伽瑪射線能譜測量是一種重要的核地球物理方法，是解決地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等有關(guān)問題的主要手段之。隨著科技的不斷發(fā)展，伽瑪能譜儀的研究技術(shù)不斷趨于成熟，其設(shè)計(jì)朝著多道便攜式、微機(jī)化、多功能的方向發(fā)展。先后出現(xiàn)了AMPTEK公司生產(chǎn)的GAMMA -8000（512道）m、Terraplus公司生產(chǎn)的GR320（可選道數(shù)256/512）及北京核儀器廠生產(chǎn)的BH1936A（1024道）12-3.此類儀器設(shè)計(jì)均采用：伽瑪能譜探測器、多道脈沖幅度分析器和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成。因此，目前出現(xiàn)的能譜儀產(chǎn)品均是采用核探測器加上獨(dú)立的多道脈沖幅度分析器，價(jià)格昂貴，缺乏靈活性和可擴(kuò)充性。

　　虛擬儀器技術(shù)（VI）將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在儀器領(lǐng)域，改變傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用方式，實(shí)現(xiàn)測量信息遠(yuǎn)程共享、綜合分析、評估等功能。本文利用“軟件就是儀器”的思想，結(jié)合軟件工程設(shè)計(jì)原理完成虛擬儀器開發(fā)。其特色是在伽瑪能譜儀的開發(fā)過程中引入了虛擬儀器技術(shù)，使開發(fā)出來的儀器不管是硬件還是軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)互換性的特點(diǎn)。

　　1硬件組成能譜儀由伽瑪能譜探頭、通用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。伽瑪能譜探測器采用通用NaI探頭：信號幅度0.05~3.5V，輸出信號幅度范圍為0 ~6.8V，信號脈沖寬度1~5ps，能量分辨率矣12%.通用數(shù)據(jù)采集卡采用MeasurementComputing公司的PCI -DAS4020/12，該卡為四道PCI總線插卡，其模擬輸入分辨率為12bits，采樣速率可達(dá)20MHzH.計(jì)算機(jī)為普通臺式計(jì)算機(jī)。組成伽瑪能譜儀的硬件都是通用組件，不需進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。

　　軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案概述本設(shè)計(jì)利用LabVIEW平臺強(qiáng)大的開發(fā)功能進(jìn)行前面板和測試功能程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含數(shù)據(jù)流管理、采集控制、多道幅度分析和譜分析等功能模塊。

　　其工作過程可大致描述如下：通過數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集，利用采集控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地處理、傳輸及存儲，然后將數(shù)據(jù)送入多道幅度分析模塊完成譜數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)化，與此同時(shí)，調(diào)用實(shí)時(shí)顯示模塊將譜數(shù)據(jù)以圖形的形式進(jìn)行顯示。系統(tǒng)還提供了譜分析功能模塊，根據(jù)用戶的不同需要完成對譜數(shù)據(jù)的各種性能處理。

　　伽瑪能譜儀面板設(shè)計(jì)前面板設(shè)計(jì)采用符合Windows界面編制準(zhǔn)則的菜單編輯器實(shí)現(xiàn)，菜單功能主要通過Event Structure結(jié)構(gòu)完成15-6，為用戶提供簡潔、友好的編輯環(huán)境。前面板主要包括：菜單、譜線顯示窗口、采集控制、采集卡配置、含量信息顯示等功能模塊。

　　米用Queue技術(shù)的多線程米集程序代碼如所示：2.3關(guān)鍵技術(shù)分析在以軟件為核心的虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件不但要完成對采集卡的控制，還要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、顯示、響應(yīng)用戶指令等系列任務(wù)，有時(shí)還要完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；因此，系統(tǒng)開銷很大，對實(shí)時(shí)性要求很高。

　　以數(shù)據(jù)采集控制模塊為例，在采集模塊中要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制的同時(shí)，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。在盡可能的提高運(yùn)行效率的同時(shí)，還要避免各個(gè)進(jìn)程之間的速度不匹配，如：當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊運(yùn)行速度快于數(shù)據(jù)分析模塊運(yùn)行速度，就會使某些數(shù)據(jù)得不到分析，反之，會使同一次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次分析，數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)分析模塊速度不匹配的話，也會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

　　譜數(shù)據(jù)讀取對話框?yàn)闈M足實(shí)時(shí)性要求，并保證數(shù)據(jù)的完整性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“Queue緩存多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制”：該機(jī)制采用*先出（FIFO）的結(jié)構(gòu)作為公共數(shù)據(jù)域，為各個(gè)功能模塊提供獨(dú)立又相互制約的數(shù)據(jù)通道。

　　為三個(gè)進(jìn)程提供數(shù)據(jù)緩存，進(jìn)而制約了三個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程之間的調(diào)用，從而解決了速度匹配問題。具體程序中三個(gè)任務(wù)在獨(dú)立的while循環(huán)線程中運(yùn)行，程序開始時(shí)由CreateQueue.vi創(chuàng)建了原始數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)兩個(gè)隊(duì)列，然后把采集到的數(shù)據(jù)由InsertQueueElement.vi插入到原始數(shù)據(jù)隊(duì)列中，在第二個(gè)while中，由RemoveQueueElement.vi把數(shù)據(jù)移出隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過隊(duì)列Queue起到了約束、補(bǔ)償?shù)木彺孀饔?，制約了三個(gè)線程的數(shù)據(jù)調(diào)用，使得三個(gè)獨(dú)立的線程相互，避免了數(shù)據(jù)遺漏或是重復(fù)分析的情況。

　　2.4功能模塊設(shè)計(jì)2.4.1數(shù)據(jù)流管理數(shù)據(jù)流操作與管理是測試系統(tǒng)軟件開發(fā)的重要組成部分，根據(jù)能譜儀的實(shí)際需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下幾種文件類型：數(shù)據(jù)：2048道譜數(shù)據(jù)、采集時(shí)間、總峰數(shù)、UThK含量。可在其他文本編輯器（如記事本）或電子表格（如EXCEL）中打開。譜文件讀取對話框如所示。

　　值的數(shù)據(jù)，共2048個(gè)，其中道數(shù)值為‘0’表示該道數(shù)據(jù)未選中，不屬于加亮區(qū)；反之，值為‘1'用戶可通過鍵盤左右方向鍵進(jìn)行左、右選擇加亮某道，加亮的某道數(shù)據(jù)以紅色表示；可通過Del鍵來逐道刪除所選加區(qū)。選定加亮區(qū)后，可根據(jù)需要保存加亮區(qū)。同時(shí)也可以直接打開已保存的加亮區(qū)文件。

　　只要單擊“文件管理”譜圖保存“菜單即可實(shí)現(xiàn)保存。譜圖保存源碼如所示：配置文件（。config）：把用戶常用的配置保存起來，想用的時(shí)候可以直接調(diào)用，以免重復(fù)設(shè)置。

　　格式為：日期與時(shí)間+采樣率+外觸發(fā)+觸發(fā)閾值+采集時(shí)間+譜數(shù)據(jù)存儲地址+連續(xù)采集。采用LabVIEW提供的OpenConfigData.vi、WriteKey.vi等可完成配置文件的寫入與讀取操作。

　　加亮區(qū)顯示2.4.2多道脈沖幅度分析模塊系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊將采樣值讀入內(nèi)存緩沖區(qū)，完成從采集卡到系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。虛擬多道脈沖幅度分析程序的功能就是針對內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰，找出脈沖幅度值，然后對每個(gè)脈沖幅度進(jìn)行分析，在幅度大小相應(yīng)的道址上作加1計(jì)數(shù)。

　　可直接對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰，得到峰位、幅度及方差等信息。但由于其通用性，降低了它的運(yùn)行速度。為了提高性能，系統(tǒng)利用運(yùn)行速度更快的C語言自定義了尋峰模塊的動態(tài)鏈接庫，具體代碼如下：尋峰求分辨率對話框該功能模塊的設(shè)計(jì)中也需要考慮采樣率與脈沖幅度分析速率的匹配問題，即系統(tǒng)軟件的尋峰及幅度提取運(yùn)行速度與數(shù)據(jù)采集速度的匹配，避免脈沖數(shù)據(jù)大量丟失。系統(tǒng)通過Queue緩存多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制完成速率的匹配問題。此外，模塊增加了閾值確定模塊，保證只在脈沖幅度超過閾值時(shí)才產(chǎn)生觸發(fā)，以提高數(shù)據(jù)的有效性。綜上，采用純軟件編制的多道脈沖幅度分析器是高速、可靠的。

　　2.4.3數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊完成經(jīng)過多道脈沖幅度分析模塊處理后的數(shù)據(jù)顯示，以道址為橫坐標(biāo)，以計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)，具體代碼如所示：現(xiàn)°8.界面如所示：在實(shí)時(shí)采集過程中，可以通過鍵盤方向鍵的上下鍵實(shí)現(xiàn)縱坐標(biāo)的放大和縮小，以便根據(jù)需求查看相對應(yīng)區(qū)間的詳細(xì)情況。同時(shí)可以用鼠標(biāo)拖動光標(biāo)或用鍵盤上的左右鍵移動光標(biāo)，來顯示光標(biāo)所在位置的道數(shù)和計(jì)數(shù)。此外，程序中設(shè)置了加亮區(qū)的選擇和刪除功能，加亮區(qū)文件的保存與讀取功能。加亮區(qū)可以通過鍵盤上的左右鍵（通過功能鍵F7切換，實(shí)現(xiàn)左右鍵功能的變換）進(jìn)行選擇，并以紅色區(qū)塊顯示，并可以通過Del鍵逐道刪除所選的加亮區(qū)。

　　2.4.4譜分析模塊尋峰求分辨率在尋峰求分辨率模塊所要完成的主要任務(wù)就是查找峰位以及計(jì)算峰高一半處以道址為單位的寬度。能量分辨率是指對于某一給定的能量，探測器能分辨的兩個(gè)粒子能量之間的zui小相對差值的量度。能量分辨率可定義如公式（1）所示：址；Ahw表示在峰位一半高處，所得的以道址為單位的寬度。尋峰求分辨率對話框如所示。

　　積分區(qū)間計(jì)數(shù)積分區(qū)間計(jì)數(shù)的功能：計(jì)算用戶輸入的兩個(gè)道2.4.4.3譜尋峰尋峰是定位能譜中的全部有效峰。在譜數(shù)據(jù)中地計(jì)算出各個(gè)峰的峰位是能譜分析中的關(guān)鍵問題。譜分析對尋峰的基本要求是：（1）比較高的重峰分辨率，能確定距離近的峰的位置。

　　能識別弱峰，假峰出現(xiàn)的幾率小。

　　不僅能計(jì)算峰位的整數(shù)道址，還能計(jì)算峰位的值。

　　系統(tǒng)采用精密的尋峰方法：協(xié)方差法。選用LabVIEW系統(tǒng)中提供的PeakDetect.VI，該子VI使用了協(xié)方差法，能夠較好地滿足尋峰的要求。對于不同的核譜數(shù)據(jù)，其峰的半高寬、峰頂高度均不相同，給出近似的半高寬值，設(shè)置峰高閾值，對低于峰高閾值的不進(jìn)行尋峰。這樣可以將噪聲產(chǎn)生的雜峰除去，僅找出需要的峰值。界定尋峰區(qū)域之后，就可以尋峰并給出找到的峰的個(gè)數(shù)，每個(gè)峰的位置及峰的高度。

　　技術(shù)指標(biāo)為了保證儀器的工作正常，測量結(jié)果可靠，儀器性能必須良好。為此，對儀器的主要性能進(jìn)行了相關(guān)測試，整機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：脈沖采樣速度：20MHz，zui小脈沖寬度：0.25叫死時(shí)間0，137Cs光電峰偏移矣±1%，穩(wěn)定性：8h.結(jié)束語本文設(shè)計(jì)*拋開硬件電路設(shè)計(jì)，后通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)儀器功能，滿足了電子技術(shù)從單一的電子元件向集成化、智能化方向發(fā)展的趨勢。純軟件伽瑪能譜儀的研制成功，不僅為伽瑪能譜儀的研制提供了新思路，而且為今后能譜儀功能擴(kuò)展和性能提高等方面的研究提供了新的研究平臺。北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。