α，β平面源表面發射率自動測試系統應用研究

白春星，王繼山，楊誠，陳偉峰，胡慶偉

(中國人民解放軍96401 部隊80 分隊，陜西寶雞721006)

0 引言

在核能應用等國防工業領域，需大量使用α，β 平面源，α，β 平面源表面發射率的校準/檢定結果是否準確可靠直接關系著工作人員的輻射防護安全。目前，α，β 平面源表面發射率的校準/檢定工作存在以下幾個問題:一是測量過程和測量數據處理都是由檢定人員手動完成，工作效率低;二是檢定人員的重復性勞動多、強度大，易引入人為誤差;三是α，β 平面源表面發射率檢定裝置穩定性不好，導致測試數據重復性差。

為了提高α，β 平面源表面發射率校準/檢定的工作效率和準確度，適應不同領域科研和實驗的需要，研制一種高性能的α，β 平面源表面發射率自動測試系統是非常必要的。

1 系統設計方案

1.1 硬件部分設計

1.1.1 系統總體結構

系統主要由大面積流氣式2π 多絲正比計數器、高壓電源、前置放大器、主放大器、測量控制電路及數據采集電路、主控計算機等部分組成，原理結構圖如圖1所示。

圖1 系統的原理結構圖

其工作原理為:將待測的α 或β平面放射源放到2π多絲正比計數器中的源托板上，推入電離室中，電離室中通入純度為99.8%甲烷工作氣體，使之流氣，氣流速度大約為每秒1 ～2 個氣泡，當工作氣體把電離室中的空氣全部排除后，通過主控計算機上的控制電路調節高壓電源向2π 多絲正比計數器中的陽極加工作電壓，電壓通過前置放大器加到2π 多絲正比計數器陽極，待測平面源發射的帶電粒子使計數器內的工作氣體電離，形成正負離子，在電場力作用下，計數器內電極收集到負離子后形成脈沖信號，信號通過前置放大器、主放大器兩級放大后輸出到數據采集電路［1］，經A/D 變換后的數字信號通過閾值比較電路進入到計數電路，大于低端閾值且小于高端閾值的信號認為是有用信號，可使計數器響應，計數器在設定的時間間隔內計數，并在計數結束后自動關閉，主控計算機從計數器中采集數據并根據設定的程序進行處理，完成一次測量。

主控計算機控制自動改變高壓電源的電壓值，按上面的步驟進行下一次測量。通過連續多點測量后計算機給出平面源的坪曲線，并選擇坪曲線的2/3 處電壓為工作高壓進行多次測量，整個測量過程完成后，由計算機對工作高壓點測量數據進行分析處理，根據由公式(1)計算出待測放射源的表面發射率，并給出測量結果及其不確定度。

在本系統測量中還要考慮各種使測量結果發生偏離的影響因素，如死時間、本底和小能量損失等，對這些影響因素進行修正后，平面源的表面發射率N 為

式中:N' 為包括本底在內的平面源平均計數率;Nb為本底的平均計數率;τd為測試系統的死時間;η 為小能量損失校正系數。

1.2 軟件部分設計

1.2.1 系統軟件設計的總體結構

系統的軟件設計采用虛擬儀器的設計方法，利用軟件在屏幕上生成傳統的儀器面板，通過生成的儀器面板選擇α，β測試系統的各項功能，如選擇高壓電源的輸出范圍及遞增間隔，小能量損失的測量，本底測量、監督源測量、待檢源測量，確定測量時間的長短，完成數據的處理、傳送、存儲、顯示、出具檢定證書等功能。整個軟件部分的設計包括主控程序的設計、監督源測量程序模塊設計、小能量損失測量程序模塊設計、本底測量程序模塊設計、死時間測量程序模塊設計和待檢源測量程序模塊設計等，其總體結構框圖如圖2所示。

圖2 系統軟件設計的總體結構圖

軟件設計采用VB 語言開發，菜單及所有的面板均采用中文顯示方式，并給出各項操作的中文幫助和提示［2］。測試人員只需利用鍵盤和鼠標，通過操作計算機上的虛擬面板，即可完成對α，β平面源表面發射率的檢定和測試;另外，將原始數據資料保存在計算機中，可為日后的設備檢修提供第一手資料。

系統軟件的設計實現了對α，β 平面源進行自動檢定和測試的要求，并可對定標器的數據進行采集和處理，給出計量檢定的最終結果和測量不確定度。

1.2.2 系統程序的工作流程

系統加電并對主控程序調用后，程序首先對測試系統初始化、對脈沖幅度分析器和定標器進行自檢，接收鍵盤的輸入信號選擇測量類型(α 或β 測量)和測量范圍等參數。

程序對脈沖幅度分析器和定標器初始化完成后，接著進行對監督源測量程序模塊、小能量損失測量程序模塊、本底測量程序模塊、死時間測量程序模塊和待檢源測量程序模等各種功能模塊的調用，控制高壓電源輸出和整個測量過程:通過測量待測放射源坪曲線來確定工作電壓(按檢定規程工作電壓取在坪曲線的2/3 處)，在選定工作電壓和閾值的條件下進行本底測量和待測平面源表面發射率的測量;在工作電壓不變的情況下，在選定的閾值附近改變閾值的大小，作閾值(甄別電壓)與計數率的曲線，通過外推法確定小能量損失校正系數。測量完成后，主控計算機對測量數據智能化處理，對數據進行小能量損失校正、死時間校正、本底校正，并給出測量結果與測量結果的合成標準不確定度。

2 系統主要技術指標與性能測試分析

2.1 主要技術指標

系統技術指標如下:

1)測量范圍:

待檢平面源的活性區尺寸:圓形，直徑≤100 mm;矩形，面積≤150 mm×100 mm。

待檢平面源的表面發射率:α:(101～104)s-1·(2πsr)-1;β:(102～104)s-1·(2πsr)-1。

2)坪特性:坪長≥250 V;坪斜≤(1.0%)/100 V。

3)本底計數率:α:(0.01 ～1.5)/s;β:(2 ～15)/s。

4)穩定性:0.2%(8 h 連續測量)。

5)定時誤差:10-3s。

6)裝置的不確定度:≤2.0%，可檢定二級標準平面源。

2.2 性能測試分析

2.2.1 坪曲線的測量

在選定的放大倍數和閾值條件下，從α 或β 選定初始高壓點開始測量，系統以100 V 的增量連續遞增高壓，繪制電壓與計數率的關系曲線，然后確定坪區的特性。

α，β源分別為標準平面源241Am(88-33)和204Tl(96-26)，其活性區大小均為150 mm×100 mm，工作氣體為純甲烷氣體，測量的坪曲線數據如下:

241Am(88-33)的坪曲線測量:

JJG(核工)11-91《用2π 多絲正比計數器測定α，β平面源的發射率》檢定規程中“6 檢定用的標準裝置”規定:坪長≥250V，坪斜≤(0.5%)/100 V［3］。從圖3 中可知，241Am(88-33)源坪曲線的好坪區間在高壓2400 V 至2800 V 段，坪長400 V，其坪斜為0.3% /100 V，系統測量結果好于計量檢定規程的要求。

圖3 241Am(88-33)源的坪曲線

204Tl(96-26)的坪曲線測量:

從圖4 中可知，204Tl(96-26)源坪曲線的好坪區間在高壓4000 V 至4600 V 段，坪長600 V，其坪斜為0.1% /100 V，好于JJG(核工)11-91 中對裝置性能的要求:坪長≥250 V，坪斜≤0.5% /100 V。

2.2.2 不確定度

圖4 204Tl(96-26)源的坪曲線

對本系統來說，不確定度分量由以下幾部分構成:①計數統計漲落引起的不確定度分量u1;②本底漲落引起的不確定度的分量u2;③死時間誤差引入的不確定度分量u3;④小能量損失校正系數K 引入的不確定度分量u4;⑤裝置8 h 穩定性引入的不確定度分量u5。

由以上不確定度分量，得出α 或β 源表面發射率測量的合成標準不確定度［4］uc:

按照國家α，β 平面源表面發射率檢定規程中規定的檢定方法，對本系統進行測試驗證，整套系統滿足α，β 平面源表面發射率測量的不確定度要求。α 平面源表面發射率測量不確定度≤2.0%，β 平面源表面發射率測量不確定度≤2.0%。

3 結論

系統設計采用了近年來傳感器技術、微電子技術、自動化技術、計算機技術和信息處理技術的新成果，實現了α，β 平面源表面發射率測量過程中測量信號的自動采集、測量量程的自動調節、測量過程的自動控制、測量結果的自動處理的全程自動化測量。系統成功地解決了目前在α，β 平面源表面發射率測量過程中，存在的因過多依賴人工操作和測量數據依靠手工計算、分析、處理而造成人為誤差嚴重影響測量數據準確度的技術難題，降低了測量人員的勞動強度，極大地提高了工作效率和測量準確度，其技術創新點如下:

1)測試過程的軟件智能控制

系統采用計算機軟件編程實現了高壓電源的調節、脈沖幅度分析器的數據采集、定標器計數、量程切換、閾值的設定、坪曲線的測量、死時間修正、不確定度分析等測量過程的軟件智能控制，簡化了系統的硬件結構，降低了功耗，從根本上消除了人為誤差的影響，提高了系統的可靠性和智能化程度。

2)測量數據的智能化處理系統由計算機控制對脈沖幅度分析器進行高速掃描采樣，采用計算機數據線性化處理、算術平均值處理、加權平均值計算、相關性分析等算法，實現了測量數據的快速、精確的智能化處理，提高了測量精度和速度，獲得了更加精確可靠的測量結果。

3)采用了虛擬儀器設計方法

系統采用虛擬儀器設計方法，以最少的硬件和完善的軟件實現了計量測試儀器的各項功能，降低了測試系統的成本，提高了測量系統的實用性。

4)采用了計算機技術與智能部件相結合的設計方法

本系統采用計算機作為測試控制和數據處理平臺，將計算機新技術及智能部件如智能傳感器、智能控制器等應用于測試系統，提高了系統的智能化程度和可靠性，為以后測試系統功能擴展奠定了良好的基礎。

［1］王慧.計算機控制系統［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［2］喻以光.JJG(核工)11-1991 用2π 多絲正比計數器測定α，β 平面源的發射率［S］.北京:中國核工業總公司，1991.

［3］容超凡.電離輻射計量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［4］陳衛，程禮，高星偉.基于VXI 總線的發動機自動測試系統設計［J］.計算機測量與控制，2003，11(10):788-790.