一款在线式γ辐射监测仪

孙天澳 龚亚林 宫再晨

（丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118009）

0 引言

γ射线是一种基于原子核的衰变而被释放的电磁辐射，是最为关注的辐射之一。它具有极强的穿透力，照射后会对生物体产生比较严重的损伤。在有射线的场合放置γ辐射监测仪进行在线、实时监测，既能保障辐射监测的科学性、合理性，又能严格控制检测人员的受照[1]，保障工作人员的生命健康安全。

1 原理

γ剂量监测原理：射线进入闪烁体后，激发闪烁体，将能量留在闪烁体内，使闪烁体发生电离并发出荧光。荧光被光电倍增管收集到光阴极，经过内部的倍增加速后产生光电子。光电子从阳极输出，变成电脉冲信号。电脉冲的幅值决定了是哪种射线，电脉冲的数量决定了射线的能量多少，因此可测量出入射γ射线的能量值，如公式（1）所示。

公式（1）中，n=K1PL3q/hv=N/E，是入射粒子单位能量产生的光电子数；€为光电转换率。

2 产品特点

测量时间短，响应速度快，每一秒更新一次数据，能实时、在线且连续不间断测量；测量精度高，误报警率低；具有无线通信及RS-485通信功能，将测量数据传送至远程终端显示；Wi-Fi通信方式下，搭配辐射监测管理平台使用，最多可实现24台设备同时采集管理；测量能量范围宽，能更好满足客户需求；人机互动界面清晰，操作简单，可随时修改设置参数，且能实时显示及上传测量结果。

3 用途

本次设计的γ辐射监测仪可以应用的场所如下：1）用于自然环境以及工业环境中γ射线的辐射环境监测。2）用于放射源和射线装置使用单位监测γ射线。3）用于边境、海关等对进、出口物品的γ射线的监测。4）用于矿物质含γ射线的监测。5）用于环保部门监测环境本底情况、无损检测装置是否有辐射泄露以及核电站附近居民环境本底测量。

4 设计思想

γ射线剂量监测是利用探测器的光电效应收集γ射线，射线数量与剂量值成正比关系。单位时间内采集到射线数量的多、少反映了剂量值大、小，控制芯片接收与阈值比较后的脉冲信号，将经过试验标定得到的参数进行计算，得出实际的剂量值，最后用公式计算其是否超过设定的限制值。γ辐射的报警系统采用声光双重警示系统，超过预设的限值则按超标判断。通过主控制器的程序向led灯发送低电平信号，外壳上的警示灯会不断闪烁，同时屏幕中自带的蜂鸣器会一秒鸣叫一次，直到报警解除，使人在视觉和听觉上都能感知到有危险，达到快速报警的目的。通过设备自带的屏幕显示实时计数与剂量，同时可以通过485通讯或Wi-Fi无线通信与上位机连接显示，远程查看工作场所的实时射线剂量数据，还可以远程操作改变报警的限值。

γ辐射监测仪所要解决的问题是在有γ辐射的环境中，避免剂量超标对人造成伤害。当人员进入或正在此环境中工作时，一旦γ剂量超过人体可以接受的辐射剂量，必将对人体造成伤害。所以γ辐射监测仪要实时监测此环境中的γ剂量变化，一旦剂量超标马上报警，提醒人员尽快撤离或暂时不要靠近[2]。

由于此款γ辐射监测仪可以在线监测，并能自动完成测量工作，人员的劳动强度几乎为零，因此可以真正实现无人值守。也由于减轻了工人的劳动强度，解放了劳动力，因此也降低了企业人力资源成本。

物联网技术越来越发达，也越来越方便，机器与机器、机器与人、人与人的互联互通变得简单，一款手机APP就可以远程控制其他关联的设备。γ辐射监测仪自带Wi-Fi模块，联网后就可以通过手机软件更改参数设置，随时随地了解工作现场的情况，最大程度地保障人员的安全。γ辐射监测仪工作原理框图如图1所示。

5 电路设计

本次γ辐射监测仪的硬件电路设计包括供电电源电路、高压分压电路、前置放大电路以及CPU控制电路。

5.1 供电电路设计

供电电源主要由可以产生0 V～1 500 V可调高压的高压电路、产生+3.3 V、+2.5 V、+5 V和-5 V的低压电路组成，高压电路选用MMA1.5N1VP2.5VMLS型高压模块，0 V～2.5 V电压控制产生0 V～1 500 V可调高压，它具有体积小、低纹波、高稳定性、低温漂、六面屏蔽低噪声以及抗震性好的优点。

5.2 分压电路设计

分压电路采用电阻分压的方式，其结构简单。由多个电阻组成，电阻的电压分配比例按照所选光电倍增管的资料进行设置，将高压按比例分成不同的电压值，为光电倍增管逐级提供所需电压，以满足光电倍增管的每级电压要求。

5.3 放大电路设计

光电倍增管倍增后输出的信号小，为了满足测试要求，需要将其放大一定倍数，进而满足输出信号可测量的目的。前置放大电路按照2次反向放大设计，将信号反向后，调整放大倍数。被放大的脉冲电信号经过处理后与设定好的比较阈值进行比较，产生用来表示辐射剂量的信号波形，该波形经过处理后送到CPU进行计数。

5.4 CPU控制电路设计

CPU控制电路的作用有如下几点：1）处理比较器输入的脉冲波形，对脉冲进行计数，进而获得剂量趋势。2）负责超限值报警，当计数值超过设定的报警计数上线时，下发报警指令，为系统提供报警服务。3）为高压模块提供可调输入电压控制电压，并接收高压模块用来反映真实输出电压的反馈电压。4）为信号处理提供比较用的阈值。5）与上位机通信，控制屏幕显示数据。

CPU控制电路处理脉冲比较器输出的数字信号，通过计数统计出满足预设条件的脉冲数量，输出给显示部分，判断该计数是否达到预设的报警计数，决定是否输出报警信号。同时需要通过接收到的高压反馈信号判断是否满足预设的值，并进行DA处理，输出电压，控制高压电源的输出。

CPU控 制 芯 片 选 择ARM373系 列STM32F373R8T6型，它是一款32位64 kB闪存ARM Cortex-M4微控制器单元，提供数字信号处理和浮点单元。1个快速12位ADC、2个DAC、1个低功耗RTC、9个 通用6位定时器、2个通用32位定时器以及3个基本定时器，高级和标准的通信接口，结合高速嵌入式存储器、范围广泛的增强型I/O口和连接到2条APB总线的外围设备，电源电压在2V～3.6V，工作温度为-40 ℃～85 ℃。CPU控制系统原理框图如图2所示。

6 程序设计

在Keil uVision5软件环境下编写程序。该软件操作简单，程序简单易懂，模块可移植性强，符合此次控制程序编写的需求。该程序为γ辐射监测的整体运行提供了支撑，定义了γ辐射监测仪的剂量监测方法、与外界通信的接口信息、报警条件和现象以及控制方法等。程序包括485串口通信模块、Wi-Fi无线通信模块、计时模块、计数模块、AD转换模块、DA转换模块、显示模块和报警模块，每一个模块都是独立的个体，可移植。

主函数控制整个软件的执行顺序。程序从主函数开始执行。主函数先对各个模块进行初始化设置，保证系统开始正常运行。当一切正常后，主程序开始按照要求进行信号的采集和处理、模数与数模转换、报警显示以及与外部进行通信。

系统定时器用来给其他函数模块一个基准时钟参考。系统时钟设置为每10 μs产生一个中断，通过延时若干个中断得到需要的时间。模块包括系统定时器初始化函数和延时函数。数字信号转换成模拟信号，利用CPU自带的DAC模块输出，将对应DAC的管脚配置成信号输入模式。在CPU输出端设置输出的模拟信号控制高压模块输出高压值，同样的原理输出比较器的基准电压值。模块包括DAC初始化函数和数字信号输出函数。模拟信号转换成数字信号模块，将高压模块反馈的模拟信号转换成数字信号，通过CPU自带的ADC模块进行相应配置，读取模拟信号。经过处理转换成数字信号后，通过串口通信发送到上位机进行显示。模块包括ADC初始化函数、AD转换函数和发送显示部分。

计数模块是在CPU系统计时器的基准上运用通用定时器来规定时间中断计数的，单位时间内的个数用来表征辐射的剂量趋势。此模块包括中断优先级配置函数、秒函数和计数模式配置函数，同时技术函数中包括报警和显示语句。

通信包括在2个模块中，一个是USART串口通信模块，另一个是GPIO配置管脚模块,。USART串口通信模块包括串口的发送接收定义函数、中断初始化函数，GPIO配置管脚模块包括I/O口配置初始化。系统主程序流程图如图3所示。

7 探测器选择

该设计选择5.08 cm（即2英寸）的NaI闪烁体与CR105型光电倍增管组成探测器。NaI闪烁体进行射线的能量激发与收集，光电倍增管加速粒子，经过内部的粒子运动输出电脉冲。光电倍增管的选择关系到射线被采集的效率，该设计选择的是接触面尺寸与闪烁体尺寸一致或接近、光谱响应波长范围包括闪烁体发光峰波长且体积适中的CR105型管。分压器按照光电倍增管的特性设计，能与高压分压电路配合达到最好的效果。

8 外壳设计

外壳要考虑实用、美观的双重效果，该文在外观及功能上做了充分设计，申请并获得了外观设计专利，专利号为ZL 2020 3 0404787.4，证书号为第6379783号。外壳要考虑实用、美观的双重效果，该文在外观及功能上做了充分设计，申请并获得了外观设计专利，专利号为ZL 202030404787.4，证书号为第6379783号。在线式γ辐射监测仪设计考虑了安装位置的问题，设计了安装架，实现了可手持和可悬挂。外壳结构设计包括2个部分。设计最外面的机械外壳时，该文先对壁厚和材质进行选择。考虑要保证产品的稳定性，壁厚尽量小，结构尽量简单稳定。并采用铝合金材质，表面进行氧化处理。铝合金本色搭配少量的蓝色氧化后，有清新整洁的效果；流线形的设计小巧精致，圆形套筒搭配不规则矩形，既有立体感，又不会显得笨重；电源线接口在尾端，既能满足功能要求，又不影响美观；显示屏设计在矩形面上方，蓝色屏幕固定盖与屏幕搭配，屏幕点亮后格外明亮。该文的设计不仅轻便、好安装，还节约成本，样子美观。同时，外壳功能设计是按照IP65等级进行设计的，在保证结构稳固的条件下，还进行了防水、防尘等保护。触摸屏和触摸屏集成压盖防水保护，并采用O型圈进行密封。内部元器件含有易碎部件，而且需要与电路板直接接触。因此该文采用聚四氟乙烯材质设计了一个内筒，包裹住电路板以及探测器，起到了防震保护作用。

9 安全设计

对硬件电路进行降额设计、热设计和EMC设计。降额设计主要是针对电路中的滤波钽电容，按照70%电压降额标准降额，电阻按70%功率降额标准降额，电源芯片使用功率80%降额。对内部电路板采用模块化分体设计，用插针排连接，可以迅速拆装维修更换。每块电路板都印有相关标示，操作人员可以清楚地分辨哪块电路板有高压危险，保障维护、维修人员的生命安全。

10 试验数据

外购一款标准γ环境辐射监测仪作为鉴定样机，研发γ辐射监测仪样机进行对比试验，得到数据见表1。

表1 剂量测试对比表

图4为研发γ辐射监测仪样机与标准γ环境辐射监测仪经对比实验得出的拟合曲线图，该图表明，两款监测仪测量精度相当，此次自主研发的γ辐射监测仪能够满足环境中γ辐射监测的要求。

11 结语

与传统γ辐射监测仪相比，该文设计的γ辐射监测仪的优势是满足了监测γ射线的精准度要求，还实现了实时、在线和连续监测，满足了用户持续监测的需求，可以适应更多场合，具有更好的市场优势。