氚表面污染監測儀的制作方法

專利名稱：氚表面污染監測儀的制作方法
技術領域：
本發明與監測β射線對環境污染的裝置有關，尤其與監測氚的表面污染水平的裝置有關。
背景技術：
氚表面污染監測儀通過檢測β射線，從而了解氚表面污染情況，達到監控的目的，以保障人身安全。
目前，國內外都一直開展對α/β/γ表面污染進行測量，氚屬于β射線，但是普通β測量主要在100Kev~1Mev范圍，由于氚能量低(18.6keV)，一般β測量儀器對氚測量不是很敏感，因此需要專門對氚進行測量。
如堪培拉公司的最新一代α/β/γ表面污染表面檢測儀，雖然其精度高、性能好，但是沒有專門的固體氚表面污染監測儀，并且采用流氣式正比計數器對β的探測效率只有50％左右，并且由于進口關稅及硬件技術，價格昂貴以致在國內大多數用戶中難以得到廣泛應用。
國內也有同類產品，如北京核儀器廠生產的αβ表面污染測量儀和中國輻射防護研究院研制的αβγPC-01型便攜式表面污染測量儀等，都采用了液體閃爍體探測器，硬件集成度低，智能化以及抗干擾性差，對β射線的探測性能指標不高，如北京核儀器廠生產的BH3206型表面污染儀對β的探測效率只有30％。所以它們就無法很好的應用于監測固體氚表面的污染情況。

發明內容
本發明的目的是提供一種氚表面污染監測儀，它抗干擾性優良，集成度高，傳輸數據快速，可大幅度提高氚源探測效率并降低生產成本。
本發明的又一目的是提供一種氚表面污染監測方法，它與上述監測儀的結合使儀器智能化水平高，可大大提高氚源探測效率。
本發明是這樣實現的本發明氚表面污染監測儀，包括探測器1、信號獲取模塊2和中央處理器3，探測器1為流氣式正比計數器，由金屬罩負極4及其內腔5中的金屬線或片正極6組成，正極6與高壓模塊7的輸出連接，正極6通過信號線與信號獲取模塊2的輸入連接，內腔5有進氣孔8和出氣孔9，工作時甲烷氣從進氣孔不斷進入內腔5并從出氣孔流出。
正極6為光滑金絲制的環，金絲的直徑為1mm。
高壓模塊7為數字可調集成塊，其可調電壓為0-4500V。
信號獲取模塊2由電荷靈敏放大器10、主放大器11、脈沖整形電路12、脈沖甄別電路13，單穩態振蕩器14組成，電荷靈敏放大器10為集成運算放大器，其輸入接探測器1的正極6，其輸出接主放大器11的輸入，主放大器11為串聯的多極集成運算放大器，其輸出接脈沖整形電路12的輸入，脈沖整形電路12由串聯的多級集成運算放大器組成，其輸出接脈沖甄別電路13的輸入，脈沖甄別電路由比較器與電壓分配器組成，其輸出分別與第一、第二單穩態振蕩器14的輸入連接，第一單穩態振蕩器的輸出端與第二單穩態振蕩器的復位端連接，第二單穩態振蕩器的輸出與中央處理器3連接。
中央處理器3為單片機μPSD3234，其T1腳與信號獲取模塊2連接，其P3.6、P3.7、P3.2腳與按鍵芯片ZLG7290的SDA、SCL、INTO腳連接，單片機與液晶顯示器LCD連接，通過USB接口與PC機連接。
電荷靈敏放大器10為芯片LF356，主放大器11、脈沖整形電路12的集成運算放大器為芯片TL062，脈沖甄別電路13的比較器為芯片LM393，第一、第二單穩態振蕩器為芯片MC1458B。
本發明氚表面污染監測方法，包括如下步驟(1)預設測量時間、測量次數、儀器本底、源效率、探測效率、探測面積于中央處理器寄存器中，(2)將監測儀的探測器的出氣口對著被測物件的表面、開啟探測器，設置定時器初始值，中央處理器的定時器開始定時計數，(3)定時器按照中央處理器時鐘頻率進行定時，到達初始值時將產生中斷，中斷標志位為1，定時器判斷中斷標志為是否為0，如果是，繼續脈沖計數，保存于寄存器中，直到中斷標志位為1，(4)定時中斷到，定時器將定時初始值重新設計，并判斷是否已經測量了預先設置的測量次數，如果不是，則繼續步驟(3)，如果是則進入下一步驟，
(5)讀取寄存器中記錄到的脈沖數，轉換成十進制按照測量次數的順序以及寄存器中地址保存于內存數組中，(6)將存儲器中預置的測量時間，測量次數、按照地址讀取到內存中，將內存中不同數組中的脈沖數據通過中央處理器進行相加運算，保存脈沖數存放于中央處理器內存，(7)將測量次數與測量時間相乘，得總時間數存放于中央處理器內存，(8)將總脈沖數除以總時間數值得單位時間平均脈沖數，存放于中央處理器內存，(9)讀取寄存器中預置參數，將單位時間平均脈沖數減去儀器本底，得測量絕對計數，(10)將源效率，探測效率和探測面積相乘，將結果存放于內存，(11)將測量絕對計數除以步驟(10)中的結果，得氚表面污染活度，保存于寄存器中。
本發明的監測儀生產成本低，探測靈敏度和精度高，傳輸數據快速，本發明的方法可對監測儀獲得的數據進行計數和數據處理，速度快，準確性高，大幅度提高探測效率和降低成本。
本發明氚表面污染監測儀具有國家法定檢定資質機構(中國工程物理研究院計量測試中心)檢定，分別對儀器的穩定性、計數準確性做了重復性的實驗，最后經計算和鑒定得到該儀器的主要性能指標如下(1)該儀器探測效率為84％，(氘源，表面發射率1308/2πmin)，高于所查文獻報道的國內其它通用表面污染測量儀；(2)儀器探測下限為0.221Bq/cm2，穩定性為0.56％/h，所有的參數均符合GB5202《αβ和α-β表面污染測量儀與監測儀》對β測量儀的要求。


圖1為本發明的結構框圖。
圖2為探測器結構圖。
圖3為信號獲取模塊結構框圖。
圖4和圖5為信號獲取模塊電路原理圖。
圖6為中央處理器及外圍電路圖。
圖7為按鍵芯片及外圍電路圖。
圖8為USB接口電路圖。
圖9為本發明主程序流程圖。
圖10為本發明的子程序流程圖之一。
具體實施例方式氚表面污染監測儀(如圖1)主要由探測器、信號獲取模塊、中央處理器、USB接口等組成，配以各個相關功能外設，達到低成本、智能化、高探測效率及快速傳輸的目的。
氚表面污染測量儀探測器選用流氣式正比計數器，當氚放射出的β射線通過探測器時，使其中的氣體發生電離，形成正負離子對，探測器收集該帶電粒子，經信號獲取模塊進行信號放大、整形和選擇展寬后送入中央處理器進行計數，因為相同時間內脈沖數目的多少由β輻射的強弱決定，所以中央處理器記錄這些脈沖的個數和產生時間，通過軟件分析的方法就可計算出相應的表面污染水平。同時系統還實現了USB接口技術，數據傳輸快捷，操作方便。
1、探測器核輻射的探測是基于射線與物質的相互作用，探測器實際上是將射線強度轉換為電信號。氚放射出的β射線的探測是通過在探測器中發生電離效應來產生電子，然后通過探測電子產生的電壓脈沖的強度來探測β射線的強度。
流氣式正比計數器的結構如圖2所示，主要由金屬罩負極4和芯線正極6組成，內腔5中充填甲烷氣體。金屬罩為銅制，芯線采用高精度光滑金絲，直徑為1mm，保證了對帶電粒子的靈敏度，以及不光滑毛刺引起的誤差，對帶電粒子的收集充分。同時為了保證計數器內所充氣體濃度不變，氣體一直是保持流動狀態的。并且采用標準器件的高壓模塊7為探測器提供0～4500V數字可調的高壓，保證兩極之間穩定的壓差。
通過采用該種探測器，對低能范圍的β射線比較靈敏，設計提高儀器探測靈敏性，使儀器整體探測效率整體提高，并且由于降低了成本。
其探測的工作原理是氚衰變發出的β射線通過流氣式正比計數器時，使其中的氣體發生電離，形成正負離子對。在高壓電場的作用下，電子被加速向正極方向運動，運動過程中與氣體分子碰撞電離，產生新的離子對。雪崩式電離的結果，在收集電極上將收集到一大群離子，這些帶電離子將以電壓脈沖信號傳入信號采集模塊。
2、信號獲取模塊信號獲取模塊框圖以及實現功能如圖3虛線內部分，主要由電荷靈敏放大器、主放大器、脈沖整形、脈沖甄別和單穩態振蕩器等電路構成。探測器檢測到的信號輸入到電荷靈敏放大器進行前置放大，通過主放大器、脈沖整形電路、脈沖甄別電路和單穩態振蕩器，形成規則脈沖信號傳輸給中央處理器進行計數、分析、處理。
信號獲取模塊電路圖如圖4和圖5所示。
探測器收集到的帶電粒子形成微弱信號，進入電荷靈敏放大器、主放大器和脈沖整形電路，如圖4，電荷靈敏放大器采用芯片LF356，是一種JFET輸入的高速運算放大器，它具有輸入阻抗大，噪聲低，偏移電流小等優點，并能調整偏移電壓。根據電荷靈敏放大器的原理可知，當放大器有足夠的開環增益時，電容C1本身是常數時，電荷靈敏放大器輸出電壓與流氣式正比計數器的輸出電荷Q成正比。U2A、U2B、U3A、U3B為集成運算放大器TL062，電荷靈敏放大器的輸出電壓脈沖經過U2A、U2B兩級放大，并用U3A、U3B組成的整形電路隊信號進行“平滑”整形后，送入后續的脈沖甄別電路。
從放大電路輸出的電壓脈沖，其幅度并不是一樣大小的，而是服從統計規律的，表現在脈沖幅度上，就是時大時小。對脈沖幅度的測量一般都采用脈沖幅度甄別器來進行，這種電路只允許一定幅度的脈沖通過，供后電路記錄，其目的是消除高能或低能噪聲對測量的干擾。
如圖5，L1A、L2B是比較器芯片LM393。R23和R24組成的電壓分配器用于設定上閾值VH，R26和R27組成的電壓分配器用于設定下閾值VL，D4是比較基準電壓。應該注意，為了使上下閾值有相同的溫度漂移方向，使用的元件要有良好的穩定性，如采用精度為5％以上的電阻來降低溫度系數等。
根據比較器原理及甄別電路，當輸入信號低于下閾值VL時，比較器L1A和L2B的輸出高電平；當輸入信號幅度高于上甄別閾VH時，L1A和L2B的輸出低電平；當輸入信號高于VL且低于VH時，L1A輸出高電平，L2B輸出低電平。
根據上述甄別電路還不能實現單道脈沖幅度分析，為了能使后續電路能更好地記錄某一給定閾值范圍的脈沖信號，需要對比較輸出信號進行提取。在本發明中，用芯片MC14538B來實現這部分功能，它一種是雙精度、重觸發、重置位的單穩態振蕩器。
上閾值甄別器的輸出脈沖送入MC1453B的BA端，下閾值甄別器的輸出脈沖送入MC1453B的AB端。從圖5可以看出，當輸入低電平時，QA端也輸出一個固定寬度的低電平，這個脈沖信號送入L2B的復位端，封鎖住了從輸入的任何狀態信號，使QB輸出端保持低電平。由此可知，只有當輸入信號處于上下閾值之間，使得上閾值比較輸出為高電平，下閾值比較輸出為低電平，L2B沒有被復位，L2B輸出QB才是一固定寬度的高電平脈沖，被送入中央處理器進行計數。
3、中央處理器中央處理器采用了μPSD3234單片機作為主控器件，它是一種性能強大，功能部件比較齊全，存儲容量大，具有內置USB接口特性的片上系統芯片，能夠實現儀器要求的主要功能。單片機的引腳配置如圖6所示。通過自身帶有的引腳實現了在線編程下載接口(JTAG)、硬件復位按鍵、液晶顯示(LCD)接口、通用接口(I2C、SPI、USB等)以及外部信號輸入端。
信號獲取模塊獲取的脈沖信號通過單片機計數器T1引腳(第42引腳-Singnal IN)進入單片機，通過軟件控制進行定時計數，計算單位時間內計數，按照預先設定的參數，計算出最終表面污染水平，結果可以顯示于LCD上，并可以保存于單片機內部寄存器中，可以通過USB接口讀取上傳到PC機。
中央處理器采用的單片機具有高集成優點，集成了許多外圍硬件電路，從而減少外圍電路的設計以及配置，達到降低了儀器的硬件成本以及體積重量。
中央處理器設計了許多外部設備以實現各項智能化功能，如按鍵處理、LCD顯示設備等。
其中，按鍵處理設備采用了芯片ZLG7290，大大減低了設計成本，并且起到了硬件消除按鍵抖動，提高了系統的穩定性，使得儀器具有智能化、低成本等優點。該芯片是一種I2C接口鍵盤及LED驅動管理器件，提供數據譯碼和循環、移位、段尋址等控制。它可采樣64個按鍵或傳感器，單片機可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。它通過I2C總線同單片機通訊，提供鍵盤中斷，本系統中，ZLG7290的SDA、SCL、INTO分別與μPSD3234單片機的P3.6、P3.7、P3.2相連。
ZLG7290有8個位選和8個段選引腳，可以接64個按鍵，其中包括56個數字鍵和8個功能鍵。56個數字鍵的鍵值分別為1到56。有效的按鍵動作(普通鍵的單擊，連擊和功能鍵狀態變化)，都會使系統寄存器(SystemReg)的KeyAvi位置1，/INT引腳信號有效(變為低電平)。用戶的鍵盤處理程序由/INT引腳低電平中斷觸發，保證系統在對高計數率環境測量時不產生漏計數，同時使人機界面交互順暢。按鍵處理設備電路如圖7所示。
4、USB接口通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是一種新興的計算機外圍串行通信接口標準，它克服了傳統計算機串/并口的缺陷，具有熱插拔、數據傳輸可靠、擴展方便、低成本等優點，已成為計算機必備的接口之一。現在USB接口不僅僅作為計算機外設接口使用，同時也被大量應用于嵌入式系統和單片機系統的設計中，比如集中監控、數據采集系統等。
μPSD3234在片內集成一個USB接口，它支持低速的USB1.1規范，支持端點0(endpoint0)的控制傳輸，以及端點1(endpoint1)、端點2(endpoint2)的中斷IN傳輸。所以，利用μPSD3234的USB接口，將系統設計為支持USB接口的系統，在硬件上已不再需要增加USB的接口器件。
圖8為USB接口電路圖。上拉電阻R16的作用是將USB數據線D-上拉，表示設備為一個USB的低速設備。
整個USB設計簡單明晰，大大減低硬件設計成本，提高設計速度，縮短設計周期，降低了儀器成本及快速傳輸數據。
軟件設計軟件包括PC機端程序和單片機程序PC機端程序是基于WINDOWS操作系統的庫函數，自行開發較少；單片機程序是自主開發的，主要包括主程序和各個子程序，利用C51語言開發出了滿足基本功能的數據處理和分析應用軟件。
其主程序結構如圖9所示。在進行測量過程中步驟如下1、判斷timer0_flag是否為1？
定時中斷標志位為timer0_flag。單片機進行定時計數時，需要高精度的時間控制，才能保證單位時間內計數的準確性。單片機一般通過自身內置的定時器進行定時，當通過定時器進行定時時，需要預先設置定時器初始值，當定時器按照單片機時鐘頻率進行定時到達初始值時將產生中斷，將中斷標志位變為1，中斷標志位變為0，表明定時時間沒有到，將繼續進行脈沖計數。所以，判斷定時中斷標志位為timer0_flag可以準確判斷定時是否到達。
2、定時中斷到，中斷處理程序定時中斷到，說明一次測量過程結束。單片機將自動轉入中斷處理程序，為了實現定時計數的功能。在中斷處理程序中，首先將定時初始值重新設置，其次判斷是否已經測量了預先設置的測量次數，若兩者都滿足了則進入下一個程序。
3、記錄脈沖數程序在測量過程中，需要對計數器記錄的脈沖數進行記錄顯示。計數器將記錄的結果以十六機制寄保存于一個寄存器，該程序功能是讀取該寄存器的內容，并將其中的數據轉換成十進制按照測量次數的順序以及單片機中地址保存于內存數組中，等待計算程序調用。
4、計算單位時間平均脈沖數程序流程圖如圖10。用于計算的原始數據經過上述程序后保存于內存數組中，測量時間、測量次數是預先設置的參數，保存于存儲器中，只需將他們按照地址讀取到內存中，等待程序調用。
加法算法程序是將內存中不同數據數組中的數據通過單片機進行相加運算，結果存放到單片機內存中。
乘法算法程序是將測量次數與測量時間進行相乘，結果存放到單片機內存中。
除法算法程序是將加法算法程序和乘法算法程序得到的結果在單片機中進行除法運算，分子是加法算法程序的結果，分母是乘法算法程序的結果，最后得到單位時間平均脈沖數，保存于單片機內存中。
5、讀取寄存器中預置參數程序，計算表面污染程序流程圖如圖11。用于計算的原始數據經過上述程序后保存于內存中的單位時間平均脈沖數，儀器本底、源效率、探測效率、探測面積是預先設置的參數，保存于存儲器中，只需將他們按照存儲地址讀取到內存中，等待程序調用。
減法算法程序是將單位時間平均脈沖數減去儀器本底，得到測量絕對計數，即測量部位除去環境、儀器本底的實際脈沖數，能夠真正體現表面污染活度。
乘法算法程序是將源效率、探測效率和探測面積進行相乘，結果存放到單片機內存中。
除法算法程序是將減法算法程序和乘法算法程序得到的結果在單片機中進行除法運算，分子是減法算法程序的結果，分母是乘法算法程序的結果，最后得到在單位面積上同效率下的單位時間內的平均脈沖數，用于表示表面污染活度，保存于單片機內存中。
6、保存結果程序該程序主要將單片機計算后保存于內存中的結果保存到單片機內部寄存器中，可以永久保存，斷電也不會失去數據。
單片機內置大容量FLASH存儲器，能夠對測量、分析結果進行存儲。
7、通過USB傳輸結果程序主要對USB設備端的固件程序進行了開發。固件程序編寫是整個USB接口程序中最重要的一部分，是系統的靈魂。固件程序的優劣直接影響到系統的性能和質量。只有開發出優秀的固件程序，才能保證系統穩定高效的工作。主循環函數負責USB設備的初始化和用戶命令的執行工作；標準命令請求和廠商請求部分包括USB設備的各種特性描述，USB主機通過讀取此部分的信息來確定USB設備的身份，并為其配置相應的驅動程序；中斷服務程序負責判別主機發來的命令并且把數據傳輸到緩沖器中以待主循環函數處理；硬件提取底層程序包含了最基本的輸入輸出命令，根據不同命令的要求再發送或讀出不同的數據。因此，可以將每種命令做成函數，用函數實現各個命令，以后直接調用函數即可。
權利要求
1.氚表面污染監測儀，包括探測器(1)、信號獲取模塊(2)和中央處理器(3)，其特征在于探測器(1)為流氣式正比計數器，由金屬罩負極(4)及其內腔(5)中的金屬線或片正極(6)組成，正極(6)與高壓模塊(7)的輸出連接，正極(6)通過信號線與信號獲取模塊(2)的輸入連接，內腔(5)有進氣孔(8)和出氣孔(9)，工作時甲烷氣從進氣孔不斷進入內腔(5)并從出氣孔流出。
2.根據權利要求1所述的監測儀，其特征在于正極(6)為光滑金絲制的環，金絲的直徑為1mm。
3.根據權利要求1所述的監測儀，其特征在于高壓模塊(7)為數字可調集成塊，其可調電壓為0-4500V。
4.根據權利要求1所述的監測儀，其特征在于信號獲取模塊(2)由電荷靈敏放大器(10)、主放大器(11)、脈沖整形電路(12)、脈沖甄別電路(13)，單穩態振蕩器(14)組成，電荷靈敏放大器(10)為集成運算放大器，其輸入接探測器(1)的正極(6)，其輸出接主放大器(11)的輸入，主放大器(11)為串聯的多極集成運算放大器，其輸出接脈沖整形電路(12)的輸入，脈沖整形電路(12)由串聯的多級集成運算放大器組成，其輸出接脈沖甄別電路(13)的輸入，脈沖甄別電路由比較器與電壓分配器組成，其輸出分別與第一、第二單穩態振蕩器(14)的輸入連接，第一單穩態振蕩器的輸出端與第二單穩態振蕩器的復位端連接，第二單穩態振蕩器的輸出與中央處理器(3)連接。
5.根據權利要求1所述的監測儀，其特征在于中央處理器(3)為單片機μPSD3234，其T1腳與信號獲取模塊(2)連接，其P3.6、P3.7、P3.2腳與按鍵芯片ZLG7290的SDA、SCL、INTO腳連接，單片機與液晶顯示器LCD連接，通過USB接口與PC機連接。
6.根據權利要求4所述的監測儀，其特征在于電荷靈敏放大器(10)為芯片LF356，主放大器(11)、脈沖整形電路(12)的集成運算放大器為芯片TL062，脈沖甄別電路(13)的比較器為芯片LM393，第一、第二單穩態振蕩器為芯片MC1458B。
7.氚表面污染監測方法，包括如下步驟(1)預設測量時間、測量次數、儀器本底、源效率、探測效率、探測面積于中央處理器寄存器中，(2)將監測儀的探測器的出氣口對著被測物件的表面、開啟探測器，設置定時器初始值，中央處理器的定時器開始定時計數，(3)定時器按照中央處理器時鐘頻率進行定時，到達初始值時將產生中斷，中斷標志位為1，定時器判斷中斷標志位是否為0，如果是，繼續脈沖計數，保存于寄存器中，直到中斷標志位為1，(4)定時中斷到，定時器將定時初始值重新設計，并判斷是否已經測量了預先設置的測量次數，如果不是，則繼續步驟(3)，如果是則進入下一步驟，(5)讀取寄存器中記錄到的脈沖數，轉換成十進制按照測量次數的順序以及寄存器中地址保存于內存數組中，(6)將存儲器中預置的測量時間，測量次數、按照地址讀取到內存中，將內存中不同數組中的脈沖數據通過中央處理器進行相加運算，保存脈沖數存放于中央處理器內存，(7)將測量次數與測量時間相乘，得總時間數存放于中央處理器內存，(8)將總脈沖數除以總時間數值得單位時間平均脈沖數，存放于中央處理器內存，(9)讀取寄存器中預置參數，將單位時間平均脈沖數減去儀器本底，得測量絕對計數，(10)將源效率，探測效率和探測面積相乘，將結果存放于內存，(11)將測量絕對計數除以步驟(10)中的結果，得氚表面污染活度，保存于寄存器中。
全文摘要
本發明氚表面污染監測儀與監測氚的表面污染水平的裝置有關，解決已有裝置成本高，探測效率低，抗干擾差的問題。本發明包括探測器(1)、信號獲取模塊(2)和中央處理器(3)，探測器(1)為流氣式正比計數器，由金屬罩負極(4)及其內腔(5)中的金屬線或片正極(6)組成，正極(6)與高壓模塊(7)的輸出連接，正極(6)通過信號線與信號獲取模塊(2)的輸入連接，內腔(5)有進氣孔(8)和出氣孔(9)，工作時甲烷氣從進氣孔不斷進入內腔(5)并從出氣孔流出。
文檔編號G01T1/16GK1900742SQ20061002139
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月14日 優先權日2006年7月14日
發明者庹先國, 雷家榮, 高嵩, 成毅, 穆克亮 申請人:成都理工大學, 中國工程物理研究院核物理與化學研究所, 四川先達核測控設備有限公司