CN111413726B - 一种测氡仪及其校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测氡仪技术领域，公开了一种测氡仪及其校准方法。它主要是解决现有校准方法存在耗费大量时间人力物力的问题。它的主要特征是：在现有测氡仪控制电路中增加与信号滤波电路连接的单片机控制电路，单片机控制电路通过程序算法得出核脉冲信号的峰值，转换成能谱信号，在显示屏或显示界面上显示；在闪烁室顶盖外壳内安装一标准的α电镀源，确定α粒子的标准计数值和标准道址数，调节高压使道址数与标准道址数相同或相近，调节阈值电压使计数值与标准计数值相同或相近，即完成参数调试。本发明的方法克服了外界环境温湿度变化对仪器调试产生的影响，增强了仪器的准确性和一致性，节省了仪器的调试时间。
Description
技术领域
本发明属于测氡仪技术领域，具体涉及一种测氡仪及其校准方法。
背景技术
空气中的有害气体是损害人体健康的主要因素，随着人们生活水平的提高，空气中，尤其是室内空气中的氡气的含量是否符合国家标准越来越受到人们的重视，仪器能否准确的测出空气中氡的含量成为了人们更加关心的问题，国家也为此颁布了相应的检测标准—《GB/T14582-1993环境空气中氡的标准测量方法》。目前，主流的测氡气的方法有电离室法、闪烁室法、双滤膜法、活性炭法等，而闪烁室法由于其低成本和高效率在我国应用较为广泛，我国大多数的测氡仪是根据闪烁室法的原理进行研制和工作的。
闪烁室法测氡仪的基本原理是先对环境中的气体进行抽取采集，让环境气体充分充满在闪烁室内，然后进行密封，闪烁室内采样气体中的氡气发生衰变释放出α粒子，衰变产生的α粒子打在闪烁室内壁的闪烁体上产生光子，光子进入到闪烁室内的光电倍增管的光阴极，光阴极将光子转化为光电子，光电子在光电倍增管的电场作用下沿电场反方向运动，依次通过各级的打拿极（倍增电极）进行级联放大，放大后的电子最终被光电倍增管的阳极吸收产生一个负脉冲信号。后端电路对负脉冲信号进行滤波和放大后，通过电压比较器进行阈值触发或者对脉冲信号进行数字化处理后通过程序进行阈值判断来识别氡气衰变产生的脉冲信号，对脉冲信号进行计数，可以得出一定体积的环境气体中氡气衰变释放出α粒子的数量，从而计算出环境空气中氡气的浓度。
光电倍增管上的高压决定了光电子在光电倍增管内倍增的倍数，从而影响核脉冲幅度的大小和稳定性；对脉冲信号进行判别的阈值大小决定了能否将核脉冲信号和本底噪声准确的区分开，同时对于较弱的核脉冲信号不会漏记；因此能否准确的设置光电倍增管的高压和对核脉冲信号判别的阈值这两种参数决定了一台测氡仪的探测效率以及探测的准确度。
在测氡仪参数调试过程中，为找到光电倍增管最佳放大效果时的电压值，常用方法是对测氡仪高压值在0V~800V区间每间隔一定的电压间隔设置一次高压，如每间隔40V测量一次，共测量20个点，每个点抽气1分钟，测量5分钟，共6分钟，20个点需要120分钟测量时间来确定高压值。对空气中的氡气进行测量，测量的计数值可反映光电倍增管的放大倍数，根据不同电压处计数值所得到的拟合曲线，可以找到光电倍增管处于最佳工作状态时的电压值。但该方法由于需要多次测量会耗费大量时间，并且每个光电倍增管受生成材料和加工工艺的影响，最佳放大区域具有一定随机性，因此每一台测氡仪都需要使用该方法进行参数调试，在实际生产过程中耗费大量时间人力物力。
在进行阈值调试过程中，为了防止噪声信号超过阈值被误计为核脉冲信号，通常在保证探测效率的情况下尽量将阈值升高，由于没有明确的参考数据，通常只能凭借经验值多次测量找出一个近似合适的数值，这种粗调的方法会造成部分能量较弱的核脉冲信号漏计，使测量不准确，测量效率偏低。
综上而言，现有的测氡仪参数调试方法复杂，耗时多，准确性差，大多根据一些测量数据进行主观上的判断，调试时环境温湿度对仪器参数影响较大，仪器一致性差。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种测氡仪及其校准方法。
本发明测氡仪所采用的技术方案为：一种测氡仪，包括闪烁室顶盖外壳、闪烁室顶盖、闪烁室底盖外壳、隔板、光电倍增管和测氡仪控制电路，所述控制电路包括调节光电倍增管的高压电路、处理核脉冲信号的信号滤波电路、以及对核脉冲信号进行计数的计数电路，计数电路与信号滤波电路连接，其特征在于，所述测氡仪控制电路中还包括与信号滤波电路连接的单片机控制电路，单片机控制电路通过程序算法得出核脉冲信号的峰值，转换成能谱信号，在显示屏或显示界面上显示；所述单片机控制电路采用具有AD和DA功能的单片机。
进一步地，测氡仪中所述的测氡仪控制电路还包括电源电路、电压监测电路、通信电路和存储电路；其中，所述信号滤波电路输入端与光电倍增管的输出端连接，输出端与计数电路和单片机控制电路并接；所述单片机控制电路分别与存储电路、通信电路、计数电路、电压监测电路和高压电路电连接；所述高压电路与光电倍增管电连接。
进一步地，测氡仪中所述的单片机为stm32系列或STC系列的单片机。
进一步地，测氡仪中所述的电源电路由电源芯片及其外围元器件构成；高压电路由运算放大器芯片、高压模块及其外围元器件构成；电压监测电路由运算放大器芯片及其外围元器件构成；通信电路包括由串口芯片及其外围元器件构成的串口通信电路，由USB转串口芯片及其外围元器件构成的USB转串口通信电路，由蓝牙模块构成的蓝牙通信电路；存储电路由存储芯片及其外围元器件构成；单片机为stm32系列或STC系列的单片机。
进一步地，测氡仪中所述的串口芯片的型号为ST3232BDR，USB转串口芯片的型号为CP2102，蓝牙模块的型号为HC-05，存储芯片的型号为FM25CL64。
本发明校准方法所采用的技术方案为：一种用于校准测氡仪的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在闪烁室顶盖外壳内安装一标准的α电镀源，将闪烁室顶盖外壳与闪烁室底盖外壳合拢封闭；
（2）根据α电镀源的放射性活度确定α粒子的标准计数值，根据α电镀源释放出α粒子的能量确定能谱信号在谱线横坐标的标准道址数；
（3）通过高压电路调节光电倍增管的电压，使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近，即完成光电倍增管高压的参数调试；
（4）通过调节计数电路的阈值电压，使调试过程中α粒子显示屏或显示界面上的计数值与标准计数值相同或相近，即完成光电倍增管阈值电压的参数调试。
进一步地，校准方法中所述第（3）步骤为：（3）通过高压电路调节光电倍增管的电压，使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近，完成光电倍增管高压的初次参数调试；观察1分钟，再次使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近；如此反复三到四次即可完成光电倍增管高压的参数调试。
进一步地，校准方法中所述第（1）步骤为：（1）在闪烁室顶盖外壳内安装一标准的α电镀源，将闪烁室顶盖外壳与闪烁室底盖外壳合拢封闭；所述的闪烁室顶盖外壳与待校准测氡仪闪烁室顶盖外壳结构相同，闪烁室顶盖外壳与α电镀源构成闪烁室底座；所述闪烁室底盖外壳为待校准测氡仪的闪烁室底盖外壳。
进一步地，校准方法中所述第（2）步骤中，α电镀源的放射性活度为15-25Bq，α电镀源释放出α粒子的能量为5MeV~7MeV。
进一步地，校准方法中所述第（2）步骤中，α电镀源的放射性活度为20Bq，α电镀源释放出α粒子的能量为6MeV。
本发明的有益效果为：本发明提供的测氡仪及其校准方法，创新的采用了标准的α电镀源作为参考源对测氡仪进行标定，采用能谱的方法能快速对测氡仪的放大倍数以及计数值进行直观的显示，从而给参数调节提供依据，使生产过程中不同测氡仪对核信号的放大倍数和计数值保持一致，在提高测氡仪测量准确性情况下，同时也大大缩短了测氡仪的参数调试时间。
附图说明
图1是本发明测氡仪闪烁室顶盖部分的主视图。
图2是本发明测氡仪闪烁室顶盖部分的仰视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是本发明测氡仪闪烁室底盖部分的主视图。
图5是图4的B-B剖视图。
图6是本发明测氡仪闪烁室底盖部分的后视图。
图7是本发明测氡仪闪烁室顶盖与底盖部分合拢的示意图。
图8是本发明测氡仪控制电路图。
图9是本发明测氡仪控制电路中的电源电路图一。
图10是本发明测氡仪控制电路中的电源电路图二。
图11是本发明测氡仪控制电路中的电源电路图三。
图12是本发明测氡仪控制电路中的电源电路图四。
图13是本发明测氡仪控制电路中的高压电路图。
图14是本发明测氡仪控制电路中的电压监测电路图。
图15是本发明测氡仪控制电路中的串口通信电路图。
图16是本发明测氡仪控制电路中的USB转串口通信电路图。
图17是本发明测氡仪控制电路中的蓝牙通信电路图。
图18是本发明测氡仪控制电路中的存储电路图。
图19是本发明测氡仪控制电路中的信号滤波电路图。
图20是本发明测氡仪控制电路中的计数电路图。
图21是本发明测氡仪控制电路中的单片机控制电路图。
图22是本发明测氡仪测试效果的能谱图。
图中：1-α电镀源；2-闪烁室顶盖；3-闪烁体镀层；4-闪烁室顶盖外壳；5-隔板；6-光电倍增管光阴极采集口；7-闪烁室底盖外壳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供一种测氡仪技术方案：包括闪烁室顶盖外壳4、闪烁室顶盖2、闪烁室底盖外壳7、隔板5、光电倍增管PMT和测氡仪控制电路，所述控制电路包括调节光电倍增管PMT的高压电路、处理核脉冲信号的信号滤波电路、以及对核脉冲信号进行计数的计数电路，计数电路与信号滤波电路连接，其特征在于，所述测氡仪控制电路中还包括与信号滤波电路连接的单片机控制电路，单片机控制电路通过程序算法得出核脉冲信号的峰值，转换成能谱信号，在显示屏或显示界面上显示。
闪烁室顶盖2安装在闪烁室顶盖外壳4上，隔板5安装在闪烁室底盖外壳7上，光电倍增管PMT安装在闪烁室中，隔板5中心处为光电倍增管光阴极采集口6，闪烁室顶盖外壳4内壁、闪烁室底盖外壳7内壁和隔板5上涂有闪烁体镀层3，均为现有技术。采用一个闪烁室顶盖外壳4，并在其内侧底部安装α电镀源1，作为标准参考源，形成用于校准测试的闪烁室底座。测试时，是将闪烁室底座与待校准测氡仪的闪烁室底盖外壳7合拢封闭。
测氡仪控制电路还包括电源电路、电压监测电路、通信电路和存储电路；其中，信号滤波电路输入端与光电倍增管PMT的输出端连接，输出端与计数电路和单片机控制电路并接，单片机控制电路分别与存储电路、通信电路、计数电路、电压监测电路和高压电路电连接，高压电路与光电倍增管PMT电连接。
请参阅图9-12，电源电路由开关电源芯片U5、线性电源芯片U6、小功率极性反转电源转换器U7、电压基准U4及其外围元器件构成，给后端电路进行供电，为常规电路。其中，开关电源芯片U5型号为LM2596S-5.0，与外围元器件构成将电池的+8V电压转为+5V电压（DC-DC）的直流电源电路。线性电源芯片U6型号为ASM1117-3.3，与外围元器件构成将+5V电压转为+3.3V电压（LDO）的电源电路。小功率极性反转电源转换器U7型号为icl7660，与外围元器件构成将+5V电压转为-5V电压的电源电路。电压基准芯片U4型号为REF3030，与外围元器件构成将+3.3V电压转为+3V电压（LDO）的电源电路。
请参阅图13，高压电路由运算放大器芯片U13A、高压模块P7及其外围元器件构成，为常规电路。其中，运算放大器芯片U13A型号为LM833，输入端DAC_HV与控制电路单片机的DAC_HV连接，由单片机控制输出给高压的控制电压，输出端HV_Ref经过运算放大器隔离后的高压控制信号，与高压模块的引脚3连接。高压模块P7型号为6P-3.96。
请参阅图14，电压监测电路由运算放大器芯片U13B及其外围元器件构成，为常规电路。其中，输出端V-5.0为+5V经过电阻R17、R18分压后给控制电路单片机进行电压采样，ADC转换后可计算出此时+5V电压的实际电压值，实现对+5V电压的监测。输出端V-3.3为+3.3 V经过电阻R22、R23分压后给控制电路单片机进行电压采样，ADC转换后可计算出此时+3.3V电压的实际电压值，实现对+3.3V电压的监测。输入端HV为高压输入，输出端V-HV为高压HV经过耐高压电阻分压后，再经过运算放大器隔离后，给控制电路的单片机进行电压采样，ADC转换后可计算出此时高压的实际电压值，实现对高压的监测。
请参阅图15-17，通信电路包括由串口芯片U8及其外围元器件构成的串口通信电路（连接串口打印机）、串口芯片U8型号为ST3232BDR，由USB转串口芯片U14及其外围元器件构成的USB转串口通信电路（连接U盘），USB转串口芯片U14型号为CP2102，由蓝牙模块U2构成的蓝牙通信电路，蓝牙模块U2型号为HC-05，为常规电路。对于测量得到的数据，提供LED液晶屏显示、USB数据传输、串口打印机打印和蓝牙数据传输四种输出显示方式。图15中，输入端PD5-US2-TX与控制电路单片机的PD5-US2-TX引脚连接，单片机控制该引脚电平变化将数据发送给串口通信芯片ST3232BDR，串口芯片将信号转换后通过US2-TXD将数据发送给液晶屏，控制液晶的显示数据；输出端PD6-US2-RX与控制电路单片机的PD6-US2-RX引脚连接，液晶模块将数据通过US2-RXD传输给串口芯片，串口芯片将数据转换后通过PD6-US2-RX引脚将数据传输给控制电路的单片机，实现单片机读取液晶屏的数据；输入端PA9-US1-TX控制电路单片机的PA9-US1-TX引脚连接，单片机控制该引脚电平变化将数据发送给串口芯片ST3232BDR，串口芯片将信号转换后将数据发送给打印机模块，控制打印机打印的内容；输出端PA10-US1-RX与控制电路单片机的PA10-US1-RX引脚连接，打印机模块将数据传输给串口芯片，串口芯片将数据转换后通过PA10-US1-RX引脚将数据传输给控制电路的单片机，实现单片机读取打印机模块的数据；输出端US1-TXD通过连接外面线路的插座P4（2P-3-96）与打印机模块的US1-TXD接口连接，串口模块通过控制该引脚电平变化将数据发送给打印机模块，控制打印机模块工作；输入端US1-RXD通过连接外面线路的插座P4（2P-3-96）与打印机模块的US1-RXD接口连接，打印机模块通过控制该引脚电平变化将数据发送给串口芯片，串口芯片将数据转换后将数据通过PA10-US1-RX引脚将数据发送给控制电路的单片机；输出端US2-TXD通过连接外面线路的插座P9（Header7P-2.0）与液晶屏的US2-TXD接口连接，串口模块通过控制该引脚电平变化将数据发送给液晶屏，控制液晶屏的显示；输入端US2-RXD通过连接外面线路的插座P9（Header7P-2.0）与液晶屏的US2-RXD接口连接，液晶屏通过控制该引脚电平变化将数据发送给串口芯片，串口芯片将数据转换后将数据通过PD6-US2-RX引脚将数据发送给控制电路的单片机。
图16、17中，输入端PD9-US3-RX与控制电路的单片机的PD9-US3-RX连接，用于接收蓝牙信号，将外部转换后的信号传输给单片机；输入端PD8-US3-TX控制电路的单片机的PD8-US3-TX连接，用于发送蓝牙信号，将单片机要发送的信号通过此引脚传递给蓝牙模块，让蓝牙发送；输入端BT-flash与控制电路单片机的BT-Flash引脚连接，单片机控制此引脚的高低电平控制蓝牙指示灯闪烁；输入端BT-STATE与控制电路单片机的BT-STATE引脚连接，单片机控制此引脚的高低电平控制蓝牙指示灯状态闪烁；输入端BT-KEY与控制电路单片机的BT-KEY引脚连接，单片机控制此引脚的高低电平控制蓝牙工作或停止工作。
请参阅图18，存储电路由存储芯片U3及其外围元器件构成，存储芯片U3型号为FM25CL64，为常规电路，存储芯片U3型号为FM25CL64。输入端PB12-SPI2-NSS与控制电路的单片机的PB12-SPI2-NSS连接，单片机通过该控制引脚的高低电平控制该存储芯片是否选通，电平为低时该芯片开始工作，高时不工作。输出端PB14-SPI2-MISO与控制电路的单片机的PB14-SPI2-MISO连接，存储芯片控制该引脚的高低电平将数据发送给单片机。输入端PB13-SPI2-SCK与控制电路单片机的PB13-SPI2-SCK引脚连接，单片机控制此引脚的高低电平给两个芯片之间的数据传输提供时钟信号。输入端PB15-SPI2-MOSI与控制电路的单片机的PB15-SPI2-MOSI连接，单片机控制该引脚的高低电平将数据和命令发送给存储芯片。存储电路中可存储9999组数据，对测量结果的数据会进行自动保存。
请参阅图19，信号滤波电路由运算放大器U10A、运算放大器U10B及其外围元器件构成，为常规电路。运算放大器U10A、运算放大器U10B的型号为LM833。信号滤波电路对从光电倍增管输出的负脉冲信号进行翻转、低通滤波、放大后输送给后端电路。输入端Signal前置放大板出来的信号，该信号为核脉冲信号。输出端AMP-signal滤波后的信号传输到计数电路和控制电路，在计数电路中与阈值比较进行计数，在控制电路中，ADC引脚对信号进行模数转换采集信号幅度。
请参阅图20，计数电路由电压比较器U12及其外围元器件构成，为常规电路。电压比较器U12的型号为LM311N。输入端AMP-signal信号经过滤波电路后输入到这里，进行阈值比较。输入端DAC-REF控制电路的DAC引脚连接到这里，给电压比较器提供参考电压。当设置好阈值后，stm32的DAC引脚输出一个电压给电压比较器，该电压作为核脉冲信号判断的阈值电压，当核脉冲信号超过阈值时，从电压比较器输出端输出一个低电平，该低电平的下降沿被stm32的引脚检测到，触发中断，在中断内给核脉冲计数值加1，实现对核脉冲事件的计数。
请参阅图21，单片机控制电路采用具有AD和DA功能的单片机，单片机为stm32系列或STC系列的单片机，例如型号为STM32F103VET6的单片机。输入端AMP-signal AMP-signal与滤波电路的AMP-signal引脚连接，当Counts信号触发时，进行信号的模数转换，再通过算法得到该脉冲信号的幅度值。输出端DAC-REF与计数电路的DAC-REF引脚连接，给计数电路提供阈值电压，该引脚的电压可通过单片机程序控制，实现对阈值的调节。输出端DAC-HV与高压电路的DAC-HV引脚连接，该电压值可控制高压模块输出的高压大小，该电压值可通过单片机程序控制，实现对高压输出的调节。输入端PA9-US1-RX连接通信电路的串口电路的PA9-US1-RX引脚，打印机发送给控制电路的单片机的信号通过串口芯片转换后引起该引脚电压电平的变化，实现单片机对打印机数据的接收。输出端PA10-US1-TX连接通信电路的串口电路的PA10-US1-TX引脚，控制电路的单片机通过控制该引脚高低电平的变化将数据发送给通信电路的串口芯片，串口芯片将信号转换后将数据发送给打印机。输入端TDI程序烧录引脚。输出端TDO/SWO程序烧录引脚。输入端RST程序烧录引脚。I2C2-SCL端、I2C2-SDA备用，未使用。输出端PB12-SPI2-NSS与存储电路的PB12-SPI2-NSS引脚连接，单片机通过控制该引脚电平高低实现对存储芯片的片选功能，该引脚电平为低时存储电路的存储芯片开始工作，反之不工作。输出端PB13-SPI2-SCK存储电路的PB13-SPI2-SCK引脚连接，单片机通过控制该引脚电平高低实现为与存储电路通信提供时钟信号。输入端PB14-SPI2-MISO与存储电路的PB14-SPI2-MISO引脚连接，存储电路通过控制该引脚电平高低实现将数据传输给控制电路的单片机。输出端PB15-SPI2-MOSI存储电路的PB15-SPI2-MOSI引脚连接，单片机通过控制该引脚电平高低实现将数据和命令传输给存储电路。输入端Counts与计数电路的Counts引脚连接，在计数电路中，当核脉冲信号超过阈值时，Counts引脚电平由高到低，控制电路检测到该引脚有下降沿时，在单片机程序里对核脉冲事件计数加1，同时触发单片机AMP-signal引脚连续对该引脚上电压进行60次模数转换，在算法中得到信号幅值。输出端PD5-US2-TX连接通信电路的串口电路的PD5-US2-TX引脚，控制电路的单片机通过控制该引脚高低电平的变化将数据发送给通信电路的串口芯片，串口芯片将信号转换后将数据发送给液晶屏。输入端PD6-US2-RX连接通信电路的串口电路的PD6-US2-RX引脚，液晶屏发送给控制电路的单片机的数据通过串口芯片转换后引起该引脚电压电平的变化，实现单片机对液晶屏数据的接收。输出端PD8-US3-TX连接通信电路的串口电路的PD8-US3-TX引脚，控制电路的单片机通过控制该引脚高低电平的变化将数据发送给通信电路的蓝牙模块，蓝牙模块根据该信号以蓝牙协议传输给外部设备。输入端PD9-US3-RX连接通信电路的串口电路的PD9-US3-RX引脚，蓝牙模块发送给控制电路的单片机的数据引起该引脚电压电平的变化，实现单片机对蓝牙模块数据的接收。输入端V-BAT与电源电路V-BAT引脚连接，电池的电压经过分压后产生的V-BAT电压信号通过该引脚传送给控制电路的单片机，单片机内部的模数转换器将该电压信号转换成数字信号，通过对数字信号的大小判断，可以得到电池的电压大小，实现对电池电压的监测。输入端V-HV与电源电路V-HV引脚连接，高压的电压经过分压后产生的V-HV电压信号通过该引脚传送给控制电路的单片机，单片机内部的模数转换器将该电压信号转换成数字信号，通过对数字信号的大小判断，可以得到高压的电压大小，实现对高压电压的监测。输入端V-5.0与电源电路V-5.0引脚连接，+5V电压经过分压后产生的V-5.0电压信号通过该引脚传送给控制电路的单片机，单片机内部的模数转换器将该电压信号转换成数字信号，通过对数字信号的大小判断，可以得到+5V电压大小，实现对+5V电压的监测。输入端V-3.3与电源电路V-3.3引脚连接，+3.3V电压经过分压后产生的V-3.3电压信号通过该引脚传送给控制电路的单片机，单片机内部的模数转换器将该电压信号转换成数字信号，通过对数字信号的大小判断，可以得到+3.3V电压大小，实现对+3.3V电压的监测。输出端PC10-US4-TX备用，未使用。输入端PC11-US4-RX备用，未使用。输出端PC12-US5-TX连接通信电路的串口电路的PD8-US3-TX引脚，控制电路的单片机通过控制该引脚高低电平的变化将数据发送给通信电路的USB转串口芯片，USB转串口芯片将信号转换后将数据发送给USB接口。输入端PD2-US5-RX连接通信电路的串口电路的PD9-US3-RX引脚，外部USB存储器发送给控制电路的单片机的数据通过USB转串口芯片转换后引起该引脚电压电平的变化，实现单片机对USB存储器数据的接收。驱动部分通过调用固件库实现ADC、DAC、IIC、SPI、USART等复用功能对外部电路进行控制或者通信；核脉冲信号经过调理电路后，同时输入给计数电路和控制电路，控制电路中ADC引脚对核脉冲信号进行连续的模数转换，通过程序算法得出核脉冲信号的峰值，根据峰值数据在对应的能谱道址上计数加1，实现对核事件的能谱显示。
外购模块：液晶屏、打印机模块、蓝牙模块。该模块直接外购焊接在电路中，实现电路的稳定和缩减研发周期。
硬件特点：
1、其中计数电路、控制电路两个电路模块实现了对核脉冲事件的计数和能谱测量的功能。计数电路输出脉冲信号的下降沿被控制电路的单片机检测到后，在单片机程序内部进行核脉冲事件计数加1，同时触发单片机AMP-signal引脚对核脉冲信号开始连续进行模数转换，核脉冲信号的脉冲宽度通常在10us~30us，单片机内部ADC模数转换周期为1us，连续60次采样的总时间为60us，可以完全覆盖核脉冲信号的宽度，因此在所有采样点中最大的采样值即为核脉冲信号的峰值，根据峰值的大小确定该核脉冲信号在能谱中的道址，在该道址处计数加1，大量的核脉冲事件在能谱图中不同道址处的计数累计绘制成能谱图，可实现同时对核脉冲事件的总计数和能谱的测量。
2、该电路可以同时实现蓝牙通信、USB通信、打印机打印、液晶屏显示四种方式进行测量数据的读取和显示，大大提高了仪器数据的可读性。
本发明提供校准方法技术方案：一种校准测氡仪的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在闪烁室顶盖外壳4内安装一标准的α电镀源1，将闪烁室顶盖外壳4与闪烁室底盖外壳7合拢封闭；所述的闪烁室顶盖外壳4与待校准测氡仪闪烁室顶盖外壳结构相同，闪烁室顶盖外壳4与α电镀源1构成闪烁室底座；所述闪烁室底盖外壳7为待校准测氡仪的闪烁室底盖外壳；（2）根据α电镀源1的放射性活度确定α粒子的标准计数值，根据α电镀源释放出α粒子的能量确定能谱信号在谱线横坐标的标准道址数；α电镀源（1）的放射性活度为15-25Bq，优先20Bq；α电镀源释放出α粒子的能量为5MeV~7MeV，优先6MeV；（3）通过高压电路调节光电倍增管PMT的电压，使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近，即完成光电倍增管PMT高压的初次参数调试；观察1分钟，再次使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近；如此反复三到四次即可完成光电倍增管PMT高压的参数调试；（4）通过调节计数电路的阈值电压，使调试过程中α粒子显示屏或显示界面上的计数值与标准计数值相同或相近，即完成光电倍增管PMT阈值电压的参数调试。
测量效果：在进行一轮测试后，在测氡仪液晶能谱显示界面中会出现如图22所示的图谱，其中峰值所对应的道数反映了光电倍增管的放大能力，总计数反映了阈值设置的合理性，通过调节光电倍增管的电压，使能谱的峰值处于电镀源发出α粒子所对应的能量道址上，调节阈值，使总计数等于该α电镀源在测量时间内发出的α粒子数，即可在短时间内准确的对测氡仪进行参数调试和校准。
通过本发明的方法，可直接测量一分钟，得到一个能谱图，通过能谱图的峰位与标准道址的差距调节高压值，调节好后再次测量一分钟观察新的峰位与标准道址的差距，如此反复三到四次即可完成调校，总时间大约为5到10分钟左右，相比与传统调试方法时间是原来的1/12至1/24，大大节约了调试时间，增加了生产效率。
传统方法调试的电压和阈值受环境和人为影响具有一定随机性，在某些极端情况下，甚至会产生错误的调试参数，而采用该专利方法调试，高压和阈值的设置准确性可以直接通过能谱图观察到，准确率和一致性达到95%以上。
放射性活度与电镀源本身有关，与温湿度没有关系，因此不会受温湿度影响，并且α电镀源单位时间内释放的α粒子数较多，本底等干扰对测量的结果影响较小。
本发明创新的采用了标准的α电镀源作为参考源对测氡仪进行标定，克服了外界环境温湿度变化对仪器调试产生的影响，增强了仪器的准确性和一致性。本发明创新的采用能谱显示辅助调试，能谱峰值对应的道数反映了仪器的放大能力，能谱的计数反映了仪器阈值设置的正确性，调试者通过调节高压，将仪器能谱的峰位调节到电镀源α能量对应的道数；调节阈值，使仪器α粒子的计数值等于α电镀源的活度所对应的数值，即可实现不同仪器具有相同的放大能力以及核脉冲信号计数能力，实现不同批次的测氡仪具有较高的一致性。本发明提出了一种测氡仪的调校方法，采用标准源与能谱显示结合的方法，对仪器高压值以及阈值的设置提供了可靠直观的参考，大大缩短了调试时间，节约人力物力。本发明设计了一种新的测氡仪电路，能稳定准确测量氡衰变事件，同时实现计数和能谱测量。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测氡仪，包括闪烁室顶盖外壳（4）、闪烁室顶盖（2）、闪烁室底盖外壳（7）、隔板（5）、光电倍增管（PMT）和测氡仪控制电路，所述测氡仪控制电路包括调节光电倍增管（PMT）的高压电路、处理核脉冲信号的信号滤波电路、以及对核脉冲信号进行计数的计数电路，计数电路与信号滤波电路连接，其特征在于，所述测氡仪控制电路中还包括与信号滤波电路连接的单片机控制电路，单片机控制电路采用具有AD和DA功能的单片机；所述测氡仪校准时，在闪烁室顶盖外壳（4）内安装一标准的α电镀源（1），将闪烁室顶盖外壳（4）与闪烁室底盖外壳（7）合拢封闭，根据α电镀源（1）的放射性活度确定α粒子的标准计数值，根据α电镀源释放出α粒子的能量确定能谱信号在谱线横坐标的标准道址数，通过高压电路调节光电倍增管（PMT）的电压，使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近，即完成光电倍增管（PMT）高压的参数调试，通过调节计数电路的阈值电压，使调试过程中α粒子显示屏或显示界面上的计数值与标准计数值相同或相近，即完成光电倍增管（PMT）阈值电压的参数调试；在采用α电镀源（1）作为参考源对测氡仪进行标定时，单片机控制电路通过程序算法得出核脉冲信号的峰值，转换成能谱信号，能快速对测氡仪的放大倍数以及计数值在显示屏或显示界面上进行直观的显示。
2.根据权利要求1所述的一种测氡仪，其特征在于，所述的测氡仪控制电路还包括电源电路、电压监测电路、通信电路和存储电路；其中，所述信号滤波电路输入端与光电倍增管（PMT）的输出端连接，输出端与计数电路和单片机控制电路并接；所述单片机控制电路分别与存储电路、通信电路、计数电路、电压监测电路和高压电路电连接；所述高压电路与光电倍增管（PMT）电连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种测氡仪，其特征在于，所述的单片机为stm32系列或STC系列的单片机。
4.根据权利要求2所述的一种测氡仪，其特征在于，所述的电源电路由电源芯片及其外围元器件构成；高压电路由运算放大器（U13A）、高压模块（P7）及其外围元器件构成；电压监测电路由运算放大器芯片（U13B）及其外围元器件构成；通信电路包括由串口芯片（U8）及其外围元器件构成的串口通信电路，由USB转串口芯片（U14）及其外围元器件构成的USB转串口通信电路，由蓝牙模块（U2）构成的蓝牙通信电路；存储电路由存储芯片（U3）及其外围元器件构成；单片机为stm32系列或STC系列的单片机。
5.根据权利要求4所述的一种测氡仪，其特征在于，所述的串口芯片（U8）的型号为ST3232BDR，USB转串口芯片（U14）的型号为CP2102，蓝牙模块（U2）的型号为HC-05，存储芯片（U3）的型号为FM25CL64。
6.一种用于校准权利要求1所述测氡仪的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在闪烁室顶盖外壳（4）内安装一标准的α电镀源（1），将闪烁室顶盖外壳（4）与闪烁室底盖外壳（7）合拢封闭；
（2）根据α电镀源（1）的放射性活度确定α粒子的标准计数值，根据α电镀源释放出α粒子的能量确定能谱信号在谱线横坐标的标准道址数；
（3）通过高压电路调节光电倍增管（PMT）的电压，使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近，即完成光电倍增管（PMT）高压的参数调试；
（4）通过调节计数电路的阈值电压，使调试过程中α粒子显示屏或显示界面上的计数值与标准计数值相同或相近，即完成光电倍增管（PMT）阈值电压的参数调试。
7.根据权利要求6所述的校准测氡仪的方法，其特征在于，所述第（3）步骤为：
（3）通过高压电路调节光电倍增管（PMT）的电压，使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近，完成光电倍增管（PMT）高压的初次参数调试；观察1分钟，再次使调试过程中能谱信号在显示屏或显示界面上谱线横坐标的道址数与标准道址数相同或相近；如此反复三到四次即可完成光电倍增管（PMT）高压的参数调试。
8.根据权利要求6或7所述的校准测氡仪的方法，其特征在于，所述第（1）步骤为：
（1）在闪烁室顶盖外壳（4）内安装一标准的α电镀源（1），将闪烁室顶盖外壳（4）与闪烁室底盖外壳（7）合拢封闭；所述的闪烁室顶盖外壳（4）与待校准测氡仪闪烁室顶盖外壳结构相同，闪烁室顶盖外壳（4）与α电镀源（1）构成闪烁室底座；所述闪烁室底盖外壳（7）为待校准测氡仪的闪烁室底盖外壳。
9. 根据权利要求6或7所述的校准测氡仪的方法，其特征在于，所述第（2）步骤中，α电镀源（1）的放射性活度为15-25Bq，α电镀源释放出α粒子的能量为5MeV~7MeV。
10.根据权利要求9所述的校准测氡仪的方法，其特征在于，所述第（2）步骤中，α电镀源（1）的放射性活度为20Bq，α电镀源释放出α粒子的能量为6MeV。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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