響和不便于攜帶的缺點(diǎn)，因此，需要設(shè)計(jì)出一種值得推廣的，廉價(jià)的、虛擬的絕對(duì)測(cè)220Rn儀，這正是本課題的出發(fā)點(diǎn)。

本文采用Labview開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)虛擬絕對(duì)測(cè)220Rn儀。與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器相比，測(cè)量時(shí)僅需攜帶探測(cè)器和筆記本電腦即可，突破了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器受時(shí)間、地點(diǎn)的限制的缺點(diǎn)，大大減小設(shè)備資金的投入，降低成本節(jié)省經(jīng)費(fèi)，充分發(fā)揮現(xiàn)有儀器的作用，提高使用效率。

一 虛擬儀器的概念及其在核領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

虛擬儀器的概念由美國(guó)國(guó)家儀器公司NI最先提出的，其核心思想是“軟件即是儀器”。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)量?jī)x器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。近幾年來(lái)，虛擬儀器技術(shù)發(fā)展非常迅速，虛擬儀器系統(tǒng)及圖形編程語(yǔ)言(LabVIEW)已成為許多高校理工科學(xué)生的一門(mén)必修課。

二 虛擬絕對(duì)測(cè)220Rn儀的設(shè)計(jì)

(一)設(shè)計(jì)方案

釷射氣通過(guò)小閃爍室探測(cè)器、前置放大器、主放大器、通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，通過(guò)利用LabVIEW設(shè)計(jì)定標(biāo)器(計(jì)數(shù)器)、計(jì)數(shù)與220Rn濃度轉(zhuǎn)換，最后制作虛擬絕對(duì)測(cè)220Rn儀控制面板。

圖1 虛擬絕對(duì)測(cè)220Rn儀設(shè)計(jì)方框圖

本設(shè)計(jì)采用的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)是NI公司提供的，型號(hào)為PCI-6221，板卡為CB-68LP，它是完全的數(shù)據(jù)采集硬件，這類板卡具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換，8條TTL數(shù)字I/O線，兩個(gè)24位的計(jì)數(shù)器，最高采樣率為833ks/s,能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。利用LabVIEW軟件完成的是，設(shè)計(jì)一個(gè)單道—定標(biāo)器(計(jì)數(shù)器)、計(jì)數(shù)與220Rn濃度轉(zhuǎn)換，最后設(shè)計(jì)虛擬絕對(duì)測(cè)220Rn儀控制面板。

(二)單道—定標(biāo)器的設(shè)計(jì)

定標(biāo)器是最早使用的一種核輻射測(cè)量?jī)x器，一般都有自動(dòng)操作和自動(dòng)控制等功能，能夠精確記錄任意選定時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)，可直接顯示或輸出測(cè)量結(jié)果。定標(biāo)器的輸入部分通常有倒相、緩沖器和脈沖幅度甄別器，它的作用是把輸入脈沖成形為適合于能觸發(fā)計(jì)數(shù)電路的脈沖，并剔除小的干擾信號(hào)和噪聲脈沖。而核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)數(shù)目與被探測(cè)的輻射強(qiáng)度成正比，直接記錄單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目可以測(cè)量核輻射強(qiáng)度。定標(biāo)器又稱計(jì)數(shù)器，用來(lái)記錄一定時(shí)間間隔內(nèi)的輸入脈沖數(shù)目。

1. 虛擬定標(biāo)器的設(shè)計(jì)與調(diào)試

虛擬定標(biāo)器總體設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。脈沖信號(hào)由DAQ卡模擬信號(hào)輸入端輸入, 在DAQ 卡上完成采樣、量化與編碼, 并采用DMA 的方式送到指定的內(nèi)存緩沖區(qū)。緩沖區(qū)采用環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu), 在虛擬定標(biāo)器軟件對(duì)原始的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的同時(shí),不間斷采樣, 采樣率最高為100k/s。

圖2 虛擬定標(biāo)器總體設(shè)計(jì)框圖

2. 虛擬定標(biāo)器的前面板設(shè)計(jì)

打開(kāi)前面板窗口，利用LabVIEW中的控制模板,分別在設(shè)計(jì)面板上放入模擬實(shí)際定標(biāo)器控鍵的單道選擇控件、道寬類型選擇控件、定時(shí)開(kāi)關(guān)控件、啟動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)、電源指示器等，放在前面板適當(dāng)位置。前面板設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 虛擬單道定標(biāo)器前面板

3. 虛擬定標(biāo)器的程序框圖設(shè)計(jì)

對(duì)于虛擬單道定標(biāo)器而言,它的主要功能就是記錄一定時(shí)間間隔內(nèi)的輸入脈沖數(shù)目，在流程圖設(shè)計(jì)中,選用了一個(gè)計(jì)數(shù)子程序、一個(gè)計(jì)時(shí)子程序、幾個(gè)比較函數(shù)一個(gè)順序結(jié)構(gòu)和一個(gè)While循環(huán)。程序框圖設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 單道定標(biāo)器的程序框圖

三 虛擬絕對(duì)測(cè)220Rn儀的設(shè)計(jì)

(一) 220Rn的測(cè)量原理

釷射氣進(jìn)入閃爍室后，釷及其子體發(fā)射的а粒子使閃爍室壁的ZnS(Ag)產(chǎn)生光，光電倍增管把這種光訊號(hào)變成電脈沖，經(jīng)過(guò)電子學(xué)線路把電脈沖放大，最后記錄下來(lái)。單時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)(脈沖計(jì)數(shù)率)與220Rn的濃度成正比，從而可確定220Rn的濃度。

設(shè)球形閃爍室每分鐘凈計(jì)數(shù)率為CPM1,小閃爍室每分鐘凈計(jì)數(shù)率為CPM2，則被測(cè)氡濃度為：

C=K×CPM1(Bq/m3)

(1)

K:球形閃爍室的刻度系數(shù)

可得小閃爍室的探測(cè)效率ε為：

(2)

V:小閃爍室的體積(ml); 3：平衡時(shí)每次衰變放出3個(gè)α粒子

(二) 測(cè)氡的程序設(shè)計(jì)

圖5 虛擬絕對(duì)測(cè)氡儀的前面板

本程序是在虛擬單道定標(biāo)器的程序基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，由虛擬單道定標(biāo)器可以記錄給定時(shí)間的計(jì)數(shù)，通過(guò)除法器，可以得到單位時(shí)間的計(jì)數(shù)率，通過(guò)乘法器可以得到每分鐘的計(jì)數(shù)率，由上表給定的氡的刻度系數(shù)的理論值，根據(jù)測(cè)氡儀的理論公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在前面板的顯示端口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的氡的濃度的顯示。并設(shè)計(jì)了報(bào)警指示器。當(dāng)氡濃度超過(guò)最大允許值，過(guò)載指示燈亮。前面板如圖5，程序框圖如圖6。

圖6 虛擬絕對(duì)測(cè)氡儀的程序框圖

本文圍繞虛擬絕對(duì)測(cè)氡儀的研制進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)一個(gè)單道定標(biāo)器(計(jì)數(shù)率計(jì))，根據(jù)計(jì)數(shù)率與220Rn濃度的轉(zhuǎn)換公式，最后設(shè)計(jì)了虛擬絕對(duì)測(cè)220Rn儀。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，并有較高的可靠性。