yy.vip易游-便携式无线伽马射线监测仪的研制

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　　核技术工业应用分卷ProgressReportonChinaNuclearScience&Technology(Vol1)2009年11月

　　郭宏利,高翔,张进富,李锦富,王路伟,中国原子能科学研究院,北京102413,

　　摘要:介绍了一种新型便携式无线伽马射线监测仪的工作原理、系统结构和软硬件设计。仪器采用了先进的高压模块技术,选用贴片元器件设计,降低了仪器的功耗,减小了仪器的体积,可以满足便携性的要求。无线传输技术使仪器能更灵活的应用到各种场所。

　　伽马射线测量作为核测量中极其重要的一部分,在很多领域一直被广泛应用。随着科技的发展,伽马射线测量仪表也趋向低功耗、便携性、低本底、高精度方向的发展。在工业应用中,由于一些特殊的现场测量的要求,需要进行远距离实时射线监测,以判断是否存在放射性物质。基于这种情况我们研制开发了便携式无线伽马射线监测仪。其特点如下,

　　如图1所示,为伽马计数监测仪基本原理,伽马射线在NaI晶体上产生的光子,打到光阴极后产生光电子,经PMT(光电倍增管)多级放大,产生可以被测量的电信号,经过放大、阈值甄别比较、信号整形电路送至中央处理单元,经过计算分析再把计算结果通过无线发射的方式发送到JMS-1无线接收仪上,同步显示测量结果。如果测量结果超出或低于所设定的阈值,那么伽马计数监测仪会产生光电报警,同时无线接收器上会产生振动报警。

　　无线接收仪由MCU单片机数据处理系统、显示模块与无线所示为伽马探测器结构原理图,伽马探测器由PMT,光电倍增管,与NaI晶体组成,主要用于测量伽马射线,射线进入到NaI晶体中,与NaI相互作用,使闪烁体的原子电离和激发,被电离、激发的原子退激时,一部分电离、激发能量以光辐射的形式释放出来,形成闪烁,闪烁光的一部分被收集到光电倍增管的光阴极上,光子被光电阴极吸收后,发射出光电子,光电子在光电倍增管中倍增,倍增的电子束在阳极上被收集,产生输出信号[1]。

　　在本部分的设计中,高压电源的功耗占整个仪器功耗的70%,因此高压电源的选用是本仪器设计的关键。高压电源采用日本滨淞公司的CC208P-01Y模块。CC208P-01Y为正高压输出,矩形高压电源模块。在设计上着重于高集成度,最新研发的电路不但达到了高性能和低功耗的标准而且在保持低成本的情况下还提高了电源的保护功能。

　　信号放大电路、阈值比较电路、信号整形电路组成信号采集处理电路,其功能是将从光电倍增管出来的微弱信号脉冲进行放大,放大为幅度较大的电压脉冲。由于光电倍增管(PMT)输出的信号中夹杂有噪声信号,因此通过阈值比较器将把光阴极发射以外的所有噪声脉冲,非阈值设定范围内的信号,去除掉,保留有用的信号脉冲。

　　由于信号脉冲需要被单片机系统进行计数,脉冲幅度要求为5V,脉宽至少为3µs以上,根据晶振频率,。因此根据要求需要采用74HCT4538作为整形电路。如图4所示为使用74HCT4538的整形电路,为74HCT4538为高速、低功耗、TTL兼容的单稳态电路芯片,由公式(1-1),通过改变Rx和Cx的大小即可得到需要的脉冲宽度T。

　　信号采集系统将脉冲信号经过处理之后,最终输入单片机系统进行数字化的处理。MCU数据处理系统主要是采用89C52单片机作为微处理器。采用89C52单片机系统具有以下特点:(1)完全符合对于要求仪器体积小,重量轻,便于携带方面的设计;(2)采用了低功耗电路设计方法,以低功耗为主要指标;(3)该芯片应用范围广,编程技术非常成熟;(4)采用低压微功耗的LCD液晶显示器;(5)采用RS-232串行通信接口[2]。

　　整形后的脉冲信号被89C52单片机内部设置的16位可编程计数器T0接收,根据键盘设置的采样时间,通过程序对数据进行计算处理,将结果显示在LCD液晶屏上,同时将结果通过串口从无线发射模块发送到接收器中,被无线接收模块接收数据,并传送至接收器中的单片机处理系统,显示出与伽马计数监测器相对于的数据结果,如超过设定阈值,即产生光电报警。

　　无线发射及接收模块采用ASK模组。ASK,AmplitudeShiftKeying,幅移键控,模组是通过信号的有无来传输数据的一种无线通信方法,ASK系列无线模组采用晶体振荡器加PLL,PhaseLockedLoop,锁相环,稳频,具有抗干扰能力强、通信速度高、体积小巧、功耗低、性能稳定、性能价格比高等优点。其基本原理框图如图6所示。

　　伽马计数监测仪与无线接收器均采用AA镍氢电池或AA碱性电池供电。由于在使用过程中电池电量会逐渐降低至使工作电压不稳,影响系统测量性能,因此需要增加DC/DC转换电路保持工作电压的稳定。本系统使用ADP1073芯片,采用升压式DC/DC转换,分别输出为+5V和+12V的工作电压。ADP1073具有外围器件少、交换效率高、交换电流大的特点,并采用SO-8封装,非常符合本系统设计。

　　介绍了山洪灾害危害、成因、风险隐患评估范围、风险评估方法、危险区范围及其危险等级、山洪灾害监测预警与防御等及其相关文档，可供相关工作人员参考。