放射性活度檢測系統(tǒng)設(shè)計

刁 庶,王 君,2,凌振寶,2

(1.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長春 130026；2.吉林大學(xué) 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(guān)注,環(huán)境中的放射性問題[2]已引起人們廣泛關(guān)注.傳統(tǒng)放射性檢測儀的脈沖檢測系統(tǒng)多數(shù)以大量的模擬器件為主構(gòu)成,儀器成本較高,且當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生變化時易產(chǎn)生漂移,使測量結(jié)果出現(xiàn)誤差.目前,國內(nèi)的放射性檢測儀采用數(shù)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(fù)雜等問題,不能適應(yīng)現(xiàn)場測量的便攜式要求.本文基于放射性檢測儀的現(xiàn)狀,設(shè)計一種以單片機為核心,計算機為輔助設(shè)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(shù)的關(guān)系進行放射性所對應(yīng)元素的活度計算,利用Visual Basic完成上位機軟件開發(fā),實現(xiàn)放射性元素含量的計算.

1 活度檢測方案設(shè)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(shù)間的關(guān)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(biāo)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(yīng)關(guān)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(yīng)的能量計算出相應(yīng)的γ射線全能峰凈面積計數(shù)率及由效率曲線內(nèi)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(dāng)以上參數(shù)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(shè)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(diào)理電路的信號放大參數(shù),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(diào)節(jié)特征峰位所在道數(shù)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(shè)計原理框圖如圖2所示.

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

3 穩(wěn)譜電路硬件設(shè)計

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

4 電源模塊設(shè)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(lián)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(shè)計如圖4所示.考慮到數(shù)字部分均采用+3.3 V的工作電壓,因此需將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V， 為單片機及液晶等數(shù)字部分提供工作電源[11].采用AMS1117為電路實現(xiàn)+5 V和+3.3 V之間的電壓轉(zhuǎn)換.

圖4 ±5，±9 V電源的設(shè)計Fig.4 Design of ±5，±9 V power supply

5 檢測系統(tǒng)的上位機軟件設(shè)計

由于數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,需采用上位機進行更快、 更準確地數(shù)據(jù)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(shù)等功能完成上位機界面的設(shè)計， 再利用最小二乘擬合法和活度計算原理,通過對數(shù)據(jù)譜的基底扣除和全能峰凈面積計算獲得被檢測物質(zhì)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(shè)計

下位機軟件的主要功能包括實現(xiàn)峰值采樣,能譜數(shù)據(jù)的存儲、 預(yù)處理及通過串口向上位機的傳送,實現(xiàn)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(fù)位后,先進行校正,然后啟動AD進行峰值采樣,并存儲數(shù)據(jù).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(diào)整數(shù)字電位器校正后進行flash存儲.

7 結(jié)果分析

圖7 程序流程Fig.7 Flowchart of program

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

表1 24 h內(nèi)測量同一核素活度的重復(fù)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(nèi)測試137Cs和60Co的峰位漂移,測試結(jié)果列于表2.

表2 峰位譜漂數(shù)據(jù)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(nèi)的要求.

7.3 核素活度測量的不確定性 測量同一標(biāo)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(shù)據(jù)精度的方法,并使用穩(wěn)譜技術(shù)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(shù)的關(guān)系和特征穩(wěn)譜法， 設(shè)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(xiàn)場放射性元素的檢測.

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