CN109343097A - 一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，包括核辐射传感器、放大器、测量开关S1、限流电阻、并联忆阻器模块、忆阻器阻值信息处理电路和忆阻器复位电路模块；核辐射传感器依次通过放大器、测量开关S1、限流电阻与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器阻值信息处理电路与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器复位电路模块与并联忆阻器模块并联连接；并联忆阻器模块包括并联连接的n支反向串联忆阻器支路，每一支反向串联忆阻器支路包括串联连接的正向忆阻器和反向忆阻器，其中n为大于等于2且小于等于8的自然数。

Description

一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统

技术领域

本发明属于核辐射测量技术领域，具体涉及一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统。

背景技术

核辐射累积剂量测量系统是一种能够计量物体在一定时间段内各种电离辐射的一次连续照射下(或多次反复照射)所受到的总的吸收剂量的测量系统。目前根据测量原理与结构的不同，核辐射累积剂量测量系统主要有：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器。

然而，现有的核辐射累积剂量测量方法也存在着一些问题，一定程度上阻碍了累积流量测量精度的提高和应用范围的扩大。目前所存在的主要问题有：第一，现有的大部分探测器测量得到的是瞬时剂量率，然后还需要通过处理器完成从瞬时剂量率到累积剂量的转换，但很多情况下，辐射强度会有波动，通过测量瞬时剂量率来得到累积剂量容易出现误差，因此，现有的探测器在辐射强度不稳定情况、长时间持续的测量方面的精度有待提高；第二，现有的探测器都需要处理器才能完成数据处理，得到累积剂量。因此，在长期测量情况下的功耗较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，解决现有核辐射累积剂量测量系统必须附加运算电路或处理器，以及对辐射强度不稳定情况下长时间累积剂量测量精度不高的问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，包括核辐射传感器、放大器、测量开关S1、限流电阻、并联忆阻器模块、忆阻器阻值信息处理电路和忆阻器复位电路模块；

所述核辐射传感器依次通过放大器、测量开关S1、限流电阻与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器阻值信息处理电路与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器复位电路模块与并联忆阻器模块并联连接；

所述并联忆阻器模块包括并联连接的n支反向串联忆阻器支路，每一支反向串联忆阻器支路包括串联连接的正向忆阻器和反向忆阻器，其中n为大于等于2且小于等于8的自然数。

进一步地，所述反向忆阻器和正向忆阻器均包括掺杂端和非掺杂端，所述每一支反向串联忆阻器中反向忆阻器的掺杂端与限流电阻相连接，反向忆阻器的非掺杂端与正向忆阻器的非掺杂端相连接，正向忆阻器的掺杂端接地。

进一步地，所述忆阻器阻值信息处理电路包括忆阻器前端电位输入端、忆阻器后端电位输入端、输出端Out、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、晶体管T1、晶体管T2、电源UCC和电源UEE，所述忆阻器前端电位输入端依次通过电阻R3、晶体管T1、电阻R5、电阻R6、晶体管T2、电阻R4与忆阻器后端电位输入端相连接；所述晶体管T1和晶体管T2均通过电阻R7与电源UEE相连接，所述晶体管T1和晶体管T2分别与输出端Out相连接，所述电阻R5和电阻R6之间引出一点G，点G与电源UCC相连接。

进一步地，所述晶体管T1和晶体管T2均为NPN型晶体管。

进一步地，在所述串联连接的正向忆阻器和反向忆阻器之间引出一点A，点A与忆阻器前端电位输入端相连接，在正向忆阻器的掺杂端处引出一点B，点B与忆阻器后端电位输入端相连接。

进一步地，所述忆阻器复位电路模块包括电源U、复位开关S2和电阻R2，所述并联忆阻器模块的两端分别引出点C和点D，所述每一支反向串联忆阻器支路的反向忆阻器均与点C相连接，每一支反向串联忆阻器支路的正向忆阻器均与点D相连接；

所述点D依次通过电阻R2和复位开关S2与电源U的正极相连接，点C与电源U的负极相连接。

进一步地，所述并联忆阻器模块包括并联连接的5支反向串联忆阻器支路。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明通过使用忆阻器的记忆效应来实现核辐射累积剂量的测量。本发明根据核辐射探测器能将辐射强度信息转换成电流信息，测量系统中的电流随着辐射强度的变化而变化，基于忆阻器的记忆效应，忆阻器的阻值能反应流过自身的电流从过去到当前时刻的积分情况，将忆阻器应用到核辐射累积剂量测量系统中，从而实现了对核辐射累积剂量的测量，且能完成不稳定辐射强度情况下长时间的持续测量；

(2)本发明利用忆阻器的阻值变化实现了对核辐射累积剂量的测量，不需要后期的运算电路或者处理器，忆阻器是一种无源器件，因此功耗低；

(3)本发明中的忆阻器关态与开态电阻差值很大，而且增加并联忆阻器支路的数量，能使核辐射累积剂量测量系统具有更大的测量范围。

附图说明

图1为核辐射累积剂量测量系统的系统框图；

图2为并联忆阻器模块示意图；

图3为忆阻器阻值复位电路示意图；

图4为忆阻器阻值测量电路示意图；

图5为核辐射累积剂量测量系统的总体电路示意图

图6为并联支路数量n不同时的核辐射累积剂量与忆阻器Ma1阻值的关系曲线；

图7为回路总电阻与并联支路数量n的关系曲线；

图8为回路总电流与并联支路数量n的关系曲线；

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例提供了一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，如图1所示，包括核辐射传感器、放大器、测量开关S1、限流电阻、并联忆阻器模块、忆阻器阻值信息处理电路和忆阻器复位电路模块；

其中，核辐射传感器用于测量各种电离辐射的瞬时剂量，放大器用于增强辐射引起的电压信号，测量开关S1用于控制测量状态和复位状态的切换，并联忆阻器模块用于将电压信号转换为阻值信号，忆阻器阻值信息处理电路用于测量并联忆阻器模块的电阻值，忆阻器复位电路模块用于对并联忆阻器模块进行复位。

所述核辐射传感器依次通过放大器、测量开关S1、限流电阻与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器阻值信息处理电路与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器复位电路模块与并联忆阻器模块并联连接；

如图2所示，并联忆阻器模块包括并联连接的n支反向串联忆阻器支路，每一支反向串联忆阻器支路包括串联连接的正向忆阻器和反向忆阻器，其中n为大于等于1的自然数。

图2中，n支反向串联忆阻器支路分别为M1、M2……Mn，正向忆阻器为Ma1、Ma2……Man，反向忆阻器为Mb1、Mb2……Mbn。

如图5，反向忆阻器和正向忆阻器均包括掺杂端和非掺杂端，所述每一支反向串联忆阻器中反向忆阻器的掺杂端与限流电阻(图5中的电阻R1)相连接，反向忆阻器的非掺杂端与正向忆阻器的非掺杂端相连接，正向忆阻器的非掺杂端接地。

如图4，忆阻器阻值信息处理电路包括忆阻器前端电位输入端、忆阻器后端电位输入端、输出端Out、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、晶体管T1、晶体管T2、电源UCC和电源UEE，所述忆阻器前端电位输入端依次通过电阻R3、晶体管T1、电阻R5、电阻R6、晶体管T2、电阻R4与忆阻器后端电位输入端相连接；

所述晶体管T1和晶体管T2均通过电阻R7与电源UEE相连接，所述晶体管T1和晶体管T2分别与输出端Out相连接，所述电阻R5和电阻R6之间引出一点G，点G与电源UCC相连接。

本实施例中的晶体管T1和晶体管T2均为NPN型晶体管。

如图4，晶体管T1的基极经过电阻R3与忆阻器前端电位输入端相连，晶体管T1发射极经过电阻R7与电源-UEE相连接，晶体管T1的集电极经过电阻R5与电源+UCC相连接。晶体管T2的基极经过电阻R4与忆阻器后端电位输入端相连接，晶体管T2发射极经过电阻R7与电源-UEE相连接，晶体管T2的集电极经过电阻R6与电源+UCC相连接。晶体管T1的集电极与电阻R5之间引出一点E，晶体管T2集电极与电阻R6之间引出一点F。点E和点F之间引出输出端out。晶体管T1和晶体管T2是完全相同的晶体管。

如图5，在所述串联连接的正向忆阻器和反向忆阻器之间引出一点A，点A与忆阻器前端电位输入端相连接，在正向忆阻器的非掺杂端处引出一点B，点B与忆阻器后端电位输入端相连接。

如图3，所述忆阻器复位电路模块包括电源U、复位开关S2和电阻R2，所述并联忆阻器模块的两端分别引出点C和点D，所述每一支反向串联忆阻器支路的反向忆阻器均与点C相连接，每一支反向串联忆阻器支路的正向忆阻器均与点D相连接；

所述点D依次通过电阻R2和复位开关S2与电源U的正极相连接，点C与电源U的负极相连接。

图6、图7和图8分别为n＝2,4,5,8时忆阻器Ma1的阻值与辐射累积剂量的关系图、回路总电阻和回路总电流随着n的变化图。从图6、图7和图8中可以看出，随着n的增加，能降低回路总电阻，从而使得回路总电流增加，测量系统的测量范围增大。

如图6所示，核辐射累积剂量测量过程中，当辐射强度为0.1μGy/h时，忆阻器Ma1的阻值从3.28kΩ到16.00kΩ，忆阻器阻值测量电路的输出电压out为19.37V到94.50V。支路数量n不同时，核辐射累积剂量测量系统的测量范围与灵敏度会发生变化，具体情况如下：

当n＝2时，测量范围为0～2.1×10-4μGy，灵敏度为3.578×105V/μGy；

当n＝4时，测量范围为0～4.0×10-4μGy，灵敏度为1.878×105V/μGy；

当n＝5时，测量范围为0～4.8×10-4μGy，灵敏度为1.565×105V/μGy；

当n＝8时，测量范围为0～7.7×10-4μGy，灵敏度为9.757×104V/μGy。

随着支路数n的增加，测量范围逐渐增大，但测量测量系统的灵敏度逐渐降低。

其中，支路n增加可以：

(1)减小回路总电阻，使得回路总电流变大，使得回路总电流对于核辐射强度的响应的灵敏度更大；

(2)减小流经各个忆阻器支路的电流，使得测量范围更大。

理论上，随着支路数的增加，测量范围增大，n越大越好。但存在两个问题：

(1)随着支路数量n的增加，因分流作用，每条支路流过的电流会越来越小，导致使用忆阻器Ma1的阻值变化作为输出时，测量系统的灵敏度会降低；

(2)根据现有工艺技术，很难制作出两个完全一样的忆阻器。随着支路数量n的增加，所需忆阻器数量也会增加。因忆阻器之间的差异性，数量越多，就越难保证并联忆阻器模块总阻值的保持稳定，影响测量的准确性；

基于以上两个原因，支路数量不能过多。根据实验情况，在兼顾测量范围，稳定性与灵敏度三者的情况下，支路数量取n取2到8为宜。

Claims (7)

1.一种基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，其特征在于，包括核辐射传感器、放大器、测量开关S1、限流电阻、并联忆阻器模块、忆阻器阻值信息处理电路和忆阻器复位电路模块；

所述核辐射传感器依次通过放大器、测量开关S1、限流电阻与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器阻值信息处理电路与并联忆阻器模块相连接，所述忆阻器复位电路模块与并联忆阻器模块并联连接；

所述并联忆阻器模块包括并联连接的n支反向串联忆阻器支路，每一支反向串联忆阻器支路包括串联连接的正向忆阻器和反向忆阻器，其中n为大于等于2且小于等于8的自然数。

2.根据权利要求1所述的基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，其特征在于，所述反向忆阻器和正向忆阻器均包括掺杂端和非掺杂端，所述每一支反向串联忆阻器中反向忆阻器的掺杂端与限流电阻相连接，反向忆阻器的非掺杂端与正向忆阻器的非掺杂端相连接，正向忆阻器的掺杂端接地。

3.根据权利要求2所述的基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，其特征在于，所述忆阻器阻值信息处理电路包括忆阻器前端电位输入端、忆阻器后端电位输入端、输出端Out、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、晶体管T1、晶体管T2、电源UCC和电源UEE，所述忆阻器前端电位输入端依次通过电阻R3、晶体管T1、电阻R5、电阻R6、晶体管T2、电阻R4与忆阻器后端电位输入端相连接；所述晶体管T1和晶体管T2均通过电阻R7与电源UEE相连接，所述晶体管T1和晶体管T2分别与输出端Out相连接，所述电阻R5和电阻R6之间引出一点G，点G与电源UCC相连接。

4.根据权利要求3所述的基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，其特征在于，所述晶体管T1和晶体管T2均为NPN型晶体管。

5.根据权利要求3所述的基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，其特征在于，在所述串联连接的正向忆阻器和反向忆阻器之间引出一点A，点A与忆阻器前端电位输入端相连接，在正向忆阻器的掺杂端处引出一点B，点B与忆阻器后端电位输入端相连接。

6.根据权利要求1所述的基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，其特征在于，所述忆阻器复位电路模块包括电源U、复位开关S2和电阻R2，所述并联忆阻器模块的两端分别引出点C和点D，所述每一支反向串联忆阻器支路的反向忆阻器均与点C相连接，每一支反向串联忆阻器支路的正向忆阻器均与点D相连接；

所述点D依次通过电阻R2和复位开关S2与电源U的正极相连接，点C与电源U的负极相连接。

7.根据权利要求1所述的基于忆阻器的核辐射累积剂量测量系统，其特征在于，所述并联忆阻器模块包括并联连接的5支反向串联忆阻器支路。