梁飛翔，曾健安，陳梓豪，楊秦月，唐 強(qiáng)

(中山大學(xué) a.物理學(xué)院；b.物理學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510275)

放射性材料與技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、醫(yī)療、探測等方面[1-3]. 學(xué)習(xí)核物質(zhì)放射性不僅可以增強(qiáng)對核衰變統(tǒng)計規(guī)律的認(rèn)知，而且對掌握輻射探測器的工作原理有重要的指導(dǎo)作用. 在高校核物理實驗中，通過調(diào)節(jié)高壓、閾值和放大倍數(shù)等參量測量輻射探測系統(tǒng)的性能[4]，頻繁地調(diào)節(jié)操作會導(dǎo)致儀器性能變化甚至損壞. 本文研制了全數(shù)字化的定標(biāo)器，采用數(shù)字電位器，配合數(shù)字顯示，使得儀器操作非常簡便，增強(qiáng)了定標(biāo)器的耐用性和穩(wěn)定性，更加適合本科生的實驗操作. 數(shù)字信號相比于模擬信號而言，具有信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累等優(yōu)點. 使用新型定標(biāo)器β探頭接收Sr90放射源的輻射信號，驗證了放射性統(tǒng)計分布的規(guī)律.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 定標(biāo)器硬件設(shè)計

定標(biāo)器的功能硬件包括脈沖信號放大器、單道、定時計數(shù)器、前放供電電路和高壓模塊，與光電倍增管(PMT)輻射探測器組成完整的輻射計數(shù)系統(tǒng)，用于測量放射性強(qiáng)度. 定標(biāo)器電路主要包含單片機(jī)、電源、高壓模塊、放大器、單道、D/A轉(zhuǎn)換器、顯示端(2個串口連接的電腦和顯示屏)和用戶輸入端，如圖1所示.

圖1 定標(biāo)器硬件電路圖

系統(tǒng)采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM處理器STM32F103作為核心，利用芯片內(nèi)的定時器和計數(shù)器實現(xiàn)核脈沖的計數(shù)和統(tǒng)計.

單次測量過程如下：Sr90放射源發(fā)生核衰變產(chǎn)生的β粒子被PMT俘獲并且產(chǎn)生電流脈沖；通過放大器將該脈沖放大并且利用單道進(jìn)行篩選，將該信號反饋至STM32；STM32通過DA模塊反饋并且控制PMT的高壓值、放大器的放大倍數(shù)以及單道的閾值和道寬.

為實現(xiàn)精簡和友好的輸入控制界面，在輸入部分設(shè)計了具有參量切換和數(shù)值調(diào)節(jié)的電位器，實現(xiàn)所有參量的輸入，如圖2中控制面板左下角較大的綠色按鈕. 按下參量切換按鈕，可以在8個參量(計數(shù)時間、計數(shù)次數(shù)、停頓時間、電壓極向、擋位、高壓、閾值、道寬)之間進(jìn)行切換. 選定參量后，旋轉(zhuǎn)設(shè)置按鈕，調(diào)節(jié)數(shù)值大小. 待所有試驗參量設(shè)置完畢后，按下啟動按鈕，開始探測輻射粒子并計數(shù).

圖2 核衰變統(tǒng)計規(guī)律定標(biāo)器實物圖

為實現(xiàn)全數(shù)字化控制和操作，系統(tǒng)采用AD5324芯片作為D/A轉(zhuǎn)換器，在STM32的控制下，輸出4路控制信號：高壓、放大倍數(shù)、單道的上閾值和下閾值. 通過數(shù)字電位器設(shè)置相關(guān)參量值，傳遞給STM32，從而控制傳輸給D/A轉(zhuǎn)換器的變量值，實現(xiàn)關(guān)鍵參量的調(diào)整.

儲存和通訊：STM32內(nèi)部包含F(xiàn)lash，可以保存9 999個32位測試數(shù)據(jù)，同時具有掉電保護(hù)信息不丟失的功能，即使實驗過程中斷電或者誤操作導(dǎo)致某次統(tǒng)計數(shù)據(jù)失敗，也不會影響之前的測量數(shù)據(jù)，從而降低了實驗過程中由于儀器故障導(dǎo)致的實驗失敗概率. 通過串口連接到顯示面板顯示結(jié)果，由實驗操作者手動記錄實驗數(shù)據(jù). 學(xué)生可以直接對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計放射性物質(zhì)的衰變規(guī)律. 另外，還可以通過串口與計算機(jī)相連，快速讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析.

1.2 軟件設(shè)計

采用MDK設(shè)計了STM32的單片機(jī)程序，包括串口程序模塊、定時器、計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器及用戶輸入模塊等. 嵌入式軟件程序示意圖如圖3所示.

測量過程如下：

1)接通電源后，根據(jù)用戶操作執(zhí)行命令.

2)用戶先進(jìn)行參量設(shè)置，參量設(shè)置完畢后，按下啟動按鈕(圖2中右側(cè)第3個按鈕)，初始化寄存器.

3)開始測量后，ARM處理器根據(jù)參量設(shè)定中的計數(shù)時間進(jìn)行統(tǒng)計計數(shù)，顯示面板上實時顯示計數(shù)結(jié)果并記錄.

4)軟件根據(jù)記錄參量設(shè)定中的計數(shù)次數(shù)判斷是否完成測量，如果未完成，則開始下次計數(shù);如果計數(shù)完成，本次實驗結(jié)束，回到用戶設(shè)置參量步驟.

圖3 嵌入式軟件程序示意圖

在串口中斷進(jìn)行計算機(jī)讀取數(shù)據(jù)的操作. 當(dāng)計算機(jī)發(fā)出讀取指令時，STM32根據(jù)指令參量將保存在存儲器的數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī).

2 實驗設(shè)計

根據(jù)光電倍增管的工作原理，倍增極之間的電壓差越大，最后倍增得到的電子越多，得到的脈沖電信號越強(qiáng)[5]，可見閃爍體探頭的工作狀態(tài)與加在倍增管上的高壓存在一定的增益關(guān)系. 因此在使用光電倍增管閃爍體探頭前，需要先測量其電壓工作曲線.

測定電壓工作曲線的一般方法是：緩慢調(diào)節(jié)高壓，找出剛剛有計數(shù)值時的電壓，并從該電壓開始以特定的電壓步長依次測量計數(shù)值，做計數(shù)值隨電壓的變化曲線. 選取計數(shù)值較為平穩(wěn)區(qū)域的中心，以此作為光電倍增管的工作電壓.

除了工作電壓外，定標(biāo)器的工作狀態(tài)還與計數(shù)時間、閾值、道寬、放大倍數(shù)等參量有關(guān)，采用類似的方法得到其他合適的參量值.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 測定合適參量

在開始測試放射源Sr90的放射性統(tǒng)計規(guī)律之前，需要把定標(biāo)器的參量調(diào)節(jié)到合適的工作區(qū)間，以保證測量數(shù)據(jù)的真實性和有效性. 需要調(diào)節(jié)的參量主要有PMT工作電壓、閾值、道寬、放大倍數(shù)等.

3.2 單次低計數(shù)時核衰變規(guī)律符合的泊松分布

3.2.1 數(shù)據(jù)測量與處理

(a)N=1 000

(b)N=2 000

(c)N=3 500圖4 頻率與計數(shù)值的關(guān)系曲線(泊松擬合)

3.2.2 誤差分析

s只反映統(tǒng)計漲落的影響，而sx不僅反映統(tǒng)計漲落的影響，還包括其他偶然因素造成的數(shù)據(jù)離散分布. 兩者一致，說明測量過程中，除粒子的統(tǒng)計漲落影響外，其他因素不造成影響或者影響可被忽略.

從統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差和樣品相對偏差的計算值，可以定性地判斷實驗裝置是否存在除統(tǒng)計偏差外的偶然因素.χ2檢驗法則[8]從數(shù)理統(tǒng)計意義上給出了比較精確的判別方法.

將對放射源Sr90重復(fù)測量數(shù)據(jù)1～20分為j=20組，用序號表示，i=1,2,3,…,j，則

其中，fi為各組實際觀測次數(shù)，fi′為各組理論分布次數(shù).

3.3 單次高計數(shù)時核衰變規(guī)律符合的高斯分布

3.3.1 數(shù)據(jù)測量與處理

(a)N=1 500

(b)N=3 500

(c)N=5 500圖5 頻率與計數(shù)值的關(guān)系曲線(高斯擬合)

3.3.2 誤差分析

若計數(shù)值服從高斯分布，則以sx/2為組距的各相應(yīng)理論組的頻率P為

圖6 理論數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比(N=5 500)

4 結(jié)束語

根據(jù)電子電路技術(shù)相關(guān)知識，利用PMT探測輻射粒子原理，研制了用于近代物理實驗中核衰變統(tǒng)計規(guī)律的定標(biāo)器. 以高性能、低成本的STM32F103單片機(jī)作為數(shù)字電路核心控制部件，可以增強(qiáng)信號傳輸過程的穩(wěn)定性；采用數(shù)字電位器作為輸入，增強(qiáng)了本科實驗教學(xué)儀器的耐用性. 粒子物理與高能物理作為當(dāng)前基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿課題，輻射探測技術(shù)也將與諸多學(xué)科相互交叉，展現(xiàn)出更加豐富的研究內(nèi)容.