成都理工大學 左 卓 柳炳琦 肖婷婷
一種Android系統(tǒng)的智能手機γ個人劑量儀
成都理工大學 左 卓 柳炳琦 肖婷婷
【摘要】介紹了一種基于Android系統(tǒng)的個人輻射劑量儀,該劑量儀與其他輻射檢測儀比具有相對低的功耗、更好的攜帶性、可以連續(xù)工作等優(yōu)點。主要用到的器件有G-M 計數(shù)管、ATmega8 單片機、FBT06藍牙模塊和一部Android智能手機,主要闡述了電源模塊和數(shù)據(jù)交換的創(chuàng)新性設計方案,將設計的電源模塊輸出信號作為接下來電路中ATmega8單片機和TL062還有GFHV-201P高壓模塊的工作電壓,最后劑量儀數(shù)據(jù)通過無線藍牙模塊實現(xiàn)手機實時交換。設計的劑量儀和開發(fā)的App應用程序,可組成范圍性環(huán)境輻射監(jiān)測網(wǎng),實時監(jiān)測環(huán)境中的放射性劑量值,能夠讓公眾在發(fā)生突發(fā)核事故或周圍核醫(yī)療設施發(fā)生泄漏時及時獲取輻射信息。
【關鍵詞】輻射劑量儀;G-M計數(shù)管;Android;FBT06
隨著我國核電事業(yè)的飛速發(fā)展和深入應用,像2014年5月發(fā)生的二級放射源遺漏的核事故和醫(yī)療設備放射性污染的潛在危險也在增加,對核電廠、核突發(fā)事故、以及核設施周圍環(huán)境中的放射性物質(zhì)進行檢測已引起廣大群眾的關注。在核電站周圍工作的人員或者生活的群眾,可能會受到γ射線輻射,這就需要一個能隨時隨地的對環(huán)境中的放射性有一個探測設備,研制Android個人輻射劑量儀就解決了這樣的問題[1]。由于該設備巧妙地將核輻射探測器和人們?nèi)粘I钪杏玫降氖謾C充電寶結合起來,并且通過無線藍牙通信系統(tǒng)將測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到普及度非常高的Android手機上面,用戶只需要下載本文設計的輻射監(jiān)測App應用程序,可以通過這樣一個系統(tǒng)獲得環(huán)境輻射程度的數(shù)據(jù)并作出相應對策,這樣可以及時發(fā)現(xiàn)放射性污染并有可能防止污染轉移[2]。本文介紹的輻射劑量儀主要有實時監(jiān)測、制作簡單、價格低廉、操作方便、應用范圍廣等優(yōu)點。
由于元素的核衰變是由原子核自發(fā)產(chǎn)生的,并且通過學習原子結構知道,原子核的能量能級結構等都是量子體系,因此能級躍遷產(chǎn)生射線的這個過程存在著不確定度,且每個原子核發(fā)生衰變的時間是不確定的,概率又都是一樣的,所以核衰變是一個量子躍遷過程,故對衰變產(chǎn)生的粒子進行探測服從量子的統(tǒng)計規(guī)律。由于放射性核素發(fā)生衰變的準確時間是沒有辦法測量的,所以只能將所有的單次衰變看做一個整體,通過統(tǒng)計方法計算出其衰變規(guī)律。
放射性活度是放射性強度的基本單位,表示單位時間內(nèi)參與衰變的原子核數(shù)目。單位為貝可勒爾,符號為 A(t),通過統(tǒng)計學方法得到的放射性活度的計算公式為[3]:
由上面的公式可以推得如下公式:
在這個公式中,N(0)表示的是在元素開始衰變前的原子核的總數(shù)目,N(t)表示經(jīng)過t時間的衰變以后此時剩余的原子核數(shù)目,雖然每一個原子核的衰變之間沒有任何的相互關聯(lián),但是通過大量的粒子數(shù)據(jù)進過統(tǒng)計分析,當粒子數(shù)目足夠大的時候會出現(xiàn)上面所述的呈指數(shù)規(guī)律的關系。
在本次設計中采用的探測原理是用的G-M計數(shù)管作為探測儀器,所以利用公式 (1-4),記錄到G-M計數(shù)管每秒輸出脈沖個數(shù),然后運用這個公式計算得到所測量的輻射劑量值,在公式里面N表示單位時間里脈沖的個數(shù),D表示劑量, t是所采用的G-M計數(shù)管的探測死時間,K為G-M計數(shù)管的探測靈敏度。
為了能夠達到要求,本設計較為新穎之處是,將人們生活中時常用到并現(xiàn)在以相對普及的便攜手機充電器相互結合。設計通過3.8V鋰電池供電,通過充放電芯片系統(tǒng)可以實現(xiàn)多次長時間使用,在不需要進行核輻射測量時可以作為一般的手機充電寶使用。在開啟輻射探測功能后,通過GFHV-201P高壓模塊將電源輸出的5V穩(wěn)定電壓轉換到380V,供給G-M計數(shù)管兩端的工作電壓。電源模塊的設計突出了功耗低、體積小的特點,重復利用的特點。其全局設計示意圖如圖1所示。
圖1 核輻射劑量儀整體設計示意圖
該劑量儀能和智能手機相結合,只需要使用者下載一個輻射檢測App到手機上即可,打開探測設備后,可以實時得到相應的輻射劑量數(shù)據(jù),可以及時作出反應。此劑量儀體積小、功耗低、操作簡單。適合應用于可能存在核輻射的工作單位,在旅行時可能存在高放射性的地方,及在發(fā)生核事故、地質(zhì)災害等重要情況時,公眾能首先通過自己手中的輻射檢測設備對自身所處環(huán)境的放射性有一個清楚地了解。
2.1 控制模塊
本設計所采用的控制芯片使用的是ATmega8A,有更低的功耗、更強的處理能力和內(nèi)部集成設備。
在這里衡量功耗大小用單位W/MIPS即(瓦特/百萬指令每秒),這個單位是對比功耗與性能之間關系的專用單位。設計中采用的ATmega8芯片在完全工作時的功耗只有3.6mA/MIPS,在休眠模式的時候只有1mA/MIPS,在掉電模式時候只有0.1uA/MIPS的耗電量。由于ATmega8A采用的是RISC內(nèi)核,所以這個芯片的130條指令中大多數(shù)的執(zhí)行時間能夠在1個時鐘周期內(nèi)完成。所以再處理能力上有大大的提高,同時處理時間的縮短對輻射測量的準確性提高起到了良好的作用。主控模塊的部分電路設計如圖2所示。
圖2 主控模塊部分電路圖
2.2 信號采集模塊
在系統(tǒng)的設計中,信號采集模塊有G-M計數(shù)管,高壓電源轉換模塊,最后還有輸出信號甄別整形電路。給G-M計數(shù)管施加380V的直流高壓,使其開始對空氣中的射線粒子進行探測,它的輸出是0到5V之間的類高斯尖峰脈沖波形,為了方便用單片機對結果的脈沖進行計數(shù),需要利用甄別成形電路把G-M管的輸出波形進行轉換[4],使原來的尖峰脈沖稱為高低電平變換的矩形脈沖。然后將脈沖輸入到ATmega8單片機中,提供給單片機計數(shù)信號[5]。
在本設計中,甄別成形電路采用TP062作為比較器,當輸入電壓值大于比較的參考電壓時,輸出低電平,反之則輸出高電平。高壓模塊是探測器正常工作的重要部分,所以需要穩(wěn)定,可靠的設計。在參考和比較多種高壓電源以后,選擇了GFHV-201P的高壓模塊。它工作電壓在4.5-9V,輸出電壓能夠達到600V。完全滿足設計中G-M計數(shù)管正常工作時兩端380V的工作電壓。這種高壓模塊有很小的紋波,在使用過程中能較好的減少噪聲干擾等。信號采集模塊的整體設計如圖3所示。
圖3 信號采集模塊電路設計圖
2.3 電源模塊
在設計中為了達到便攜、重復利用、成本低廉的目的,電源模塊選用了許多成本低,穩(wěn)定性好的集成芯片。如充電管理芯片TP4056、輸出控制芯片CN5136、充放電保護芯片8205A和DW01X等。
設計中為了實現(xiàn)對電池的保護。能夠更穩(wěn)定的給電池充電,讓整個過程安全使電池有更長的壽命。選擇用芯片TP4056來對整個充電過程進行控制。當輸入電壓被拿掉時,自動控制功能使TP4056進入低電流狀態(tài),此時電池的漏電流限制到2uA以下。CN5136的開關頻率可達300KHz,外部電路只需要一個肖特基整流二極管、兩個電阻、一個電感和一個電容。通過外部電阻可以設置輸出電壓最高可以到6V,輸出達到500毫安的電流。因為片內(nèi)有高精度的電壓基準源,芯片有高精度的輸出電壓和低溫度漂移。電源模塊如圖4 所示。
圖4 電源模塊設計電路圖
3.1 硬件調(diào)試
G-M探測器正常工作時,系統(tǒng)G-M計數(shù)器的負極輸出端測得到的信號圖形如圖5所示。
圖5 G-M計數(shù)管輸出信號圖
信號在通過預處理以后進入甄別其中進行脈沖波形到方波的轉換,在比較器的參考端加上了0.56V的參考電壓,當信號端口電壓大于參考電壓設定值時,甄別器的輸出端將輸出低電平,出現(xiàn)下降沿。信號進入單片機后單片機下降沿判斷是否計數(shù)。甄別器輸出信號波形如圖 6所示。
圖6 甄別器輸出信號
3.2 輻射劑量儀軟件調(diào)試
(1)在ATmega8單片機上,不斷調(diào)試改寫控制程序。檢查單片機是否能正常啟動,是否能夠準確的調(diào)用設置藍牙通信模塊。通過手機給主控單片機發(fā)出操作指令,檢查藍牙端口能否成功發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)給已經(jīng)匹配好的手機移動平臺。
(2)檢查軟件是否能正常實現(xiàn)報警閾值的設定和測量時間的設定。檢查系統(tǒng)能否正常保存測量數(shù)據(jù)。手機終端的運行和顯示如圖7所示。
圖7 手機運行結果
利用G-M探測器、ATmega8A、藍牙模塊、電源芯片等,成功設計了功耗低、易攜帶、可連續(xù)工作的個人輻射劑量儀。比較并選擇了適合本次設計的探測器,在基本的功能實現(xiàn)的情況下加入終端互聯(lián),組建了環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡。獲得的測量結果與其他輻射劑量儀測量結果一致。
參考文獻
[1]汪東風,孫德華,洪節(jié)省等.復雜環(huán)境條件下便攜式放射劑量儀檢測方法的研究[J].檢驗檢疫科學,2007,17(5)∶35-39.
[2]石會路,庹先國,奚大順等.高靈敏度γ劑量率監(jiān)測儀的設計與研制[J].核電子學與探測技術,2009(2)∶312-315.
[3]殷小芳.基于個人輻射劑量儀的研制[D].成都理工大學核技術與自動化學院,2012.
[4]Lehnert,Robert W.Production Engineering measure for high rang Geiger-Mueller tube[R].ADA027403,1974.
[5]呂志剛,王鵬,范曉光.基于MSP430單片機的多功能、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術應用,2007,33(7)∶70-72.