核辐射监测仪器设计报告_中科大课程设计

核辐射监测仪器设计报告——

一种基于GM计数管的核辐射监测器

完成时间：2012-5-21

目录

1 选题依据 (3)

1.1研究意义 (3)

1.2 国内外辐射环境监测系统概况 (3)

1.3 辐射监测仪器要求及选用 (4)

2 研究内容和总体方法 (5)

2.1 总体设计思路 (5)

2.2 仪器工作原理 (5)

2.3 系统软件设计 (7)

2.4 测量原理 (8)

3 课题研究的创新之处 (8)

3.1 测量算法的改进 (8)

3.2 双GM管自动切换方法的改进 (9)

1 选题依据

1.1研究意义

核辐射事故及核辐射恐怖事件具有突发性，对社会安全和国家政治经济危害大，容易造成社会动荡虽然核电是清洁安全的能源，发生重大事故的概率很低，但必须做好充分的核事故应急准备工作历史上发生的核事故实例表明，一旦发生大量的放射性物质泄漏，会对工作人员周围公众及环境造成严重影响，社会影响巨大，经济损失严重，世界有核国家都建有应急组织，并建有完善的应急监测系统，能及时准确地向应急行为决策者提供环境污染状况。

核事故辐射环境监测系统是辐射防护应急以及核安全的一个重要环节，是确保核科学技术得到长足发展的一个重要环节，尤其是核电站周边辐射环境监测是持续健康发展核能的必要条件。

1.2 国内外辐射环境监测系统概况

辐射环境监测工作是从半个世纪前起步，伴随着核污染事件核泄漏事故的发生公众的心理变化和关注而发展，世界上许多国家如美国、德国荷兰、日本、丹麦捷克英国奥地利瑞士葡萄牙、意大利、西班牙、澳大利亚、韩国等

都十分重视辐射环境监测工作，美国、日本、英国、法国等一些发达国家建立了核设施环境辐射连续监测系统，用于核事故的早期报警及事故监测，其监测数据成为安抚公众、当局决策的主要依据。

我国环境辐射监测工作自上世纪五十年代起步，近年来随着核电站的兴建及发展正逐步受到核电、环保等有关部门的高度重视，因此研制核设施环境、辐射连续监测系统，为核设施辐射环境监测工作提供可靠的技术保障则具有重要意义。

中国已开展的环境辐射监测工作包括天然本底调查和核设施运行监测、天然环境放射性本底调查工作国外开展较早，世界范围的比对工作已大规模做过，由于各国使用的仪器及方法不同，彼此间的数据有所差异；我国自1983年起届时8 年，开展了全国环境天然γ放射性水平调查研究，表1-1为不同方法测得的原野γ外照射剂量率。

表1- 1 为不同方法测得的原野γ外照射剂量率

由表1-1可见，参加上述调查的单位较多，仪器类型不同，各家测量结果也有所差异。多年来国内外围绕环境天然γ放射性的实测值差异产生来源己开展了许多研究。

1.3 辐射监测仪器要求及选用

核设施环境监测是伴随核电站的运行而开展的，各国选用的监测仪器有所不同，有高气压充氢电离室型、补偿型GM计数管型、正比计数器型NaI(T1)闪烁探测器型、硅探测器型等。

国内大亚湾核电站近期采用的是GM计数管型探测器，秦山核电站采用的主要是高气压充氢电离室型探测器，连续监测系统要具有区分和鉴别天然本底辐射和人工放射性核素的能力，因此对监测系统的稳定性、灵敏性、准确性要求较高。另一个监测目的是早期报警及应急监测，应急监测的特点是要求监测系统可靠、响应快、量程宽，目的在于迅速准确获得结果，及时通知指挥系统，为当局决策提供依据。

随着当今理论研究的深入、计算方法的进步以及电子学技术的飞速发展，提高监测仪器的性能变得可以实现，核技术应用的拓广使仪器开发研制有所发展，各类仪表的性能都有改善。目前国内核电厂环境连续监测仪器多为进口产品，由于引进设备价格昂贵，而国内尚无定型产品，因此急需开展核设施环境辐射连续监测系统的研制工作。

通过对几种常用的核辐射传感器的综合比较，本设计选用GM计数管，因

为其具有如下优点：

1 灵敏度高，不论何种类型的射线，只要在计数器的灵敏区内产生一对离子，便可能引起放电而被记录。

2 脉冲幅度大，输出脉冲幅度达几V。甚至几十V，可以省去或简化放大电路。

3 稳定性高，不受外界电磁场干扰，对电源的稳定度要求也不高。

4 计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量要求在较大范围内变动。

5 使用方便，成本低廉，制作的工艺要求和仪器电路均较简单。

2 研究内容和总体方法

2.1 总体设计思路

辐射污染源如γ射线等，具有很高的能量级，在探头电路设计中可以利用G-M监测辐射源产生的脉冲计数，并在此基础上进行不同的非线性补偿或线性拟合。根据单位时间内产生的脉冲信号作为数据采集信号，经过信号放大电路，模数转换电路，将信号经过单片机控制电路处理，然后再执行监测结果实时显示，报警电路等。工作原理见图2-1。

图2- 1 系统总体框图

2.2 仪器工作原理

1）信号调理电路

由于G-M管产生的输出信号幅值较大，所以脉冲信号需经过一个限幅电路转换成幅值较小的脉冲信号，然后经过施密特触发器转换成边沿触发的脉冲信号。如下图2-2。

图2- 2 信号调理电路

2）电源变换电路

电源变换电路包括高压模块和升压模块。G-M管的工作电压较高，但输入电压只有3.3V，所以要采用集成高压模块来提供工作电源，而系统采用的一般是低电压作为外部电源，为能给系统中的单片机和其它芯片提供工作电压，必须将输入的外部电源电压升高到芯片工作电压。升压模块电路如下图2-3。

图2- 3 升压模块电路

3）显示报警电路

通过读取核辐射探测器的脉冲数，计算为对应的脉冲频率，将结果送显示电路，通过LCD实时显示辐射程度量。如果脉冲频率大于设定的的频率上限值，则驱动电路并通过LCD实时显示辐射程度量。

同时仪器具有语音报警功能，脉冲频率大于设定的的频率上限值时，发出“辐射剂量超标，请注意防护”的语音播报。如果条件允许的话，还可以继续输出控制信号，开启防护装置，使检测仪器功能更加完善、科学。系统工作原理图如图2-4。