劉　建，胡孟春，唐登攀，張建華，甫躍成，陳鈺鈺

(中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川綿陽　621900)

0　引言

脈沖輻射探測器是診斷脈沖輻射源內(nèi)部發(fā)生的瞬態(tài)、劇烈反應過程的核心器件，其性能參數(shù)包括靈敏度、時間響應等直接決定測試數(shù)據(jù)的質(zhì)量[1-2]。傳統(tǒng)的靈敏度標定實驗，測量數(shù)據(jù)由實驗人員手工抄錄，且只能記錄到儀器顯示某一時刻的瞬態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少、人為和統(tǒng)計誤差較大，從而造成靈敏度標定精度不高。文中利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，通過GPIB-USB卡控制Keithley 6517A靜電計，搭建了一套脈沖輻射探測器靈敏度標定系統(tǒng)，提高了探測器靈敏度標定精度。

1　標定系統(tǒng)構(gòu)成

脈沖輻射探測器通常工作在電流模式，其靈敏度定義為[1]：

式中：I(E)為探測器輸出的電流值；φ(E)為探測器測點處的輻射注量率。

靈敏度標定系統(tǒng)如圖1所示，單能輻射經(jīng)準直屏蔽后入射到探測器，與探測器靈敏介質(zhì)相互作用產(chǎn)生電信號或先產(chǎn)生光信號再經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換后輸出電信號，隨后電信號由同軸電纜傳輸至電流儀進行測量，最后通過PC端的“測量程序”完成對測量數(shù)據(jù)的自動采集、處理和存儲。由于脈沖輻射探測器靈敏度很低，輸出電流為pA～μA量級，因此要求高精度電流儀能夠測量到pA級電流。6517A型靜電計，電流測量范圍達10-16～10-2A且具有低偏置電流(3 fA)、低噪聲(0．75 fA p-p)[3]，非常適合標定系統(tǒng)的測量要求。靜電計通過GPIB-USB控制卡將GPIB接口轉(zhuǎn)換成USB接口，以便直接與PC計算機進行通訊?？刂瓶ú捎肗I公司生產(chǎn)的 GPIB-USB-HS，該卡在標準IEEE 488協(xié)議下數(shù)據(jù)傳輸速度為1．8 MB/s，采用高速IEEE 488協(xié)議(HS488)時速度可達7．7 MB/s[4]，且具有擴展性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，能很好地滿足系統(tǒng)要求。

圖1　標定系統(tǒng)框圖

2　標定系統(tǒng)的軟件設計

軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺，采用基于事件結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)者/消費者設計模式，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示[5]。軟件流程圖如圖3所示，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與顯示、數(shù)據(jù)存儲等模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊并行，采用隊列作為數(shù)據(jù)緩存器，前者負責把采集到的數(shù)據(jù)放入隊列，后者則不停地從隊列中取出數(shù)據(jù)并完成處理、顯示及保存。

圖2　生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)模型

圖3　標定系統(tǒng)軟件流程圖

2．1數(shù)據(jù)采集模塊的設計

為了提高數(shù)據(jù)采集的定時精度，數(shù)據(jù)采集模塊采用了定時循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)周期由采集間隔參數(shù)進行設置。模塊中使用SCPI命令實現(xiàn)對6517A的控制，SCPI是一種建立在標準IEEE488．1和IEEE488．2基礎上的標準化儀器編程語言，采用一套樹狀分層結(jié)構(gòu)的命令集，可用一條足夠長的命令直接實現(xiàn)某個功能。6517A中相關(guān)的SCPI命令功能如下[6]：

(1)：SENSe1子命令集用于配置和控制測量參數(shù)；

(2)：SYSTem子命令集用于設置與系統(tǒng)相關(guān)的各種命令；

(3)：FORMat子命令集用于選擇通過數(shù)據(jù)總線輸出的數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)采集模塊包括儀器初始化和電流采集2個部分，其中儀器初始化包括儀器復位、選定電流測量方式、選擇數(shù)據(jù)輸出格式、選定動態(tài)測量范圍、設置NPLC等，儀器初始化程序框圖如圖4所示，電流采集程序框圖如圖5所示。由于6517A采用GPIB總線與PC端連接，因此模塊中采用LabVIEW函數(shù)庫的GPIB函數(shù)實現(xiàn)與6517A的通訊，其中GPIB寫入函數(shù)用于向6517A發(fā)送各種命令，GPIB讀取函數(shù)用于接收6517A 返回的各種信息，如測量數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等。

圖4　儀器初始化程序框圖

圖5　電流采集程序框圖

2．2數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的設計

數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的部分程序框圖如圖6所示，模塊的主要功能包括實時顯示電流值-時間曲線，實時處理平均電流值、測量標準差、總電荷、靈敏度等。電流值的實時顯示采用了LabVIEW的波形圖表控件，與波形圖控件不同，波形圖表并不一次性接收所有數(shù)據(jù)，而是逐點接收并同步顯示。數(shù)據(jù)的實時處理是個動態(tài)過程，包括了從開始采集時刻到分析時刻內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，因此采用了循環(huán)結(jié)構(gòu)中的反饋節(jié)點，將上一次循環(huán)的值自動傳遞到下一次循環(huán)從而實現(xiàn)動態(tài)處理，需要注意的是循環(huán)開始前必須對反饋節(jié)點進行初始化，否則多次的采集數(shù)據(jù)會被累加，從而造成結(jié)果出錯。

2．3數(shù)據(jù)存儲模塊的設計

數(shù)據(jù)存儲模塊包括了兩部分，一部分實現(xiàn)將采集到的電流值以文本文件的形式在計算機中保存，作為原始實驗數(shù)據(jù)方便日后進行查閱分析；另一部分實現(xiàn)將實驗條件和實驗結(jié)果如探測器信息、輻射源信息、測點注量率、平均電流值、靈敏度等以EXCEL文件格式進行存儲，其程序框圖如圖7所示。

3　標定系統(tǒng)實驗測試

測試實驗采用了源強已知的60Co同位素源和靈敏度已知的光電探測器，實驗布局如圖1所示。圖8是標定系統(tǒng)軟件在實驗中的實時截圖，從圖中可以看出：軟件實時顯示了16：38：47～16：39：06時間段內(nèi)各時刻的實測電流，同時還提供了已用時間、平均電流值、標準偏差、注量率、靈敏度等實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了探測器輸出電流的自動采集和處理、探測器靈敏度的實時計算、實驗條件和實驗結(jié)果的規(guī)范化存儲等預期功能。

4　結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺的脈沖輻射探測器靈敏度標定系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，測量與控制精度高，與傳統(tǒng)的標定方法相比，自動化程度高，克服了數(shù)據(jù)量少、人為和統(tǒng)計誤差較大等不足，提高了脈沖輻射探測器靈敏度標定精度。目前該系統(tǒng)已成功應用于脈沖輻射探測器性能研究中，為國家大型試驗提供了可靠的基礎數(shù)據(jù)。

圖6　數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的部分程序框圖

圖7　數(shù)據(jù)存儲模塊的部分程序框圖

圖8　軟件前面板

參考文獻：

[1]劉慶兆．脈沖輻射場診斷技術(shù)．北京：科學出版社，1994．

[2]歐陽曉平．脈沖中子、伽馬探測系統(tǒng)性能表征與設計技術(shù)．中國工程科學，2009，11(5)：44-53．

[3]Keithley Instruments inc．Model 6517A Electrometer service Manual．Cleveland：Keithley，1999．

[4]National Instruments inc．GPIB Hardware Guide．Texas：NI，2010．

[5]阮奇楨．我和LabVIEW．北京：北京航空航天大學出版社，2009．

[6]Keithley Instruments inc．Model 6517A Electrometer User?s Manual．Cleveland：Keithley，2003．