CN112213763A - 一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，使用了基于4G无线通信模块以及带有闪烁体的硅光二极管探测器。将监测装置与上位机软件相结合，可以远程测量多个地点的辐射剂量，并可以将数据处理保存。本装置使用了小尺寸带有闪烁体的硅光二极管探测器，其对伽马粒子辐射探测效率高，有很好的时间分辨率和空间分辨率，由于该装置高效的探测效率和高抗干扰能力，可以探测到环境级的伽马本底。该装置同时具备能谱分析功能，可以进行元素分析。整套测量系统通过标准的Eu‑152和Cs‑137伽马放射源进行标定实验，测量结果稳定，与专业手持式剂量仪器对比测量数据符合度高。除了可以应用于标准核设施场所的核环境监测以外，还可以应用到核应急等众多领域。

Description

一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置

技术领域

本发明涉及伽马射线剂量监测和4G物联网传输技术领域，尤其涉及伽马射线的随机微弱脉冲信号采集与处理，远程的大数据传输等辐射环境监测的应用场合。

背景技术

γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁退激时释放出的射线，是波长短于0.01埃的电磁波。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。γ射线入射到晶体上，发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。这些次级电子在晶体中运动，把能量消耗于晶体中，使晶体中原子电离、受激发，处于激发态的原子回到基态时，使晶体闪光，光被硅光二级管收集产生微弱电流脉冲信号。

现有的设备多以气体电离室和NaI探头的手持式设备为主，将伽马辐射能量转换成一种可计数的脉冲信号，输入到二次仪表中，进行计数测量，并通过LED显示出来。现有设备会受到空间上的限制，而且大部分探测器是以气体电离室探测器为主，测量精度低体积大。

发明内容

本发明目的就是为了弥补手持式监测设备及有线设备的不足，提供伽马射线剂量监测和4G物联网传输技术相结合的装置。本发明使用的CsI(碘化铯)的潮解性优于NaI(碘化钠)，能与硅光二极管很好的匹配，从而使读出系统大为简化。该晶体的应用有利于获得比较好的时间分辨率。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，包括：

带有CsI(TI)闪烁体的硅光二极管，前置放大器部分，CH549单片机处理芯片，电源和4G无线传输模块，所述硅光二极管连接到前置放大器输入端，前置放大器再将输出引脚连接到CH549单片机内置的比较器输入端口，CH549单片机将信号进行处理，将结果数据通过串口发送到4G模块；

闪烁体探测到伽马射线后发光，硅光二极管探测器内部的光电二极管将光信号转化为电流信号，再通过前置放大器对电流信号进行电流放大和电压放大并进行信号调理，调理后的信号分为两路，一路进入比较器将随机核脉冲模拟信号转化为相应的方波脉冲信号，然后方波脉冲信号输入到CH549单片机进行核脉冲计数，并定时将核脉冲计数通过串口发送到4G无线通信模块，4G无线通信模块再将数据打包调制之后发送到服务器，上位机软件通过TCP/IP协议从服务器取出测量结果并将接收到的脉冲计数转化为辐射剂量，从而实现对伽马辐射剂量的远程无线监测；从前置放大器放大和信号调理后的另一路信号直接进入CH549单片机的AD采样模块，对信号进行脉冲幅度的采集；CsI(TI)闪烁体探测器具有5％能量分辨率，通过对脉冲幅度进行采集和分析，得到待测伽马辐射的能谱，在单片机中加入了脉冲幅度分析算法，输出X轴为能量Y轴为脉冲计数率的二维能谱曲线图，能量分辨率达到1024道，并进一步进行元素分析。

进一步的，所述将监测装置与上位机软件相结合，远程测量多个地点的辐射剂量，并将数据处理保存，保存下来的数据用于大数据分析。

进一步的，闪烁体硅光二极管和前置放大器部分都加上铜箔，在遮光的同时降低电磁噪声干扰，能够探测到环境级的伽马本底。

进一步的，所述监测装置通过标准的Eu-152和Cs-137伽马放射源进行标定实验，将Eu-152伽马放射源和待测的基于闪烁体硅光二极管探测器的远程无线通信小型伽马剂量监测装置及标准伽马辐射计量仪器放置在同一条直线上，保证所述的待测监测装置与标准计量仪器到伽马放射源距离相等，同时测量当前位置待测监测装置的脉冲计数率和标准计量仪器的辐射剂量值并记录结果；通过改变放射源与待测监测装置的距离进行不同辐射强度的伽马射线测量，得到待测装置脉冲计数率随标准计量仪器测得的辐射剂量增加而增大的关系曲线，通过该关系曲线计算出标定系数，最终再将测得的标定系数加入到上位机软件通过运算将脉冲个数转化为辐射剂量。

进一步的，利用Cs-137伽马源重复执行Eu-152放射源相同的标定步骤。

进一步的，本无线伽马监测器既包含了4G通信模块，也为卫星通信模块保留了可兼容的通讯接口，其整机体积尺寸：104mm×76mm×46mm能用于大规模布置，能应用于标准核设施场所的核环境监测以外，以及核应急领域。

进一步的，所述的基于远程无线通信的伽马剂量监测装置设计为mini USB接口供电，电路中也加入了锂电池保护电路，为锂电池提供充电保护，电量显示和短路保护。处理器选用CH549单片机，此芯片集成ADC和比较器，支持多种通信协议；放大器选用MCP6L01放大器；为了保证信号质量减少干扰，电路PCB采用4层布局。

有益效果：

本发明现对于现有技术的优点是：

(1)本装置使用了小尺寸带有闪烁体的硅光二极管探测器，其对伽马粒子辐射探测效率高，有很好的时间分辨率和空间分辨率。

(2)本发明同时具备了伽马射线监测和4G物联网传输功能，可以远程实时进行数据的采集分析处理保存，适应了现代物联网的主流发展趋势。

(3)原有的手持式射线检测仪需手持面向放射源，放射源对人体产生辐射不适宜长时间的数据检测，还会对人体健康产生影响，该装置打破了对辐射剂量检测空间上的限制，成本也比同类设备大幅降低，实用性进一步提高。通过多次的伽马放射源实验对整套装置进行了标定，提高了系统测量精度。

(4)基于这种探测器的应用于环境级的测量，需要极低的噪声水平，并可带来小型化的优势，通过4G通讯，节省了现场的人机交互模块，有利于大规模部署、战场核应急等应用。同时该系统保留了与卫星通信模块的接口，可以兼容多种无线通讯方式，应用环境更为灵活。

附图说明

图1为本发明装置结构框图；

图2为本发明实物图；

图3为本发明整体示意图；；

图4为Cs-137伽马射线标准源标定实验图；

图5为实验数据的线性拟合；

图6为实验数据的线性拟合度分析。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3所示，根据本发明的一个实施例，提出一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，该装置为核环境下辐射剂量监测提供了一个具备高精度采集、无线远程传输的硬件平台环境；该平台具备4G与服务器平台之间的数据传输处理、分析和保存等功能；同时考虑到了外界环境干扰、系统硬件软件兼容性、系统维护便捷性等具体需求。

根据本发明的一个实施例，该装置包括：闪烁体、硅光二极管，连接到前置放大器，其中内部的闪烁体、硅光二极管和前置放大器部分增加了铜箔屏蔽，减少外界干扰，在消除可见光影响的同时进一步降低了噪声干扰。使用CH549单片机作为核心处理器芯片，将前置放大电路处理后的信号通过芯片内置比较器转化为方波信号，记录方波脉冲个数，再通过串口发送到4G无线通信模块，上位机接收4G无线通信模块传来的数据，加上刻度系数转化为辐射剂量。

所述的基于远程无线通信的伽马剂量监测装置设计为mini USB接口供电，电路中也加入了锂电池保护电路，为锂电池提供充电保护，电量显示和短路保护。

根据本发明的一个实施例，单片机处理器选用CH549单片机，此芯片集成ADC和比较器，支持多种通信协议。

根据本发明的一个实施例，前置放大器选用MCP6L01放大器，为了保证信号质量减少干扰，电路PCB采用4层板布局。

所述的基于远程无线通信的伽马剂量监测装置外壳使用的为铝制外壳，外壳留有mini USB接口和天线接口。如图3所示，基于远程无线通信的伽马剂量监测装置外壳的侧面分别是mini USB口和天线接口，mini USB接口用来进行5V供电，将mini USB的线插在手机适配器上就可直接连接220V插座上，天线接口用来发送数据，本装置只需要供电即可，其他的步骤装置会自动完成，直接可以在上位机软件上浏览数据。

所述的基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，标定实验我们使用了Eu-152和Cs-137伽马射线标准源，并经过多次实验获取标定系数，通过标定系数将记录的脉冲个数转化为辐射剂量。通过多次伽马放射源测试，测量精度也得到了提高。

根据本发明的一个优选实施例，所述的基于远程无线通信的伽马剂量监测装置为了测量伽马射线的准确性，减小其他射线辐照对电路模块的影响，闪烁体硅光二极管和前置放大电路都加上了铜箔外壳接地，并采用铝合金材料作为整个装置的外壳，减少其他射线对装置的影响。

图4是使用的Cs-137伽马放射源进行设备标定，将无线监测设备记录到的脉冲个数，与标准精密仪器显示的辐射剂量制作成XY关系图得到图5。得到脉冲个数与辐射剂量的对应关系，并将数据进行线性拟合分析如图6，得到线性拟合相关系数R为0.999，说明采集到的脉冲个数与辐射剂量之间存在线性关系。可以将本发明记录到的脉冲个数转化为对应的辐射剂量，经多次测量计算进一步高了本发明的测量精度。

所述的基于远程无线通信的伽马剂量监测装置可以通过单片机进行能谱算法分析，得到待测伽马辐射的能谱。其中，二维能谱图的X轴为能量，Y轴为脉冲计数率，X轴的能量分辨率可以达到1024道。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，其特征在于，包括：

带有CsI(TI)闪烁体的硅光二极管，前置放大器部分，CH549单片机处理芯片，电源和4G无线传输模块，所述硅光二极管连接到前置放大器输入端，前置放大器再将输出引脚连接到CH549单片机内置的比较器输入端口，CH549单片机将信号进行处理，将结果数据通过串口发送到4G模块；

闪烁体探测到伽马射线后发光，硅光二极管探测器内部的光电二极管将光信号转化为电流信号，再通过前置放大器对电流信号进行电流放大和电压放大并进行信号调理，调理后的信号分为两路，一路进入比较器将随机核脉冲模拟信号转化为相应的方波脉冲信号，然后方波脉冲信号输入到CH549单片机进行核脉冲计数，并定时将核脉冲计数通过串口发送到4G无线通信模块，4G无线通信模块再将数据打包调制之后发送到服务器，上位机软件通过TCP/IP协议从服务器取出测量结果并将接收到的脉冲计数转化为辐射剂量，从而实现对伽马辐射剂量的远程无线监测；从前置放大器放大和信号调理后的另一路信号直接进入CH549单片机的AD采样模块，对信号进行脉冲幅度的采集；CsI(TI)闪烁体探测器具有5％能量分辨率，通过对脉冲幅度进行采集和分析，得到待测伽马辐射的能谱，在单片机中加入了脉冲幅度分析算法，输出X轴为能量Y轴为脉冲计数率的二维能谱曲线图，能量分辨率达到1024道，并进一步进行元素分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，其特征在于：

所述将监测装置与上位机相结合，远程测量多个地点的辐射剂量，并将数据处理保存，保存下来的数据用于大数据分析。

3.根据权利要求1所述的一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，其特征在于：

闪烁体硅光二极管和前置放大器部分都加上铜箔，在遮光的同时降低电磁噪声干扰，能够探测到环境级的伽马本底。

4.根据权利要求1所述的一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，其特征在于：

所述监测装置通过标准的Eu-152和Cs-137伽马放射源进行标定实验，将Eu-152伽马放射源和待测的伽马剂量监测装置及标准伽马辐射计量仪器放置在同一条直线上，保证所述的待测监测装置与标准计量仪器到伽马放射源距离相等，同时测量当前位置待测监测装置的脉冲计数率和标准计量仪器的辐射剂量值并记录结果；通过改变放射源与待测监测装置的距离进行不同辐射强度的伽马射线测量，得到待测装置脉冲计数率随标准计量仪器测得的辐射剂量增加而增大的关系曲线，通过该关系曲线计算出标定系数，最终再将测得的标定系数加入到上位机软件通过运算将脉冲个数转化为辐射剂量。

5.根据权利要求4所述的一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，其特征在于：

利用Cs-137伽马源重复执行与权利要求4中Eu-152放射源相同的标定步骤。

6.根据权利要求1所述的一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，其特征在于：

所述无线伽马剂量监测装置既包括4G通信模块，为卫星通信模块保留了可兼容的通讯接口，其整机体积尺寸：104mm×76mm×46mm能用于大规模布置，能应用于标准核设施场所的核环境监测以外，以及核应急领域。

7.根据权利要求1所述的一种基于远程无线通信的伽马剂量监测装置，其特征在于：

所述的基于远程无线通信的伽马剂量监测装置设计为mini USB接口供电，电路中也加入了锂电池保护电路，为锂电池提供充电保护，电量显示和短路保护；处理器选用CH549单片机，此芯片集成ADC和比较器，支持多种通信协议；放大器选用MCP6L01放大器；为了保证信号质量减少干扰，电路PCB采用4层布局。

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