吳黃鑫,王 強(qiáng),關(guān)興彩

(蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

高純鍺探測器能量分辨率高、線性好,是γ能譜分析的重要設(shè)備之一,在核素分析、環(huán)境輻射監(jiān)測、中子活化分析等方面應(yīng)用廣泛[1-2]。HPGe探測器實(shí)驗對于核學(xué)科人才培養(yǎng)至關(guān)重要。蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院面向本科生開設(shè)的HPGe探測器實(shí)驗課程,要求通過實(shí)驗,學(xué)生可以熟練掌握HPGe探測器的工作原理和使用方法,學(xué)會HPGe探測器的效率刻度和能量刻度方法,能夠使用HPGe探測器測量放射源的活度、甄別樣品中某種未知核素的種類等。

傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)方式雖然可以滿足教學(xué)目的,但相對枯燥,不利于學(xué)生掌握相關(guān)實(shí)驗方法和數(shù)據(jù)獲取分析?？梢暬瘜?shí)驗數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以為學(xué)生提供可視化的實(shí)驗流程和數(shù)據(jù)分析與處理平臺,減少繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算量,豐富實(shí)驗教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提升實(shí)驗課堂教學(xué)效果[3-4]。

虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件與高效的軟件實(shí)現(xiàn)各種測試、測量、自動化的應(yīng)用,具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少、集成度高等優(yōu)勢[5]。美國國家儀器(National Instruments,NI)公司推出的LabVIEW是最早開發(fā)且最具影響力的一款虛擬儀器開發(fā)平臺軟件,它采用圖形化編程方案,為使用者提供了一個具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能和直觀的基于數(shù)據(jù)流的圖形化應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境,可以實(shí)現(xiàn)測量測試、模擬仿真等諸多功能;同時,使用者還可以創(chuàng)建自定義用戶界面,簡單易行。因此,LabVIEW常被應(yīng)用于可視化實(shí)驗系統(tǒng)(平臺)的開發(fā)[6-8]。

面向蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院HPGe探測器本科生實(shí)驗教學(xué)需求,開發(fā)了基于LabVIEW的可視化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。利用LabVIEW強(qiáng)大的分析庫、程序和算法,實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗數(shù)據(jù)的分析與處理;同時,基于LabVIEW高效靈活的軟件創(chuàng)建數(shù)據(jù)分析界面實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗流程和數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化輸出,簡潔直觀,人機(jī)交互界面友好,有利于本科生實(shí)驗教學(xué)。

1 實(shí)驗原理

HPGe探測器是利用極高純度的鍺(germanium,Ge)晶體制成的P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器,它的工作原理是:入射的γ光子與Ge原子發(fā)生相互作用產(chǎn)生次級電子作用在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對,這些電子-空穴對在外電場的作用下漂移而產(chǎn)生與γ能量成正比的脈沖信號,輸出信號經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)放大成形后,通過數(shù)字化多道譜儀轉(zhuǎn)化存儲為γ能譜圖[9]。

HPGe探測器的探測效率與γ射線的能量有關(guān),同時受到探測器類型、源性質(zhì)和實(shí)驗條件等的影響。因此,在數(shù)據(jù)分析前,需采用能量、活度等信息已知的標(biāo)準(zhǔn)γ源對HPGe探測器進(jìn)行刻度。在選定的實(shí)驗條件下,測量一組具有不同能量的γ射線的能譜,得出一組全能峰能量與對應(yīng)道址的數(shù)據(jù),用最小二乘法擬合得到能量與道址的關(guān)系曲線:

E(x)=m·x+n,

(1)

其中,x表示道址;E(x)表示x道址對應(yīng)的能量;m為能量刻度常數(shù);n為截距。

同時,通過對全能峰凈計數(shù)的讀取,可進(jìn)行HPGe探測器的效率刻度。能量為Ei的γ射線的全能峰探測效率εi可表示為

(2)

其中,Ni表示能量為Ei的γ射線的全能峰凈計數(shù);Ii表示能量為Ei的γ射線的分支比;A表示標(biāo)準(zhǔn)源活度;t為測量時間。一般地,由于標(biāo)準(zhǔn)源的半衰期遠(yuǎn)大于測量時間t,所以在測量時間t內(nèi),可認(rèn)為放射源的活度不發(fā)生變化。通過最小二乘法擬合得到探測效率與全能峰能量的關(guān)系曲線[10]:

(3)

其中,E表示γ射線的能量;ε(E)表示探測效率;a、b、c、d和f均為常數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

在本科教學(xué)中,通過HPGe探測器實(shí)驗,幫助學(xué)生理解HPGe探測器的工作原理,掌握HPGe探測器的能量刻度和效率刻度方法,學(xué)會甄別樣品中未知核素的種類以及測量某種核素的活度。因此,為滿足HPGe探測器本科生實(shí)驗教學(xué)需求,開發(fā)的可視化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)須具有以下功能:刻度(效率刻度和能量刻度)、活度測量,未知源判斷[11-12]等。系統(tǒng)設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 HPGe探測器實(shí)驗可視化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計思路框圖

HPGe探測器實(shí)驗的可視化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的開始界面如圖2所示。

圖2 HPGe探測器實(shí)驗可視化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的開始界面

點(diǎn)擊“點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕即可進(jìn)入功能界面。功能界面有三個選項,分別是“刻度”“活度測量”和“未知源判斷”,可以滿足不同實(shí)驗需求。

在數(shù)據(jù)分析前,需構(gòu)建子程序?qū)崿F(xiàn)必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,程序框圖如圖3所示。時間輸入是以字符串形式輸入當(dāng)前時刻,需通過判斷語句對時間進(jìn)行分解,實(shí)現(xiàn)與時間相關(guān)的字符串與數(shù)字間的轉(zhuǎn)換,便于運(yùn)算。

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖

2.1 刻度

“刻度”可以滿足HPGe探測器使用的基本操作,進(jìn)行能量刻度和效率刻度的方法:輸入標(biāo)準(zhǔn)γ源種類、刻度時間信息和特征γ射線全能峰凈計數(shù)(測量計數(shù))及峰位置(道址),就可以進(jìn)行能量刻度和效率刻度,并顯示出刻度曲線。其中,特征γ射線全能峰凈計數(shù)和峰位置可由文本文檔給出。如圖4所示,通過條件結(jié)構(gòu),建立標(biāo)準(zhǔn)源數(shù)據(jù)庫,以提供效率計算中所需的各項參數(shù)。根據(jù)(2)式即可得出一組全能峰能量與對應(yīng)效率的數(shù)組,作為效率刻度的輸入值。在效率刻度中采用LabVIEW自帶的曲線擬合功能,根據(jù)(3)式,采用最小二乘法擬合得到探測效率刻度曲線[13],并輸出各常數(shù)量。效率刻度程序框圖如圖5所示。能量刻度采用同樣的方式完成。

圖4 刻度源數(shù)據(jù)庫建立程序框圖

圖5 效率刻度程序框圖

2.2 活度測量

“活度測量”和“未知源判斷”可以實(shí)現(xiàn)γ放射源活度測量和判斷未知γ源兩種功能。在能量刻度和效率刻度完成的前提下,輸入待測γ源的名稱、測量時間信息和特征γ射線的全能峰凈計數(shù)(測量計數(shù)),就可以利用(2)式計算出待測源的活度。如圖6所示,采用條件結(jié)構(gòu)建立待測源的數(shù)據(jù)庫,并由建立的探測效率刻度的子VI引入效率刻度曲線常量得到特定條件下探測器對待測源主γ射線的探測效率,通過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算即可得到待測源活度信息。需要說明的是,(2)式是建立在放射源半衰期長、測量時間短、認(rèn)為活度不發(fā)生變化的前提下的,但在實(shí)際情況下,尤其是當(dāng)待測源的半衰期較短時,需考慮放射源的衰變,此時活度計算公式為

(4)

其中,A為待測源活度;選擇待測源能量為Ei的主γ射線;Ni為全能峰計數(shù);εi為探測效率;Ii為能量為Ei的γ射線分支比;λ為待測源衰變常數(shù),t為測量時間。

圖6 活度測量程序框圖

2.3 未知源判斷

在能量刻度和效率刻度完成的前提下,輸入特征γ射線的峰位置(道址),運(yùn)行即可輸出該道址對應(yīng)的特征γ射線的能量以及可能的核素,實(shí)現(xiàn)未知γ源的判斷。通過建立多種常用核素主γ射線能量數(shù)據(jù)庫,如圖7所示,輸入全能峰道址,引入能量刻度曲線常量得到該道址對應(yīng)的γ射線能量,通過循環(huán)結(jié)構(gòu)將得到的γ射線能量與能量庫中的γ射線能量逐一比較后輸出該能量點(diǎn)在能量庫中的位置,判斷過程中允許能峰偏差為±0.5 keV[14],隨后通過條件結(jié)構(gòu)輸出經(jīng)判斷后的未知源名稱。

圖7 未知源判斷程序框圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行示例

3.1 刻度

實(shí)驗前,需要對HPGe探測器進(jìn)行效率刻度和能量刻度。實(shí)驗上通常采用152Eu、60Co、133Ba、241Am、137Cs等標(biāo)準(zhǔn)γ源對HPGe探測器進(jìn)行刻度。此運(yùn)行示例采用152Eu和60Co源進(jìn)行刻度,刻度源信息包括出廠日期、半衰期、出廠活度等,這些信息已錄入系統(tǒng),顯示在“刻度”板塊的左側(cè),如圖8所示?？潭仍捶旁诰嚯x探測器1 cm的位置?？潭冗^程中,記錄實(shí)驗日期、開始刻度時間、結(jié)束刻度時間和特征γ射線的全能峰凈計數(shù)(測量計數(shù))及峰位置(道址),其中,特征γ射線的全能峰凈計數(shù)和峰位置分別以“HPGe測量計數(shù)+元素符號.txt”和“HPGe峰位置+元素符號.txt”命名格式的文件輸入;刻度時選用152Eu源的能量為121.8、244.7、344.3、778.9、867.4和964.1 keV的特征γ射線和60Co源的能量為1 173.2和1 332.5 keV的特征γ射線,它們的分支比由系統(tǒng)給出并可查詢修改。運(yùn)行即可得到HPGe探測器的能量刻度曲線和效率刻度曲線,并顯示在“刻度”界面的右側(cè),如圖8所示。

圖8 刻度界面

3.2 活度測量

活度測量需要在HPGe探測器完成刻度之后進(jìn)行。在測量γ源活度時,待測γ源信息、特征γ射線的能量及分支比等信息由系統(tǒng)給出并可查詢修改。將待測γ源放入HPGe探測器進(jìn)行測量,記錄開始測量時間、結(jié)束測量時間和特征γ射線的全能峰凈面積(測量計數(shù)),錄入系統(tǒng),運(yùn)行即可得到待測源的活度信息。若待測γ源有多條特征γ射線,則可選擇其中一條進(jìn)行分析。

例如,當(dāng)測量137Cs源的活度時,如圖9所示,已知開始測量時間為15:41:38,結(jié)束測量時間為15:45:04,實(shí)驗測得能量為662 keV的特征γ射線的全能峰凈計數(shù)為42 811,錄入系統(tǒng),運(yùn)行得到137Cs源的活度為34.2 kBq,與理論計算結(jié)果(32.0 kBq)在誤差范圍內(nèi)一致。

圖9 活度測量界面

3.3 未知源判斷

未知源判斷需要在HPGe探測器完成刻度之后進(jìn)行。在進(jìn)行未知γ源判斷時,將未知γ源放入HPGe探測器進(jìn)行測量,記錄特征γ射線的峰位置,即道址,將其輸入“未知源判斷→道址1/道址2/……”,運(yùn)行即可輸出該道址對應(yīng)的特征γ射線的能量以及可能的核素。若同時有多條特征γ射線,則判斷會更加準(zhǔn)確。如圖10所示,已知實(shí)驗測得某一特征γ射線峰的道址為9 781,根據(jù)能量刻度曲線得到其對應(yīng)的特征γ射線的能量為1 276 keV,由此可判斷出該未知γ源可能為22Na源(其僅有的一條特征γ射線的能量為1 274.5 keV)。

圖10 未知源判斷界面

4 結(jié) 論

本研究開發(fā)的HPGe探測器實(shí)驗的可視化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)具有清晰直觀的數(shù)據(jù)分析界面,通過對各參數(shù)的輸入,結(jié)合各功能的開發(fā)原理,引導(dǎo)學(xué)生自主探索HPGe探測器效率刻度和能量刻度方法、學(xué)會甄別樣品中未知核素的種類以及測量某種核素的活度。與傳統(tǒng)的通過Excel或直接進(jìn)行運(yùn)算的方法相比,該系統(tǒng)的開發(fā)簡化了HPGe探測器實(shí)驗的數(shù)據(jù)分析與處理流程,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗流程和數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化輸出,豐富了實(shí)驗教學(xué)模式,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提升實(shí)驗教學(xué)效果。此外,該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于中子活化分析、核素分析、環(huán)境輻射監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。

該系統(tǒng)目前為初級版本,在升級版本中將進(jìn)一步豐富數(shù)據(jù)庫、優(yōu)化算法、美化系統(tǒng)頁面,此外,還將擴(kuò)展針對閃爍體探測器的功能[15-16],以使得系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大。LabVIEW圖形化的編程方式將激勵學(xué)生對數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的自主探究,目前可從實(shí)驗需求引導(dǎo)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的補(bǔ)充優(yōu)化、放射性測量實(shí)驗中所需的不確定度分析、活度測量中的修正系數(shù)的引入等方面引導(dǎo)學(xué)生對系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)程序的自主開發(fā)進(jìn)行探究,在程序開發(fā)過程中,有助于學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)研究邏輯的訓(xùn)練。