便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀研制

陳元慶，黃清波，劉金堯，黃亮

（核工業(yè)航測遙感中心，河北石家莊， 050011）

環(huán)境輻射水平監(jiān)測是整體環(huán)境監(jiān)測中的一項。隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，核電項目的大量建成，民眾對輻射環(huán)境的關(guān)注度越來越高?，F(xiàn)有的便攜式輻射監(jiān)測儀多采用單一探測器，在保證相對固有誤差≤10%的情況下，只能測量某一段量程劑量率，無法做到寬量程測量。

便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀采用了NaI探測器和蓋革計數(shù)管的復(fù)合雙探頭結(jié)構(gòu)。其中NaI探測器用于低劑量率測量，蓋革計數(shù)管用于高劑量率測量，根據(jù)輻射強度自動調(diào)整量程，復(fù)合探測器的量程達到10nSv/h～12Sv/h，達到了寬量程測量的目標(biāo)。

便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀主要應(yīng)用于在環(huán)保、衛(wèi)生、核工業(yè)領(lǐng)域中，是對放射性控制場所，如核電廠區(qū)、放射性輻照廠、放射性醫(yī)療部門等區(qū)域γ劑量率進行監(jiān)測的設(shè)備。該設(shè)備可監(jiān)測特定區(qū)域內(nèi)的γ射線，顯示當(dāng)前的γ劑量率。它還包括一個聲響報警部件，當(dāng)周圍劑量當(dāng)量（率）達到某一預(yù)定水平時，能發(fā)出聲響信號，提醒工作人員注意輻射安全。

1 硬件設(shè)計

便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀組成框圖如圖1所示。

圖1 輻射監(jiān)測儀組成框圖

每組探測器擁有一套獨立的前置放大及分析電路、高壓電源和通訊控制系統(tǒng)。將探測器、信號放大、脈沖分析、數(shù)據(jù)存儲等集成一體，縮短模擬信號傳輸距離，使探測器整體與主機之間的信號傳輸由傳統(tǒng)的模擬信號改為抗干擾能力強的數(shù)字信號。

■1.1 探測器

1.1.1 NaI探測器

NaI探測器一般由NaI晶體和光電倍增管（PMT）組成。γ射線與NaI晶體相互作用，使NaI晶體中原子、分子激發(fā)，在退激時形成閃爍光。閃爍光被光電倍增管光陰極收集后，發(fā)出光電子，經(jīng)倍增放大后被陽極收集輸出電脈沖信號[1]。本儀器采用了直徑30mm×50mm的NaI晶體，用于低劑量率測量。

1.1.2 蓋革計數(shù)管

蓋革計數(shù)管是一種氣體探測器，工作電壓在蓋革-彌勒區(qū)[2]，通常由高壓電極和收集電極組成，電極間充惰性氣體并外加一定的電壓。入射粒子使氣體電離，然后收集到電極上，于是在輸出回路中形成電信號。本儀器采用M100型蓋革計數(shù)管，用于高劑量率測量。

■1.2 放大器及脈沖分析器的電路設(shè)計

1.2.1 NaI放大器及脈沖分析器

NaI探測器輸出的脈沖信號，首先經(jīng)過一個電容C13，隔離高壓；再利用直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)定信號基線；然后經(jīng)過一個跟隨器U1A，提高輸入阻抗；再經(jīng)過R15、R17、VR1和C15組成的極零相消電路，改善計數(shù)率過載和脈沖幅度疊加的效應(yīng)；再經(jīng)過運算放大器U1B，提高信號脈沖幅度；最后通過比較器U5A，將脈沖信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號COUNT傳輸給MCU控制器，其原理圖如圖2所示。

圖2 NaI探測器脈沖分析器原理圖

1.2.2 蓋革計數(shù)管脈沖分析器

蓋革計數(shù)管輸出的電脈沖信號，先通過分壓電路R1和R2進行降壓，然后再通過N通道MOS管Q1對電脈沖信號進行整形，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號SIN傳輸給MCU控制器，其原理圖如圖3所示。

圖3 蓋革計數(shù)管脈沖分析器原理圖

■1.3 MCU數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

微處理系統(tǒng)構(gòu)成了整個儀器的中央控制器，微處理器系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制處理核心，它的性能直接影響到整個系統(tǒng)的性能。通過系統(tǒng)方案論證，我們選擇C8051F120微處理器系統(tǒng)。C8051F120是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（100MIPS）；真正8位500ksps的AD，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口；5個通用的16位定時器。它的資源和處理能力完全能夠勝任本系統(tǒng)的要求。

■1.4 電源系統(tǒng)

高壓電源模塊：光電倍增管的工作電壓一般為400～1100V，需要一個高壓電源供電，通過調(diào)節(jié)高壓輸出來控制PMT的脈沖信號幅度。

蓋革計數(shù)管的高壓工作范圍為350～500V，工作電壓基本固定設(shè)置在400V，需要第二個高壓電源對其供電。

低壓電源模塊：低壓電源為各電子線路提供+5DCV、+3.3DCV的工作電壓。

2 軟件設(shè)計

軟件是所有智能化儀器的思想和靈魂，好的軟件能充分發(fā)揮硬件電路的性能，同時，軟件的功能還體現(xiàn)在簡化操作步驟以及彌補硬件的不足，本項目編程語言選用的是C語言。

儀器軟件的主要功能是對γ輻射劑量數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和顯示等。儀器可以任意設(shè)定采集時間；根據(jù)輻射強度自動調(diào)整量程；定時自動關(guān)機；自動存儲數(shù)據(jù)；采用易于操作的觸摸LCD屏幕；查詢數(shù)據(jù)或刪除數(shù)據(jù)；測量值超過預(yù)設(shè)的報警閾值時，發(fā)出聲響報警。

■2.1 程序結(jié)構(gòu)

便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀的程序框圖如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后，系統(tǒng)進入控制器初始化工作，同時初始化外設(shè)如實時時鐘、顯示器、讀取參數(shù)設(shè)置等，初始化完成后，程序進入循環(huán)等待狀態(tài)，等待命令響應(yīng)，比如中斷、觸摸屏幕等，完成其功能函數(shù)。通過觸摸屏幕操作來開啟測量工作，測量數(shù)據(jù)自動保存，測量完畢程序?qū)@示本次測量結(jié)果。用戶可以通過參數(shù)設(shè)置，來改變系統(tǒng)參數(shù)；還可以查閱歷史數(shù)據(jù)，傳送回計算機。

圖4 輻射監(jiān)測儀的程序框圖

■2.2 測量程序研發(fā)

當(dāng)便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀測量工作啟動后，先對相關(guān)參數(shù)和功能模塊初始化，然后由信號成形分析電路對脈沖信號進行數(shù)據(jù)分析處理，選擇不同的探測器進行測量，當(dāng)測量完畢后，把最終測量結(jié)果存儲并顯示在LCD顯示屏上。測量程序流程如圖5所示。

圖5 輻射監(jiān)測儀測量程序流程圖

3 性能測試

本文研究過程中執(zhí)行的依據(jù)主要是《JJG 393-2003 輻射防護用X、γ輻射劑量當(dāng)量(率)儀和監(jiān)測儀檢定規(guī)程》[3]，針對便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀整機進行測試。

■3.1 穩(wěn)定性測試

儀器放置于核工業(yè)放射性勘查計量站放射性測量模型標(biāo)準(zhǔn)參考點上，連續(xù)測量10h，每組數(shù)據(jù)的測量時間為300秒。每小時隨機抽取一組數(shù)據(jù)，對10組測量數(shù)據(jù)進行計算，取其中最大和最小兩組數(shù)據(jù)與10組測量數(shù)據(jù)的平均值進行比較。NaI探測器穩(wěn)定性的最大偏差為1.23%，蓋革計數(shù)管的穩(wěn)定性最大偏差為0.78%，測量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定，測量結(jié)果列于表1。

表1 穩(wěn)定性測試

■3.2 角響應(yīng)測試

儀器預(yù)熱穩(wěn)定后，使用137Cs放射源（帶有定向限束準(zhǔn)直器）進行測試，每個角度測試10次求平均值。NaI探測器角響應(yīng)的最大變化極限為-3.27%，蓋革計數(shù)管角響應(yīng)的變化極限為-5.46%，測量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定，測量結(jié)果列于表2。

表2 角響應(yīng)測試

■3.3 能量響應(yīng)測試

3.3.1 NaI探測器能量響應(yīng)測試

儀器預(yù)熱穩(wěn)定后，使用放射源137Cs和X射線機進行測試，測試10次求平均值。NaI探測器能量響應(yīng)的變化極限為14.70%，測量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定，測量結(jié)果列于表3。

表3 NaI探測器能量響應(yīng)測試

3.3.2 蓋革計數(shù)管能量響應(yīng)測試

儀器預(yù)熱穩(wěn)定后，使用放射源137Cs和X射線機進行測試，測試10次求平均值。蓋革計數(shù)管能量響應(yīng)的最大變化極限為36.91%，測量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定，測量結(jié)果列于表4。

表4 蓋革計數(shù)管能量響應(yīng)測試

■3.4 相對固有誤差測試

3.4.1 NaI探測器相對固有誤差測試

儀器預(yù)熱穩(wěn)定后，使用137Cs放射源進行測試，測試10次求平均值，并計算NaI探測器的相對固有誤差，其相對固有誤差在-3.57%～6.57%之間，測量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定，測量結(jié)果列于表5。

表5 NaI探測器相對固有誤差測試

3.4.2 蓋革計數(shù)管相對固有誤差測試

儀器預(yù)熱穩(wěn)定后，使用137Cs，60Co放射源進行測試，測試10次求平均值，并計算蓋革計數(shù)管的相對固有誤差，其相對固有誤差在-8.69%～3.59%之間，測量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定，測量結(jié)果列于表6。

表6 蓋革計數(shù)管相對固有誤差測試

4 結(jié)論

針對目前核輻射和核安保領(lǐng)域的現(xiàn)場輻射探測的應(yīng)用要求，研制了一臺便攜式寬量程輻射監(jiān)測儀。該儀器采用NaI探測器和蓋革計數(shù)管，雙探測器復(fù)合一體化設(shè)計,對NaI探測器、蓋革計數(shù)管以及外圍電路和系統(tǒng)軟件進行研究，解決了目前單一探測器只能測量某一段量程劑量率的問題。測試結(jié)果表明：儀器在10nSv/h～12Sv/h量程范圍內(nèi)線性良好，其相對固有誤差＜±10%，角響應(yīng)和能量響應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求，可方便地運用于各場合的輻射監(jiān)測工作。