1 引言
野外氡气测量作为一种有效的物探手段,近年来得到了很大的发展。因为这种方法具有费用低廉,准确度高等特点,所以广泛用于铀矿、地下断层、喀斯特溶洞、煤矿地下火区、地质滑坡体等的探测。但是测氡仪的研究多年来却没有很大的变化,仍然多以电离室为探测器,野外操作停留在手动记录数据阶段,不能满足日益发展的野外地质工作任务的要求。因此,开发探测灵敏度高、观测精度高、工作稳定可靠、耗电少、操作简单,具有通信功能的测氡仪是目前的一个重要发展方向。
针对目前野外测氡仪存在的缺点,本文设计了一种新型的便携式活性炭测氡仪,该仪器采用对氡气有较强吸附能力的活性炭为采样器,NaI(TI)晶体作为探测器,以AT-89系列单片机为核心控制单元,配合其它外围器件,在野外可完成数据的自动测量、显示和存储,并可将存储的数据传输到计算机做更进一步的数据分析和处理。实践证明,便携式活性炭测氡仪的设计与使用大大减轻了野外工作人员的劳动,提高了工作效率。
2 工作原理
氡是一种地气,广泛存在于自然界中,最新研究证明,氡及其子体凭借着自身机制,有着很强的向上运移的能力。由于氡的母体及其子体的地球化学特性不同,在自然界不同的地质体中的分布也各有差异,并有一定的规律,所以在地表通过对氡异常的观察和分析,可以探测出地下的一些地质情况[1]。氡是镭衰变的中间产物,其子体214Pb、214Bi是γ射线的辐射体。活性炭测氡仪是通过探测土壤中氡子体的γ射线的强弱,来了解氡的存在情况。当γ射线射入探测器中的NaI(TI)闪烁体,使其产生光信号,通过光电倍增管变成微弱电信号,经前置放大器、主放大器和脉冲整形电路,形成单片计算机可接受的脉冲。在单位时间内,辐射射线强时,单位时间内产生的脉冲数目多;辐射射线弱时,单位时间内产生的脉冲数目少。单位时间内脉冲数目的多少反映了γ射线的强弱。通过测量、记录整个探测区不同地点的样品,可得到不同地点γ射线强弱情况,从而可了解不同地点的氡异常,为分析整个探测区地下的地质情况奠定了基础[2]。
3 硬件电路
便携式活性炭测氡仪以单片微型计算机为主控单元,配合其它外围电路可完成对活性炭采样器中γ射线的测量、显示、存储和通信。具体电路包括电源转换电路、闪烁体计数电路、点阵液晶显示、按键输入、存储单元、通信接口和监控电路。硬件原理框图如图1所示[3]。
3.1 电源电路
测氡仪所用高压电源是由低压直流电源经过转换得到的。低压直流电压经振荡电路转变为交流电压,经变压器后,在次级输出交流高压,通过倍压及稳压电路,可得到稳定的950V直流 高压,为光电倍增电路供电。
低压电源采用集成DC-DC电源变换器将低压电池直流电压变换成稳定的直流低压,为前置放大器、主放大器、单片机系统和显示电路供电。
3.2 闪烁体计数器及相关电路
闪烁体计数器由NaI(TI)闪烁体和光电倍增管组成,当采样器中的γ射线射入闪烁体时,闪烁体发光,放出光子,光子打在光电倍增管的光阴极上便轰出光电子,电子在各倍增极增大,最后由阳极收集起来,形成电脉冲,该脉冲弱信号经前置放大器、主放大器和脉冲整形电路,形成单片计算机可接受的脉冲。
3.3 存储单元
在野外测量过程中,需要保存大量的数据,因此对存储单元的容量和可靠性提出了要求。微机扩展存储单元时,采用了大容量24系列E2PROM,该器件在上电后可在线编程数据,失电时能长期保存结果,具有二总线接口,与单片机连线简单,占用I/O口线少,使用方便[4]。
3.4 其他电路
a、点阵液晶显示与按键输入为人机接口电路。点阵液晶显示采用KY-D29C液晶显示终端,实现汉字化显示各功能模块。按键输入电路则用来选择各功能模块,完成移位、调整和确 认等功能。
b、RS-232接口的设计完成了RS-232与TTL电平转换,为实现单片机与计算机通讯,将测量的数据传送到上位计算机奠定了基础。单片机采用查询方式向上位计算机传输测量数据。
c、测氡仪在测量过程中,难免会遇到干扰,为了保证CPU的正常工作,监控电路设计了硬件“看门狗”电路。
4 软件设计
测氡仪应用软件采用汇编语言直接编写。程序设计采用模块化结构,其特点是通用性强,易查找故障。软件模块主要包括初始化模块,按键扫描模块、存储模块和通讯模块。程序流程如图2所示。
5 野外工作方法
首先根据具体的野外工作任务确定实施方案。包括野外测线的走向、线距和点距,然后在具体的工作点上挖深约40cm的坑,将活性炭采样器放置在采样坑内,上覆黄土。放置约2~3天后取出[5]。将活性炭采样器放入仪器,通过仪器键盘设置好线号、点号后按开始键开始测量。每分钟显示一次测量结果,测量总时间到后,仪器自动将数据(包括线号、点号)存入存储器中即完成该工作点的测量工作。从野外回到室内后通过数据线将仪器与计算机相连,可将数据从仪器传输到计算机,可在计算机上对数据进行再处理。
6 结论
通过对便携式活性炭测氡仪的研究,得出了以下结论:
(1)高压电源的设计以及稳定可靠的工作,为测量γ射线奠定了基础。
(2)单片机定时器应用使得计时更精确。
(3)集成电路大多采用低功耗芯片有助于便携式仪器野外长时间工作。
(4)人机界面友好,操作简单方便。
(5)RS-232接口的设计使得数据传送更为方便,简化了手动记数过程。
经野外实地使用表明,该仪器探测精度高、操作方便、运行可靠、显示准确,具有广阔的应用前景。
7 参考文献:
[1] 方方,贾文懿.杯法测氡原理及应用[J].物探和化探,1998,(6):191-198
[2] 贾文懿,方方,等.核地球物理仪器[M].北京:原子能出版社,1998
[3] 何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天出版社,1996
[4] 姜彩南.32KCMOS串行EEPROM-24C32[J].国外电子元器件,1995,(4):26-29
[5] 刘鸿福,白春明,等.浅部土壤中的氡气测量[J].核技术,1997,(6):363-369
作者简介:张新军(1974-),男,山西运城人,硕士,主要从事核电子仪器及地球物理探测研究。
