【文章內容簡介】 性生產和應用單位外部環(huán)境，包括空氣、水體、土壤、生物、固體廢物等所作的監(jiān)測。 對放射性核素具體測量的內容有：①放射源強度，半衰期，射線種類及能量；②環(huán)境和人體中放射性物質含量、放射性強度、空間照射量或電燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 離輻射劑量 。 二、放射性監(jiān)測方法 環(huán)境放射性監(jiān)測方法有定期監(jiān)測和連續(xù)監(jiān)測。定期監(jiān)測的一般步驟是采樣、樣品預處理、樣品總放射性或放射性核素的測定；連續(xù)監(jiān)測是在現(xiàn)場安裝放射性自動監(jiān)測儀器，實現(xiàn)采樣、預處理和測定自動化。 對環(huán)境樣品進行放射性測量和對非放射性環(huán)境樣品監(jiān)測過程一樣，也是經(jīng)過樣品采集、樣品預處理和選擇適宜方法、儀器測定三個過程。 (1) 樣品的采集：對于放射性監(jiān)測的環(huán)境樣品來說，有累積采樣和瞬間采樣兩種方式。 (2) 樣品預處理：樣品預處理的目的是濃集對象核素、去除干擾核素和將樣品的物理形態(tài)轉換成易于進行放射性 檢測的形態(tài)。常用的樣品預處理的方法有蛻變法、共沉淀法、灰化法、電化學法、離子交換法、溶劑萃取法等。 (3) 環(huán)境中放射性監(jiān)測：①水樣的總 α 放射性活度測定；②水樣中總β放射性活度測量；③土壤中總 α、 β放射性活度的測量；④氚的放射性監(jiān)測；⑤各種形態(tài) I 的放射性監(jiān)測。 (4) 個人外照射劑量的測定：個人劑量是佩帶在身體適當部位，用來測量個人外照射劑量的儀器，有輕便、小型、容易使用和價格低廉等特點 ]4[ 。 本設計的任務、內容和要求 本設計采用 MSP430 單片機對工作環(huán)境 中的γ射線進行檢測的裝置設計。其中包括了系統(tǒng)硬件設計和軟件設計。首先要查閱相關資料，學習MSP430 單片機的軟硬件知識，設計硬件電路，然后學習 C 語言的相關知識，用 C 語言編制數(shù)據(jù)采集 (計數(shù)器 )、數(shù)碼顯示、鍵盤、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)通訊(RS232)等應用程序，最后在 IAR 為 MSP430 設計的仿真工具上進行調試運行，完成設計。 第 2 章 放射性檢測儀器原理 7 第 2 章 放射性檢測儀器原理 放射性檢測儀器基本原理 放射性檢測儀器種類很多，實際工作中，需根據(jù)監(jiān)測目的、試樣形態(tài)、射線類型、強度及能量等因素進行選擇。對放射性物質的活度或劑量進行測 定時需要專用的放射性檢測儀器，表 21 中列舉了各種常用的放射性檢測器。 放射性檢測的基本原理是：利用射線與物質間的相互作用，這種作用包括電離、發(fā)光、熱效應、化學效應和能產生次級粒子的核反應等。最常用的檢測器有三類，即電離型檢測器、閃爍檢測器和半導體檢測器。 表 21 各種常用的放射性檢測器及其應用 射線種類 檢測器 特點 α射線 閃爍檢測器 正比計數(shù)管 半導體檢測器 電流電離室 核乳膠 檢測靈敏度低，探測面積大 檢測效率高，技術要求高 本底小，靈敏度高，探測面積小 測較大放射形活度 可記錄單個 α粒， 研究其徑跡、射程 β射線 正比計數(shù)管 蓋革計數(shù)管 閃爍檢測器 半導體檢測器 檢測效率高，裝置體積大 檢測效率高，裝置體積大 檢測效率低，本底小 探測面積小，裝置體積小 γ射線 閃爍檢測器 半導體檢測器 檢測效率高，能量分辨能力強 能量分辨能力強，裝置體積小 電離型檢測器 電離型檢測器是利用射線通過氣體介質時使氣體發(fā)生電離的原理制成的探測器。應用氣體電離原理的檢測器又可分為電流電離室、正比計數(shù)管和蓋革計數(shù)管 (GM 管 )三種。電流電離室是測量由電離作用而產生的電離電流，適用于測量強放射性；正比計 數(shù)管和蓋革計數(shù)管則是測量由每一入射粒子引起電離作用而產生的脈沖式電壓變化，從而對入射粒子逐個計數(shù)，燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 它適合于測量弱放射性。以上三種檢測器之所以有不同的工作狀態(tài)和不同的功能，主要是由于對它們所施加的工作電壓不同，從而引起電離過程不同。現(xiàn)將三種電離型檢測器分別介紹如下。 電流電離室 電流電離室通常用來研究帶電粒子所引起的總電離效應，也就是測量輻射強度及其隨時間的變化；還可以制造成能監(jiān)測個人吸收劑量的劑量儀。由于這種類型的檢測器對任何電離都有響應，所以在甄別射線類型方面，它是無能為力的。由于電離電流十分 微弱 (通常在 1210? A 左右或更小 )，所以電流電離室還要同高倍數(shù)的電流放大器配合使用。 正比計數(shù)管 正比計數(shù)管檢測器廣泛用于 α 粒子和 β 粒子的計數(shù)，優(yōu)點是工作性能穩(wěn)定、本底響應低。正比計數(shù)管給出的脈沖幅度正比于初級致電離粒子所消耗的能量，所以還可以用于能譜測量，但條件是初級粒子必須把其全部能量損耗在計數(shù)管的氣體之內。由于這個原因，正比計數(shù)管大多用于低能 γ射線的能譜測量和鑒定放射性核素用的 α射線的能譜測量。 一般的正比計數(shù)管由一圓柱金屬筒內安上一條金屬絲構成，筒內 充甲烷 (或氬 )和碳氫化合物的氣體，充氣壓力和大氣壓一樣。兩極間電壓約為1500~5000V，在此電壓下，能使由電離產生的電子在收集電極近處高速加速，并在前進途中進一步發(fā)生連續(xù)性的次級電離，使電流的放大倍數(shù)達到410 左右。由于輸出脈沖的大小正比于入射粒子的初始電離能，所以把這類檢測器定名為正比計數(shù)管。 蓋革 (GM)計數(shù)管 蓋革計數(shù)管也稱蓋革謬勒計數(shù)管，是目前應用最為廣泛的放射性檢測器，它被普遍地用于檢測 β 射線和 γ 射線強度。該計數(shù)器對進入其靈敏區(qū)域的粒子的有效 計數(shù)率接近于 100%；它的另一個工作特點是，對不同射線都給出大小相同的脈沖，因此不能用于區(qū)別不同的射線。在輻射監(jiān)測儀器中，可將它做成攜帶式的輻射指示儀或放射性污染監(jiān)測儀。 常見的蓋革計數(shù)管為一密閉的玻璃管 (長約 12cm，直徑約 )，中間一條細絲作為陽極，玻璃管內壁涂一層導電物質或另外放進一金屬圓筒作第 2 章 放射性檢測儀器原理 9 為陰極，蓋革計數(shù)管內充約相當于 1/5atm(約 20kPa)的惰性氣體氬，當氣體受輻照電離后，在工作電壓下產生微弱電流，再將其放大 710 ~ 1010 倍。管中還充有少量猝滅氣體 (如乙醇、二乙醚、溴等 )，其電離勢比氬氣低，作用是防止計數(shù)管在一次放電后發(fā)生連續(xù)放電。蓋革管的充氣氣壓小于 1/4atm (約 25kPa)，工作電壓從幾百伏特至 1500 伏特。它的工作特點是：不管入射粒子引起初級電離的離子數(shù)有多少，經(jīng)過氣體放大后，最后到達陽極的電子數(shù)都一樣，所以輸出脈沖高度也一樣。圖 21 所示是蓋革計數(shù)管用于測量射線強度的整套示意圖。 圖 21 蓋革計數(shù)館系統(tǒng)示意圖 為減小本底計數(shù)和達到防護目的，一般將計數(shù)管放在鉛或生鐵制成的屏蔽室中，其他部件裝配 在一個儀器外殼內，合稱定標器。 閃爍檢測器 閃爍檢測器是利用射線與物質作用發(fā)生閃光的儀器。它具有一個閃爍體，當射線進入其中是產生閃光，然后用光電倍增管將閃光訊號放大、記錄下來。 閃爍檢測器以其高靈敏度和高計數(shù)率的優(yōu)點而被用作測量 α輻照強度、β輻照強度、 γ 輻照強度。由于它對不同能量的射線具有很高的分辨率，所以又可做譜儀使用。通過能譜測量，鑒別放射性核素，并且在適當?shù)臈l件，能夠定量的分析幾種放射性核素的混合物。譜圖中的每一個峰與某一特定核素相對應，從峰面積又可以量度該核素的存在量。閃爍檢測器的測量結果在 量子統(tǒng)計性的限度內有一定的重復性。此外，這種儀器還能測量照射量和吸收劑量。 閃爍檢測器的工作原理與以下三個過程相關聯(lián)： 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 (1) 射線使某些熒光體分子激發(fā)，當分子重返低能級時，即發(fā)出光子； (2) 光電敏感物質受光后發(fā)出光電子； (3) 光電子經(jīng)倍增放大后得到可測量的輸出脈沖。 半導體檢測器 半導體檢測器的工作原理與電離型檢測器相似，但其檢測元件是固態(tài)半導體。粒子射入元件后，產生電子 空穴對，從而得到可測量的脈沖電流。半導體檢測器可用作測量 α射線、 β射線和 γ 射線的輻射。與前述兩類檢測器相比，在半導體檢 測元件中產生電子 空穴對所需能量要小得多。例如，對硅半導體是 ，對鍺半導體是 ，而對 NaI 閃爍探測體來說，從其中發(fā)出一個光電子平均能量約 3000eV。也就是說，在同樣外加能量下，半導體中生成電子 空穴對數(shù)比閃爍探測器中生成的光電子數(shù)多 1000 倍。因此，前者輸出脈沖電流大小的統(tǒng)計漲落比較小，對外來射線能量有很好的分辨率，適宜于做能譜分析。其缺點是由于制造工藝等方面的原因，檢測靈敏區(qū)范圍較小。但由于其元件體積很小，較容易實現(xiàn)對組織中某點進行吸收劑量測定。 硅半導體檢測器可用于 α 計數(shù)和測定 α 能譜及 β 能譜。對 γ 射線一般采用鍺半導體做檢測元件，因為鍺原子序數(shù)較大，對 γ 射線吸收效果更好。在鍺半導體單晶體中滲入 Li 制成鍺半導體元件，具有更優(yōu)越的檢測性能。因滲入的鋰不取代晶格中的原有原子，而是夾雜其間，從而大大增大了鍺的電阻率，即在探測 γ 射線時有較大的靈敏區(qū)域。應用這類檢測元件時，因為室溫下鋰容易逃逸，所以要在液氮下 (196℃ )工作 ]5[ 。 本章小結 本章主要敘述了放射性檢測儀器的原理，并對常用的三類放射檢測儀器原理及其特點進行了詳細的敘述，即電離型檢測器、閃 爍檢測器和半導體檢測器。其中電離型檢測器中，又重點介紹了電流電離室、正比計數(shù)管、蓋革 (GM)計數(shù)管三種電離型檢測器，針對各種不同放射性檢測儀器的特點，本設計擬定采用蓋革 (GM)計數(shù)管作為射線數(shù)據(jù)采集的傳感器。 第 3 章 MSP430 單片機原理 11 第 3 章 MSP430 單片機原理 概述 單片機的概念及特點 將中央處理器、存儲器、 I/O 接口電路以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上的計算機，即所謂的單片微型計算機，簡稱單片機。單片機在設計上主要突出了控制功能，調整了接口配置，在單一芯片上制成了結構完整的計算機，因此，單片機也稱 為微控制器 (MCU)。 單片機具有如下特點： (1) 小巧靈活、成本低、易于產品化，它能方便地組裝成各種智能式控制設備以及各種智能儀表。 (2) 面向控制，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務，因而能獲得最佳性價比。 (3) 抗干擾能力強，適應溫度范圍寬，在各種惡劣環(huán)境下都能可靠地工作，這是其他機型無法比擬的。 (4) 可以很方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高 ]6[ 。 MSP430 系列單片機 TI 公司的 MSP430 系列單片機是 一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應用而由各種不同的模塊組成。這些微控制器被設計為可用電池工作，而且可以有很長使用時間的應用。它們具有 16 位 RISC 結構， CPU 中的 16 個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達到最高的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器 (DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us 的時間內激活到活躍的工作方式。 MSP430 系列單片機具有豐富的片內外設，有及廣闊的應用范圍。 MSP430 系列單片機具有以下一些共同的特點 。 一、 低電壓、超低功耗 MSP430 系列單片機，在 ~ 電壓、 1MHz 的時鐘條件下運行，耗燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 電電流 (在 ~400uA 之間 )因不同的工作模式而不同；具有 16 個中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請求將 CPU 喚醒只要 6us，可編制出實時性特別高的源代碼；可將 CPU 置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。 二、 強大的處理能力 MSP430 系列單片機，為 16 位 RISC 結構，具有豐富的尋址方式 (7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址 )、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都 可參加多種運算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下，指令周期為125us。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 三、 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復位后，首先由 DCOCLK 啟動 CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。 四、 豐富的片內外設 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富 的片內外設。它們分別是以下一些外圍模塊的不同組合：看門狗 (WDT)、定時器 A(Timer_A)、定時器 B(Timer_B)、比較器、串口 0、 1(USART0、 1)、硬件乘法器、液晶驅動器、 10 位 /12 位 ADC、 14 位 ADC(ADC14)、端口 0(P0)、端口 1~6(P1~P6)、基本定時器 (Basic Timer)。其中看門狗可以使程序失控時迅速復位；比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器可以設計為 A/D 轉換器；定時器具有捕獲 /比較功能，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有兩個串口，可方便地實現(xiàn) 多機通信等應用；具有較多的并行端口，最多可達到 6 8 條 I/O 口線，而且 I/O 口線具有中斷能力； 12/14 位硬件 A/D 轉換器有較高的轉換速