А В Калюжный - Аппаратно-программная реализация гамма-сканера кругового обзора - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ, Сер. А: Природничі науки, 2011, № 1

УДК 539.16.07, 539.12.074, 621.386.82

АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ГАММА-СКАНЕРА КРУГОВОГО ОБЗОРА

А. В. Калюжный

НИПКИ «Искра», г. Луганск

Статья касается актуальной проблемы радиометрического контроля местности в режиме реального времени. Рассмотрен метод радиационной разведки при помощи приборов которые реализуют логику измерений путем про­странственно-временного кодирования потоков гамма-излучения. Кратко рассмотрены основные принципы функ­ционирования гамма-сканера и представлены основные этапы первичной обработки спектрометрических данных. Предложено использование двух микроконтроллеров, что уменьшает время измерения.

Ключевые слова: гамма-сканер, кодирующая маска, спектрометрический тракт, микоконтроллер.

Введение. По состоянию на сегодняшний день в мире накоплен огромный опыт работы с делящи­мися материалами, разработана широкая гамма методов и средств контроля процессов, имеющих прямое или косвенное отношение к ядерным технологиям, созданы научные школы в области ядерной физики и сопутствующих областях науки и техники. На каждом следующем этапе развития научно-технического прогресса перед учеными возникают новые, более сложные задачи, эффективное решение которых тре­бует иногда смелого и нестандартного подхода. К числу таких задач относится проблема дистанционно­го контроля активности и изотопного состава делящихся материалов и продуктов их распада, а также локализация их в пространстве.

Эта проблема в полной мере относится к области техногенной безопасности. Для ее решения не­обходимо выполнить значительный объем исследований, связанных с формированием адекватных моде­лей информационных полей в пространстве параметров физических свойств источников ионизирующего излучения и геометрии пространственной локализации точечных и протяженных зон радиоактивного загрязнения с последующей разработкой методов и технических средств дистанционного контроля с дистанционной же идентификацией характеристик факторов радиационного загрязнения.

В случае возникновения радиоактивного загрязнения возникает необходимость быстрой и качест­венной радиационной разведки зараженной местности. В связи с тем, что одним из способов защиты от ионизирующего излучения является уменьшение времени пребывания в зараженной зоне, поэтому по­вышение быстродействия измерительной аппаратуры является актуальной проблемой.

Целью работы является аппаратно-программная реализация системы сбора, передачи и обработки спектрометрической информации гамма-сканера кругового обзора в режиме реального времени при по­стоянно вращающейся кольцевой кодирующей маске.

Основной задачей данной работы является минимизация временных задержек, возникающих при передаче спектрометрической информации из аппаратуры в HOST-машину.

Особенности функционирования гамма-сканера кругового обзора. На рис. 1 представлена уп­рощенная блок-схема гамма-сканера (гониометра). Измерительная система гамма-сканера кругового об­зора представляет собой единственный сцин-тилляционный детектор у-излучения на основе цилиндрического монокристалла NaI(Tl), со­единенного с фотоэлектронным умножителем ФЭУ-110, и кольцевую кодирующую маску, состоящую из прозрачных и поглощающих гамма-излучение элементов.

Кольцевая кодирующая маска постоянно вращается, накопление спектрометрических данных также идет непрерывно. Аппаратные спектры формируются в оперативном запоми- Рис. 1. Упрощенная блок-схема гониометра

нающем устройстве (ОЗУ), выполненном на микросхемах асинхронной статической памяти. Весь объем ОЗУ разбит на два банка по 1024х65536х218 бит в каждом. Такая организация памяти позволяет сфор­мировать 217 «рабочих» спектра, каждый из которых соответствует своему положению непрерывно вра­щающейся кодирующей маски и содержащих 1024 энергетических канала, емкостью 65536; а так же спектр реперного источника. Разделение ОЗУ на два банка даёт возможность накапливать информацию в одном из них в то время, когда из другого она передаётся на управляющую машину. Работой банков ОЗУ управляют программируемые интегральные контроллеры (ПИК) для каждого банка свой ПИК.

Сигналы с блока детектирования (у и в) подаются на аналоговый процессор (АП). Его функцио­нальная схема приведена на рис. 2.

Детектор

Спектрометрический тракт

Схема сбора,

 

 

 

Дачтчик

обработки и

 

 

предачи

 

положения

информации

 

HOST машина

Схема температурной стабилизации

©

Рис. 2. Функциональная схема аналогового процессора

В состав АП входят два дискримина­тора нижнего уровня (ДНУ), схема совпаде­ния по времени регистрации сигналов у-кванта и р-позитрона, пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и стабилизатор исходного уровня (СИУ).

Выходными сигналами АП являются данные АЦП, пропорциональные энергии зарегистрированного у-кванта, сигнал го­товности АЦП (Готов) и признак реперного сигнала REP.

Угловое распределение плотности потока гамма-излучения восстанавливается методом корреляции матрицы счетности и

специального восстанавливающего массива, вид которого однозначно связан с конфигурацией маски [1].

Результат восстановления представляет собой зависимость количества зарегистрированных гамма-квантов от азимутального угла. Эта зависимость может быть представлена в виде диаграммы или графи­ка в полярных координатах. Диаграмма или график накладываются на изображение карты местности с привязкой к точке измерений.

Накопленные при измерении аппаратные спектры могут быть обработаны для получения спектров излучения с выбранных направлений, для восстановления физического спектра гамма-излучения в точке измерений и последующей идентификации гамма-излучающих нуклидов. По результатам идентифика­ции производится оценка активности обнаруженных нуклидов и расчет поля мощности дозы гамма-излучения.

Для стабилизации энергетической шкалы спектрометрического тракта используется гамма-излуче­ние контрольного источника, содержащего радиоактивный нуклид 22Na. В спектре излучения этого нуклида имеются две гамма-линии с энергиями 0,511 и 1,275 МэВ. По положениям этих линий в шкале амплитуд­ного анализатора и стабилизируется характеристика преобразования спектрометрического тракта.

Аппаратная реализация гамма-сканера кругового обзора. Ап-   ,„. паратные спектры формируются в оперативном запоминающем устрой­стве (ОЗУ), выполненном на микросхемах асинхронной статической па-   -v. .-мяти (рис. 3).

Процесс формирования аппаратных спектров в ОЗУ происходит следующим образом. Перед началом накопления во все ячейки памяти заносятся нули. Затем ПИК, получивший команду "накопить данные", активизирует сигнал RDx, который разрешает работу логике аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

После получения спектрометрического импульса начинается оцифровка его амплитуды, при этом АЦП активизирует сигнал занятости BUSY, который переходит в пассивное состояние после завершения ра­боты АЦП. Этот переход анализируется PICом. После чего PIC считыва­ет информацию из АЦП, округляет полученное число (для улучшения дифференциальной нелинейности), снимает сигнал RDx (чем закрывает шину АЦП) и выдаёт это число на шину адреса ОЗУ.

Старшая часть адреса формируется датчиком положения маски (рис. 4), состоящим из двух открытых оптопар. Одна оптопара генериру­ет импульсы, соответствующие перемещению маски из одного положе­ния в следующее (сигнал P). Эти импульсы подаются на счётчик DD8,

VCCI

Рис. 3

Рис. 4. Формирование адреса, связанное с положением маски

ВІСНИК ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ, Сер. А: Природничі науки, 2011, № 1

> І

□л

 

 

11

■ І

 

 

 

 

 

VTfe

1 ЗТЛРГ'

DD9,который обнуляется сигналом P0, вырабатываемым второй оптопарой в момент прохождения мас­кой нулевого положения. Номер положения маски, сформированный счётчиком DD8, DD9, фиксируется регистром-защёлкой (DD13 или DD20 в зависимости от того, какой банк включен на накопление).

Фиксация происходит в момент начала спектрометрического импульса по сигналу LOCK, посту­пающему от логики АЦП.

После того, как выставлен адрес на шину ОЗУ, PIC считывает из него число, прибавляет к нему единицу и возвращает данные по этому же адресу. Так формируются аппаратные спектры в ОЗУ.

Для оцифровки амплитуд спектрометриче­ских импульсов применён АЦП поразрядного урав­новешивания с временем преобразования около 3 мкс. Для запоминания амплитуды импульса на время преобразования используется пиковый детек­тор (рис. 5), реализованный на элементах DA4, DA5, VT4, C10, VD4, VD10. Ключ на VT5, VT6 служит для шунтирования накопительной ёмкости C10.

Программная реализация гамма-сканера кругового обзора. В состав блока сбора, обработки и передачи входят: 2 микропроцессора для сбора информации и управления периферией; 2 банка па­мяти для хранения накопленной информации; ин­терфейс связи с хост-машиной. 2 микроконтроллера имеют идентичное программное обеспечение и ра- Рис. 5. Пиковый детектор

ботают по очереди. Для каждого микроконтроллера предусмотрен свой банк памяти.

Команда на запуск цикла накопления подается от рабочей станции (HOST машина). Через проме­жуток времени, необходимый для разгона маски, начинается процесс накопления спектрометрической информации. Команда начала накопления также подается от рабочей станции. Маска вращается непре­рывно. Цикл накопления должен начинаться с нулевого положения маски, определяемого позициони­рующим устройством.

Спектрометрические данные накапливаются в одном из банков ОЗУ в виде 217 рабочих спектров, соответствующих дискретным положениям маски. По истечении промежутка времени, определяемого скоростью передачи данных в рабочую станцию, производится переключение банков ОЗУ. Накопленные данные из первого банка передаются в рабочую станцию, банк очищается. При этом накопление про­должается во второй банк ОЗУ.

Для того чтобы уменьшить время простоя гамма-сканера, в момент пере­дачи пакета информации в хост-машину, реализован вариант, когда один микроконтроллер (ПИК1) занима­ется сбором информации, а второй мик­роконтроллер (ПИК2) передает инфор­мацию в хост-машину для дальнейшей обработки (рис. 6). Как только сеанс связи завершен микроконтроллер ПИК2 приступает к сбору информации, а ПИК1

Интерфейс

СВЯЗИ с HOST машиной

РІС 1

/-N

\-/

Банк памяти 1

 

 

РІС 2

/-\

\,-/

Банк памяти 2

Рис. 6. Упрощенная блок-схема работы 2-х процессорной системы с внешней памятью и хост-машиной гамма-сканера кругового обзора

передачей, по требованию хост машины. В рабочей станции производится накопление 217 рабочих спектров путем суммирования спектро­метрической информации, передаваемой из ОЗУ. По истечении установленного времени экспозиции или по команде оператора, накопление прекращается. Исполнение команды прекращения накопления должно происходить обязательно по завершению целого числа оборотов маски (контролируется с помощью по­зиционирующего устройства). В рабочую станцию передаются спектрометрические данные рабочих и спектров, а также реальное время накопления и "мертвое" время аппаратуры.

Для управления аппаратурой гамма сканера хост компьютер переда­ет команды в виде двух байтов. Первый байт всегда содержит команду (управ­ляющий байт), которая представляет собой установленные в единицу или сброшенные в ноль определенные би­ты. Так если первый бит установлен в единицу, то будет обнулено ОЗУ. Фор­мат этого байта представлен на рис. 7.

Рис. 7. Формат управляющего байта

Команда принять спектр предназначена для передачи данных от хост-компьютера в ОЗУ и рассчи­тана, в основном, для тестирования аппаратуры. При запросе паспорта на хост передаются данные про­шивки программы микроконтроллера (версия прошивки, серийный номер контроллера, дата изготовле­ния).

Во втором байте передаются параметры:

- номера спектров для команд ПРИНЯТЬ и ПЕРЕДАТЬ спектр;

- состояния вкл/выкл для команд МОТОР и НАКОПИТЬ спектры;

- длина паспорта в байтах;

- для команды ОЧИСТИТЬ ОЗУ - дублируется командный бит.

Например, если установлен 4 бит в байте параметров для команды МОТОР, то привод вращения коди­рующей маски будет включен, а в противном случае - выключен. Аналогичная ситуация и с командой

НАКОПИТЬ спектры.

Программа второго микроконтроллера отличается от первого только в части инициализации. То есть, при включении питания первый контроллер активирует шину USB для приема команд от управ­ляющей машины, а второй - активирует линии связи последовательного периферийного интерфейса SPI, по которому осуществляется связь между двумя микроконтроллерами. При инициализации, так же, на­страиваются встроенные таймеры для подсчета "живого" и "мертвого" времени и необходимым образом конфигурируются линии ввода-вывода для управления процессом накопления спектров.

После инициализации контроллер, активировавший шину USB, переходит в режим ожидания ко­манды от хост контроллера. После приема команды микроконтроллер анализирует полученную команду и инициирует ее реализацию. Выполнение всех команд сопровождается ответом гамма-сканера хосту в том же формате, что и сама команда, т. е. управляющий байт и байт параметров.

Контроллер, получивший инструкцию МОТОР вкл/выкл, транслирует ее второму ПИКу, который в зависимости от состояния 4-го бита в байте параметров выставляет сигнал включения привода враще­ния кодирующей маски или снимает его см. выше. После этого второй ПИК так же выставляет или сни­мает аналогичный сигнал и отправляет подтверждение выполнения команды хост компьютеру. Эти сиг­налы объединяются на элементе 2И-НЕ и передаются непосредственно на привод.

Команда ОЧИСТИТЬ ОЗУ вызывает подпрограмму, которая обнуляет все ячейки оперативной па­мяти, связанную с контроллером, принявшем эту инструкцию. Далее анализируются последующие биты в управляющем байте и если нет других команд (накопить спектр, передать времена, передать спектр), то отправляется подтверждение о выполненной команде управляющей машине. Иначе выполняются обна­руженные команды.

По команде НАКОПИТЬ спектры, принявший ее ПИК отключается от шины USB, затем ожидает прохождение кодирующей маски через нулевое положение, по интерфейсу SPI передает второму ПИКу сообщение о начале накопления спектров и начинает накопление. Второй контроллер подключается к шине USB и отправляет хост компьютеру подтверждение о начале накопления спектров. С этого момен­та второй контроллер принимает команды от хост компьютера. Получивши инструкцию завершить НА­КОПЛЕНИЕ он транслирует ее на другой ПИК по интерфейсу SPI и после синхронизации с прохождени­ем нулевого положения кодирующей маски, микроконтроллеры меняются ролями. Такое программно-аппаратное решение позволяет одновременно накапливать информацию и передавать ее на хост машину для обработки.

Во время накопления спектров в двух встроенных в микроконтроллеры таймерах подсчитываются экспозиционное и "мертвое" время. Первое из них формируется в соответствии со следующим выраже­нием:

T = N/32768 ,

где T - время экспозиции в секундах; N - четырехбайтное число, подсчитанное в таймере.

А второе время можно подсчитать, получив данные из счетчика "мертвого" времени по следую­щей формуле

t = 8n /2 -107 ,

где t - "мертвое" время в секундах; n - четырехбайтное число, подсчитанное в таймере "мертвого" вре­мени.

Как отмечалось выше (рис. 6), для передачи спектра хост-машина сообщает сканеру управляющий байт с установленным седьмым битом в управляющем байте и номером необходимого спектра в байте параметров. Микроконтроллер, принявший эту команду, начинает передавать необходимый спектр.

Все передачи - паспорт, времена и спектры сопровождаются подсчетом и передачей контрольной суммы, которая вычисляется путем прибавления значения каждого переданного байта к заранее обну­ленному байту контрольной суммы.

Заключение. В работе представлена аппаратно-программная реализация гамма-сканера кругового обзора разработанного и изготовленного в НИПКИ «Искра» и предназначенного для дистанционного детектирования, локализации, идентификации и оценки активности радиоактивных материалов в поле­вых условиях, реализующего мультиплексную логику измерений путем пространственно-временного кодирования потоков гамма-излучения [2].

Для повышения быстродействия измерительной аппаратуры и уменьшения времени простоя при­бора в момент передачи информации была применена схема с двумя микроконтроллерами, которые ра­ботают по очереди и позволяют проводить радиационную разведку местности в режиме реального вре­мени при постоянно вращающейся кольцевой кодирующей маске не теряя времени на обмен информаци­ей между измерительной аппаратурой и HOST машиной. Это в свою очередь позволяет уменьшить время нахождения обслуживающего персонала в зоне радиоактивного заражения.

РЕЗЮМЕ

Стаття стосується актуальної проблеми радіометричного контролю місцевості в режимі реального часу. Розг­лянуто метод радіаційної розвідки за допомогою приладів що реалізують логіку вимірювань шляхом просторово-часового кодування потоків гамма-випромінювання. Стисло розглянуті основні принципи функціонування гамма-сканера та надані основні етапи первинної обробки спектрометричної інформації. Запропоновано використання двох мікроконтролерів, що зменшує час вимірювання.

Ключові слова: гамма-сканер, кодувальна маска, спектрометричний тракт, мікроконтлолер.

SUMMARY

The article touches actual problem of radioactive methods of area control at real-time. Discussed method of radio-prospecting with help of devices, that realizing space-time coding logic to gamma-ray flaw measure. Considered short basic principles of functioning of gamma-scanner and given basic processing stages of spectrometric information. The use of two microcontrollers, that diminishes time of measuring, is offered.

Keywords: gamma-scaner, code mask, spectral tract, microcontroller.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Плахотник В. Ю. Угловое разрешение гамма-сканера кругового обзора с кодирующей маской / В. Ю. Плахотник, Е. Г. Ярощук // Вісник Кременчуцького політехнічного університету. - 2008. - № 5(52), ч. 2 - C. 32-34.

2. Плахотник В. Ю. "Гониометр"- гамма-сканер кругового обзора с кодирующей маской / В. Ю. Плахотник, А. В. Кочергин // Вісник ім. В.Даля. - 2008. - № 9(127), ч. 1. - C. 162-166.

Поступила в редакцию 15.11.2010 г.

Калюжный А. В.

Страницы:
1 


Похожие статьи

А В Калюжный - Аппаратно-программная реализация гамма-сканера кругового обзора