虚拟仪器法设计数据快速采集γ射线能谱仪

    γ 射线能谱测量是一种重要的核地球物理方法，在地球科学、核科学及环境科学中应用广泛^[1]。近些年来，我国先后 研制了 256 道微机化能谱仪、轻便能谱测井仪、手持 NaI 多道谱仪等。特别是随着微型机引入 γ 能谱仪，研制出了 2048 道能谱测井仪，以及建材专用低本底多道 γ 能谱仪系统等。这些仪器由探测器、多道分析器、计算机三部分组成。探测器采集的信号输入到多道谱分析器，在多道脉冲幅度分析器中放大、整形及 A/D 转换，再将幅度分析数据进行计算机处理。

    随着虚拟仪器（Virtual instrument，VI）技术的发展，通过软件设计开发，不仅可缩短研发周期、降低开发成本、方便系统维护，并可取代传统仪器中的硬件来实现仪器的功能，仪器设计更为灵活和开放。

    采用 LabVIEW 开发平台，可合理使用其接口技术，结合其它开发软件的性能，以及软件工程的思想，采用软件复用的方式组装已有的软构件，切实解决设计过程中存在的问题，弥补 LabVIEW 自身的不足^[2]。

    1 系统概述

    1.1 硬件组成

    本设计硬件部分由探头、采集卡、计算机（虚拟 γ 能谱仪软件系统）三部分组成。与现行虚拟仪器中独立的多道分析系统比较，本设计在结构上更为紧凑。

    γ 能谱探头采用通用 NaI 探头，信号幅度 0.05—3.5V，信号脉冲宽度 1—5 μs，噪声<0.03V，输入工作电压为+12V，输出信号幅度范围为 0—6.8V，能量分辨率≤12％。采用 PCI-DAS4020/12 数据采集卡，该卡为四道 PCI 总线插卡，每通道一路 A/D，采样速率为单通道 20MHz 连续、双通道 20MHz连续、四通道 10MHz 连续，12Bit A/D 分辨率采集数据，A/D 转换时间 40ns，输入带宽 17MHz，精度3.0LSB，典型值 5.5LSB，DMA 数据传输，总线控制。此外，采集卡上所有地址、中断、通道均由软件设置，支持 Labview^[3]。探头输出信号由数据采集卡采 样，采样值经 ADC 转换成数字信号，保存在采集卡的临时环形缓冲区。采集卡通过 PCI 总线与计算机相连，将数据送入计算机内存缓冲区，然后通过多道脉冲幅度分析模块对内存缓冲区的数据进行幅度提取和分类。 LabVIEW 函数库中提供了可用作幅度提取的寻峰模块，但因其通用性，降低了运行速度。为此，该系统设计了相应的幅度提取模块。该模块只分析随机核脉冲信号的幅度分 布，即单参数脉冲幅度分析。在采样率确定的情况下，如出现 3 个连续上升的采样点，且紧随该采样点之后的 2 个采样点依次下降，则确认该采样脉冲为峰值读入。由于 DAQ 采样缓冲后采用分块隔离读取，所以在每次数据处理时重复读入上一次采样的最后两个采样点，以减小分块隔离造成的影响。这样，连续的采样数据经过幅度提取运 算得到脉冲幅度值，作为幅度谱存储的地址码。按地址码取出该道已有数据送到数据寄存器上进行加 1 操作，再将寄存器中的新数据写入该道中，谱数据存储单元的地址码和计数值共同送入谱显示窗口，以道址为横坐标、以计数为纵坐标在屏幕上实时显示。