基于LabVIEW的地面伽瑪能譜儀校準(zhǔn)軟件的設(shè)計(jì)

1.引言

地面伽瑪能譜測量是利用便攜式伽瑪能譜儀直接在現(xiàn)場測定土壤、巖石中鉀、鈾、釷含量的一種核地球物理方法。在解決地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有重要作用[4].地面伽瑪能譜儀的校準(zhǔn)通常采用飽和模型法,目前，儀器校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算方法大多采用離線工計(jì)算，工作繁瑣，易出錯(cuò)。為此，筆者針對地面伽瑪能譜儀校準(zhǔn)的校準(zhǔn)系數(shù)、靈敏度系數(shù)、準(zhǔn)確度的計(jì)算特點(diǎn)，運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)出一款自動(dòng)計(jì)算軟件。

2.伽瑪能譜儀的校準(zhǔn)與檢驗(yàn)

2.1 靈敏度系數(shù)及校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算

按照規(guī)范，伽瑪能譜儀的校準(zhǔn)方程式如下：

式中，Ik、Iu、Ith分別為譜儀在模型上實(shí)測的鉀道、鈾道和釷道扣除本底后的凈計(jì)數(shù)率;QK、QU、QTh分別為模型中鉀、鈾、釷扣除本底的模型含量;ai、bi、ci(i=1,2,3)為譜儀的靈敏度系數(shù)。

簡化形式為：I=AQ,顯然：Q=A-1I,A為靈敏度系數(shù)矩陣，A的逆矩陣A-1即為譜儀的校準(zhǔn)系數(shù)矩陣。譜儀靈敏度合格[2]要求為：

Skk>=2.9cps/(%K);Suu>=0.28cps/(ppmeU);Stt>=0.11cps/(ppmeTh)。

2.2 儀器本底

伽瑪能譜儀在校準(zhǔn)檢驗(yàn)過程中，儀器本底對測量結(jié)果有很大的影響，儀器本底的測量方法有水面法，鉛室法和本底模型法，由于前兩種方法和儀器的校準(zhǔn)場地缺乏一致性，故本軟件采用本底模型法.于前兩種方法和儀器的校準(zhǔn)場地缺乏一致性，故本軟件采用本底模型法.

2.3 含量的計(jì)算

含量計(jì)算公式如方程組(2)所示：

式中，Nk、Nu、Nt為用本底模型法扣除的儀器本底計(jì)數(shù)的鉀、鈾、釷的凈計(jì)數(shù)率;QK、QU、QTh分別表示被測點(diǎn)的鉀、鈾、釷含量;Ai、Bi、Ci(i=1、2、3)為儀器相應(yīng)譜段對應(yīng)的鉀、鈾、釷的校準(zhǔn)系數(shù)。

2.4 準(zhǔn)確度檢查

使用混合模型驗(yàn)證儀器校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)好的儀器在混合模型測得的含量值相對誤差要求參考文獻(xiàn)[2],低含量的允許誤差以絕對誤差表示，高含量的允許誤差以相對誤差表示。

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，軟件首先通過讀取文件數(shù)據(jù)，選擇模型類型，就可得出校準(zhǔn)檢定結(jié)果。

軟件主要部分包括：打開文件、校準(zhǔn)/檢定結(jié)果和含量計(jì)算。打開文件部分包括測量數(shù)據(jù)的讀取、標(biāo)定模型次序的選擇和模型推薦含量的顯示，其界面如圖1所示。

測量數(shù)據(jù)可以從excel文件中導(dǎo)入，也可以通過接口直接從能譜儀讀取。校準(zhǔn)/檢定結(jié)果部分包括校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算、靈敏度系數(shù)的計(jì)算、儀器本底的計(jì)算、以及靈敏度系數(shù)和混合模型準(zhǔn)確度檢驗(yàn)，其界面如圖2所示。含量計(jì)算部分能夠根據(jù)前部分得出的校準(zhǔn)系數(shù)，進(jìn)行簡單的含量計(jì)算。

3.1 模型排序模塊設(shè)計(jì)

通常，譜儀在模型上標(biāo)定的先后順序是不定的，導(dǎo)致在對譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)檢定時(shí)，往往需要人工的將標(biāo)定數(shù)據(jù)按照一定模型順序進(jìn)行排列，增加了分析強(qiáng)度，降低了計(jì)算效率。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了模型排序模塊，只需選擇譜儀標(biāo)定模型的先后順序，就能夠進(jìn)行后面的計(jì)算，此模塊采用將“K模型”、“Th模型”、“U模型”、“混合模型”、“本底模型”分別與數(shù)字1、2、3、4、5綁定，通過數(shù)字按照從小到大的排序順序，就能將模型排序。采用whlie和for循環(huán)結(jié)構(gòu)來對程序進(jìn)行排序。

3.2 靈敏度系數(shù)和校準(zhǔn)系數(shù)模塊設(shè)計(jì)

此模塊通過“求解線性方程”控件得出靈敏度系數(shù)矩陣，通過“逆矩陣”控件得出校準(zhǔn)系數(shù)矩陣。同時(shí)，本軟件能夠自動(dòng)判定靈敏度和準(zhǔn)確度是否合格，若不合格會(huì)自動(dòng)彈出對話框顯示具體的哪個(gè)測量項(xiàng)目不合格，若合格，則會(huì)顯示合格，如圖2中的彈出對話框所示。主要是通過“顯示對話框信息”控件來實(shí)現(xiàn)的。

3.3 含量計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

依次輸入測得的鉀、鈾、釷計(jì)數(shù)率，單擊“計(jì)算”按鈕，將鉀、鈾、釷計(jì)數(shù)率通過“創(chuàng)建數(shù)組”控件成為數(shù)組，扣除本底后，通過“矩陣A×B”控件與校準(zhǔn)系數(shù)矩陣進(jìn)行矩陣運(yùn)算，就能得出相應(yīng)鉀、鈾、釷含量。

4.實(shí)例

在四川省核工業(yè)某標(biāo)準(zhǔn)體源模型站對一臺(tái)已經(jīng)校準(zhǔn)好的NP4-2型微機(jī)多道伽瑪能譜儀進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的計(jì)算結(jié)果與其他軟件的計(jì)算結(jié)果一致，因此本軟件計(jì)算可靠。

5.結(jié)束語

本文利用LabVIEW作為地面伽瑪校準(zhǔn)系數(shù)的軟件開發(fā)平臺(tái)，該系統(tǒng)具有友好的用戶界面，快速的數(shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易，靈活性和可擴(kuò)充性強(qiáng)。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：

(1)模型選擇模式極大限度的避免因人工操作引入的計(jì)算誤差。

(2)利用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地面伽瑪校準(zhǔn)系數(shù)、靈敏度系數(shù)、準(zhǔn)確度計(jì)算等多種功能。并通過實(shí)例應(yīng)用，證明該軟件設(shè)計(jì)可行。對于地面伽瑪能譜校準(zhǔn)檢驗(yàn)具有一定的借鑒意義。