便携式宽量程辐射监测仪研制_陈元庆.pdf

56|电子制作 2023 年 2 月信息工程环境辐射水平监测是整体环境监测中的一项。随着国家经济的发展，核电项目的大量建成，民众对辐射环境的关注度越来越高。现有的便携式辐射监测仪多采用单一探测器，在保证相对固有误差 10%的情况下，只能测量某一段量程剂量率，无法做到宽量程测量。便携式宽量程辐射监测仪采用了 NaI 探测器和盖革计数管的复合双探头结构。其中 NaI 探测器用于低剂量率测量，盖革计数管用于高剂量率测量，根据辐射强度自动调整量程，复合探测器的量程达到 10nSv/h 12Sv/h，达到了宽量程测量的目标。便携式宽量程辐射监测仪主要应用于在环保、卫生、核工业领域中，是对放射性控制场所，如核电厂区、放射性辐照厂、放射性医疗部门等区域 剂量率进行监测的设备。该设备可监测特定区域内的 射线，显示当前的 剂量率。它还包括一个声响报警部件，当周围剂量当量（率）达到某一预定水平时，能发出声响信号，提醒工作人员注意辐射安全。1 硬件设计便携式宽量程辐射监测仪组成框图如图 1 所示。每组探测器拥有一套独立的前置放大及分析电路、高压电源和通讯控制系统。将探测器、信号放大、脉冲分析、数据存储等集成一体，缩短模拟信号传输距离，使探测器整体与主机之间的信号传输由传统的模拟信号改为抗干扰能力强的数字信号。1.1 探测器1.1.1 NaI 探测器NaI 探测器一般由 NaI 晶体和光电倍增管（PMT）组成。射线与 NaI 晶体相互作用，使 NaI 晶体中原子、分子激发，在退激时形成闪烁光。闪烁光被光电倍增管光阴极收集后，发出光电子，经倍增放大后被阳极收集输出电脉冲信号1。本仪器采用了直径 30mm50mm的 NaI 晶体，用于低剂量率测量。1.1.2 盖革计数管盖革计数管是一种气体探测器，工作电压在盖革-弥勒区2，通常由高压电极和收集电极组成，电极间充惰性气体并外加一定的电压。入射粒子使气体电离，然后收集到电极上，于是在输出回路中形成电信号。本仪器采用 M100 型盖革计数管，用于高剂量率测量。1.2 放大器及脉冲分析器的电路设计1.2.1 NaI 放大器及脉冲分析器NaI 探测器输出的脉冲信号，首先经过一个电容 C13，隔离高压；再利用直流稳压电源，稳定信号基线；然后经过一个跟随器 U1A，提高输入阻抗；再经过 R15、R17、VR1和 C15 组成的极零相消电路，改善计数率过载和脉冲幅度叠加的效应；再经过运算放大器 U1B，提高信号脉冲幅度；最后通过比较器 U5A，将脉冲信号转化成数字信号 COUNT传输给 MCU 控制器，其原理图如图 2 所示。1.2.2 盖革计数管脉冲分析器盖革计数管输出的电脉冲信号，先通过分压电路 R1 和R2 进行降压，然后再通过 N 通道 MOS 管 Q1 对电脉冲信号进行整形，转化成数字信号 SIN 传输给 MCU 控制器，其原理图如图 3 所示。1.3 MCU 数据处理系统微处理系统构成了整个仪器的中央控制器，微处理器系统是整个系统的控制处理核心，它的性能直接影响到整个系便携式宽量程辐射监测仪研制陈元庆，黄清波，刘金尧，黄亮（核工业航测遥感中心，河北石家庄，050011）摘要：为满足对放射性控制场所环境辐射水平监测的需求，研制了一台便携式宽量程辐射监测仪。该仪器采用了NaI探测器和盖革计数管的复合双探测器结构。其中NaI探测器用于低剂量率测量，盖革计数管用于高剂量率测量，根据辐射强度自动调整量程，复合探测器的量程达到10nSv/h12Sv/h。测试结果表明：仪器在10nSv/h12Sv/h量程范围内线性良好，其相对固有误差10%，角响应和能量响应符合相关规范要求，可方便地运用于各场合的辐射监测工作。关键词：宽量程；NaI探测器；盖革计数管图 1 辐射监测仪组成框图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.03.012wwwele169com|57信息工程统的性能。通过系统方案论证，我们选择 C8051F120 微处理器系统。C8051F120 是完全集成的混合信号片上系统型MCU 芯片，具有高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51内核（100MIPS）；真正 8 位 500ksps 的 AD，带 PGA 和8 通道模拟多路开关；硬件实现的 SPI、SMBus/I2C 和两个UART 串行接口；5 个通用的 16 位定时器。它的资源和处理能力完全能够胜任本系统的要求。+3-2184U1AOPA2725+5-67U1BOPA2725C44pR3100KR520KR73KR8600+6-53 DIG14 AN1342U5ACMP401R1020KCountSinSinC132KV/473C1539pR171KR15470VR15KV2.5R1910KC160.1R2100KSignalVDDV2.5VDDV2.5V2.5 图 2 NaI 探测器脉冲分析器原理图R1R2C2R3SINQ1VDDGM 图 3 盖革计数管脉冲分析器原理图 1.4 电源系统高压电源模块：光电倍增管的工作电压一般为 400 1100V，需要一个高压电源供电，通过调节高压输出来控制PMT 的脉冲信号幅度。盖革计数管的高压工作范围为 350500V，工作电压基本固定设置在 400V，需要第二个高压电源对其供电。低压电源模块：低压电源为各电子线路提供+5DCV、+3.3DCV 的工作电压。2 软件设计软件是所有智能化仪器的思想和灵魂，好的软件能充分发挥硬件电路的性能，同时，软件的功能还体现在简化操作步骤以及弥补硬件的不足，本项目编程语言选用的是C语言。仪器软件的主要功能是对辐射剂量数据的采集、处理、存储和显示等。仪器可以任意设定采集时间；根据辐射强度自动调整量程；定时自动关机；自动存储数据；采用易于操作的触摸 LCD 屏幕；查询数据或删除数据；测量值超过预设的报警阈值时，发出声响报警。2.1 程序结构便携式宽量程辐射监测仪的程序框图如图 4 所示，当系统上电或复位后，系统进入控制器初始化工作，同时初始化外设如实时时钟、显示器、读取参数设置等，初始化完成后，程序进入循环等待状态，等待命令响应，比如中断、触摸屏幕等，完成其功能函数。通过触摸屏幕操作来开启测量工作，测量数据自动保存，测量完毕程序将显示本次测量结果。用户可以通过参数设置，来改变系统参数；还可以查阅历史数据，传送回计算机。MCU 主程序及判断程序测量程序参数设置程序数据查询程序LCD 显示程序上电复位系统初始化中断模块图 4 辐射监测仪的程序框图 2.2 测量程序研发当便携式宽量程辐射监测仪测量工作启动后，先对相关参数和功能模块初始化，然后由信号成形分析电路对脉冲信号进行数据分析处理，选择不同的探测器进行测量，当测量完毕后，把最终测量结果存储并显示在 LCD 显示屏上。测量程序流程如图 5 所示。3 性能测试本文研究过程中执行的依据主要是JJG 393-2003 辐射防护用 X、辐射剂量当量(率)仪和监测仪检定规程3，针对便携式宽量程辐射监测仪整机进行测试。3.1 稳定性测试仪器放置于核工业放射性勘查计量站放射性测量模型标准参考点上，连续测量 10h，每组数据的测量时间为 300秒。每小时随机抽取一组数据，对 10 组测量数据进行计算，取其中最大和最小两组数据与 10 组测量数据的平均值进行比较。NaI 探测器稳定性的最大偏差为 1.23%，盖革计数管的稳定性最大偏差为 0.78%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表 1。58|电子制作 2023 年 2 月信息工程开始测量启动盖革计数管并分析数据高剂量数据吗？测量计时开始关闭盖革计数管启动NaI探测器并分析数据低剂量数据吗？探测器故障测量计时开始测量时间到，存储数据结束测量吗？结束测量是是是否否实时显示测量数据否图 5 辐射监测仪测量程序流程图 3.2 角响应测试仪器预热稳定后，使用137Cs 放射源（带有定向限束准直器）进行测试，每个角度测试 10 次求平均值。NaI 探测器角响应的最大变化极限为-3.27%，盖革计数管角响应的变化极限为-5.46%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表 2。表2 角响应测试45030015000-150-300-450相对于00变化极限 NaI探测器Sv/h77.0476.7676.6775.7175.3775.3173.23-3.27%重复性2.1%1.7%1.5%0.9%2.5%1.2%1.4%盖革计数管Sv/h474.1485.6496.1501.5509.9508.9507.8-5.46%重复性2.6%1.8%1.6%1.6%0.8%1.0%2.1%3.3 能量响应测试3.3.1 NaI 探测器能量响应测试仪器预热稳定后，使用放射源137Cs 和 X 射线机进行测试，测试 10 次求平均值。NaI 探测器能量响应的变化极限为 14.70%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表 3。表3 NaI探测器能量响应测试照射源48keV60keV87keV149keV211keV137Cs标准值Sv/h79.377.679.079.278.178.3测量值Sv/h83.587.683.182.882.377.1重复性2.3%1.6%2.2%1.3%2.5%1.0%相对于137Cs变化6.95%14.70%6.89%6.24%6.99%/3.3.2 盖革计数管能量响应测试仪器预热稳定后，使用放射源137Cs 和 X 射线机进行测试，测试 10 次求平均值。盖革计数管能量响应的最大变化极限为36.91%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表4。表4 盖革计数管能量响应测试照射源48keV65keV83keV118keV 164keV 208keV 250keV137Cs标准值Sv/h484.3510.9492.7490.1496.3490.8485.6492.6测量值Sv/h525.9692.4622.8683.1605.9567.8497.8501.5重复性1.9%2.2%2.1%1.5%0.9%2.5%1.7%0.9%相对于137Cs变化6.65%33.11%24.17%36.91%19.91%13.62%0.69%/3.4 相对固有误差测试3.4.1 NaI 探测器相对固有误差测试仪器预热稳定后，使用137Cs 放射源进行测试，测试 10次求平均值，并计算 NaI 探测器的相对固有误差，其相对固有误差在-3.57%6.57%之间，测量结果符合相关规定，测量结果列于表 5。表5 NaI探测器相对固有误差测试标准值Sv/h测量值Sv/h相对固有误差重复性0.600.6101.62%1.4%1.882.0046.57%1.2%10.7210.57-1.40%2.1%30.2829.16-3.70%1.6%78.3476.21-2.72%2.2%219.3211.1-3.72%2.1%492.6475.0-3.57%1.7%3.4.2 盖革计数管相对固有误差测试仪器预热稳定后，使用137Cs，60Co 放射源进行测试，测试 10 次求平均值，并计算盖革计数管的相对固有误差，其相对固有误差在-8.69%3.59%之间，测量结果符合相关规定，测量结果列于表 6。表1 稳定性测试12345678910平均值相对最大偏差NaI探测器Sv/h278.8280.3280.0278.6277.9276.2276.0274.5273.9272.6276.91.23%盖革计数管Sv/h270.4268.7268.7267.8267.8269.5266.1266.9268.7266.9268.20.78%（下转第 76 页）76|电子制作 2023 年 2 月电子基础4 结论与展望 本电路分为本车直接报警电路和邻车报警感知电路，本车感应到不同的危急情况，给予本车声光警示，可以给车内人员更多的反应时间能够自救，并且一定距离范围内的异车可以得到提示远离事故车辆或是给予救援，使用十分方便，电路的编码信息可以与 GPS 定位系统连接且不依靠现有的通讯网络，对于减少危急状况下的人员财产损失具有现实