- 能譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 - 軟件的設(shè)計(jì)和使用

1、第25卷湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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 能譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)和使用伍 鵬1,孫利輝2,徐大海2(1.長江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州 434020;2.長江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北荊州 434020摘要:根據(jù) 能譜的測量的實(shí)驗(yàn)原理,提出了該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的基本算法,涉及了數(shù)據(jù)處理的三方面技術(shù)的應(yīng)用。此軟件用V B描述其算法的實(shí)現(xiàn)過程,具有生成 能譜曲線,擬合出 能譜能量刻度曲線,并得到定標(biāo)方程的功能。關(guān)鍵詞: 能譜;數(shù)據(jù)處理;

2、插值法;擬合;最小二乘法中圖分類號:O41-39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009 2714(200501 0059 04能譜測量是近代物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。近代物理實(shí)驗(yàn)原理涉及的知識面廣、難度大,但所用的儀器設(shè)備的自動化程度越來越高,操作相對簡單,從而從某種意義上說限制了實(shí)驗(yàn)者對實(shí)驗(yàn)原理的理解,不利于其動手能力、實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)處理能力的提高,使用多道分析器作 能譜測量時(shí)上述問題更加突出。因而用單道分析器作 能譜測量是必要的。在用單道脈沖輻度分析器做 能譜測量實(shí)驗(yàn)中,我們使用的是同濟(jì)大學(xué)研制的F H1901型通用 能譜儀。實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理是完成實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一,由于實(shí)驗(yàn)中要測量和處理的

3、數(shù)據(jù)很多,為了減輕學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān),讓學(xué)生有更多的時(shí)間用在對實(shí)驗(yàn)原理的理解、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察分析、物理規(guī)律的探索上,我們用VB語言編制了這套數(shù)據(jù)處理軟件,在編制軟件過程中,我們力求做到充分發(fā)揮微機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和豐富多彩的圖形顯示能力,盡可能地反映數(shù)據(jù)處理的原理和過程,操作盡量簡單,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示更加直觀。通過本軟件能繪出被測 放射源的能譜曲線圖,結(jié)合手動尋峰,用最小二乘法得到定標(biāo)方程,擬合出能量刻度曲線。1 實(shí)驗(yàn)原理簡介射線是原子核由高能級向低能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的一種波長極短的電磁波,對其能譜的測量是核輻射探測以及了解原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段。由于它不受電場影響,并且具有很強(qiáng)的穿透性,直接測量其強(qiáng)度

4、比較困難。本實(shí)驗(yàn)中,利用 射線與NaI(T l閃爍體原子間的發(fā)光效應(yīng)來間接測量 射線的強(qiáng)度。當(dāng)放射源發(fā)出的不同能量的 射線進(jìn)入閃爍體時(shí), 光子與閃爍體中的原子、分子及晶體系統(tǒng)發(fā)生相互作用,主要有光電效應(yīng)、康普頓散射和產(chǎn)生正-負(fù)電子對三種方式。相互作用的結(jié)果產(chǎn)生次級電子, 光子的能量轉(zhuǎn)化為次級電子的動能。每個(gè)光電子在光電倍增管中的打拿極上打出多個(gè)電子,經(jīng)過多次倍增,最后有大量電子射向光電倍增管的陽極,形成電壓脈沖,每產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖就表示有一個(gè)粒子進(jìn)入探測器。由于電壓脈沖幅度的大小與粒子在閃爍體內(nèi)消耗的能量及產(chǎn)生的光強(qiáng)成正比,所以根據(jù)脈沖幅度可以確定入射粒子的能量。利用脈沖幅度分析器和定標(biāo)器可以

5、測定入射射線收稿日期:2004 08 30作者簡介:伍 鵬(1978 ,男,湖北黃岡人,長江大學(xué)電子信息學(xué)院助教,高級程序員。的能譜1。2 軟件的設(shè)計(jì)思想2.1 計(jì)算 放射源的凈計(jì)數(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中要求測本底(即在沒有放射源的情況下的計(jì)數(shù),保持道寬不變,閾值分別取0.2、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0,測出一些特殊點(diǎn)的本底計(jì)數(shù)。然后將這些本底計(jì)數(shù)點(diǎn)連成曲線,利用插值法計(jì)算出其它閾值下的本底計(jì)數(shù)。最后將所有放射源的計(jì)數(shù)減去本底曲線上的計(jì)數(shù),即得 放射源的凈計(jì)數(shù)(見4.1。求本底計(jì)數(shù)所用的插值法的部分源程序參見6.1。2.2 曲線的光滑處理 擬合如果直接將凈計(jì)數(shù)

6、點(diǎn)連接起來就成了一條折線,要使數(shù)據(jù)連續(xù)變化,我們通常借助曲率板將各點(diǎn)連接起來。這個(gè)工作既復(fù)雜,又依賴于操作者的技巧和主觀意識。解決這個(gè)問題的一個(gè)可行辦法是用一根彈性細(xì)木條,讓它依次經(jīng)過這些點(diǎn),并在這些點(diǎn)處把木條壓住,然后沿著木條畫出一條光滑的曲線,這根曲線就叫樣條曲線。當(dāng)然,實(shí)際應(yīng)用中,我們可以用計(jì)算機(jī)來模擬這條曲線。根據(jù)樣條的力學(xué)特征可推知:在兩壓住點(diǎn)之間,曲線是三次多項(xiàng)式。整個(gè)樣條曲線由一段一段的三次多項(xiàng)式曲線組成,各段有不同的系數(shù)。根據(jù)數(shù)學(xué)常識,要確定一個(gè)三次多項(xiàng)式,需要四個(gè)點(diǎn)。為了擬合的曲線更光滑,我們采用三次B樣條曲線的算法2,這種樣條曲線不需要經(jīng)過每一個(gè)點(diǎn),而只描繪出點(diǎn)的漲落趨勢,

7、因此,可以很好地減少某些壞點(diǎn)的影響,從而較為合理的作出 放射源的能譜圖(見4.2。描繪三次B樣條曲線的算法參見6.2。2.3 尋峰3在 能譜曲線的尋峰中我們用的是比較法。由于實(shí)驗(yàn)中要用到兩個(gè)放射源,所要選的峰位不同,加上各放射源在不同環(huán)境中測得的數(shù)據(jù)也有差異,在選擇峰位時(shí),我們采用手動與自動相結(jié)合的辦法。由用戶在峰位附近單擊鼠標(biāo),再通過程序比較單擊點(diǎn)前后五道內(nèi)的計(jì)數(shù)值,最后將最大計(jì)數(shù)值的位置(即道數(shù)顯示出來。2.4 定標(biāo)由于理想的能量刻度曲線(也稱定標(biāo)曲線是不通過原點(diǎn)的一條直線,我們可以用直線的最小二乘法來擬合 能譜的能量刻度曲線(見4.3。設(shè)直線方程為:y-=a+b x,通過n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(x

8、i,y i,則可解得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把各測量值代入上式即可求得 能譜的定標(biāo)方程(見4.4。該算法源程序參見6.3。3 軟件的使用簡介如圖1所示,主界面包含三個(gè)部分:菜單欄、數(shù)據(jù)輸入輸出框和按鈕。菜單欄包括文件、編輯、工具、幫助四個(gè)菜單項(xiàng),文件菜單完成一些基本的文件操作,如新建、打開、保存和打印等;編輯菜單完成數(shù)據(jù)的復(fù)制和粘貼操作;工具菜單設(shè)置了數(shù)據(jù)合并和倒置功能,可解決某些學(xué)生將兩放射源數(shù)據(jù)分開或顛倒的問題;幫助菜單包含有軟件簡介和軟件的使用說明。數(shù)據(jù)輸入輸出框分為三個(gè)區(qū):

9、左邊的表格是數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū),根據(jù)每道上所測計(jì)數(shù)和本底可計(jì)算該道上的凈計(jì)數(shù);右上方的圖片框輸出60C O或137CS(由"放射源"單選框決定的 能譜曲線;右下方的圖片框輸出定標(biāo)曲線和定標(biāo)方程。在主界面的中間,還有六個(gè)按鈕,分別是計(jì)算、作圖、尋峰、定標(biāo)、打印和退出,由于這是按照實(shí)驗(yàn)的順序設(shè)計(jì)的,易于學(xué)習(xí),操作比較方便。4 數(shù)據(jù)處理示例 4.1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)閾值計(jì)數(shù)本底實(shí)際計(jì)數(shù)3.54857016485543.66131914.661304.43.74560913.245595.83.82366611.823654.2圖1 用戶界面4.2 能譜曲線4.3 能量刻度曲

10、線 圖2 能譜圖線 圖3 能量刻度曲線4.4 定標(biāo)方程:E=0.0178C H+0.02215 結(jié)束語本軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已使用三年,證明 能譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件在近代物理教學(xué)的過程中確實(shí)收到了很好的教學(xué)效果。通過軟件處理數(shù)據(jù),學(xué)生可直接看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的曲線,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果變得更加直觀,提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣;同時(shí)教師利用軟件來查看學(xué)生輸入的數(shù)據(jù)所形成的曲線及計(jì)算結(jié)果,用以判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)的情況,是批改學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的依據(jù)之一。另外,鼓勵計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)好的同學(xué)利用已學(xué)的計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生在實(shí)際工作中應(yīng)用微機(jī)的能力,豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。6 部分源程序6.1 插值法部分程序清單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樣條曲線部分程序清單P ri v ate Sub D rawG raph(Fo r R ow=Beg i n To Eend-3'取4個(gè)點(diǎn)x1=D ata(0,R ow*10'Da ta(為閾值-計(jì)數(shù)數(shù)組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 直線的最小二乘法部分程序請單P ri v ate Sub P ic2L i ne(Fo r i=0T

14、 o3'四個(gè)點(diǎn)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參考文獻(xiàn):1林木欣.近代物理實(shí)驗(yàn)教程M.北京:科學(xué)出版社,1999.2范幸義.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)M.重慶:重慶大學(xué)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:學(xué)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