CN1900742A - 氚表面污染监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明氚表面污染监测仪与监测氚的表面污染水平的装置有关，解决已有装置成本高，探测效率低，抗干扰差的问题。本发明包括探测器(1)、信号获取模块(2)和中央处理器(3)，探测器(1)为流气式正比计数器，由金属罩负极(4)及其内腔(5)中的金属线或片正极(6)组成，正极(6)与高压模块(7)的输出连接，正极(6)通过信号线与信号获取模块(2)的输入连接，内腔(5)有进气孔(8)和出气孔(9)，工作时甲烷气从进气孔不断进入内腔(5)并从出气孔流出。

Description

氚表面污染监测仪

技术领域：

本发明与监测β射线对环境污染的装置有关，尤其与监测氚的表面污染水平的装置有关。

背景技术：

氚表面污染监测仪通过检测β射线，从而了解氚表面污染情况，达到监控的目的，以保障人身安全。

目前，国内外都一直开展对α/β/γ表面污染进行测量，氚属于β射线，但是普通β测量主要在100Kev~1Mev范围，由于氚能量低(18.6keV)，一般β测量仪器对氚测量不是很敏感，因此需要专门对氚进行测量。

如堪培拉公司的最新一代α/β/γ表面污染表面检测仪，虽然其精度高、性能好，但是没有专门的固体氚表面污染监测仪，并且采用流气式正比计数器对β的探测效率只有50％左右，并且由于进口关税及硬件技术，价格昂贵以致在国内大多数用户中难以得到广泛应用。

国内也有同类产品，如北京核仪器厂生产的αβ表面污染测量仪和中国辐射防护研究院研制的αβγPC-01型便携式表面污染测量仪等，都采用了液体闪烁体探测器，硬件集成度低，智能化以及抗干扰性差，对β射线的探测性能指标不高，如北京核仪器厂生产的BH3206型表面污染仪对β的探测效率只有30％。所以它们就无法很好的应用于监测固体氚表面的污染情况。

发明内容：

本发明的目的是提供一种氚表面污染监测仪，它抗干扰性优良，集成度高，传输数据快速，可大幅度提高氚源探测效率并降低生产成本。

本发明的又一目的是提供一种氚表面污染监测方法，它与上述监测仪的结合使仪器智能化水平高，可大大提高氚源探测效率。

本发明是这样实现的：

本发明氚表面污染监测仪，包括探测器1、信号获取模块2和中央处理器3，探测器1为流气式正比计数器，由金属罩负极4及其内腔5中的金属线或片正极6组成，正极6与高压模块7的输出连接，正极6通过信号线与信号获取模块2的输入连接，内腔5有进气孔8和出气孔9，工作时甲烷气从进气孔不断进入内腔5并从出气孔流出。

正极6为光滑金丝制的环，金丝的直径为1mm。

高压模块7为数字可调集成块，其可调电压为0-4500V。

信号获取模块2由电荷灵敏放大器10、主放大器11、脉冲整形电路12、脉冲甄别电路13，单稳态振荡器14组成，电荷灵敏放大器10为集成运算放大器，其输入接探测器1的正极6，其输出接主放大器11的输入，主放大器11为串联的多极集成运算放大器，其输出接脉冲整形电路12的输入，脉冲整形电路12由串联的多级集成运算放大器组成，其输出接脉冲甄别电路13的输入，脉冲甄别电路由比较器与电压分配器组成，其输出分别与第一、第二单稳态振荡器14的输入连接，第一单稳态振荡器的输出端与第二单稳态振荡器的复位端连接，第二单稳态振荡器的输出与中央处理器3连接。

中央处理器3为单片机μPSD3234，其T1脚与信号获取模块2连接，其P3.6、P3.7、P3.2脚与按键芯片ZLG7290的SDA、SCL、INTO脚连接，单片机与液晶显示器LCD连接，通过USB接口与PC机连接。

电荷灵敏放大器10为芯片LF356，主放大器11、脉冲整形电路12的集成运算放大器为芯片TL062，脉冲甄别电路13的比较器为芯片LM393，第一、第二单稳态振荡器为芯片MC1458B。

本发明氚表面污染监测方法，包括如下步骤：

(1)预设测量时间、测量次数、仪器本底、源效率、探测效率、探测面积于中央处理器寄存器中，

(2)将监测仪的探测器的出气口对着被测物件的表面、开启探测器，设置定时器初始值，中央处理器的定时器开始定时计数，

(3)定时器按照中央处理器时钟频率进行定时，到达初始值时将产生中断，中断标志位为1，定时器判断中断标志为是否为0，如果是，继续脉冲计数，保存于寄存器中，直到中断标志位为1，

(4)定时中断到，定时器将定时初始值重新设计，并判断是否已经测量了预先设置的测量次数，如果不是，则继续步骤(3)，如果是则进入下一步骤，

(5)读取寄存器中记录到的脉冲数，转换成十进制按照测量次数的顺序以及寄存器中地址保存于内存数组中，

(6)将存储器中预置的测量时间，测量次数、按照地址读取到内存中，将内存中不同数组中的脉冲数据通过中央处理器进行相加运算，保存脉冲数存放于中央处理器内存，

(7)将测量次数与测量时间相乘，得总时间数存放于中央处理器内存，

(8)将总脉冲数除以总时间数值得单位时间平均脉冲数，存放于中央处理器内存，

(9)读取寄存器中预置参数，将单位时间平均脉冲数减去仪器本底，得测量绝对计数，

(10)将源效率，探测效率和探测面积相乘，将结果存放于内存，

(11)将测量绝对计数除以步骤(10)中的结果，得氚表面污染活度，保存于寄存器中。

本发明的监测仪生产成本低，探测灵敏度和精度高，传输数据快速，本发明的方法可对监测仪获得的数据进行计数和数据处理，速度快，准确性高，大幅度提高探测效率和降低成本。

本发明氚表面污染监测仪具有国家法定检定资质机构(中国工程物理研究院计量测试中心)检定，分别对仪器的稳定性、计数准确性做了重复性的实验，最后经计算和鉴定得到该仪器的主要性能指标如下：

(1)该仪器探测效率为84％，(氘源，表面发射率1308/2πmin)，高于所查文献报道的国内其它通用表面污染测量仪；

(2)仪器探测下限为0.221Bq/cm²，稳定性为0.56％/h，所有的参数均符合GB5202《αβ和α-β表面污染测量仪与监测仪》对β测量仪的要求。

附图说明：

图1为本发明的结构框图。

图2为探测器结构图。

图3为信号获取模块结构框图。

图4和图5为信号获取模块电路原理图。

图6为中央处理器及外围电路图。

图7为按键芯片及外围电路图。

图8为USB接口电路图。

图9为本发明主程序流程图。

图10为本发明的子程序流程图之一。

具体实施方式：

氚表面污染监测仪(如图1)主要由探测器、信号获取模块、中央处理器、USB接口等组成，配以各个相关功能外设，达到低成本、智能化、高探测效率及快速传输的目的。

氚表面污染测量仪探测器选用流气式正比计数器，当氚放射出的β射线通过探测器时，使其中的气体发生电离，形成正负离子对，探测器收集该带电粒子，经信号获取模块进行信号放大、整形和选择展宽后送入中央处理器进行计数，因为相同时间内脉冲数目的多少由β辐射的强弱决定，所以中央处理器记录这些脉冲的个数和产生时间，通过软件分析的方法就可计算出相应的表面污染水平。同时系统还实现了USB接口技术，数据传输快捷，操作方便。

1、探测器

核辐射的探测是基于射线与物质的相互作用，探测器实际上是将射线强度转换为电信号。氚放射出的β射线的探测是通过在探测器中发生电离效应来产生电子，然后通过探测电子产生的电压脉冲的强度来探测β射线的强度。

流气式正比计数器的结构如图2所示，主要由金属罩负极4和芯线正极6组成，内腔5中充填甲烷气体。金属罩为铜制，芯线采用高精度光滑金丝，直径为1mm，保证了对带电粒子的灵敏度，以及不光滑毛刺引起的误差，对带电粒子的收集充分。同时为了保证计数器内所充气体浓度不变，气体一直是保持流动状态的。并且采用标准器件的高压模块7为探测器提供0～4500V数字可调的高压，保证两极之间稳定的压差。

通过采用该种探测器，对低能范围的β射线比较灵敏，设计提高仪器探测灵敏性，使仪器整体探测效率整体提高，并且由于降低了成本。

其探测的工作原理是氚衰变发出的β射线通过流气式正比计数器时，使其中的气体发生电离，形成正负离子对。在高压电场的作用下，电子被加速向正极方向运动，运动过程中与气体分子碰撞电离，产生新的离子对。雪崩式电离的结果，在收集电极上将收集到一大群离子，这些带电离子将以电压脉冲信号传入信号采集模块。

2、信号获取模块

信号获取模块框图以及实现功能如图3虚线内部分，主要由电荷灵敏放大器、主放大器、脉冲整形、脉冲甄别和单稳态振荡器等电路构成。探测器检测到的信号输入到电荷灵敏放大器进行前置放大，通过主放大器、脉冲整形电路、脉冲甄别电路和单稳态振荡器，形成规则脉冲信号传输给中央处理器进行计数、分析、处理。

信号获取模块电路图如图4和图5所示。

探测器收集到的带电粒子形成微弱信号，进入电荷灵敏放大器、主放大器和脉冲整形电路，如图4，电荷灵敏放大器采用芯片LF356，是一种JFET输入的高速运算放大器，它具有输入阻抗大，噪声低，偏移电流小等优点，并能调整偏移电压。根据电荷灵敏放大器的原理可知，当放大器有足够的开环增益时，电容C1本身是常数时，电荷灵敏放大器输出电压与流气式正比计数器的输出电荷Q成正比。U2A、U2B、U3A、U3B为集成运算放大器TL062，电荷灵敏放大器的输出电压脉冲经过U2A、U2B两级放大，并用U3A、U3B组成的整形电路队信号进行“平滑”整形后，送入后续的脉冲甄别电路。

从放大电路输出的电压脉冲，其幅度并不是一样大小的，而是服从统计规律的，表现在脉冲幅度上，就是时大时小。对脉冲幅度的测量一般都采用脉冲幅度甄别器来进行，这种电路只允许一定幅度的脉冲通过，供后电路记录，其目的是消除高能或低能噪声对测量的干扰。

如图5，L1A、L2B是比较器芯片LM393。R23和R24组成的电压分配器用于设定上阈值VH，R26和R27组成的电压分配器用于设定下阈值VL，D4是比较基准电压。应该注意，为了使上下阈值有相同的温度漂移方向，使用的元件要有良好的稳定性，如采用精度为5％以上的电阻来降低温度系数等。

根据比较器原理及甄别电路，当输入信号低于下阈值VL时，比较器L1A和L2B的输出高电平；当输入信号幅度高于上甄别阈VH时，L1A和L2B的输出低电平；当输入信号高于VL且低于VH时，L1A输出高电平，L2B输出低电平。

根据上述甄别电路还不能实现单道脉冲幅度分析，为了能使后续电路能更好地记录某一给定阈值范围的脉冲信号，需要对比较输出信号进行提取。在本发明中，用芯片MC14538B来实现这部分功能，它一种是双精度、重触发、重置位的单稳态振荡器。

上阈值甄别器的输出脉冲送入MC1453B的 B_A端，下阈值甄别器的输出脉冲送入MC1453B的AB端。从图5可以看出，当输入低电平时， Q_A端也输出一个固定宽度的低电平，这个脉冲信号送入L2B的复位端，封锁住了从输入的任何状态信号，使QB输出端保持低电平。由此可知，只有当输入信号处于上下阈值之间，使得上阈值比较输出为高电平，下阈值比较输出为低电平，L2B没有被复位，L2B输出QB才是一固定宽度的高电平脉冲，被送入中央处理器进行计数。

3、中央处理器

中央处理器采用了μPSD3234单片机作为主控器件，它是一种性能强大，功能部件比较齐全，存储容量大，具有内置USB接口特性的片上系统芯片，能够实现仪器要求的主要功能。单片机的引脚配置如图6所示。通过自身带有的引脚实现了在线编程下载接口(JTAG)、硬件复位按键、液晶显示(LCD)接口、通用接口(I²C、SPI、USB等)以及外部信号输入端。

信号获取模块获取的脉冲信号通过单片机计数器T1引脚(第42引脚-Singnal IN)进入单片机，通过软件控制进行定时计数，计算单位时间内计数，按照预先设定的参数，计算出最终表面污染水平，结果可以显示于LCD上，并可以保存于单片机内部寄存器中，可以通过USB接口读取上传到PC机。

中央处理器采用的单片机具有高集成优点，集成了许多外围硬件电路，从而减少外围电路的设计以及配置，达到降低了仪器的硬件成本以及体积重量。

中央处理器设计了许多外部设备以实现各项智能化功能，如按键处理、LCD显示设备等。

其中，按键处理设备采用了芯片ZLG7290，大大减低了设计成本，并且起到了硬件消除按键抖动，提高了系统的稳定性，使得仪器具有智能化、低成本等优点。该芯片是一种I2C接口键盘及LED驱动管理器件，提供数据译码和循环、移位、段寻址等控制。它可采样64个按键或传感器，单片机可完成LED显示、键盘接口的全部功能。它通过I²C总线同单片机通讯，提供键盘中断，本系统中，ZLG7290的SDA、SCL、INTO分别与μPSD3234单片机的P3.6、P3.7、P3.2相连。

ZLG7290有8个位选和8个段选引脚，可以接64个按键，其中包括56个数字键和8个功能键。56个数字键的键值分别为1到56。有效的按键动作(普通键的单击，连击和功能键状态变化)，都会使系统寄存器(SystemReg)的KeyAvi位置1，/INT引脚信号有效(变为低电平)。用户的键盘处理程序由/INT引脚低电平中断触发，保证系统在对高计数率环境测量时不产生漏计数，同时使人机界面交互顺畅。按键处理设备电路如图7所示。

4、USB接口

通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是一种新兴的计算机外围串行通信接口标准，它克服了传统计算机串/并口的缺陷，具有热插拔、数据传输可靠、扩展方便、低成本等优点，已成为计算机必备的接口之一。现在USB接口不仅仅作为计算机外设接口使用，同时也被大量应用于嵌入式系统和单片机系统的设计中，比如集中监控、数据采集系统等。

μPSD3234在片内集成一个USB接口，它支持低速的USB1.1规范，支持端点0(endpoint0)的控制传输，以及端点1(endpoint1)、端点2(endpoint2)的中断IN传输。所以，利用μPSD3234的USB接口，将系统设计为支持USB接口的系统，在硬件上已不再需要增加USB的接口器件。

图8为USB接口电路图。上拉电阻R16的作用是将USB数据线D-上拉，表示设备为一个USB的低速设备。

整个USB设计简单明晰，大大减低硬件设计成本，提高设计速度，缩短设计周期，降低了仪器成本及快速传输数据。

软件设计

软件包括PC机端程序和单片机程序：PC机端程序是基于WINDOWS操作系统的库函数，自行开发较少；单片机程序是自主开发的，主要包括主程序和各个子程序，利用C51语言开发出了满足基本功能的数据处理和分析应用软件。

其主程序结构如图9所示。在进行测量过程中步骤如下：

1、判断timer0_flag是否为1？

定时中断标志位为timer0_flag。单片机进行定时计数时，需要高精度的时间控制，才能保证单位时间内计数的准确性。单片机一般通过自身内置的定时器进行定时，当通过定时器进行定时时，需要预先设置定时器初始值，当定时器按照单片机时钟频率进行定时到达初始值时将产生中断，将中断标志位变为1，中断标志位变为0，表明定时时间没有到，将继续进行脉冲计数。所以，判断定时中断标志位为timer0_flag可以准确判断定时是否到达。

2、定时中断到，中断处理程序

定时中断到，说明一次测量过程结束。单片机将自动转入中断处理程序，为了实现定时计数的功能。在中断处理程序中，首先将定时初始值重新设置，其次判断是否已经测量了预先设置的测量次数，若两者都满足了则进入下一个程序。

3、记录脉冲数程序

在测量过程中，需要对计数器记录的脉冲数进行记录显示。计数器将记录的结果以十六机制寄保存于一个寄存器，该程序功能是读取该寄存器的内容，并将其中的数据转换成十进制按照测量次数的顺序以及单片机中地址保存于内存数组中，等待计算程序调用。

4、计算单位时间平均脉冲数程序

流程图如图10。用于计算的原始数据经过上述程序后保存于内存数组中，测量时间、测量次数是预先设置的参数，保存于存储器中，只需将他们按照地址读取到内存中，等待程序调用。

加法算法程序是将内存中不同数据数组中的数据通过单片机进行相加运算，结果存放到单片机内存中。

乘法算法程序是将测量次数与测量时间进行相乘，结果存放到单片机内存中。

除法算法程序是将加法算法程序和乘法算法程序得到的结果在单片机中进行除法运算，分子是加法算法程序的结果，分母是乘法算法程序的结果，最后得到单位时间平均脉冲数，保存于单片机内存中。

5、读取寄存器中预置参数程序，计算表面污染程序

流程图如图11。用于计算的原始数据经过上述程序后保存于内存中的单位时间平均脉冲数，仪器本底、源效率、探测效率、探测面积是预先设置的参数，保存于存储器中，只需将他们按照存储地址读取到内存中，等待程序调用。

减法算法程序是将单位时间平均脉冲数减去仪器本底，得到测量绝对计数，即测量部位除去环境、仪器本底的实际脉冲数，能够真正体现表面污染活度。

乘法算法程序是将源效率、探测效率和探测面积进行相乘，结果存放到单片机内存中。

除法算法程序是将减法算法程序和乘法算法程序得到的结果在单片机中进行除法运算，分子是减法算法程序的结果，分母是乘法算法程序的结果，最后得到在单位面积上同效率下的单位时间内的平均脉冲数，用于表示表面污染活度，保存于单片机内存中。

6、保存结果程序

该程序主要将单片机计算后保存于内存中的结果保存到单片机内部寄存器中，可以永久保存，断电也不会失去数据。

单片机内置大容量FLASH存储器，能够对测量、分析结果进行存储。

7、通过USB传输结果程序

主要对USB设备端的固件程序进行了开发。固件程序编写是整个USB接口程序中最重要的一部分，是系统的灵魂。固件程序的优劣直接影响到系统的性能和质量。只有开发出优秀的固件程序，才能保证系统稳定高效的工作。主循环函数负责USB设备的初始化和用户命令的执行工作；标准命令请求和厂商请求部分包括USB设备的各种特性描述，USB主机通过读取此部分的信息来确定USB设备的身份，并为其配置相应的驱动程序；中断服务程序负责判别主机发来的命令并且把数据传输到缓冲器中以待主循环函数处理；硬件提取底层程序包含了最基本的输入输出命令，根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。因此，可以将每种命令做成函数，用函数实现各个命令，以后直接调用函数即可。

Claims (7)

1、氚表面污染监测仪，包括探测器(1)、信号获取模块(2)和中央处理器(3)，其特征在于探测器(1)为流气式正比计数器，由金属罩负极(4)及其内腔(5)中的金属线或片正极(6)组成，正极(6)与高压模块(7)的输出连接，正极(6)通过信号线与信号获取模块(2)的输入连接，内腔(5)有进气孔(8)和出气孔(9)，工作时甲烷气从进气孔不断进入内腔(5)并从出气孔流出。

2、根据权利要求1所述的监测仪，其特征在于正极(6)为光滑金丝制的环，金丝的直径为1mm。

3、根据权利要求1所述的监测仪，其特征在于高压模块(7)为数字可调集成块，其可调电压为0-4500V。

4、根据权利要求1所述的监测仪，其特征在于信号获取模块(2)由电荷灵敏放大器(10)、主放大器(11)、脉冲整形电路(12)、脉冲甄别电路(13)，单稳态振荡器(14)组成，电荷灵敏放大器(10)为集成运算放大器，其输入接探测器(1)的正极(6)，其输出接主放大器(11)的输入，主放大器(11)为串联的多极集成运算放大器，其输出接脉冲整形电路(12)的输入，脉冲整形电路(12)由串联的多级集成运算放大器组成，其输出接脉冲甄别电路(13)的输入，脉冲甄别电路由比较器与电压分配器组成，其输出分别与第一、第二单稳态振荡器(14)的输入连接，第一单稳态振荡器的输出端与第二单稳态振荡器的复位端连接，第二单稳态振荡器的输出与中央处理器(3)连接。

5、根据权利要求1所述的监测仪，其特征在于中央处理器(3)为单片机μPSD3234，其T1脚与信号获取模块(2)连接，其P3.6、P3.7、P3.2脚与按键芯片ZLG7290的SDA、SCL、INTO脚连接，单片机与液晶显示器LCD连接，通过USB接口与PC机连接。

6、根据权利要求4所述的监测仪，其特征在于电荷灵敏放大器(10)为芯片LF356，主放大器(11)、脉冲整形电路(12)的集成运算放大器为芯片TL062，脉冲甄别电路(13)的比较器为芯片LM393，第一、第二单稳态振荡器为芯片MC1458B。

7、氚表面污染监测方法，包括如下步骤：

(1)预设测量时间、测量次数、仪器本底、源效率、探测效率、探测面积于中央处理器寄存器中，

(2)将监测仪的探测器的出气口对着被测物件的表面、开启探测器，设置定时器初始值，中央处理器的定时器开始定时计数，

(3)定时器按照中央处理器时钟频率进行定时，到达初始值时将产生中断，中断标志位为1，定时器判断中断标志位是否为0，如果是，继续脉冲计数，保存于寄存器中，直到中断标志位为1，

(4)定时中断到，定时器将定时初始值重新设计，并判断是否已经测量了预先设置的测量次数，如果不是，则继续步骤(3)，如果是则进入下一步骤，

(5)读取寄存器中记录到的脉冲数，转换成十进制按照测量次数的顺序以及寄存器中地址保存于内存数组中，

(6)将存储器中预置的测量时间，测量次数、按照地址读取到内存中，将内存中不同数组中的脉冲数据通过中央处理器进行相加运算，保存脉冲数存放于中央处理器内存，

(7)将测量次数与测量时间相乘，得总时间数存放于中央处理器内存，

(8)将总脉冲数除以总时间数值得单位时间平均脉冲数，存放于中央处理器内存，

(9)读取寄存器中预置参数，将单位时间平均脉冲数减去仪器本底，得测量绝对计数，

(10)将源效率，探测效率和探测面积相乘，将结果存放于内存，

(11)将测量绝对计数除以步骤(10)中的结果，得氚表面污染活度，保存于寄存器中。

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