基于LabⅤIEW 的虚拟γ谱仪设计＊

覃国秀，潘靓亮，关百尧，李凡

（沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136）

γ能谱分析在核技术应用领域应用广泛，尤其在核能应用、环境辐射监测、核辐射防护、核素分析以及在矿物勘察中都发挥着十分重要的作用[1-3]。常用的γ谱仪一般是由核辐射探测器、多道脉冲幅度分析器和γ谱分析软件系统组成[4]。因此，目前γ谱仪产品基本上都是采用独立的多道脉冲幅度分析器，其造价昂贵，且缺乏灵活性和可扩充性。

虚拟仪器是一种以计算机为硬件平台的仪器系统，用户可根据自己的需要进行设计，在相关软件上实现与传统仪器一致的功能，且设计的软件具有与传统仪器相似的面板。在对虚拟仪器进行测试的时候，只需在计算机上对仪器面板进行调节即可得到测试的结果。此外，虚拟仪器还可利用计算机的扩展功能，通过I/O 接口设备将模拟信号采集到计算机上进行处理和分析。虚拟仪器已在许多领域得到广泛应用，其功能多样、界面友好、操作简便，可与许多设备集成。虚拟仪器的关键是软件，目前最常用的虚拟仪器开发软件是LabⅤIEW。LabⅤIEW 是美国国家仪器公司（NI）在1986 年推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图像化开发集成环境[5-6]。基于LabⅤIEW 的虚拟仪器开发技术，通过数据采集卡将常规仪器与计算机软件相结合，使常规仪器的性能得到大幅度的提高[7]。为了提高γ谱仪系统的互用性、灵活性和最大限度地降低成本，本文基于虚拟仪器技术开发了一套虚拟γ谱仪系统，采用LabⅤIEW 软件实现了γ谱的平滑、寻峰和峰面积计算等功能。

1 总体设计

目前，虚拟仪器的硬件平台一般由计算机和相应的I/O 接口设备组成，虚拟仪器常用的I/O 接口设备很多，根据总线类型可分为5 种：PC-DAQ 系统、GPIB系统、ⅤXI 系统、PXI 系统和串口系统。其中应用最广泛的是PC-DAQ/PCI 系统，该系统将数据采集卡插入计算机的插槽，其构成简单、价格便宜，常用于各种工业测控现场、高校实验室及科研机构。该虚拟γ谱仪的设计思路是利用高速数据采集卡将探测器输出的模拟信号转换为数字信号，然后通过计算机编写的软件完成相应的γ谱分析，其结构框图如图1 所示。

图1 虚拟γ谱仪结构框图

探测器的作用是将辐射源衰变放出的射线转换成信号，该虚拟γ谱仪的探测器部分采用NaI（Tl）闪烁体。探测器探测到核辐射信号后，使用线性放大器对其进行初步放大再传送到数据采集卡上。数据采集卡将采集到的核辐射信号，经过A/D 转换，转换为数字信号，然后即可在计算机上对这些信号进行处理。

2 软件设计及测试

γ谱分析的主要作用是，通过测量给出样品中放射性核素的种类和含量信息。由于γ射线在探测器中沉积能量有多种方式，使得γ谱较复杂。使用LabⅤIEW 设计的虚拟γ谱仪应是一个集数据采集、处理和文件的读写为一体的完整的应用程序。

2.1 数据采集

数据采集技术是LabⅤIEW 的核心技术，该技术通过数据采集卡从核辐射探测器获得核信号。在使用LabⅤIEW 进行虚拟仪器设计时，需在计算机PCI 插槽上安装好数据采集卡，然后再安装数据采集卡的驱动程序，并进行必要的配置。在完成数据采集卡的安装之后，使用LabⅤIEW 设计了数据采集的程序，并对该程序进行调试，以确保能够将核信号完整地采集到计算机上。

2.2 能谱分析

设计的虚拟γ谱仪能谱分析部分包括能谱刻度模块、能谱平滑模块、寻峰信息模块、峰面积计算模块以及核素识别模块，其前面板如图2 所示。图2 中，通过文件读取模式获取了某个样品的γ谱，并对该γ谱进行了分析，给出了分析结果。

图2 虚拟γ谱仪的前面板

2.2.1 能量刻度

γ能谱分析属于相对测量，在得到能谱数据之前需要使用标准源来获取能量与道址的关系，这就是所谓的能量刻度。能量刻度的作用主要有2 方面：①根据未知样品中核素峰位与标准源相应γ射线峰位对比，明确所测量的核素种类；②由能量刻度结果评价γ能谱仪系统的线性优劣。在能谱分析测量过程中，能量刻度的功能是求出γ射线能量与谱仪道址的函数关系，通过该函数可明确测量得到γ谱中谱峰的能量与峰位道址的关系。完成能量刻度之后，通过寻峰即可准确找出各个峰所对应的能量，然后根据该能量就可知道该峰对应的核素，从而完成核素识别。所设计的虚拟γ谱仪采用的是比较简单的方法，那就是测量某个标准源，获取2 条特征γ射线的能谱，然后通过2 点求解直线关系式对全谱进行能谱刻度。一般，在程序中，可以根据已知条件做拟合曲线，代入峰值即可实现能量刻度。能量刻度的前面板及其测试结果如图3 所示。

图3 能量刻度前面板及其测试

2.2.2 能谱平滑

在γ能谱测量中，由于射线与探测器相互作用是随机的，且测量过程中会受到外界及仪器本身噪声的影响，因此获得的能谱数据有很大的涨落，如果不进行处理会使测量结果产生较大误差。能谱平滑就是通过数学方法对获得的能谱进行处理，降低统计涨落的影响，使测量结果更准确[8]。设计的虚拟γ谱仪可根据需要选择采用重心法、多项式最小二乘移动平滑法和傅里叶变换法对谱数据进行平滑处理。设计的虚拟γ谱仪采用的是多项式最小二乘移动平滑法，该方法最早用于γ谱数据的平滑处理。其基本原理是：首先确定平滑之后能谱数据中的某个点m，并在该点左右两边各取k个数据点，这些数据点共2k+1 个，形成一个2k+1 的数据段。使用多项式对该这段数据进行拟合，拟合之后的γ谱原始数据在m点的值就是平滑之后的γ谱数据在m点的值。m点随着数据不断移动，最终整个谱数据都得到平滑处理。图2 中的能谱为使用多项式最小二乘移动平滑法处理后的结果，经过处理后的谱数据其统计涨落减少了很多，但能谱峰的形状和峰的净面积都没有产生很大变化。

2.2.3 寻峰

寻峰在γ能谱分析中的作用是在能谱中找到正确的峰位，从而进行定性分析，即明确样品中存在哪种核素。在能谱分析的时候，如何准确地计算出能谱中各个峰的峰位是核素识别的关键。由于γ能谱测量过程中统计涨落的影响及射线与物质相互作用形式的不同，得到的γ能谱是比较复杂的。虽然能谱平滑可减少统计涨落的影响，使寻峰、确定峰位及峰边界更容易，但是想要将能谱中所有的峰找出来是比较困难的。当存在很高的康普顿平台或统计涨落影响很大的时候，能谱中的弱峰和重峰就很难分辨。目前最常用的寻峰方法包括导数寻峰法、简单比较法、协方差法、高斯乘积函数法和对称零面积法等。针对不同的γ谱仪可采用不同的方法进行寻峰，或者同时采用多种方法进行寻峰以便于比较。不过不管是哪一种方法，其寻峰一般可分为2 个步骤：第一步是进行谱变换，该步骤的作用与谱平滑相似，即通过采用能谱平滑方法尽量地减少统计涨落对能谱分析的影响，使谱峰的形状更明显，峰位信息更突出；第二步是进行峰判定，即判别寻找到的谱峰是否符合设定的条件，如果符合则为真峰，否则为假峰。

根据谱分析在寻峰时对重峰分辨、弱峰识别及剔除假峰等能力的需要，设计的虚拟γ谱仪采用了简单比较法、导数法和对称零面积法来完成寻峰的任务，使用者可根据谱数据的实际来选择合适的寻峰方法。图2显示的是导数法的寻峰结果，对比谱数据发现该寻峰方法能够将谱中全部的峰都寻找出来了。

2.2.4 能量分辨率

在γ能谱分析中，在相同情况下，能够分辨的峰更多，则相应的能量分辨率越高。能量分辨率是对探测器是否能够区分2 个相近能谱峰的一种量度。可定义为：

式（1）中：h0为测量的γ射线特征峰峰位；Δh1/2为相应γ射线特征峰的半高宽。

使用LabⅤIEW 按照式（1）设计了能量分辨率的计算程序，使用该程序对第8 个峰（331 道）进行计算，结果如图4 所示，该程序不但能给出能量分辨率，还能计算出峰的半高宽。

图4 能量分辨率的计算结果

2.2.5 峰面积计算

峰面积的计算是放射性核素含量分析的重要依据。在测量获得的γ能谱中，一般将谱峰左、右边界以内各道的计数总和称为峰的总面积，它包括了谱数据的本底和净面积。谱数据的本底为谱峰左、右边界内本底曲线所包围的面积（计数总和）；谱峰的总面积减去本底面积得到的就是谱峰的净面积。根据射线与物质相互作用的原理可知，谱峰的净面积代表了放射性核素特征γ射线在核辐射探测器中通过光电效应沉积的能量，因此谱峰的净面积与该射线的强度成线性关系。目前比较常用的方法有总峰面积法、科沃尔峰面积法、瓦森峰面积法、斯托林斯基峰面积法、奎特纳峰面积法等[1]。设计的虚拟γ谱仪采用的是总峰面积法，其计算公式为：

式（2）中：yi为峰区第i道的计数。图2 的面积信息当中显示了由总峰面积法计算得到的结果。

2.2.6 核素识别

能谱定性分析的目的是获取所测待测核素的种类。由于每一种放射性核素所发出的特征射线能量不同，因此可以根据测量得到的射线峰对应的能量来确定所含的各类核素。设计的虚拟γ谱仪可以自动完成核素的识别功能，从而确定测量的样品中存在的核素的种类。核素识别的作用是从获得的能谱数据中寻找出与能谱峰对应的核素。为了进行核素识别，需要预先存放有关的结构体成员，这些结构体成员将各种核素发射的特征γ射线按照能量大小及其对应核素进行排序并存储；然后在各个成员中列出核素的有关数据，如半衰期、主峰能量和其他验证峰的能量、发射概率；最后根据所寻到的峰能量进行信息检索，查出该峰可能属于哪种核素以及这种核素的相关信息。

设计的虚拟γ谱仪通过构建一个结构体，结构体中包括各核素成员，成员信息包括核素名称、主峰能量、活度、半衰期、含量等，在程序中加入一个分支结构，由核素对应道址经过能量刻度后得到核素的射线能量，查找分支结构中所对应的这个能量，当然这个能量包含一定尺度的能量窗，这样就可以得到结构体中对应的成员名，查找成员名所包含的信息就是该核素所有的信息。

3 结论

本文基于虚拟仪器平台设计了一套虚拟γ谱仪系统，该系统包括硬件部分和软件2 个部分。硬件部分包括核辐射探测器和高速数据采集卡，主要实现核辐射测量及核信号的采集功能。软件部分采用图形化编程语言LabⅤIEW 实现γ谱数据的处理，能够完成γ谱数据的平滑、寻峰、能谱刻度、能量分辨率和峰面积的计算等功能。经过测试发现，所设计虚拟γ谱仪的性能达到了实际应用的要求。基于LabⅤIEW 虚拟仪器技术可将数据采集、数据分析以及数据显示集中在同一个环境，可以根据自己需要在虚拟仪器平台上实现集成一套完整的应用方案。其图形化编程开发平台在使用才过程中构建灵活、层次体系明晰、功能强大且人机界面友好，对实现仪器编程和数据采集提供了便捷途径，这样可大大提高工作效率。