便携式宽量程辐射监测仪研制

陈元庆，黄清波，刘金尧，黄亮

（核工业航测遥感中心，河北石家庄， 050011）

环境辐射水平监测是整体环境监测中的一项。随着国家经济的发展，核电项目的大量建成，民众对辐射环境的关注度越来越高。现有的便携式辐射监测仪多采用单一探测器，在保证相对固有误差≤10%的情况下，只能测量某一段量程剂量率，无法做到宽量程测量。

便携式宽量程辐射监测仪采用了NaI探测器和盖革计数管的复合双探头结构。其中NaI探测器用于低剂量率测量，盖革计数管用于高剂量率测量，根据辐射强度自动调整量程，复合探测器的量程达到10nSv/h～12Sv/h，达到了宽量程测量的目标。

便携式宽量程辐射监测仪主要应用于在环保、卫生、核工业领域中，是对放射性控制场所，如核电厂区、放射性辐照厂、放射性医疗部门等区域γ剂量率进行监测的设备。该设备可监测特定区域内的γ射线，显示当前的γ剂量率。它还包括一个声响报警部件，当周围剂量当量（率）达到某一预定水平时，能发出声响信号，提醒工作人员注意辐射安全。

1 硬件设计

便携式宽量程辐射监测仪组成框图如图1所示。

图1 辐射监测仪组成框图

每组探测器拥有一套独立的前置放大及分析电路、高压电源和通讯控制系统。将探测器、信号放大、脉冲分析、数据存储等集成一体，缩短模拟信号传输距离，使探测器整体与主机之间的信号传输由传统的模拟信号改为抗干扰能力强的数字信号。

■1.1 探测器

1.1.1 NaI探测器

NaI探测器一般由NaI晶体和光电倍增管（PMT）组成。γ射线与NaI晶体相互作用，使NaI晶体中原子、分子激发，在退激时形成闪烁光。闪烁光被光电倍增管光阴极收集后，发出光电子，经倍增放大后被阳极收集输出电脉冲信号[1]。本仪器采用了直径30mm×50mm的NaI晶体，用于低剂量率测量。

1.1.2 盖革计数管

盖革计数管是一种气体探测器，工作电压在盖革-弥勒区[2]，通常由高压电极和收集电极组成，电极间充惰性气体并外加一定的电压。入射粒子使气体电离，然后收集到电极上，于是在输出回路中形成电信号。本仪器采用M100型盖革计数管，用于高剂量率测量。

■1.2 放大器及脉冲分析器的电路设计

1.2.1 NaI放大器及脉冲分析器

NaI探测器输出的脉冲信号，首先经过一个电容C13，隔离高压；再利用直流稳压电源，稳定信号基线；然后经过一个跟随器U1A，提高输入阻抗；再经过R15、R17、VR1和C15组成的极零相消电路，改善计数率过载和脉冲幅度叠加的效应；再经过运算放大器U1B，提高信号脉冲幅度；最后通过比较器U5A，将脉冲信号转化成数字信号COUNT传输给MCU控制器，其原理图如图2所示。

图2 NaI探测器脉冲分析器原理图

1.2.2 盖革计数管脉冲分析器

盖革计数管输出的电脉冲信号，先通过分压电路R1和R2进行降压，然后再通过N通道MOS管Q1对电脉冲信号进行整形，转化成数字信号SIN传输给MCU控制器，其原理图如图3所示。

图3 盖革计数管脉冲分析器原理图

■1.3 MCU数据处理系统

微处理系统构成了整个仪器的中央控制器，微处理器系统是整个系统的控制处理核心，它的性能直接影响到整个系统的性能。通过系统方案论证，我们选择C8051F120微处理器系统。C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（100MIPS）；真正8位500ksps的AD，带PGA和8通道模拟多路开关；硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；5个通用的16位定时器。它的资源和处理能力完全能够胜任本系统的要求。

■1.4 电源系统

高压电源模块：光电倍增管的工作电压一般为400～1100V，需要一个高压电源供电，通过调节高压输出来控制PMT的脉冲信号幅度。

盖革计数管的高压工作范围为350～500V，工作电压基本固定设置在400V，需要第二个高压电源对其供电。

低压电源模块：低压电源为各电子线路提供+5DCV、+3.3DCV的工作电压。

2 软件设计

软件是所有智能化仪器的思想和灵魂，好的软件能充分发挥硬件电路的性能，同时，软件的功能还体现在简化操作步骤以及弥补硬件的不足，本项目编程语言选用的是C语言。

仪器软件的主要功能是对γ辐射剂量数据的采集、处理、存储和显示等。仪器可以任意设定采集时间；根据辐射强度自动调整量程；定时自动关机；自动存储数据；采用易于操作的触摸LCD屏幕；查询数据或删除数据；测量值超过预设的报警阈值时，发出声响报警。

■2.1 程序结构

便携式宽量程辐射监测仪的程序框图如图4所示，当系统上电或复位后，系统进入控制器初始化工作，同时初始化外设如实时时钟、显示器、读取参数设置等，初始化完成后，程序进入循环等待状态，等待命令响应，比如中断、触摸屏幕等，完成其功能函数。通过触摸屏幕操作来开启测量工作，测量数据自动保存，测量完毕程序将显示本次测量结果。用户可以通过参数设置，来改变系统参数；还可以查阅历史数据，传送回计算机。

图4 辐射监测仪的程序框图

■2.2 测量程序研发

当便携式宽量程辐射监测仪测量工作启动后，先对相关参数和功能模块初始化，然后由信号成形分析电路对脉冲信号进行数据分析处理，选择不同的探测器进行测量，当测量完毕后，把最终测量结果存储并显示在LCD显示屏上。测量程序流程如图5所示。

图5 辐射监测仪测量程序流程图

3 性能测试

本文研究过程中执行的依据主要是《JJG 393-2003 辐射防护用X、γ辐射剂量当量(率)仪和监测仪检定规程》[3]，针对便携式宽量程辐射监测仪整机进行测试。

■3.1 稳定性测试

仪器放置于核工业放射性勘查计量站放射性测量模型标准参考点上，连续测量10h，每组数据的测量时间为300秒。每小时随机抽取一组数据，对10组测量数据进行计算，取其中最大和最小两组数据与10组测量数据的平均值进行比较。NaI探测器稳定性的最大偏差为1.23%，盖革计数管的稳定性最大偏差为0.78%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表1。

表1 稳定性测试

■3.2 角响应测试

仪器预热稳定后，使用137Cs放射源（带有定向限束准直器）进行测试，每个角度测试10次求平均值。NaI探测器角响应的最大变化极限为-3.27%，盖革计数管角响应的变化极限为-5.46%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表2。

表2 角响应测试

■3.3 能量响应测试

3.3.1 NaI探测器能量响应测试

仪器预热稳定后，使用放射源137Cs和X射线机进行测试，测试10次求平均值。NaI探测器能量响应的变化极限为14.70%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表3。

表3 NaI探测器能量响应测试

3.3.2 盖革计数管能量响应测试

仪器预热稳定后，使用放射源137Cs和X射线机进行测试，测试10次求平均值。盖革计数管能量响应的最大变化极限为36.91%，测量结果符合相关规定，测量结果列于表4。

表4 盖革计数管能量响应测试

■3.4 相对固有误差测试

3.4.1 NaI探测器相对固有误差测试

仪器预热稳定后，使用137Cs放射源进行测试，测试10次求平均值，并计算NaI探测器的相对固有误差，其相对固有误差在-3.57%～6.57%之间，测量结果符合相关规定，测量结果列于表5。

表5 NaI探测器相对固有误差测试

3.4.2 盖革计数管相对固有误差测试

仪器预热稳定后，使用137Cs，60Co放射源进行测试，测试10次求平均值，并计算盖革计数管的相对固有误差，其相对固有误差在-8.69%～3.59%之间，测量结果符合相关规定，测量结果列于表6。

表6 盖革计数管相对固有误差测试

4 结论

针对目前核辐射和核安保领域的现场辐射探测的应用要求，研制了一台便携式宽量程辐射监测仪。该仪器采用NaI探测器和盖革计数管，双探测器复合一体化设计,对NaI探测器、盖革计数管以及外围电路和系统软件进行研究，解决了目前单一探测器只能测量某一段量程剂量率的问题。测试结果表明：仪器在10nSv/h～12Sv/h量程范围内线性良好，其相对固有误差＜±10%，角响应和能量响应符合相关规范要求，可方便地运用于各场合的辐射监测工作。