基于LabVIEW的地面伽瑪能譜儀校準軟件的設計

【摘要】闡述利用虛擬儀器LabVIEW完成地面伽瑪能譜儀校準軟件的開發，實現校準系數、靈敏度系數、準確度計算等多項功能。并通過實例應用，證明該軟件設計可行。

【關鍵詞】虛擬儀器；LabVIEW；地面伽瑪能譜儀；校準

Abstract：This paper states software design of calculating field gamma spectrometer calibration via virtual instrument LabVIEW.The software accomplishes some functions such as the calculation of calibration coefficient，the calculation of sensitivity coefficient，the calculation of the calculation accuracy.And it proved the design software is feasibility through application instance.

Key words：virtual instrument；LabVIEW；field gamma spectrometer；calibration

1.引言

地面伽瑪能譜測量是利用便攜式伽瑪能譜儀直接在現場測定土壤、巖石中鉀、鈾、釷含量的一種核地球物理方法。在解決地球科學、環境科學等領域具有重要作用[4]。地面伽瑪能譜儀的校準通常采用飽和模型法[1-2]，目前，儀器校準系數的計算方法大多采用離線工計算，工作繁瑣，易出錯。為此，筆者針對地面伽瑪能譜儀校準的校準系數、靈敏度系數、準確度的計算特點，運用LabVIEW設計出一款自動計算軟件。

2.伽瑪能譜儀的校準與檢驗

2.1 靈敏度系數及校準系數的計算

按照規范，伽瑪能譜儀的校準方程式如下：

（1）

式中，Ik、Iu、Ith分別為譜儀在模型上實測的鉀道、鈾道和釷道扣除本底后的凈計數率；QK、QU、QTh分別為模型中鉀、鈾、釷扣除本底的模型含量；ai、bi、ci（i=1，2，3）為譜儀的靈敏度系數。

簡化形式為：I=AQ，顯然：Q=A-1I，A為靈敏度系數矩陣，A的逆矩陣A-1即為譜儀的校準系數矩陣。譜儀靈敏度合格[2]要求為：Skk>=2.9cps/（%K）；Suu>=0.28cps/（ppmeU）；Stt>=0.11cps/（ppmeTh）。

2.2 儀器本底

伽瑪能譜儀在校準檢驗過程中，儀器本底對測量結果有很大的影響，儀器本底的測量方法有水面法，鉛室法和本底模型法，由于前兩種方法和儀器的校準場地缺乏一致性，故本軟件采用本底模型法[3]。于前兩種方法和儀器的校準場地缺乏一致性，故本軟件采用本底模型法[3]。

2.3 含量的計算

含量計算公式如方程組（2）所示：

（2）

式中，Nk、Nu、Nt為用本底模型法扣除的儀器本底計數的鉀、鈾、釷的凈計數率；QK、QU、QTh分別表示被測點的鉀、鈾、釷含量；Ai、Bi、Ci（i=1、2、3）為儀器相應譜段對應的鉀、鈾、釷的校準系數。

2.4 準確度檢查

使用混合模型驗證儀器校準結果的準確性，校準好的儀器在混合模型測得的含量值相對誤差要求參考文獻[2]，低含量的允許誤差以絕對誤差表示，高含量的允許誤差以相對誤差表示。

3.軟件系統設計

本文選用LabVIEW作為軟件開發平臺，采用模塊化設計理念，軟件首先通過讀取文件數據，選擇模型類型，就可得出校準檢定結果。軟件主要部分包括：打開文件、校準/檢定結果和含量計算。打開文件部分包括測量數據的讀取、標定模型次序的選擇和模型推薦含量的顯示，其界面如圖1所示。測量數據可以從excel文件中導入，也可以通過接口直接從能譜儀讀取。校準/檢定結果部分包括校準系數的計算、靈敏度系數的計算、儀器本底的計算、以及靈敏度系數和混合模型準確度檢驗，其界面如圖2所示。含量計算部分能夠根據前部分得出的校準系數，進行簡單的含量計算。

3.1 模型排序模塊設計

通常，譜儀在模型上標定的先后順序是不定的，導致在對譜儀進行校準檢定時，往往需要人工的將標定數據按照一定模型順序進行排列，增加了分析強度，降低了計算效率。在本系統設計中增加了模型排序模塊，只需選擇譜儀標定模型的先后順序，就能夠進行后面的計算，此模塊采用將“K模型”、“Th模型”、“U模型”、“混合模型”、“本底模型”分別與數字1、2、3、4、5綁定，通過數字按照從小到大的排序順序，就能將模型排序。采用whlie和for循環結構來對程序進行排序。

3.2 靈敏度系數和校準系數模塊設計

此模塊通過“求解線性方程”控件得出靈敏度系數矩陣，通過“逆矩陣”控件得出校準系數矩陣。同時，本軟件能夠自動判定靈敏度和準確度是否合格，若不合格會自動彈出對話框顯示具體的哪個測量項目不合格，若合格，則會顯示合格，如圖2中的彈出對話框所示。主要是通過“顯示對話框信息”控件來實現的。

3.3 含量計算模塊設計

依次輸入測得的鉀、鈾、釷計數率，單擊“計算”按鈕，將鉀、鈾、釷計數率通過“創建數組”控件成為數組，扣除本底后，通過“矩陣A×B”控件與校準系數矩陣進行矩陣運算，就能得出相應鉀、鈾、釷含量。

4.實例

在四川省核工業某標準體源模型站對一臺已經校準好的NP4-2型微機多道伽瑪能譜儀進行檢驗，得到的計算結果與其他軟件的計算結果一致，因此本軟件計算可靠。

5.結束語

本文利用LabVIEW作為地面伽瑪校準系數的軟件開發平臺，該系統具有友好的用戶界面，快速的數據處理能力。系統設計容易，靈活性和可擴充性強。本文的主要創新點包括：（1）模型選擇模式極大限度的避免因人工操作引入的計算誤差。（2）利用LabVIEW作為軟件開發平臺，實現地面伽瑪校準系數、靈敏度系數、準確度計算等多種功能。并通過實例應用，證明該軟件設計可行。對于地面伽瑪能譜校準檢驗具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]P.G.基林.野外伽瑪能譜儀的標定方法[J].國外放射性地質，1972（02）：26-28.

[2]中華人民共和國核行業標準.地面伽瑪能譜測量規范[Z].1998.

[3]毛利戰.關于伽瑪能譜儀本底測定與方法的討論[J].鈾礦地質，1993，9（6）：362-366.

[4]王南萍，裴少英，黃英，等.環境γ能譜測量方法研究及應用[J].輻射防護，2005，25（6）：348-356.

基金項目：國家“863計劃”項目“高精度伽瑪能譜儀研發”（項目編號：2012AA06180303）資助。

作者簡介：鄭秀紅（1988—），女，江西撫州人，在讀碩士研究生，研究方向：輻射防護及環境保護。