刁 庶,王 君,2,凌振寶,2

(1.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院,長春 130026；2.吉林大學 地球信息探測儀器教育部重點實驗室,長春 130026)

放射性污染[1]會影響人們的身體健康,隨著人們生活水平的提高及對健康的日益關注,環(huán)境中的放射性問題[2]已引起人們廣泛關注.傳統(tǒng)放射性檢測儀的脈沖檢測系統(tǒng)多數以大量的模擬器件為主構成,儀器成本較高,且當周圍環(huán)境發(fā)生變化時易產生漂移,使測量結果出現誤差.目前,國內的放射性檢測儀采用數字電路,雖比傳統(tǒng)放射性檢測儀更先進,但都存在著成本高、 體積大、 功耗大和操作復雜等問題,不能適應現場測量的便攜式要求.本文基于放射性檢測儀的現狀,設計一種以單片機為核心,計算機為輔助設備的高精度、 多道便攜式放射性檢測儀.該檢測儀主要對γ射線采用能譜分析的方法[3],利用放射性脈沖檢測電路和刻度出的能量與道數的關系進行放射性所對應元素的活度計算,利用Visual Basic完成上位機軟件開發(fā),實現放射性元素含量的計算.

1 活度檢測方案設計

圖1 活度檢測框圖Fig.1 Diagram of activity detection

通過已刻度好的γ射線能量和全能峰峰位[4]所在道數間的關系,利用Visual Basic 6.0軟件進行上位機程序編寫,進行基底扣除和全能峰凈面積計算.由活度已知的標準放射性元素,借助上位機軟件計算一系列離散能量與效率的對應關系點,在最小二乘擬合算法[5]下,建立一條γ射線全能峰效率隨能量變化的效率曲線,完成效率刻度軟件界面.然后按γ能譜中γ射線全能峰對應的能量計算出相應的γ射線全能峰凈面積計數率及由效率曲線內插得到該能量的全能峰效率[6]， 查找已在上位機軟件幫助一欄中建立的常用γ射線發(fā)射幾率對照表.當以上參數全部已知時,便可得到被測核素的活度.活度檢測框圖如圖1所示.

2 穩(wěn)譜方案設計

通過對系統(tǒng)電路的研究建立合適的穩(wěn)譜算法[7],先利用MSP430單片機控制調理電路的信號放大參數,補償特征峰信號的脈沖幅度變化,再通過硬件電路和軟件算法調節(jié)特征峰位所在道數的增加或減少,降低譜漂程度[8].整個系統(tǒng)盡量做到干擾降到最小,從而達到穩(wěn)譜的目的， 穩(wěn)譜設計原理框圖如圖2所示.

圖2 穩(wěn)譜設計原理框圖Fig.2 Diagram of the design principle of stable spectrum

3 穩(wěn)譜電路硬件設計

圖3 穩(wěn)譜調節(jié)硬件電路Fig.3 Hardware circuit of stable spectrum regulation

4 電源模塊設計

系統(tǒng)采用兩節(jié)12 V,1.3 Ah電池組合成±12 V電壓為電路供電,采用三端穩(wěn)壓器LM7809，LM7909，LM7805，LM7905提供+9，-9，+5，-5 V的電壓,最大能提供1.5 A的輸出電流,因此功率滿足一般的電路.在三端穩(wěn)壓器的輸入和輸出端并聯適量的濾波電容,濾除高頻干擾,以提供穩(wěn)定、 紋波小的電源[10].電路設計如圖4所示.考慮到數字部分均采用+3.3 V的工作電壓,因此需將+5 V電壓轉換為+3.3 V， 為單片機及液晶等數字部分提供工作電源[11].采用AMS1117為電路實現+5 V和+3.3 V之間的電壓轉換.

圖4 ±5，±9 V電源的設計Fig.4 Design of ±5，±9 V power supply

5 檢測系統(tǒng)的上位機軟件設計

由于數據處理復雜,需采用上位機進行更快、 更準確地數據處理[12-13]， 系統(tǒng)的軟件總體框圖如圖5所示.先利用Visual Basic 6.0軟件中的控件及繪圖函數等功能完成上位機界面的設計， 再利用最小二乘擬合法和活度計算原理,通過對數據譜的基底扣除和全能峰凈面積計算獲得被檢測物質的放射性活度值.軟件流程如圖6所示.

圖5 上位機軟件總體框圖Fig.5 Overall diagram of PC software

圖6 系統(tǒng)軟件流程Fig.6 Flowchart of system software

6 穩(wěn)譜軟件設計

下位機軟件的主要功能包括實現峰值采樣,能譜數據的存儲、 預處理及通過串口向上位機的傳送,實現友好的人機交互界面等,程序流程如圖7所示.系統(tǒng)上電復位后,先進行校正,然后啟動AD進行峰值采樣,并存儲數據.求出最大峰值后判斷是否為期望值,如果是,直接進行flash存儲,否則通過調整數字電位器校正后進行flash存儲.

7 結果分析

圖7 程序流程Fig.7 Flowchart of program

7.1 活度相對誤差 重復精度：利用放射性點源進行效率刻度,在24 h內,用60 s對同一樣品重復測量2次進行活度計算.測試結果列于表1.

表1 24 h內測量同一核素活度的重復精度Table 1 Repeated accuracy of measuring the same nuclide activity within 24 h

由表1可見,兩次核素的活度測量相對誤差為5.76%.

7.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性 在不同溫度(-5～+40 ℃)、 不同時間內測試137Cs和60Co的峰位漂移,測試結果列于表2.

表2 峰位譜漂數據Table 2 Data of peak shift

由表2可見,儀器的譜漂為±2道,具有較好的穩(wěn)定性,滿足在溫度范圍內的要求.

7.3 核素活度測量的不確定性 測量同一標準放射源60，100 s時,測量總不確定度列于表3.由表3可見， 核素活度的不確定度小于20%.

基于系統(tǒng)的誤差來源,用最小二乘曲線擬合方法進行效率刻度,減小了統(tǒng)計漲落誤差,保持了效率曲線的原有特征.系統(tǒng)通過采用全峰面積法使本底扣除精度得到提高,同時降低了全能峰凈面積的誤差,以此作為提高處理能譜數據精度的方法,并使用穩(wěn)譜技術對電路的穩(wěn)定性進行穩(wěn)譜,保證了系統(tǒng)的測量精度.

表3 測量總不確定度Table 3 Total uncertainty of measuring

綜上所述， 本文基于檢測電路能量刻度與道數的關系和特征穩(wěn)譜法， 設計了一種放射性活度檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)包含活度檢測模塊和穩(wěn)譜電路模塊.實時測試實驗表明,該系統(tǒng)操作方便、 功耗低、 性能穩(wěn)定、 測試誤差小,適于現場放射性元素的檢測.

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