一种适用于舰艇环境的核辐射剂量仪

刘大海，赵建兴，周春芝，李海俊

(国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205)

0 引 言

本文设计的适用于舰艇环境的核辐射剂量仪主要考虑功用性，兼顾环境适应性和操作便利性等因素。功用性指该仪器的功能特点、用途及其性能指标，即以测量个人累积剂量[1]为主、测量环境剂量率为辅，通常以测量γ辐射剂量为主（具有实时监测和超阈值报警功能），也兼顾极端情况下（如遭受核恐怖袭击或核动力装置事故）的中子剂量测量[2]，以便为辐射伤员救治提供依据[3]；环境适应性指满足舰载装备要求，尤其是抗盐雾腐蚀性能，因此要具有良好的密封性；操作便利性指仪器在舰艇局部环境中的固定方式及人员佩戴方式所带来的影响，如本设计采用主机（测量仪）、剂量计分体方式：测量仪可固定或由相关人员手持操作，进行γ剂量率测量；个人剂量计采用腕式佩戴或系于合适部位，用于测量人员瞬发γ和中子剂量。

1 仪器组成

2 仪器设计

2.1 硬件设计

2.1.1 剂量计设计

剂量计佩戴于受测人员腕部，累积记录核辐射γ剂量和中子剂量。其内部的剂量信息需要通过插入测读卡座并连接到测量仪，由测量仪自动读取、处理并显示结果。

每只剂量计由场效应管γ剂量探测器、宽基硅中子剂量探测器、数据存储器、温度传感器、电池等组成，这些元件均连接至专用密封接口同测量仪进行数据交换。其构成如图2所示。

图2 剂量计构成框图Fig.2 Block diagram of dosimeter composition

场效应管γ剂量探测器、宽基硅中子剂量探测器分别用于记录个人所受的核辐射γ剂量和中子剂量。数据存储器采用DS24B33，用于存储个人信息及探测器相关的测量结果、刻度因子等参数。温度传感器采用DS18B20，用于记录测读探测器时的温度信息，以便对探测器进行温度补偿修正。DS24B33和DS18B20均为“一线总线”的数字传输方式，不仅节省硬件资源，而且提高系统可靠性，适于恶劣环境的数据存取及现场温度测量。

2.1.2 测量仪设计

测量仪用于实时测量环境γ剂量率和累积剂量、测读剂量计中记录的核辐射γ剂量和中子剂量[4]，存储并可通过USB接口向安装在微机中的数据分析处理软件上传剂量信息。主要由主控单元、半导体探测器单元、计数管探测单元、输入输出单元、电源分配单元等部分组成，其结构关系如图3所示。

1）主控单元

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主控单元主要由微处理器MCU硬件子系统和运行在其中的嵌入式软件组成，用于完成辐射信号的采集处理与存储、各单元电路的电源管理、键控信息处理、测读剂量计及其数据传输等功能。

MCU选用STM32系列32位闪存微处理器，具有高性能的Cortex-M3内核，采用uCOS-II嵌入式操作系统，它是一种基于优先级的抢占式的多任务实时操作系统，满足便携式、低功耗、多功能且具有良好性价比的嵌入式仪器设计需求。

图3 测量仪工作原理示意图Fig.3 Schematic diagram of measuring instrument composition

2）半导体探测单元。

半导体探测单元主要用于测量核辐射γ和中子累积剂量，包括场效应管γ剂量探测器、宽基硅中子剂量探测器、数据存储器、温度传感器、偏置电压电路、模拟开关及数据采集电路。其中场效应管γ剂量探测器、宽基硅中子剂量探测器、数据存储器、温度传感器、偏置电压电路（电池）均与剂量计相同，安装在测量仪内部主要是保证测量仪单独使用时保证功能完整性，并弥补G-M计数管遇到超高γ剂量率出现饱和而无法正常响应的不足。

模拟开关用于控制测量探测器时恒定电流的通断及时序，从而实现脉冲供电。采用该供电方法，可有效减弱由于半导体材料温度效应带来的影响，因为在连续的电流注入时，会导致探测器局部温度升高使测量电压漂移，严重影响探测器的稳定性。模拟开关采用MAX4662，具有纳秒级的开关速度和很小的导通电阻（约2.5 Ω），有利于提高测量速度与精度。

数据采集电路，用于测量探测器的输出电压信号，将电压的模拟量转换为数字量，进而由主控模块进行分析和处理。选用的ADS1247具有极低功耗与噪声的精密24位模数转换器，实现仪器的高精度测量。

3）计数管探测单元

计数管探测单元用于测量环境γ剂量率及剂量。主要由高、低量程计数管、量程切换电路、高压电路及信号整形电路组成。

高、低量程计数管为辐射探测元件，其中低量程计数管选用本单位研制的GJ4402型G-M计数管探测器，高量程计数管采用GJ4406型G-M计数管探测器，两者组合可实现0.1 μGy/h～10 Gy/h大动态范围的γ剂量率测量。

4）输入输出单元

输入输出单元包括OLED（氧化物发光二级管）点阵显示屏、按键、数据接口（USB接口和测读剂量计的专用电缆接口）。

图4 电源分配示意图Fig.4 Schematic diagram of measuring instrument composition

5）电源分配单元

电源分配单元为各功能电路提供电源，可由主控单元按所需时序实时控制，其结构图如图4所示。

测量仪采用4节5号干电池供电，系统可自动检测并显示电池电量，也可借助专用电缆从标准USB端口取电。内置备用电源给时间计数器供电避免时钟错乱。

采取单独供电方式可以有效降低整机功耗，例如仪器中耗电量最大的部件OLED显示屏和ADS1247模数转换单元仅在其工作时供电，还可起到隔离系统噪声、提高转换精度的作用。

2.2 软件设计

2.2.1 测量仪嵌入式软件设计

测量仪嵌入式软件流程图如图5所示。开机初始化后进入节电方式并进行数据显示，需要与计算机通信时启动USB数据传输功能，有按键按下时进行设置参数等操作。当有剂量计插入时转剂量计测读程序并启动脉冲供电测量程序，依次测读剂量计人员编号、场效应管γ剂量探测器、中子剂量探测器及其温度值并进行数据计算、温度补偿、剂量转换、存储和显示；如果没有剂量计插入，直接测量计数管探测器获取剂量率数据，如无结果超阈值，则转入循环显示，如有结果超阈值，则转声光报警直至人为干预。

图5 测量软件流程图Fig.5 Flowchart of measuring instrument embedded software

2.2.2 数据分析处理软件设计

数据分析处理软件用于获取测量仪数据，并建立人员信息、测量数据的数据库，可对所存数据进行分析、统计和管理。其主要功能模块如图6所示。

图6 数据分析处理软件功能模块Fig.6 Data analysis and processing software function module

用户权限管理包括系统登录、权限控制、密码修改3个模块，用于区分用户性质，给其分配数据查看和管理的权限；数据通信由数据发送、数据接收、数据解析3个模块组成，用于和测量仪的数据传输；测量数据文件处理将测量仪传来的数据形成文件，便于管理；数据库管理由数据管理、数据维护、大剂量数据管理、报表管理这4个模块组成，用于数据的增删、检索、分析和形成报表。

2.3 结构设计

综合仪器功能设计、安装固定、人员佩戴便利性及其环境适应性等多重因素，设计的核辐射剂量仪外观如图7所示。

测量仪显示屏采用OLED192×80点阵的单色、图形显示模块，充分考虑电磁兼容和整机密封性设计，采用异形密封圈解决了测量仪电池仓、显示屏、按键、后盖和剂量计侧面多触点接插件等的密封难题，从而满足舰载仪器对浸渍、盐雾和–40 ℃～+50 ℃环境条件下的苛刻要求。人机界面力求简捷，采用“开关”、“返回”、“上”、“下”四只按键，即可满足仪器功能设置需求。

图7 核辐射剂量仪外观Fig.7 Appearance of nuclear radiation dosimeter

配套设计了带有定位机构及弹性触点的剂量计测读卡座，能够实现快速准确测读剂量计数据并向剂量计中的存储器写入参数信息。

3 性能试验结果

在样机鉴定试验过程中，先后对核辐射测量性能、环境适应性、可靠性、维修性、电磁兼容性、数据通信及软件性能进行了测试和检验。为便于了解新型核辐射剂量仪的性能特点，与美国同类仪器AN/UDR-13核辐射剂量仪进行基本性能比对，结果如表1所示。

表1 与国外同类仪器基本性能比较结果Tab.1 Comparison results of the basic performance with similar foreign instruments

从表中可以看出，与AN/UDR-13型核辐射剂量仪相比，本仪器在能量响应、测量量程、显示精度、工作时间、可靠性指标等性能方面具有明显优势，尤其是剂量计与测量仪相互独立，实现了剂量计袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地减轻人员佩戴负荷和降低成本（约为国外同类仪器的1/5）以增大仪器覆盖面，且测量仪除了能够大量测读剂量计外，还具有便携式辐射仪的高灵敏、宽量程及实时报警功能。

4 结 语

本文简述了一种针对舰艇环境设计的核辐射剂量仪的原理和性能特点，通过试验与国外同类仪器AN/UDR-13型核辐射剂量仪进行比对，结果表明：本仪器在能量响应、测量量程、显示精度、工作时间、可靠性指标等性能方面具有明显优势，其主要特点是剂量计与测量仪相互独立，实现了个人剂量测量袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地减轻人员佩戴负荷和降低成本以增大监测覆盖面。因此，该仪器不仅能用于固定场所环境γ辐射或由人员携带实时测量γ剂量率和累积剂量并进行超阈值报警，也可用来快速测读剂量计（能够记录瞬发γ和中子剂量），作为辐射伤情评估的参考依据。经过强化电磁兼容和整机密封性设计后，能够适应舰载条件下进行环境及人员的核辐射剂量监测。