α杯測氡儀優化設計

汪棟+++方方+++余松科+++李婷

摘 要：α杯測氡儀利用累積測氡技術來測量土壤氡氣含量，以其高探測靈敏度、低本底、低功耗等優點而被廣泛應用。但是現有的CD-1型α杯測氡儀工作存在穩定性較差、易受干擾、無法與外部進行通訊等問題。通過對α杯測氡儀中的信號調理模塊、微控制器系統、電源管理模塊、數據管理系統幾個關鍵部分進行研究分析，對相關模塊進行改進以提升儀器在土壤氡測量中的工作性能。

關鍵詞：α杯測氡儀；土壤氡測量；工作性能

引言

土壤氡氣作為一種指示性氣體廣泛應用于鈾礦勘查、圈定油氣藏邊界等領域[1-2]。根據測氡目的、測定場合、測定同位素種類的不同，氡測量方法可以分為三類，即瞬時測量、累積測量和連續測量。CD-1型α杯測氡儀是土壤氡累積測量的重要儀器之一。α杯測氡儀是通過α探杯內吸附的放射性核素放出α射線與空氣發生電離、激發，產生大量電子-離子對，在高壓電場下離子對定向移動，電離室收集電極產生感應電荷信號。該信號經信號調理模塊變換、放大、成形后，最終輸出為一個脈沖信號。該脈沖信號輸入微控制器系統進行記錄，記錄的脈沖數目即為核素產生的α粒子數，從而反映土壤氡含量[3]。

在信號處理過程中，由于實際使用環境中干擾和測量要求，需要提高儀器的可靠性、抗干擾性，同時增強儀器的數據處理能力和信息通信功能。通過對α杯測氡儀的各個模塊進行分析研究，對相應部分進行優化，提升系統工作性能以滿足現場測量的要求。

1 信號調理

采用與CD-1α杯測氡儀相同的探測器-常壓空氣脈沖電離室，電離室壁加-900V高壓，中心電極通過電阻接地，從而在電離室內形成高壓電場。α射線使電離室內的空氣電離時，電離離子就會被中心電極收集，形成電脈沖信號。由于該信號十分微弱，必須經過低噪聲、高放大倍數的放大器將其放大，后續電路才能對其進行分析[4]。

脈沖電離室的輸出阻抗高，輸出信號幅度小，對信號進行放大采用低噪聲、漂移小的集成放大器。放大電路的頻帶盡量窄，通過有用的脈沖信號，濾掉雜波[5]。

相關參數設置如下。

1.1 通頻帶

電離室的輸出脈沖寬度為數十微秒到上百微秒，按最大寬度τ=0.1ms，設置頻帶寬度得：Δf=ms=40kHz。

1.2 放大倍數

脈沖電離室輸出的信號幅度只有0.1～1mV，放大電路需將信號放大到1～5V方可便于后續電路的分析，設定對信號放大倍數為5000倍，考慮到放大器自身限制，采用兩級放大，第一級為100倍，第二級為50倍。

1.3 濾波成型

信號中由于電源紋波和干擾產生的雜波以及信號采集計數的需要，需對信號進行濾波成型處理。該網絡采用有源濾波減少信號幅度的損耗，采用S-K低通濾波電路。時間常數設置確保τ=RC=0.1ms。

1.4 甄別電路

甄別器由施密特電路構成，其閾值范圍為20mV～5V，它將濾波成型電路輸出的類高斯信號通過反相端的電壓進行比較，大于20mV的電壓幅值將被處理為方波，由于信號電路自身的因素，方波成為斜波，利用下降沿進行計數是可以滿足要求的。

信號調理電路是α杯測氡儀的核心部分，在實際應用中會有噪聲和本底脈沖的影響會影響測試的準確性，因此在放大電路部分進行濾波、降噪處理，為使電路能夠可靠運行在電路設計時盡可能簡化電路。

2 電源管理模塊

新型α杯測氡儀作為一款便攜式儀器，需具備一個性能優良的電源系統，電源系統的性能會直接影響儀器的使用性能。電源電路力求簡單、性能優良、耗電省、安全性好、占空間小、重量輕。

根據信號調理電路分析可知系統需要的有+5V主控、-1000V的電離室負高壓、+3.3V主控和通信、+9V、-9V的放大電路電源。為達到最優效果，儀器由三節干電池供電，輸入共9V。低壓模塊采用DC-DC電源轉換芯片，外圍電路簡單，轉換效率高，功耗低；高壓采用高壓模塊設計，電路簡單，體積小，重量輕。

盡可能地保證放大電路的噪聲小，在電源部分也要進行濾波，考慮到電路的簡化，電源濾波采用微法和納法電容，一個用于濾掉低頻噪聲，一個用于濾掉高頻噪聲。

3 微控制器系統

3.1 系統硬件

系統進行人機交互需具備輔助外設，包括外部輸入、顯示，另外系統故障報警、檢測數據存儲、電源管理以及對檢測數據上傳與下載。根據接口數量選用ATmega128微控制器構成控制系統[6]。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 微控制器系統硬件框圖

LCD顯示采用8位并行通信的12864液晶，用于顯示計數結果、軟件菜單和實時時鐘；實時時鐘芯片用DS1302；鍵盤模塊采用4位獨立鍵盤，分別是“上翻”、“下翻”、“確定”、“返回”，配合軟件顯示菜單完成相關操作；報警電路采用無源蜂鳴器，系統故障采用軟件編程完成報警；SD卡用于存儲檢測結果；USB接口用于內部存儲的信息讀出。

3.2 系統軟件

3.2.1 系統菜單

12864液晶為人機交互主要顯示界面。系統菜單可以直觀、清晰的進行人機交互。系統菜單如圖2所示。

圖2 系統菜單示意圖

系統菜單基本展示出了系統所具備的功能，數據測量中的單位轉化是指脈沖測量和輻射量測量的轉化，即脈沖數/分鐘與Bq/L的轉化。數據查詢分為一般查詢和鍵盤配合上翻、下翻；定點查詢是通過內部顯示和鍵盤配合選定查詢日期，從而縮減查詢工作量。系統設置除了時間設置外，還對數據進行管理存儲。

3.2.2 數據測量

在系統中，對檢測結果用12864液晶進行顯示，每十分鐘自動清零，或者手動用“返回”鍵清零，“確定”鍵用于系統停止計數對測得的數據進行保存，“上翻”或“下翻”是對測量顯示結果在脈沖數與輻射量之間進行切換。endprint

輻射量顯示的結果是在一分鐘內采集到的脈沖信號轉化而得的，脈沖量顯示是從計數開始時直至自動或手動清零時間內的累積脈沖數。

3.2.3 系統通訊

主要是系統與PC機通過USB接口與PC機進行數據的上傳和下載。

3.2.4 數據查詢

一般查詢是直接通過“上翻”和“下翻”鍵盤對存儲的數據進行查詢，主要用于查找近期的測量數據；定點查詢是菜單與鍵盤配合鍵入日期來查詢當時保存的數據。

3.2.5 系統設置

時間設置是用于設定實時時間，便于測量的記錄工作；數據設置主要是數據刪除和數據存儲設置，系統默認為十分鐘存一組脈沖數和轉化的輻射量數據，用戶可根據測量需要自行設定自動存儲與否以及存儲時間長短。

4 數據管理

系統中數據管理主要針對自動保存或用戶保存的時間數據和測量數據的存儲和傳輸。

4.1 數據存儲

系統對輸入的脈沖進行計數，采用十分鐘存一次并清零，或根據用戶設定進行保存和清零，并將測得的脈沖數據和轉化的輻射量以及此時刻的時間數據進行保存。

方案：將SD卡作為一個大容量的存儲卡，存儲采集到的數據，然后通過并口轉USB接口芯片將SD卡存儲器中的數據傳輸到PC機作進一步處理，滿足了現場數據采集，室內數據分析的要求[7]。

4.2 數據傳輸

USB橋芯片實現USB接口與一個特定的其他接口的轉接，在芯片中不但集成了兩個接口需要的全部功能，還具備協議處理部件，實現不同接口之間的協議轉換。FTDI公司生產的FT245BL是USB并行橋芯片，能夠自動實現USB與并行I/O口之間協議的轉換，基于該芯片的USB通信模塊避開了USB協議的復雜性，非常簡便[8]。

5 系統性能測試

5.1 儀器數據標定

實現脈沖數/min與Bq/L之間的轉化，需要對脈沖量進行標定。在室內的環境中，使用標準α源杯測試，按照系統默認的存儲數據，提取十組，將脈沖量進行標定，經過標定后與讀出的輻射量數據一致。標定結果為1Bq/L=20個脈沖數/min，即1個脈沖數/min=0.05Bq/L。

5.2 本底測試

進行本底檢查時，保持電離室清潔。按系統默認的存儲方式，提取十組數據，結果如表1所示。

結果表明：儀器本底低，符合要求。

5.3 精確度測試

保持測量條件不變，每分鐘讀一次脈沖數，提取十組數據，計算出計數平均值N以及相對標準誤差δ。經計算標準誤差13.5，精確度3.8%。結果表明：儀器的精確度符合測量要求。

5.4 穩定性檢查

保持測量條件不變，每分鐘讀一個數，共測量七組數據，每組十個數據，計算出每組的平均值及總平均值A，計算出最大最小值平均值與總平均值的相對偏差Δ。經計算穩定性為2.06%。

6 結束語

一套成熟穩定的α杯測氡系統需要長時間的研究和改進，本研究在原有的CD-1測氡儀的基礎上做了進一步改進，在系統的信號調理電路方面進行濾波降噪、抗干擾方面做了一些改進，在增強系統的穩定性和抗干擾方面有一定的提升。為滿足現場測量要求，增加了數據標定和存儲，減少了現場工作量，提高了工作效率。同時可以通過USB接口讀出，對野外土壤氡測量工作提供了很大的便利。

參考文獻

[1]陳希泉，陳頡，羅先熔，等.地氣（氡氣）測量方法尋找隱伏含礦斷裂試驗[J].物探與化探，2011，35（6）：817-820.

[2]M.I.Al-Jarallah，Fazal-ur-Rehman，Khalid Abdalla.Comparative study of short and long term indoor radon measurements[J].Radiation measurements.2008.43（1）：471-474.

[3]方方，賈文懿.杯法測氡原理及應用[J].物探與化探，1998，6：191-198.

[4]張國華，方方，耿波.KZ-D02F型電離室α測氡儀的研制[J].核電子學與探測技術，2005，11：138-142.

[5]李丹.常壓空氣網柵脈沖電離室型測氡儀的設計與實現[D].成都理工大學，2010.

[6]陳麗莉，黃運生，陳學.基于ATmega128的異步電機數字化變頻調速系統[J].自動化技術與應用，2007，101-103.

[7]蘇義鑫，程敏，何力.基于AT89C52單片機的SD卡讀寫設計[J].設計應用，2008，5：65-68.

[8]劉建，武樹飛.基于FT232BL的USB接口快速設計[J].艦船電子工程，2009，6：51-54.

作者簡介：汪棟（1990-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向：核探測技術與輻射防護。endprint

輻射量顯示的結果是在一分鐘內采集到的脈沖信號轉化而得的，脈沖量顯示是從計數開始時直至自動或手動清零時間內的累積脈沖數。

3.2.3 系統通訊

主要是系統與PC機通過USB接口與PC機進行數據的上傳和下載。

3.2.4 數據查詢

一般查詢是直接通過“上翻”和“下翻”鍵盤對存儲的數據進行查詢，主要用于查找近期的測量數據；定點查詢是菜單與鍵盤配合鍵入日期來查詢當時保存的數據。

3.2.5 系統設置

時間設置是用于設定實時時間，便于測量的記錄工作；數據設置主要是數據刪除和數據存儲設置，系統默認為十分鐘存一組脈沖數和轉化的輻射量數據，用戶可根據測量需要自行設定自動存儲與否以及存儲時間長短。

4 數據管理

系統中數據管理主要針對自動保存或用戶保存的時間數據和測量數據的存儲和傳輸。

4.1 數據存儲

系統對輸入的脈沖進行計數，采用十分鐘存一次并清零，或根據用戶設定進行保存和清零，并將測得的脈沖數據和轉化的輻射量以及此時刻的時間數據進行保存。

方案：將SD卡作為一個大容量的存儲卡，存儲采集到的數據，然后通過并口轉USB接口芯片將SD卡存儲器中的數據傳輸到PC機作進一步處理，滿足了現場數據采集，室內數據分析的要求[7]。

4.2 數據傳輸

USB橋芯片實現USB接口與一個特定的其他接口的轉接，在芯片中不但集成了兩個接口需要的全部功能，還具備協議處理部件，實現不同接口之間的協議轉換。FTDI公司生產的FT245BL是USB并行橋芯片，能夠自動實現USB與并行I/O口之間協議的轉換，基于該芯片的USB通信模塊避開了USB協議的復雜性，非常簡便[8]。

5 系統性能測試

5.1 儀器數據標定

實現脈沖數/min與Bq/L之間的轉化，需要對脈沖量進行標定。在室內的環境中，使用標準α源杯測試，按照系統默認的存儲數據，提取十組，將脈沖量進行標定，經過標定后與讀出的輻射量數據一致。標定結果為1Bq/L=20個脈沖數/min，即1個脈沖數/min=0.05Bq/L。

5.2 本底測試

進行本底檢查時，保持電離室清潔。按系統默認的存儲方式，提取十組數據，結果如表1所示。

結果表明：儀器本底低，符合要求。

5.3 精確度測試

保持測量條件不變，每分鐘讀一次脈沖數，提取十組數據，計算出計數平均值N以及相對標準誤差δ。經計算標準誤差13.5，精確度3.8%。結果表明：儀器的精確度符合測量要求。

5.4 穩定性檢查

保持測量條件不變，每分鐘讀一個數，共測量七組數據，每組十個數據，計算出每組的平均值及總平均值A，計算出最大最小值平均值與總平均值的相對偏差Δ。經計算穩定性為2.06%。

6 結束語

一套成熟穩定的α杯測氡系統需要長時間的研究和改進，本研究在原有的CD-1測氡儀的基礎上做了進一步改進，在系統的信號調理電路方面進行濾波降噪、抗干擾方面做了一些改進，在增強系統的穩定性和抗干擾方面有一定的提升。為滿足現場測量要求，增加了數據標定和存儲，減少了現場工作量，提高了工作效率。同時可以通過USB接口讀出，對野外土壤氡測量工作提供了很大的便利。

參考文獻

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[2]M.I.Al-Jarallah，Fazal-ur-Rehman，Khalid Abdalla.Comparative study of short and long term indoor radon measurements[J].Radiation measurements.2008.43（1）：471-474.

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[5]李丹.常壓空氣網柵脈沖電離室型測氡儀的設計與實現[D].成都理工大學，2010.

[6]陳麗莉，黃運生，陳學.基于ATmega128的異步電機數字化變頻調速系統[J].自動化技術與應用，2007，101-103.

[7]蘇義鑫，程敏，何力.基于AT89C52單片機的SD卡讀寫設計[J].設計應用，2008，5：65-68.

[8]劉建，武樹飛.基于FT232BL的USB接口快速設計[J].艦船電子工程，2009，6：51-54.

作者簡介：汪棟（1990-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向：核探測技術與輻射防護。endprint

輻射量顯示的結果是在一分鐘內采集到的脈沖信號轉化而得的，脈沖量顯示是從計數開始時直至自動或手動清零時間內的累積脈沖數。

3.2.3 系統通訊

主要是系統與PC機通過USB接口與PC機進行數據的上傳和下載。

3.2.4 數據查詢

一般查詢是直接通過“上翻”和“下翻”鍵盤對存儲的數據進行查詢，主要用于查找近期的測量數據；定點查詢是菜單與鍵盤配合鍵入日期來查詢當時保存的數據。

3.2.5 系統設置

時間設置是用于設定實時時間，便于測量的記錄工作；數據設置主要是數據刪除和數據存儲設置，系統默認為十分鐘存一組脈沖數和轉化的輻射量數據，用戶可根據測量需要自行設定自動存儲與否以及存儲時間長短。

4 數據管理

系統中數據管理主要針對自動保存或用戶保存的時間數據和測量數據的存儲和傳輸。

4.1 數據存儲

系統對輸入的脈沖進行計數，采用十分鐘存一次并清零，或根據用戶設定進行保存和清零，并將測得的脈沖數據和轉化的輻射量以及此時刻的時間數據進行保存。

方案：將SD卡作為一個大容量的存儲卡，存儲采集到的數據，然后通過并口轉USB接口芯片將SD卡存儲器中的數據傳輸到PC機作進一步處理，滿足了現場數據采集，室內數據分析的要求[7]。

4.2 數據傳輸

USB橋芯片實現USB接口與一個特定的其他接口的轉接，在芯片中不但集成了兩個接口需要的全部功能，還具備協議處理部件，實現不同接口之間的協議轉換。FTDI公司生產的FT245BL是USB并行橋芯片，能夠自動實現USB與并行I/O口之間協議的轉換，基于該芯片的USB通信模塊避開了USB協議的復雜性，非常簡便[8]。

5 系統性能測試

5.1 儀器數據標定

實現脈沖數/min與Bq/L之間的轉化，需要對脈沖量進行標定。在室內的環境中，使用標準α源杯測試，按照系統默認的存儲數據，提取十組，將脈沖量進行標定，經過標定后與讀出的輻射量數據一致。標定結果為1Bq/L=20個脈沖數/min，即1個脈沖數/min=0.05Bq/L。

5.2 本底測試

進行本底檢查時，保持電離室清潔。按系統默認的存儲方式，提取十組數據，結果如表1所示。

結果表明：儀器本底低，符合要求。

5.3 精確度測試

保持測量條件不變，每分鐘讀一次脈沖數，提取十組數據，計算出計數平均值N以及相對標準誤差δ。經計算標準誤差13.5，精確度3.8%。結果表明：儀器的精確度符合測量要求。

5.4 穩定性檢查

保持測量條件不變，每分鐘讀一個數，共測量七組數據，每組十個數據，計算出每組的平均值及總平均值A，計算出最大最小值平均值與總平均值的相對偏差Δ。經計算穩定性為2.06%。

6 結束語

一套成熟穩定的α杯測氡系統需要長時間的研究和改進，本研究在原有的CD-1測氡儀的基礎上做了進一步改進，在系統的信號調理電路方面進行濾波降噪、抗干擾方面做了一些改進，在增強系統的穩定性和抗干擾方面有一定的提升。為滿足現場測量要求，增加了數據標定和存儲，減少了現場工作量，提高了工作效率。同時可以通過USB接口讀出，對野外土壤氡測量工作提供了很大的便利。

參考文獻

[1]陳希泉，陳頡，羅先熔，等.地氣（氡氣）測量方法尋找隱伏含礦斷裂試驗[J].物探與化探，2011，35（6）：817-820.

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[3]方方，賈文懿.杯法測氡原理及應用[J].物探與化探，1998，6：191-198.

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[6]陳麗莉，黃運生，陳學.基于ATmega128的異步電機數字化變頻調速系統[J].自動化技術與應用，2007，101-103.

[7]蘇義鑫，程敏，何力.基于AT89C52單片機的SD卡讀寫設計[J].設計應用，2008，5：65-68.

[8]劉建，武樹飛.基于FT232BL的USB接口快速設計[J].艦船電子工程，2009，6：51-54.

作者簡介：汪棟（1990-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向：核探測技術與輻射防護。endprint