基于ARM單片機的核輻射探測裝置設計

鄧 波

?

基于ARM單片機的核輻射探測裝置設計

鄧 波

（海軍工程大學外訓系, 武漢 430033）

核輻射的探測問題一直是工程實踐中的一個難點，研究穩定性好、精確度高、響應靈敏的核輻射探測裝置具有重要的工程實用價值。本文給出了一種高速核探測裝置的設計與實現，該方法以ARM單片機STM32F4為控制器，以IR2110為驅動芯片，利用控制器高頻時鐘以及準確捕捉跳變沿的特點進行捕獲測量，實驗結果表明該方案能夠達到快速、穩定、準確的測量。

高速核探測 ARM單片機 STM32F4 IR2110 GM計數管

0 引言

在核輻射的探測中，time-to-count方法基本消除了GM計數管死時間的影響，極大提高計數管測量上限[1]，由于計數管每工作一次后要休眠一段時間，平均工作電流很小，可大大延長計數管壽命。但time-to-count方法要求GM計數管高壓切換的上升和下降時間低至幾百ns，時間間隔范圍測量達6個數量級，精度達到10 ns量級[2]。

1 系統設計原理

1.1探測原理

蓋革－彌勒計數管[3]（GM計數管）是一種應用廣泛的計數管。但由于其線性量程范圍較窄，故使用Time—to—Count[4]方法拓展GM計數管量程。Time—to—Count的基本思路是在計數管輸出一個脈沖后，將計數管兩端的高壓電壓降至起始電壓以下，并休眠一段比計數管死時間要長的固定時間，從而回避死時間不確定性對測量的影響。圖1為Time—to—Count方法工作波形示意圖。V1+V2為高壓，V2為低于計數管的起始電壓。通過測量圖1中的工作時間，即可測量核輻射強度。核輻射強度與計數管單次工作時間成反比，即=/,數管平均有效工作時間，為與計數管有關的常數。這種工作方式對高壓切換的上升時間和下降時間要求十分苛刻，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間抓捕到，才能保證定時準確。

圖1 Time—to—Count方法工作波形示意圖

1.2系統工作流程

電路原理框圖如圖2，測控單元M斷開K2，接通K1，使得V1加到傳感器陽極，傳感器進入工作狀態，定時t1[高壓要盡快升起來，以準確定時t1]；核輻射進入傳感器輸出一個脈沖，經放大、比較后送入測控單元，定時t2，同時盡快斷開K1接通K2，使傳感器進入休眠狀態，并持續2 ms左右，之后再重復以上過程。

2 探測部分電路設計

2.1比較器電路設計

圖2電路原理框圖

如圖3，HV_NA為-300 V高壓，所以當HV_PA為0 V時，GM計數管兩端電壓為300 V，低于計數管的起始電壓，計數管并不會工作，比較器也不會有輸出；當HV_PA為200 V時，GM計數管兩端電壓為500 V，計數管進入工作狀態，通過比較器輸出一個脈沖給控制電路。比較電壓可通過調節RA4的阻值來改變。

圖3 比較器電路

2.2 IR2110的半橋驅動電路

圖4為IR2110的半橋驅動電路，out_h和out_l為控制電路輸出的兩路控制信號，HV_P為200 V正高壓，HV_PA為加載到GM計數管的電壓。上臂導通、下臂截止時，GM計數管上承受500 V高壓正常工作；當上臂截止、下臂導通時，GM計數管承受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Q1關斷期間C1已經充到足夠的電壓。當HIN為高電平時，電容C1兩端的電壓加到Q1的柵極和源極之間，C1通過VB、HO、R1柵極和源級形成回路放電，這時C1就相當于一個電壓源，從而使Q1導通。當HIN為低電平時，這時聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內部通過Rg1迅速放電使S1關斷。

圖4 IR2110半橋驅動電路

3 系統控制與功能實現

STM32F4[3]通用定時器包含一個16位或32位自動重裝載值計數器（CNT），該計數器由可編程預分頻器（PSC）驅動，最高可達84 MHz頻率，即每11.9 ns可計數一次，達到精確計時。同時，將STM32F4的I/O口作為外部中斷輸入，可在180 ns內進入中斷并進行I/O口的輸出操作。圖5為STM32F4上升沿觸發中斷并執行I/O上拉波形，通道1為上升沿的信號波形，通道2為STM32F4檢測到上升沿進入中斷并輸出執行I/O口上拉動作。可以看出單片機的中斷響應速度極快，延時在200 ns之內。同時，單片機可同時操作多個I/O口，在STM32F4中可通過在寄存器中設置ODR寄存器來控制I/O的輸出狀態，使用函數GPIO_Write[4]來實現。

圖5 STM32F4上升沿觸發中斷并執行I/O上拉波形

4 結論

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示波器的截圖。

圖6 接通高壓時的示波器截圖

圖7 關斷高壓時的示波器截圖

根據上述波形可以看出，本方案能夠達到核輻射檢測的要求，簡單實用。

[1] 張合金．核輻射探測裝備和技術的發展趨勢[J]．化學工程與裝備, 2016,8（8）：277-278．

[2] 王明遠．基于cmos的輻射劑量及二維分布探測器設計研究[D]．河南師范大學, 2014．

[3] 肖文．基于3S技術的電磁輻射管理系統研究[J]．環境科學與技術, 2013,(1):464-467.

[4] 孟祥承．新型半導體探測器發展和應用［J］．核電子學與探測技術,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。