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)計朝著多道便攜式、微機化、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)計均采用：伽瑪能譜探測器、多道脈沖幅度分析器和計算機軟件系統(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立的多道脈沖幅度分析器，價格昂貴，缺乏靈活性和可擴充性。

　　虛擬儀器技術(shù)（VI）將計算機技術(shù)應(yīng)用在儀器領(lǐng)域，改變傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用方式，實現(xiàn)測量信息遠程共享、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。

　　1硬件組成能譜儀由伽瑪能譜探頭、通用數(shù)據(jù)采集卡和計算機系統(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20MHzH.計算機為普通臺式計算機。組成伽瑪能譜儀的硬件都是通用組件，不需進行硬件電路設(shè)計。

　　軟件設(shè)計設(shè)計方案概述本設(shè)計利用LabVIEW平臺強大的開發(fā)功能進行前面板和測試功能程序設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計主要包含數(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)的計算機化，與此同時，調(diào)用實時顯示模塊將譜數(shù)據(jù)以圖形的形式進行顯示。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)計前面板設(shè)計采用符合Windows界面編制準則的菜單編輯器實現(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)，有時還要完成遠程數(shù)據(jù)傳輸；因此，系統(tǒng)開銷很大，對實時性要求很高。

　　以數(shù)據(jù)采集控制模塊為例，在采集模塊中要進行數(shù)據(jù)采集控制的同時，還要進行數(shù)據(jù)處理和顯示。在盡可能的提高運行效率的同時，還要避免各個進程之間的速度不匹配，如：當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊運行速度快于數(shù)據(jù)分析模塊運行速度，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)讀取對話框為滿足實時性要求，并保證數(shù)據(jù)的完整性，系統(tǒng)設(shè)計了“Queue緩存多任務(wù)運行機制”：該機制采用*先出（FIFO）的結(jié)構(gòu)作為公共數(shù)據(jù)域，為各個功能模塊提供獨立又相互制約的數(shù)據(jù)通道。

　　為三個進程提供數(shù)據(jù)緩存，進而制約了三個獨立的進程之間的調(diào)用，從而解決了速度匹配問題。具體程序中三個任務(wù)在獨立的while循環(huán)線程中運行，程序開始時由CreateQueue.vi創(chuàng)建了原始數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)兩個隊列，然后把采集到的數(shù)據(jù)由InsertQueueElement.vi插入到原始數(shù)據(jù)隊列中，在第二個while中，由RemoveQueueElement.vi把數(shù)據(jù)移出隊列進行數(shù)據(jù)處理。通過隊列Queue起到了約束、補償?shù)木彺孀饔?，制約了三個線程的數(shù)據(jù)調(diào)用，使得三個獨立的線程相互，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)能譜儀的實際需求，系統(tǒng)設(shè)計了以下幾種文件類型：數(shù)據(jù)：2048道譜數(shù)據(jù)、采集時間、總峰數(shù)、UThK含量?？稍谄渌谋揪庉嬈鳎ㄈ缬浭卤荆┗螂娮颖砀瘢ㄈ鏓XCEL）中打開。譜文件讀取對話框如所示。

　　值的數(shù)據(jù)，共2048個，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，想用的時候可以直接調(diào)用，以免重復(fù)設(shè)置。

　　格式為：日期與時間+采樣率+外觸發(fā)+觸發(fā)閾值+采集時間+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)進行尋峰，找出脈沖幅度值，然后對每個脈沖幅度進行分析，在幅度大小相應(yīng)的道址上作加1計數(shù)。

　　可直接對采樣數(shù)據(jù)進行尋峰，得到峰位、幅度及方差等信息。但由于其通用性，降低了它的運行速度。為了提高性能，系統(tǒng)利用運行速度更快的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)運行機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)實時顯示模塊數(shù)據(jù)實時顯示模塊完成經(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，以計數(shù)為縱坐標，具體代碼如所示：現(xiàn)°8.界面如所示：在實時采集過程中，可以通過鍵盤方向鍵的上下鍵實現(xiàn)縱坐標的放大和縮小，以便根據(jù)需求查看相對應(yīng)區(qū)間的詳細情況。同時可以用鼠標拖動光標或用鍵盤上的左右鍵移動光標，來顯示光標所在位置的道數(shù)和計數(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，實現(xiàn)左右鍵功能的變換）進行選擇，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)間計數(shù)積分區(qū)間計數(shù)的功能：計算用戶輸入的兩個道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)中地計算出各個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。

　　不僅能計算峰位的整數(shù)道址，還能計算峰位的值。

　　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數(shù)，每個峰的位置及峰的高度。

　　技術(shù)指標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行了相關(guān)測試，整機技術(shù)參數(shù)如下：脈沖采樣速度：20MHz，zui小脈沖寬度：0.25叫死時間0，137Cs光電峰偏移矣±1%，穩(wěn)定性：8h.結(jié)束語本文設(shè)計*拋開硬件電路設(shè)計，后通過計算機軟件實現(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。