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凌华PCI-9846高速数据采集仪在核能谱测量中的应用

2016/10/19 17:24:33

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详细介绍

作者

主要作者:王 辉,男,中国科学技术大学,近代物理系物理电子学专业,研一
主要作者:徐修峰,男,中国科学技术大学,近代物理系物理电子学专业,博一

应用领域

本次系统实验,我们采用凌华科技PCI-9846高速数据采集仪实现了核能谱测量。鉴于能谱分析在核领域中的重要性,可以将此卡应用到核领域及其相关拓展领域。例如科学研究中测量入射射线的能谱,利用X荧光分析仪分析确定被测样品中各组份含量,核医学中对骨质疏松进行骨密度测量,等等。

挑战

在核领域里,核脉冲信号携带着入射粒子的重要信息,它的特点是时间随机、幅度随机,真正对我们分析能谱有作用的是核脉冲信号波形,而系统大部分时间都是处于等待脉冲到来的状态。如果我们的应用软件只对脉冲波形进行处理,这样将大大减小系统死时间,提高系统工作效率。这就需要凌华公司能够提供这款采集卡的硬件参数,使得应用软件能够直接对卡进行操作,从而高效快捷地运行系统,该卡在核领域的应用范围也将大大拓展。

解决方案

该卡的生产厂商提供这款采集卡的硬件参数,实现应用软件对卡的直接操作,提高系统运行效率。

摘要

本次系统实验,我们使用了凌华PCI-9846高速数据采集仪对核脉冲信号进行波形数字化处理,利用上位机应用软件进行数据分析,从而实现了新型的对核能谱进行测量和分析的多道能谱分析系统。

一、系统研究的背景与意义

如何有效地获取和处理能谱数据是核电子学研究的重要课题。由于核辐射的随机性,能谱数据的获取就归结为对信号幅度概率分布的测定。在经典的核电子学研究中,我们使用专用的多道能谱测量与分析系统进行射线检测和能谱分析,该系统由多道脉冲幅度分析器与能谱软件组成。多道脉冲幅度分析器把输入的带有射线能量信息的脉冲信号进行波形数字化处理,即把脉冲幅度进行数字编码,然后将数据传输到计算机,通过能谱分析软件进行分析处理。多道分析器的相应道址的计数就代表相应能量粒子的计数,根据道址和相应道址的计数就能描绘出采集样品的能量分布,从而绘制出该样品的能谱曲线。

经典的多道能谱分析仪,因为其专用性所以有很多优点,比如有很好的微分非线性、很高的稳定性,但是也存在着一些不足之处。例如这种分析仪体积比较大、较为笨重,而且不能同时进行多通道的能谱测量。

因此,我们就尝试用凌华提供的PCI-9846高速数据采集卡进行能谱测量,以期望能克服传统多道分析仪的这些不足之处。从这款采集卡提供的技术资料来看,它有16位高精度AD转换器,而且采样率可达40MS/S;有4个通道可以同时采集数据,因此有可能构成并行工作的4台多道能谱分析仪,而且这种卡比较小巧、通用,所以体积上占有很大优势,多通道同时工作,可构成多通道的能谱测量系统。如果在此次系统实验中能够测量到符合电子学要求的能谱,就能将凌华的这种高速采集卡的应用拓展到一个更加广阔的领域。

二、系统介绍

系统组成框图如图1所示。

图1:多道能谱测量系统组成框图

不同的放射源放射出不同类型的微观粒子,闪烁探测器接收到这些微观粒子后,利用闪烁体在粒子的激发作用下会发光的特性来探测微观粒子。对于带电粒子,探测器主要是利用其对物质原子的电离和激发作用进行探测;对于不带电的粒子(如γ、X、n等),探测器通常都是利用其他作用机制产生次级带电粒子,通过探测次级带电粒子而间接地来探测的。

闪烁体发出的微弱光经过光电倍增管,首先在阴极上激发出光电子,然后经过多次倍增后在阳极上输出一个电脉冲讯号。

从探测器输出的电信号,经过前置放大电路进行信号放大。然后经过凌华PCI-9846高速数据采集卡进行波形数字化处理,经过上位机用户软件进行数据分析,结合能量标定,即可测量出该微观粒子的能谱曲线。

1、凌华PCI-9846高速数据采集卡

凌华PCI-9846高速数据采集卡如图2所示。


图2:凌华PCI-9846高速数据采集卡

凌华科技PCI-9846高速数据采集卡是4通道16位40MS/s采样数字化仪,专为输入信号频率高达20MHz的高频和高动态范围的信号而设计。模拟输入范围可以通过编程设置为±1V或±0.2V。配备了容量高达512MB的板载内存,摆脱了PCI总线的约束,使之能储存更长时间的波形。PCI-9846采集卡配备了4个高线性度的16位A/D转换器。

电脉冲信号传输到PCI-9846采集卡,经过16位模数转换器,可以得到216个道址。

2、上位机应用软件、能量标定

数据处理分析系统主要是由上位机应用软件实现,通过LabVIEW软件进行编程控制。由于核脉冲信号是随机产生的,数据处理分析系统要实现实时处理数据的功能,也就是对采集到的核脉冲信号能及时分析,在用户界面看到实时变化的分析结果。这里我们主要通过调用DAQPilot多态VI库,实现连续采集模拟数据模式。首先调用连续采集数据程序Continuous Acquisition Sample.vi,然后用DAQMaster设置并创建物理采集通道,再通过相关参数设置可实现连续采集的功能。

在处理数据时考虑到产生数据和处理数据的协调性,我们设置了两个模块,一个模块负责产生数据,另一个模块负责处理这些数据。为了能够高效率协调数据的产生与处理,采用生产者消费者模式。将产生数据的模块称为生产者,而将处理数据的模块称为消费者,在两者之间建立一个缓冲区作为中介,生产者把数据放入缓冲区,而消费者从缓冲区取出数据。通过缓冲区的满溢与否,调节生产者与消费者之间的节奏,实现了边采集数据边处理数据的功能。

如何判断不断变化的脉冲信号幅度峰值是完成能谱测量的关键。程序框图如图3所示:

图3:判断峰值程序框图

通过上述流程即可判断出每个过阈值的核脉冲峰值。

确定了每个核脉冲的峰值后,应用软件将峰值转化为对应的道址,将不同峰值的计数转化为相应道址的计数,可以绘制出横坐标为道址、纵坐标为计数值的幅度谱图。由于最终我们需要的是能谱图,这里我们还需对幅度谱中的道址进行能量标定,将不同道址对应到入射射线的不同能量,最终绘制出横坐标为能量值、纵坐标为计数值的能谱图。

三、系统实际测量实例

系统实际测量装置图如图4所示。

图4:系统实际测量装置图

本次系统实验采用的放射源是铯137,如图4铅盒内部所示。它是核弹、核武器试验和核反应堆内核裂变的副产品之一,会释放出伽玛射线。因为铯137的半衰期较长,达30年,如果透过进食或呼吸,摄入了铯137,或受到沉降在地面上的铯137所照射,都会对身体有较持久的影响。铯137发射0.51163兆电子伏的β射线后,转变为137Bam(或写作钡137m)。137Bam作同质异能跃迁衰变,其γ能量为0.661兆电子伏,半衰期为2.55分钟。

本系统实验所用的光电倍增管是国产GDB-50L,实验中加到光电倍增管两端的高压电大约为1700V。加到前置放大器的低压电大约为12V。高压电源和低压电源由NIM系统提供,系统如图4所示。

脉冲信号通过CH0端口进入采集卡,采用40MS/S的采样率进行数据采样,经过16位高精度AD转换器的量化编码,可以得到65536个道址,精度很高。这里我们只使用了高12位,得到4096个道址,已经满足能谱测量要求。

这些量化数据经过上位机应用软件的处理分析以及能量标定,最终绘制出了铯137的γ射线能谱图。如图5所示。图中Ee为光电峰,又称全能峰,能量值约为0.661Mev。

图5:实际测量的铯137的γ射线能谱图

四、测量结果分析

将测量得到的能谱图与理论能谱图比对,发现能谱的形状比较相似,满足高斯分布,能量计数值最多处集中在0.661Mev。由此可知实际测量与理论比较接近,符合要求。

由于凌华PCI-9846H采集卡有4个通道,我们在实验中只用了其中1个通道,因此此卡的作用并没有完全发挥出来。如果4个通道都采集处理数据,就相当于4台专用的多道脉冲幅度分析器。我们都知道,经典的核电子学测量能谱都是使用这种多道脉冲幅度分析器,它的优点不必多说,但是其体积大、笨重,不符合当今仪器小型化、轻便化的发展趋势,因此只要使用1块通用的凌华采集卡,就相当于使用了4台大体积的多道脉冲幅度分析器,采集卡的优势也就不言而喻了。

凌华PCI-9846H采集卡有着16位高精度的AD转换器,这一点也是专用的多道脉冲幅度分析器无法比拟的。16位AD意味着有216个道址,这种高精度使道址之间的间隔很微小。由于采用高12位已经满足多道分析的精度要求,实验中我们采用了高12位,形成了4096道,同时也提高了系统的微分非线性。

该卡40MS/S的高采样率,提高了系统采集数据的速率,使得它在其他条件相同的情况下比专用的多道脉冲幅度分析器有更高的运算效率。

但是同时也存在着一些问题。由于不知道该卡的硬件参数,应用程序无法直接控制硬件工作模式,难以达到最佳工作状态,导致实际中系统运行的死时间这一重要参数不是很理想,处理数据的效率并不是太高,没有充分发挥出该卡高速率的优势。

五、广泛的应用前景

在核探测技术领域里,能谱测量是核技术研究的重要内容,应用范围非常广泛。因此,研究和实现应用凌华PCI-9846高速数据采集卡进行能谱测量和分析,将有广泛的应用前景。在与能谱测量相关的诸多领域,其应用前景也是非常广泛。

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