（测试计量技术及仪器专业论文）便携式连续测氡仪的研制.pdf

摘要 空气中氡对人体健康的影响已经引起广泛关注，对氡的测量和控制是多个 学科共同关心的问题，然而，准确测量氡是采取防护措施的前提。 论文的主要研究成果是在分析测氡仪的国内外现状的基础上，结合现场测 量空气中氡的特点，利用了氡在空气中的扩散理论设计出新型的便携式连续测 氡仪。具体工作是对它的各个组成部分进行了系统的研究，并对系统的整体性 能进行测试分析。 论文对本次研制的便携式连续测氡仪的测量原理、系统结构和系统性能作 了详细的论述。本测氡仪采用的测量原理是通过测量扩散进入仪器内的氡的衰 交子体的放射性来间接测量环境空气中氡的浓度。系统由电源、n 探测器、电 荷灵敏前置放大器、主放大器、峰值展宽电路、模数转换器、c 8 0 5 1 f 0 2 3 微控 制器、液晶显示、键盘、r s 一2 3 2 通信电路、实时时钟、微型打印机接口等部分 组成，具有便携式、低功耗等特点，实现了现场处理分析、现场打印等功能。 并且软件设计结构化，使得操作简便和人机交互友好。 最后采用非恒定浓度的测氡仪器标定方法对研制的仪器进行标定，分析了 仪器的一些性能指标。从而，验证了本设计方案是可行和实用的。 关键词：测氡仪，a 探测器，扩散，微控制器，现场打印 a b s t r a c t 田l ee f f e c to fr a d o ni n a i ro nh u m a nh e a l t hh a sb e e np a i dw i d ea t t e n t i o n t h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fr a d o ni n v o l v e sm a n yd i f f e r e n ts u b j e c t s ，h o w e v e r , t o m e a s u r er a d o n p r e c i s e l yi st h ep r e c o n d i t i o n t om a k ed e f e n s em e a s u r e s t h cp o r t a b l ec o n t i n u i n gi n s t r u m e n ti st h ef r u i to ft h i ss t u d y w h i c hi sb a s e do n t h et h e o r yo fr a d o nd i f f u s i n gi nt h ea t m o s p h e r e m o r e o v e rt h e i n s t r u m e n ti sb u i l to n t h ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a la n df o r e i g ns t a t eo fr a d o ni n s t r u m e n ta n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm e a s u r i n gr a d o ni na i ro nf i e l d t h ed e t a i l e dw o r ki st h er e s e a r c h o fi t sc o m p o n e n t sa n dt e s ta n a l y s i so fi n t e g r a ls y s t e mp e r f o r m a n c e t h i st h e s i sd i s c u s s e sp r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n t ，s y s t e ms t r u c t u r ea n ds y s t e m p e r f o r m a n c eo ft h ep o r t a b l ei n s t n t m e n tf o rr a d o nm e a s u r e m e n ti nd e t a i l 。t h e p r i n c i p l e o ft h i si n s t r u m e n ti st h a tt h r o u g ht h em e a s u r e m e n to fr a d i a t i o no f p r o g e n i e so fr a d o nt h a td i f f u s e si n t ot h ei n s t r u m e n tt h er a d o nc o n c e n t r a t i o ni na i ri s i n d i r e c t l ym e a s u r e d n es y s t e mc o n t a i n sp o w e rs u p p l y , c td e t e c t o r , e l e c t r i cc h a r g e s e n s i t i v ef o r w a r da m p l i f i e r , m a i na m p l i f i e r , p e a kh o l dc i r c u i t , a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r , m i c r o - c o n t r o l l e rc 8 0 5 1 鞠，i c d ，k e y b o a r d , r s - 2 3 2c o m m u n i c a t i o n c i r c u i t , r e a b t i m ec l o c k ，p r i n t e ri n t e r f a c ea n ds oo n t h i si n s t r u m e n ti sp o r t a b l ea n d l o w - p o w e ra n dc a nm a k ef i e l da n a l y s i sa n df i e l dp r i n t 。i t ss o f t w a r ei sd e s i g n e d s t r u c t u r a l l y , t h u st h eo p e r a t i o no ft h ei n s t r u m e n ti se a s ya n df r i e n d l y f i n a l l y , u s i n g t h em e t h o do f c a l i b r a t i n g i n s t r u m e n ti nav a r i a t i o n a l c o n c e n t r a t i o nc a l i b r a t e st h i si n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t h ep e r f o r m a n c eo f t h e i n s t r u m e n ti sa n a l y z e d t h e r e f o r et h ef e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t yo ft h i sp r o j e c ti s p r o v e d k e y w o r d s ：i n s t r u m e n tf o rr a d o nm e a s u r e m e n t ，诺d e t e c t o r , d i f f u s e n e s s ， m i c r o - c o n t r o l l e r , f i e l dp r i n t l i 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 1 1 1 氡及其危害 自然界中的氡的天然放射性同位素有2 ”r n 、。r n 、2 ”r n ，它们分别来源于铀 系( 铀一2 3 8 ) 、钍系( 铀一2 3 2 ) 、锕系( 铀一2 3 5 ) 。铀系和钍系都在自然界中广泛 存在，由它们衰变出来的2 絮n 、2 ”r n 的半衰期分别是3 8 5 天和5 5 6 秒。由于 2 t u r n 的半衰期短，地壳中产生的2 ”r n 只有很少一部分能释放到大气中，而且释 放出来的”r n 很快衰变，因此大气中的8 r n 含量仅占2 r n 含量的十分之一以 下。铀一2 3 5 在自然界中含量很少，仅占铀- 2 3 8 含量的0 3 2 ，而且由它衰变 产生的“h 的半衰期更短，只有3 9 6 秒，因此大气中几乎显不出它的存在0 2 u r n 的半衰期较长，是低层大气中天然放射性的主要成分“1 。 氡是在1 9 2 4 年被人发现，直到2 0 世纪7 0 年代，人们才进一步注意到它的 危害。英国有学者甚至认为氡对人体的危害比切尔诺贝利核电站事故还严熏。 联合国辐射效应科学委员会指出，在人们接受天然辐射剂量中的5 0 以上来自 于氡及其子体的贡献。世界卫生组织国际癌症研究中心也验证了，氡是当前人 类认知的1 9 种最重要的致癌物质之一，环境中的氡已经成为除吸烟外导致肺癌 的第二因素。美国环境保护局( e p a ) 决定2 0 0 2 年1 月定为全国氡行动月( n r a m ) ， 此举是对连续1 2 年的全国氡行动周的改进和加强。从1 9 9 0 年开始，美国已经 把氡污染作为一个比较严重的健康问题提出，并采用国家氡行动周的形式向公 众进行室内氡危害的宣传，以引导国民采取防护措旌，尽可能减小氡的危害。1 。 我国政府同样重视氡的危害和防护。1 9 9 4 年4 月1 日开始实旋环境空气 中氡的标准测量方法( 中华人民共和国国家标准g b t 1 4 5 8 2 1 9 9 3 ) ：1 9 9 5 年又制定了住房内氡浓度控制标准( 中华人民共和国标准g b t 1 6 1 4 6 1 9 9 5 ) ；2 0 0 1 年制定民用建筑工程室内环境污染控制规范( 中华人民共和 国标准g b t 5 0 3 2 5 2 0 0 1 ) ；2 0 0 3 年1 0 月1 日起，我国正式施行放射性污 染防治法。 1 1 2 研究意义 氡的放射性污染作为一种比较敏感的环境污染，己成为社会所面临的最为 成都瑾工大学硕士学位论文 严燕的问题之一。而且对氡及其子体的测景和控制已经是多个学科共同关心的 问题。准确测量氡及其子体是采取防护措施鲍蘸提。 为此，近年来鋈内外各种环境测氡仪器不断涌现，它们针对不同豹应用场 合，采用了各种各样的方法。本论文依托予以下课题开展了用于测撤空气中氡 的测量仪器的研制工作： ( 1 ) 氧气检测标准装羲研究( 嚣家质燕监督检验检疫总局) ； ( 2 ) 环境辐射检测系统研究( 贵阳市科技局重大科技项目) ； ( 3 ) 用于工业检测的核仪器产业化开发( 四川省商新技术成果转化重点实 施项曩) 。 1 2 研究现状 氧气魏测纛是一个涉及孩科学、核技零、毫予鼓术、诗算撬技术、地球稳 学和环境科学等多学科领域的复杂问题。为深入研究氡及其子体的有关理论、 测最方法技术、测量仪器设备，国家有关都委及各省市多次立项，把氡气测量 理论研究以及餐类测氡仪器的研制作为重黉课题。 1 2 1 测量方法和分类 嚣前使用购仪器的溅薰方法较多，存双滤膜法、瓣烁法、气球法、活性炭 吸附法、霹体饪迹蚀剽法、静电收集法等，很难按一个标准对其进行分类。以 下简单介绍一下按不同分类办法的分类情况阻”： ( 1 ) 按照测量场合的不同来分类。分为壤中氡的测量、空气中氡的测 景、永中氡的测量三类，其中每类又包括多种方法。 ( 2 ) 根据氡气测量的目的不同，所采取的方法也不同。利用测氡来探寻铀 矿床、找石油、预报地震等，与环境中或窳内氡的测定，所采用的方法就有所 不羯。 ( 3 ) 按照测定同位素种类的不同来分类。直接测量氧气本身、还是间接地 测量氡的子体的放射性。 ( 4 ) 根据采样方式不瞬来分类。可以抽取部分大气( 或水中气、壤中气) 即所谓“抓取”来测定，或者可以采用无源式( 被动式) 等待氡气扩散到探测 器上并累积一段时间后进行测量分析。 2 第1 章前言 1 2 2 几种常见的测氡仪的简要介绍 ( 1 ) f d 3 0 1 7 瞬时澳氡仪 在我国目前，环境监测和地质调查用的较普遍的瞬时测氡仪器，是中国核 工业总公司上海电予仪器厂研制的f d 3 0 1 7 r a a 瞬时测氡仪。1 。它是通过加负高 嚣到金j 蓐片以收集氡豹子体p , a h ( 2 8 p o ) ，然后用金硅灏垒半导体探测器测量金 属片上r a h 的放射性强度，其强度和氡气的浓度成正比，据此确定氡气的浓度。 它的特点是，把氡的第一代嶷变子体r a h 作为测量对象，对土壤、空气以及水 中氡气浓度进簿定量测量，不存在探测器污染和射气的干扰影响，现场获取结 果“”。但是f d 3 0 1 7 r a a 濑f 氡仪对空气检测灵敏度不离，效果不太好，不适合作 为环境空气普查使用。 ( 2 ) m o d e l l 0 2 7 型连续测氡仪 在珏境空气捡溯方匿，典型的仪器是遂过美豳环保简( e p a ) 认证的 m o d e l l 0 2 7 型连续测氡仪，憝经美国环保局批准使用专业性的长时间连续测氡 仪”。m o d e l l 0 2 7 测量室内氡的含量，置予需要检测的地方一段较长时间( 一至 掰夭) ，空气中的氡及其予体衰变产生的带正电孩素和a 粒子扩散进入仪器内的 探测器，测出相对应盼氡浓度。它利用扩散式光电传感器来监铡氡的浓度，并 把数据存储下来，根据需幕打印监测报告单或下载到计算机中去。 探测结果w 实时在l e d 屏幕读出，包括该时段的平均氡浓度值或当前浓度 镶。仪器使用直流电源，包禽9 v 电池，即使断电也提供数据备份。仪器无更换 部件，只需清除内存就可再次使用。 m o d e l l 0 2 7 连续测氡仪的优点是体积小巧( 重0 9 k g ) ，操作简便( 两个按 键藏实现了所有操诈) ，非常适合器室空气艇测、环境普粪等。冀缺陷是对壤中 氡气、水中氡气的捡铡显得无能为力。 ( 3 ) r a d 7 氡气连续监测器 r a d 7 氡气逑续监测器是美国产的便携式氡监测器，其工作原理是用静电法 弓| 导氡的衰变子体，再傲相应盼a 能谱分板“”。内部样品整是一个0 ，7 l 的半球， 半球的内部涂层为电导体，在球的中心是固态离子植入硅。探测器。2 0 0 0 2 5 0 0 v 的高压在整个腔体中彤成一个高压电场，使得礁离子被收集到探测器的 表面。仪器为主动式测量，肉嚣流量率标准癯1 l m i n 的气泵( 在进气口) ，和 胶体及气管组成个密封性能良好的进出气系统。 r a d 7 便携式测氡仪既可以用来连续监测氡气，也可以用来长时间或短时间 的氡水平的筛选，以及用抽吸管( 吸嘴) 搜寻氡气与钍气的涌入口，仪器的存 储褰量缀多，霹班存储1 0 0 0 个测量数据。其备r s - 2 3 2 接口供连接计算机。蘸 成都理工大学硕士学位论文 行l c d 显示，方便读取。配鼹打印机和红外线传输接口，可以实时打印数据能 谱、测量结果秘分板结果。 在连续监测方式时，测氯箍圈宽，灵敏度很高，可以达到0 1 2 0 0 0 c i p c i l 。 r a d 7 可以在1 个小时内测到茭国环保局( e p a ) 规定的干预水平4 p c i l ，其标 准偏差为1 0 ，由于r a d 7 实际上没有本底，所以它要比任何其它的电子式探 测器要灵敏，鞠可以缀容易地澜到0 。l p c i l 的低水平錾浓度值。 r a d 7 在受到高浓度氡的污染后，以3 0 5 分钟为半嶷期进行恢复，即在1 2 分钟内降到测量值的1 0 ，在3 0 分钟内降至l 以下。从2 0 0 0 0 p c i l 降至 l p c i l 只需l 小封。r a d 7 的半导体探测器能够区分不网能量豹d 粒予，致此区 分氡及其予体。 ( 4 ) d o s e m a n 测氡仪 氧气体经过个膜片扩散到测量室，在测量室内的半导体探测器将探铡到 2 ”鬏n 及其子俸2 攀。和8 4 p o 。该仪器有两耱稔溅模式“”，“缓慢模式”霹戮跌”壤n 、 “8 p o 和“p o 的计数值计算出氨气的浓度；“快速模式”不测量“p o ，其响应时 间相应缩短，可以快速得出氡气的浓度值。氡气辐射剂摄的计算是熬于平衡因 予和剂量系数，这嚣个参数楚可以改变的，以便适应不同环境条佟下瓣剡量计 算。检测范围大，在3 。7 8 q 舻至4 m b q m 3 之间，可以应用于辐射强的地区，如 梭电站和矿山。用户可以根据需要进行参数设置，实瑰氡气的系统监测。 d o s e m a n 测氡仪可以进行超长时间工作，一次充电w 以连续使用3 0 0 小时 叛上，是袖珍测壤仪器豹经典，但是其价貉非常昂贵。 ( 5 ) r a d o n r a e 个人氡放射性测量仪 r a d o n r a e 可以用于检测空气中氡的浓度并且计算出辎射当量“”。仪器体积 ，l 、巧，重量极轻，方便佩戴。在交潢电浊厨，仪器可以操作大约3 0 0 小时。它 的一般用途包括个人放射性测量、可疑点的放射性测量、一般氡浓度测量、土 壤中挥发气体梭测。 其测量原理是氧气通过一个膜进入到仪器内的检测腔。检测腔的一个半导 体检罚器可数将氡及其衰变遘程中产生鲍短寿子体p o - 2 1 8 和孙一2 l 哇豹辐射转 化为电压脉冲。仪器的操作模式有“慢速模式”和“快速模式”两种。当量的 汁算来源于氡的测量，并基于两个参数：平衡系数和当廉效率。这两个参数可 以掇据具体豹嚣境情况加戳确定。 1 2 3 我国测氡仪的研究现状 目前我国圭簧迩是采露进口的测氡仪，有美国、德豳等莺家的产品。因为 我国半导体技术、电子技术等前沿学科的相对落后制约了核探测技术、核分析 4 第1 章前言 技术的发展，因此国内自主研发的测氡仪在性能上还相对较差，比如体积大不 易携带、操作复杂、现场分析处理数据能力不强等。 1 3 研究内容 本研究的目标是研制一套便携式连续测氡仪，系统由电源、a 探测器、电 荷灵敏前置放大器、主放大器、峰值展宽电路、模数转换器、c 8 0 5 1 f 系列微控 制器、液晶显示、键盘、r s 一2 3 2 通信电路、实时时钟、微型打印机接口等部分 组成，软件设计结构化，具有携带方便、低功耗、现场处理分析、现场打印、 操作简便、人机交互友好等特点。 本人的主要研究工作有： ( 1 ) 采集腔体的设计； ( 2 ) 金硅面垒型半导体探测器、电荷灵敏前置放大器、主放大器等信号放 大调理电路的研究； ( 3 ) 脉冲信号的峰值采样电路的设计； ( 4 ) 电源的低功耗设计，高压电源的设计； ( 5 ) 以单片系统控制器c 8 0 5 1 f 0 2 3 为核心的软硬件设计； ( 6 ) 微型打印机的软件控制设计； ( 7 ) 计算机联机软件的设计； ( 8 ) 系统的整体结构设计，包括电磁屏蔽罩、仪器的外壳面板等。 1 4 研究成果 完成了便携式连续测氡仪的系统设计，包括软硬件设计、仪器的机械外形 结构设计和性能测试工作。具体如下所示： ( 1 ) 利用氡在空气中的扩散理论，设计了与之相应的采集腔。 ( 2 ) 整合了金硅面垒型半导体探测器、电荷灵敏前置放大器、主放大器等 信号放大调理电路。 ( 3 ) 完成了窄脉冲信号峰值采样电路、以单片微控制器为核心的硬件软件 系统、计算机联机软件的设计。 ( 4 ) 实现了较低的整机功耗，可以在充满电后连续工作2 0 小时。 ( 5 ) 仪器配置了微型打印机，在测量结束后可以现场打印测量结果。 成都理工大学硕士学位论文 2 1 方案概述 第2 章系统方案 一般的测氡仪器包括了n 探测器、信号调理电路、信号采集电路、采集数 据处理、数据显示、数据传输等部分。a 探测器将放射q 事件转变为电信号； 信号调理电路获取探测器的电信号，并整形放大；信号采集电路将整形放大后 的模拟电信号转换成数字信号；通过对采集的数据进行分析处理，判断该a 粒 子的能量及发生的次数等；再将分析处理的结果通过显示告知测量者，或者保 存和传输等。 因为本研究目标是研制一套便携式连续测氡仪，因此在一般测氡仪器的基 础上，对体积、重量、功耗上都有比较严格的要求。 2 2 工作原理 本设计的氡测量原理是通过测量氡衰变子体的放射性来间接测量氡浓度。 2 2 2 r n 、2 ”r n 及其n 衰变子体放射的n 粒子的能量和半衰期见下表2 - 1 。”p o 是“o p b 的衰变子体，而2 1 0 p b 的半衰期是2 2 3 年，由于它具有较长的半衰期，因此氡 测量的过程中通常忽略“o p o 的影响“。 在这些衰变子体中除了”8 p o 和“礓i 放射的a 粒子的能量接近外，其他几 种都能被明显区分。根据放射性规律可知，“2 b i 具有2 ：1 裂变方式，i 3 通过 衰变成”叮l ，2 1 3 通过b 衰变成2 ”p o ，“p o 的半衰期很短，因此可以通过测 量”2 p o 的放射性来间接测量2 1 2 b i 的放射性。 表2 - i 。2 r n 、8 r n 及其a 衰变子体放射的a 粒子的能量和半衰期 元素 a 粒子的能量( m e v ) 半衰期元素a 粒子的能量删e v )半衰期 ”2 r n5 4 83 8 2 5d2 2 0 r n6 2 85 5 6s 2 ”p o6 0 03 0m i n2 1 6 p o6 7 8o 1 5s 2 “p o7 6 91 6 4u s2 1 2 b i6 ，0 56 0 6m i “ ”0 p o5 3 0 1 3 8 4d 2 1 2 p o8 7 8o 3u s 空气以扩散方式通过滤纸，在排除了氡的后代元素后，进入采集腔。在采 集腔中，氡衰变产生放射n 粒子的后代元素，2 2 2 r n 和”r n 的衰变子体”8 p o 、2 1 4 p o 、 ”6 p o 、2 ”b i 和2 ”p o 的聚积团都带正电“3 ，因此在采集腔内加上电场后，更多的 6 第2 章系统方案 衰变子体被推到n 探测器上。本仪器通过测量“r n 的衰变子体2 ”p o 和2 “p o 的 放豺性来闻接测薰2 r n 的浓度，同样，可通遥测量“8 p o 的放射褴来闻接溯量2 ”r n 的浓度，弗通过测量”2 p o 的放射性来间接测量2 1 奄i 的放射性，进而纠正“2 b i 对2 ”p o 的影响。 2 3 硬件组成 匿2 - 硬馋设计框嚣 ( 1 ) n 探测器采用金硅面垒型半导体探测器。金硅面垒型半导体探测器具 有优异分辨率和良好稳定性等诸多优点，以保证仪器具有较高的能量分辨率和 稳定性。 ( 2 ) 放大器包括电荷灵敏前置放大器和主放大器两个部分。设计将采用已 有的电荷灵敏前置放大器，该电荷灵敏前置放大器已经应用于先前的产品，实 践证明其性鼹稳定和噤声较小。由予放大器芯片c a 3 1 4 0 e 具有低噪声、较宽的 带宽、功耗小、温漂小等特点“”，主放大器采用c a 3 1 4 0 e 。 ( 3 ) 峰值展宽电路。由于要采样脉冲的峰值信息，根据主放大器输出的信 号较窄( 1 2 | i s ) 这特点，将利用一种窄脉冲峰值展宽电路，效果良好。 ( 4 ) 模数转换器( a ) 。为了简化电路，设计采用集成了l o 位a d c 的微 控制器。 ( 5 ) c 8 0 5 1 f 系列微控制器。由于c 8 0 5 1 f 系列微控制器的诸多优点( 如低 功耗、速度挟、片内集成了a i ) c 、片内f l a s h 、片内x r a m 等) “o ，势投握软彳牛 复杂程度，设计采用微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 3 作为主控芯片。 ( 6 ) 液晶显示。系统对节能具有很高的要求，因此设计将选用低功耗的液 7 成都理工大学硕士学位论文 晶显示模块1 6 0 2 ，该液晶是1 6 2 字符型，采用l e d 背光，接口简单。 ( 7 ) 键癜。将采用4 个按键，分别是菜单、确定、向左、向右。 ( 8 ) r s 一2 3 2 通信电路。根据系统将要传输的数据不多、对传输速度的要 求不大等特点，与计算机的通信接口采用传统的r s - 2 3 2 接口，其性能稳定可靠， 软件设计箍擎。为了保证传输数据的正确性，将在软件上艇入数据校正措藏。 ( 9 ) 打印机接口电路。 ( 1 0 ) d s l 3 0 2 实时时钟。d s l 3 0 2 实髓时钟芯片爨有误差小、外垂电路简单 和极低的功耗等特点“。出于采用了大容量的法拉电容为实时时钟芯片提供后 备电源，在关闭系统电源艏，实时时钟芯片仍能继续工作。系统记录每次测量 的具体时间，以便轰询。 ( 1 1 ) 外部存储器采用具有i 接口的a t 2 4 c 2 5 6 存储器，它具有3 2 k 字节， 因为微控翱器c 8 0 5 1 f 0 2 3 凑部集成了i t 接口控制器，使褥瓣a t 2 4 c 2 5 6 瓣读写 操作变得简单。 ( 1 2 ) 电源设计采用镪电池和市电供电，霞此配有镶嘏池充嘏电路。系统 的需要的电眶有5 v 、3 3 v 、1 2 v 、一5 v 、8 0 v 、1 0 0 0 v ，因此本系统包含了辩压电 路、降压电路、极性转换电路等。 2 4 系统软件 系统软件包括了微控制器软件和计算机软件。 1 微控搿器软传采翔汇编语言和c 语言混合编程，共分为如下几个方面： ( 1 ) a d c 控制程序； ( 2 ) 液晶显示驱动稷序： ( 3 ) 键盘驱动程序； ( 4 ) 菜单程序； ( 5 ) 谱数据诗算分橇程净； ( 6 ) r s 一2 3 2 通信程序； ( 7 ) 打窜机驱动程序； ( 8 ) 实时时钟驱动程序； ( 9 ) 文件管理程序。 微控制器软件实行模块和分层设计，除硬件驱动程序外，其它程序均具有 硬件无关特性，以便于阅读和移植。由于本设计目标为便携式仪器，对于功耗 有着特殊的要求，掰以软件部分充分考瘩其节能，在没有外帮中断和处理数据 时，c p u 进入空闲状态，以节省系统功耗。 2 计算机软俘分为翔下凡个方面： 8 第2 章系统方案 ( 1 ) 谱数据和结果驻示程序； ( 2 ) 菜单程序； ( 3 ) 文件管理程序； ( 4 ) r s 2 3 2 通信程序。 本设计的应用软件以w i n d o w s9 x 、2 0 0 0 和x p 为平台，采用v i s u a lc 十十6 0 面向对象语言编写，串口通信通过调用w i n d o w sa p i 函数来实现，总共有两个 线程，分别是程序界面线程和串翻管瑾线程，线程之闺通过消息机涮传递数嚣 和控制指令。程序界面线程的主要任务是实现人机友好交慝界面，主要特点是 操作简单、直观。应用软件可班实现控制仪器的铡薰过程、设置测量参数和管 理测爨结果三种功能。 9 成都理工大学硕士学位论文 第3 章硬件设计 3 。1 电荷灵敏前置放大电路 3 1 1 原理 半导体操测器是一种髓量分辨率极佳的探测嚣，它是一种特殊的在反囱电 压下工作盼二极管“”。在没有射线照射时，只通过极小的反向嘏流；若有射线 入射到探测器的灵敏区( 即耗尽层) ，并且射线的能量全部损耗农灵敏区，则在 此区中产嫩与射线能量成正比的电荷a q ，这批电荷在反向电压产生的电场中移 动，并被探测器电容( 帮络电容) c 。及c 。收集( c ；包括引线分布电容、下级电 路的输入电容等) 。电荷a q 全部收集在电容上之后，在电容两端就给出了电压 u ，u 用下式表示： u = a 影( c 。+ c ：) + h 图3 _ 毫蓉冕敏放大器豹原理示意图 然而，半导体探测器的电容c 。通常是随温度及探测器的反向电压的变化而 改交的。怼瘦子给定的射线能量，aq 是不变的，丽当c 。随电路和钤界条讳改 变时，a u 就会改变。为了克服这个缺点，通常鄂是用电荷灵敏放大器作为半 导体探测器的前置放大器。电荷灵敏放大器的输出电压与探测器输出电荷aq 成正比。 如图3 - 1 所示，电容c ，从放大器输出端弓l 出反馈信号拓到输入端，使放大 器形成一个并联电压负反馈的电路结构。由于电容c f 作为反馈元件等效到放大 1 0 第3 章硬件设计 器输入端后，相当于输入端有一个很大的电容，其容量为c ，( 1 + k ) 。所以显现 在输入端的电容为c 。+ c ：+ c ，( 1 + k ) ，而只要放大倍数k 足够大，则c ，( 1 + k ) c 。 + c ：，因此，探测器的输出电压u ( 作为放大器的输入电压u 。) 就不会再随c a 改变而变化，u 表示为： a u = u 。r - a q c 。+ c ：+ c ，( 1 + k ) a q c ，( 1 + k ) a q k c f 式中，k = u 剑j 。所以 u 萨a q c r 由于半导体探测器具有对能量的高分辨率，相应地对放大器的信噪比要求 很高，所以电荷灵敏前置放大器的第一只管用低噪声的结型场效应晶体管。 3 1 2 实际应用的特点 鉴于半导体探测器输出信号的微弱性以及电荷灵敏前置放大器的高敏感 性，在实际的应用中具有以下的一些特点： ( 1 ) 电荷灵敏前置放大器用金属盒将其电磁屏蔽。 ( 2 ) 导体探测器应避光。 ( 3 ) 半导体探测器与电荷灵敏前置放大器的连接线采用高频屏蔽信号线， 并尽可能短。 ( 4 ) 电荷灵敏前置放大器的电源应非常稳定且纹波小。 ( 5 ) 提供给半导体探测器的高压应稳定且纹波小。 ( 6 ) 包括了r c r c ( 微分一积分) 成形电路“”。通过采用r c 微分电路使脉冲 缩短，从而使重叠的脉冲分离，消除在高计数率时输入脉冲重叠所引起的放大 器过载，减小基线漂移引起的计数率过载，并可以减小低频噪声。用r c 积分电 路使脉冲顶部平滑，以利于后续电路的处理。 1 1 成都理工大学硕士学位论文 图3 - 2 电荷灵敏前置放大器 1 2 第3 章硬件设计 3 2 线性脉冲放大器 图3 _ 3 线性脉冲放大器 线性脉冲放大器的基本作用是把核辐射粒子经探测器转换而得到的电脉冲 信号按一定的放大倍数加以放大，并给出足够的输出脉冲幅度。线性脉冲放大 器对幅度大小不等的脉冲信号有同样的放大作用即线性放大，在放大器的输出 端得到具有与核辐射粒子能量分布相应的输出脉冲幅度分布“”。 由于核辐射在时间上和能量上具有统计分布规律，所以由探测器转换而来 的作为线性脉冲放大器的输入信号就具有时间上和幅度上的统计分布规律。时 间上的统计分布规律是指这些脉冲的出现在时间上是非均匀的，脉冲出现的时 间是偶然的。每一种放射性物质的射线有确定的能量分布，称为能谱。它通常 包含着一定的能量范围，在很短的时间间隔里，相邻的一些射线粒子的能量属 于给定的能量范围内哪几个确定的能量则是偶然的，就是说两个或几个能量相 差不大的射线粒子可能相继出现，也可能是一个很大能量的射线粒子与一个很 小能量粒子相继出现。一些探测器的输出脉冲幅度与入射粒子的能量成正t l ：x 如 半导体探测器) ，所以，线性脉冲放大器的输入脉冲幅度也具有相应的规律，这 种规律即幅度的统计分布规律。鉴于线性脉冲放大器的输入信号就具有时间上 和幅度上的统计分布规律，同时还考虑到探测器或放大器本身的噪声以及放大 脉冲信号的基本任务，就要求线性脉冲放大器应具有一些特殊的性能，分述如 下： 成都理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 放大器放大倍数的大小，应按放大器的输入脉冲幅度和所要求的输出 幅度来确定。本系统的电荷灵敏前置放大器输出的信号幅度约为5 0 1 5 0 m v ， 要求放大器输出脉冲幅度最约为l 3 v ，放大倍数约2 0 ，考虑到电荷灵敏前置 放大器输出的信号幅度差异性，采用放大倍数可调的方法。 ( 2 ) 放大倍数的线性是指放大倍数不随输入脉冲幅度大小变化。提高放大 器线性的措施，主要是采用深度负反馈技术3 。 ( 3 ) 放大器的稳定度是指放大倍数随外界条件( 如温度) 或电路中电源电 压的变化而改变的程度。提高稳定度的电路措施亦是采用负反馈技术“。 ( 4 ) 消除放大器外部的噪声，减少放大器内部固有的噪声。外界的电磁场 干扰、接地点不合理、焊接和安装工艺不佳、电源纹波电压等因素引起的噪声 干扰，可以通过电磁屏蔽、合理安排接地点、提高焊接和安装质量、良好的滤 波等相应措施使放大器外部的噪声得以消除。选用低噪声的运算放大器元件可 以有效减少电路内部固有的噪声“”。 3 3 峰值展宽电路 3 3 1 应用意义 半导体探测器、闪烁计数器等核辐射探测器输出的脉冲幅度和入射粒子的 能量成正比关系，测量这些脉冲的幅度，就可以知道辐射的能量“1 。脉冲幅度 的测量技术在核辐射探测中是一个重要闯题。 早期的脉冲幅度分析器有积分甄别器和微分甄别器。积分甄别器只允许幅 度超过一定甄别阈的脉冲通过，供其后电路记录；幅度小于甄别阚的将不通过， 记录电路不予记录。微分甄别器又叫单道脉冲幅度分析器，它只允许某一幅度 范围内( 上甄别阈和下甄别阈之间) 的脉冲通过，幅度小于下甄别闽或大于上 甄别阙的脉冲均不能通过。当人们要对某种已知含有单能辐射的放射性样品进 行定量测量时，单道分析器的这种功能是非常有用的。 但是，人们常需要记录单个核素或核素混合物辐射能量的全谱。为了记录 全谱，在第二次世界大战结束后不久，曾采用类似用两个积分甄别器规定代表 有限能量范围的单个“窗”的方法，用多个积分甄别器把一定的能量范围划分 为一系列相邻的能量窗，形成最早的多道脉冲幅度分析器。因此，用1 1 个和 2 1 个积分甄别器可分别组成1 0 道和2 0 道的脉冲幅度分析器。在历史上，这种 多道脉冲幅度分析器对当时的探测器是适用“。 随着半导体探测器等高分辨率探测器的出现，为了充分发挥其高分辨率的 1 4 第3 章硬件设计 优点，发展具有高分辨率的多道脉冲分析器已迫切需要。1 9 4 9 年，w i l k i n s o n 发明了一种新技术即模数转换技术，其含义是把电压转换成与之对应的数。脉 冲幅度分析器的分析对象是脉冲信号的峰值。一般，主放大器的输出的脉冲信 号的峰顶宽度很窄，不满足a d 转换的时间要求。采用峰值展宽电路对脉冲的 峰值进行展宽，使峰值保持足够长的时间，以保证a d 转换过程中峰值的稳定。 3 3 2 实际电路 0 图3 - 4 峰值展宽波形圈 峰值展宽电路包括了脉冲检测电路、过峰检测电路、峰值保持电路和控制 电路四大部分。 脉冲检测电路是通过设定电压阈值，将信号中幅度小于阙值的噪声去除。 由于半导体探测器、电荷灵敏前置放大器和主放大器自身都存在着噪声，去除 这些噪声对探测核辐射事件至关重要。这个阙值大小一般在0 7 1 v ，通过可 调电阻进行调节。当脉冲信号大于( 闽值+ 阈值+ r 2 1 0 r 2 0 9 ) 时，l m 3 1 9 比较 器输出为高电平；当脉冲信号小于 阈值一( v c c 一阙值) ：- - ( r 2 1 0 + r 2 1 2 ) r 2 0 9 时，比较器输出低电平。这种施密特触发器可以有效的保证比较器输出电 平的稳定，防止输出电平在临界状态或电平的保持时间过短。 过峰检测电路主要是一个l m 3 1 9 比较器，通过比较脉冲信号与保持信号的 大小来完成过峰检测的。当脉冲信号比保持信号小时，即认为脉冲已经到达峰 位，并输出高电平，形成上升沿触发d 触发器。 峰值保持电路由一个c a 3 1 4 0 放大器、开关二极管1 n 4 1 4 8 、低泄漏保持电 容等组成。c a 3 1 4 0 的输入阻抗约为1 5 1 0 ”q ，模拟开关c d 4 0 6 6 断路时的阻 抗约为1 0 9q ，因此可近似认为保持电容在保持状态下没有放电回路。脉冲信号 通过开关二极管对电容充电，同时由c a 3 1 4 0 放大器增强驱动能力，以便后续的 a d 转换器的准确采样。 控制电路的作用是响应脉冲检测电路的上升沿输出信号、响应过峰检测电 路的上升沿输出信号、响应微控制器的复位信号、控制模拟开关c d 4 0 6 6 、输出 a d 启动信号。 成都理工大学硕士学位论文 圈3 - 5 峰值展宽电路 峰值展宽电路的工作步骤： ( 1 ) 微控制器置 d - o v e r 为低电平，清零u 2 0 4 a 、u 2 0 4 b ，然后置a d o v e r 为高电平，准备脉冲检测。 ( 2 ) 当脉冲的上升沿大于( 阈值+ 阚值- - r 2 1 0 x r 2 0 9 ) 时，比较器u 2 0 3 b 输出高电平，形成上升沿，触发u 2 0 4 b ，使得u 2 0 4 b 一9 输出高电平。同时u 2 0 4 8 输出低电平，模拟开关u 2 0 5 a 断开，关闭电容c 2 0 5 的放电回路，使得脉冲通过 二极管d 2 0 1 对电容c 2 0 5 更有效得充电。 ( 3 ) 当脉冲下降并低于v h o l d ( 等于电容c 2 0 5 上的充电电压) 时，比较 器u 2 0 3 a 输出高电平，形成上升沿。这个上升沿触发u 2 0 4 a ，使得u 2 0 4 a 一5 输 出一个上升沿给a d c ，启动a d c 转换电压v s g n a d 。 ( 4 ) a d c 转换结束，并且微控制器从a d c 取出转换后的数据后，微控制器 置a d o v e r 为低电平，然后重复步骤( 1 ) 。 1 6 第3 章硬件设计 3 4 微控制器 3 4 1 选型依据 系统对微控制器选型的主要要求包括： ( 1 ) 运算速度大于2 m i p s 。由于要提取、处理、保存来自a d 转换器的数 据，并尽可能缩短峰值展宽电路保持的时问，整个时间控制在l o i t s 以内。 ( 2 ) 内置a d c 。可以减少微控制器的外围电路，系统更精简，使得系统更 加可靠。 ( 3 ) 片内集成了较大的存储器，包括程序存储器和数据存储器。系统的软 件较为复杂，要求的程序空间和数据空间都较大。 为了保证运算速度，并兼顾系统的复杂程度，在比较了m c s - 8 0 5 1 、c 8 0 5 1 f 、 a 跚7 等微控制器后，本设计选取了c 8 0 5 1 f 系列微控制器的c 8 0 5 1 f 0 2 3 。 3 4 ，2 微控制器简介 微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 3 是集成在一块芯片上的混合信号系统级控制器，是真 正能独立工作的片上系统“。它能有效地管理模拟和数字外设，还具有在系统 重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新程序，可以关闭单 个或多个外设以节省功耗。 微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 3 使用的是c y g n a l 的专利内核c i p - 5 1 ，它与m c s - 5 1 的 指令系统完全兼容。对于c i p 一5 1 内核，7 0 的指令执行时间为l 或2 个系统时 钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。 c 8 0 5 1 f 0 2 3 片内集成了丰富的资源： 8 通道1 0 位l o o k s p 和8 通道8 位5 0 0 k s p 的逐次逼近a d c 温度传感器 2 个1 2 位d a c 2 个u a r t 2 个比较器 6 4 kb y t e s 可擦写f l a s h ，4 k + 2 5 6b y t e sr a m 集成i2 c 接口、s p i 接口 j t a g 调试口 看门狗 1 7 成都理工大学硕士学位论文 3 4 3j t a g 调试接口 c 8 0 5 1 f 0 2 3 集成了j t a g 调试，通过4 脚j t a g 接口，可以对系统进行非侵 入式、全速的调试。该j t a g 接口完全符合i e e e l l 4 9 1 标准。 对于开发和调试应用而言，j t a g 调试比采用标准m c u 仿真器要优越和简便 的多。标准的m c u 仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上 由m c u 的插座。而j t a g 调试口仅有4 个引脚，将它们和j t a g 仿真器连接，既 可以实现仿真调试。c 8 0 5 1 f 系列仿真器同时支持k e i 卜c 5 1 调试软件，极大得 方便了开发者。 3 4 4 片内r a m 图3 - 8j t a g 调试接口 c i p - 5 1 有标准的8 0 5 1 程序和数据地址配置。它包括2 5 6 字节的数据存储 器，其中高1 2 8 字节为两个地址空间：用间接寻址访问通用的高1 2 8 字节；用 直接寻址访问1 2 8 字节的s f r ，低1 2 8 字节可用直接或间接寻址方式访问。前 3 2 字节为4 个通用工作寄存器区，接下来的1 6 字节既可以按字节寻址又可以 按位寻址。 微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 3 内部集成了4 0 9 6 字节的片内外部寻址r a m 和一个外部 数据存储器接口。这4 k 字节的x r a m 可以在整个6 4 k 外部数据存储地址空间中 被寻址，可以用外部传送指令m o v x 和数据指针d p t r 访问，或用m o v x 间接寻址 方式访问。片内4 k 字节x r a m 重叠于外部数据r a m 寻址空间。外部r a m 地址空 间可以独立映射到内部，也可以独立映射到外部，或者内部外部同时映射。 3 4 5 片内f l a s h 微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 3 内部集成了6 4 k + 1 2 8 字节的f l a s h ，这6 4 k 字节f l a s h 1 8 第3 章硬件设计 以5 1 2 字节为一个扇区，可以在系统编稷且不需要在片外提供编程电压。地址 o x f e o o o x f f f f 被保留使用。地址o x f d f e 和o x f d f f 中保存着读写锁定字节， 可骏保护f l a s h ，使得不能通过j t a g 接目读取或修改蒸内容，这至8 保护知识产 权的目的。 3 。5 液晶最零 闰3 - 7 液函接口 液最显示已经广泛应用予纹器仪表、控铡平台等设簧上，穆类繁多，