一种Android系统的智能手机γ个人剂量仪

成都理工大学 左 卓 柳炳琦 肖婷婷

一种Android系统的智能手机γ个人剂量仪

成都理工大学 左 卓 柳炳琦 肖婷婷

【摘要】介绍了一种基于Android系统的个人辐射剂量仪，该剂量仪与其他辐射检测仪比具有相对低的功耗、更好的携带性、可以连续工作等优点。主要用到的器件有G-M 计数管、ATmega8 单片机、FBT06蓝牙模块和一部Android智能手机，主要阐述了电源模块和数据交换的创新性设计方案，将设计的电源模块输出信号作为接下来电路中ATmega8单片机和TL062还有GFHV-201P高压模块的工作电压，最后剂量仪数据通过无线蓝牙模块实现手机实时交换。设计的剂量仪和开发的App应用程序，可组成范围性环境辐射监测网，实时监测环境中的放射性剂量值，能够让公众在发生突发核事故或周围核医疗设施发生泄漏时及时获取辐射信息。

【关键词】辐射剂量仪；G-M计数管；Android；FBT06

随着我国核电事业的飞速发展和深入应用，像2014年5月发生的二级放射源遗漏的核事故和医疗设备放射性污染的潜在危险也在增加，对核电厂、核突发事故、以及核设施周围环境中的放射性物质进行检测已引起广大群众的关注。在核电站周围工作的人员或者生活的群众，可能会受到γ射线辐射，这就需要一个能随时随地的对环境中的放射性有一个探测设备，研制Android个人辐射剂量仪就解决了这样的问题［1］。由于该设备巧妙地将核辐射探测器和人们日常生活中用到的手机充电宝结合起来，并且通过无线蓝牙通信系统将测到的数据发送到普及度非常高的Android手机上面，用户只需要下载本文设计的辐射监测App应用程序，可以通过这样一个系统获得环境辐射程度的数据并作出相应对策，这样可以及时发现放射性污染并有可能防止污染转移［2］。本文介绍的辐射剂量仪主要有实时监测、制作简单、价格低廉、操作方便、应用范围广等优点。

1.核辐射测量的原理和方法

由于元素的核衰变是由原子核自发产生的，并且通过学习原子结构知道，原子核的能量能级结构等都是量子体系，因此能级跃迁产生射线的这个过程存在着不确定度，且每个原子核发生衰变的时间是不确定的，概率又都是一样的，所以核衰变是一个量子跃迁过程，故对衰变产生的粒子进行探测服从量子的统计规律。由于放射性核素发生衰变的准确时间是没有办法测量的，所以只能将所有的单次衰变看做一个整体，通过统计方法计算出其衰变规律。

放射性活度是放射性强度的基本单位，表示单位时间内参与衰变的原子核数目。单位为贝可勒尔，符号为 A（t），通过统计学方法得到的放射性活度的计算公式为［3］：

由上面的公式可以推得如下公式：

在这个公式中，N（0）表示的是在元素开始衰变前的原子核的总数目，N（t）表示经过t时间的衰变以后此时剩余的原子核数目，虽然每一个原子核的衰变之间没有任何的相互关联，但是通过大量的粒子数据进过统计分析，当粒子数目足够大的时候会出现上面所述的呈指数规律的关系。

在本次设计中采用的探测原理是用的G-M计数管作为探测仪器，所以利用公式 （1-4），记录到G-M计数管每秒输出脉冲个数，然后运用这个公式计算得到所测量的辐射剂量值，在公式里面N表示单位时间里脉冲的个数，D表示剂量， t是所采用的G-M计数管的探测死时间，K为G-M计数管的探测灵敏度。

2.辐射剂量仪整体设计

为了能够达到要求，本设计较为新颖之处是，将人们生活中时常用到并现在以相对普及的便携手机充电器相互结合。设计通过3.8V锂电池供电，通过充放电芯片系统可以实现多次长时间使用，在不需要进行核辐射测量时可以作为一般的手机充电宝使用。在开启辐射探测功能后，通过GFHV-201P高压模块将电源输出的5V稳定电压转换到380V，供给G-M计数管两端的工作电压。电源模块的设计突出了功耗低、体积小的特点，重复利用的特点。其全局设计示意图如图1所示。

图1 核辐射剂量仪整体设计示意图

该剂量仪能和智能手机相结合，只需要使用者下载一个辐射检测App到手机上即可，打开探测设备后，可以实时得到相应的辐射剂量数据，可以及时作出反应。此剂量仪体积小、功耗低、操作简单。适合应用于可能存在核辐射的工作单位，在旅行时可能存在高放射性的地方，及在发生核事故、地质灾害等重要情况时，公众能首先通过自己手中的辐射检测设备对自身所处环境的放射性有一个清楚地了解。

2.1 控制模块

本设计所采用的控制芯片使用的是ATmega8A，有更低的功耗、更强的处理能力和内部集成设备。

在这里衡量功耗大小用单位W/MIPS即（瓦特/百万指令每秒），这个单位是对比功耗与性能之间关系的专用单位。设计中采用的ATmega8芯片在完全工作时的功耗只有3.6mA/MIPS，在休眠模式的时候只有1mA/MIPS，在掉电模式时候只有0.1uA/MIPS的耗电量。由于ATmega8A采用的是RISC内核，所以这个芯片的130条指令中大多数的执行时间能够在1个时钟周期内完成。所以再处理能力上有大大的提高，同时处理时间的缩短对辐射测量的准确性提高起到了良好的作用。主控模块的部分电路设计如图2所示。

图2 主控模块部分电路图

2.2 信号采集模块

在系统的设计中，信号采集模块有G-M计数管，高压电源转换模块，最后还有输出信号甄别整形电路。给G-M计数管施加380V的直流高压，使其开始对空气中的射线粒子进行探测，它的输出是0到5V之间的类高斯尖峰脉冲波形，为了方便用单片机对结果的脉冲进行计数，需要利用甄别成形电路把G-M管的输出波形进行转换［4］，使原来的尖峰脉冲称为高低电平变换的矩形脉冲。然后将脉冲输入到ATmega8单片机中，提供给单片机计数信号［5］。

在本设计中，甄别成形电路采用TP062作为比较器，当输入电压值大于比较的参考电压时，输出低电平，反之则输出高电平。高压模块是探测器正常工作的重要部分，所以需要稳定，可靠的设计。在参考和比较多种高压电源以后，选择了GFHV-201P的高压模块。它工作电压在4.5-9V，输出电压能够达到600V。完全满足设计中G-M计数管正常工作时两端380V的工作电压。这种高压模块有很小的纹波，在使用过程中能较好的减少噪声干扰等。信号采集模块的整体设计如图3所示。

图3 信号采集模块电路设计图

2.3 电源模块

在设计中为了达到便携、重复利用、成本低廉的目的，电源模块选用了许多成本低，稳定性好的集成芯片。如充电管理芯片TP4056、输出控制芯片CN5136、充放电保护芯片8205A和DW01X等。

设计中为了实现对电池的保护。能够更稳定的给电池充电，让整个过程安全使电池有更长的寿命。选择用芯片TP4056来对整个充电过程进行控制。当输入电压被拿掉时，自动控制功能使TP4056进入低电流状态，此时电池的漏电流限制到2uA以下。CN5136的开关频率可达300KHz，外部电路只需要一个肖特基整流二极管、两个电阻、一个电感和一个电容。通过外部电阻可以设置输出电压最高可以到6V，输出达到500毫安的电流。因为片内有高精度的电压基准源，芯片有高精度的输出电压和低温度漂移。电源模块如图4 所示。

图4 电源模块设计电路图

3.辐射剂量仪调试

3.1 硬件调试

G-M探测器正常工作时，系统G-M计数器的负极输出端测得到的信号图形如图5所示。

图5 G-M计数管输出信号图

信号在通过预处理以后进入甄别其中进行脉冲波形到方波的转换，在比较器的参考端加上了0.56V的参考电压，当信号端口电压大于参考电压设定值时，甄别器的输出端将输出低电平，出现下降沿。信号进入单片机后单片机下降沿判断是否计数。甄别器输出信号波形如图 6所示。

图6 甄别器输出信号

3.2 辐射剂量仪软件调试

（1）在ATmega8单片机上，不断调试改写控制程序。检查单片机是否能正常启动，是否能够准确的调用设置蓝牙通信模块。通过手机给主控单片机发出操作指令，检查蓝牙端口能否成功发送监测数据给已经匹配好的手机移动平台。

（2）检查软件是否能正常实现报警阈值的设定和测量时间的设定。检查系统能否正常保存测量数据。手机终端的运行和显示如图7所示。

图7 手机运行结果

4.结论

利用G-M探测器、ATmega8A、蓝牙模块、电源芯片等，成功设计了功耗低、易携带、可连续工作的个人辐射剂量仪。比较并选择了适合本次设计的探测器，在基本的功能实现的情况下加入终端互联，组建了环境监测网络。获得的测量结果与其他辐射剂量仪测量结果一致。

参考文献

［1］汪东风，孙德华，洪节省等.复杂环境条件下便携式放射剂量仪检测方法的研究［J］.检验检疫科学，2007，17（5）∶35-39.

［2］石会路，庹先国，奚大顺等.高灵敏度γ剂量率监测仪的设计与研制［J］.核电子学与探测技术，2009（2）∶312-315.

［3］殷小芳.基于个人辐射剂量仪的研制［D］.成都理工大学核技术与自动化学院，2012.

［4］Lehnert，Robert W.Production Engineering measure for high rang Geiger-Mueller tube［R］.ADA027403，1974.

［5］吕志刚，王鹏，范晓光.基于MSP430单片机的多功能、高精度数据采集系统［J］.电子技术应用，2007，33（7）∶70-72.