劉大海，趙建興，周春芝，李?？?/p>

(國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 102205)

0 引 言

本文設計的適用于艦艇環(huán)境的核輻射劑量儀主要考慮功用性，兼顧環(huán)境適應性和操作便利性等因素。功用性指該儀器的功能特點、用途及其性能指標，即以測量個人累積劑量[1]為主、測量環(huán)境劑量率為輔，通常以測量γ輻射劑量為主（具有實時監(jiān)測和超閾值報警功能），也兼顧極端情況下（如遭受核恐怖襲擊或核動力裝置事故）的中子劑量測量[2]，以便為輻射傷員救治提供依據(jù)[3]；環(huán)境適應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，如本設計采用主機（測量儀）、劑量計分體方式：測量儀可固定或由相關人員手持操作，進行γ劑量率測量；個人劑量計采用腕式佩戴或系于合適部位，用于測量人員瞬發(fā)γ和中子劑量。

1 儀器組成

2 儀器設計

2.1 硬件設計

2.1.1 劑量計設計

劑量計佩戴于受測人員腕部，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讀卡座并連接到測量儀，由測量儀自動讀取、處理并顯示結果。

每只劑量計由場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器、數(shù)據(jù)存儲器、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量儀進行數(shù)據(jù)交換。其構成如圖2所示。

圖2 劑量計構成框圖Fig.2 Block diagram of dosimeter composition

場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器分別用于記錄個人所受的核輻射γ劑量和中子劑量。數(shù)據(jù)存儲器采用DS24B33，用于存儲個人信息及探測器相關的測量結果、刻度因子等參數(shù)。溫度傳感器采用DS18B20，用于記錄測讀探測器時的溫度信息，以便對探測器進行溫度補償修正。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)場溫度測量。

2.1.2 測量儀設計

測量儀用于實時測量環(huán)境γ劑量率和累積劑量、測讀劑量計中記錄的核輻射γ劑量和中子劑量[4]，存儲并可通過USB接口向安裝在微機中的數(shù)據(jù)分析處理軟件上傳劑量信息。主要由主控單元、半導體探測器單元、計數(shù)管探測單元、輸入輸出單元、電源分配單元等部分組成，其結構關系如圖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)和運行在其中的嵌入式軟件組成，用于完成輻射信號的采集處理與存儲、各單元電路的電源管理、鍵控信息處理、測讀劑量計及其數(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)先級的搶占式的多任務實時操作系統(tǒng)，滿足便攜式、低功耗、多功能且具有良好性價比的嵌入式儀器設計需求。

圖3 測量儀工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring instrument composition

2）半導體探測單元。

半導體探測單元主要用于測量核輻射γ和中子累積劑量，包括場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器、數(shù)據(jù)存儲器、溫度傳感器、偏置電壓電路、模擬開關及數(shù)據(jù)采集電路。其中場效應管γ劑量探測器、寬基硅中子劑量探測器、數(shù)據(jù)存儲器、溫度傳感器、偏置電壓電路（電池）均與劑量計相同，安裝在測量儀內(nèi)部主要是保證測量儀單獨使用時保證功能完整性，并彌補G-M計數(shù)管遇到超高γ劑量率出現(xiàn)飽和而無法正常響應的不足。

模擬開關用于控制測量探測器時恒定電流的通斷及時序，從而實現(xiàn)脈沖供電。采用該供電方法，可有效減弱由于半導體材料溫度效應帶來的影響，因為在連續(xù)的電流注入時，會導致探測器局部溫度升高使測量電壓漂移，嚴重影響探測器的穩(wěn)定性。模擬開關采用MAX4662，具有納秒級的開關速度和很小的導通電阻（約2.5 Ω），有利于提高測量速度與精度。

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

3）計數(shù)管探測單元

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

高、低量程計數(shù)管為輻射探測元件，其中低量程計數(shù)管選用本單位研制的GJ4402型G-M計數(shù)管探測器，高量程計數(shù)管采用GJ4406型G-M計數(shù)管探測器，兩者組合可實現(xiàn)0.1 μGy/h～10 Gy/h大動態(tài)范圍的γ劑量率測量。

4）輸入輸出單元

輸入輸出單元包括OLED（氧化物發(fā)光二級管）點陣顯示屏、按鍵、數(shù)據(jù)接口（USB接口和測讀劑量計的專用電纜接口）。

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序?qū)崟r控制，其結構圖如圖4所示。

測量儀采用4節(jié)5號干電池供電，系統(tǒng)可自動檢測并顯示電池電量，也可借助專用電纜從標準USB端口取電。內(nèi)置備用電源給時間計數(shù)器供電避免時鐘錯亂。

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

2.2 軟件設計

2.2.1 測量儀嵌入式軟件設計

測量儀嵌入式軟件流程圖如圖5所示。開機初始化后進入節(jié)電方式并進行數(shù)據(jù)顯示，需要與計算機通信時啟動USB數(shù)據(jù)傳輸功能，有按鍵按下時進行設置參數(shù)等操作。當有劑量計插入時轉劑量計測讀程序并啟動脈沖供電測量程序，依次測讀劑量計人員編號、場效應管γ劑量探測器、中子劑量探測器及其溫度值并進行數(shù)據(jù)計算、溫度補償、劑量轉換、存儲和顯示；如果沒有劑量計插入，直接測量計數(shù)管探測器獲取劑量率數(shù)據(jù)，如無結果超閾值，則轉入循環(huán)顯示，如有結果超閾值，則轉聲光報警直至人為干預。

圖5 測量軟件流程圖Fig.5 Flowchart of measuring instrument embedded software

2.2.2 數(shù)據(jù)分析處理軟件設計

數(shù)據(jù)分析處理軟件用于獲取測量儀數(shù)據(jù)，并建立人員信息、測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，可對所存數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和管理。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

用戶權限管理包括系統(tǒng)登錄、權限控制、密碼修改3個模塊，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個模塊組成，用于和測量儀的數(shù)據(jù)傳輸；測量數(shù)據(jù)文件處理將測量儀傳來的數(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、大劑量數(shù)據(jù)管理、報表管理這4個模塊組成，用于數(shù)據(jù)的增刪、檢索、分析和形成報表。

2.3 結構設計

綜合儀器功能設計、安裝固定、人員佩戴便利性及其環(huán)境適應性等多重因素，設計的核輻射劑量儀外觀如圖7所示。

測量儀顯示屏采用OLED192×80點陣的單色、圖形顯示模塊，充分考慮電磁兼容和整機密封性設計，采用異形密封圈解決了測量儀電池倉、顯示屏、按鍵、后蓋和劑量計側面多觸點接插件等的密封難題，從而滿足艦載儀器對浸漬、鹽霧和–40 ℃～+50 ℃環(huán)境條件下的苛刻要求。人機界面力求簡捷，采用“開關”、“返回”、“上”、“下”四只按鍵，即可滿足儀器功能設置需求。

圖7 核輻射劑量儀外觀Fig.7 Appearance of nuclear radiation dosimeter

配套設計了帶有定位機構及彈性觸點的劑量計測讀卡座，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準確測讀劑量計數(shù)據(jù)并向劑量計中的存儲器寫入?yún)?shù)信息。

3 性能試驗結果

在樣機鑒定試驗過程中，先后對核輻射測量性能、環(huán)境適應性、可靠性、維修性、電磁兼容性、數(shù)據(jù)通信及軟件性能進行了測試和檢驗。為便于了解新型核輻射劑量儀的性能特點，與美國同類儀器AN/UDR-13核輻射劑量儀進行基本性能比對，結果如表1所示。

表1 與國外同類儀器基本性能比較結果Tab.1 Comparison results of the basic performance with similar foreign instruments

從表中可以看出，與AN/UDR-13型核輻射劑量儀相比，本儀器在能量響應、測量量程、顯示精度、工作時間、可靠性指標等性能方面具有明顯優(yōu)勢，尤其是劑量計與測量儀相互獨立，實現(xiàn)了劑量計袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地減輕人員佩戴負荷和降低成本（約為國外同類儀器的1/5）以增大儀器覆蓋面，且測量儀除了能夠大量測讀劑量計外，還具有便攜式輻射儀的高靈敏、寬量程及實時報警功能。

4 結 語

本文簡述了一種針對艦艇環(huán)境設計的核輻射劑量儀的原理和性能特點，通過試驗與國外同類儀器AN/UDR-13型核輻射劑量儀進行比對，結果表明：本儀器在能量響應、測量量程、顯示精度、工作時間、可靠性指標等性能方面具有明顯優(yōu)勢，其主要特點是劑量計與測量儀相互獨立，實現(xiàn)了個人劑量測量袖珍化、腕表式佩戴，最大程度地減輕人員佩戴負荷和降低成本以增大監(jiān)測覆蓋面。因此，該儀器不僅能用于固定場所環(huán)境γ輻射或由人員攜帶實時測量γ劑量率和累積劑量并進行超閾值報警，也可用來快速測讀劑量計（能夠記錄瞬發(fā)γ和中子劑量），作為輻射傷情評估的參考依據(jù)。經(jīng)過強化電磁兼容和整機密封性設計后，能夠適應艦載條件下進行環(huán)境及人員的核輻射劑量監(jiān)測。