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基于ARM的Time-To-Count辐射测量仪的研究

作　者: 杨永刚
导　师: 侯新生
学　校: 成都理工大学
专　业: 核技术及应用
关键词: ARM Time-To-Count 盖革-弥勒计数管辐射测量
分类号: TL81
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着半导体工艺的飞速发展和芯片设计水平的不断进步,ARM微处理器的性能得到大幅度地提高,同时其芯片的价格也在不断下降,嵌入式系统以其独有的优势,己经广泛地渗透到科学研究和日常生活的各个方面。本文以ARM7 LPC2132处理器为核心,结合盖革-弥勒计数管对Time-To-Count 辐射测量方法进行研究。ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的,其指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多,使用一个小的、廉价的ARM微处理器就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。基于ARM7TDMI-S核的LPC2132微处理器,其工作频率可达到60MHz,这对于Time-To-Count技术是非常有利的,而且利用LPC2132芯片的定时/计数器引脚捕获功能,可以直接读取TC中的计数值,也就是说不再需要调用中断函数读取TC值,从而大大降低了计数前杂质时间。本文是在我师兄吕军的《Time-To-Count测量方法初步研究》基础上,使用了高速的ARM芯片,对基于MCS-51的Time-To-Count辐射测量系统进行了改进,进一步论证了采用高速ARM处理器芯片可以极大的提高G-M计数器的测量范围与测量精度。本文首先讨论了传统的盖革-弥勒计数管探测射线强度的方法,并指出传统的脉冲测量方法的不足。然后讨论了什么是Time-To-Count测量方法,对Time-To-Count测量方法的理论基础进行分析。指出Time-To-Count方法与传统的脉冲计数方法的区别,以及采用Time-To-Count方法进行辐射测量的可行性。接着文章详细讲述基于ARM7 LPC2132处理器的Time-To-Count辐射测量仪的原理、功能、特点以及辐射测量仪的各部分接口电路设计及相关程序的编制。最后得出结论,通过高速32位ARM处理器的使用,Time-To-Count辐射测量仪的精度和量程均得到很大的提高,对于γ射线总量测量,使用了ARM处理器的Time-To-Count辐射测量仪的量程约为20μR/h到1R/h,数据线性程度也比以前的Time-To-Count辐射测量仪要好。所以在使用Time-To-Count方法进行的辐射测量时,如何减少杂质时间以及如何提高计数前时间的测量精度,是决定Time-To-Count辐射测量仪性能的关键因素。实验用三只相同型号的J33G-M计数管分别作为探测元件,在100μR/h到1R/h的辐射场中进行试验.每个测量点测量5次取平均,得出随着照射量率的增大,辐射强度R的测量值偏小且与辐射真实值之间的误差也随之增大。如果将测量误差限定在10%的范围内,则此仪器的量程范围为20μR/h至1R/h,量程跨度近六个数量级。而用J33型G-M计数管作常规的脉冲测量,量程范围约为50μR/h到5000μR/h,充分体现了运用Time-To-Count方法测量辐射强度的优越性,也从另一个角度反应了随着计数前时间的逐渐减小,杂质时间在其中的比重越来越大,对测量结果的影响也就越来越严重,尽可能的减小杂质时间在Time-To-Count方法辐射测量特别是测量高强度辐射中是关键的。笔者用示波器测出此辐射仪器的杂质时间约为6.5μS,所以在计算定时器值的时候减去这个杂质时间,可以增加计数前时间的精确度。通过实验得出,在标定仪器的K值时,应该在照射量率较低的条件下行,而测得的计数前时间是否精确则需要在照射量率较高的条件下通过仪器标定来检验。这是因为在照射量率较低时,计数前时间较大,杂质时间对测量结果的影响不明显,数据线斜率较稳定,适宜于确定标定系数K值,而在照射量率较高时,计数前时间很小,杂质时间对测量结果的影响较大,可以明显的在数据线上反映出来,从而可以很好的反应出仪器的性能与量程。实验证明了Time-To-Count测量方法中最为关键的环节就是如何对计数前时间进行精确测量。经过对大量实验数据的分析,得到计数前时间中的杂质时间可分为硬件杂质时间和软件杂质时间,并以软件杂质时间为主,通过对程序进行合理优化,软件杂质时间可以通过程序的改进而减少,甚至可以用数学补偿的方法来抵消,从而可以得到比较精确的计数前时间,以此得到较精确的辐射强度值。对于本辐射仪,用户可以选择不同的工作模式来进行测量,当辐射场较弱时,通常采用规定次数测量的方式,在辐射场较强时,应该选用定时测量的方式。因为,当辐射场较弱时,如果用规定次数测量的方式,会浪费很多时间来采集足够的脉冲信号。当辐射场较强时,由于辐射粒子很多,产生脉冲的频率就很高,规定次数的测量会加大测量误差,当选用定时测量的方式时,由于时间的相对加长,所以记录的粒子数就相对的增加,从而提高仪器的测量精度。本论文通过调研国内外先进核辐射测量仪器的发展现状,了解到了目前最新的核辐射总量测量技术——Time-To-Count理论及其应用情况。文章首先论证了该新技术的理论原理,然后根据此原理,结合高速处理器ARM7 LPC2132,对以G-计数管为探测元件的Time-To-Count辐射测量仪进行设计。论文以实验的方法论证了Time-To-Count原理测量核辐射方法的科学性,该辐射仪的量程和精度均优于以前以脉冲计数为基础理论的MCS-51核辐射测量仪。该辐射仪具有量程宽、精度高、易操作、用户界面友好等优点。用户可以定期的对仪器的标定,来减小由于电子元件的老化对低仪器性能参数造成的影响,通过Time-To-Count测量方法的使用,可以极大拓宽G-M计数管的量程。就仪器中使用的J33型G-M计数管而言,G-M计数管厂家参考线性测量范围约为50μR/h到5000μR/h,而用了Time-To-Count测量方法后,结合高速微处理器ARM7 LPC2132,此核辐射测量仪的量程为20μR/h至1R/h。在允许的误差范围内,核辐射仪的量程比以前基于MCS-51的辐射仪提高了近200倍,而且精度也比传统的脉冲计数方法要高,测量结果的线性程度也比传统的方法要好。G-M计数管的使用寿命被大大延长。综上所述,本文取得了如下成果。本文对国内外Time-To-Count方法的研究现状进行分析,指出了Time-To-Count测量方法的基本原理,并对Time-To-Count方法理论进行了分析,推导出了计数前时间和两个相邻辐射粒子时间间隔之间的关系,从数学的角度论证了Time-To-Count方法的科学性。文章详细说明了基于ARM 7 LPC2132的Time-To-Count辐射测量仪的硬件设计、软件编程的过程,通过高速微处理芯片LPC2132的使用,成功完成了对基于MCS-51单片机的Time-To-Count测量仪的改进。改进后的辐射仪器具有量程宽、精度高、易操作、用户界面友好等特点。本论文根据实验结果总结出了Time-To-Count技术中的几点关键因素,如:处理器的频率、计数前时间、杂质时间、采样次数和测量时间等,重点分析了杂质时间的组成以及引入杂质时间的主要因素等,对国内核辐射测量仪的研究具有一定的指导意义。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-13
第1章引言  13-16
  1.1 选题依据及研究意义  13-14
    1.1.1 核辐射测量的基本原理与方法  13-14
    1.1.2 国内外研究现状  14
  1.2 本文主要研究的内容及主要特点  14-16
第2章 Time-To-Count测量方法理论研究  16-25
  2.1 放射性衰变的统计分布  16-17
  2.2 对辐射强度的估计  17-19
  2.3 Time-To-Count测量方法的基本理论  19-22
  2.4 Time-To-Count方法的蒙特卡罗模拟  22-25
    2.4.1 蒙特卡罗方法简介  22-23
    2.4.2 蒙特卡罗方法模拟  23-25
第3章 Time-To-Count辐射测量仪电路设计  25-37
  3.1 ARM7处理器LPC2132的特点  25-28
    3.1.1 概述  25-27
    3.1.2 主要特性  27-28
  3.2 Time-To-Count辐射测量仪的系统组成  28-37
    3.2.1 电源电路  28-29
    3.2.2 复位电路  29-30
    3.2.3 系统时钟电路  30-31
    3.2.4 JTAG接口电路  31
    3.2.5 LCD接口电路  31-33
    3.2.6 键盘接口电路  33
    3.2.7 I~2C接口电路  33-34
    3.2.8 G-M探测器连接电路  34-37
第4章 Time-To-Count辐射测量仪软件设计  37-47
  4.1 系统主程序及Time-To-Count原理的程序实现  37-42
    4.1.1 ARM7 LPC2132初始化  37-40
    4.1.2 Time-To-Count处理程序  40-42
  4.2 LCD程序编制  42-45
  4.3 键盘程序的编制  45-47
第5章实验及数据分析  47-52
  5.1 杂质时间测量及辐射强度测量  47
  5.2 实验结果分析  47-49
  5.3 核辐射检测仪的改进建议  49-52
结论  52-54
致谢  54-55
参考文献  55-57

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