一種適用于艦艇環境的核輻射劑量儀

劉大海，趙建興，周春芝，李海俊

(國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 102205)

0 引 言

本文設計的適用于艦艇環境的核輻射劑量儀主要考慮功用性，兼顧環境適應性和操作便利性等因素。功用性指該儀器的功能特點、用途及其性能指標，即以測量個人累積劑量[1]為主、測量環境劑量率為輔，通常以測量γ輻射劑量為主（具有實時監測和超閾值報警功能），也兼顧極端情況下（如遭受核恐怖襲擊或核動力裝置事故）的中子劑量測量[2]，以便為輻射傷員救治提供依據[3]；環境適應性指滿足艦載裝備要求，尤其是抗鹽霧腐蝕性能，因此要具有良好的密封性；操作便利性指儀器在艦艇局部環境中的固定方式及人員佩戴方式所帶來的影響，如本設計采用主機（測量儀）、劑量計分體方式：測量儀可固定或由相關人員手持操作，進行γ劑量率測量；個人劑量計采用腕式佩戴或系于合適部位，用于測量人員瞬發γ和中子劑量。

1 儀器組成

2 儀器設計

2.1 硬件設計

2.1.1 劑量計設計

劑量計佩戴于受測人員腕部，累積記錄核輻射γ劑量和中子劑量。其內部的劑量信息需要通過插入測讀卡座并連接到測量儀，由測量儀自動讀取、處理并顯示結果。

每只劑量計由場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器、數據存儲器、溫度傳感器、電池等組成，這些元件均連接至專用密封接口同測量儀進行數據交換。其構成如圖2所示。

圖2 劑量計構成框圖Fig.2 Block diagram of dosimeter composition

場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器分別用于記錄個人所受的核輻射γ劑量和中子劑量。數據存儲器采用DS24B33，用于存儲個人信息及探測器相關的測量結果、刻度因子等參數。溫度傳感器采用DS18B20，用于記錄測讀探測器時的溫度信息，以便對探測器進行溫度補償修正。DS24B33和DS18B20均為“一線總線”的數字傳輸方式，不僅節省硬件資源，而且提高系統可靠性，適于惡劣環境的數據存取及現場溫度測量。

2.1.2 測量儀設計

測量儀用于實時測量環境γ劑量率和累積劑量、測讀劑量計中記錄的核輻射γ劑量和中子劑量[4]，存儲并可通過USB接口向安裝在微機中的數據分析處理軟件上傳劑量信息。主要由主控單元、半導體探測器單元、計數管探測單元、輸入輸出單元、電源分配單元等部分組成，其結構關系如圖3所示。

1）主控單元

我迅速逃離了那座彌漫著死亡氣息的城市，我是個懦弱的人，我甚至沒有勇氣去打探黃梁是怎么死的，是自殺，是意外，抑或疾病。

主控單元主要由微處理器MCU硬件子系統和運行在其中的嵌入式軟件組成，用于完成輻射信號的采集處理與存儲、各單元電路的電源管理、鍵控信息處理、測讀劑量計及其數據傳輸等功能。

MCU選用STM32系列32位閃存微處理器，具有高性能的Cortex-M3內核，采用uCOS-II嵌入式操作系統，它是一種基于優先級的搶占式的多任務實時操作系統，滿足便攜式、低功耗、多功能且具有良好性價比的嵌入式儀器設計需求。

圖3 測量儀工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring instrument composition

2）半導體探測單元。

半導體探測單元主要用于測量核輻射γ和中子累積劑量，包括場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器、數據存儲器、溫度傳感器、偏置電壓電路、模擬開關及數據采集電路。其中場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器、數據存儲器、溫度傳感器、偏置電壓電路（電池）均與劑量計相同，安裝在測量儀內部主要是保證測量儀單獨使用時保證功能完整性，并彌補G-M計數管遇到超高γ劑量率出現飽和而無法正常響應的不足。

模擬開關用于控制測量探測器時恒定電流的通斷及時序，從而實現脈沖供電。采用該供電方法，可有效減弱由于半導體材料溫度效應帶來的影響，因為在連續的電流注入時，會導致探測器局部溫度升高使測量電壓漂移，嚴重影響探測器的穩定性。模擬開關采用MAX4662，具有納秒級的開關速度和很小的導通電阻（約2.5 Ω），有利于提高測量速度與精度。

數據采集電路，用于測量探測器的輸出電壓信號，將電壓的模擬量轉換為數字量，進而由主控模塊進行分析和處理。選用的ADS1247具有極低功耗與噪聲的精密24位模數轉換器，實現儀器的高精度測量。

3）計數管探測單元

計數管探測單元用于測量環境γ劑量率及劑量。主要由高、低量程計數管、量程切換電路、高壓電路及信號整形電路組成。

高、低量程計數管為輻射探測元件，其中低量程計數管選用本單位研制的GJ4402型G-M計數管探測器，高量程計數管采用GJ4406型G-M計數管探測器，兩者組合可實現0.1 μGy/h～10 Gy/h大動態范圍的γ劑量率測量。

4）輸入輸出單元

輸入輸出單元包括OLED（氧化物發光二級管）點陣顯示屏、按鍵、數據接口（USB接口和測讀劑量計的專用電纜接口）。

圖4 電源分配示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring instrument composition

5）電源分配單元

電源分配單元為各功能電路提供電源，可由主控單元按所需時序實時控制，其結構圖如圖4所示。

測量儀采用4節5號干電池供電，系統可自動檢測并顯示電池電量，也可借助專用電纜從標準USB端口取電。內置備用電源給時間計數器供電避免時鐘錯亂。

采取單獨供電方式可以有效降低整機功耗，例如儀器中耗電量最大的部件OLED顯示屏和ADS1247模數轉換單元僅在其工作時供電，還可起到隔離系統噪聲、提高轉換精度的作用。

2.2 軟件設計

2.2.1 測量儀嵌入式軟件設計

測量儀嵌入式軟件流程圖如圖5所示。開機初始化后進入節電方式并進行數據顯示，需要與計算機通信時啟動USB數據傳輸功能，有按鍵按下時進行設置參數等操作。當有劑量計插入時轉劑量計測讀程序并啟動脈沖供電測量程序，依次測讀劑量計人員編號、場效應管γ劑量探測器、中子劑量探測器及其溫度值并進行數據計算、溫度補償、劑量轉換、存儲和顯示；如果沒有劑量計插入，直接測量計數管探測器獲取劑量率數據，如無結果超閾值，則轉入循環顯示，如有結果超閾值，則轉聲光報警直至人為干預。

圖5 測量軟件流程圖Fig.5 Flowchart of measuring instrument embedded software

2.2.2 數據分析處理軟件設計

數據分析處理軟件用于獲取測量儀數據，并建立人員信息、測量數據的數據庫，可對所存數據進行分析、統計和管理。其主要功能模塊如圖6所示。

圖6 數據分析處理軟件功能模塊Fig.6 Data analysis and processing software function module

用戶權限管理包括系統登錄、權限控制、密碼修改3個模塊，用于區分用戶性質，給其分配數據查看和管理的權限；數據通信由數據發送、數據接收、數據解析3個模塊組成，用于和測量儀的數據傳輸；測量數據文件處理將測量儀傳來的數據形成文件，便于管理；數據庫管理由數據管理、數據維護、大劑量數據管理、報表管理這4個模塊組成，用于數據的增刪、檢索、分析和形成報表。

2.3 結構設計

綜合儀器功能設計、安裝固定、人員佩戴便利性及其環境適應性等多重因素，設計的核輻射劑量儀外觀如圖7所示。

測量儀顯示屏采用OLED192×80點陣的單色、圖形顯示模塊，充分考慮電磁兼容和整機密封性設計，采用異形密封圈解決了測量儀電池倉、顯示屏、按鍵、后蓋和劑量計側面多觸點接插件等的密封難題，從而滿足艦載儀器對浸漬、鹽霧和–40 ℃～+50 ℃環境條件下的苛刻要求。人機界面力求簡捷，采用“開關”、“返回”、“上”、“下”四只按鍵，即可滿足儀器功能設置需求。

圖7 核輻射劑量儀外觀Fig.7 Appearance of nuclear radiation dosimeter

配套設計了帶有定位機構及彈性觸點的劑量計測讀卡座，能夠實現快速準確測讀劑量計數據并向劑量計中的存儲器寫入參數信息。

3 性能試驗結果

在樣機鑒定試驗過程中，先后對核輻射測量性能、環境適應性、可靠性、維修性、電磁兼容性、數據通信及軟件性能進行了測試和檢驗。為便于了解新型核輻射劑量儀的性能特點，與美國同類儀器AN/UDR-13核輻射劑量儀進行基本性能比對，結果如表1所示。

表1 與國外同類儀器基本性能比較結果Tab.1 Comparison results of the basic performance with similar foreign instruments

從表中可以看出，與AN/UDR-13型核輻射劑量儀相比，本儀器在能量響應、測量量程、顯示精度、工作時間、可靠性指標等性能方面具有明顯優勢，尤其是劑量計與測量儀相互獨立，實現了劑量計袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地減輕人員佩戴負荷和降低成本（約為國外同類儀器的1/5）以增大儀器覆蓋面，且測量儀除了能夠大量測讀劑量計外，還具有便攜式輻射儀的高靈敏、寬量程及實時報警功能。

4 結 語

本文簡述了一種針對艦艇環境設計的核輻射劑量儀的原理和性能特點，通過試驗與國外同類儀器AN/UDR-13型核輻射劑量儀進行比對，結果表明：本儀器在能量響應、測量量程、顯示精度、工作時間、可靠性指標等性能方面具有明顯優勢，其主要特點是劑量計與測量儀相互獨立，實現了個人劑量測量袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地減輕人員佩戴負荷和降低成本以增大監測覆蓋面。因此，該儀器不僅能用于固定場所環境γ輻射或由人員攜帶實時測量γ劑量率和累積劑量并進行超閾值報警，也可用來快速測讀劑量計（能夠記錄瞬發γ和中子劑量），作為輻射傷情評估的參考依據。經過強化電磁兼容和整機密封性設計后，能夠適應艦載條件下進行環境及人員的核輻射劑量監測。