鄧 波

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基于ARM單片機(jī)的核輻射探測(cè)裝置設(shè)計(jì)

鄧 波

（海軍工程大學(xué)外訓(xùn)系, 武漢 430033）

核輻射的探測(cè)問(wèn)題一直是工程實(shí)踐中的一個(gè)難點(diǎn)，研究穩(wěn)定性好、精確度高、響應(yīng)靈敏的核輻射探測(cè)裝置具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。本文給出了一種高速核探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該方法以ARM單片機(jī)STM32F4為控制器，以IR2110為驅(qū)動(dòng)芯片，利用控制器高頻時(shí)鐘以及準(zhǔn)確捕捉跳變沿的特點(diǎn)進(jìn)行捕獲測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能夠達(dá)到快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量。

高速核探測(cè) ARM單片機(jī) STM32F4 IR2110 GM計(jì)數(shù)管

0 引言

在核輻射的探測(cè)中，time-to-count方法基本消除了GM計(jì)數(shù)管死時(shí)間的影響，極大提高計(jì)數(shù)管測(cè)量上限[1]，由于計(jì)數(shù)管每工作一次后要休眠一段時(shí)間，平均工作電流很小，可大大延長(zhǎng)計(jì)數(shù)管壽命。但time-to-count方法要求GM計(jì)數(shù)管高壓切換的上升和下降時(shí)間低至幾百ns，時(shí)間間隔范圍測(cè)量達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)，精度達(dá)到10 ns量級(jí)[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1探測(cè)原理

蓋革－彌勒計(jì)數(shù)管[3]（GM計(jì)數(shù)管）是一種應(yīng)用廣泛的計(jì)數(shù)管。但由于其線性量程范圍較窄，故使用Time—to—Count[4]方法拓展GM計(jì)數(shù)管量程。Time—to—Count的基本思路是在計(jì)數(shù)管輸出一個(gè)脈沖后，將計(jì)數(shù)管兩端的高壓電壓降至起始電壓以下，并休眠一段比計(jì)數(shù)管死時(shí)間要長(zhǎng)的固定時(shí)間，從而回避死時(shí)間不確定性對(duì)測(cè)量的影響。圖1為Time—to—Count方法工作波形示意圖。V1+V2為高壓，V2為低于計(jì)數(shù)管的起始電壓。通過(guò)測(cè)量圖1中的工作時(shí)間，即可測(cè)量核輻射強(qiáng)度。核輻射強(qiáng)度與計(jì)數(shù)管單次工作時(shí)間成反比，即=/,數(shù)管平均有效工作時(shí)間，為與計(jì)數(shù)管有關(guān)的常數(shù)。這種工作方式對(duì)高壓切換的上升時(shí)間和下降時(shí)間要求十分苛刻，必須控制在100～200 ns。故比較器的前沿要跳邊要快，控制器必須要在第一時(shí)間抓捕到，才能保證定時(shí)準(zhǔn)確。

圖1 Time—to—Count方法工作波形示意圖

1.2系統(tǒng)工作流程

電路原理框圖如圖2，測(cè)控單元M斷開(kāi)K2，接通K1，使得V1加到傳感器陽(yáng)極，傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)，定時(shí)t1[高壓要盡快升起來(lái)，以準(zhǔn)確定時(shí)t1]；核輻射進(jìn)入傳感器輸出一個(gè)脈沖，經(jīng)放大、比較后送入測(cè)控單元，定時(shí)t2，同時(shí)盡快斷開(kāi)K1接通K2，使傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài)，并持續(xù)2 ms左右，之后再重復(fù)以上過(guò)程。

2 探測(cè)部分電路設(shè)計(jì)

2.1比較器電路設(shè)計(jì)

圖2電路原理框圖

如圖3，HV_NA為-300 V高壓，所以當(dāng)HV_PA為0 V時(shí)，GM計(jì)數(shù)管兩端電壓為300 V，低于計(jì)數(shù)管的起始電壓，計(jì)數(shù)管并不會(huì)工作，比較器也不會(huì)有輸出；當(dāng)HV_PA為200 V時(shí)，GM計(jì)數(shù)管兩端電壓為500 V，計(jì)數(shù)管進(jìn)入工作狀態(tài)，通過(guò)比較器輸出一個(gè)脈沖給控制電路。比較電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)RA4的阻值來(lái)改變。

圖3 比較器電路

2.2 IR2110的半橋驅(qū)動(dòng)電路

圖4為IR2110的半橋驅(qū)動(dòng)電路，out_h和out_l為控制電路輸出的兩路控制信號(hào)，HV_P為200 V正高壓，HV_PA為加載到GM計(jì)數(shù)管的電壓。上臂導(dǎo)通、下臂截止時(shí)，GM計(jì)數(shù)管上承受500 V高壓正常工作；當(dāng)上臂截止、下臂導(dǎo)通時(shí)，GM計(jì)數(shù)管承受300 V高壓停止工作。

圖4中C1和D3分別為自舉電容和自舉二極管，C3為VCC的濾波電容。假設(shè)Q1關(guān)斷期間C1已經(jīng)充到足夠的電壓。當(dāng)HIN為高電平時(shí)，電容C1兩端的電壓加到Q1的柵極和源極之間，C1通過(guò)VB、HO、R1柵極和源級(jí)形成回路放電，這時(shí)C1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使Q1導(dǎo)通。當(dāng)HIN為低電平時(shí)，這時(shí)聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg1迅速放電使S1關(guān)斷。

圖4 IR2110半橋驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)控制與功能實(shí)現(xiàn)

STM32F4[3]通用定時(shí)器包含一個(gè)16位或32位自動(dòng)重裝載值計(jì)數(shù)器（CNT），該計(jì)數(shù)器由可編程預(yù)分頻器（PSC）驅(qū)動(dòng)，最高可達(dá)84 MHz頻率，即每11.9 ns可計(jì)數(shù)一次，達(dá)到精確計(jì)時(shí)。同時(shí)，將STM32F4的I/O口作為外部中斷輸入，可在180 ns內(nèi)進(jìn)入中斷并進(jìn)行I/O口的輸出操作。圖5為STM32F4上升沿觸發(fā)中斷并執(zhí)行I/O上拉波形，通道1為上升沿的信號(hào)波形，通道2為STM32F4檢測(cè)到上升沿進(jìn)入中斷并輸出執(zhí)行I/O口上拉動(dòng)作。可以看出單片機(jī)的中斷響應(yīng)速度極快，延時(shí)在200 ns之內(nèi)。同時(shí)，單片機(jī)可同時(shí)操作多個(gè)I/O口，在STM32F4中可通過(guò)在寄存器中設(shè)置ODR寄存器來(lái)控制I/O的輸出狀態(tài)，使用函數(shù)GPIO_Write[4]來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 STM32F4上升沿觸發(fā)中斷并執(zhí)行I/O上拉波形

4 結(jié)論

為了滿足Time—to—Count方法的要求，高壓的上升和下降跳變速度要盡量快，必須在100～200 ns。圖6和圖7分別為高壓的上升和下降時(shí)示波器的截圖。

圖6 接通高壓時(shí)的示波器截圖

圖7 關(guān)斷高壓時(shí)的示波器截圖

根據(jù)上述波形可以看出，本方案能夠達(dá)到核輻射檢測(cè)的要求，簡(jiǎn)單實(shí)用。

[1] 張合金．核輻射探測(cè)裝備和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J]．化學(xué)工程與裝備, 2016,8（8）：277-278．

[2] 王明遠(yuǎn)．基于cmos的輻射劑量及二維分布探測(cè)器設(shè)計(jì)研究[D]．河南師范大學(xué), 2014．

[3] 肖文．基于3S技術(shù)的電磁輻射管理系統(tǒng)研究[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2013,(1):464-467.

[4] 孟祥承．新型半導(dǎo)體探測(cè)器發(fā)展和應(yīng)用［J］．核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2004,24(1):87-96．

Design of Nuclear Radiation Detection Device Based on ARM Microcontroller

Deng Bo

(Foreign Training Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TL 751

A

1003-4862（2017）11-0057-03

2017-08-15

鄧波(1976-)，男，講師。研究方向：核輻射檢測(cè)。