Разработка портативного цифрового радиометра

РЕФЕРАТ Ключевые слова: ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАДИАЦИИ, ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСА, ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, БЛОК ПИТАНИЯ ДАТЧИКА.

Объект исследований — портативный цифровой радиометр.

Цель исследования — разработка цифрового измерителя радиации.

В отчете в соответствии с техническим заданием проведен анализ методов измерения радиации, разработаны структурная и электрическая принципиальная схемы измерителя радиации.

Обоснован выбор элементной базы, описан принцип действия устройства. Выполнены расчеты электрической схемы.

В соответствии с индивидуальным заданием выполнены разделы охраны труда и окружающей среды и технико-экономическое обоснование разработок.

Результаты проектирования рекомендуются к внедрению предприятиями электротехнической промышленности разных форм собственности.

Использование портативного цифрового радиометра возможно в научно исследовательских лабораториях.

ABSTRACT

Keywords: THE DIGITAL METER TO RADIATION, DURATION OF THE PULSE, GENERATOR PULSING PULSE, POWER SUPPLY UNIT OF THE SENSOR.

The Object of the studies — portable digital radiometr.

The Purpose of the study — a development of the digital meter to radiation.

In report in accordance with the technical requirements is organized analysis of the methods of the measurement to radiation, is designed structured and electric principle scheme of the meter to radiation.

The Motivated choice of the element base, is described a principle of the action device. The Executed calculations of the circuitry.

In accordance with the individual task are executed sections labor guard and surrounding ambiences and feasibility study of the developments.

The Results of the designing are recommended to introduction enterprise электротехнической to industry of the different property categories.

Use portable digital radiometr possible in scientifically exploratory laboratory.

ВВЕДЕНИЕ

Атомная энергетика в настоящее время экологически более чиста и более дешева, чем тепловая. В развитых странах она обеспечивает от 15 до 70% всей электроэнергии, которая производится (Франция — 70%, США — 17%, Швеция — 50%, Канада — 15%). Однако в случае аварии атомные станции составляют серьезную опасность для людей и окружающего среды.

За время эксплуатации АЭС в мире произошли 3 основных аварии: в 1961 г. — в Айдахо-Фолс (США), в 1979 г. — на АЭС «Примайл-айленд» в Гарисберзи (США), 1986р. — на Чернобыльской АЭС.

Аварии на АЭС имеют значительные отличия от ядерных взрывов. Они отличаются от ядерных взрывов большей длительностью выбросов, которая изменяет направление потоков воздушных масс, потому практически нет возможности прогнозировать размеры зон поражения. На чернобыльской техногенной аварии, которая стала аварией глобального масштаба, необходимо акцентировать большее внимание. Как сегодня стало известно из многочисленных фактов ученым, еще ни одна катастрофа XX века не имела таких тяжелых экологических последствий, как Чернобыльская. Эта трагедия не регионального, не национального, а глобального масштаба. Выпадение радиоактивных веществ прослеживалось и в государствах Западной Европы, повысился радиационный фон в Скандинавии, Японии и США. Даже через 15 месяцев после катастрофы в Чернобыле в Большой Британии было обнаружено чрезвычайно большое загрязнение растительности радиоактивными осадками, а также большое содержание цезия в мясе овец. В результате катастрофы уже погибли много тысяч человек (свыше 50 жал с 100 жал тех, которые принимали участие в ликвидации аварии). В результате Чернобыльской катастрофы на территории Украины загрязнено 12 областей, 86 административных районов, 2311 населенного пункта, где в целом живет около 2 млн 600 жал жителей, в том числе — 600 жал детей. Загрязнено радионуклидами свыше 7 млн гектаров земли, среди которых 3 млн гектара сельскохозяйственных угодий и 2 млн лесных массивов. Еще около 1.5 млн человек проживает на территории, где радиоактивный фон в десятки раз превышает допустимые нормы (Киевская, Житомирская, Черновицкая, Ривненьска, Черкасская, Винницкая, Черниговская, Кировоградская, Ивано-Франковска области). Дезактивационные работы, на которые в 1986;1989 годах были потрачены миллионы, желаемые результаты не дали.

Влияние Чернобыльской аварии на здоровье людей очень значительный и будет проблемой не только для нас, но и для нескольких грядущих поколений. Уже в 1992;1994 годах в Житомирской и Киевской областях, как и в Беларуси, по данным Министерства Здравоохранения Украины, у жительниц загрязненных радионуклидами районов значительно увеличилось количество рождения недоношених детей и калек, количество тяжелых осложнений беременности (в 2,5−3 разы), есть серьезные генетические изменения здоровья. В результате попадания радиоактивных веществ в организм у многих людей была поражена щитовидная железа, возникла лучевая болезнь. В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению онкологических заболеваний, заболеваний эндокринной системы, систем кровообращения пищеварения, а также заболеваний, связанных с иммунной системой. В связи с тем, что в продуктах выбросов преимущество имеют долгоживущие радионуклиды, заражение будет длительным.

В связи с развитием электроники люди научились мерить дозы радиации и быть уже проинформированным. Разработаны различные методы измерения радиации и различные приборы измерения.

Для данной работы поставлена задача разработать портативный цифровой радиометр.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Наименование и область применения

Портативный цифровой радиометр предназначен для персонала, работающего с радиоактивными веществами, а также для пользователей, желающих или вынужденных пользоваться дозиметрами в бытовых условиях для контроля радиоактивного загрязнения окружающей среды.

2. Основание для разработки Реальная необходимость в обеспечении производственного персонала и населения малогабаритными и надежными приборами радиационного контроля для существенного повышения экологической безопасности жизнедеятельности человека.

3. Цель и назначение разработки Подготовка производства цифровых электронных устройств для измерения интенсивности радиоактивного излучения гаммаи беталучей для применения производственных и бытовых условиях.

4. Технические требования

4.1 Диапазон измерений мощности экспозиционной дозы излучения — 1?1000 мкР/час

4.2 Длительность измерения — не более 36 с

4.3 Набольшая ошибка измерения — ±10%

4.4 Длительность индикации результата измерения — не меньше 10 с

4.5 Число разрядов индикатора — 3

4.6 Минимальная цена младшего разряда — 1мкР/час

4.7 Временной интервал смены показаний индикатора — 40с

4.8 Источник питания — автономная батарея постоянного тока напряжением 9В

4.9 Работоспособность при снижении напряжения питания — до 6В

4.10 Диапазон рабочих температур — -20?С? +40?С

4.11 Конструкция — блочная

4.12 Микросхемы — полупроводниковые серии К176, К561, КР1006ВИ1

4.13 Прибор оборудовать устройством звукового контроля радиоактивного фона

5. Экономические показатели Основные экономические показатели будут определены на стадии технико-экономического обоснования дипломной работы.

6. Стадии и этапы разработки Основные стадии и этапы разработки, сроки их выполнения приведены в бланке задания на выполнение дипломной работы.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ионизирующая радиация опасна не только своей высокой поражающей способностью — доза, смертельно опасна для человека, в тепловом ее эквиваленте, едва нагрела бы и стакан воды, — но и тем, что она не воспринимается нашими органами чувств. Ни один из органорецепторов человека не предупредит его о сближении с источником радиации любой интенсивности.

Это обстоятельство позволяло долгое время скрывать от населения происходившие в нашей стране радиационные аварии и их последствия, и даже после взрыва на Чернобыльской АЭС, радиоизотопный след которого ощутила, как минимум, вся Европа, еще несколько лет у нас блокировались любые попытки дать в руки населению приборы, которые позволяли бы ему самому позаботится о своей безопасности.

Целью дипломной работы бакалавра является разработка в соответствии с техническим заданием портативного цифрового радиометра. Нужно провести анализ методов измерения радиации и выбрать соответствующий метод измерения, разработать структурную и электрическую принципиальную схемы цифрового радиометра, провести расчет выходных параметров блоков схемы, рассчитать все элементы схемы.

3. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Развитие ядерной энергетики и широкое применение источников ионизирующих излучений в различных областях науки и техники, а также возможное появление их в бытовых условиях требуют ознакомления со свойствами и методами регистрации ?-, ?- и ?- излучений, а также получение соответствующих знаний и практических навыков по защите от их воздействия.

Оценку и проведение исследования характеристик радиоактивных источников необходимо проводить с использованием приборов, которые обеспечивают количественное измерение параметров ?-, ?- и ?- излучения.

3.1 Методы измерения радиации Излучение радиоактивных веществ может быть трех видов: ?-, ?- и ?- излучения, при этом ?- лучи представляют собой электромагнитные волны, аналогичные рентгеновским, и способны проникать через разнообразные материалы, составляют основную опасность для людей из-за ионизации клеток живого организма; ?-излучение является потоком электронов, причем скорость их движения иногда достигает скорости света, проникающая способность меньше чем у ?-излучения, но ионизирующее воздействие в сотни раз больше; ?-излучение представляет поток ядер гелия характеризуется очень высоким ионизирующим воздействием и поэтому чрезвычайно опасны в случае проникновения внутрь живого организма, однако область распространение в воздухе порядка (10−15)см, поэтому одежда и средства индивидуальной защиты их практически полностью задерживают.

Фотографический метод измерения радиации. Сущность этого метода заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации быстрых заряженных частиц. Фотоэмульсии, применяемые для указанных целей, принято называть ядерными.

Ядерные фотоэмульсии имеют толщину слоя от 600 до 1200 мкм, в то время как толщина слоя обычных фотоэмульсий составляет всего от 10 до20 мкм.

Чувствительность ядерных фотоэмульсий значительно выше, чем обычных, так как число зерен (монокристаллов) бромистого серебра в ядерной фотоэмульсии много больше, а размеры зерен много меньше, чем в обычной фотоэмульсии.

Заряженные частицы, попадая в слой фотоэмульсии, нанесенный на фотопластинку, вызывают ионизацию молекул фотоэмульсии, вызывающую почернение ее зерен. После химической обработки фотопластинки (проявления и фиксирования) следы (треки), оставленные пролетевшими через фотоэмульсию частицами, становятся видимыми. Их наблюдают с помощью микроскопа.

По форме отмеченного трека, его длине и толщине, по плотности почерневших зерен эмульсии и по многим другим признакам можно установить вид частицы, ее энергию, скорость, направление движения и многие другие характеристики.

Одно из основных преимуществ метода толстослойных эмульсий перед другими методами регистрации частиц заключается в том, что с его помощью получают не исчезающие со временем следы частиц, которые в дальнейшем могут быть тщательно изучены.

Треки частиц, получаемые в фотоэмульсии, являются более тонкими и отчетливыми, чем в камере Вильсона или пузырьковой камере, что увеличивает точность измерений.

Недостатками фотоэмульсионного метода является сложность химической обработки фотопластинок и невозможность определения момента времени, в который заряженная частица попадает в фотоэмульсию.

Метод толстослойных эмульсий играет исключительно важную роль в исследованиях космических лучей и различных превращений, вызываемых элементарными частицами, разогнанными до очень высоких энергий в ускорителях заряженных частиц.

Сцинтилляционный метод измерения радиации. В ядерной физике сцинтилляцией называют вспышку света, возникающую при попадании заряженной частицы в среду, обладающую способностью люминесцировать. В некоторых люминофорах, например в сернистом цинке, сцинтилляция (световая вспышка), вызванная заряженными частицами, является достаточно яркой и может наблюдаться невооруженным глазом.

В настоящее время метод сцинтилляций получил современное техническое решение и широко используется в науке и технике. Сцинтилляции теперь наблюдают и считают не визуально, а с помощью специальных устройств, называемых сцинтилляционными счетчиками.

Основной частью сцинтилляционного счетчика является фотоэлектронный умножитель — прибор, объединяющий в себе фотоэлемент с внешним фотоэффектом и многокаскадный электронный усилитель особой конструкции.

Преимуществом сцинтилляционных счетчиков является очень короткое разрешающее время (10 ^-8 с) и большая скорость счета частиц, которая на несколько порядков превышает скорость счета ионизационных счетчиков.

Важной особенностью сцинтилляционных счетчиков является их способность оценивать энергию регистрируемых частиц, поскольку интенсивность сцинтилляций пропорциональна энергии частиц.

При попадании частицы в сцинтиллятор она начинает взаимодействовать с некоторыми атомами плотной среды сцинтиллятора. При этом какое-то количество атомов вещества, составляющего сцинтиллятор, переходит в возбуждение.

При обратном переходе атомов в нормальное состояние происходит испусканием световой энергии, т. е. люминесценция.

Сцинтилляционный счетчик объединил в себе достоинства счетчика Гейгера-Мюллера и пропорционального счетчика и при всем этом он превзошел их по многим показателям.

Химический метод измерения радиации. Метод основан на свойстве ионизирующих излучений изменять структуру некоторых химических элементов. Например, хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием соляной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем, добавленным к хлороформу. Двухвалентное железо в кислой среде окисляется в трехвалентное под воздействием свободных радикалов, НО ₂ и ОН, образующихся в воде при ее облучении. Трехвалентное железо с красителем дает цветную реакцию. По плотности окраски судят о дозе излучения (поглощенной энергии). На этом принципе основаны химические дозиметры ДП-70 и ДП-70М.

В современных дозиметрических приборах широкое распространение получил ионизационный метод обнаружения и измерения ионизирующих излучений.

Ионизационный метод измерения радиации. Под воздействием излучений в изолированном объеме происходит ионизация газа: электрически нейтральные атомы (молекулы) газа разделяются на положительные и отрицательные ионы. Если в этот объем поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами создается электрическое поле. При наличии электрического поля в ионизированном газе возникает направленное движение заряженных частиц, т. е. через газ проходит электрический ток, называемый ионизационным.

Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик), усилитель ионизационного тока, регистрирующее устройство и источник питания.

Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объем, внутри которого находятся два изолированных друг от друга электрода, к которым приложено напряжение от источника постоянного тока. При отсутствии ионизирующего излучения в цепи ионизационной камеры тока не будет, поскольку воздух является изолятором. При воздействии же излучений в ионизационной камере молекулы воздуха ионизируются, и в электрическом поле положительно заряженные частицы перемещаются к катоду, а отрицательные — к аноду. В цепи камеры возникает ионизационный ток, численное значение которого пропорционально мощности излучения. Следовательно, по ионизационному току можно судить о мощности дозы излучений, воздействующих на камеру.

Газоразрядный счетчик используется для измерения радиоактивных излучений малой интенсивности. Высокая чувствительность счетчика позволяет измерять интенсивность излучения в десятки тысяч раз меньше той, которую удается измерить ионизационной камерой.

Газоразрядный счетчик представляет собой герметичный полый металлический или стеклянный цилиндр, заполненный разреженной смесью инертных газов (аргон, неон) с некоторыми добавками, улучшающими работу счетчика (пары спирта). Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута тонкая металлическая нить (анод), изолированная от цилиндра. Катодом служит металлический корпус или тонкий слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного корпуса счетчика. К металлической нити и токопроводящему слою (катоду) подают постоянное напряжение величиной порядка сотен вольт.

В газоразрядных счетчиках используют принцип усиления газового разряда. В отсутствие радиоактивного излучения свободных ионов в объеме счетчика нет. Следовательно, в цепи счетчика электрического тока также нет. При воздействии радиоактивных излучений в рабочем объеме счетчика образуются заряженные частицы. Электроны, двигаясь в электрическом поле к аноду счетчика, площадь которого значительно меньше площади катода, приобретают кинетическую энергию, достаточную для дополнительной ионизации атомов газовой среды. Выбитые при этом электроны также производят ионизацию.

Таким образом, одна частица радиоактивного излучения, попавшая в объем смеси газового счетчика, вызывает образование лавины свободных электронов. На нити счетчика собирается большое количество электронов. В результате этого положительный потенциал резко уменьшается и возникает электрический импульс. Регистрируя количество импульсов тока, возникающих в единицу времени, можно судить об интенсивности радиоактивных излучений.

3.2 Датчики ионизирующего излучения Датчики ионизирующего излучения относятся к электронным устройствам, основное назначение которых заключается в обеспечении процесса взаимодействия потока частиц ионизирующего излучения с определенной физической средой-детектором излучения и преобразование актов взаимодействия в электрические сигналы, которые могут быть зарегистрированы и обработаны соответствующей измерительной аппаратурой.

Датчики рентгеновского и ?-излучения. Основной диапазон энергий ?-излучения естественных и искусственных радионуклидов 0.1−3 МэВ. В связи с высокой проникающей способностью ?-излучения для детектирования излучения используют детекторы с высокой плотностью и большим средним атомным номером чувствительной среды, а именно сцинтилляционные детекторы и германиевые ППД.

Наиболее распространенный тип сцинтиллятора-Nal (Tl), плотность-3,67г/см³, эффективный атомный номер-50.

Германиевые ППД, по сравнению с кремниевыми, имеют более высокий атомный номер (32) и обеспечивают более высокую эффективность регистрации излучения.

При регистрации рентгеновского и ?-излучения с энергией ниже 100 кэВ используют детекторы с высокой эффективностью регистрации в этом диапазоне при минимальной эффективности регистрации более высокоэнергетического излучения. Этим условиям удовлетворяют газонаполненные детекторы и ППД.

Датчики ?-излучения. Выбор детекторов для ?-измерений определяется достаточно ограниченной проникающей способностью ?-излучения и непрерывным характером спектра ?-частиц.

Одним из основных параметров ?-детекторов является энергетический порог чувствительности Е_пор, значение которого зависит от толщины входного окна или стенки детектора. Под Е_пор понимают энергию излучения, для которой прозрачность окна равна 0,5. По этому параметру детекторы разделяются на 4 группы: цилиндрические тонкостенные счетчики с толщиной стенки 40−60 мг/см² (порог 1 МэВ и выше), торцевые с герметичным слюдяным окном толщиной 1−5 мг/см² (порог 0,1−0,25 МэВ), проточные с негерметичным окном из металлизированной органичной пленки толщиной менее 1 мг/см² (порог 20−100 кэВ) и проточные беспороговые счетчики с помещением препаратов в непосредственно в рабочую среду детектора (в том числе в газовой форме).

Датчики ?-излучения. Измерение ?-излучения чаще всего связано с определением относительного содержания ?-активных нуклидов с высоким атомным номером. Излучение отличается высокой энергией ?-частиц (4−8 МэВ), высокой плотностью ионизации при взаимодействии с любым веществом и малой проникающей способностью

Измерения возможны только в насыщенных по излучению слоях. Для измерения в тонких слоях толщина слоя должна быть не более 50−100 мкг/см².

Счетчики Гейгера-Мюллера — самые распространенные детекторы ионизирующего излучения. В своей основе счетчик очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона.

В таблице 3.1 приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера-Мюллера, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.

Таблица 3.1-разновидности счетчиков Гейгера-Мюллера

В приведенной таблице 3.1 указаны основные параметры счетчиков, в том числе:

1- рабочее напряжение, В;

2- плато-область малой зависимости скорости счета от напряжение питания, В;

3- собственный фон счетчика, имп/с, не более;

4- радиационная чувствительность счетчика, имп/мкР (*по кобальту 60);

5- амплитуд выходного импульса, В;

6- габариты, мм — диаметр? длина (длина?ширина?высота);

7.1- жесткое ?- и ?-излучение;

7.2- жесткое ?- и ?-излучение и мягкое ?-излучение;

7.3- жесткое ?- и ?-излучение и ?-излучение;

7.4- ?-излучение;

4. РАСЧЕТ СХЕМЫ ПОРТАТИВНОГО ЦИФРОВОГО РАДИОМЕТРА В этом разделе описывается работа каждого блока схемы, производится расчет элементов и выбор их в соответствии с гостами, так же производится описание работы и выбор микросхем.

4.1 Выбор и обоснование структурной схемы портативного цифрового радиометра В соответствии с заданием разработана структурная схема портативного цифрового радиометра, приведенная на рисунке 4.1

Рисунок 4.1- Структурная схема цифрового радиометра На датчик ионизирующих импульсов (ДИИ) подается напряжение 400 В с блока питания датчика (БПД). Сигнал с ДИИ поступает на формирователь информационных импульсов (ФИИ), импульсы различной длительности поступают на формирователь счетных импульсов (ФСИ). Сформированные импульсы длительностью 5мкс поступают на логический элемент (ЛЭ2).

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) подает импульсы с частотой 1 Гц через логический элемент (ЛЭ1) на блок формирование времени измерения (ФВИ), на блок генератора цикла измерения (ГЦИ), и импульсы с частотой 128 Гц на блок импульсной индикации (БИИ).

Время измерения составляет 30с, сформировавшиеся за это время импульсы поступают на блок счетчиков импульсов (БСИ), затем импульсы поступают на блок дешифраторов (БДШ). С БДШ импульсы поступают на блок импульсной индикации БИИ.

После 30с времени измерения формируется импульс записи на блоке формирователь импульс записи (ФИЗ), затем импульс поступает на БДШ.

Время индикации составляет 40с, по окончанию 40с с блока ГЦИ поступает импульс на блок формирователя импульса сброса (ФИС), который обнуляет все счетчики.

В структурную схему также входит формирователь звуковых сигналов (ФЗС). Во время счета импульсов будут слышны короткие щелчки, по окончанию счета будет слышен тональный звук.

Временные диаграммы работы портативного цифрового радиометра представлены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 — Временные диаграммы работы цифрового радиометра

4.2 Датчик и формирователь информационных сигналов Блоки детектирования ионизирующих излучений относятся к электронным устройствам, основное назначение которых заключается в обеспечение процесса взаимодействия потока частиц ионизирующего излучения с определенной физической средой — детектором излучения, и в преобразовании актов взаимодействия в электрические сигналы, которые могут быть зарегистрированы и обработаны соответствующей измерительной аппаратурой. В соответствии с назначением, блок содержащий детектор излучения и формирователь электрических сигналов на выходе, схема, передаточная характеристика и временные диаграммы работы которого приведены на рисунке 4.3

а

б в Рисунок 4.3 — Датчик и формирователь информационных сигналов:

а — схема устройства; б — передаточная характеристика триггера Шмитта; в — временные диаграммы Одной из важнейших характеристик счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц, в связи с чем при напряжении питания датчика BD1, равном 400 В, в режиме ионизации перепад потенциала на аноде достигает значения не менее В. Именно это обстоятельство вызвало необходимость включить в схему диодного ограничителя напряжения на приборах VD1, VD2 типа КД102А, что обеспечивает необходимую амплитуду информационных сигналов не более +9 В.

В качестве анодной нагрузке датчика BD1 использован резистор R1 типа С2−33−0,125 47 МОм ±5%; разделительным конденсатором является элемент С1 типа КД2М 10пФ ±5% 630 В.

Функциональным назначением делителя напряжения на резисторах R2, R3 является формирования потенциальных уровней логической единицы и логического нуля, совместимых с основными параметрами применяемых интегральных микросхем серии К176, К561. В режиме покоя на входе DD1.1 действует уровень В, в динамическом режиме уровень логического нуля определяется соотношением

(4.1)

При выбранном резисторе R3 типа С2−33−0,125 3,3 МОм ±5%; и номинальным значением В из (4.1) находим

(4.2)

Ом Принимаем резистор R2 типа С2−33−0,125 120 кОм ±5%.

При входном импульсном сигнале с пологим фронтом и спадом, что характерно для выходного напряжения датчика BD1, импульсы на выходе формирующего логического элемента не будят прямоугольными, так как некоторое время ключевая схема будет находится в усилительном режиме. Кроме того на фронте и спаде выходного импульса будут присутствовать усилительные помехи, поступающие в устройство по цепи питания.

Информационный импульс с зашумленным и несформированным фронтом и спадом непригоден для переключения тактовых входов триггеров, регистров, счетчиков.

Повышения коэффициента усиления по напряжению формирователя до 1000 раз и более за счет последовательного включения нескольких буферных элементов не дают точной привязки момента переключения к определенному пороговому уровню входного импульса. В таком случае применим так называемую схему триггера Шмитта на элементах DD1.1, DD1.2, состоящую из двухкаскадного усилителя, охваченного слабой положительной обратной связью с помощью резисторов R2, R4. Выходной сигнал такого триггера Шмитта имеет крутые импульсные перепады, длительность которых не зависит от скорости нарастания или спада входного сигнала (см. рис. 4.1,в).

Импульсные перепады соответствуют во времени моментом, когда входной сигнал превышает напряжение срабатывания и становится меньше, чем напряжение отпускание при этом

(4.3)

(4.4)

где — пороговое напряжение логического элемента DD1.1;

 — выходные уровни напряжения элемента DD1.2 в состоянии соответственно логических нуля и единицы.

Из соотношения (4.3) и (4.4) при пороговом напряжении В, принятой ширине петли гистерезиса В, выбранном элементе R2 находим

(4.5)

откуда с учетом В, В находим R4=2,4 МОм, при этом принимаем R4 типа С2−33−0,125 2,4 МОм ±5%.

4.3 Формирователь счетных импульсов Для управления КМОП микросхемами необходимо t_и? 250нс, где t_и — длительность импульса. С помощью формирователя счетных импульсов формируются импульсы определенной длительности.

В качестве формирователя счетных импульсов выбран одновибратор, схема которого приведена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 — Схема одновибратора В исходном устойчивом режиме DD1.1 находится в нулевом состоянии. Как и в других интегральных устройствах, входное напряжение DD1.2 определяется падением напряжения на сопротивлении резистора R от тока. Это напряжение равняется произведению входного тока низкого уровня и сопротивления резистора. Если это напряжение меньше порогового, то выходное напряжение DD1.2 соответствует уровню логической единицы.

На входе DD1.2 действует напряжение:

(4.6)

где — входной ток логического нуля.

При подаче нулевого перепада потенциала с выхода ФИИ переключается DD1.1 в единичное состояние, формируя на входе DD1.2 единичный перепад.

На выходе DD1.1 формируется импульс с длительностью

(4.7)

где — выходное напряжение логического нуля;

— выходное напряжение логической единицы;

— выходное сопротивление логического элемента в единичном состоянии.

После переключение логических элементов DD1.1 в единичное состояние, а DD1.2 — в нулевое, начинается заряд конденсатора С с постоянной времен, при этом на этапе формирования импульса по экспоненциальному закону уменьшается напряжение на входе DD1.2 и в момент равенства этого напряжения пороговому DD1.2 переключается в исходное единичное состояние, вызывая при единичном уровне сигнала от ФИИ переключение в нулевое состояние элемента DD1.1. Зарядившийся конденсатор достаточно быстро разряжается через малое выходное сопротивление DD1.1 и открытый диод VD, при этом на входе DD1.2 действует выбросы напряжения отрицательной полярности, амплитуда которого ограничивается прямым падением напряжения на диоде.

Ввиду того, что на этапе разряда конденсатора входное напряжение DD1.2 имеет отрицательную полярность, то на этом интервале состояние DD1.2 не изменится, его выходное напряжение продолжает оставаться равным единице.

Основные параметры логических элементов серии К561ЛА7:

мкА; мкА;

В; В;

нс; нс;

С учетом основных параметров логических элементов формирователя счетных импульсов выполняем расчет схемы. Для этого зададимся длительностью импульса, исходя из задержки интегральных микросхем К176 серии, на которые подаются импульсы, мкс.

Выбираем сопротивление резистора R=510 кОм.

В соответствии с соотношением (4.6) находим напряжение

В Из формулы (4,7) находим С Ф

На рисунке 4.5 показаны временны диаграммы работы ФСИ.

Рисунок 4.5 — Временные диаграммы работы ФСИ

Принимаем резистор R типа С2−33−0,125 510 кОм ±5%, конденсатор С типа КМ-20 пФ ±5%, диод VD типа КД 512А.

4.4 Автогенератор цикла измерения Полное время одного цикла составляет 40 с, в которое входит время измерения дозы радиации и время индикации. После 40 с происходит обновление информации. Ниже на рисунке 4.6 показана схема автогенератора цикла измерения.

Секундные импульсы генератора тактовых импульсов (ГТИ) поступают на вход CN счетчика DD2. В исходном состоянии на выходе 3 элемента DD4.1 формируется уровень логической единицы, на выходе 4 элемента DD4.2 формируется уровень логического нуля. После 40 с на выходе 3 DD4.1 формируется уровень логического нуля, на выходе 4 элемента DD3.2 устанавливается уровень логической единицы. С выхода 4 элемента DD4.2 сигнал идет на формирователь импульса сброса (ФИС).

Рисунок 4.6 — Схема автогенератора цикла измерения Автогенератор выполнен на микросхемах серии К176ИЕ8, К176ИЕ12, и на двух логических элементах И-НЕ, входящих в один корпус К561ЛА7.

Микросхема К176ИЕ12 DD1 содержит два двоичных счетчика делителя и генераторную часть. Генератор стабилизируется кварцевым резонатором 32 768 Гц, который вместе с сопутствующими деталями замыкает цепь обратной связи внутреннего генератора. Секундные метки дает делитель на 2¹⁶ на своем выходе S1. На выходе S2 формируется частота сигнала 2 Гц. Делитель вырабатывает сигнал F=1024 Гц. На выходах Т1 — Т4 следуют импульсы частотой 128 Гц со скважностью Q=4, как показано на рисунке 4.7.

Резистор R1 типа С2−33−0,125 22МОм ±5%. Конденсатор С3 типа КМ-5 15 Ф ±5% предназначен для грубой настройки частоты, С2 типа КМ-5 10 Ф ±5% - для точной. В большинстве случаев конденсатор С4 может быть выключенным.

Рисунок 4.7 — Временные диаграммы работы микросхемы К176ИЕ12

Микросхема К176ИЕ8 DD2, DD3 — десятичный счетчик делитель. Он имеет десять дешифрированных выводов 0−9. Внутренняя схема содержит пятикаскадный счетчик Джонсона и дешифратор, который преобразует двоичный код в сигнал, появляющийся последовательно на каждом выходе счетчика. Если на входе разрешение счета присутствует низкий уровень, счетчик выполняет свои операции синхронно с положительным перепадом на тактовом входе CN. При высоком уровне на входе CP действие тактового входа запрещается. При высоком уровне на входе сброса R счетчик очищается до нулевого отсчета.

На каждом выходе дешифратора высокий уровень появляется только на период тактового импульса с соответствующим номером. Счетчик имеет выход переноса P. Положительный фронт выходного сигнала появляется через десять периодов тактовой последовательности и используется как тактовый сигнал для счетчика следующей декады. Максимальная тактовая частота для счетчика 2 МГц. Длительность импульса запрета счета должна превышать 300 нс, длительность тактовых импульсов не должна быть меньше 250 нс, длительность импульса сброса не должна превышать 275 нс. Возможные логические и импульсные состояния счетчика приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1 — Состояние счетчика К176ИЕ8

На рисунке 4.8 приведены временные диаграммы работы интегральной микросхемы К176ИЕ8.

Рисунок 4.8 — Временные диаграммы интегральной микросхемы К176ИЕ8

4.5 Формирователь времени измерения Время, необходимое для измерения дозы радиации, составляет 30 с. Ниже представлен рисунок 4.9, на котором показана принципиальная схема формирователя времени измерения.

В исходном состоянии на выходе 4 элемента DD1.2 зафиксирован уровень логического нуля, при нажатии кнопки «Измерение» на выходе 4 элемента DD1.2 устанавливается уровень логической единицы. Секундные импульсы с тактового генератора через DD1.1 подходят на выходе 14 счетчика DD2. После окончания счета через 30 с на выходе 4 элемента DD1.2 устанавливается логический ноль.

цифровой радиометр гамма бета луч Рисунок 4.9 — Схема формирователя времени измерения Формирователь времени измерения собран из двух логических элементах, которые находятся в корпусе интегральной микросхемы К561ЛА7, и двух счетчиках типа К176ИЕ8.

4.6 Блок счетчиков импульсов и дешифраторов На рисунке 4.10 показана схема соединения счетчика и дешифратора. За время измерения 30 с информационные импульсы поступают на счетчик DD1. Счетчик преобразует сигнал в двоичный код и передает информацию на дешифратор DD2. Дешифратор DD2 преобразует двоичный код в семи — сегментный и подает на светодиодный индикатор.

Рисунок 4.10 — Схема счетчика импульсов и дешифратора Счетчик импульсов выполнен на микросхеме К176ИЕ2 — пятиразрядный счетчик, который может работать как двоичный в коде 1−2-4−8-16 при подаче логической единицы на управляющий вход А, или как декадный с подключенным к выходу декады триггером при логическом нуле на вход А, или как декадным с подключенным к входу декады триггером при логическом нуле на вход А. Во втором случае код работы счетчика 1−2-4−8. Вход R служит для установки триггеров счетчика в 0 при подаче логической единицы.

Дешифратор выполнен на микросхеме К176ИД2. Предназначен для управления семисегментным индикатором, микросхема принимает четырехразрядный код от 0000 до 1001 — «девять», более старшие комбинации не отображаются. Дешифратор имеет регистр записи, как только с ФИЗ подается импульс на вход С информация сохраняется до следующего цикла.

«S» — полярность выходных сигналов (S="1″ - управление сегментами при выходном напряжении равным нулю, S="0″ - управление сегментами при выходном напряжении равным единицы).

«К» — вход блокирования (К="1″ - выбирается гашение индикатора, К="0″ - разрешается индикация).

«C» — запись информации в память дешифратора (С="1″ - информация на выходе повторяет информацию на входе, С="0″ - запоминает предыдущую информацию на входе и в дальнейшем не изменяет ее).

4.7 Формирователи импульсов записи и сброса Формирователь импульсов записи (ФИЗ) представляет собой дифференцирующую цепь с логическими элементами серии К561ЛА7. Принципиальная схема ФИЗ приведена на рисунке 4.11.

а б

Рисунок 4.11 — Формирователь импульсов записи: а — принципиальная схема; бвременные диаграммы, которые поясняют принцип работы В выходном состоянии входной сигнал соответствует уровню логической единицы, при этом DD1.1 работает в режиме инвертора и находится в нулевом состоянии. Конденсатор С разряжен до минимального уровня напряжения

(4.8)

где — входное напряжение логического нуля;

— входной ток логического нуля.

Как и в других цифровых устройствах, входное напряжение DD1.2 определяется падением напряжения на сопротивление резистора R от тока. Это напряжение равняется произведению входного тока низкого уровня и сопротивления резистора. Если это напряжение меньше порогового, то выходное напряжение DD1.2 отвечает уровню логической единицы, а напряжение на выходе DD1.3 — логическому нулю. При поступлении на вход формирователя нулевого перепада потенциала элемент DD1.1 переключается в единичное состояние, а на входе DD1.2 действует положительный перепад потенциала

(4.9)

где — уровень напряжения логической единицы.

На этапе перепада напряжения на выходе DD1.1 конденсатор на может мгновенно перезарядиться, потому обеспечивается переключение DD1.2 в нулевое состояние, при этом начинается формирование выходного импульса. По мере заряда конденсатора С с постоянной времени заряда по экспоненциальному закону уменьшается входное напряжение элемента DD1.2 и в момент равенства напряжений элемент DD1.2 переключается в единичное состояние, тем самым завершается формирование выходного импульса. Длительность импульса записи определяется как

(4.10)

При снятии входного перепада потенциала элемент DD1.2 в исходное нулевое состояние, а заряженный конденсатор достаточно быстро разрядится через малое выходное сопротивление DD1.1 и открытый диод VD, при этом на входе DD1.2 действует отрицательный выброс напряжения, амплитуда которого ограничивается прямым падением напряжения на диоде. Ввиду того, что на этапе разряда конденсатора входное напряжение DD1.2 имеет отрицательную полярность, то на этом интервале состояние DD1.2 не изменится, его выходной сигнал продолжает оставаться ровным единице. Элемент DD1.3 является инвертором — формирователем нормализованного по параметрам импульса.

Основные параметры логических элементов серии К561ЛА7:

мкА; мкА;

В; В;

нс; нс;

С учетом основных параметров логических элементов формирователя импульсов записи делаем расчет схемы. Для этого задаемся длительностью импульса записи, исходя из того что время задержки переключения дешифраторов, на которые подаются импульсы записи, не больше 850 нс, мкс.

Пороговое напряжение составляет половину напряжения питания В. Выбираем сопротивление резистора R=10 кОм.

В соответствии с соотношением (4.8) находим напряжение

В,

В.

Из формулы (4.10) находим постоянную времени заряда

с.

пФ.

Принимаем резистор R типа С2−33−0,125 10 кОм ±5%, конденсатор С типа КМ-5 350 пФ ±5%, диод VD типа КД 512А.

Формирователь импульсов сброса (ФИС) представляет собой интегрирующую RС — цепь с логическими элементами серии К176ЛА7, предназначенный для сброса счетчиков в исходное состояние после записи информации в дешифраторы.

Принципиальная схема ФИС приведена на рисунке 4.13.

А Б

Рисунок 4.12 — Формирователь импульса сброса: а — принципиальная схема; б — временные диаграммы, которые поясняют принцип работы В исходном состоянии входное напряжение равно нулю, соответственно элемент DD1.1 находится в единичном состоянии, конденсатор С заряженный до уровня логической единицы, но элемент DD1.2 находится единичном состоянии, потому что по дополнительной цепи на другой информационный вход подается нулевой уровень потенциал со входа DD1.1.

При подачи на вход схемы единичного перепада потенциалу элемент DD1.1, который работает в режиме инвертора, переключается в нулевое состояние, при этом формируется цепь разряда конденсатора С через резистор R и выходное сопротивление элемента DD1.1, который находится в нулевом состоянии. Так как конденсатор не может мгновенно разрядится, на обоих входах элемента DD1.2 присутствуют потенциалы уровня логической единицы, в результате этот элемент переключается нулевое состояние, обеспечивая тем самым начало формирования выходного импульса. Процесс разряда конденсатора С происходит по экспоненциальному закону с постоянной временем

(4.11)

При разряде уменьшается потенциал на верхнем входе элемента DD1.2. В момент элемент DD1.2 переключается из нулевого в единичное состояние, завершая формирование выходного импульса. После переключения DD1.2 происходит разряд конденсатора С до того, пока напряжение не достигнет уровня

(4.12)

где — напряжение логического нуля;

— входной ток логического нуля;

Таким образом, длительность выходного импульса находится по соотношениею

(4.13)

Включение форсирующей цепи, которая состоит из балластного резистора Rб и диода VD, обеспечивает достаточно быстрый заряд конденсатора, то есть минимальное время возобновления исходного состояния формирователя.

Элемент DD1.3 работает в режиме инвертора. Элемент DD1.3 необходим для формирования единичного импульса, с помощью которого происходит процесс переключения счетчиков БСИ.

Для расчета схемы задаемся длительностью импульса сброса в соответствии с быстродействием счетчиков, что составляет не менее 275 нс, мкс. Выбираем сопротивление резистора R = 10 кОм.

Согласно с формулой (4.12) находим напряжение

В Дальше рассчитаем постоянную времени разряда конденсатора

с

нФ.

Принимаем резистор типа R С2−33−0,125 10 кОм ±5%, конденсатор С типа КМ-5 5 нФ ±5%, балластный резистор Rб типа С2−33−0,125 100 Ом ±5%, диод VD типа КД 512А.

4.8 Блок звуковой сигнализации Блок звуковой сигнализации (БЗС) предназначен для удобства обнаружения радиационного сигнала. За время измерения 30 с сформированные импульсы поступают на блок счетчиков импульсов (БСИ) и на блок звуковой сигнализации. За время поступления сформированных импульсов на БСИ будут слышны короткие щелчки с БЗС. Когда время измерения закончится, на выходе ЛЭ2 установится уровень логического нуля, то будет слышен тональный звук.

Принципиальная схема БЗС приведена на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 — Принципиальная схема блока звуковой сигнализации Резистор R выводит в усилительный режим DD1.1, а выходное напряжение DD1.1 должно удерживать в режиме усиления DD1.2. Положительная обратная связь через конденсатор вызовет мягкое (не нуждающееся в первоначальном толчке) самовозбуждение автоколебательного релаксационного процесса Период T импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется постоянной времени

(4.14)

где — выходное сопротивление логического элемента в состоянии логической единицы.

Выбираем сопротивление резистора R=75 кОм. Длительность импульса равна мкс.

В соответствие с формулой (4.14) находим С

Ф Принимаем резистор R типа С2−33−0,125 75 кОм ±5%, конденсатор С типа КМ — 5 1 пФ ±5%. В качестве источника звуковых сигналов BF1 выбран прибор марки ЗП — 1.

4.9 Блок импульсной индикации Блок импульсной индикации (БИИ) выполнен на трех светодиодных индикаторах с общим катодом. Импульсный режим работы реализуется включением биполярных транзисторов в цепь катодов, которые работают в ключевом режиме и управляются импульсными сигналами частотой 128 Гц. Частота изменения показаний индикаторов равна 0,025 Гц. Индикаторы реализованы на интегральных микросхемах АЛС324А. Принципиальная схема БИИ приведена на рисунке 4.14

Рисунок 4.14 — Блок импульсной индикации Для расчетов элементов схемы необходимо учесть, что ток, необходимый для «зажигания» одного сегмента в номинальном режиме мА.

С учетом того, что при «зажигании» всех семи сегментов суммарный коллекторный ток через транзистор будет равен в режиме насыщения мА, найдем соотношения для определения сопротивления в цепи коллектора транзистора

(4.15)

где В — напряжение логической единицы на выходе дешифратора;

В — падение напряжения на сегменте;

В — напряжение на коллекторе насыщенного транзистора.

При рассмотренных условиях по напряжению и току в качестве ключевого транзистора используем прибор КТ315Г. С учетом его основных параметров находим по соотношению (4.15)

Принимаем резисторы R1, R2, R3 типа С2−33−0,125 170 Ом ±5%.

Открытый транзистор в режиме не глубокого насыщения с коэффициентом насыщения

(4.16)

где — реальный ток базы;

— ток базы на границе насыщения

(4.17)

где — коэффициент усиления по току,

мА.

Из отношения (4.16) находим ток базы при N=2.

мА С учетом полученных значений находим сопротивление резисторов в базовой цепи транзисторов

(4.18)

где — выходное напряжение микросхемы К176ИЕ12, В.

кОм.

Выбираем резисторы R4, R5, R6 типа С2−33−0,125 27 кОм ±5%.

4.10 Блок питания датчиков Рекомендуемое напряжение питания счетчика СБМ20 — В. Устройство, преобразующее напряжение батареи, питающей радиометр, в высокое напряжение на аноде счетчика Гейгера построено на блокинг — генераторе (БГ). На повышающей обмотке W3 трансформатора формируется короткий импульс — 5.10 мкс амплитудой 440.450 В, заряжая через диоды VD3, VD2 конденсатор С4.

Принципиальная схема блока питания датчика показана на рисунке 4.15.

Рисунок 4.15 — Принципиальная схема блока питания датчика Выбор типа транзистора является наиболее сложной задачей при расчете БГ. Это обусловлено тем, что длительность импульса зависит от постоянной времени накопления, значение которой в справочных данных не указывается, ее можно определить лишь экспериментальным путем. Сложная связь со многими параметрами схемы не позволяют использовать общие уравнения и аналитические зависимости получены только для частных случаев:; и; ,. В этих неравенствах: — постоянная времени заряда емкости С5 (- входное сопротивление транзистора, практически равное сопротивлению базы); - постоянная времени индуктивности намагничивания.

Транзистор выбирается по двум параметрам: по предельной частоте и по допустимому напряжению. Рассмотрим выбор по допустимому напряжению.

принимаем В и поэтому В.

Выбор по предельной частоте производится по следующим соображениям.

При формировании относительно длинных импульсов при необходимо выбирать низкочастотные транзисторы. Частота на должна превышать МГц. По расчетным значениям и выбираем транзистор типа КТ961Б, у которого В, В, мкА, мкА, МГц, пФ, Ом.

Найдем коэффициент трансформации

(4.19)

где В — выходное напряжение.

.

Емкость выбирается из условия или мФ.

Принимаем конденсатор C5 типа КМ-5 0,06 мкФ ±5%.

Рассчитаем постоянную времени заряда конденсатора

(4.20)

мкс.

Рассчитаем индуктивность намагничивания

(4.21)

(4.22)

Для выбранного транзистора принимаем мкс, ;

мГн.

Определим максимальное значение коллекторного тока

(4.23)

мА.

По расчетам видно, что максимальное значение коллекторного тока меньше допустимого (150 мА).

Определим спад напряжения на конденсаторе, возникающий из-за его разряда обратным током базы

(4.24)

В Определим сопротивление резистора R2

(4.25)

кОм Выбираем резистор R2 типа С2−33−0,125 27 кОм ±5%.

Определим обратный выброс напряжения

(4.26)

где Гн — индуктивность намагничивания;

Ом.

В.

Полученное значение амплитуды выброса недопустимо на для коллекторной, ни для базовой цепей. Поэтому необходимо включить диод с тем, чтобы уменьшить амплитуду выброса. Диод VD1 выбираем типа КД102А.

Временные диаграммы работы БГ показаны на рисунке 4.16

Рисунок 4.16 — Временные диаграммы работы БГ Первая обмотка трансформатора W3 содержит 420 витков провода марки ПЭВ-2 O0,07 мм, вторая обмотка трансформатора W2 содержит 8 витков провода марки ПЭВ-2 O0,02? 0,027 мм, третья обмотка трансформатора W1 содержит 3 витка провода марки ПЭВ-2 O0,02? 0,027 мм.

Принимаем конденсатор С4 типа К73−9-630 В, диоды VD2, VD3 типа КД102А.

Для устранение помех нижних частот блока питания введен конденсатор С1 типа КМ-5 100 мкФ ±5%, для устранение помех высоких частот введен конденсатор С2 типа КМ-5 0,06 мкФ ±5%. Так же в цепь введен RC фильтр для сглаживания пульсаций напряжения, резистор R1 типа С2−33−0,125 10 кОм ±5%, конденсатор С3 типа КМ-5 47 мкФ ±5%.

5. Охрана труда и окружающей среды

5.1 Общие вопросы охраны труда и окружающей среды Задача охраны труда состоит в охране здоровья трудящихся, обеспечение безопасных условий труда, ликвидация профессиональных заболеваний и производственного травматизма с одновременным обеспечением комфортных условий при максимальной продуктивности труда.

В правовые нормативно — технические документы по охране труда входят: Закон Украины «Про охорону праці» [7], Закон Украины «Про охорону навколишнього природного середовища» и другие документы.

Задачей выпускной работы бакалавра является разработка портативного цифрового радиометра.

Все работы по проектированию и оформлению выпускной работы бакалавра проводились на кафедре «Промышленная и биомедицинская электроника».

Постоянное развитие науки техники вызывает изменения в производственной сфере, повышение технической оснащенности предприятий, применение новых материалов, конструкции и процессов, влияет на характер и частоту несчастных случаев и заболеваний на производстве. Безопасность труда обеспечивается выполнением правил техники безопасности и производственной санитарии. Улучшение условий труда, рост безопасности влияют на результаты продуктивности труда, качества и цены продукции, которая выпускается, а также приводит к уменьшению производственного травматизма, профессиональных болезней, сохраняет здоровья работников и одновременно приводит к снижению затрат на оплату льгот и компенсаций за работу в неблагоприятных условиях труда и на лечение.

Вопросы охраны труда и окружающей среды рассмотрены для этапа измерений дозы радиации.

В данной работе основное внимание уделено мерам безопасности и пожарной безопасности.

5.2 Меры безопасности

Так как помещение, где находятся ЭВМ, не является помещением с повышенным содержанием механических, тепловых или радиационных опасностей, но является потребителем электрической энергии, то в данном помещении имеется опасность поражения человека электрическим током.

Предусмотрены следующие меры электробезопасности: конструктивные, схемно-конструктивные, эксплутационные.