CN103308935A - 便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统 - Google Patents

便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN103308935A
CN103308935A CN2013101817918A CN201310181791A CN103308935A CN 103308935 A CN103308935 A CN 103308935A CN 2013101817918 A CN2013101817918 A CN 2013101817918A CN 201310181791 A CN201310181791 A CN 201310181791A CN 103308935 A CN103308935 A CN 103308935A
Authority
CN
China
Prior art keywords
proportional counter
consumption
signal
tissue equivalent
electronic system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2013101817918A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103308935B (zh
Inventor
张伟华
王志强
熊文俊
李春娟
刘毅娜
陈军
李玮
骆海龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Institute of Atomic of Energy
Original Assignee
China Institute of Atomic of Energy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Institute of Atomic of Energy filed Critical China Institute of Atomic of Energy
Priority to CN201310181791.8A priority Critical patent/CN103308935B/zh
Publication of CN103308935A publication Critical patent/CN103308935A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103308935B publication Critical patent/CN103308935B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

本发明涉及一种便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统。该系统包括与组织等效正比计数器的输出端相连接的前置放大器，所述前置放大器的输出信号依次经过两级主放大器进行连续放大，每级主放大器的输出信号引出后分别经过与每个主放大器相连接的峰保持器和模数转换器输送至单片机，由单片机程序设定阈值来控制线能谱数据取舍范围。本发明解决了以往设计中遇到的测量不准确、难以控制的问题，同时又减少了电路元器件，降低了电路功耗。

Description

便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统
技术领域
 本发明属于电子学系统，具体涉及一种便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统。
背景技术
组织等效正比计数器（TEPC）系统通过测量与微剂量学量直接相关的量，即线能，得到吸收剂量、有效品质因子和剂量当量。基于TEPC系统的测量方法，可以直接模拟测量人体细胞组织的剂量当量，在国外已被广泛应用于微剂量学、辐射防护、辐射治疗、空间辐射等领域的基础学科研究。
核反应堆、大型加速器等核设施周围工作场所内，往往存在着复杂的混合电离辐射，例如反应堆安全壳内，空间位置狭小不利于大型仪器仪表测量使用；又如空间辐射剂量测量，对于测量仪表的体积重量、功耗等要求相当严苛，虽然TEPC探测器体积较小可制成便携式仪表，但是传统的TEPC配备的电子学系统设备体积较大，一般需要交流供电，不满足航天器、空间站等辐射环境剂量测量使用需求。因此，开发一种体积小重量轻、结构紧凑且低功耗的TEPC电子学系统是非常必要的。
美国NASA研制了基于TEPC和集成电子学系统的便携式谱仪。2000年至2002年国际空间站（ISS）采用了圆柱形的TEPC测量系统，为应用于航天测量，该电子学系统重量轻，体积小，总重量23磅 ( 约合10.4kg，不包括电源和数据存储器)，体积：30cm×10cm×5cm(不包括探头部分)。目前市场在售的TEPC测量系统由美国远西公司（Far West Technology）制造，整机尺寸是16cm直径、34cm高、5kg重量。
近年来，随着集成电路制造工艺的飞速发展，集成电路的特征尺寸不断降低，芯片密度和工作频率相应增加，降低电路的电压和功耗己成为集成电路设计关注的一个焦点。低功耗技术已经广泛应用于集成电路设计中，采用电池供电的便携式电子产品获得了快速发展和普及。基于目前的低功耗集成电路设计思想，研制更为小巧紧凑的电子学系统，适合于TEPC信号获取与处理。
申请人根据TEPC探头输出信号特点进行集成电路的设计，前期设计时采用了两路主放电路独立放大信号再进行谱连接的思路,如此需要将前置放大器(前放)输出信号由比较器进行预选择,阈值以内进入第一路高增益主放电路,阈值以外进入第二路低增益主放电路，阈值由γ辐射所致电压脉冲信号幅值确定（阈值为该幅值的2.5倍～3倍，约50mV）。这个设计思路存在一个关键问题，进行电路元器件测试时，比较器在阈值过低时输出电平不准确无法控制，也就是说这种设计思路目前是不可行的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合于组织等效正比计数器的便携式低功耗电子学系统，以克服原有设计的测量不准确，难以控制的缺陷，用户针对测量对象即辐射场预判后，可选择测量模式，降低功耗。
本发明的技术方案如下：一种便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，包括与组织等效正比计数器的输出端相连接的前置放大器，所述前置放大器的输出信号依次经过两级主放大器进行连续放大，每级主放大器的输出信号引出后分别经过与每个主放大器相连接的峰保持器和模数转换器输送至单片机，由单片机程序设定阈值来控制线能谱数据取舍范围。
进一步，如上所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其中，单片机程序控制取得线能谱数据形成双通道三种测量模式：只经一个主放大器输出信号用于高LET辐射场信号获取，另一通道信号不作处理；经两个主放大器输出信号用于低LET辐射场信号获取，另一通道信号不作处理；未知混合辐射场测量时为扩展测量范围，需要打开双通道进行信号获取，将两个通道线能谱数据进行连接形成完整的线能谱。
进一步，如上所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其中，所述的组织等效正比计数器集成电路由可充电池进行供电。
进一步，如上所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其中，所述的前置放大器为电荷灵敏前置放大器。
进一步，如上所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其中，所述的单片机设有串行通信端口，可与计算机相连接。
进一步，如上所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其中，所述的单片机外设用于定时存储数据的存储卡，所存储数据可待后期查看。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的组织等效正比计数器的电子学系统舍弃了比较器，前放输出信号经两级主放大器进行连续放大，两个主放输出信号分别引出，由单片机程序设定阈值来控制谱数据取舍范围。这种方法不仅解决了以往设计遇到的问题，同时又减少了电路元器件，降低了电路功耗；而且单片机进行谱数据输出时形成双通道，对应测量模式有三种模式，根据所测辐射场不同可进行测量模式预选择，单片机数据处理时减少了不必要的动作指令和机时，从而进一步降低功耗。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的电路时序控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种组织等效正比计数器（TEPC）的电子学系统，其结构如图1所示。TEPC集成电路使用可充电池供电，在所有电路元器件选型时除了满足功能要求外都要兼顾低功耗的特点。TEPC的电压脉冲信号首先需经前置放大器成形放大，前放的选型上通常选择电荷灵敏前放，其优点是低噪声性能良好，而且输出信号幅度由积分反馈电容决定，不受探测器极间电容、放大器开环输入电容和电压增益等参数影响。将前置放大器紧靠探测器，这样可减小分布电容，提高信噪比。前放输出信号经极零相消电路后，进一步由主放大器放大并滤波成形。在主放电路设计中，要考虑信噪比、放大器线性、高计数率时的能量分辨率等。本发明的前置放大器的输出信号依次经过两级主放大器进行连续放大，两级主放大器增益连续可调，两级放大信号分别输出形成双通道三种测量模式：只经一个主放大器输出信号用于高LET辐射场信号获取，另一通道信号不作处理；经两个主放大器输出信号用于低LET辐射场信号获取，另一通道信号不作处理；未知混合辐射场测量时为扩展测量范围，需要打开双通道进行信号获取，将两个通道线能谱数据进行连接形成完整的线能谱。根据不同的测量范围可选相应测量模式。主放后的输出信号速度快不便于后期处理，需由峰保持器将峰值信息保存下来，便于后续模数转换器（ADC）处理。ADC主要完成对峰值信号的模数转换，需要较快的转换速率，同时为兼顾低功耗又会限制转换速率，需要根据测量需求选择合适的器件。对于电子学系统的数字处理部分，需要一种将中央处理器、存储器、I/O接口以及总线都集成在一块芯片上的微处理器，即所谓的单片机。单片机需要记录ADC转换的结果，进行简单计算，完成数据交换功能，并严格控制系统的时序，电路时序控制流程如图2所示。单片机的选型上主要考虑大容量RAM，对功耗的要求也比较严苛。TEPC集成电路采用单电池电源实现多分支电源网络管理，使得系统各功能模块的电源相对独立供电，在不工作时可以分别断电，以节省功耗。
电路时序控制流程：电子学系统测量模式默认为双通道全开，用户可根据对辐射场预判进行模式选择。主放大器输出信号与下阈参考电压进行比较，大于下阈时，比较器输出TTL高电平，同时峰保持器充电；峰保持器达到脉冲幅值时，输出低电平到单片机；单片机得到峰保持信号后，检查比较器输出是否为高电平；确认有信号输入时，断开峰保持的线性输入门，防止信号堆积；单片机输出一个脉冲信号，将ADC唤醒，ADC开始模数转换；当得到ADC转换结束的信号后，单片机对ADC输出时钟信号，读出转换的结果并以线能谱形式储存；信号读取结束后，单片机对峰保持器输出放电信号，并重新打开GATE门，等待下一脉冲输入。
实施例
本发明所提供的TEPC电子学系统的整个电路由模拟和数字两大部分组成，模拟部分有电荷灵敏前置放大器和主放大器以及峰值保持器三部分。它完成探测器信号的预放大、滤波成形放大和门控积分。数字部分主要有峰保持电路的控制逻辑电路，提供门积分电路所需要的各种控制信号。
前置放大器
前置放大器的主要功能就是放大来自探测器的信号，要求很低的噪声，因此为了保证前置放大器具有较高的信噪比和较快的时间响应，尽量要求电路结构简单。在电路的设计中，使用了场效应晶体管（型号2SK152）加前放（型号A250）组合，外设反馈电路，依据测量信号幅度改变前置放大器的增益。
    主放大器
由于探测器输出的信号通过前置放大器放大后，其幅度约在毫伏量级，而分析测量设备的信号要求在几伏以上。所以，对前置放大器输出的信号必须进一步放大后才符合后面设备的要求，这就要求主放大器要有足够的放大倍数，在放大过程中尽量减少信号在测量时的失真和丢失。主放大器一般由极零补偿；滤波成形和放大三部分组成。
    峰保持器
从成形放大器出来的脉冲信号的幅值信息需要暂时保存起来，ADC才能有足够的时间对信号幅值采集并进行模数转换。输出信号峰值应该和输入信号峰值尽量保持一致，而且峰值宽度要足以使AD芯片采集到峰位的电压值。用于把模拟信号峰顶展宽的电路称为峰保持电路。
PH300是专为峰保持电路设计的低功耗芯片，所需外围器件少，漏电少，功耗极低，约为36mW，控制信号丰富，可以灵活的实现所需功能。
模数转换器
    ADC主要完成对峰值信号的模数转换。为了减小系统的死时间，要求AD芯片的转换速率越快越好，即吞吐率越大越好，但高速AD通常功耗较大，不利于降低系统的功耗。需要综合考虑这些因素。本实施例中选择了MAX1243芯片。
单片机
单片机需要记录模数转换的结果，进行简单计算，并严格控制系统的时序。系统要求的运算、控制功能不太复杂，但对体积、功耗等要求比较苛刻，在设计上主要突出控制功能，可选MSP430系列或者STC系列。单片机对采集信号进行处理计算，LCD显示剂量当量值；单片机设有串行通信端口RS-232，必要时可与计算机连接，计算机上作数据处理与储存；外设存储卡，定时存储数据，待后期查看。
电源模块
    电子学系统用单电源供电，而且用到的芯片供电电平不同，需要通过电源模块实现电平转换，高压模块用于TEPC供工作高压，各器件不同的工作电压需要相应的DC-DC芯片。DC-DC芯片按照低功耗，静态工作电流低等原则选取。DC-DC芯片向相关电路供电，需要考虑提供的功率大小。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，包括与组织等效正比计数器的输出端相连接的前置放大器，其特征在于：所述前置放大器的输出信号依次经过两级主放大器进行连续放大，每级主放大器的输出信号引出后分别经过与每个主放大器相连接的峰保持器和模数转换器输送至单片机，由单片机程序设定阈值来控制线能谱数据取舍范围。
2.如权利要求1所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其特征在于：所述的组织等效正比计数器集成电路由可充电池进行供电。
3.如权利要求1或2所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其特征在于：所述的前置放大器为电荷灵敏前置放大器。
4.如权利要求1或2所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其特征在于：所述的单片机设有串行通信端口，可与计算机相连接。
5.如权利要求4所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其特征在于：所述的单片机外设用于定时存储数据的存储卡。
6.如权利要求1所述的便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统，其特征在于：所述单片机程序控制取得线能谱数据形成双通道三种测量模式：只经一个主放大器输出信号用于高LET辐射场信号获取，另一通道信号不作处理；经两个主放大器输出信号用于低LET辐射场信号获取，另一通道信号不作处理；未知混合辐射场测量时为扩展测量范围，需要打开双通道进行信号获取，将两个通道线能谱数据进行连接形成完整的线能谱。
CN201310181791.8A 2013-05-16 2013-05-16 便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统 Active CN103308935B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310181791.8A CN103308935B (zh) 2013-05-16 2013-05-16 便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310181791.8A CN103308935B (zh) 2013-05-16 2013-05-16 便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103308935A true CN103308935A (zh) 2013-09-18
CN103308935B CN103308935B (zh) 2015-12-02

Family

ID=49134355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310181791.8A Active CN103308935B (zh) 2013-05-16 2013-05-16 便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103308935B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106772536A (zh) * 2017-03-02 2017-05-31 中国原子能科学研究院 宽量程组织等效正比计数器及其应用
CN106772551A (zh) * 2017-03-02 2017-05-31 中国原子能科学研究院 一种组织等效正比计数器在线校准方法
CN114047537A (zh) * 2021-11-18 2022-02-15 中测测试科技有限公司 基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5635711A (en) * 1996-04-25 1997-06-03 Schlumberger Technology Corporation Apparatus and method for the suppression of microphonic noise in proportional counters for borehole logging-while-drilling
CN2273016Y (zh) * 1995-09-22 1998-01-21 清华大学 Ｘ、γ辐射成象正比计数器阵列探测装置
JP3094437B2 (ja) * 1990-10-30 2000-10-03 株式会社島津製作所 Ｘ線分光装置
CN1900742A (zh) * 2006-07-14 2007-01-24 成都理工大学 氚表面污染监测仪
CN2869885Y (zh) * 2005-12-27 2007-02-14 天津中和科技有限公司 复式正比计数管探测器
CN101009039A (zh) * 2006-11-09 2007-08-01 中南大学 一种电法勘探信号接收机及其放大倍数智能控制方法
CN101256240A (zh) * 2008-03-05 2008-09-03 中国原子能科学研究院 一种小型4πβ正比计数器
KR20080108861A (ko) * 2007-06-11 2008-12-16 한국표준과학연구원 비례 계수기의 에너지 판별 준위의 실시간 모니터링 방법
US20090080612A1 (en) * 2007-09-26 2009-03-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Radiation spectrum measuring system
CN101581788A (zh) * 2009-07-03 2009-11-18 中国原子能科学研究院 气体闪烁正比计数器
JP2009300293A (ja) * 2008-06-16 2009-12-24 Mitsubishi Electric Corp 対数変換回路
CN102933982A (zh) * 2011-02-16 2013-02-13 株式会社理学 X射线检测信号处理装置以及方法
CN102944714A (zh) * 2012-11-07 2013-02-27 四川和芯微电子股份有限公司 差分信号检测装置
CN202939314U (zh) * 2012-09-26 2013-05-15 成都理工大学 用于探测气态氚的正比计数器

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3094437B2 (ja) * 1990-10-30 2000-10-03 株式会社島津製作所 Ｘ線分光装置
CN2273016Y (zh) * 1995-09-22 1998-01-21 清华大学 Ｘ、γ辐射成象正比计数器阵列探测装置
US5635711A (en) * 1996-04-25 1997-06-03 Schlumberger Technology Corporation Apparatus and method for the suppression of microphonic noise in proportional counters for borehole logging-while-drilling
CN2869885Y (zh) * 2005-12-27 2007-02-14 天津中和科技有限公司 复式正比计数管探测器
CN1900742A (zh) * 2006-07-14 2007-01-24 成都理工大学 氚表面污染监测仪
CN101009039A (zh) * 2006-11-09 2007-08-01 中南大学 一种电法勘探信号接收机及其放大倍数智能控制方法
KR20080108861A (ko) * 2007-06-11 2008-12-16 한국표준과학연구원 비례 계수기의 에너지 판별 준위의 실시간 모니터링 방법
US20090080612A1 (en) * 2007-09-26 2009-03-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Radiation spectrum measuring system
CN101256240A (zh) * 2008-03-05 2008-09-03 中国原子能科学研究院 一种小型4πβ正比计数器
JP2009300293A (ja) * 2008-06-16 2009-12-24 Mitsubishi Electric Corp 対数変換回路
CN101581788A (zh) * 2009-07-03 2009-11-18 中国原子能科学研究院 气体闪烁正比计数器
CN102933982A (zh) * 2011-02-16 2013-02-13 株式会社理学 X射线检测信号处理装置以及方法
CN202939314U (zh) * 2012-09-26 2013-05-15 成都理工大学 用于探测气态氚的正比计数器
CN102944714A (zh) * 2012-11-07 2013-02-27 四川和芯微电子股份有限公司 差分信号检测装置

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
宋茜茜 等: "基于正比计数器的核脉冲整形电路设计", 《核电子学与探测技术》, vol. 31, no. 11, 30 November 2011 (2011-11-30), pages 1241 - 1244 *
张伟华 等: "TEPC集成电路设计", 《中国原子能科学研究院年报》, 31 December 2011 (2011-12-31) *
张伟华 等: "组织等效正比计数器测量系统的建立", 《原子能科学技术》, vol. 44, no. 11, 30 November 2010 (2010-11-30), pages 1380 - 1384 *
张伟华 等: "组织等效正比计数器的测量原理和方法", 《计量研究》, no. 3, 30 September 2008 (2008-09-30), pages 45 - 54 *
饶贤明: "多丝正比计数器核电子学电路研制", 《核电子学与探测技术》, vol. 23, no. 5, 30 September 2003 (2003-09-30), pages 471 - 475 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106772536A (zh) * 2017-03-02 2017-05-31 中国原子能科学研究院 宽量程组织等效正比计数器及其应用
CN106772551A (zh) * 2017-03-02 2017-05-31 中国原子能科学研究院 一种组织等效正比计数器在线校准方法
CN106772551B (zh) * 2017-03-02 2019-03-12 中国原子能科学研究院 一种组织等效正比计数器在线校准方法
CN106772536B (zh) * 2017-03-02 2019-03-12 中国原子能科学研究院 宽量程组织等效正比计数器及其应用
CN114047537A (zh) * 2021-11-18 2022-02-15 中测测试科技有限公司 基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法
CN114047537B (zh) * 2021-11-18 2023-12-05 中测测试科技有限公司 基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103308935B (zh) 2015-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101930025B (zh) 一种功耗测试装置
CN104022747B (zh) 一种基于多级放大电路的数据自适应测量方法
CN106444505A (zh) 一种多通道同步信号采集系统
CN103308935B (zh) 便携式低功耗组织等效正比计数器的电子学系统
CN105390039B (zh) Cni外场模拟系统
CN107329163A (zh) 一种多道脉冲幅度分析仪
CN201113493Y (zh) 一种电池电压采样电路
CN106730354B (zh) 能量计算装置及除颤分析仪校准系统、能量输出方法
CN201637774U (zh) 雷电记录仪
CN209416456U (zh) 一种医用微流量注射用智能校准系统
CN102879797A (zh) 一种食品和水中放射性检测仪
CN203811718U (zh) 一种专线用户节能智能诊断仪
CN101975800B (zh) 畜禽粪便肥料成分检测方法及其检测装置
CN201780323U (zh) 小信号测量仪
CN101285890A (zh) 一种无线连接的多道脉冲幅度分析器
CN107144869A (zh) 一种氚表面污染测量仪
CN111917387B (zh) 一种中子探测器信号的高速采集系统
CN106501836A (zh) 一种基于双半球碲锌镉探测器及双前置放大器的剂量率仪
CN206740993U (zh) 一种现场测量的便携式智能Ｘ‑γ辐射剂量率仪装置
CN210005439U (zh) 应用于化学发光检测的光子计数探测系统
CN110632637A (zh) 一种辐射计量仪
CN106371127A (zh) 一种基于双半球碲锌镉探测器的剂量率仪
CN203241479U (zh) 基于开关电路的电感电容测量仪
CN205301558U (zh) 一种前列腺磁共振数据采集系统
CN206804120U (zh) 一种智能化便携式精准电子秤装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant