一款在線式γ輻射監(jiān)測(cè)儀

孫天澳 龔亞林 宮再晨

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118009）

0 引言

γ射線是一種基于原子核的衰變而被釋放的電磁輻射，是最為關(guān)注的輻射之一。它具有極強(qiáng)的穿透力，照射后會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生比較嚴(yán)重的損傷。在有射線的場(chǎng)合放置γ輻射監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既能保障輻射監(jiān)測(cè)的科學(xué)性、合理性，又能嚴(yán)格控制檢測(cè)人員的受照[1]，保障工作人員的生命健康安全。

1 原理

γ劑量監(jiān)測(cè)原理：射線進(jìn)入閃爍體后，激發(fā)閃爍體，將能量留在閃爍體內(nèi)，使閃爍體發(fā)生電離并發(fā)出熒光。熒光被光電倍增管收集到光陰極，經(jīng)過內(nèi)部的倍增加速后產(chǎn)生光電子。光電子從陽極輸出，變成電脈沖信號(hào)。電脈沖的幅值決定了是哪種射線，電脈沖的數(shù)量決定了射線的能量多少，因此可測(cè)量出入射γ射線的能量值，如公式（1）所示。

公式（1）中，n=K1PL3q/hv=N/E，是入射粒子單位能量產(chǎn)生的光電子數(shù)；€為光電轉(zhuǎn)換率。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)

測(cè)量時(shí)間短，響應(yīng)速度快，每一秒更新一次數(shù)據(jù)，能實(shí)時(shí)、在線且連續(xù)不間斷測(cè)量；測(cè)量精度高，誤報(bào)警率低；具有無線通信及RS-485通信功能，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程終端顯示；Wi-Fi通信方式下，搭配輻射監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)使用，最多可實(shí)現(xiàn)24臺(tái)設(shè)備同時(shí)采集管理；測(cè)量能量范圍寬，能更好滿足客戶需求；人機(jī)互動(dòng)界面清晰，操作簡(jiǎn)單，可隨時(shí)修改設(shè)置參數(shù)，且能實(shí)時(shí)顯示及上傳測(cè)量結(jié)果。

3 用途

本次設(shè)計(jì)的γ輻射監(jiān)測(cè)儀可以應(yīng)用的場(chǎng)所如下：1）用于自然環(huán)境以及工業(yè)環(huán)境中γ射線的輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)。2）用于放射源和射線裝置使用單位監(jiān)測(cè)γ射線。3）用于邊境、海關(guān)等對(duì)進(jìn)、出口物品的γ射線的監(jiān)測(cè)。4）用于礦物質(zhì)含γ射線的監(jiān)測(cè)。5）用于環(huán)保部門監(jiān)測(cè)環(huán)境本底情況、無損檢測(cè)裝置是否有輻射泄露以及核電站附近居民環(huán)境本底測(cè)量。

4 設(shè)計(jì)思想

γ射線劑量監(jiān)測(cè)是利用探測(cè)器的光電效應(yīng)收集γ射線，射線數(shù)量與劑量值成正比關(guān)系。單位時(shí)間內(nèi)采集到射線數(shù)量的多、少反映了劑量值大、小，控制芯片接收與閾值比較后的脈沖信號(hào)，將經(jīng)過試驗(yàn)標(biāo)定得到的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出實(shí)際的劑量值，最后用公式計(jì)算其是否超過設(shè)定的限制值。γ輻射的報(bào)警系統(tǒng)采用聲光雙重警示系統(tǒng)，超過預(yù)設(shè)的限值則按超標(biāo)判斷。通過主控制器的程序向led燈發(fā)送低電平信號(hào)，外殼上的警示燈會(huì)不斷閃爍，同時(shí)屏幕中自帶的蜂鳴器會(huì)一秒鳴叫一次，直到報(bào)警解除，使人在視覺和聽覺上都能感知到有危險(xiǎn)，達(dá)到快速報(bào)警的目的。通過設(shè)備自帶的屏幕顯示實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)與劑量，同時(shí)可以通過485通訊或Wi-Fi無線通信與上位機(jī)連接顯示，遠(yuǎn)程查看工作場(chǎng)所的實(shí)時(shí)射線劑量數(shù)據(jù)，還可以遠(yuǎn)程操作改變報(bào)警的限值。

γ輻射監(jiān)測(cè)儀所要解決的問題是在有γ輻射的環(huán)境中，避免劑量超標(biāo)對(duì)人造成傷害。當(dāng)人員進(jìn)入或正在此環(huán)境中工作時(shí)，一旦γ劑量超過人體可以接受的輻射劑量，必將對(duì)人體造成傷害。所以γ輻射監(jiān)測(cè)儀要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)此環(huán)境中的γ劑量變化，一旦劑量超標(biāo)馬上報(bào)警，提醒人員盡快撤離或暫時(shí)不要靠近[2]。

由于此款γ輻射監(jiān)測(cè)儀可以在線監(jiān)測(cè)，并能自動(dòng)完成測(cè)量工作，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度幾乎為零，因此可以真正實(shí)現(xiàn)無人值守。也由于減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，解放了勞動(dòng)力，因此也降低了企業(yè)人力資源成本。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，也越來越方便，機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人、人與人的互聯(lián)互通變得簡(jiǎn)單，一款手機(jī)APP就可以遠(yuǎn)程控制其他關(guān)聯(lián)的設(shè)備。γ輻射監(jiān)測(cè)儀自帶Wi-Fi模塊，聯(lián)網(wǎng)后就可以通過手機(jī)軟件更改參數(shù)設(shè)置，隨時(shí)隨地了解工作現(xiàn)場(chǎng)的情況，最大程度地保障人員的安全。γ輻射監(jiān)測(cè)儀工作原理框圖如圖1所示。

5 電路設(shè)計(jì)

本次γ輻射監(jiān)測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)包括供電電源電路、高壓分壓電路、前置放大電路以及CPU控制電路。

5.1 供電電路設(shè)計(jì)

供電電源主要由可以產(chǎn)生0 V～1 500 V可調(diào)高壓的高壓電路、產(chǎn)生+3.3 V、+2.5 V、+5 V和-5 V的低壓電路組成，高壓電路選用MMA1.5N1VP2.5VMLS型高壓模塊，0 V～2.5 V電壓控制產(chǎn)生0 V～1 500 V可調(diào)高壓，它具有體積小、低紋波、高穩(wěn)定性、低溫漂、六面屏蔽低噪聲以及抗震性好的優(yōu)點(diǎn)。

5.2 分壓電路設(shè)計(jì)

分壓電路采用電阻分壓的方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由多個(gè)電阻組成，電阻的電壓分配比例按照所選光電倍增管的資料進(jìn)行設(shè)置，將高壓按比例分成不同的電壓值，為光電倍增管逐級(jí)提供所需電壓，以滿足光電倍增管的每級(jí)電壓要求。

5.3 放大電路設(shè)計(jì)

光電倍增管倍增后輸出的信號(hào)小，為了滿足測(cè)試要求，需要將其放大一定倍數(shù)，進(jìn)而滿足輸出信號(hào)可測(cè)量的目的。前置放大電路按照2次反向放大設(shè)計(jì)，將信號(hào)反向后，調(diào)整放大倍數(shù)。被放大的脈沖電信號(hào)經(jīng)過處理后與設(shè)定好的比較閾值進(jìn)行比較，產(chǎn)生用來表示輻射劑量的信號(hào)波形，該波形經(jīng)過處理后送到CPU進(jìn)行計(jì)數(shù)。

5.4 CPU控制電路設(shè)計(jì)

CPU控制電路的作用有如下幾點(diǎn)：1）處理比較器輸入的脈沖波形，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而獲得劑量趨勢(shì)。2）負(fù)責(zé)超限值報(bào)警，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過設(shè)定的報(bào)警計(jì)數(shù)上線時(shí)，下發(fā)報(bào)警指令，為系統(tǒng)提供報(bào)警服務(wù)。3）為高壓模塊提供可調(diào)輸入電壓控制電壓，并接收高壓模塊用來反映真實(shí)輸出電壓的反饋電壓。4）為信號(hào)處理提供比較用的閾值。5）與上位機(jī)通信，控制屏幕顯示數(shù)據(jù)。

CPU控制電路處理脈沖比較器輸出的數(shù)字信號(hào)，通過計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)出滿足預(yù)設(shè)條件的脈沖數(shù)量，輸出給顯示部分，判斷該計(jì)數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警計(jì)數(shù)，決定是否輸出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)需要通過接收到的高壓反饋信號(hào)判斷是否滿足預(yù)設(shè)的值，并進(jìn)行DA處理，輸出電壓，控制高壓電源的輸出。

CPU控 制 芯 片 選 擇ARM373系 列STM32F373R8T6型，它是一款32位64 kB閃存ARM Cortex-M4微控制器單元，提供數(shù)字信號(hào)處理和浮點(diǎn)單元。1個(gè)快速12位ADC、2個(gè)DAC、1個(gè)低功耗RTC、9個(gè) 通用6位定時(shí)器、2個(gè)通用32位定時(shí)器以及3個(gè)基本定時(shí)器，高級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，結(jié)合高速嵌入式存儲(chǔ)器、范圍廣泛的增強(qiáng)型I/O口和連接到2條APB總線的外圍設(shè)備，電源電壓在2V～3.6V，工作溫度為-40 ℃～85 ℃。CPU控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

6 程序設(shè)計(jì)

在Keil uVision5軟件環(huán)境下編寫程序。該軟件操作簡(jiǎn)單，程序簡(jiǎn)單易懂，模塊可移植性強(qiáng)，符合此次控制程序編寫的需求。該程序?yàn)棣幂椛浔O(jiān)測(cè)的整體運(yùn)行提供了支撐，定義了γ輻射監(jiān)測(cè)儀的劑量監(jiān)測(cè)方法、與外界通信的接口信息、報(bào)警條件和現(xiàn)象以及控制方法等。程序包括485串口通信模塊、Wi-Fi無線通信模塊、計(jì)時(shí)模塊、計(jì)數(shù)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊，每一個(gè)模塊都是獨(dú)立的個(gè)體，可移植。

主函數(shù)控制整個(gè)軟件的執(zhí)行順序。程序從主函數(shù)開始執(zhí)行。主函數(shù)先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，保證系統(tǒng)開始正常運(yùn)行。當(dāng)一切正常后，主程序開始按照要求進(jìn)行信號(hào)的采集和處理、模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換、報(bào)警顯示以及與外部進(jìn)行通信。

系統(tǒng)定時(shí)器用來給其他函數(shù)模塊一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘參考。系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為每10 μs產(chǎn)生一個(gè)中斷，通過延時(shí)若干個(gè)中斷得到需要的時(shí)間。模塊包括系統(tǒng)定時(shí)器初始化函數(shù)和延時(shí)函數(shù)。數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，利用CPU自帶的DAC模塊輸出，將對(duì)應(yīng)DAC的管腳配置成信號(hào)輸入模式。在CPU輸出端設(shè)置輸出的模擬信號(hào)控制高壓模塊輸出高壓值，同樣的原理輸出比較器的基準(zhǔn)電壓值。模塊包括DAC初始化函數(shù)和數(shù)字信號(hào)輸出函數(shù)。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)模塊，將高壓模塊反饋的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過CPU自帶的ADC模塊進(jìn)行相應(yīng)配置，讀取模擬信號(hào)。經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過串口通信發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。模塊包括ADC初始化函數(shù)、AD轉(zhuǎn)換函數(shù)和發(fā)送顯示部分。

計(jì)數(shù)模塊是在CPU系統(tǒng)計(jì)時(shí)器的基準(zhǔn)上運(yùn)用通用定時(shí)器來規(guī)定時(shí)間中斷計(jì)數(shù)的，單位時(shí)間內(nèi)的個(gè)數(shù)用來表征輻射的劑量趨勢(shì)。此模塊包括中斷優(yōu)先級(jí)配置函數(shù)、秒函數(shù)和計(jì)數(shù)模式配置函數(shù)，同時(shí)技術(shù)函數(shù)中包括報(bào)警和顯示語句。

通信包括在2個(gè)模塊中，一個(gè)是USART串口通信模塊，另一個(gè)是GPIO配置管腳模塊,。USART串口通信模塊包括串口的發(fā)送接收定義函數(shù)、中斷初始化函數(shù)，GPIO配置管腳模塊包括I/O口配置初始化。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

7 探測(cè)器選擇

該設(shè)計(jì)選擇5.08 cm（即2英寸）的NaI閃爍體與CR105型光電倍增管組成探測(cè)器。NaI閃爍體進(jìn)行射線的能量激發(fā)與收集，光電倍增管加速粒子，經(jīng)過內(nèi)部的粒子運(yùn)動(dòng)輸出電脈沖。光電倍增管的選擇關(guān)系到射線被采集的效率，該設(shè)計(jì)選擇的是接觸面尺寸與閃爍體尺寸一致或接近、光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍包括閃爍體發(fā)光峰波長(zhǎng)且體積適中的CR105型管。分壓器按照光電倍增管的特性設(shè)計(jì)，能與高壓分壓電路配合達(dá)到最好的效果。

8 外殼設(shè)計(jì)

外殼要考慮實(shí)用、美觀的雙重效果，該文在外觀及功能上做了充分設(shè)計(jì)，申請(qǐng)并獲得了外觀設(shè)計(jì)專利，專利號(hào)為ZL 2020 3 0404787.4，證書號(hào)為第6379783號(hào)。外殼要考慮實(shí)用、美觀的雙重效果，該文在外觀及功能上做了充分設(shè)計(jì)，申請(qǐng)并獲得了外觀設(shè)計(jì)專利，專利號(hào)為ZL 202030404787.4，證書號(hào)為第6379783號(hào)。在線式γ輻射監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)考慮了安裝位置的問題，設(shè)計(jì)了安裝架，實(shí)現(xiàn)了可手持和可懸掛。外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括2個(gè)部分。設(shè)計(jì)最外面的機(jī)械外殼時(shí)，該文先對(duì)壁厚和材質(zhì)進(jìn)行選擇。考慮要保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，壁厚盡量小，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單穩(wěn)定。并采用鋁合金材質(zhì)，表面進(jìn)行氧化處理。鋁合金本色搭配少量的藍(lán)色氧化后，有清新整潔的效果；流線形的設(shè)計(jì)小巧精致，圓形套筒搭配不規(guī)則矩形，既有立體感，又不會(huì)顯得笨重；電源線接口在尾端，既能滿足功能要求，又不影響美觀；顯示屏設(shè)計(jì)在矩形面上方，藍(lán)色屏幕固定蓋與屏幕搭配，屏幕點(diǎn)亮后格外明亮。該文的設(shè)計(jì)不僅輕便、好安裝，還節(jié)約成本，樣子美觀。同時(shí)，外殼功能設(shè)計(jì)是按照IP65等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的條件下，還進(jìn)行了防水、防塵等保護(hù)。觸摸屏和觸摸屏集成壓蓋防水保護(hù)，并采用O型圈進(jìn)行密封。內(nèi)部元器件含有易碎部件，而且需要與電路板直接接觸。因此該文采用聚四氟乙烯材質(zhì)設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)筒，包裹住電路板以及探測(cè)器，起到了防震保護(hù)作用。

9 安全設(shè)計(jì)

對(duì)硬件電路進(jìn)行降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和EMC設(shè)計(jì)。降額設(shè)計(jì)主要是針對(duì)電路中的濾波鉭電容，按照70%電壓降額標(biāo)準(zhǔn)降額，電阻按70%功率降額標(biāo)準(zhǔn)降額，電源芯片使用功率80%降額。對(duì)內(nèi)部電路板采用模塊化分體設(shè)計(jì)，用插針排連接，可以迅速拆裝維修更換。每塊電路板都印有相關(guān)標(biāo)示，操作人員可以清楚地分辨哪塊電路板有高壓危險(xiǎn)，保障維護(hù)、維修人員的生命安全。

10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

外購(gòu)一款標(biāo)準(zhǔn)γ環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀作為鑒定樣機(jī)，研發(fā)γ輻射監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)見表1。

表1 劑量測(cè)試對(duì)比表

圖4為研發(fā)γ輻射監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)γ環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出的擬合曲線圖，該圖表明，兩款監(jiān)測(cè)儀測(cè)量精度相當(dāng)，此次自主研發(fā)的γ輻射監(jiān)測(cè)儀能夠滿足環(huán)境中γ輻射監(jiān)測(cè)的要求。

11 結(jié)語

與傳統(tǒng)γ輻射監(jiān)測(cè)儀相比，該文設(shè)計(jì)的γ輻射監(jiān)測(cè)儀的優(yōu)勢(shì)是滿足了監(jiān)測(cè)γ射線的精準(zhǔn)度要求，還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、在線和連續(xù)監(jiān)測(cè)，滿足了用戶持續(xù)監(jiān)測(cè)的需求，可以適應(yīng)更多場(chǎng)合，具有更好的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。