應(yīng)用領(lǐng)域

　　本次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，我們采用凌華科技PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)了核能譜測(cè)量。鑒于能譜分析在核領(lǐng)域中的重要性，可以將此卡應(yīng)用到核領(lǐng)域及其相關(guān)拓展領(lǐng)域。例如科學(xué)研究中測(cè)量入射射線(xiàn)的能譜，利用X熒光分析儀分析確定被測(cè)樣品中各組份含量，核醫(yī)學(xué)中對(duì)骨質(zhì)疏松進(jìn)行骨密度測(cè)量，等等。

　　挑戰(zhàn)

　　在核領(lǐng)域里，核脈沖信號(hào)攜帶著入射粒子的重要信息，它的特點(diǎn)是時(shí)間隨機(jī)、幅度隨機(jī)，真正對(duì)我們分析能譜有作用的是核脈沖信號(hào)波形，而系統(tǒng)大部分時(shí)間都是處于等待脈沖到來(lái)的狀態(tài)。如果我們的應(yīng)用軟件只對(duì)脈沖波形進(jìn)行處理，這樣將大大減小系統(tǒng)死時(shí)間，提高系統(tǒng)工作效率。這就需要凌華公司能夠提供這款采集卡的硬件參數(shù)，使得應(yīng)用軟件能夠直接對(duì)卡進(jìn)行操作，從而高效快捷地運(yùn)行系統(tǒng)，該卡在核領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也將大大拓展。

　　解決方案

　　該卡的生產(chǎn)廠(chǎng)商提供這款采集卡的硬件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件對(duì)卡的直接操作，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

　　摘要

　　本次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，我們使用了凌華PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集儀對(duì)核脈沖信號(hào)進(jìn)行波形數(shù)字化處理，利用上位機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)了新型的對(duì)核能譜進(jìn)行測(cè)量和分析的多道能譜分析系統(tǒng)。

　　一、系統(tǒng)研究的背景與意義

　　如何有效地獲取和處理能譜數(shù)據(jù)是核電子學(xué)研究的重要課題。由于核輻射的隨機(jī)性，能譜數(shù)據(jù)的獲取就歸結(jié)為對(duì)信號(hào)幅度概率分布的測(cè)定。在經(jīng)典的核電子學(xué)研究中，我們使用專(zhuān)用的多道能譜測(cè)量與分析系統(tǒng)進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)和能譜分析，該系統(tǒng)由多道脈沖幅度分析器與能譜軟件組成。多道脈沖幅度分析器把輸入的帶有射線(xiàn)能量信息的脈沖信號(hào)進(jìn)行波形數(shù)字化處理，即把脈沖幅度進(jìn)行數(shù)字編碼，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過(guò)能譜分析軟件進(jìn)行分析處理。多道分析器的相應(yīng)道址的計(jì)數(shù)就代表相應(yīng)能量粒子的計(jì)數(shù)，根據(jù)道址和相應(yīng)道址的計(jì)數(shù)就能描繪出采集樣品的能量分布，從而繪制出該樣品的能譜曲線(xiàn)。

　　經(jīng)典的多道能譜分析儀，因?yàn)槠鋵?zhuān)用性所以有很多優(yōu)點(diǎn)，比如有很好的微分非線(xiàn)性、很高的穩(wěn)定性，但是也存在著一些不足之處。例如這種分析儀體積比較大、較為笨重，而且不能同時(shí)進(jìn)行多通道的能譜測(cè)量。

　　因此，我們就嘗試用凌華提供的PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行能譜測(cè)量，以期望能克服傳統(tǒng)多道分析儀的這些不足之處。從這款采集卡提供的技術(shù)資料來(lái)看，它有16位高精度AD轉(zhuǎn)換器，而且采樣率可達(dá)40MS/S;有4個(gè)通道可以同時(shí)采集數(shù)據(jù)，因此有可能構(gòu)成并行工作的4臺(tái)多道能譜分析儀，而且這種卡比較小巧、通用，所以體積上占有很大優(yōu)勢(shì)，多通道同時(shí)工作，可構(gòu)成多通道的能譜測(cè)量系統(tǒng)。如果在此次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中能夠測(cè)量到符合電子學(xué)要求的能譜，就能將凌華的這種高速采集卡的應(yīng)用拓展到一個(gè)更加廣闊的領(lǐng)域。

　　二、系統(tǒng)介紹

　　系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1：多道能譜測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

　　不同的放射源放射出不同類(lèi)型的微觀(guān)粒子，閃爍探測(cè)器接收到這些微觀(guān)粒子后，利用閃爍體在粒子的激發(fā)作用下會(huì)發(fā)光的特性來(lái)探測(cè)微觀(guān)粒子。對(duì)于帶電粒子，探測(cè)器主要是利用其對(duì)物質(zhì)原子的電離和激發(fā)作用進(jìn)行探測(cè);對(duì)于不帶電的粒子(如γ、X、n等),探測(cè)器通常都是利用其他作用機(jī)制產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，通過(guò)探測(cè)次級(jí)帶電粒子而間接地來(lái)探測(cè)的。

　　閃爍體發(fā)出的微弱光經(jīng)過(guò)光電倍增管，首先在陰極上激發(fā)出光電子，然后經(jīng)過(guò)多次倍增后在陽(yáng)極上輸出一個(gè)電脈沖訊號(hào)。

　　從探測(cè)器輸出的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。然后經(jīng)過(guò)凌華PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行波形數(shù)字化處理，經(jīng)過(guò)上位機(jī)用戶(hù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合能量標(biāo)定，即可測(cè)量出該微觀(guān)粒子的能譜曲線(xiàn)。

　　1、凌華PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡

　　凌華PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡如圖2所示。

圖2：凌華PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡

　　凌華科技PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡是4通道16位40MS/s采樣數(shù)字化儀，專(zhuān)為輸入信號(hào)頻率高達(dá)20MHz的高頻和高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)而設(shè)計(jì)。模擬輸入范圍可以通過(guò)編程設(shè)置為±1V或±0.2V。配備了容量高達(dá)512MB的板載內(nèi)存，擺脫了PCI總線(xiàn)的約束，使之能儲(chǔ)存更長(zhǎng)時(shí)間的波形。PCI-9846采集卡配備了4個(gè)高線(xiàn)性度的16位A/D轉(zhuǎn)換器。

　　電脈沖信號(hào)傳輸?shù)絇CI-9846采集卡，經(jīng)過(guò)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以得到216個(gè)道址。

　　2、上位機(jī)應(yīng)用軟件、能量標(biāo)定

　　數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)主要是由上位機(jī)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行編程控制。由于核脈沖信號(hào)是隨機(jī)產(chǎn)生的，數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的功能，也就是對(duì)采集到的核脈沖信號(hào)能及時(shí)分析，在用戶(hù)界面看到實(shí)時(shí)變化的分析結(jié)果。這里我們主要通過(guò)調(diào)用DAQPilot多態(tài)VI庫(kù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集模擬數(shù)據(jù)模式。首先調(diào)用連續(xù)采集數(shù)據(jù)程序Continuous Acquisition ，然后用DAQMaster設(shè)置并創(chuàng)建物理采集通道，再通過(guò)相關(guān)參數(shù)設(shè)置可實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集的功能。

　　在處理數(shù)據(jù)時(shí)考慮到產(chǎn)生數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)性，我們?cè)O(shè)置了兩個(gè)模塊，一個(gè)模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，另一個(gè)模塊負(fù)責(zé)處理這些數(shù)據(jù)。為了能夠高效率協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與處理，采用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式。將產(chǎn)生數(shù)據(jù)的模塊稱(chēng)為生產(chǎn)者，而將處理數(shù)據(jù)的模塊稱(chēng)為消費(fèi)者，在兩者之間建立一個(gè)緩沖區(qū)作為中介，生產(chǎn)者把數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，而消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)。通過(guò)緩沖區(qū)的滿(mǎn)溢與否，調(diào)節(jié)生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間的節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)了邊采集數(shù)據(jù)邊處理數(shù)據(jù)的功能。

　　如何判斷不斷變化的脈沖信號(hào)幅度峰值是完成能譜測(cè)量的關(guān)鍵。程序框圖如圖3所示：

圖3：判斷峰值程序框圖

　　通過(guò)上述流程即可判斷出每個(gè)過(guò)閾值的核脈沖峰值。

　　確定了每個(gè)核脈沖的峰值后，應(yīng)用軟件將峰值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的道址，將不同峰值的計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)道址的計(jì)數(shù)，可以繪制出橫坐標(biāo)為道址、縱坐標(biāo)為計(jì)數(shù)值的幅度譜圖。由于最終我們需要的是能譜圖，這里我們還需對(duì)幅度譜中的道址進(jìn)行能量標(biāo)定，將不同道址對(duì)應(yīng)到入射射線(xiàn)的不同能量，最終繪制出橫坐標(biāo)為能量值、縱坐標(biāo)為計(jì)數(shù)值的能譜圖。

　　三、系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量實(shí)例

　　系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量裝置圖如圖4所示。

圖4：系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量裝置圖

　　本次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用的放射源是銫137，如圖4鉛盒內(nèi)部所示。它是核彈、核武器試驗(yàn)和核反應(yīng)堆內(nèi)核裂變的副產(chǎn)品之一，會(huì)釋放出伽瑪射線(xiàn)。因?yàn)殇C137的半衰期較長(zhǎng)，達(dá)30年，如果透過(guò)進(jìn)食或呼吸，攝入了銫137，或受到沉降在地面上的銫137所照射，都會(huì)對(duì)身體有較持久的影響。銫137發(fā)射0.51163兆電子伏的β射線(xiàn)后，轉(zhuǎn)變?yōu)?37Bam(或?qū)懽麂^137m)。137Bam作同質(zhì)異能躍遷衰變，其γ能量為0.661兆電子伏，半衰期為2.55分鐘。

　　本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所用的光電倍增管是國(guó)產(chǎn)GDB-50L，實(shí)驗(yàn)中加到光電倍增管兩端的高壓電大約為1700V。加到前置放大器的低壓電大約為12V。高壓電源和低壓電源由NIM系統(tǒng)提供，系統(tǒng)如圖4所示。

　　脈沖信號(hào)通過(guò)CH0端口進(jìn)入采集卡，采用40MS/S的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過(guò)16位高精度AD轉(zhuǎn)換器的量化編碼，可以得到65536個(gè)道址，精度很高。這里我們只使用了高12位，得到4096個(gè)道址，已經(jīng)滿(mǎn)足能譜測(cè)量要求。

　　這些量化數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上位機(jī)應(yīng)用軟件的處理分析以及能量標(biāo)定，最終繪制出了銫137的γ射線(xiàn)能譜圖。如圖5所示。圖中Ee為光電峰，又稱(chēng)全能峰，能量值約為0.661Mev。

圖5：實(shí)際測(cè)量的銫137的γ射線(xiàn)能譜圖

　　四、測(cè)量結(jié)果分析

　　將測(cè)量得到的能譜圖與理論能譜圖比對(duì)，發(fā)現(xiàn)能譜的形狀比較相似，滿(mǎn)足高斯分布，能量計(jì)數(shù)值最多處集中在0.661Mev。由此可知實(shí)際測(cè)量與理論比較接近，符合要求。

　　由于凌華PCI-9846H采集卡有4個(gè)通道，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中只用了其中1個(gè)通道，因此此卡的作用并沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。如果4個(gè)通道都采集處理數(shù)據(jù)，就相當(dāng)于4臺(tái)專(zhuān)用的多道脈沖幅度分析器。我們都知道，經(jīng)典的核電子學(xué)測(cè)量能譜都是使用這種多道脈沖幅度分析器，它的優(yōu)點(diǎn)不必多說(shuō)，但是其體積大、笨重，不符合當(dāng)今儀器小型化、輕便化的發(fā)展趨勢(shì)，因此只要使用1塊通用的凌華采集卡，就相當(dāng)于使用了4臺(tái)大體積的多道脈沖幅度分析器，采集卡的優(yōu)勢(shì)也就不言而喻了。

　　凌華PCI-9846H采集卡有著16位高精度的AD轉(zhuǎn)換器，這一點(diǎn)也是專(zhuān)用的多道脈沖幅度分析器無(wú)法比擬的。16位AD意味著有216個(gè)道址，這種高精度使道址之間的間隔很微小。由于采用高12位已經(jīng)滿(mǎn)足多道分析的精度要求，實(shí)驗(yàn)中我們采用了高12位，形成了4096道，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的微分非線(xiàn)性。

　　該卡40MS/S的高采樣率，提高了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率，使得它在其他條件相同的情況下比專(zhuān)用的多道脈沖幅度分析器有更高的運(yùn)算效率。

　　但是同時(shí)也存在著一些問(wèn)題。由于不知道該卡的硬件參數(shù)，應(yīng)用程序無(wú)法直接控制硬件工作模式，難以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)際中系統(tǒng)運(yùn)行的死時(shí)間這一重要參數(shù)不是很理想，處理數(shù)據(jù)的效率并不是太高，沒(méi)有充分發(fā)揮出該卡高速率的優(yōu)勢(shì)。

　　五、廣泛的應(yīng)用前景

　　在核探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域里，能譜測(cè)量是核技術(shù)研究的重要內(nèi)容，應(yīng)用范圍非常廣泛。因此，研究和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用凌華PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行能譜測(cè)量和分析，將有廣泛的應(yīng)用前景。在與能譜測(cè)量相關(guān)的諸多領(lǐng)域，其應(yīng)用前景也是非常廣泛。

（轉(zhuǎn)載）