一種U盤式核輻射檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)思路

鄒海鋒　周燕　韓杰　羅浩然　馮本權(quán)

摘 要：設(shè)計(jì)一款基于G-M計(jì)數(shù)管的U盤式核輻射檢測(cè)裝置，以便于人們?cè)谌粘Ｉ钪须S時(shí)可以檢測(cè)停留較久的生活環(huán)境的中的核輻射劑量。

關(guān)鍵詞：G-M計(jì)數(shù)管;核輻射檢測(cè);U盤式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.105

1 前言

無論是2011年的日本核電站發(fā)生的泄漏事故還是2016年初的朝鮮核試驗(yàn)都使人們深刻的意識(shí)到核輻射對(duì)人們身體健康的重要性。而核輻射又是以射線的形式存在，沒有相應(yīng)的核輻射檢測(cè)設(shè)備很難對(duì)其進(jìn)行量化計(jì)算，了解周圍環(huán)境的核輻射情況。

本文基于G-M計(jì)數(shù)管工作原理，提出一款U盤式核輻射檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)思路，可隨身攜帶，隨時(shí)使用，幫助人們隨時(shí)了解自身周圍新環(huán)境，減少對(duì)核輻射危害的擔(dān)憂。

2 G-M計(jì)數(shù)管

G-M計(jì)數(shù)管是一種用于探測(cè)核輻射的氣體探測(cè)器，其檢測(cè)原理為通過檢測(cè)入射的射線在計(jì)數(shù)管內(nèi)部的氣體中發(fā)生電離效應(yīng)，在陰極和陽極的形成的電場(chǎng)中移動(dòng)從而形成電流信號(hào)。當(dāng)有帶電粒子射入計(jì)數(shù)管內(nèi)時(shí)，其便會(huì)由于引起了G-M計(jì)數(shù)管放電而產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)被記錄。電壓脈沖頻率越高，有效電流越大，核輻射劑量也就越高。相比于其他核輻射探測(cè)器，G-M計(jì)數(shù)器具有較高的性價(jià)比，比較適合用于普通群眾用于日常生活中的隨身檢測(cè)。

3 U盤式輻射檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)G-M計(jì)數(shù)管原理，現(xiàn)在采用具有OTG功能的手機(jī)USB接口經(jīng)過升壓模塊為G-M計(jì)數(shù)管供電，利用G-M計(jì)數(shù)管就可以對(duì)核輻射的信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行放大處理使之易于檢測(cè)，通過電平轉(zhuǎn)換電路，將我們采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為手機(jī)信號(hào)傳輸所用的差分信號(hào)。最后將差分信號(hào)通過手機(jī)USB口傳輸?shù)绞謾C(jī)上完成最后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

主要需要設(shè)計(jì)模塊為：（1）升壓模塊;（2）信號(hào)采集模塊;（3）信號(hào)處理模塊;（4）信號(hào)計(jì)算統(tǒng)計(jì)模塊。

3.1 升壓模塊

升壓模塊將實(shí)現(xiàn)將手機(jī)USB接口輸出的5V電壓升壓至G-M計(jì)數(shù)管工作所需要的額定電壓。為了能夠盡量縮小體積，采用三極管的對(duì)5V電壓實(shí)現(xiàn)放大。由于所需的電壓較大，故采用雙耐壓三極管（Q1、Q2）組合對(duì)電壓進(jìn)行放大。通過變阻器R100進(jìn)行微調(diào)即可得到較為合適的電壓。由于輸入功率有限，為了降低功率，通過使用555芯片與電阻R1、R2以及電容C5（如圖2所示）組成一個(gè)無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩的電路，將輸入的5V直流電源轉(zhuǎn)換為諧波振蕩電源在555芯片的3管腳輸出，以脈沖的形式為G-M計(jì)數(shù)管進(jìn)行供電，間歇式地檢測(cè)核輻射劑量。同時(shí)為了消除輸出的高頻振蕩高壓對(duì)輸入源的影響，在輸出部分與電源部分加上電感對(duì)高頻高壓振蕩信號(hào)進(jìn)行過濾，以免對(duì)輸入源造成影響。

3.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊即對(duì)核輻射信號(hào)進(jìn)行采集處理。信號(hào)采集是整個(gè)裝置的一個(gè)重點(diǎn)部分，只有采集到相應(yīng)的核輻射信號(hào)才能夠?qū)ζ鋭┝窟M(jìn)行分析和處理。為保證擁有足夠的功率，在升壓模塊與G-M計(jì)數(shù)管之間采用無源功率因數(shù)校正電路提高線路的功率因數(shù)。

根據(jù)G-M計(jì)數(shù)管工作原理，將G-M計(jì)數(shù)管按正負(fù)極接入電路，即可對(duì)核輻射信號(hào)進(jìn)行采集。在R16與R17之間引出輸出端，即可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行輸出。

3.3 信號(hào)處理模塊

由于G-M計(jì)數(shù)管采集到的信號(hào)一般較弱，因此在采集到信號(hào)之后，我們接入一個(gè)三極管對(duì)其電流進(jìn)行放大，得到足夠有效的信號(hào)。同時(shí)，由于手機(jī)接口是采用的是差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，因此采用電平轉(zhuǎn)換電路對(duì)采集到的單端信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之成為手機(jī)可讀取的差分信號(hào)，完成信號(hào)處理，進(jìn)行信號(hào)傳輸。

3.4 信號(hào)計(jì)算統(tǒng)計(jì)模塊

該模塊的功能主要在手機(jī)APP上完成。通過手機(jī)USB口讀取到了G-M計(jì)數(shù)管檢測(cè)到的信號(hào)后，在APP上對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，并且將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算得到所處環(huán)境的核輻射劑量，最后通過手機(jī)屏幕上的數(shù)據(jù)直觀的看到周圍環(huán)境的情況。

4 結(jié)語

在核應(yīng)用越來越廣泛的今天，核輻射帶來的損害也不容忽視。一款可隨身攜帶的U盤式輻射檢測(cè)裝置可以讓我們及時(shí)了解周圍環(huán)境的核輻射劑量，有助于維護(hù)我們的身體健康。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃--U盤式智能輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（201810616151）

作者簡(jiǎn)介：鄒海鋒（1998-），男，四川隆昌人，本科，研究方向：機(jī)械工程。