- 能谱实验数据处理 - 软件的设计和使用

1、第25卷湖北师范学院学报(自然科学版V o l 25第1期Journal o fH ube iN or m a lU n i versity(N at ura l Sc i enceN o 1,2005 能谱实验数据处理软件的设计和使用伍 鹏1,孙利辉2,徐大海2(1.长江大学电子信息学院,湖北荆州 434020;2.长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州 434020摘要:根据 能谱的测量的实验原理,提出了该实验数据处理的基本算法,涉及了数据处理的三方面技术的应用。此软件用V B描述其算法的实现过程,具有生成 能谱曲线,拟合出 能谱能量刻度曲线,并得到定标方程的功能。关键词: 能谱;数据处理;

2、插值法;拟合;最小二乘法中图分类号:O41-39 文献标识码:A 文章编号:1009 2714(200501 0059 04能谱测量是近代物理实验中的一个基础实验。近代物理实验原理涉及的知识面广、难度大,但所用的仪器设备的自动化程度越来越高,操作相对简单,从而从某种意义上说限制了实验者对实验原理的理解,不利于其动手能力、实验技能和数据处理能力的提高,使用多道分析器作 能谱测量时上述问题更加突出。因而用单道分析器作 能谱测量是必要的。在用单道脉冲辐度分析器做 能谱测量实验中,我们使用的是同济大学研制的F H1901型通用 能谱仪。实验后的数据处理是完成实验的重要内容之一,由于实验中要测量和处理的

3、数据很多,为了减轻学生的课业负担,让学生有更多的时间用在对实验原理的理解、实验现象的观察分析、物理规律的探索上,我们用VB语言编制了这套数据处理软件,在编制软件过程中,我们力求做到充分发挥微机的数据处理能力和丰富多彩的图形显示能力,尽可能地反映数据处理的原理和过程,操作尽量简单,实验结果的显示更加直观。通过本软件能绘出被测 放射源的能谱曲线图,结合手动寻峰,用最小二乘法得到定标方程,拟合出能量刻度曲线。1 实验原理简介射线是原子核由高能级向低能级跃迁时产生的一种波长极短的电磁波,对其能谱的测量是核辐射探测以及了解原子核内部结构的重要手段。由于它不受电场影响,并且具有很强的穿透性,直接测量其强度

4、比较困难。本实验中,利用 射线与NaI(T l闪烁体原子间的发光效应来间接测量 射线的强度。当放射源发出的不同能量的 射线进入闪烁体时, 光子与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用,主要有光电效应、康普顿散射和产生正-负电子对三种方式。相互作用的结果产生次级电子, 光子的能量转化为次级电子的动能。每个光电子在光电倍增管中的打拿极上打出多个电子,经过多次倍增,最后有大量电子射向光电倍增管的阳极,形成电压脉冲,每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度的大小与粒子在闪烁体内消耗的能量及产生的光强成正比,所以根据脉冲幅度可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器和定标器可以

5、测定入射射线收稿日期:2004 08 30作者简介:伍 鹏(1978 ,男,湖北黄冈人,长江大学电子信息学院助教,高级程序员。的能谱1。2 软件的设计思想2.1 计算 放射源的净计数在实验过程中要求测本底(即在没有放射源的情况下的计数,保持道宽不变,阈值分别取0.2、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0,测出一些特殊点的本底计数。然后将这些本底计数点连成曲线,利用插值法计算出其它阈值下的本底计数。最后将所有放射源的计数减去本底曲线上的计数,即得 放射源的净计数(见4.1。求本底计数所用的插值法的部分源程序参见6.1。2.2 曲线的光滑处理 拟合如果直接将净计数

6、点连接起来就成了一条折线,要使数据连续变化,我们通常借助曲率板将各点连接起来。这个工作既复杂,又依赖于操作者的技巧和主观意识。解决这个问题的一个可行办法是用一根弹性细木条,让它依次经过这些点,并在这些点处把木条压住,然后沿着木条画出一条光滑的曲线,这根曲线就叫样条曲线。当然,实际应用中,我们可以用计算机来模拟这条曲线。根据样条的力学特征可推知:在两压住点之间,曲线是三次多项式。整个样条曲线由一段一段的三次多项式曲线组成,各段有不同的系数。根据数学常识,要确定一个三次多项式,需要四个点。为了拟合的曲线更光滑,我们采用三次B样条曲线的算法2,这种样条曲线不需要经过每一个点,而只描绘出点的涨落趋势,

7、因此,可以很好地减少某些坏点的影响,从而较为合理的作出 放射源的能谱图(见4.2。描绘三次B样条曲线的算法参见6.2。2.3 寻峰3在 能谱曲线的寻峰中我们用的是比较法。由于实验中要用到两个放射源,所要选的峰位不同,加上各放射源在不同环境中测得的数据也有差异,在选择峰位时,我们采用手动与自动相结合的办法。由用户在峰位附近单击鼠标,再通过程序比较单击点前后五道内的计数值,最后将最大计数值的位置(即道数显示出来。2.4 定标由于理想的能量刻度曲线(也称定标曲线是不通过原点的一条直线,我们可以用直线的最小二乘法来拟合 能谱的能量刻度曲线(见4.3。设直线方程为:y-=a+b x,通过n个数据点(x

8、i,y i,则可解得a= x2i y i- x i x i y i n x2i-( x i2b=n x i y i- x i y i n x2i-( x i2把各测量值代入上式即可求得 能谱的定标方程(见4.4。该算法源程序参见6.3。3 软件的使用简介如图1所示,主界面包含三个部分:菜单栏、数据输入输出框和按钮。菜单栏包括文件、编辑、工具、帮助四个菜单项,文件菜单完成一些基本的文件操作,如新建、打开、保存和打印等;编辑菜单完成数据的复制和粘贴操作;工具菜单设置了数据合并和倒置功能,可解决某些学生将两放射源数据分开或颠倒的问题;帮助菜单包含有软件简介和软件的使用说明。数据输入输出框分为三个区:

9、左边的表格是数据输入区,根据每道上所测计数和本底可计算该道上的净计数;右上方的图片框输出60C O或137CS(由"放射源"单选框决定的 能谱曲线;右下方的图片框输出定标曲线和定标方程。在主界面的中间,还有六个按钮,分别是计算、作图、寻峰、定标、打印和退出,由于这是按照实验的顺序设计的,易于学习,操作比较方便。4 数据处理示例 4.1 部分实验数据表1 部分实验数据阈值计数本底实际计数3.54857016485543.66131914.661304.43.74560913.245595.83.82366611.823654.2图1 用户界面4.2 能谱曲线4.3 能量刻度曲

10、线 图2 能谱图线 图3 能量刻度曲线4.4 定标方程:E=0.0178C H+0.02215 结束语本软件在实验教学中已使用三年,证明 能谱实验数据处理软件在近代物理教学的过程中确实收到了很好的教学效果。通过软件处理数据,学生可直接看到实验数据构成的曲线,使得实验结果变得更加直观,提高了学生的实验兴趣;同时教师利用软件来查看学生输入的数据所形成的曲线及计算结果,用以判断学生实验的情况,是批改学生实验报告的依据之一。另外,鼓励计算机基础好的同学利用已学的计算机语言进行程序设计,通过实验提高学生在实际工作中应用微机的能力,丰富了实验教学内容。6 部分源程序6.1 插值法部分程序清单P ri v

11、ate Functi on ChaZhi(x1,x2,y1,y2,xh=x2-x1ChaZ hi=(x2-x*y1/h+(x-x1*y2/hEnd Func ti on6.2 三次B样条曲线部分程序清单P ri v ate Sub D rawG raph(Fo r R ow=Beg i n To Eend-3'取4个点x1=D ata(0,R ow*10'Da ta(为阈值-计数数组y1=D ata(Co l G raph,R ow*100/M axD atax2=D ata(0,R ow+1*10y2=D ata(Co l G raph,R ow+1*100/M axD a

12、ta x3=D ata(0,R ow+2*10y3=D ata(Co l G raph,R ow+2*100/M axD a ta x4=D ata(0,R ow+3*10y4=D ata(Co l G raph,R ow+3*100/M axD a ta A0=(x1+4*x2+x3/6A1=(-x1+x3/2-A2=(x1-2*x2+x3/2A3=(-x1+3*x2-3*x3+x4/6B0=(y1+4*y2+y3/6B1=(-y1+y3/2B2=(y1-2*y2+y3/2B3=(-y1+3*y2-3*y3+y4/6For t p=0T o1S tep0.1PX=A3*tp*t p*tp+A

13、2*tp*t p+A1*tp+A0PY=B3*tp*tp*tp+B2*tp*t p+B1*t p+B0If tp=0A nd(R o w=Beg in O r R ow=Beg i n-1ThenP ic1.PSet(x1,y1,Q BCo l o r(1G oT o TpN ex tEnd IfIf Row<>B eg i n-1T hen P ic1.L i ne-(PX,PY,QBCo l o r(1T p N ext:N ext tpN ext R owEnd Sub6.3 直线的最小二乘法部分程序请单P ri v ate Sub P ic2L i ne(Fo r i=0T

14、 o3'四个点Sx=Sx+ChD ata(i' X iSy=Sy+EnD ata(Int(i/2,iM od2' Y iSp=Sp+ChD ata(i*EnD ata(Int(i/2,iM od2' X*i Y i S2=S2+ChD ata(i*ChD ata(i' X*i X i N ext id=4*S2-Sx*SxA0=(4*Sp-Sx*Sy/d'斜率A1=(Sy*S2-Sx*Sp/d'截矩End Sub参考文献:1林木欣.近代物理实验教程M.北京:科学出版社,1999.2范幸义.计算机图形学M.重庆:重庆大学出版社,1997.3

15、D oug las A.H ergert.V isual B asi c3.0P rogra mm ing w it h W i ndows Appli cationsM.北京:学苑出版社,1994.The desi gni ng of t he s oft ware"Data processi on i n energy s pectru m"WU Peng1,S UN L i hu i2,XU D a hai2(1.Depart m ent o fE lectron ic i n fo r m ation Eng i n eeri n g,Yang tze U nive

16、rsity,Ji n gzhou 434020,Ch i n a;2.Depart m ent o f Physics and Techno logy,Y ang tze Un iversity,Ji n g zhou 434020,ChinaAbstrac t:T he desi gning i dea o f the so ft wa re of da te processi on is i ntroduced acco rd i ng t o t he exper i m ent pri nc i p l e of energh spectru m m easure m ent.T h i s so ft ware is co m pil ed by V isua l Basical6.0,wh ich can depict the ir a l gor ith m of the realizati on process and i nvo l ved the app licati ons o f three aspects