CN203786304U

CN203786304U - 基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头

Info

Publication number: CN203786304U
Application number: CN201420184875.7U
Authority: CN
Inventors: 郝存兴; 来永芳; 曾志; 李周省
Original assignee: No68127 Army Of People's Liberation Army
Current assignee: No68127 Army Of People's Liberation Army
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2024-04-16

Abstract

本实用新型涉及一种基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，该探头包括置于PCB板Ⅰ上的G-M探测器、整形电路、高压模块及置于PCB板Ⅱ上的电源模块、USB控制处理器。所述G-M探测器分别与所述整形电路、所述高压模块相连，该整形电路、高压模块均与所述电源模块相连；所述USB控制处理器分别与所述整形电路、所述高压模块、所述电源模块相连，并通过USB总线与PC机相连；所述PCB板Ⅰ与所述PCB板Ⅱ通过接线口直接插拔。本实用新型体积小、功耗低、稳定性好。

Description

基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头

技术领域

本实用新型涉及一种探头，尤其涉及基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头。

背景技术

G-M计数管由于其环境适应性好、可靠性高、价格低廉等优点被广泛应用，传统的测量方法，是通过记录单位时间内的脉冲个数来推算外界核辐射场的强度（这里的辐射场强是指注量率）。

但此方法存在的问题就是，G-M计数管的死时间问题，会导致其线性量程范围受到很大限制，为克服此问题，美国人于80年代中后期提出了一种叫Time-To-Count的测量技术（简称为TTC），它是通过改变计数管两端的高压，来使探测器处于“工作”或“休息”两种状态，在每个测量周期内就可以测到两个脉冲信号之间的时间间隔，通过测量多个脉冲信号的时间间隔并求取平均值，就可反推出辐射场的强度。这是因为核辐射场越强，相邻射线之间的时间间隔的均值就会越小，即时间均值的倒数与剂量率存在正比关系。这种方法能有效地提高探测器的量程上限和延长计数管使用寿命，因此，此方法一出现就率先在美军装备中得到了应用。

传统的测量方法是采用脉冲计数模式，受G-M计数管受死时间过长的影响，通常，线性量程范围只能达到3至4个数量级。Time-To-Count技术采用的是记录相邻脉冲之间时间间隔的方法，采用此法可使G-M计数管在超过10³Gy/h的地方工作，消除了脉冲重叠和死时间的影响，能有效拓宽量程，并延长计数管使用寿命。

目前，国内研究的智能核辐射探头大都采用G-M计数管为探测元件，但仍采用与专用主机结合的使用方式，探测器的测量精度和量程范围有限，探头功能比较单一，信息传递方式落后。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种体积小、功耗低、稳定性好的基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头。

为解决上述问题，本实用新型所述的基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，其特征在于：该探头包括置于PCB板Ⅰ上的G-M探测器、整形电路、高压模块及置于PCB板Ⅱ上的电源模块、USB控制处理器；所述G-M探测器分别与所述整形电路、所述高压模块相连，该整形电路、高压模块均与所述电源模块相连；所述USB控制处理器分别与所述整形电路、所述高压模块、所述电源模块相连，并通过USB总线与PC机相连；所述PCB板Ⅰ与所述PCB板Ⅱ通过接线口直接插拔。

所述高压模块为US5P高压模块。

所述USB控制处理器为内部嵌入了微控制器且支持USB2.0协议的USB2.0接口芯片CY7C68013A。

所述G-M探测器的连接电路中阳极加正高压，阴极取正脉冲信号，且电路中设有分压电阻、高速开关三极管和N沟道绝缘栅型VMOS场效应管IRFPG40。

所述电源模块设有外部供电插口和电源切换开关，并通过电压转换模块与所述USB控制处理器相连。

所述PCB板Ⅰ与所述PCB板Ⅱ的尺寸相同。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型以USB为通讯接口，采用脉冲计数和Time-To-Count模式智能切换的工作方式，具有体积小、功耗低、精度高、量程宽、智能化和即插即用的特点，能与虚拟核辐射监测仪结合用于β放射性沾染的监测，通过计算机网络监测程序也能实现远程无人值守的放射性污染自动监测。

2、本实用新型使用单个USB控制处理器实现了智能核辐射探头信号采集、数据处理、量程判断、工作模式智能切换以及与计算机数据通信等功能。

3、本实用新型中的USB控制处理器为内部嵌入了微控制器且支持USB2.0协议的USB2.0接口芯片CY7C68013A，该USB控制处理器可以不靠外部CPU而实现USB通信，不但可以省去外部CPU的使用，而且缩小探头体积、降低功耗和提高电路稳定性。

4、分别在脉冲计数模式和Time-To-Count模式下对本实用新型进行测试和表面活度刻度实验：

⑴测试和刻度实验使用的放射源为⁹⁰Sr-⁹⁰Y，该放射源半衰期为28.6年，所产生的β粒子最大能量为0.546MeV，平均能量为0.1958MeV，此放射源满足GB 12128-89《用于校准表面污染监测仪的参考源β发射体和α发射体》中对参考源的技术要求，其基本参数如表1所示。

表1 实验用参考源

⑵参考GB 8997-1988《α、β表面污染测量仪与监测仪的校准》中规定的参考源相对探头的几何条件，将探头放在平板源正下方，平板源β发射面向下，探头的探测器窗口朝上，β发射面与探测器窗的垂直距离为10mm，探头两侧用两块铅砖屏蔽，探头通过USB数据线与笔记本电脑连接。

⑶脉冲计数模式下的测试和表面活度刻度实验：

将本实用新型通过USB数据线与笔记本电脑连接后，下载固件程序至探头内部芯片，通过设定上位机程序“模式设定”控件的值使探头工作在脉冲计数模式下，设定本底测量时间为60s，探头预热5min后，记录本底计数率读数。为减少统计涨落所带来的误差，每组数据测量5次，然后取平均值，实验测量结果如表2所示。

表2 计数模式下的测量结果

由于脉冲计数模式存在漏计数问题，此处需利用计数率修正公式： =n/(1-n)对测量数据进行修正，其中=20μs，n为修正前计数率，为修正后的计数率。

另外，第7个参考源（源7）面积小于探测器GJ6401的窗口面积，这里还需对第7组数据进行修正，修正式为：

……………………….. （1）

式中：为修正后的计数率，为实际测到的计数率，为GJ6401的探测窗半径，为参考源的半径。其中GJ6401的探测窗有效直径为20mm，参考源直径为10mm，代入式（1）计算得出计数率修正结果为12624.8。

单位面积的β放射性活度计算可用下式：

….………………….…………….. （2）

式中：为单位面积的β放射性活度，单位；为测得的总计数率；为测得的本底计数率；为对β辐射的仪器效率；为探头灵敏窗（射线进入探测器）的面积；为源效率。对智能核辐射探头而言，在相同的实验条件下、、都为定值，因此可将式（2）变换为：

….………….……………… （3）

其中，K为刻度系数，单位：1，B=K*，为一常数，因此β放射性表面活度与探头计数率为线性关系。将β放射性表面活度与计数率做线性拟合，如图2所示。

从图中可见，探头工作在脉冲计数模式下，拟合函数为Y=159.99385+1.2024X，线性相关度为0.99925，因此计数率测量值与实际的β放射性表面活度具有良好的线性关系。

⑷Time-To-Count模式下的测试和表面活度刻度实验：

在Time-To-Count模式下的刻度实验与脉冲计数模式下的刻度实验类似，只是通过上位机程序将“模式设定”控件的值设定为1，“间歇时间”设定为2ms，使探头工作在Time-To-Count模式下，同样每个点测量五次，然后取平均值，时间测量结果如表3所示。

表3 Time-To-Count模式下的测量结果

对第7个参考源的测量数据进行修正，将时间取倒数，然后利用式（1）进行修正，计算得到修正结果为243.65μs。

对Time-To-Count模式而言，单位面积的β放射性活度与脉冲信号时间间隔近似为反比关系，将β放射性表面活度与时间倒数做线性拟合，如图3所示。

从图中可见，拟合函数为Y=187.07375+0.37963X，线性相关度为0.99395，因此探头工作在Time-To-Count模式下，脉冲信号时间间隔的倒数与实际的β放射性表面活度也满足线性规律。

⑸分段拟合：

从图2、3可以发现，两种工作模式的测量数据都与β放射性表面活度存在线性关系，但是两种模式的线性拟合度存在明显差别。为减少刻度非线性带来的相对固有误差，提高智能核辐射探头测量精度，对探头采取分段拟合。

①低量程段的线性拟合度比较：

对两种模式的前4组数据进行线性拟合，结果如图4、图5所示。从图中可以看出，在低量程段，计数模式的线性拟合函数为：Y=4.09711+2.02519X，线性相关度为0.99978，Time-To-Count模式的线性拟合函数为：Y=11.27786+1.61401X，线性相关度为0.99795，因此计数模式下的拟合线性度明显好于Time-To-Count模式下的拟合线性度，即在低辐射场强下，探头采用传统的脉冲计数工作模式，所带来的相对固有误差较小。

②中、高量程段的线性拟合度比较：

取后3组数据作为探头的中、高量程段进行线性拟合，拟合结果如图6、图7所示。从图中可以看出，Time-To-Count模式的线性拟合度（R=0.99979）大于计数模式的线性拟合度（R=0.99976），由此说明，随着核辐射场强的增加，Time-To-Count的工作模式线性程度将好于脉冲计数的工作模式，因此探头在高量程段，选择Time-To-Count的工作模式是合理的。

③测量模式的智能切换：

为进一步提高智能核辐射探头的测量精度，需使其自动完成对辐射场强弱的判断，从而选择不同的工作模式，以实现探测器测量模式的智能切换。假设探头高、低量程段的切换点分别选择：10000和1000，根据低量程段脉冲计数工作模式的拟合曲线：Y=4.09711+2.02519*X和高量程段Time-To-Count工作模式的拟合曲线：Y=401.67108+0.35633*X，将高、低量程切换的点代入，计算得出Time-To-Count模式对应的计数前时间平均值为：=1319.26μs，脉冲计数模式对应的计数率为：=20255.99711。

工作模式的切换过程是：程序启动后，探头默认选择工作在脉冲计数模式，每完成一次测量周期，探头将测量数据发送至上位机程序，并调用量程判断程序，该程序会根据测量数据的大小来选择探头下一个测量周期的工作模式。如图5-8所示，若探测器上一个测量周期为脉冲计数模式，则判断测量到的计数率是否大于20255.99711，若大于（即单位面积的放射性活度大于10000）则使探头下一工作周期进入Time-To-Count模式，否则仍处于脉冲计数模式；反之，若探测器上一个测量周期为Time-To-Count模式，则判断该周期内测量到的平均时间间隔是否大于1319.26μs，若大于（即单位面积的放射性活度低于1000）则使探头下一工作周期进入脉冲计数模式，否则仍处于Time-To-Count模式。

当单位面积的放射性活度小于1000时，探头工作在传统的脉冲计数模式；当单位面积的放射性活度大于10000时，探头工作在Time-To-Count模式，而当单位面积的放射性活度介于1000和10000之间时，则探头可以工作在两种模式的任意一种，这取决于核辐射场强是从高量程向低量程变化，还是低量程向高量程变化。

因此，在有效提高探头测量精度和量程范围的条件下，本实用新型可有效节省测量时间。

⑹通过测试和单位面积放射性活度刻度，检验了智能核辐射探头设计的合理性，同时，结果表明本实用新型采用单只G-M计数管GJ6401的β表面活度测量范围能达到7个数量级（1×10^-1~1×10⁶ ）。

5、依据GB8897-1988这个标准对本实用新型的辐射特性进行了beta表面污染的测试，结果表明符合国标。当本实用新型运用于β表面污染监测，使探头再做表面沾染检查时，不用改变探测器窗口。

6、本实用新型布放于战场环境以及核事故等电离辐射污染区域，可实现对监测区域的零伤亡、远程侦察。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的结构原理图。

图2为本实用新型计数模式测量数据的拟合曲线。

图3为本实用新型Time-To-Count模式测量数据的拟合曲线。

图4为本实用新型低量程段计数模式拟合结果。

图5为本实用新型低量程段Time-To-Count模式拟合结果。

图6为本实用新型中高量程段计数模式拟合结果。

图7为本实用新型中高量程段Time-To-Count模式拟合结果。

图8为本实用新型测量模式智能切换示意图。

图中：1—G-M探测器 2—整形电路 3—高压模块 4—电源模块5—USB控制处理器 6—PC机。

具体实施方式

如图1所示，基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，该探头包括置于PCB板Ⅰ上的G-M探测器1、整形电路2、高压模块3及置于PCB板Ⅱ上的电源模块4、USB控制处理器5。G-M探测器1分别与整形电路2、高压模块3相连，该整形电路2、高压模块3均与电源模块4相连；USB控制处理器5分别与整形电路2、高压模块3、电源模块4相连，并通过USB总线与PC机6相连； PCB板Ⅰ与PCB板Ⅱ通过接线口直接插拔。

其中：高压模块3为US5P高压模块。

USB控制处理器5为内部嵌入了微控制器且支持USB2.0协议的USB2.0接口芯片CY7C68013A。

G-M探测器1的连接电路中阳极加正高压，阴极取正脉冲信号，且电路中设有分压电阻、高速开关三极管和N沟道绝缘栅型VMOS场效应管IRFPG40。

电源模块4设有外部供电插口和电源切换开关，并通过电压转换模块与USB控制处理器5相连。

PCB板Ⅰ与PCB板Ⅱ的尺寸相同。

使用时，将USB控制处理器5接口插入计算机，或笔记本电脑，或平板电脑，本实用新型从USB接口获取电源后，通过USB控制处理器5控制电源模块4对G-M探测器1和整形电路2供电加压。当射线进入G-M探测器1产生的带电粒子，经整形电路2转换为脉冲信号，并对脉冲信号甄别、整形后送入USB控制处理器5，由USB控制处理器5判断选择计数测量模式或Time-To-Count测量模式，若为计数测量模式，则USB控制处理器5只对整形的方波信号进行计数，若为Time-To-Count测量模式，则每一个方波信号到来时立即通过高压模块3，降下G-M探测器1高压2毫秒，然后再加上高压并测量下一个方波到来的时间。探头参数、测量数据以及工作模式等信息经USB控制处理器5数据总线发送至PC机6，再由运行于PC机6的应用程序处理并显示辐射监测结果。

Claims

1.基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，其特征在于：该探头包括置于PCB板Ⅰ上的G-M探测器（1）、整形电路（2）、高压模块（3）及置于PCB板Ⅱ上的电源模块（4）、USB控制处理器（5）；所述G-M探测器（1）分别与所述整形电路（2）、所述高压模块（3）相连，该整形电路（2）、高压模块（3）均与所述电源模块（4）相连；所述USB控制处理器（5）分别与所述整形电路（2）、所述高压模块（3）、所述电源模块（4）相连，并通过USB总线与PC机（6）相连；所述PCB板Ⅰ与所述PCB板Ⅱ通过接线口直接插拔。

2.如权利要求1所述的基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，其特征在于：所述高压模块（3）为US5P高压模块。

3.如权利要求1所述的基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，其特征在于：所述USB控制处理器（5）为内部嵌入了微控制器且支持USB2.0协议的USB2.0接口芯片CY7C68013A。

4.如权利要求1所述的基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，其特征在于：所述G-M探测器（1）的连接电路中阳极加正高压，阴极取正脉冲信号，且电路中设有分压电阻、高速开关三极管和N沟道绝缘栅型VMOS场效应管IRFPG40。

5.如权利要求1所述的基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，其特征在于：所述电源模块（4）设有外部供电插口和电源切换开关，并通过电压转换模块与所述USB控制处理器（5）相连。

6.如权利要求1所述的基于Time-To-Count技术的智能核辐射探头，其特征在于：所述PCB板Ⅰ与所述PCB板Ⅱ的尺寸相同。