α杯测氡仪优化设计

汪栋+++方方+++余松科+++李婷

摘 要：α杯测氡仪利用累积测氡技术来测量土壤氡气含量，以其高探测灵敏度、低本底、低功耗等优点而被广泛应用。但是现有的CD-1型α杯测氡仪工作存在稳定性较差、易受干扰、无法与外部进行通讯等问题。通过对α杯测氡仪中的信号调理模块、微控制器系统、电源管理模块、数据管理系统几个关键部分进行研究分析，对相关模块进行改进以提升仪器在土壤氡测量中的工作性能。

关键词：α杯测氡仪；土壤氡测量；工作性能

引言

土壤氡气作为一种指示性气体广泛应用于铀矿勘查、圈定油气藏边界等领域[1-2]。根据测氡目的、测定场合、测定同位素种类的不同，氡测量方法可以分为三类，即瞬时测量、累积测量和连续测量。CD-1型α杯测氡仪是土壤氡累积测量的重要仪器之一。α杯测氡仪是通过α探杯内吸附的放射性核素放出α射线与空气发生电离、激发，产生大量电子-离子对，在高压电场下离子对定向移动，电离室收集电极产生感应电荷信号。该信号经信号调理模块变换、放大、成形后，最终输出为一个脉冲信号。该脉冲信号输入微控制器系统进行记录，记录的脉冲数目即为核素产生的α粒子数，从而反映土壤氡含量[3]。

在信号处理过程中，由于实际使用环境中干扰和测量要求，需要提高仪器的可靠性、抗干扰性，同时增强仪器的数据处理能力和信息通信功能。通过对α杯测氡仪的各个模块进行分析研究，对相应部分进行优化，提升系统工作性能以满足现场测量的要求。

1 信号调理

采用与CD-1α杯测氡仪相同的探测器-常压空气脉冲电离室，电离室壁加-900V高压，中心电极通过电阻接地，从而在电离室内形成高压电场。α射线使电离室内的空气电离时，电离离子就会被中心电极收集，形成电脉冲信号。由于该信号十分微弱，必须经过低噪声、高放大倍数的放大器将其放大，后续电路才能对其进行分析[4]。

脉冲电离室的输出阻抗高，输出信号幅度小，对信号进行放大采用低噪声、漂移小的集成放大器。放大电路的频带尽量窄，通过有用的脉冲信号，滤掉杂波[5]。

相关参数设置如下。

1.1 通频带

电离室的输出脉冲宽度为数十微秒到上百微秒，按最大宽度τ=0.1ms，设置频带宽度得：Δf=ms=40kHz。

1.2 放大倍数

脉冲电离室输出的信号幅度只有0.1～1mV，放大电路需将信号放大到1～5V方可便于后续电路的分析，设定对信号放大倍数为5000倍，考虑到放大器自身限制，采用两级放大，第一级为100倍，第二级为50倍。

1.3 滤波成型

信号中由于电源纹波和干扰产生的杂波以及信号采集计数的需要，需对信号进行滤波成型处理。该网络采用有源滤波减少信号幅度的损耗，采用S-K低通滤波电路。时间常数设置确保τ=RC=0.1ms。

1.4 甄别电路

甄别器由施密特电路构成，其阈值范围为20mV～5V，它将滤波成型电路输出的类高斯信号通过反相端的电压进行比较，大于20mV的电压幅值将被处理为方波，由于信号电路自身的因素，方波成为斜波，利用下降沿进行计数是可以满足要求的。

信号调理电路是α杯测氡仪的核心部分，在实际应用中会有噪声和本底脉冲的影响会影响测试的准确性，因此在放大电路部分进行滤波、降噪处理，为使电路能够可靠运行在电路设计时尽可能简化电路。

2 电源管理模块

新型α杯测氡仪作为一款便携式仪器，需具备一个性能优良的电源系统，电源系统的性能会直接影响仪器的使用性能。电源电路力求简单、性能优良、耗电省、安全性好、占空间小、重量轻。

根据信号调理电路分析可知系统需要的有+5V主控、-1000V的电离室负高压、+3.3V主控和通信、+9V、-9V的放大电路电源。为达到最优效果，仪器由三节干电池供电，输入共9V。低压模块采用DC-DC电源转换芯片，外围电路简单，转换效率高，功耗低；高压采用高压模块设计，电路简单，体积小，重量轻。

尽可能地保证放大电路的噪声小，在电源部分也要进行滤波，考虑到电路的简化，电源滤波采用微法和纳法电容，一个用于滤掉低频噪声，一个用于滤掉高频噪声。

3 微控制器系统

3.1 系统硬件

系统进行人机交互需具备辅助外设，包括外部输入、显示，另外系统故障报警、检测数据存储、电源管理以及对检测数据上传与下载。根据接口数量选用ATmega128微控制器构成控制系统[6]。其硬件框图如图1所示。

图1 微控制器系统硬件框图

LCD显示采用8位并行通信的12864液晶，用于显示计数结果、软件菜单和实时时钟；实时时钟芯片用DS1302；键盘模块采用4位独立键盘，分别是“上翻”、“下翻”、“确定”、“返回”，配合软件显示菜单完成相关操作；报警电路采用无源蜂鸣器，系统故障采用软件编程完成报警；SD卡用于存储检测结果；USB接口用于内部存储的信息读出。

3.2 系统软件

3.2.1 系统菜单

12864液晶为人机交互主要显示界面。系统菜单可以直观、清晰的进行人机交互。系统菜单如图2所示。

图2 系统菜单示意图

系统菜单基本展示出了系统所具备的功能，数据测量中的单位转化是指脉冲测量和辐射量测量的转化，即脉冲数/分钟与Bq/L的转化。数据查询分为一般查询和键盘配合上翻、下翻；定点查询是通过内部显示和键盘配合选定查询日期，从而缩减查询工作量。系统设置除了时间设置外，还对数据进行管理存储。

3.2.2 数据测量

在系统中，对检测结果用12864液晶进行显示，每十分钟自动清零，或者手动用“返回”键清零，“确定”键用于系统停止计数对测得的数据进行保存，“上翻”或“下翻”是对测量显示结果在脉冲数与辐射量之间进行切换。endprint

辐射量显示的结果是在一分钟内采集到的脉冲信号转化而得的，脉冲量显示是从计数开始时直至自动或手动清零时间内的累积脉冲数。

3.2.3 系统通讯

主要是系统与PC机通过USB接口与PC机进行数据的上传和下载。

3.2.4 数据查询

一般查询是直接通过“上翻”和“下翻”键盘对存储的数据进行查询，主要用于查找近期的测量数据；定点查询是菜单与键盘配合键入日期来查询当时保存的数据。

3.2.5 系统设置

时间设置是用于设定实时时间，便于测量的记录工作；数据设置主要是数据删除和数据存储设置，系统默认为十分钟存一组脉冲数和转化的辐射量数据，用户可根据测量需要自行设定自动存储与否以及存储时间长短。

4 数据管理

系统中数据管理主要针对自动保存或用户保存的时间数据和测量数据的存储和传输。

4.1 数据存储

系统对输入的脉冲进行计数，采用十分钟存一次并清零，或根据用户设定进行保存和清零，并将测得的脉冲数据和转化的辐射量以及此时刻的时间数据进行保存。

方案：将SD卡作为一个大容量的存储卡，存储采集到的数据，然后通过并口转USB接口芯片将SD卡存储器中的数据传输到PC机作进一步处理，满足了现场数据采集，室内数据分析的要求[7]。

4.2 数据传输

USB桥芯片实现USB接口与一个特定的其他接口的转接，在芯片中不但集成了两个接口需要的全部功能，还具备协议处理部件，实现不同接口之间的协议转换。FTDI公司生产的FT245BL是USB并行桥芯片，能够自动实现USB与并行I/O口之间协议的转换，基于该芯片的USB通信模块避开了USB协议的复杂性，非常简便[8]。

5 系统性能测试

5.1 仪器数据标定

实现脉冲数/min与Bq/L之间的转化，需要对脉冲量进行标定。在室内的环境中，使用标准α源杯测试，按照系统默认的存储数据，提取十组，将脉冲量进行标定，经过标定后与读出的辐射量数据一致。标定结果为1Bq/L=20个脉冲数/min，即1个脉冲数/min=0.05Bq/L。

5.2 本底测试

进行本底检查时，保持电离室清洁。按系统默认的存储方式，提取十组数据，结果如表1所示。

结果表明：仪器本底低，符合要求。

5.3 精确度测试

保持测量条件不变，每分钟读一次脉冲数，提取十组数据，计算出计数平均值N以及相对标准误差δ。经计算标准误差13.5，精确度3.8%。结果表明：仪器的精确度符合测量要求。

5.4 稳定性检查

保持测量条件不变，每分钟读一个数，共测量七组数据，每组十个数据，计算出每组的平均值及总平均值A，计算出最大最小值平均值与总平均值的相对偏差Δ。经计算稳定性为2.06%。

6 结束语

一套成熟稳定的α杯测氡系统需要长时间的研究和改进，本研究在原有的CD-1测氡仪的基础上做了进一步改进，在系统的信号调理电路方面进行滤波降噪、抗干扰方面做了一些改进，在增强系统的稳定性和抗干扰方面有一定的提升。为满足现场测量要求，增加了数据标定和存储，减少了现场工作量，提高了工作效率。同时可以通过USB接口读出，对野外土壤氡测量工作提供了很大的便利。

参考文献

[1]陈希泉，陈颉，罗先熔，等.地气（氡气）测量方法寻找隐伏含矿断裂试验[J].物探与化探，2011，35（6）：817-820.

[2]M.I.Al-Jarallah，Fazal-ur-Rehman，Khalid Abdalla.Comparative study of short and long term indoor radon measurements[J].Radiation measurements.2008.43（1）：471-474.

[3]方方，贾文懿.杯法测氡原理及应用[J].物探与化探，1998，6：191-198.

[4]张国华，方方，耿波.KZ-D02F型电离室α测氡仪的研制[J].核电子学与探测技术，2005，11：138-142.

[5]李丹.常压空气网栅脉冲电离室型测氡仪的设计与实现[D].成都理工大学，2010.

[6]陈丽莉，黄运生，陈学.基于ATmega128的异步电机数字化变频调速系统[J].自动化技术与应用，2007，101-103.

[7]苏义鑫，程敏，何力.基于AT89C52单片机的SD卡读写设计[J].设计应用，2008，5：65-68.

[8]刘建，武树飞.基于FT232BL的USB接口快速设计[J].舰船电子工程，2009，6：51-54.

作者简介：汪栋（1990-），男，湖北咸宁人，硕士研究生，研究方向：核探测技术与辐射防护。endprint

辐射量显示的结果是在一分钟内采集到的脉冲信号转化而得的，脉冲量显示是从计数开始时直至自动或手动清零时间内的累积脉冲数。

3.2.3 系统通讯

主要是系统与PC机通过USB接口与PC机进行数据的上传和下载。

3.2.4 数据查询

一般查询是直接通过“上翻”和“下翻”键盘对存储的数据进行查询，主要用于查找近期的测量数据；定点查询是菜单与键盘配合键入日期来查询当时保存的数据。

3.2.5 系统设置

时间设置是用于设定实时时间，便于测量的记录工作；数据设置主要是数据删除和数据存储设置，系统默认为十分钟存一组脉冲数和转化的辐射量数据，用户可根据测量需要自行设定自动存储与否以及存储时间长短。

4 数据管理

系统中数据管理主要针对自动保存或用户保存的时间数据和测量数据的存储和传输。

4.1 数据存储

系统对输入的脉冲进行计数，采用十分钟存一次并清零，或根据用户设定进行保存和清零，并将测得的脉冲数据和转化的辐射量以及此时刻的时间数据进行保存。

方案：将SD卡作为一个大容量的存储卡，存储采集到的数据，然后通过并口转USB接口芯片将SD卡存储器中的数据传输到PC机作进一步处理，满足了现场数据采集，室内数据分析的要求[7]。

4.2 数据传输

USB桥芯片实现USB接口与一个特定的其他接口的转接，在芯片中不但集成了两个接口需要的全部功能，还具备协议处理部件，实现不同接口之间的协议转换。FTDI公司生产的FT245BL是USB并行桥芯片，能够自动实现USB与并行I/O口之间协议的转换，基于该芯片的USB通信模块避开了USB协议的复杂性，非常简便[8]。

5 系统性能测试

5.1 仪器数据标定

实现脉冲数/min与Bq/L之间的转化，需要对脉冲量进行标定。在室内的环境中，使用标准α源杯测试，按照系统默认的存储数据，提取十组，将脉冲量进行标定，经过标定后与读出的辐射量数据一致。标定结果为1Bq/L=20个脉冲数/min，即1个脉冲数/min=0.05Bq/L。

5.2 本底测试

进行本底检查时，保持电离室清洁。按系统默认的存储方式，提取十组数据，结果如表1所示。

结果表明：仪器本底低，符合要求。

5.3 精确度测试

保持测量条件不变，每分钟读一次脉冲数，提取十组数据，计算出计数平均值N以及相对标准误差δ。经计算标准误差13.5，精确度3.8%。结果表明：仪器的精确度符合测量要求。

5.4 稳定性检查

保持测量条件不变，每分钟读一个数，共测量七组数据，每组十个数据，计算出每组的平均值及总平均值A，计算出最大最小值平均值与总平均值的相对偏差Δ。经计算稳定性为2.06%。

6 结束语

一套成熟稳定的α杯测氡系统需要长时间的研究和改进，本研究在原有的CD-1测氡仪的基础上做了进一步改进，在系统的信号调理电路方面进行滤波降噪、抗干扰方面做了一些改进，在增强系统的稳定性和抗干扰方面有一定的提升。为满足现场测量要求，增加了数据标定和存储，减少了现场工作量，提高了工作效率。同时可以通过USB接口读出，对野外土壤氡测量工作提供了很大的便利。

参考文献

[1]陈希泉，陈颉，罗先熔，等.地气（氡气）测量方法寻找隐伏含矿断裂试验[J].物探与化探，2011，35（6）：817-820.

[2]M.I.Al-Jarallah，Fazal-ur-Rehman，Khalid Abdalla.Comparative study of short and long term indoor radon measurements[J].Radiation measurements.2008.43（1）：471-474.

[3]方方，贾文懿.杯法测氡原理及应用[J].物探与化探，1998，6：191-198.

[4]张国华，方方，耿波.KZ-D02F型电离室α测氡仪的研制[J].核电子学与探测技术，2005，11：138-142.

[5]李丹.常压空气网栅脉冲电离室型测氡仪的设计与实现[D].成都理工大学，2010.

[6]陈丽莉，黄运生，陈学.基于ATmega128的异步电机数字化变频调速系统[J].自动化技术与应用，2007，101-103.

[7]苏义鑫，程敏，何力.基于AT89C52单片机的SD卡读写设计[J].设计应用，2008，5：65-68.

[8]刘建，武树飞.基于FT232BL的USB接口快速设计[J].舰船电子工程，2009，6：51-54.

作者简介：汪栋（1990-），男，湖北咸宁人，硕士研究生，研究方向：核探测技术与辐射防护。endprint

辐射量显示的结果是在一分钟内采集到的脉冲信号转化而得的，脉冲量显示是从计数开始时直至自动或手动清零时间内的累积脉冲数。

3.2.3 系统通讯

主要是系统与PC机通过USB接口与PC机进行数据的上传和下载。

3.2.4 数据查询

一般查询是直接通过“上翻”和“下翻”键盘对存储的数据进行查询，主要用于查找近期的测量数据；定点查询是菜单与键盘配合键入日期来查询当时保存的数据。

3.2.5 系统设置

时间设置是用于设定实时时间，便于测量的记录工作；数据设置主要是数据删除和数据存储设置，系统默认为十分钟存一组脉冲数和转化的辐射量数据，用户可根据测量需要自行设定自动存储与否以及存储时间长短。

4 数据管理

系统中数据管理主要针对自动保存或用户保存的时间数据和测量数据的存储和传输。

4.1 数据存储

系统对输入的脉冲进行计数，采用十分钟存一次并清零，或根据用户设定进行保存和清零，并将测得的脉冲数据和转化的辐射量以及此时刻的时间数据进行保存。

方案：将SD卡作为一个大容量的存储卡，存储采集到的数据，然后通过并口转USB接口芯片将SD卡存储器中的数据传输到PC机作进一步处理，满足了现场数据采集，室内数据分析的要求[7]。

4.2 数据传输

USB桥芯片实现USB接口与一个特定的其他接口的转接，在芯片中不但集成了两个接口需要的全部功能，还具备协议处理部件，实现不同接口之间的协议转换。FTDI公司生产的FT245BL是USB并行桥芯片，能够自动实现USB与并行I/O口之间协议的转换，基于该芯片的USB通信模块避开了USB协议的复杂性，非常简便[8]。

5 系统性能测试

5.1 仪器数据标定

实现脉冲数/min与Bq/L之间的转化，需要对脉冲量进行标定。在室内的环境中，使用标准α源杯测试，按照系统默认的存储数据，提取十组，将脉冲量进行标定，经过标定后与读出的辐射量数据一致。标定结果为1Bq/L=20个脉冲数/min，即1个脉冲数/min=0.05Bq/L。

5.2 本底测试

进行本底检查时，保持电离室清洁。按系统默认的存储方式，提取十组数据，结果如表1所示。

结果表明：仪器本底低，符合要求。

5.3 精确度测试

保持测量条件不变，每分钟读一次脉冲数，提取十组数据，计算出计数平均值N以及相对标准误差δ。经计算标准误差13.5，精确度3.8%。结果表明：仪器的精确度符合测量要求。

5.4 稳定性检查

保持测量条件不变，每分钟读一个数，共测量七组数据，每组十个数据，计算出每组的平均值及总平均值A，计算出最大最小值平均值与总平均值的相对偏差Δ。经计算稳定性为2.06%。

6 结束语

一套成熟稳定的α杯测氡系统需要长时间的研究和改进，本研究在原有的CD-1测氡仪的基础上做了进一步改进，在系统的信号调理电路方面进行滤波降噪、抗干扰方面做了一些改进，在增强系统的稳定性和抗干扰方面有一定的提升。为满足现场测量要求，增加了数据标定和存储，减少了现场工作量，提高了工作效率。同时可以通过USB接口读出，对野外土壤氡测量工作提供了很大的便利。

参考文献

[1]陈希泉，陈颉，罗先熔，等.地气（氡气）测量方法寻找隐伏含矿断裂试验[J].物探与化探，2011，35（6）：817-820.

[2]M.I.Al-Jarallah，Fazal-ur-Rehman，Khalid Abdalla.Comparative study of short and long term indoor radon measurements[J].Radiation measurements.2008.43（1）：471-474.

[3]方方，贾文懿.杯法测氡原理及应用[J].物探与化探，1998，6：191-198.

[4]张国华，方方，耿波.KZ-D02F型电离室α测氡仪的研制[J].核电子学与探测技术，2005，11：138-142.

[5]李丹.常压空气网栅脉冲电离室型测氡仪的设计与实现[D].成都理工大学，2010.

[6]陈丽莉，黄运生，陈学.基于ATmega128的异步电机数字化变频调速系统[J].自动化技术与应用，2007，101-103.

[7]苏义鑫，程敏，何力.基于AT89C52单片机的SD卡读写设计[J].设计应用，2008，5：65-68.

[8]刘建，武树飞.基于FT232BL的USB接口快速设计[J].舰船电子工程，2009，6：51-54.

作者简介：汪栋（1990-），男，湖北咸宁人，硕士研究生，研究方向：核探测技术与辐射防护。endprint