（核能科学与工程专业论文）辐射场数据采集及无线传输处理.pdf

哈尔滨丁程大学硕十学位论文 摘要 核辐射技术在工业、农业、医学、环境检测等领域，有着重要的应用价值。 大型的核设施( 铀矿的开采，核燃料元件的制造，核电的生产，乏燃料的后处 理等等) 一般都要进行运行前的本底调查、运行中常规的监测、事故应急监测 和核设施退役的环境检测。在核测量中涉及到对操作人员的保护和对放射源、 地点等放射性的快速评价。传统测量或监测需要人员对仪器实时看护，这样不 可避免地会造成对人员的辐射，对身体健康有很大的危害，本文利用便携式核 辐射仪器结合数据无线传输技术，设计研制了由b h 31 0 3 b 便携式x 一吖剂量率测 量仪表、z f 0 2 无线数传模块和p c 机组成的实验系统，实现了对辐射场数据实 时的监测。 本文研究了辐射场的数据采集和无线传输，通过x 吖环境剂量仪器测量 辐射场的数据，由传输模块z f 0 2 进行无线传输，在电脑上接收测量到的数 据，实现数据实时无线传输。与传统测量相比，不需要测量人员在测量现场， 这样便能大大减少测量人员被辐照的剂量。通过多次实验，验证了所设计的 实验设备的可靠性，并与车载或航空监测相比，有价格便宜、携带轻便、设 备简单等特点，完全可以应用在日常的辐射测量中。 关键词：数据采集；z f 0 2 数传模块；无线传输；数据分析 哈尔滨工程人学硕十学何论文 a bs t r a c t n u c l e a rr a d i a t i o nt e c h n o l o g yi ni n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，m e d i c i n e ，e n v i r o n m e n t ， r e s o u r c e sa n dr e s e a r c hi nv a r i o u sf i e l d s ，h a si m p o r t a n tv a l u e l a r g e - s c a l en u c l e a r f a c i l i t i e s ( u r a n i u mo r em i n i n g ，m a n u f a c t u r i n gc o m p o n e n t s f o rn u c l e a rf u e l ， n u c l e a rp o w e rp r o d u c t i o n ，p o s t - p r o c e s s i n gs p e n tf u e l ，e t c ) i ng e n e r a ls h o u l dh a v e t h eo p e r a t i o no fc o n v e n t i o n a lm o n i t o r i n g ，e m e r g e n c ym o n i t o r i n ga n dn u c l e a r r e t i r e de n v i r o n m e n t a lt e s t i n gf a c i l i t i e sb e f o r et h ee n do ft 1 1 i si n v e s t i g a t i o n m e a s u r e m e n to ft h en u c l e a ri si n v o l v e di nt h eo p e r a t i o no ft h ep r o t e c t i o na n d r a d i o a c t i v es o u r c e s ，t h el o c a t i o no fr a d i o a c t i v er a p i da s s e s s m e n t t r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n to fp e r s o n n e lo re q u i p m e n tn e e d st om o n i t o rr e a l - t i m ec a r e ，t h i sw i l l b et h ei n e v i t a b l er e s u ro ft h er a d i a t i o n ，ab i gh e a l t hh a z a r d ，t h ep a p e ru s i n ga p o r t a b l e n u c l e a rr a d i a t i o nm a c h i n e sa n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，b a s i n go nb h 3 10 3 b p o r t a b l ex - 7 d o s er a t ei n s t r u m e n t ，z f 0 2 w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nm o d ea n dp cc o m p o n e n t so ft h es y s t e mr e a l i z e dt h e r e a l t i m ed a t ao nr a d i a t i o nm o n i t o r i n gs u c c e s s f u l l y t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed a t ao ft h er a d i a t i o nf i e l da n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n i tm a k e st h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns u c c e s s f u lb yx 吖e n v i r o n m e n t a ld o s i m e t e r t e s t i n gt h ed a t ao ft h er a d i a t i o nf i e l d ，t r a n s m i s s i o nm o d u l em a k i n gt h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o na n dt h ec o m p u t e rr e c e i v i n gt h ed a t a i nc o n t r a s tw i t ht h et r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n tm e t h o d 。t h i sm e t h o dd o s en o tn e e dw o r k e r so nt h et e s t e dp l a c e ，s oi t g r e a t l yr e d u c e st h er a d i a t i o nd o s eo fw o r k e r s t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h e e x p e d m e n t a le q u i p m e n to ft h i sp a p e ri s v e r i f i e d i nc o n t r a s tw i t ht h eo n - b o a r d m o n i t o r i n go rt h ea e r i a lm o n i t o r i n g ，t h i se q u i p m e n th a sl o t so fa d v a n t a g e s ，f o r e x a m p l ec h e a pp r i c e ，p o r t a b l e ，s i m p l e d e v i c ea ns oo n i tc a l la p p l yo nt h e r a d i a t i o nm e a s u r e m e n to fo u rd a i l yl i f e k e yw o r d s ：d a t ac o l l e c t i o n ；z f 0 2d a t at r a n s m i s s i o nm o d e ； w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ；d a t aa n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：铡抓导 日期：乙即7 年伞月万7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：劂椎苒 日期：矿呷年伞月刁日 导师c 签字) ：沈a 盈。 溯j 7 年日 哈尔滨：i ：程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1课题的目的和意义 1 1 1前言 人体受到照射的辐射源有两类，即天然辐射源和人工辐射源。在地球上 生命体的形成和人类诞生及生命整个历史的各个阶段中，每时每刻都受到宇 宙射线和地球环境中原始存在的放射性物质发射出射线的照射，这种天然放 射性是客观存在的，通常称之为天然本底照射。天然本底照射是迄今人类受 到电离辐射照射的最主要来源。另一方面，近半个世纪以来，由于核试验、 核动力生产、医疗照射及核能技术的开发与应用，产生了不少新的放射性物 质和辐射照射。这类辐射照射称之为人工辐射源照射【l 】。 人类的某些生产活动，其本身并非为了利用核辐射，但却导致自然本底 照射的增加。例如：煤中含有天然原生放射性核素，人类利用煤作燃料导致 这些原生放射性核素从地壳深部向地表的再分布【2 】。 能源是社会和经济发展的基础，是发展生产的原动力。自然界里有化石 能源、核能、风能、水能、太阳能、地热和潮汐等多种能源，在这些能源当 中，核能是目前比较成熟且已在工业上大规模应用的新型能源。自1 9 4 2 年 1 2 月2 日世界上第一座核反应堆c p 。1 在美国芝加哥大学运行成功至今，不 过经历了短短的6 0 多年的时间，核能已经获得了很大的发展。 据国际原子能委员会统计，从1 9 4 5 年起到1 9 8 9 年底，世界各国共进行 了1 8 0 0 多次核实验。核爆炸产生的裂变产物和剩余裂变物质被迅速上升的火 球带入高空，形成全球性的放射性沉降物。这些沉降物沉降到地球上，形成 对人体外照射，或通过各种途径进入人体形成内照射。据统计，核实验造成 的人均年剂量在1 9 6 3 年达到最大，相当于天然铀源引起的年平均剂量的7 ， 由于短寿命的裂变产物不断减少，现在尚起作用的主要是长半衰期的裂变产 物1 3 1 7 c s ，它们对人体的平均照射水平目前已小于天然本底照射的1 。 l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目前，世界上核电己成为重要能源之一，到1 9 9 0 年为止全世界核电站己 运行的核反应堆达到4 2 3 座，有8 3 座核反应堆正在建造中。核能生产包括铀 矿石开采，矿石的化学前处理，铀燃料生产，反应堆运行，燃料后处理，放 射性废物最终浓集处理等一系列生产环节。在每一个环节必定会有少量放射 性物质排放到环境中【3 1 。 正当上世纪7 0 年代核电事业蓬勃发展的时候，在1 9 7 9 年美国三哩岛核 电站、8 0 年代中期前苏联的切尔诺贝利核电站的两次重大的核事故后，2 0 0 4 年日本又发生了严重的核电事故，使世界各国意识到核安全的重要性，并纷 纷投入人力、物力进行核反应堆安全方面的研究。 无论是对严重事故后的核电站进行研究，还是对正常或事故工况下核设 施的维修，对辐射剂量的监测已渗透于核电发展的各个方面，对辐射场剂量 的监测已成为一个极其重要的课题。 1 1 2 课题的目的和意义 现代人类生存的环境中存在着多种天然与人造辐射，过高的环境辐射值 会对人体健康产生潜在的不良影响。辐射的特性是不易被察觉，无法用人的 眼睛、耳朵或鼻子等器官予以侦测出来，需要使用专用的仪器予以测量。同 时，不论是天然或人造物质所产生的辐射，均须予以侦测，以确保其强度在 法律规定的安全范围内，环境辐射监测即是针对我们所生活的周围环境予以 监测其辐射的强度，并将所得数据作进一步分析，辐射监测的目的在于迅速 了解污染程度与范围以及人员受照剂量的大小，是提供采取应急防护措施和 医学急救的重要依据 4 1 。 本课题的目的是利用f 1 3 b h 31 0 3 b 便携式x - _ 吖剂量率测量仪表、z f 0 2 无线 数传模块和p c 机组成的实验系统，在无人的情况下，对辐射场进行测量，并 将测量结果准确地无线传输到另一端的微机上，实现对辐射场数据实时的监 测，并对辐射场数据进行分析和处理，在实时上可立即侦测到环境中的辐射 强度是否有显著的变化( 通常是与原子能相关规范中所设定的环境背景值相 2 哈尔滨：i j 程大学硕士学何论文 比较) ；在长期上可观测环境的变化，了解是否有某些异常的潜在环境因素发 生改变，可能对相关工作人员产生不良的影响。 传统的环境辐射监测多以人工定期至辐射场搜集样本数据送回实验室内 再予以分析、判读。此种方式不但在对辐射场环境变化观测的时效上太慢， 且作业会受到地形、天候、距离等因素的影响，在人力成本上非常不经济。 为了提升辐射监测的效能，有必要利用现代的信息相关技术来改善监测方式， 以达到降低对监测作业人力的需求和提供实时精确信息的需 求【5 】o 建立一个稳定可靠的环境辐射连续性监测、分析系统是环境监测、辐射 源监测、核应急必不可少的组成部分，它能有效的为相关部门提供第一手的 环境数据与分析结果，是制定各项防护措施的依据f 6 】。 本课题的研究对环境辐射监测人员的辐射防护具有非常重要的意义，在 实际中具有广泛的运用价值，可以使测量人员在不遭受辐射或大大减少辐射 的情况下，得到辐射场的准确数据，从而使测量者得到安全保障。 1 2 国内外研究状况及已有研究成果 1 2 1 核辐射环境固定监测系统 目前全国己有三套针对核电厂实时连续环境辐射监测系统，分别分布在 广东大亚湾岭澳核电站、秦山核电基地和田湾核电站。其中广东大亚湾岭澳 核电站周围有1 1 个监测点，秦山核电基地周围有9 个监测点，田湾核电站周 围有6 个监测点，用以日常的监督性监测和应急监测。 秦山核电站辐射环境固定监测系统随着秦山二期、三期工程的启动，己 经发展到了第二代：秦山核电站外围环境y 辐射连续监测系统，该系统于2 0 0 2 年投入使用。秦山核电站外围环境y 辐射连续监测系统是一个分布式的数据采 集、传送、存储、处理和分析的信息系统【7 1 。 哈尔滨 = = 稃大学硕士学位论文 1 2 2 航空应急监测系统 航空辐射监测的历史己比较长，它源于地质部门勘探放射性矿，早在 1 9 4 8 年美国首先研制了空中探测用的仪器，该仪器是多个计数管并联作探 头，1 9 5 1 年大型n ai ( t i ) 闪烁体研制成功，又采用闪烁探头对该仪器进行了 重新设计。美军根据这一想法和实践也设计了辐射侦察仪器，1 9 5 7 年美埃温 斯通信研究所首先设计出航空辐射侦察仪，并于1 9 5 5 年在内华达试验中首 次使用【8 】。 在一些发达国家，如美国、加拿大等成功开发了航空伽马能谱测量技术 用于核电站等核设施周围地区的环境辐射监测、核事故的应急监测以及寻找 丢失的放射源等领域【9 】。 美国是建立核应急航空监测系统最早的国家，还专门成立了核事故应急 搜索队。核应急航空监测系统由美国能源部以委托契约方式委托给e g & g 公 司实际运行，常备两架固定翼飞机和两架直升飞机，另外，在华盛顿郊外安 德鲁斯空军基地也驻守着一架固定飞机和两架直升飞机。法国的核事故应急 监测系统是由v a l d u c 核研究中心开发成功的，核应急航空监测任务也由该核 研究中心承担【。 我国国家核应急航空监测中心经过多年的研究和开发，在原有航空伽玛 能谱测量系统的基础上，己成功地开发出了我国第一套兼容的能基本满足核 事故应急监测要求的核事故应急航空监测系统，并进行了航空监测系统刻度 技术和航空监测方法的研究。通过在秦山核电站、某核研究设施、以及某军 事禁区等地区的实际航空监测试验表明，该航空监测系统基本满足核事故应 急航空监测的要求。我们现有的核应急航空监测系统，与国外先进国家相比， 还有一定的差距，需做进一步的研究与开发，建立更加完善、小型化、快速 轻便、多功能的核应急航空监测系统，尤其针对适用于目前核反恐和军控核 查方面的航空监测，还需做更多的研究工作，防化研究院的张松寿等一批学 者在此方面做了大量工作。 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 2 3车载核事故应急监测系统 车载核事故应急监测系统是目前用的比较多的一种移动监测方式，与航 空应急监测系统相比成本低很多，应付中小范围内陆地核事故应急已经够用， 在环境监测中已经得到了广泛应用。 中国防化研究院自行设计、研制、生产的具有自主知识产权的移动辐射 监测车由电力驱动，利用g p s 精确定位测量点坐标，对不同等级的热点实施 喷黄、红警戒色剂，采用大面积塑料闪烁体，具有灵敏度高、探测效率高、 能谱响应高、性能可靠的优点，可广泛应用于监测各种路面的放射性沾染情 况，适用于核辐射恐怖事件的应急响应2 3 。 1 2 4 核聚变装置监测系统 核聚变装置在放电实验期间会产生高能中子和射线等辐射，部分辐射会 通过生物屏蔽物透射或天空反散射而到达工作场所或者环境。国内设计并实 现了可用于全范围( 近、中、远程三种应用条件) 中子和光子辐射、计算机集 中监控系统( r m s ) ，包括对工作场所进行监测的c a n 系统、对远程环境进行 监测的移动g p r s 无线网络系统等n 刀。 1 3 论文研究方法和内容 1 3 1 论文研究方法 本论文的研究方法是通过b h 31 0 3 b 便携式h 剂量率测量仪器测量放 射源辐射场或环境本底，然后通过无线模块z f 0 2 与其相连，把测量到的数 据无线发射出去，传输到另一端的接收模块上，而接收模块与微机相连，这 样，微机就能接收到测量的辐射场数据，并对这些数据进行误差分析和处理。 在研究中主要使用两种方法进行，即系统设计和示范试验。 5 哈尔滨t n 大学硕+ 学位论文 1 3 2 论文研究内容 本论文研究主要内容： 1 、闪烁探测器x 吖辐射信号生成与特性。 2 、无线传输系统的设计与实验。 3 、数据的误差分析与处理。 本课题研究的系统由探测系统、传输系统、纪录及处理系统组成，以实 现对辐射场数据的采集、无线传输和数据处理。 探测系统是由b h 3 1 0 3 b 便携式x 吖剂量率仪及放射源组成。b h 3 1 0 3 b 便携式x 吖剂量率仪由n a i ( t i ) 闪烁计数器探头和单片机组成，单片机的作用 是将闪烁计数器探测到的计数值转化成剂量值，再除以时间得到剂量率值， 整个探测系统的作用是测量辐射场的剂量率或环境本底。 传输系统采用的是上海兆福公司生产的z f 0 2 无线数据传输模块，该模 块的传输距离为室内1 0 0 米，室外空旷地8 0 0 米。参照b h 3 1 0 3 b 便携式x - y 剂量率仪使用说明书和z f 0 2 无线数据传输模块使用说明书以及数据处理的 相关资料，研究该模块如何应用于辐射场或环境本底的放射性剂量，该模块 与单片机和电脑的连接是本论文的难点，电脑的接收程序和接收码也是我们 研究的问题之一。 数据处理采用的是m i c r o s o f te x c e l 办公软件，它具有强大的数据处理、 数据分析能力，提供了丰富的数据处理函数和数据分析工具。利用该工具可 实现对大量数据的快速处理，包括残差、期望和方差的计算，粗大误差的剔 除，线性误差的矫正，以及整体系统误差有无的判断等，对整个实验结果的 分析具有重要意义。 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章 闪烁探测器x 丫辐射信号生成与特性 闪烁探测器是一种将闪烁体对于电离辐射灵敏的元件，直接或通 过光导与光敏器件( 例如一个或多个光电倍增管) 光耦合组成的核辐射探测 器。通常，闪烁体和光电倍增管都装在一个避光暗盒中1 。见图2 1 。 图2 1 闪烁探测器原理结构示意图 闪烁探测器主要由两个探测元件即闪烁体和光电倍增管组成，这种组合 部件习惯上叫“闪烁探头”。 闪烁探测器的工作过程： 1 、射线进入到闪烁体中与闪烁体相互作用，使闪烁体的原子、分子电 离和激发。 2 、被电离、激发的原子、分子退激时，一部分电离、激发能量以光辐 射的形式释放出来，形成闪烁。 3 、闪烁光的一部分被收集到光电倍增管的光阴极上。 4 、光子被光电阴极吸收后，发射出光电子。 5 、光电子在光电倍增管中倍增，倍增的电子束在阳极上被收集，产生 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输出信号。 2 1闪烁体 以化学结构分，闪烁体可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。 1 、无机闪烁体。常用的无机闪烁体有n a l ( t i ) ，c s i ( t i ) 和z n s ( a g ) 等晶体，其中括号内的t i 和a g 是掺入晶体的杂质，称为激活剂。 2 、有机闪烁体。有机闪烁体大部分是芳香族碳氢化合物，如蒽( c ho ) 晶体，芪晶体( c 。h 。) 等。 2 1 1闪烁体的发光机制 1 、无机闪烁体的发光机制 无机固体闪烁体大都是离子型晶体，其能带结构分别为导带、满 带、价带、激带及禁带。禁带宽度隆是区分物体导电性的关键指标，e g 0 1 e v 为导体，e g 在0 6 6 2 5 e v 之间为半导体，e g 3 e v 为绝缘体。n a i ( t 1 ) 的e g = 7 3 e v ，属于绝缘晶体c 1 5 3 。 对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子电离和激发。受激原子可 以产生在晶格中自由运动的自由电子和空穴，电子也可能跃迁到较低的激 带，这时产生的电子一空穴对称之为激子，激子只能在晶格中束缚在一起 运动。导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以 受热运动而变成自由电子一空穴对。 退激过程将可能发出光子，也可能变成晶格振动而不发光。对于纯离 子晶体，退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输到晶体外的光子很少。 为了使闪烁体发射的光子不被其自身吸收，通常在晶体中掺入少量杂质， 这些被称为“激活剂 的杂质在晶格中形成特殊的晶格点，并在禁带中形 成一些局部能级。由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离能，原子受激 产生的电子、空穴将迅速迁移到杂质能级的激发态和基态，使杂质原子处 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 于激发状态。有三种可能的退激方式： ( 1 ) 电子从激发态立即跳回基态，发射出光子，发光的衰减时间通常 在1 0 。7 s 以内，称为“荧光”。 ( 2 ) 电子把激发能转换为晶格的振动( 热运动) 而到达价带，并不发射 光子，这种过程称为“淬灭过程 。 ( 3 ) 激发态处于一种亚稳态，电子可以在此态保持一段较长的时间，像 陷阱一样。这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，然后 再通过发射光子而退激，因而发光的衰减时间较长，称之为“磷光”。 2 、有机闪烁体的发光机制 有机晶体分子之间相互作用弱，是分子晶体，分子内原子之间的相互 作用仍较强，由于原子间振动，其相互位置变化形成振动能级，当电子由 入射射线获得一定的能量，由基态激发至激发态后，先通过无辐射的跃迁 至最低的振动能级，然后再跃迁回基态。有机晶体的发光主要是由于分子 自己的能量状态改变而引起的，是分子的固有性质，不须像无机晶体那样 加入激活剂。 2 1 2 闪烁体的主要特征 l 、发光光谱1 6 3 闪烁体受核辐射照射时所发射的荧光不是单色的，且不同波长的光子 数目也不一样。光子数随波长的分布曲线称为闪烁体的发光光谱。选用的 闪烁体的发光光谱要与所用光电倍增管的光谱响应相匹配，才能在光阴极 上产生较多的光电子。 2 、发光效率 发光效率e 是指闪烁体发出的荧光光子的总能量与它所吸收的射线能 量之比，也即将其吸收的射线能量转变为光的本领。 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 s ：e l 么 e n 式中：e , - - - 一闪烁体发光光子的总能量； e o - 一闪烁体吸收射线的能量。 愈大，发光效率愈高。 3 、发光衰减时间 激发的原子( 或分子) 退激发光不是在同一时刻进行的， 的退激是有先有后的，从而使发光有一段持续时间。 一t ， n ( t ) = n ( o ) e r o 式中：n ( 0 ) 一t = 0 时刻受激的能发光的原子数目； 发光衰减时间。 已退激发出的光子数 - t ， p ( t ) = ( o ) 一( ，) = ( 0 ) ( 1 一e 。) 当，= 时，已退激发出的光子数为 p ( r o ) = 0 6 3 n ( 0 ) ( 2 1 ) 每个激发态 即f 。是发射出全部光子数的6 3 所需要的时间称为发光衰减时间。 2 2 光电倍增管 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 光电倍增管的作用是将闪烁体发出的微弱闪光转换成电信号，并且放 大1 0 5 、1 0 8 倍。 l o 哈尔滨t r y 大学硕+ 学位论文 2 2 1 光电倍增管的主要部件 1 、光阴极 它是接收光子并放出光电子的电极。光阴极材料很多，常用的多为 s b c s ( 单碱金属) 或k - c s s b ( 双碱金属) 等，当光射入到光阴极上就产 生光电效应而打出光电子，光阴极的好坏直接影响光电倍增管的灵敏度。 2 、倍增极 又称打拿极或联极，它是进行电子倍增的电极系统，有聚焦型和非聚 焦型两种。通常也是用s b - c s ，k - c s - s b 等化合物蒸发在镍等金属材料上制 成，倍增极的数目一般可从几个到十几个，每级倍增因子万= 4 6 。 3 、阳极 阳极是最后收集电子并给出输出信号的电极，常用电子电离功较大的 材料，如镍、钼、铌等制成。 2 2 2 光电倍增管的主要特性 l 、光阴极的光谱响应 光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，称为光谱响应。 不同的光阴极材料和不同的窗材料，有不同的光谱响应曲线。 2 、光阴极光照灵敏度 它是衡量光电转换性能的另一个宏观定义。它表示光阴极产生的电流 ( 单位ha ) 与入射光通量f ( 单位l m ) 之比，也就是入射一流明光通量时， 光阴极给出的电流值。 3 、放大倍数m 光阴极发射一个电子，到达第一倍增极经各倍增极多次倍增后在阳极 得到的电子数目即为倍增系数m 。 4 、暗电流和本底脉冲 即使完全没有光照，只要给光电倍增管加上工作电压，在阳极回路仍 1 l 哈尔滨工- 们4 1 e 人学硕十学位论文 会有微弱的电流输出，该电流称为暗电流。引起暗电流的主要因素有热发 射、光反馈和离子反馈等。 使用光电倍增管时，降低管子的工作温度和工作电压，保持管子管座 的清洁和干燥，将有助于本底脉冲的数目和幅度的减少。 2 2 3 使用中的几个问题 1 、高压电源 供给光电倍增管的高压电源，根据使用需要可以采用正高压或负高压。 一般为几百v 至千v ，但阴极至阳极电压必须是递增的。 当采用正高压电源时，在阳极上需使用耐高压噪声小的隔直电容。若 采用负高压时，阳极输出不需要隔直电容，可用于直流测量，但因光阴极 接负高压，要防止光阴极外壳玻璃与探头屏蔽外壳相碰( 因屏蔽外壳是接地 的) ，为了稳定工作，两者至少要相距1 - 2 c m 。 2 、分压器 光电倍增管中各倍增极的电位由外加电阻分压器抽头供给。 分电压的阻值取决于管子的用途。当用于能量测量时，一般通过分压 器的直流电流比信号的脉冲电流大得多，以免信号电流在极间流过时影响 两极间电压的稳定性；而且光阴极与第一倍增极间要有适当强的电场，以 保证有效地收集光电子。 若用于粒子数测量时，分压器电流可取小些，这样可以降低高压电源 的供电电流。 3 、最末几级倍增级的电容 为了避免最后几个联极上的脉冲电流过大使极间电压不稳定，常在分 压电阻上并联旁路电容，因电容上电压不能突变，加上它后可使信号电流 对极间电压影响减少，通常加0 0 11 1f 电容即可。 4 、光屏蔽 光电倍增管所能接受的光是很弱的，故光电倍增管不能在漏光情况下 1 2 哈尔滨t 程火学硕+ 学位论文 使用，因为强的光入射，将因电流过大使光阴极、倍增极疲劳，从而丧失 发射电子的能力以至管子不能使用，故光电倍增管必须放在对光密封的外 壳内，才能加上工作电压使用。 5 、电磁屏蔽 当在电磁场中使用时，为了减少电磁场对光电倍增管工作的干扰，加 用一块坡莫合金屏蔽套，其电位和阴极电位同，它既可以屏蔽电场又可以 屏蔽磁场影响。但当使用负高压时，屏蔽套切不可与接地的光屏蔽外壳接 触，要注意安全。 2 3 闪烁探测器的本征电流 如果光电倍增管的电子渡越时间与闪烁体的荧光衰退时间相比很小， 则闪烁探测器的本征电流随时间的变化将由闪烁体的荧光衰减时间的变化 规律决定。 ( f ) = n ( o ) e a t ， 光电倍增管的阳极电流可由下式表示： 一f i ( t ) = j o e 7 。 由于， k 渺：o n op a t ：编：n m p 由此得到， f ( f ) = ( n m e r o ) e 7 。 ( 2 5 ) 一f 式中：n 一个带电离子在闪烁体内产生的光子在光阴极转换成光电子的 数目； m 光电倍增管的倍增系数； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一闪烁体的荧光衰减时间； e - - 一一1 6 1 0 1 9 c 。 2 4 本章小结 本章系统地介绍了闪烁探测器的结构组成及其工作原理，并对其闪烁 体、光电倍增管等组成器件进行了较为详细地说明，为x y 环境剂量仪器 的使用提供了较为扎实的理论基础。 比较理想的闪烁体应具有以下性质：( 1 ) 将带电粒子动能转变成荧光 光子的效率高，即高的发光效率：( 2 ) 入射带电粒子损耗的能量与产生的 荧光光子数具有良好的线性关系；( 3 ) 闪烁体介质对自身发射的光是透明 的，即其发射谱与吸收谱不应该有明显的重叠；( 4 ) 入射粒子产生的闪光 持续时间，即闪烁体的发光衰减时间要尽量短，以便能更快产生输出信号， 获得好的时间响应；( 5 ) 合适的折射率和良好的加工性能。 1 4 哈尔滨：i ：程大学硕士学位论文 帚a - j t 3 章x 一丫辐射场数据无线传输装置设计 3 1设想和基本原则 现在的辐射测量大都需要测量人员到达辐射现场，才能够进行测量， 虽然测量人员有一定的防护措施，如笨重的铅服等，但如果辐射场放射剂 量较大，防护措施只能稍微降低人员受照射剂量，辐射对测量人员的人体 损害还是相当大的。 依据外照射防护的三个基本手段，距离防护，时间防护和屏蔽，采用 尽量增大与放射源的距离的方法，将采集到的辐射场数据实时无线传输， 测量人员只需把监测仪器放置于测量点，即可离开现场，在距离辐射场较 远处接收和处理辐射场数据，这样，测量人员所受辐照剂量将会大大降低， 对于保护测量人员的身体健康具有很大意义。 3 2 技术要求 1 、能够将采集到的辐射场数据实现实时无线传输。 2 、传输距离室内要达到2 0 0 米以上，室外要达到3 0 0 米以上。 3 、较小的外形尺寸，便于携带。 4 、较低的误码率。 3 3方案确定7 ， 根据技术要求和b h 3 1 3 0 b 便携式x - 叫剂量率仪提供的是r s 2 3 2 串行 通信接口的特点，参考经济性的要求，从k y l 3 2 0 1 、y s 1 0 2 0 u 、z f 0 2 等 无线数传模块中选择z f 0 2 无线数传模块。 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图3 1 传输应用框图 3 4 串行通讯的基本原理 串行端口的本质功能是作为c p u 和串行设备间的编码转换器。当数据 从c p u 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据 时，串行的位被转换为字节数据。在w i n d o w s 环境( w i n d o w sn t 、w i n 9 8 、 w i n d o w s 2 0 0 0 等) 下，串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口进 行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求( 打开串口) ，通信 完成后必须释放资源( 关闭串口) n 8 1 。 3 4 1 r s 2 3 2 简介n 明 r s 2 3 2 是个人计算机上的通讯接口之一，通常r s 2 3 2 接口以9 个接脚 ( d b 9 ) 或是2 5 个接脚( d b 2 5 ) 的型态出现，一般个人计算机上会有两个 r s 2 3 2 串口，分别称为c o m l 和c o m 2 。r s 2 3 2 c 标准( 协议) 的全称是 e i a r s 2 3 2 c 标准，其中e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 代表美国电子 工业协会，r s ( r e c o m m e d e ds t a n d a r d ) 代表推荐标准，2 3 2 是标识号，c 代 1 6 哈尔滨：r 程大学硕+ 学位论文 表r s 2 3 2 的最新一次修改( 1 9 6 9 年) ，在这之前，有r s 2 3 2a 、r s 2 3 2b 。 r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、 1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。 r s 2 3 2 c 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将 受此电容限制，例如，采用1 5 0 p f m 的通信电缆时，最大通信距离为1 5 米； 若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是 r s 2 3 2 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此 一般用于2 0 米以内的通信。 串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在 r s 2 3 2 标准的基础上经过改进而形成的。所以，以r s 2 3 2 c 为主来讨论。 r s 3 2 3 c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发的于 1 9 6 9 年公布的通信协议，它适合于数据传输速率在0 - - 2 0 0 0 0 b s 范围内的 通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都 作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与r s 2 3 2 c 制式兼容的通信设备， 因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 r s 2 3 2 c 标准最初是远程通信连接数据终端设备d t e ( d a t at e r m i n a l e q u i p m e n t ) 与数据通信设备d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 而制定 的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又 广泛地被借来用于计算机( 更准确的说，是计算机接口) 与终端或外设之 间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的， 甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对r s 2 3 2 c 标准与计算机 不兼容的地方就不难理解了。 r s 2 3 2 c 标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在d t e 立场上，而 不是站在d c e 的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是c p u 和i o 设备之间传送信息，两者都是d t e ，因此双方都能发送和接收。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 2r s 2 3 2 电气特性 e i a r s 2 3 2 c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在 t x d 和r x d 上：逻辑i ( m a r k ) = 一3 v 1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v , - 一+ 1 5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 3 v 1 5 v 以上规定说明了r s 3 2 3 c 标准对逻辑电平的定义。对于数据( 信息码) ： 逻辑“1 ”( 传号) 的电平低于3 v ，逻辑“0 ”( 空号) 的电平高于+ 3 v ；对于 控制信号；接通状态( o n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v ，断开状态( o f f ) 即信号无效的电平低于3 v ，也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路 可以有效地检查出来，介于3 + 3 v 之间的电压无意义，低于1 5 v 或高于 + 1 5 v 的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在- 4 - ( 3 - - 1 5 ) v 之间。 3 4 3r s 一2 3 2 的接口信号 r s 2 3 2 c 标准接口有2 5 条线和9 条线两种，本次实验使用的是9 针的 串口。它包括2 个数据信号：发送t x d ；接收r x d 。1 个信号地线：g n d 。 6 个控制信号。9 针串行1 3 的针脚功能：1 是载波检测( d c d ) ，2 是接收数 据( i 磷d ) ，3 是发出数据( t x d ) ，4 是数据终端准备好( d t r ) ，5 是信号地线 ( g n d ) ，6 是数据准备好( d s r ) ，7 是请求发送( r t s ) ，8 是清除发送( c t s ) ， 9 是振铃指示( 砒) 。 1 、d c d & 拌0 ；& 拌o ；数据载波检出，d a t ac a r r i e rd e t e c t i o n 当本地d c e 设 备( m o d e m ) 收到对方的d c e 设备送来的载波信号时，使d c d 有效，通 知d t e 准备接收，并且由d c e 将接收到的载波信号解调为数字信号，经 船线送给d t e 。 1 8 哈尔滨丁程火学硕士学位论文 图3 2r s 一2 3 2 的接口顺序 2 、接收数据( r e c e i v e dd a t a r x d 卜通过r x d 线终端接收从m o d e m 发来的串行数据，( d c e - - d t e ) 。数据装置准备好( d a t as e tr e a d y d s r 卜 有效时( o n ) 状态，表明m o d e m 处于可以使用的状态。 3 、发送数据( t r a n s m i t t e dd a t a - t x d _ 卜通过t x d 终端将串行数据发送 到m o d e m ，( d t e - - * d c e ) 。 4 、 d t r & 拌0 ；& # 0 ；数据终端( d t e ，即微机接口电路，如i n t e l 8 2 5 0 8 2 5 1 ，1 6 5 5 0 ) 准备好，d a t at e r m i n a lr e a d y 。数据终端准备好有效时( o n ) 状态，表明数据终端可以使用。d t r 与d s r 这两个信号有时连到电源上， 一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并 不说明通信电路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制 信号决定。 5 、地线有两根线s g 、p g 信号地和保护地信号线，无方向。 6 、 d s r & 挣0 ；& # o ；数传机( 即m o d e m ) 准备好，d a t as e tr e a d y 。 7 、 r t s & # 0 ；& # 0 ；d t e 请求d c e 发送( r e q u e s tt os e n d 卜用来表示 d t e 请求d c e 发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效( o n 状 态) ，向m o d e m 请求发送。它用来控制m o d e m 是否要进入发送状态。 8 、允许发送( c l e a rt os e n d c t s ) 用来表示d c e 准备好接收d t e 发来的数据，是对请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 已准备好接 收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送 数据线t x d 发送数据。这对r t s c t s 请求应答联络信号是用于半双工 m o d e m 系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送 方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 要r t s c t s 联络信号，使其变高。 9 、r i & 拌o ；& 0 ；振铃信号r i n g i n g 当d c e 收到交换机送来的振铃呼叫信 号时，使该信号有效，通知d t e 已被呼叫。 上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过 程。例如，只有当d s r