基于ARM7的新型便携式土壤测氡仪的研制

摘要： 本文针对传统瞬时土壤测氡仪数据存储量小、数字化水平不高等缺点，设计一种新型基于ARM7的新型瞬时便携式土壤测氡仪。硬件部分设计了全新的数据采集与控制电路，提高了仪器的灵敏度、数据采集精度和处理速度；软件设计引入嵌入式操作系统uc/OS-II，提高了仪器的稳定性、可操作性，设计了合理的人机交互界面和USB数据传输接口。野外测试结果表明，该仪器能够稳定、准确、快速的采集、处理数据，适用于地质和水文勘探中氡气浓度的定量测量。

关键词： 测氡仪； ARM7； uc/OS-II； USB

中图分类号： TL817文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）07-0043-02

1 引言

放射性污染因其对人体造成的伤害，已成为社会面临的严重问题。氡的放射性污染作为一种比较敏感的环境污染越来越受到重视。对氡及其子体的测量和控制已经是多个学科共同关心的问题。准确测量氡及其子体是采取防护措施的前提。近年来国内外各种环境测氡仪器不断涌现，设计方法多种多样，适用于不同场合[1]。

瞬时便携式测氡仪（以FD-3017 RaA测氡仪为例）大多利用静电收集氡衰变的第一代子体RaA（218Po）作为测量对象，定量测量土壤或水中氡浓度[2]。虽然拥有没有探测器污染问题、操作简便、现场可获取结果等优势，但其仍属于第二代数字式仪器，仪器的数字化程度不高，人机对话能力差，并且没有辅助测量系统进行影响因子校正[3，4]。

本文设计了一种基于ARM7的新型瞬时土壤测氡仪。数字部分设计以ARM7为核心，通过控制电路实现用户输入、输出的液晶显示以及能谱的存储传输等功能；模拟部分电路主要包括前置放大器电路、主放大器电路、峰判起电路、采样保持电路、A/D转换电路以及控制电路等部分；控制器软件编写引入嵌入式控制系统uc/OS-II，增加了系统的稳定性和可移植性。该测氡仪具有灵敏度高、处理速度快、数据存储量大、便携性好等优点，具有较好的应用前景。

2 设计原理

218Po核素是a辐射体，是氡子体中的一个短寿命子体，其积累达到平衡时间为30min，积累10min时，其累积量达到约90%；积累15min时，累积量达到约96%，再加积累时间（采样时间），218Po的累积量增加很少，可以认为，采样时间选用15min，218po达到基本平衡，通过快速收集218Po核素，并测量其衰变时辐射出a射线强度，间接的了解氡的存在与分布情况[5，6]。系统设计框图如图1所示。

2.1 a探测器、电荷灵敏放大器

a探测器由金硅面垒半导体探测器和电荷灵敏放大器组成。金硅面垒半导体探测器把探测到的a射线转换成微弱的电信号，经电荷灵敏放大器放大后（50-150 mV）。当电荷灵敏放大器有足够的放大倍数， 放大器的输出电压与电荷Q成正比， 使放大器输出的电压能够反映入射粒子的能量。

鉴于半导体探测器输出信号的微弱性以及电荷灵敏前置放大器的高敏感性，在实际设计中采取了：电荷灵敏前置放大器用金属盒将其电磁屏蔽；导体探测器应避光；半导体探测器与电荷灵敏前置放大器的连接线采用高频屏蔽信号线，并尽可能短；电荷灵敏前置放大器的电源应非常稳定且纹波小；提供给半导体探测器的高压应稳定且纹波小等措施。

2.2主放大电路、峰值展宽电路

由于核辐射在时间上和能量上具有统计分布规律，所以由探测器转换而来的作为线性脉冲放大器的输入信号就具有时间上和幅度上的统计分布规律。时间上的统计分布规律是指这些脉冲的出现在时间上是非均匀的，脉冲出现的时间是偶然的。

主放大电路的基本作用是把核辐射粒子经探测器转换而得到的电脉冲信号按一定的放大倍数加以放大，并给出足够的输出脉冲幅度。放大电路对幅度大小不等的脉冲信号有同样的放大作用，即线性放大，在放大器的输出端得到具有与核辐射粒子（RaA-α粒子能量6.00MeV）能量分布相应的输出脉冲幅度分布（信号将被放大到2V左右，放大倍数20倍左右，考虑到电荷灵敏放大器的输出的信号幅度差异性，采用放大倍数可调的方法）。

峰值展宽电路包括了脉冲检测电路、过峰检测电路、峰值保持电路和控制电路四大部分。脉冲检测电路是通过设定电压阈值，将信号中幅度小于闭值的噪声去除。由于半导体探测器、电荷灵敏前置放大器和主放大器自身都存在着噪声，去除这些噪声对探测核辐射事件至关重要。这个闽值大小一般在0.7～1V，通过可调电阻进行调节。

2.3模数转换电路

本设计采用的AD774是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的14位逐次逼近型快速A＼D转换器。与数字部分传输，采用并行数据传输方式。其电路图如图2所示。

2.4数字电路

数字部分设计以ARM7（LPC2290）为核心，包括：核心板的设计、键盘、LCD等部分。满足了人机交互需要的同时，极大的加快了测氡仪的处理速度，其中扩展出的串口，不仅可以插加GPS模块，还为与上位机联机的数据传输建立了基础。

LPC2290基于ARM7TDMI-S CPU内核。支持ARM和Thumb指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。设计中利用ARM7丰富的GPIO接口简化了传统的控制电路。采用SPI总线进行数据传输。

3 系统软件设计

软件设计引入uc/OS -II嵌入式操作系统。uc/OS-II是一个完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务内核，具有高稳定性和高可靠性。控制软件的流程图见图3所示。

通过任务之间的调度关系，完成空闲任务（低功耗待机模式）、键盘扫描（操作过程）、显示任务（人机交互界面）、通信任务（后期数据传输）、高压设置、测量设置等相关任务的时序关系，其中通信任务可将野外测量的大量数据传输到实验室上位机，进行相应的后期处理和存储。通过uc/OS-II操作系统GUI管理，可实现实时的测量数据表格图像化显示，极大地提高了现场分析数据的能力。

4 仪器测试

4.1测试条件

测试地点为江西省抚州市人民公园内：东经116°36′北纬27°95′，以50m为间距，测量10组（每组10次）。仪器工作之前采用标准液体镭源进行了标定。野外测量工作按照氡气测量规范进行，在测量点上用钢钎打出1个0.5-0.7m深的小孔，高压设置为650V，时间1分钟。然后把取样器插入孔内抽气，使用新型ARM7土壤测氡仪与上海申核电子仪器厂FD-3017进行对比测量，记录测量结果。10组数据的平均值见表1所示。

4.2结果分析

可以看出，该地区氡气活度浓度在3.0×103Bq/m3—16.1×103Bq/ m3，两台仪器测试数据基本相符；证明了仪器的稳定性及野外实用性。测试发现，植被覆盖花园、绿地等原土测点，由于土质密实、潮湿，土壤氡浓度一般较低； 而在回填土的测点，土壤类型变化很大，土体疏松密实不一，土壤氡浓度检测结果一般较高，高低变化较大，最大值超过全国平均水平7.3×103Bq/m3[7]两倍以上。

结论

本文设计的新型基于ARM7的瞬时便携式土壤测氡仪，具有便携性好，数字化水平高等突出特点，满足野外稳定、准确、快速的测量氡气活动浓度的需要，提高了野外工作的效率。该仪器不但适用于野外测试，同样适用于室内氡气活度浓度的测试工作，可以广泛应用于地质和水文勘探中氡气浓度的定量测量。

参考文献：

[1] 郑奕挺.便携式连续测氡仪的研制[M].成都：成都理工大学.2006.4.

[2] 张国华，袁中凡，耿波等.基于ARM 的a能谱测氡仪的研制[J].核电子学与探测技术，2007，27（5）：836-838.

[3] 硕良勋，刘昱，曲文斌.218Po快速测氨仪的研制[J].地球物理学进展，2004.19（4）：764-767.

[4] 张国华，袁中凡，郑奕挺.基于间接测量方法的便携式连续测氡仪的研制[J].四川大学学报，2007.39（6）：174-177.

[5] 卫宏.测氡数据的相似性分析[J].核技术，2001.24（6）：478-477.

[6] 王玉双，葛良全.一种新的便携式瞬时土壤测氡仪的研制[J].核电子学与探测技术，2007，27（1）：96-100.

[7] 王喜元，朱立，吕磊，等.中国土壤氡概况[M].北京：科学出版社，2006.