基于FPGA与单片机的γ剂量率仪的研制

　　便携式γ剂量率测量仪器是核监测领域中最常用的测量仪器之一。现有剂量率仪的数据采集部分常用两种方法,一是采用单片机自带的定时计数器。其测量方便、灵活,但受到时钟频率(其测量频率上限=振荡频率/24)和指令周期的限制,其频率分辨能力不高,抗干扰能力有限。二是采用多片8254级联实现对高、中、低频率的准确测量,但是其功耗大、体积大的特点不适合便携式仪器的开发。这种剂量率仪在显示、存储方面也有待改进。

　　为了提高仪器的技术指标,提升系统的测量性能,并具有良好的人机操作界面和保存完整数据的功能,本系统紧跟电子技术的发展对其设计方案加以改进。因此新设计方案要满足应变速度快、低功耗及计数精度的高要求,同时要具有携带多个探头进行区域多点探测的能力。本系统采用的FPGA与51系列单片机联合开发的γ剂量率仪能够很好满足上述要求。这是基于单片机较强的逻辑控制能力、数据处理及良好的人机界面能力和FPGA的高速、高可靠性、低功耗的特点。FPGA的高速不仅晶振频率高,并且内部带有锁相环的倍频电路,可以将时钟频率倍频到几百MHz;内部程序还是并行运行的。FPGA的应用还简化了单片机外围的数字电路、减少了数字集成芯片,实现了系统的抗干扰和低功耗。

　　1　γ剂量测量原理

　　γ射线探测器选择的是G-M计数管。计数管置于辐射场中,由于入射光子的作用,计数管中发生气体电离,在两极高压电场的作用下放大并最终产生放电现象,这样就在其串联电阻上取出一个电脉冲信号。在射线监测与安全防护中常用射线的吸收剂量率衡量射线强度。对于0.3~3MeV能量范围的射线,计数管的计数率与射线吸收剂量率有如下关系:

　　式(1):D为剂量率;

　　K为比例系数;

　　η为计数率。

　　由(1)式可知,GM计数管对γ射线的吸收剂量率与电脉冲频率成正比,其比例系数K可通过标准源来刻度,这样GM计数管可实现射线辐射场的电测量。

　　2　系统组成

　　图1为γ数据采集系统结构框图。系统分为二个部分,第一部分探测部分,G-M管将探测到的γ射线转换成相应的电信号,电信号经过放大、滤波、比较器得到一系列宽度不一的矩形脉冲信号,此信号再经过单稳态触发电路就可以得到脉宽一定的TTL电平信号。这个部分简称为波形整形电路。经过波形整形电路变成了FPGA可以识别的TTL脉冲信号。第二部分为数据采集、数据处理部分,FPGA在单片机的控制下对该脉冲信号进行采集、传输至单片机,单片机对采集数据进行一系列的显示、存储以及与上位机通讯等。