一種適用于艦艇環(huán)境的核輻射劑量?jī)x

劉大海，趙建興，周春芝，李?？?/p>

(國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205)

0 引 言

本文設(shè)計(jì)的適用于艦艇環(huán)境的核輻射劑量?jī)x主要考慮功用性，兼顧環(huán)境適應(yīng)性和操作便利性等因素。功用性指該儀器的功能特點(diǎn)、用途及其性能指標(biāo)，即以測(cè)量個(gè)人累積劑量[1]為主、測(cè)量環(huán)境劑量率為輔，通常以測(cè)量γ輻射劑量為主（具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和超閾值報(bào)警功能），也兼顧極端情況下（如遭受核恐怖襲擊或核動(dòng)力裝置事故）的中子劑量測(cè)量[2]，以便為輻射傷員救治提供依據(jù)[3]；環(huán)境適應(yīng)性指滿足艦載裝備要求，尤其是抗鹽霧腐蝕性能，因此要具有良好的密封性；操作便利性指儀器在艦艇局部環(huán)境中的固定方式及人員佩戴方式所帶來的影響，如本設(shè)計(jì)采用主機(jī)（測(cè)量?jī)x）、劑量計(jì)分體方式：測(cè)量?jī)x可固定或由相關(guān)人員手持操作，進(jìn)行γ劑量率測(cè)量；個(gè)人劑量計(jì)采用腕式佩戴或系于合適部位，用于測(cè)量人員瞬發(fā)γ和中子劑量。

1 儀器組成

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 劑量計(jì)設(shè)計(jì)

劑量計(jì)佩戴于受測(cè)人員腕部，累積記錄核輻射γ劑量和中子劑量。其內(nèi)部的劑量信息需要通過插入測(cè)讀卡座并連接到測(cè)量?jī)x，由測(cè)量?jī)x自動(dòng)讀取、處理并顯示結(jié)果。

每只劑量計(jì)由場(chǎng)效應(yīng)管γ劑量探測(cè)器、寬基硅中子劑量探測(cè)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、溫度傳感器、電池等組成，這些元件均連接至專用密封接口同測(cè)量?jī)x進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 劑量計(jì)構(gòu)成框圖Fig.2 Block diagram of dosimeter composition

場(chǎng)效應(yīng)管γ劑量探測(cè)器、寬基硅中子劑量探測(cè)器分別用于記錄個(gè)人所受的核輻射γ劑量和中子劑量。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用DS24B33，用于存儲(chǔ)個(gè)人信息及探測(cè)器相關(guān)的測(cè)量結(jié)果、刻度因子等參數(shù)。溫度傳感器采用DS18B20，用于記錄測(cè)讀探測(cè)器時(shí)的溫度信息，以便對(duì)探測(cè)器進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。DS24B33和DS18B20均為“一線總線”的數(shù)字傳輸方式，不僅節(jié)省硬件資源，而且提高系統(tǒng)可靠性，適于惡劣環(huán)境的數(shù)據(jù)存取及現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。

2.1.2 測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x用于實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境γ劑量率和累積劑量、測(cè)讀劑量計(jì)中記錄的核輻射γ劑量和中子劑量[4]，存儲(chǔ)并可通過USB接口向安裝在微機(jī)中的數(shù)據(jù)分析處理軟件上傳劑量信息。主要由主控單元、半導(dǎo)體探測(cè)器單元、計(jì)數(shù)管探測(cè)單元、輸入輸出單元、電源分配單元等部分組成，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

1）主控單元

我迅速逃離了那座彌漫著死亡氣息的城市，我是個(gè)懦弱的人，我甚至沒有勇氣去打探黃梁是怎么死的，是自殺，是意外，抑或疾病。

主控單元主要由微處理器MCU硬件子系統(tǒng)和運(yùn)行在其中的嵌入式軟件組成，用于完成輻射信號(hào)的采集處理與存儲(chǔ)、各單元電路的電源管理、鍵控信息處理、測(cè)讀劑量計(jì)及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

MCU選用STM32系列32位閃存微處理器，具有高性能的Cortex-M3內(nèi)核，采用uCOS-II嵌入式操作系統(tǒng)，它是一種基于優(yōu)先級(jí)的搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，滿足便攜式、低功耗、多功能且具有良好性價(jià)比的嵌入式儀器設(shè)計(jì)需求。

圖3 測(cè)量?jī)x工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring instrument composition

2）半導(dǎo)體探測(cè)單元。

半導(dǎo)體探測(cè)單元主要用于測(cè)量核輻射γ和中子累積劑量，包括場(chǎng)效應(yīng)管γ劑量探測(cè)器、寬基硅中子劑量探測(cè)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、溫度傳感器、偏置電壓電路、模擬開關(guān)及數(shù)據(jù)采集電路。其中場(chǎng)效應(yīng)管γ劑量探測(cè)器、寬基硅中子劑量探測(cè)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、溫度傳感器、偏置電壓電路（電池）均與劑量計(jì)相同，安裝在測(cè)量?jī)x內(nèi)部主要是保證測(cè)量?jī)x單獨(dú)使用時(shí)保證功能完整性，并彌補(bǔ)G-M計(jì)數(shù)管遇到超高γ劑量率出現(xiàn)飽和而無法正常響應(yīng)的不足。

模擬開關(guān)用于控制測(cè)量探測(cè)器時(shí)恒定電流的通斷及時(shí)序，從而實(shí)現(xiàn)脈沖供電。采用該供電方法，可有效減弱由于半導(dǎo)體材料溫度效應(yīng)帶來的影響，因?yàn)樵谶B續(xù)的電流注入時(shí)，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器局部溫度升高使測(cè)量電壓漂移，嚴(yán)重影響探測(cè)器的穩(wěn)定性。模擬開關(guān)采用MAX4662，具有納秒級(jí)的開關(guān)速度和很小的導(dǎo)通電阻（約2.5 Ω），有利于提高測(cè)量速度與精度。

數(shù)據(jù)采集電路，用于測(cè)量探測(cè)器的輸出電壓信號(hào)，將電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)而由主控模塊進(jìn)行分析和處理。選用的ADS1247具有極低功耗與噪聲的精密24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)儀器的高精度測(cè)量。

3）計(jì)數(shù)管探測(cè)單元

計(jì)數(shù)管探測(cè)單元用于測(cè)量環(huán)境γ劑量率及劑量。主要由高、低量程計(jì)數(shù)管、量程切換電路、高壓電路及信號(hào)整形電路組成。

高、低量程計(jì)數(shù)管為輻射探測(cè)元件，其中低量程計(jì)數(shù)管選用本單位研制的GJ4402型G-M計(jì)數(shù)管探測(cè)器，高量程計(jì)數(shù)管采用GJ4406型G-M計(jì)數(shù)管探測(cè)器，兩者組合可實(shí)現(xiàn)0.1 μGy/h～10 Gy/h大動(dòng)態(tài)范圍的γ劑量率測(cè)量。

4）輸入輸出單元

輸入輸出單元包括OLED（氧化物發(fā)光二級(jí)管）點(diǎn)陣顯示屏、按鍵、數(shù)據(jù)接口（USB接口和測(cè)讀劑量計(jì)的專用電纜接口）。

圖4 電源分配示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring instrument composition

5）電源分配單元

電源分配單元為各功能電路提供電源，可由主控單元按所需時(shí)序?qū)崟r(shí)控制，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

測(cè)量?jī)x采用4節(jié)5號(hào)干電池供電，系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)并顯示電池電量，也可借助專用電纜從標(biāo)準(zhǔn)USB端口取電。內(nèi)置備用電源給時(shí)間計(jì)數(shù)器供電避免時(shí)鐘錯(cuò)亂。

采取單獨(dú)供電方式可以有效降低整機(jī)功耗，例如儀器中耗電量最大的部件OLED顯示屏和ADS1247模數(shù)轉(zhuǎn)換單元僅在其工作時(shí)供電，還可起到隔離系統(tǒng)噪聲、提高轉(zhuǎn)換精度的作用。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 測(cè)量?jī)x嵌入式軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x嵌入式軟件流程圖如圖5所示。開機(jī)初始化后進(jìn)入節(jié)電方式并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，需要與計(jì)算機(jī)通信時(shí)啟動(dòng)USB數(shù)據(jù)傳輸功能，有按鍵按下時(shí)進(jìn)行設(shè)置參數(shù)等操作。當(dāng)有劑量計(jì)插入時(shí)轉(zhuǎn)劑量計(jì)測(cè)讀程序并啟動(dòng)脈沖供電測(cè)量程序，依次測(cè)讀劑量計(jì)人員編號(hào)、場(chǎng)效應(yīng)管γ劑量探測(cè)器、中子劑量探測(cè)器及其溫度值并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、溫度補(bǔ)償、劑量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和顯示；如果沒有劑量計(jì)插入，直接測(cè)量計(jì)數(shù)管探測(cè)器獲取劑量率數(shù)據(jù)，如無結(jié)果超閾值，則轉(zhuǎn)入循環(huán)顯示，如有結(jié)果超閾值，則轉(zhuǎn)聲光報(bào)警直至人為干預(yù)。

圖5 測(cè)量軟件流程圖Fig.5 Flowchart of measuring instrument embedded software

2.2.2 數(shù)據(jù)分析處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析處理軟件用于獲取測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)，并建立人員信息、測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，可對(duì)所存數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和管理。其主要功能模塊如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)分析處理軟件功能模塊Fig.6 Data analysis and processing software function module

用戶權(quán)限管理包括系統(tǒng)登錄、權(quán)限控制、密碼修改3個(gè)模塊，用于區(qū)分用戶性質(zhì)，給其分配數(shù)據(jù)查看和管理的權(quán)限；數(shù)據(jù)通信由數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析3個(gè)模塊組成，用于和測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)傳輸；測(cè)量數(shù)據(jù)文件處理將測(cè)量?jī)x傳來的數(shù)據(jù)形成文件，便于管理；數(shù)據(jù)庫管理由數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)維護(hù)、大劑量數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理這4個(gè)模塊組成，用于數(shù)據(jù)的增刪、檢索、分析和形成報(bào)表。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合儀器功能設(shè)計(jì)、安裝固定、人員佩戴便利性及其環(huán)境適應(yīng)性等多重因素，設(shè)計(jì)的核輻射劑量?jī)x外觀如圖7所示。

測(cè)量?jī)x顯示屏采用OLED192×80點(diǎn)陣的單色、圖形顯示模塊，充分考慮電磁兼容和整機(jī)密封性設(shè)計(jì)，采用異形密封圈解決了測(cè)量?jī)x電池倉、顯示屏、按鍵、后蓋和劑量計(jì)側(cè)面多觸點(diǎn)接插件等的密封難題，從而滿足艦載儀器對(duì)浸漬、鹽霧和–40 ℃～+50 ℃環(huán)境條件下的苛刻要求。人機(jī)界面力求簡(jiǎn)捷，采用“開關(guān)”、“返回”、“上”、“下”四只按鍵，即可滿足儀器功能設(shè)置需求。

圖7 核輻射劑量?jī)x外觀Fig.7 Appearance of nuclear radiation dosimeter

配套設(shè)計(jì)了帶有定位機(jī)構(gòu)及彈性觸點(diǎn)的劑量計(jì)測(cè)讀卡座，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確測(cè)讀劑量計(jì)數(shù)據(jù)并向劑量計(jì)中的存儲(chǔ)器寫入?yún)?shù)信息。

3 性能試驗(yàn)結(jié)果

在樣機(jī)鑒定試驗(yàn)過程中，先后對(duì)核輻射測(cè)量性能、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、維修性、電磁兼容性、數(shù)據(jù)通信及軟件性能進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)。為便于了解新型核輻射劑量?jī)x的性能特點(diǎn)，與美國(guó)同類儀器AN/UDR-13核輻射劑量?jī)x進(jìn)行基本性能比對(duì)，結(jié)果如表1所示。

表1 與國(guó)外同類儀器基本性能比較結(jié)果Tab.1 Comparison results of the basic performance with similar foreign instruments

從表中可以看出，與AN/UDR-13型核輻射劑量?jī)x相比，本儀器在能量響應(yīng)、測(cè)量量程、顯示精度、工作時(shí)間、可靠性指標(biāo)等性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是劑量計(jì)與測(cè)量?jī)x相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了劑量計(jì)袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地減輕人員佩戴負(fù)荷和降低成本（約為國(guó)外同類儀器的1/5）以增大儀器覆蓋面，且測(cè)量?jī)x除了能夠大量測(cè)讀劑量計(jì)外，還具有便攜式輻射儀的高靈敏、寬量程及實(shí)時(shí)報(bào)警功能。

4 結(jié) 語

本文簡(jiǎn)述了一種針對(duì)艦艇環(huán)境設(shè)計(jì)的核輻射劑量?jī)x的原理和性能特點(diǎn)，通過試驗(yàn)與國(guó)外同類儀器AN/UDR-13型核輻射劑量?jī)x進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明：本儀器在能量響應(yīng)、測(cè)量量程、顯示精度、工作時(shí)間、可靠性指標(biāo)等性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)是劑量計(jì)與測(cè)量?jī)x相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人劑量測(cè)量袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地減輕人員佩戴負(fù)荷和降低成本以增大監(jiān)測(cè)覆蓋面。因此，該儀器不僅能用于固定場(chǎng)所環(huán)境γ輻射或由人員攜帶實(shí)時(shí)測(cè)量γ劑量率和累積劑量并進(jìn)行超閾值報(bào)警，也可用來快速測(cè)讀劑量計(jì)（能夠記錄瞬發(fā)γ和中子劑量），作為輻射傷情評(píng)估的參考依據(jù)。經(jīng)過強(qiáng)化電磁兼容和整機(jī)密封性設(shè)計(jì)后，能夠適應(yīng)艦載條件下進(jìn)行環(huán)境及人員的核輻射劑量監(jiān)測(cè)。