陽(yáng)國(guó)桂，高 翔，郭宏利

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

用于正電子發(fā)射斷層成像儀(PET)刻度的68Ge放射源屬于線形放射源，其徑向放射性均勻度是其質(zhì)量控制的關(guān)鍵，測(cè)量并記錄68Ge放射性核素的徑向分布通常使用核乳膠顯影法。核乳膠顯影法即核乳膠片被射線(在本案例中為β+射線)曝光后，經(jīng)過(guò)顯影、定影，通過(guò)目測(cè)曝光強(qiáng)度確定放射源均勻度。該法空間分辨率高，條件簡(jiǎn)單，但操作復(fù)雜，無(wú)法實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不易保存和使用。

可編程邏輯控制器(PLC)是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的通用控制器。實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，提供邏輯控制、定位控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制和數(shù)據(jù)處理等多種功能。相對(duì)于開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的放射源均勻度掃描儀，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)量和運(yùn)動(dòng)控制等功能，PLC可靠性高、通用靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便。本研究工作基于PLC的測(cè)控技術(shù)，研制了一臺(tái)68Ge線形放射源掃描檢測(cè)儀。該儀器利用一臺(tái)西門子S7-200系列小型PLC完成了輻射信號(hào)的采集、傳輸、掃描運(yùn)動(dòng)控制，并利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存。實(shí)現(xiàn)了線形放射源均勻度測(cè)量的數(shù)字化。

1 儀器硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

儀器總體設(shè)計(jì)示于圖1。68Ge線形放射源掃描檢測(cè)儀使用小型可編程控制器(PLC)構(gòu)成的測(cè)控裝置作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，探頭數(shù)據(jù)采集和傳輸。使用計(jì)算機(jī)(PC)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、保存和儀器操控，兩者通過(guò)RS-232串口實(shí)現(xiàn)通信。使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線絲杠滑臺(tái)、限位開(kāi)關(guān)、光碼盤等實(shí)現(xiàn)掃描動(dòng)作和位置傳感。

圖1 68Ge線形放射源掃描檢測(cè)儀示意圖 Fig.1 Sketch of 68Ge line source scanner

68Ge核素以β+方式衰變，β+粒子迅速湮滅成兩個(gè)方向相反，能量為511 keV的γ光子對(duì)。線形放射源在直線滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，其釋放的γ光子對(duì)經(jīng)過(guò)狹縫，被對(duì)置的兩個(gè)碘化鈉探測(cè)器探測(cè)到并送入符合測(cè)量系統(tǒng)。使用符合測(cè)量系統(tǒng)對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行甄別，可以有效的降低本底，提高測(cè)量的空間分辨率。

1.2 基于PLC的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示于圖2。兩個(gè)NaI探測(cè)器獲得的γ脈沖TTL信號(hào)經(jīng)過(guò)符合模塊，甄別出有效的湮滅光子對(duì)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)TTL-PLC轉(zhuǎn)換模塊將5 V的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成24 V的PLC脈沖輸入信號(hào)，接入到PLC高速脈沖計(jì)數(shù)器輸入口；光碼盤與直線絲杠滑臺(tái)的絲杠共軸連接，獲得滑臺(tái)定位TTL信號(hào)，也經(jīng)過(guò)TTL-PLC模塊輸入到PLC另一高速脈沖計(jì)數(shù)輸入口；兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)分別安裝在直線滑臺(tái)的上部和下部，下部起到限位保護(hù)作用，上部限位開(kāi)關(guān)作為運(yùn)動(dòng)定位的零點(diǎn)，每次復(fù)位以觸發(fā)上限位開(kāi)關(guān)為準(zhǔn)，兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)直接接入PLC開(kāi)關(guān)量輸入端；直線滑臺(tái)作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)68Ge源的掃描、復(fù)位。使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，來(lái)自PLC的高速脈沖經(jīng)過(guò)PLC-TTL轉(zhuǎn)換對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行控制，另一來(lái)自PLC的開(kāi)關(guān)量實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。該硬件部分將PLC作為數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制的中心，使用了具有高速脈沖輸出和高速脈沖計(jì)數(shù)功能的西門子PLC S7-200。 一臺(tái)計(jì)算機(jī)(PC)作為上位機(jī)，通過(guò)RS-232/PPI/RS-485連接線，與PLC實(shí)現(xiàn)硬連接。

圖2 基于PLC的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 Fig.2 Design of measurement and control system based on PLC

1.3 可編程控制器的選型

該測(cè)控系統(tǒng)的核心是PLC。根據(jù)使用高速脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)輻射信號(hào)進(jìn)行采集的需求，以及通過(guò)高速脈沖輸出控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的需要，選擇了西門子PLC S7-200 CPU224 CN XP DC/DC/DC。該P(yáng)LC內(nèi)置2個(gè)200 kHz高速脈沖計(jì)數(shù)器，2個(gè)20 kHz高速脈沖輸出端口。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該P(yáng)LC高速脈沖計(jì)數(shù)器可以接受的最短正脈沖為2 μs，而隨機(jī)脈沖信號(hào)頻率大于10 kHz時(shí)存在明顯脈沖丟失的現(xiàn)象。因此，以此PLC設(shè)計(jì)的輻射測(cè)量設(shè)備應(yīng)當(dāng)通過(guò)前端探測(cè)器準(zhǔn)直器、放大電路等對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行脈寬整形和頻率限制。

2 儀器軟件設(shè)計(jì)

該儀器的軟件包括運(yùn)行于PLC的測(cè)控軟件，以及運(yùn)行于PC的數(shù)據(jù)采集軟件。二者通過(guò)PPI通信協(xié)議進(jìn)行通信。

2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件的程序流程圖示于圖3。PLC測(cè)控軟件由主程序、子程序和中斷程序構(gòu)成。使用運(yùn)行于windows平臺(tái)的STEP 7-MicroWIN V4.0編寫、調(diào)試并下載到PLC。

主程序循環(huán)監(jiān)測(cè)儀器的多個(gè)控制狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)的不同，適時(shí)轉(zhuǎn)入系列子程序。子程序分別實(shí)現(xiàn)包括滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，滑臺(tái)復(fù)位，高速脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)等功能。而中斷程序完成高速脈沖計(jì)數(shù)完成后的數(shù)據(jù)返回和狀態(tài)變化。

當(dāng)PLC處于滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)子程序時(shí)，定義一個(gè)高速脈沖輸出，并以一定脈寬從Q0.0輸出端發(fā)送一定數(shù)量的高速脈沖到步進(jìn)電機(jī)控制器，滑臺(tái)就運(yùn)行一段距離并停止。當(dāng)PLC處于滑臺(tái)復(fù)位狀態(tài)時(shí)，PLC進(jìn)入滑臺(tái)復(fù)位子程序，定義一個(gè)高速脈沖輸出，置PLC輸出端Q0.2為1，控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。并根據(jù)設(shè)定的脈寬從Q0.0輸出端發(fā)送高速脈沖到步進(jìn)電機(jī)控制器，直到上限位開(kāi)關(guān)觸發(fā)才停止脈沖輸出。當(dāng)PLC處于計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，PLC將定義一個(gè)高速脈沖計(jì)數(shù)器，在計(jì)時(shí)器的輔助下，記錄一定時(shí)間段的脈沖數(shù)。PLC通過(guò)高速脈沖計(jì)數(shù)器累計(jì)到的測(cè)量結(jié)果及當(dāng)時(shí)儀器狀態(tài)參數(shù)存入設(shè)定的緩存區(qū)，等待PC機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集軟件的查詢，直到新的測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生才會(huì)清除對(duì)應(yīng)緩存區(qū)。PLC作為被動(dòng)的下位機(jī)，只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及狀態(tài)寫入設(shè)定的緩存區(qū)，而不主動(dòng)與PC機(jī)對(duì)話。

2.2 PC軟件設(shè)計(jì)

PC端上運(yùn)行測(cè)控軟件，用于數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)告，以及掃描儀參數(shù)設(shè)置和儀器監(jiān)控。使用運(yùn)行于windows平臺(tái)的Microsoft Visual Studio 6.0編程、調(diào)試和發(fā)布。

圖3 PLC程序流程圖 Fig.3 Program Flow Chart of PLC

2.2.1通信方式的選擇

西門子PLC S7-200與PC進(jìn)行通信主要有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口協(xié)議，PPI(point to point interface)、自由端口通信、Modbus通信、MPI通信、USS通信和工業(yè)以太網(wǎng)通信。本研究針對(duì)單臺(tái)PC對(duì)單臺(tái)PLC近距離控制的情況，采用了PPI通信方式。

PPI是西門子專門為S7-200PLC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的通信協(xié)議，是一種主從協(xié)議，主站設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)讀/寫請(qǐng)求到從站設(shè)備，從站設(shè)備響應(yīng)。從站不主動(dòng)發(fā)信息，只是等待主站的要求，并根據(jù)地址信息對(duì)要求做出響應(yīng)，可以省略編寫PLC的通訊代碼。

在PPI網(wǎng)上，計(jì)算機(jī)與PLC通信總是由計(jì)算機(jī)發(fā)起，PLC予以響應(yīng)。具體過(guò)程如下。

(1)計(jì)算機(jī)根據(jù)通信任務(wù)，用一定格式，向PLC發(fā)送通信命令。

(2)PLC收到命令后，進(jìn)行命令校驗(yàn)，如果校驗(yàn)后正確無(wú)誤，則向計(jì)算機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)E5H或F9H，作為初步應(yīng)答。

(3)計(jì)算機(jī)收到初步應(yīng)答后，再以特定字段向PLC發(fā)送確認(rèn)命令。

(4)PLC在收到此確認(rèn)命令后，執(zhí)行計(jì)算機(jī)所發(fā)送的通信命令，并向計(jì)算機(jī)返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。

通信過(guò)程要往返兩次，比較麻煩，但較嚴(yán)謹(jǐn)，不易出錯(cuò)。計(jì)算機(jī)通過(guò)向PLC發(fā)送“寫”命令實(shí)現(xiàn)掃描檢測(cè)儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定，以及測(cè)量控制命令。通過(guò)定時(shí)向PLC發(fā)送“讀”命令實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的γ計(jì)數(shù)和儀器狀態(tài)參數(shù)的讀取。

2.2.2數(shù)據(jù)處理

軟件界面示于圖4。在PC端軟件上，采集的可用數(shù)據(jù)將存入可變數(shù)組、實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)組成員最大值、累加值、相對(duì)偏差等。根據(jù)查看方式，在曲線監(jiān)視窗顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)曲線及累計(jì)活度數(shù)據(jù)，或者相對(duì)偏差曲線和最大偏差值。

圖4 PC端軟件界面Fig.4 PC software interface

(1)線形放射源相對(duì)偏差的計(jì)算：

根據(jù)線形放射源質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，使用相對(duì)偏差來(lái)表示放射源的均勻度，只有徑向計(jì)數(shù)率的相對(duì)偏差在±5%范圍內(nèi)，放射源才合格。

相對(duì)偏差的計(jì)算公式為：

(2)放射源活度的計(jì)算：

放射源活度是重要參數(shù)之一，研制的線形放射源掃描檢測(cè)儀不僅實(shí)現(xiàn)了徑向放射性分布均勻度的測(cè)定，同時(shí)也能獲得放射源的總活度數(shù)據(jù)。對(duì)單位長(zhǎng)度的線形放射源計(jì)數(shù)率積分，得到整根放射源的計(jì)數(shù)率。總活度正比于整根放射源的計(jì)數(shù)率：

∑Ci×L/T∝A

其中A為放射源總活度，Ci為單位長(zhǎng)度放射源計(jì)數(shù)率，L為測(cè)量間隔，T為測(cè)量時(shí)間?？潭惹€為：A=k×∑Ci×L/T+a，其中a為截距，k為刻度斜率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)刻度獲得斜率k和a，并可設(shè)置在儀器參數(shù)表中。

3 結(jié)束語(yǔ)

68Ge線形放射源掃描檢測(cè)儀使用一臺(tái)小型可編程控制器(PLC)作為測(cè)控核心部件實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掃描和射線探測(cè)數(shù)據(jù)的采集。能夠同時(shí)獲得線形放射源均勻度和總活度信息，并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。68Ge核素以β+方式衰變，利用符合測(cè)量系統(tǒng)保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性，并保持了與PET測(cè)量方式的一致性。相對(duì)于核乳膠法測(cè)定放射源均勻度，該儀器具有測(cè)量準(zhǔn)確，通用性強(qiáng)，使用方便，功能豐富的特點(diǎn)。相對(duì)于使用單片機(jī)的自控方案，該方案無(wú)需開(kāi)發(fā)復(fù)雜的外圍電路，因此測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，開(kāi)發(fā)速度快，成本低廉。

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