α，β平面源表面发射率自动测试系统应用研究

白春星，王继山，杨诚，陈伟峰，胡庆伟

(中国人民解放军96401 部队80 分队，陕西宝鸡721006)

0 引言

在核能应用等国防工业领域，需大量使用α，β 平面源，α，β 平面源表面发射率的校准/检定结果是否准确可靠直接关系着工作人员的辐射防护安全。目前，α，β 平面源表面发射率的校准/检定工作存在以下几个问题:一是测量过程和测量数据处理都是由检定人员手动完成，工作效率低;二是检定人员的重复性劳动多、强度大，易引入人为误差;三是α，β 平面源表面发射率检定装置稳定性不好，导致测试数据重复性差。

为了提高α，β 平面源表面发射率校准/检定的工作效率和准确度，适应不同领域科研和实验的需要，研制一种高性能的α，β 平面源表面发射率自动测试系统是非常必要的。

1 系统设计方案

1.1 硬件部分设计

1.1.1 系统总体结构

系统主要由大面积流气式2π 多丝正比计数器、高压电源、前置放大器、主放大器、测量控制电路及数据采集电路、主控计算机等部分组成，原理结构图如图1所示。

图1 系统的原理结构图

其工作原理为:将待测的α 或β平面放射源放到2π多丝正比计数器中的源托板上，推入电离室中，电离室中通入纯度为99.8%甲烷工作气体，使之流气，气流速度大约为每秒1 ～2 个气泡，当工作气体把电离室中的空气全部排除后，通过主控计算机上的控制电路调节高压电源向2π 多丝正比计数器中的阳极加工作电压，电压通过前置放大器加到2π 多丝正比计数器阳极，待测平面源发射的带电粒子使计数器内的工作气体电离，形成正负离子，在电场力作用下，计数器内电极收集到负离子后形成脉冲信号，信号通过前置放大器、主放大器两级放大后输出到数据采集电路［1］，经A/D 变换后的数字信号通过阈值比较电路进入到计数电路，大于低端阈值且小于高端阈值的信号认为是有用信号，可使计数器响应，计数器在设定的时间间隔内计数，并在计数结束后自动关闭，主控计算机从计数器中采集数据并根据设定的程序进行处理，完成一次测量。

主控计算机控制自动改变高压电源的电压值，按上面的步骤进行下一次测量。通过连续多点测量后计算机给出平面源的坪曲线，并选择坪曲线的2/3 处电压为工作高压进行多次测量，整个测量过程完成后，由计算机对工作高压点测量数据进行分析处理，根据由公式(1)计算出待测放射源的表面发射率，并给出测量结果及其不确定度。

在本系统测量中还要考虑各种使测量结果发生偏离的影响因素，如死时间、本底和小能量损失等，对这些影响因素进行修正后，平面源的表面发射率N 为

式中:N' 为包括本底在内的平面源平均计数率;Nb为本底的平均计数率;τd为测试系统的死时间;η 为小能量损失校正系数。

1.2 软件部分设计

1.2.1 系统软件设计的总体结构

系统的软件设计采用虚拟仪器的设计方法，利用软件在屏幕上生成传统的仪器面板，通过生成的仪器面板选择α，β测试系统的各项功能，如选择高压电源的输出范围及递增间隔，小能量损失的测量，本底测量、监督源测量、待检源测量，确定测量时间的长短，完成数据的处理、传送、存储、显示、出具检定证书等功能。整个软件部分的设计包括主控程序的设计、监督源测量程序模块设计、小能量损失测量程序模块设计、本底测量程序模块设计、死时间测量程序模块设计和待检源测量程序模块设计等，其总体结构框图如图2所示。

图2 系统软件设计的总体结构图

软件设计采用VB 语言开发，菜单及所有的面板均采用中文显示方式，并给出各项操作的中文帮助和提示［2］。测试人员只需利用键盘和鼠标，通过操作计算机上的虚拟面板，即可完成对α，β平面源表面发射率的检定和测试;另外，将原始数据资料保存在计算机中，可为日后的设备检修提供第一手资料。

系统软件的设计实现了对α，β 平面源进行自动检定和测试的要求，并可对定标器的数据进行采集和处理，给出计量检定的最终结果和测量不确定度。

1.2.2 系统程序的工作流程

系统加电并对主控程序调用后，程序首先对测试系统初始化、对脉冲幅度分析器和定标器进行自检，接收键盘的输入信号选择测量类型(α 或β 测量)和测量范围等参数。

程序对脉冲幅度分析器和定标器初始化完成后，接着进行对监督源测量程序模块、小能量损失测量程序模块、本底测量程序模块、死时间测量程序模块和待检源测量程序模等各种功能模块的调用，控制高压电源输出和整个测量过程:通过测量待测放射源坪曲线来确定工作电压(按检定规程工作电压取在坪曲线的2/3 处)，在选定工作电压和阈值的条件下进行本底测量和待测平面源表面发射率的测量;在工作电压不变的情况下，在选定的阈值附近改变阈值的大小，作阈值(甄别电压)与计数率的曲线，通过外推法确定小能量损失校正系数。测量完成后，主控计算机对测量数据智能化处理，对数据进行小能量损失校正、死时间校正、本底校正，并给出测量结果与测量结果的合成标准不确定度。

2 系统主要技术指标与性能测试分析

2.1 主要技术指标

系统技术指标如下:

1)测量范围:

待检平面源的活性区尺寸:圆形，直径≤100 mm;矩形，面积≤150 mm×100 mm。

待检平面源的表面发射率:α:(101～104)s-1·(2πsr)-1;β:(102～104)s-1·(2πsr)-1。

2)坪特性:坪长≥250 V;坪斜≤(1.0%)/100 V。

3)本底计数率:α:(0.01 ～1.5)/s;β:(2 ～15)/s。

4)稳定性:0.2%(8 h 连续测量)。

5)定时误差:10-3s。

6)装置的不确定度:≤2.0%，可检定二级标准平面源。

2.2 性能测试分析

2.2.1 坪曲线的测量

在选定的放大倍数和阈值条件下，从α 或β 选定初始高压点开始测量，系统以100 V 的增量连续递增高压，绘制电压与计数率的关系曲线，然后确定坪区的特性。

α，β源分别为标准平面源241Am(88-33)和204Tl(96-26)，其活性区大小均为150 mm×100 mm，工作气体为纯甲烷气体，测量的坪曲线数据如下:

241Am(88-33)的坪曲线测量:

JJG(核工)11-91《用2π 多丝正比计数器测定α，β平面源的发射率》检定规程中“6 检定用的标准装置”规定:坪长≥250V，坪斜≤(0.5%)/100 V［3］。从图3 中可知，241Am(88-33)源坪曲线的好坪区间在高压2400 V 至2800 V 段，坪长400 V，其坪斜为0.3% /100 V，系统测量结果好于计量检定规程的要求。

图3 241Am(88-33)源的坪曲线

204Tl(96-26)的坪曲线测量:

从图4 中可知，204Tl(96-26)源坪曲线的好坪区间在高压4000 V 至4600 V 段，坪长600 V，其坪斜为0.1% /100 V，好于JJG(核工)11-91 中对装置性能的要求:坪长≥250 V，坪斜≤0.5% /100 V。

2.2.2 不确定度

图4 204Tl(96-26)源的坪曲线

对本系统来说，不确定度分量由以下几部分构成:①计数统计涨落引起的不确定度分量u1;②本底涨落引起的不确定度的分量u2;③死时间误差引入的不确定度分量u3;④小能量损失校正系数K 引入的不确定度分量u4;⑤装置8 h 稳定性引入的不确定度分量u5。

由以上不确定度分量，得出α 或β 源表面发射率测量的合成标准不确定度［4］uc:

按照国家α，β 平面源表面发射率检定规程中规定的检定方法，对本系统进行测试验证，整套系统满足α，β 平面源表面发射率测量的不确定度要求。α 平面源表面发射率测量不确定度≤2.0%，β 平面源表面发射率测量不确定度≤2.0%。

3 结论

系统设计采用了近年来传感器技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术和信息处理技术的新成果，实现了α，β 平面源表面发射率测量过程中测量信号的自动采集、测量量程的自动调节、测量过程的自动控制、测量结果的自动处理的全程自动化测量。系统成功地解决了目前在α，β 平面源表面发射率测量过程中，存在的因过多依赖人工操作和测量数据依靠手工计算、分析、处理而造成人为误差严重影响测量数据准确度的技术难题，降低了测量人员的劳动强度，极大地提高了工作效率和测量准确度，其技术创新点如下:

1)测试过程的软件智能控制

系统采用计算机软件编程实现了高压电源的调节、脉冲幅度分析器的数据采集、定标器计数、量程切换、阈值的设定、坪曲线的测量、死时间修正、不确定度分析等测量过程的软件智能控制，简化了系统的硬件结构，降低了功耗，从根本上消除了人为误差的影响，提高了系统的可靠性和智能化程度。

2)测量数据的智能化处理系统由计算机控制对脉冲幅度分析器进行高速扫描采样，采用计算机数据线性化处理、算术平均值处理、加权平均值计算、相关性分析等算法，实现了测量数据的快速、精确的智能化处理，提高了测量精度和速度，获得了更加精确可靠的测量结果。

3)采用了虚拟仪器设计方法

系统采用虚拟仪器设计方法，以最少的硬件和完善的软件实现了计量测试仪器的各项功能，降低了测试系统的成本，提高了测量系统的实用性。

4)采用了计算机技术与智能部件相结合的设计方法

本系统采用计算机作为测试控制和数据处理平台，将计算机新技术及智能部件如智能传感器、智能控制器等应用于测试系统，提高了系统的智能化程度和可靠性，为以后测试系统功能扩展奠定了良好的基础。

［1］王慧.计算机控制系统［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［2］喻以光.JJG(核工)11-1991 用2π 多丝正比计数器测定α，β 平面源的发射率［S］.北京:中国核工业总公司，1991.

［3］容超凡.电离辐射计量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［4］陈卫，程礼，高星伟.基于VXI 总线的发动机自动测试系统设计［J］.计算机测量与控制，2003，11(10):788-790.