新型便携式中子辐射测量技术及实现该技术的设备

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种新型便携式中子辐射测量技术及实现该技术的设备。

背景技术

随着国家经济的发展，核电事业的发展，核辐射探测仪器的域越来越广，剂量率监测仪便是使用很广的一种核仪器。目前，市场上已有多种中子监测仪器，其中大部分是主要来自国外，存在主要元器件件为进口、显示界面为英文、采用非标的干电池、工作时间短，价格比较高等不足。还有，现有中子剂量率测量仪表大都没有采用智能化探头，无法和仪表主机外的设备进行通讯连接，不具有智能化功能，拓展探测装置的功能，所以在应用中有较大的局限性。因此，需要一种结构简单、设计合理、具有智能化的新型便携式中子测量仪。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种新型便携式中子辐射测量技术及实现该技术的设备。

为了达到上述目的，本发明技术方案如下：

一种新型便携式中子测量仪，包括主机和探头，主机可单独使用，单独使用时可对γ射线进行测量；探头与主机通过弹簧电连接，可同时对中子射线测量；主机包括主机壳体、主机盖、蜂鸣器、指示灯、充电锂电池、主机主板和G-M计数管；主机壳体与背面的主机盖组成一个具有容纳空间的壳体；主机壳体上表面设有显示屏，显示屏左侧设有三个功能薄膜开关，主机壳体的右侧壁两个接口；蜂鸣器、指示灯、充电锂电池和主机主板设置在主机的容纳空间内，与显示屏、三个功能薄膜开关、两个接口与主机的测量电路相连接，G-M计数管设置在主机壳体内部；

探头包括上部支撑结构和尾部探头放大器结构，上部支撑结构固定设置尾部探头放大器结构上方，其前端用于放置夹持主机；其中，尾部探头放大器结构包括探头外壳、慢化体、

进一步的，所述主机壳体的上、下边沿和左侧壁皆采用大弧面设计，显示屏的右侧设有供蜂鸣器、指示灯放置的贯穿孔，两个接口分别为探头接口与充电/通讯接口，且两个接口无法通用，可防止误插；主机壳体和主机盖装配结合面设有管形导电橡胶屏蔽条，蜂鸣器和指示灯与主机壳体之间用防水透气薄膜密封，以增加主机密封性和电磁兼容性；同时指示灯前部设有增加亮度的导光轴；充电锂电池固定安装在主机盖上，方便以后对充电锂电池的维修。

进一步的，所述夹持有主机的上部支撑结构和尾部探头放大器结构的重量相近，保证仪器重心平稳。

进一步的，所述上部支撑结构包括固定座、把手、导向块、两个夹块、弹簧柱、弹簧、螺帽和盖帽；固定座设置尾部探头放大器结构上方，把手设置在固定座上，两个导向块设置于固定座的上表面且位于把手的两侧，两个导向块分别设置于固定座的上部且相当于把手平行设置，引导弹簧柱顺利完成动作与夹持作业；一个夹块位于把手前侧，另一个夹块与两个弹簧柱的前端连接，两个弹簧柱平行贯穿固定座，同时两个弹簧柱的末端分别套有一弹簧后依次与螺帽和盖帽连接，并固定于固定座，使得两个夹块在弹簧的作用下在把手前方位置相对夹持。

进一步的，所述电路套筒底端通过硅胶O型密封圈密封设置在固定盘上，其前端同样端通过硅胶O型密封圈进行密封，电路套筒前端外部通过沉头螺钉固定，用盖帽压紧螺钉通孔进行保证完全密封；电路套筒内部设有探头主板，探头主板的前端通过四个螺柱Ⅰ连接于固定盘，探头主板的末端通过四个螺柱Ⅱ与端圆座连接，端圆座中心设有电缆插座，端圆座的边沿设有供硅胶O型密封圈放置的容纳环槽。

进一步的，所述主机的测量电路包括电源模块、显示报警模块、探测模块、通信模块和主控模块；电源模块根据便携式中子测量仪的工作状态控制其他各模块的电源供给、实时监测电池电量、低电压报警、开关机控制；显示报警模块在测量值超过报警阈值时实时给出报警信息，控制报警电路报警，负责实现报警、辐射信息显示；探测模块负责γ射线测量；通信模块负责接收探头传输过来的数据、主机与上位机通信；

主控模块与显示报警模块、探测模块、通信模块相互连接，主控模块将通信模块接收到的数据分析处理后送到显示报警模块显示与报警，以及完成整机各功能模块的状态控制，负责时钟、按键信息采集、数据存储。

进一步的，所述电源模块包括电源电路和充电电路，电源电路与充电锂电池相接，充电电路与充电/通讯接口相接，负责整个系统供电、电池充电。

进一步的，所述显示报警模块包括报警电路和显示器控制电路，报警电路与蜂鸣器、指示灯相接，显示器控制电路与显示屏相接，显示辐射信息与符号报警。

进一步的，所述探测模块包括γ射线测量电路，γ射线测量电路与G-M计数管相接，负责γ射线测量。

进一步的，所述通信模块包括RS232通信电路，RS232通信电路与探头接口相接，负责接收探头传输过来的数据、主机与上位机通信。

进一步的，所述主控模块包括存储电路、时钟电路、按键电路和MCU及外围电路，负责时钟、按键信息采集、数据存储。

进一步的，所述探头的测量电路包括电源模块、探测模块、通信模块和主控模块；电源模块包括电源转换电路、电源供电电路和高压电路，给探头供电与高压供电；探测模块包括信号采集电路和信号甄别电路，负责中子射线的计数采集和数据处理；通信模块包括RS232电路，实现与主机通信，负责接收主机命令、发送数据给主机；主控模块包括MCU及外围电路，负责接收探测模块的脉冲、运用算法将脉冲数转换为剂量率。

本发明还提供了一种新型便携式中子测量技术，包括以下步骤：

（1）中子经聚乙烯慢化为慢中子进入

（3）探头所测的数据超过预设报警阈值或者数据异常时，主机给出相应的声、光、符号报警提示。

有益效果：本发明结构简单、设计合理，采用分体式设计便于携带和测量，能够完成中子剂量率、γ剂量率的测量，实时显示和存储测量数据，超过报警阈值时给出声、光、符号报警。采用中文操作界面，可通过薄膜按键或触摸屏进行操作；采用大容量充电锂电池，免除更换电池的繁琐；具备通讯功能，可通过通讯接口与上位机实现通讯；具有自检、自监功能，可对仪器关键参数进行实时监测。具有智能化和较广的应用范围，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用，可以用于海关、核化应急救援等场所的中子辐射测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明主机的结构分解图；

图3为本发明主机模块电路原理框图；

图4为本发明主机工的作流程图

图5为本发明探头的上部支撑结构分解图；

图6为本发明探头的尾部探头放大器结构分解图；

图7为本发明探头模块电路原理框图；

图8为本发明探头工的作流程图；

图9为本发明主机中辅助测试电路的电路图；

图10为本发明主机中电源电路110的升压电路的电路图

图11为本发明主机中电源电路110的降压电路的电路图；

图12为本发明主机中充电电路120的电路图；

图13为本发明主机中报警电路210的电路图；

图14为本发明主机中显示器控制电路220的电路图；

图15为本发明主机中γ射线测量电路310的电路图；

图16为本发明主机中RS232通信电路410的电路图；

图17为本发明主机中存储电路510的电路图；

图18为本发明主机中时钟电路520的电路图；

图19为本发明主机中按键电路530的电路图；

图20为本发明主机中MCU及外围电路540的电路图；

图21为本发明探头中电源转换电路610的电路图；

图22为本发明探头中电源供电电路620的数字部分供电电路图；

图23为本发明探头中电源供电电路620的模拟部分供电电路图；

图24为本发明探头中高压电路630的电路图；

图25为本发明探头中信号采集电路710的信号初级放大电路的电路图；

图26为本发明探头中信号采集电路710的信号二、三级放大电路的电路图；

图27为本发明探头中信号甄别电路720的电路图；

图28为本发明探头中RS232电路810的电路图；

图29为本发明探头中MCU及外围电路910的电路图。

图中，1-主机，2-探头，3-弹簧电缆；

11-主机壳体，12-主机盖，13-蜂鸣器，14-指示灯，15-充电锂电池，16-主机主板；

111-显示屏，112-功能薄膜开关，113-接口；

21-上部支撑结构，22尾部探头放大器结构；

211-固定座，212-把手，213-导向块，214-夹块，215-弹簧柱，216-弹簧，217-螺帽，218-盖帽；

220-盖帽，221-沉头螺钉，222-慢化体，223-

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

一种新型便携式中子测量技术，包括以下步骤：

（1）中子经聚乙烯慢化为慢中子进入

（3）探头所测的数据超过预设报警阈值或者数据异常时，主机给出相应的声、光、符号报警提示。

一种新型便携式中子测量仪，如图1所示，包括主机1和探头2，主机1可单独使用，单独使用时可对γ射线进行测量；探头2与主机1通过弹簧电缆3连接，可同时对中子射线测量。

如图1所示，主机1包括主机壳体11、主机盖12、蜂鸣器13、指示灯14、充电锂电池15、主机主板16和G-M计数管；主机壳体11与背面的主机盖12组成一个具有容纳空间的壳体；主机壳体11上、下边沿和左侧壁皆采用大弧面设计，主机壳体1上表面设有显示屏111，显示屏111左侧设有三个功能薄膜开关112，显示屏111右侧设有供蜂鸣器13、指示灯14放置的贯穿孔，主机壳体11的右侧壁两个接口113，两个接口113分别为探头接口与充电/通讯接口，且两个接口无法通用，可防止误插，G-M计数管设置在主机壳体11内部。如图2所示，蜂鸣器13、指示灯14、充电锂电池15和主机主板16设置在主机1的容纳空间内，主机壳体11和主机盖12装配结合面设有管形导电橡胶屏蔽条，蜂鸣器13和指示灯14与主机壳体11之间用防水透气薄膜密封，以增加主机密封性和电磁兼容性；同时指示灯14前部设有增加亮度的导光轴；充电锂电池15固定安装在主机盖12上，方便以后对充电锂电池15的维修。

本实施例中，主机壳体11选用可塑性好、热学性良、化学性稳定的ABS工程塑料，密度仅为1.18g/cm3，既轻便又能保证结构强度。

本实施例中，G-M计数管17选用J302型G-Ｍ计数管。其特性分别如下：a）J302型G-M计数管量程为：1uSv/h～100mSv/h；b）J302型G-M计数管工作电压为：390V±10V；J302计数管具有坪长宽、坪斜小、极限电压高、量程宽、工作温度宽等特点，能够满足便携式中子测量仪中γ测量的设计需求。

如图3所示，主机1包括电源模块100、显示报警模块200、探测模块300、通信模块400和主控模块500。

电源模块100，根据便携式中子测量仪的工作状态控制其他各模块的电源供给、实时监测电池电量、低电压报警、开关机控制；包括电源电路110和充电电路120，电源电路110与充电锂电池15相接，充电电路120与充电/通讯接口113b相接，负责整个系统供电、电池充电；

显示报警模块200包括报警电路210和显示器控制电路220，报警电路210与蜂鸣器13、指示灯14相接，在测量值超过报警阈值时实时给出报警信息，控制报警电路报警，显示器控制电路220与显示屏111相接，负责实现报警、辐射信息显示；

探测模块300包括γ射线测量电路310，γ射线测量电路310与G-M计数管17相接，负责γ射线测量；

通信模块400包括RS232通信电路410，RS232通信电路410与探头接口113a相接，负责接收探头2传输过来的数据、主机与上位机通信；

主控模块500与显示报警模块200、探测模块300、通信模块400相互连接，主控模块500将通信模块400接收到的数据分析处理后送到显示报警模块200显示与报警，以及完成整机各功能模块的状态控制；主控模块500包括存储电路510、时钟电路520、按键电路530和MCU及外围电路540，负责时钟、按键信息采集、数据存储。

如图4所示的主机工作流程：主机开机后经初始化，进入相应的测量状态。如果检测到外接探头则进入中子测量模式，显示中子剂量率。如果没有检测到外接探头则进入主机γ剂量率测量模式，显示γ剂量率。

如图5和图6所示，探头2包括上部支撑结构21和尾部探头放大器结构22，上部支撑结构固定设置尾部探头放大器结构22上方，其前端用于放置夹持主机1；夹持有主机1的上部支撑结构21和尾部探头放大器结构22的重量相近，保证仪器重心平稳。

如图5所示，上部支撑结构21包括固定座211、把手212、导向块213、两个夹块214、弹簧柱215、弹簧216、螺帽217和盖帽218；固定座211设置尾部探头放大器结构22上方，把手212设置在固定座211上，两个导向块213分别设置于固定座211的上部且相当于把手212平行设置，引导弹簧柱215顺利完成动作与夹持作业；一个夹块214位于把手前侧，另一个夹块214与两个弹簧柱215的前端连接，两个弹簧柱215平行贯穿固定座211，同时两个弹簧柱215的末端分别套有一弹簧216后依次与螺帽217和盖帽218连接，并固定于固定座211，使得两个夹块214在弹簧216的作用下在把手212前方位置相对夹持。

本实施例中，如图6所示，尾部探头放大器结构22包括探头外壳、慢化体222、

本实施例中，尾部探头放大器结构22采用抗腐蚀能强的铝合金材质。

本实施例中，

本实施例中，慢化体选择聚乙烯材料，直径为21cm的球形慢化体。通过MCNP模拟计算，该慢化体设计具有最佳的能量响应特性，慢化效果优异，因此便携式中子测量仪的能响指标设计满足性能要求。

如图7所示，探头2包括电源模块600、探测模块700、通信模块800和主控模块900。

电源模块600包括电源转换电路610、电源供电电路620和高压电路630，给探头2供电与高压供电；

探测模块700包括信号采集电路710和信号甄别电路720，负责中子射线的计数采集和数据处理；

通信模块800包括RS232电路810，实现与主机1通信，负责接收主机命令、发送数据给主机；

主控模块900包括MCU及外围电路910，负责接收探测模块700的脉冲、运用算法将脉冲数转换为剂量率。

如图8所示的探头工作流程：探头上电经初始化，进入相应的测量状态。如果连接不成功，将继续等待联机指令，正确连接后，探头将会进入测量模式，测量模式中定期更新数据，并在命令要求通信时将数据上传给主机。具体的，中子经聚乙烯慢化为慢中子进入

本实施例中，主机1的测量电路还包括辅助测试电路，如图9所示，辅助测试电路包括电池电压监测电路、时钟电路电池监测电路和+5V电压监测电路；实时监测各路电压，为便携式中子测量仪维修和维护提供便捷。

本实施例中，电源电路110包括升压电路和降压电路，如图10所示的升压电路，包括高转换效率、低纹波的升压芯片FP6716以及外围电路，电池反接保护电路。FP6716具有宽输入电压，高输出电流，低静态电流等特点。锂电池电压输入，经升压芯片得到DC5V电压，供给显示器、探头和降压电路。如图11所示的降压电路，包括降压芯片TPS62111及其外围电路。DC5V输入经TPS62111转换得到系统电压DC3.3V，提供时钟电路、存储电路、MCU、通信电路等准确且稳定的电压。

本实施例中，如图12所示的充电电路120，包括锂电池专用的充电管理芯片TP5100及其外设电路。TP5100具有过流、过压、过温、短接、温度监控以及电池反接保护功能，并且具有宽输入电压，可编程电流宽（充电电流0.1A～2A）的特点。

本实施例中，如图13所示的报警电路210，实现仪器的声、光、符号报警功能，可以提示操作者及时对所测的数据进行分析、判断，及时采取防护措施，进而保证人员、环境安全。

本实施例中，如图14所示的显示器控制电路220，主机显示器采用的是电阻式LCD触摸显示屏。可通过调节显示屏亮度，配置显示屏工作模式，控制显示时长、显示屏电源通断，降低整机功耗，提高电池的续航能力。

本实施例中，如图15所示的γ射线测量电路310，由J302计数管和微功耗前置模块QD390组成，实现主机的γ射线检测功能。

本实施例中，如图16所示的RS232通信电路410，包括功耗低的通信电路SP3232以及接口电路。其可实现主机与探头数据交互，主机与上位机数据交互。

本实施例中，如图17所示的存储电路510，采用具有SPI接口且使用简单的存储电路W25Q128BVSSI，存储量可达16MBYTE，可以将需要的数据实时进行存储和读取。

本实施例中，如图18所示的时钟电路520，核心电路是DS1302电路，可以提供详细的时间信息，以便于实时存储、查询数据。为了使存储数据有时效性，在时钟电路上添加了备用电池，在仪器关机时时钟电路由备用电池驱动工作，存储的数据实时、有效。

本实施例中，如图19所示的按键电路530，采用经典的RC电路。按键包含3个薄膜按键，实现主机的开关机、参数设置、功能设置等。

本实施例中，如图20所示的MCU及外围电路540，包括主要超低功耗MCUMSP432P401R及其最小系统电路。实现外围器件的控制、数据的分析、运算、信息交互等功能。

本实施例中，如图21所示的电源转换电路610，将外部供电电压转换为存储电路、温控电路、MCU电路等所需电压。SP6201-3.3将外部5V电压转换为3.3V，给单片机等外围器件供电，转换效率可达90%以上。

本实施例中，如图22、23所示的电源供电电路620，采用双路电源供电一路供电对前放电路进行供电，称为数字部分供电，另一路是对高压及其他部分进行供电，称为模拟部分供电。两路供电的电路设计部分是一样的，分开供电是为了防止其他电路部分产生的噪音干扰到前放，造成虚假信号采集。

本实施例中，如图24所示的高压电路630，采用IIC数字可调式的高压模块加滤波电路为

本实施例中，如图25、26所示的信号采集电路710，包括信号初级放大电路和信号二、三级放大电路。+5V直流偏压经过电阻R15作用在探测器阴极，阳极接地。

本实施例中，如图27所示的信号甄别电路720，由比较器TLV3201AIDBV来实现，比较器根据设置的参考电压与辐射信号比较，按照给定规则，将辐射信号转换为可供MCU直接采集的信号。

本实施例中，如图28所示的RS232电路810，串口通信电路由SP3232EEA-L实现电平转换，完成两路通信功能，一路为探头与主机通信，另一路为探头调试通信。

本实施例中，如图29所示MCU及外围电路910，包括低功耗MCUMSP430FR5949及其最小系统电路。实现外围器件的控制、数据的分析、运算、信息交互等功能。

本实施例的新型便携式中子测量仪与190N型便携式中子测量仪的技术指标对比，见表1。

表1本实施例与190N型便携式中子测量仪对比