用于擦拭樣品測(cè)量的便攜式α譜儀系統(tǒng)研制.pdf

1、隨著核科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，醫(yī)用放射性測(cè)量?jī)x器逐漸成為醫(yī)用儀器的重點(diǎn)發(fā)展方向之一[1]。然而，由于核素隨時(shí)間的高速蛻變，使得對(duì)含量的絕對(duì)測(cè)量和隨時(shí)進(jìn)行結(jié)果的核對(duì)增加了困難，測(cè)量結(jié)果直接影響醫(yī)療診斷[2]。因此應(yīng)用于醫(yī)療放射性樣品檢測(cè)的測(cè)量?jī)x器都要求具有能在現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量、準(zhǔn)確分析等特點(diǎn)。本文研制的“用于擦拭樣品測(cè)量的便攜式α譜儀系統(tǒng)”是應(yīng)中國(guó)某軍事醫(yī)學(xué)院的醫(yī)用檢測(cè)需求而設(shè)立的課題，其目的在于研制一款集α能譜、多道譜儀、信息處理、譜分

2、析等技術(shù)于一體，專(zhuān)門(mén)針對(duì)醫(yī)用棉簽采集的鼻腔擦拭物樣品中α污染檢測(cè)的精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)、智能直觀、輕便實(shí)用的儀器。 Α能譜是指α射線的強(qiáng)度隨能量的分布。放射性核素放出的α射線的能量一般在4～10MeV之間，是分立譜，因而能譜的測(cè)量和分析相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單[3]。在對(duì)物質(zhì)進(jìn)行成分分析時(shí)，不同元素受到相同強(qiáng)度放射源的激發(fā)會(huì)產(chǎn)生不同能量的特征能譜射線或熒光，因此通過(guò)對(duì)特征能譜射線的能量和強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行物質(zhì)成分的定性、定量分析[

3、2]。Α射線能譜儀就是一種用來(lái)測(cè)量α輻射能譜的儀器[4]。 這種譜儀通常由線性輻射探測(cè)器和電子功能單元組成。其主流結(jié)構(gòu)[15]多為：“探測(cè)器信號(hào)→前置放大器→脈沖成形與放大器→幅度分析→定標(biāo)或記錄”。隨著現(xiàn)場(chǎng)分析的需求和電子技術(shù)微型化的發(fā)展，能譜儀的整機(jī)性能正朝著強(qiáng)大的兼容性、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、擴(kuò)展靈活性以及高度便攜性等方向發(fā)展。 本文主要介紹了用于擦拭樣品測(cè)量的α能譜儀系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件功能的實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)。選用

4、鈍化離子注入硅半導(dǎo)體探測(cè)器（PIPS），以嵌入式單片機(jī)為控制平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的核心組成電路和系統(tǒng)軟件進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)。 硬件系統(tǒng)主要包括：被測(cè)樣品的安裝設(shè)計(jì)、信號(hào)的獲取、信號(hào)的放大、脈沖幅度分析、譜線的顯示等。前端設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于樣品放置的測(cè)量支架和小型化的電荷靈敏前置放大電路，與探測(cè)器一起封裝，構(gòu)成了整個(gè)儀器的測(cè)量部分；信號(hào)獲取模塊部分基于C8051F系列單片機(jī)的高性能特點(diǎn)，由模擬電路、脈沖幅度分析電路和串行通訊電路三部分組成。主要完

5、成信號(hào)的成形、放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換、譜數(shù)據(jù)獲取等工作，同時(shí)將探測(cè)器獲得的核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)即形成α射線譜供分析軟件使用。主控模塊采用液晶顯示器和鍵盤(pán)控制信號(hào)獲取模塊的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)設(shè)置，查看譜線，對(duì)譜線分析、保存、讀取、刪除等相關(guān)控制操作。此外，電路中的運(yùn)算放大器均使用單電源供電器件，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)電路，縮小了儀器體積。 軟件系統(tǒng)主要是對(duì)單片機(jī)軟件和譜分析軟件的編寫(xiě)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)主要有兩個(gè)部分，一個(gè)是信號(hào)獲取模塊

6、的軟件；一個(gè)是主控模塊的軟件。信號(hào)獲取模塊的軟件主要是在ADC轉(zhuǎn)換中斷中獲取測(cè)量數(shù)據(jù)并形成譜線，同時(shí)設(shè)計(jì)1 秒的定時(shí)器，保證每次測(cè)量的時(shí)間準(zhǔn)確，隨后通過(guò)串口通信軟件將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺啬K。 主控模塊則完成ADC數(shù)據(jù)采集，LCD 顯示，串口通訊等功能。譜分析軟件的設(shè)計(jì)是以Windows XP為平臺(tái)，采用Visual C++6. 0 構(gòu)建的程序框架進(jìn)行編寫(xiě)的。 通過(guò)對(duì)譜分析方法的深入研究，挑選了適用于本系統(tǒng)α能譜的譜光滑、尋峰

7、、峰面積計(jì)算等方法，隨后自行設(shè)計(jì)編寫(xiě)了譜分析應(yīng)用軟件。該軟件使用界面友好，功能較齊全，譜分析可達(dá)到一定的精準(zhǔn)度，可操作性強(qiáng)。 在完成了能譜儀的硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)后，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。初步測(cè)試包括功耗測(cè)試、能量分辨率測(cè)試以及系統(tǒng)精確度測(cè)試等。系統(tǒng)安裝結(jié)束后，對(duì)兩個(gè)樣品（原樣品活度標(biāo)記為3230個(gè)脈沖數(shù)/2π·分鐘和原樣品活度標(biāo)記為220.7個(gè)脈沖數(shù)/2π·分鐘的α源239Pu）分別進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果良好，驗(yàn)證了能譜