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摘要： 目前的放射性物质监测技术和设备较为单一， 无法满足各行各业的不同需求。为了对放射性物质进行实时监测， 设计了一 款可以对车辆、行人、包裹等为监测对象的通道式放射性监测仪。监测仪主要由 NaI 闪烁体探测器、 ARM 嵌入式系统构成， 整机 利用 AD 完成 PCB电路板设计、 AutoCAD 完成整机外壳的设计和用Keil 5 软件进行程序编写; 利用人机交互软件和蓝牙模块实现远 程在线监测， 并对监测对象进行实时监测。最后对制备好的监测仪进行实时性能检测， 发现其中微量放射性物质， 同时发送报警 信息， 并完成对检测数据的储存。该系统应用对于现代化安检、反恐、维稳、治安防控和管理等工作将会发挥重要的作用， 可有 效预防灾害事故的发生， 对于维护国家安全、社会稳定， 保护民众的生命财产安全， 具有积极和深远的社会意义。
Design of γ-ray Based Channelised Radioactivity Monitors Long Bingxu1. Huang He1. Zhu Zhifu1. Chen Shaojia2. Zou Jijun1. Xing Zongqiang1
( 1. Engineering Research Center of Nuclear Technology Application (East China University of Technology), Ministry of Education,Nanchang 330013. China; 2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences (CAS), Beijing 100049. China)
Abstract: The current technology and equipment for monitoring radioactive substances are relatively homogeneous and cannot meet the different needs of various industries. In order to carry out real-time monitoring of radioactive substances, a channel-type radioactivity monitor that can monitor vehicles, pedestrians, parcels and other objects is designed. The monitor is mainly composed of NaI scintillator detector, ARM embedded system, the whole machine using AD to complete the PCB circuit board design, AutoCAD to complete the design of the machine shell and Keil 5 software for programming; the use of human-computer interaction software and bluetooth module to achieve remote on-line monitoring, and real-time monitoring of the monitoring object . Finally, real-time performance testing is conducted on the prepared monitor, and trace amounts of radioactive substances are found . At the same time, an alarm message is sent and the storage of the detection data is completed. The application of this system will play an important role in modern security check, anti-terrorism, stability maintenance, security control and management, which can effectively prevent the occurrence of disasters and accidents, and has a positive and far-reaching social significance for the maintenance of national security, social stability, and the protection of life and property.
Key words: radioactivity; γ-ray; embedded system; real-time monitoring
0 引言
在当今工业生产中， 放射源被广泛应用于测井[1]、 医疗[2]、辐照加工[3]、科学研究[4] 等部门， 成为这些部门 和行业的不可或缺工具。然而， 这与长期以来放射源监 控工作处于落后的人工监管状态形成鲜明对比[5]。近年 来， 管理不善等原因导致放射源丢失、被盗， 进而引发 多起放射性污染事故[6]， 严重威胁了人民群众的生命健 康。据不完全统计， 从 1954 年以来， 全国共发生 2 000 余起不同程度的辐射事故， 平均每年超过 30 起， 造成大 量人员伤亡， 严重危害了人类健康和环境生态。其中平 常接触得较多的， 而且对人类损害较大的放射性物质是 γ 射线。 γ 射线又称 γ 粒子流， 是原子核能级跃迁退激时释放出的射线， 是波长短于 0.1 A 的电磁波。
在国内外对于 γ 射线的监测仪器做的不少， 比如美 国 LUDLUM、法国 SAPHYMO、加拿大 Oshawa 等， 而国 内的相似产品也比较多， 但没有形成规模。目前国内做 的比较好的是某公司生产的 BG3400 系列产品， 但这些 仪器普遍存在检测的放射性物种种类少、检测效率低等 缺点。针对以上问题， 以及海关、出入境、机场口岸、 港口码头、检验检疫以及废旧金属回收， 企业对货物、 行人及行包中超标放射性检测的需求， 研制了一款通道 式放射性物质监测仪， 实现对监测目标的在线实时放射 性检测， 发现其中微量放射性源物质， 并完成对检测数 据和监视视频的储存， 以及报警报告的输出功能， 同时 上传信息可构建远程实时监测信息平台。对于现代化安 检、反恐、维稳、治安防控和管理等工作将会发挥重要关键的作用， 可有效预防灾害事故的发生， 对于维护国 家安全、社会稳定， 保护生命财产， 具有积极及深远的 社会意义。
1 系统总体设计与方案选择
1.1 系统的总体设计
基于放射性物质的安全隐患而设计的通道式放射性 物质检测系统主要采用 NaI 闪烁体探测器[7]、舵机模块[8]、 红外光电传感器[9]、警报器、人机交互触摸屏[10]、上位 机[11]、蓝牙模块以及以 STM32F103RCT6 单片机[12] 为主控 芯片来对整个系统功能进行实现。系统总体模块分布如 图 1 所示。
1.2 探测器的选择
选用 CH282-01 型 NaI 闪烁体探测器作为该检测系统 的探测器， 使该系统有相对较高的灵敏度和探测效率， 且时间响应相对较短; 此外还提供了高能量分辨率和良 好的位置分辨率， 使该检测系统不仅能够探测高能粒子， 还能检测到低能粒子。闪烁体探测器的噪声级别低， 信 噪比高， 能够提供高质量的信号[13]。
它是由 Nal 闪烁体、高灵敏光电倍增管 (PMT)、分 压电路、高压电源模块、前置放大器等组成的高度集成 一体化的探测器。
1.3 电源制备
通过电压转换， 将 220 V 的交流电转换成 12 V 的直 流电， 制作一个电压转换装置。使系统供电方便， 适用 于多种不同测试环境， 并且具有集成度高、稳定性高等 优点。
1.4 控制系统的选择
选用 STM32F103RCT6 作为该系统的微控制器， 它是 嵌入式的微控制器集成电路， 程序存储器容积是 256 kB， 具有 128 kB 的 Flash 存储器和 20 kB 的 SRAM 存储器， 可 以满足大部分应用的存储需求， 且在主频、存储容量和 抗干扰等方面有其独特的优势。
2 NaI 闪烁体探测器工作原理
γ 射线进入 NaI 闪烁体后， 与之发生相互作用， 闪烁 体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发， 之后 受激粒子退激放出波长接近于可见光的闪烁光子。利用 反射物质和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上， 由于光电效应， 光子在光阴极上击出光 电子。在高压的作用下光电子受打拿级之间强电场的作 用加速运动并轰击下一打拿级， 打出更多光电子， 依次 递增， 光子被光电倍增管转换为更多的电子、并放大， 直到最终到达阳极输出电流脉冲; 此脉冲经负载电阻转 换为电压信号， 经前置放大器输出。
2.1 光电倍增管
光电倍增管[14] 是一种高灵敏度和超快时间响应的光 电传感器件， 其结构主要为光电阴极、电子光学输入系 统、电子倍增系统、阳极 4 个部分。具有高增益、低噪 声、高频率响应和大信号接收区等特征。它运用了外光 电效应和二次电子发射的原理， 能够将微弱的光信号转 换成电信号， 并在大范围内工作在紫外、可见和近红外 区的光谱区。同时， 光电倍增管也具有一些缺点， 如易 受温度和电磁场的影响， 以及一定的器件寿命等问题， 需要在实际应用中注意相关的问题和挑战[15]。
光电倍增管的工作原理为： 光子进入光电倍增管后， 由于内部电极的电场作用， 使电子受到加速， 撞击光阴 极发射出更多的电子， 这些电子在电场的作用下再次得 到加速撞击二次发射极， 形成电子倍增的过程， 从而实 现光信号的放大。
在产生的光电子以及高压的共同作用下， 电子流 轰击物体表面， 也就是电子倍增系统中的打拿级， 使 之发射电子的过程叫二次电子发射。发射的电子叫次 级电子或二次电子。二次电子的数目取决于入射离子 或电子的速度、入射角、物体的性质等。在高速初电 子的激发下， 第一倍增极被激发出若干二次电子， 这 些二次电子在电场作用下达到第二倍增极， 又引起更 多 的 二 次 电 子 发 射， 此 过 程 一 直 持 续 到 D10; 最 后， 经倍增的光电子被阳极收集而输出光电流， 在负载 RL 上形成电压 V0 。
2.2 分压器的设计
为了使光电倍增管获得良好的能量分辨率， 不同电 极之间的电压比值关系必须得到严格控制。这是因为光 电倍增管各个电极的功能不同， 不同的电极之间必须维 持着一定的电势差， 才能达到理想的增益效果， 而这个 电势差是通过不同电极的电压比值来实现的。
通过电阻串联分压[16] 的方式来为光电倍增管按比例 分电压， 使之逐级增加电压， 以便增加光电倍增管低能 级之间的电场， 使电子流打击在低能级上产生更多的光 电子， 这样所产生的信号幅度和数量都会有所变化。 2.3 高压电源的设计高压电源模块[17] 的设计是为了给光电倍增管提供电 压， 以便在逐级递增的电压的作用下可以使电子不断增加和信号变大。本文采用的是 CC228P-0Y 的小型高压模 块， 它是一种专门为光电倍增管设计的， 其性能稳定， 自我保护功能强大。输入电压为 11.5~12.2 V， 输出电压 为 0~1 250 V 的电压， 这些电压通过分压电路按比例依次 分配给光电倍增管的各倍增级， 这样各倍增级之间的 电场逐渐变大， 使放大倍数逐渐增大， 产生不断增加 的电子[18]。
3 系统硬件设计
3.1 系统总体设计及各模块原理
本文使用 Altium Designer 软件进行原理图及 PCB 图 设计， 系统主板包括内部电压转换设计、 ST32F103RCT 6 微处理器、伽马信号输入串口设计、蓝牙模块信号输 入设计、人机交互触摸屏串口设计、舵机模块串口设计、 红外光电传感器串口设计、警报器串口设计。
3. 1. 1 ST32F103RCT6 微处理器
采用 ST32F103RCT6 微处理器[19] 作为系统的微处理 器。其处理器核心为 ARM Cortex-M3 内核， 最高主频 72 MHz， 具有高性能和低功耗的特点; 存储器使用 128 kB 的 Flash 存储器和 20 kB 的 SRAM; 拥有通用定时器、高 级控制定时器、通用串行总线接口、 SPI 接口、 I2C 接 口、 USART 接口、 USB 接口等， 满足各种应用的外设需 求。图 3 所示为 ST32F103RCT6 微处理器原理。
该主控芯片 PA0 引脚用来控制舵机模块， PA2 、PA3 引脚分别控制光电传感器 2 与光电传感器 1. PA6 、PA7 控制探测器信号的输入， PA9 、PA10 控制触摸屏模块， PA15 控制警报器电路， PC10 、PC11 引脚控制蓝牙模块。 如表 1 所示。
3.1.2 电压转换设计
由于系统主板所接收的是 12 V 电压， 而主板需要给 各传感器模块提供 12 V 和 5 V 的电压， 并且 STM32F103 系列微控制器使用单电源供电， 其电压范围必须为 2.0~ 3.6 V 之间， 如果要给 STM32F103RCT6 微控制器供电， 则需要有 3.3 V 的电压。因此采用含有 LM2576-5 V 的稳压器的电路将 12 V 转换 5 V， 并且采用含有 SPX1117M3 低功耗正向电压调节器的电路将 5 V 转换为 3.3 V， 以便 各模块及处理器正常运行。
3.1.3 伽马信号输入设计
伽马射线[20]通过探测器处理后输出 3.3 V 的信号， 该 信号通过 IN2 串口传输为主控芯片， 使之进行处理。
3.1.4 蓝牙模块
蓝牙模块具备传输功能， 可以把串口数据进行无线 传输。该检测系统通过蓝牙模块将主控芯片的串口数据 无线传输到其他设备上， 实现远程数据的传输和控制， 有效地减少了线缆的使用， 提高系统的可靠性和灵活性。 人 机 交 互 触 摸 屏 将 信 息 通 过 TX1 和 RX1 串 口 在 STM32F103 内处理后， 通过 TX4 与 RX4 串口与发射模块 连接， 再通过蓝牙接收模块将上位机与人机交互触摸屏 连接， 使触摸屏上的信息通过上位机展现在电脑上， 形 成信息上传与同步。
3.1.5 触摸屏
本文采用的是人机交互触摸屏， 使用 Visual TFT 软 件对 7 in 且具有高分辨率和高色彩还原度的显示屏界面进行设计， 使用户对设备的工作状态和参数进行了解和 调整; 其次有可编程序控制器、变频器、直流调速器、 仪表等工业控制设备与人机交互系统进行连接， 实现对 工业设备的实时监控和控制; 最后用嵌入式系统、操作 系统、应用程序等组成的人机交互系统的软件部分来协 作工作以完成各种任务。
该设备将屏幕上的信息通过相应串口 TX1 和 RX1 传 入 MCU 后 经 过 处 理， 再 通 过 相 应 串 口 传 输 给 蓝 牙 设 备， 通过无线蓝牙模块之间的信息传递， 将屏幕上信 息通过上位机展现在计算机界面上， 形成信息的实时传 输与通信。
3.1.6 舵机模块
本文采用的是 5 V 伺服电机， 伺服电机是一种旋转 执行器或者是线性执行器， 其工作效率高， 扭矩高。该 设计用舵机制作一个升降杆来控制小车的出入; 舵机模 块是带动升降杆转动的。
3.1.7 红外光电传感器
红外光电传感器模块由红外线发射和接收管所组成 的， 发射端能够检测到障碍物的存在， 并迅速传回给接 收端， 经过内部处理后输出相应命令的数字信号。经过 MCU 处理后传递给下个需要工作的模块。
该模块的有效测量距离范围是 4 ~ 50 cm， 其工作电 压为 5 V， 搭载两个光电传感器， 一个用于监测小车的 输入， 一个用于监测小车的输出。
3.1.8 警报器
警报器连接了一个由 Sanyou 电子公司生产的 SRD- 12VDC-SL-C 继电器。 SRD-05VDC-SL-C 是一种单路单 电平继电器， 且是一种常开/常闭继电器; 具有高稳定性 和高可靠性， 可以承受高负载， 适用于多种电气和电子 设备。
3.2 上位机的设计
上位机是指主控计算机或单片机， 负责向下位机发 送操作指令， 并提供给用户操作界面。同时采用 Visual Basic 6.0 编译器， 设置了一个高性能通道式放射性监测 系统， 在界面上添加了伽马剂量、中子剂量、系统状态 (等待车辆入场、车辆检测中、车辆已离场)、异常报警 (正常、异常)、车辆总数、异常车辆， 以及指示键位： 开始、放行、复位。该上位机通过串口与蓝牙模块相连接， 通过蓝牙模 块与人机交互触摸屏形成通信， 不仅可以通过计算机实 时远程监测整个系统的运行情况， 而且还可以进行操作 命令控制整个系统， 使系统操作更加简便。上位机界面 如图 4 所示。
3.3 总电源的设计
该电路设计主要采用 LM317 和 LM337 可调稳压器以及采用 TL431 作为基准设计的多路输出直流稳压电源。
使用时只需用相应的电位器改变电阻即可获得所需电压。
当使用 220 V 频率 50 Hz 的交流电时， 通过变压器降 压， 利用整流二极管的桥式电路和电容器构成电容滤波 电路来处理电源中的杂波， 最后利用 LM317 以及 LM337 三端稳压器进行调节， 并利用 TL431 并联电阻做电压基 准， 从而输出±12 V 的电压为整个系统供电。
3.4 电压转换以及极性转换设计
由于 STM32F103RCT6 单片机最高承受的信号电压为 3.6 V， 并且可以识别的是正极性脉冲信号， 但是 NaI 闪 烁体探测器正常工作电压为 12 V， 并且检测 γ 射线后输 出的信号为负脉冲信号。因此需要制作一个将 12 V 转换 为 3.3 V 的电压转换电路以及将负脉冲信号转换为正脉冲 信号的极性转换电路， 使输出的信号可以被正常使用。 转换电路板如图 5 所示。
4 系统软件设计
4.1 系统主程序设计
使用 Keil uVision 5 编译软件， 以 C 语言为基本编写 语言对各模块功能以及整个系统逻辑进行实现及控制。 当系统通电后， 触摸屏界面显现， 通过蓝牙模块与计算 机上的上位机连接， 形成数据共享。点击触摸屏上“开 始”按键， 在系统状态一栏显示“等待车辆入场”; 启动 小车， 当小车从门模型前面走过时， 光电传感器 1 检测 到小车通过， 并将信息传递给触摸屏， 使之显示“车辆 检测中”; 小车在门模型中间停 10 s， 在这 10 s 检测中如 果探测器没有检测到小车上面含有放射性物质， 则升降 杆升起， 小车离开， 光电传感器 2 检测到小车通过， 这 时触摸屏上显示“车辆已离开”; 当检测到小车上面含有 放射性物质时， 声光报警启动， 小车不能离开， 只有点击“放行”， 报警装置关闭， 使栏杆升起， 小车离开， 栏 杆落下， 并且屏幕上异常车辆一栏显示个数为“1”。此 系统可反复测试， 直至点击屏幕上的“停止”，该系统才 停止检测。系统总流程如图 6 所示。
4.2 伽马射线信号输入设计
当探测器检测到 γ 射线后， 在其内部转换输出为电 信号。 γ 射线越多， 信号就越多; 被转换的电信号输送 给单片机， 在单片机内部处理后， 将信息传递给其他模 块， 为了后续系统功能的实现。伽马射线信号采集流程 如图 7 所示。
5 实验测试与结果分析
5 . 1 NaI 闪烁体探测器的信号输出
从光电倍增管输出的脉冲信号， 可以是负脉冲信号 或者正脉冲信号。由于小型高压模块采用的是 CC228P 系 列， 这个系列输出的电压为正压， 从第一倍增级到最后， 各低能级电压依次递增。因此阳极电位比阴极电位高， 在有信号脉冲流过时， A 点的电位降低; 脉冲信号出现 后， A 点电位复原， 故输出为负脉冲。测量 γ 射线的信号 输出如图 8 所示。由图可知该信号有相对较好的信噪比。
5.2 系统外形设计
该系统是采用 AutoCAD 软件完成整个外壳的设计， 并且自行装订、钻孔、布局等工作。整个高性能通道式 放射性经检测系统的正面如图 9 所示。
5.3 系统响应结果
当小车到达监测通道检测点时， 会停留 10 s， 此时 如果检测到 γ 放射源， 会触发声光报警器报警， 并且触 摸屏上会显示伽马剂量值以及异常车辆。图 10 为系统响 应结果。由图可知， 当检测到的 γ 放射源高于所设阈值 时， 触摸屏上就会显示测到的伽马射线剂量的强弱。
6 结束语
本文基于对放射性物质 γ 射线的监测设计了一款通 道式放射性物质监测仪， 其主要采用 NaI 闪烁体探测器、 舵机模块、红外光电传感器、警报器、人机交互触摸屏、 上位机、蓝牙模块以及以 STM32F103RCT6 单片机为主控 芯片来对整个系统进行功能实现。详细讲述了该监测仪 的硬件设计和软件设计， 并且通过 241 Am 放射性源对制 备完成的监测仪进行了 γ 射线实时监测， 当检测到微量 放射性物质 γ 射线时， 发送报警信息， 并完成对检测数 据的储存， 人机交互触摸屏和上位机通过蓝牙模块实现 远程在线监测， 说明了该监测仪的实用性。最后， 在对 放射性物质的检测当中， 该监测仪还存在单一性， 可以 继续开展关于监测中子射线的研究。
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