2020年03月02日 | 基于AVR单片机与CH375的多通道核辐射探测数据采集系统

该系统采用了AVR单片机、高速器件及USB接口技术，采集速度快，死时间短，计数率高，通信量大。USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性高等优点改善了各探测通道的使用性能。它不仅是4MeV静电加速器不可缺少的重要组成部分，而且为加速器防辐射安全提供确切依据，同时还为加速器在动植物育种、放射治疗、材料改性、放射化学等诸多方面的应用研究提供可靠的技术数据。整个系统已通过省级科技成果鉴定，实际运行良好。在更换探头和稍作参数调整后，还可将该系统用于其它大范围场地多种辐射的监测。

0 引言

文中介绍了多个探测通道组成的多道核数据采集系统，对4MeV静电加速器核辐射进行监测防护。各个通道采用AVR单片机ATmega128作为主控制器，通过基于CH375构成的USB接口实现数据传输。经实验测试，该系统采集速度快，死时间小，计数率高。其探头部分在更换相应的探测传感器和稍作参数调整后，便可同时探测分析γ、X和快中子等不同的放射性辐射，适用于作为大范围场地的辐射监测系统。

正离子被4MeV静电加速器加速后，会撞击加速器的管壁和靶区，产生能量较高的γ、X和快中子等多种放射性辐射，对周围的环境造成污染，对生命造成危害。由于其体积庞大，有13m高，占用一个五层楼体和300m2的实验大厅，因此必须采用多个探测端分布的多通道同步监测系统，对其产生的多种放射性辐射进行防护监测。该系统的第一个特点是由多个（最多可接数十个）多道核数据采集系统及一台主控计算机构成，采用模块式组合，可同步监测多个端点和多种辐射，结构简洁，安装调试方便。第二个特点是主控计算机采用VC++编程，配有核辐射分析软件，与各探测通道采用USB通信方式，系统可以灵活进行参数调整，计算各种辐射的能量、强度、剂量率、剂量、剂量当量等。第三个特点是有键盘、报警、打印等外控设备服务，可显示多层次界面，视窗明快，图形丰富。显示内容包括实时数据曲线，日、周、月、季、年的累积曲线，被测辐射线能谱，统计报表及历史数据档案等，功能齐全且强大。

1系统结构

该系统现连接5至15个探测端。每个探测端属于一个探测通道，它们相互独立。除探头外，每个探测通道的工作原理及电子线路都相同。各通道将所有探测数据远程传输给主控计算机室中的上位机。上位机对所采集到的数据进行实时处理，同时进行显示并存储。加速器辐射监测防护示意图如图1所示，其中只展示出六个核辐射探测通道。

图1加速器辐射监测防护示意图

2探测通道的原理

2.1工作原理

以γ射线的探测通道为例，其原理如图2所示。探测γ辐射用Φ40mm×40mm的NaI(Tl)晶体，它和PMT（光电倍增管）及前置放大器封装成一体，主放大器单独封装。两个相互独立的封装可放在辐射区内所需监测位上，这样能尽量减少前期探测信号的损耗。经主放大器放大后的输出信号，经阈值电路引至采样峰值保持电路，由鉴幅比较器控制，使其保持住峰值。然后进行A/D转换，将被转换的数据存入扩展存储器，待上位机查询读取。

图2探测通道原理框图

2.2数据采集电路设计

数据采集电路的原理是利用AVR系列功能最强的单片机ATmega128控制峰值保持和A/D转换电路，并将采集到的数据通过基于CH375构成的USB接口电路传输给上位机。AVR单片机ATmega128运用Harvard结构概念（具有预取指令功能），即对程序存储器和数据存储器带有不同的存储器和总线，当执行某一指令时，下一指令预先从程序存储器中取出，这使得在每一个时钟周期内可以执行一条指令，故速度很快。采用16MHz的时钟晶振，每一指令执行速度为62.5ns。代表辐射能量的电压脉冲信号非常窄，宽度在2μs左右，无法直接进行A/D转换。必须将其峰值保持住，方可进行量化。经过45—65Hz带阻滤波器的电压脉冲信号INPUT经过射极跟随电路U1进入峰值保持电路，如图3所示。ADG721是双通道的高速COMS开关，开关闭合需要24ns，断开需要11ns；AD790是高速、精确的电压比较器，响应时间为45ns；AD9631是高速的放大器，带宽为175MHz。

图3峰值保持电路

开始ATmega128控制开关K1闭合，K2断开。U1的输出电压分成两路，一路经二极管对100pF的电容C1充电；另一路送至U3（AD790）电压比较器，与射极跟随电路U2输出端的电压进行比较。当U2输出的电压大于U1输出的电压时，此时电容C1所保持的电压即为峰值电压。ATmega128接收到U3发出中断信号（INT0），控制开关K1断开。启动模数转换器AD9220，将转换后的数据存入数据存储器，完成后控制开关K2闭合，对电容C1进行放电。最后控制开关K1 闭合，K2断开，准备采集下一个到来的γ事件峰值。电容C1是云母电容器，有极高的防泄漏电能力，因而能够保持窄脉冲信号的峰值。AD9220是12位的A/D转换器，采集速率可高达10MSPS，具有单端和差分模拟输入方式，其内部含有采样保持电路，可选择内部参考源和外部参考源。该电路中，AD9220 选择的是内部参考源，用单端输入方式来进行A/D转换，电压输入范围为0—5V。A/D转换所需要的时钟CLK由ATmega128产生，周期为125ns。由于ATmega128内部仅含有4K的数据存储器，当核数据采集量比较大时，需要增加外部扩展数据存储器。

采集到的数据通过USB总线控制接口传输给上位机。CH375内置了USB通讯中的地层协议，可以将8位数据总线，读、写、片选以及中断输出等端口挂接到ATmega128的数据总线上与上位机进行通信。

3 137Cs全能峰的测试

利用该系统中的一个探测通道探测137Cs所得到的全能峰，如图4所示。横坐标为能量，分4096道，纵坐标为每道的计数值。从图中可以看出137Cs的半高宽为174道，相当于能量分辨率为7.73%。

图4137Cs的全能峰

4可视化编程及数据处理

上位机接收到数据后，采用VC++编写数据处理程序，首先分别测得标准源57Co（122keV）、40K（1460keV）、Ra（609keV、1764keV）、Th（583keV、2620keV）的全能峰，计算出该系统的探测效率曲线。根据γ射线能量与探测器输出的电压脉冲幅值成正比，找出峰值电压道址与其能量的对应关系，通过最小二乘法进行曲线拟合，并得到其能量刻度曲线，完成能量刻度的标定。

最后利用探测效率和能量刻度曲线，进行加速器辐射能谱测量。根据所得到的能谱计算出现场加速器辐射的吸收剂量率。加速器辐射吸收剂量率曲线如图5所示，图中实时数据的统计时间为5h。按国际辐射吸收剂量率标准，可以确定工作人员在现场滞留的时间，也可把辐射污染环境的技术数据记录和积累下来。

图5加速器辐射剂量率曲线

5结束语

该系统采用了AVR单片机、高速器件及USB接口技术，采集速度快，死时间短，计数率高，通信量大。USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性高等优点改善了各探测通道的使用性能。它不仅是4MeV静电加速器不可缺少的重要组成部分，而且为加速器防辐射安全提供确切依据，同时还为加速器在动植物育种、放射治疗、材料改性、放射化学等诸多方面的应用研究提供可靠的技术数据。整个系统已通过省级科技成果鉴定，实际运行良好。在更换探头和稍作参数调整后，还可将该系统用于其它大范围场地多种辐射的监测。