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放射源安全监测电路设计

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 284次

括题目、作者姓名、专业及指导教师姓名,其中字体及字号供参考,本页不编页号)

 


务圣杰摘要

随着核技术在能源、工业、农业、医学、科学研究等领域应用的不断发展,放射源的安全管理越来越值得重视。

本文主要研究设计制作了一个基于555定时器的触碰式放射源安全报警系统,该系统具有简单、操作方便、功耗低等优点。

随着放射源的安全越来越受到国内外的重视,放射源安全监测系统将得到更加深入的研究,放射源安全检测电路将得到更加合理的设计。

关键词 放射源安全  555定时器  触碰

 

Abstract

With the continuous development of nuclear technology in energy, industry, agriculture, medicine, science and other fields of application, the safety management of radioactive sources will be more worthy of attention.

This paper studies the designed a touch-type sources security alarm system based on a 555 timer, which is simple, easy to operate, and of low power consumption.

With the more and more attention to security of radioactive sources at home and abroad, the radioactive safety detection system will be more in-depth studied, security of Radioactive Sources detection circuit will be more rational design.

 

Keywords: Security of radioactive sources 555 Timer,Touch


 

前言

    放射源安全管理是国际社会普遍关注的问题之一。我国放射源应用产业与国民经济同步发展。2004年,当时的环保总局接管核安全监管职责后,联合卫生、公安,在全国范围内发起了一场放射源普查的专项行动。普查结果显示,拥有放射源的单位超一万家,放射源超十四万枚,其中七万多枚在用,几乎遍布全国所有省区。此外,至少两千枚废旧放射源下落不明。我国政府历来重视辐射防护与放射源安全管理工作, 1989年国务院发布了《放射性同位素和射线装置放射防护条例》,实行了放射源的登记许可制度,加强了收贮废放射源工作,收到了较好的社会效益和环境效益。但是,随着放射源在国民经济应用范围的扩大和数量的增多,工作人员受到潜在照射的危险和放射源安全事故发生的可能性增加,特别是部分企业在产业调整和资产重组中放松对放射源的管理,易造成丢失或误照事故。2001年初步统计约有废放射源2.5万枚,一千多枚放射源完全失控,散布在环境中。建国以来,辐射引起的急性人员死亡全部是因使用放射源不当引起的。近年来,涉及放射源安全的事故时有发生,并呈上升趋势,放射源安全面临严峻的形势。公安机关是放射源安全监管部门之一。公安民警、保卫人员在日常的放射源等放射性物品管理工作中,或在处理放射性事故时,对工业、农业、医药卫生和科学研究工作中常用放射源的性状、用途、期限、毒性等基本特征必须清楚地掌握或了解,以便估计它对公共安全的危害和可能造成的危害后果。随着核科学技术及其应用的迅速发展,放射源事故已经成为世界各国核安全监督管理部门和公众关注的热点问题。

从1950年代起,钴-60等放射源就开始在民间使用。熟悉这段历史的中国同位素和辐照行业协会辐照专门委员会主任赵文彦介绍,早年的辐照设施门槛很低,一个生产队为辐照土豆、大蒜,就建起一个钴-60源。而全国涉核的大学和科研院所、医疗卫生系统、农科院系统,也都拥有大大小小的放射源。这种使用需求,直接导致了放射源遍布全国各地,与核电的高集中度形成鲜明对比。

到了1970年代末至1980年代,随着经济发展,全国除了西藏和青海两地,各省都有了辐照装置。由于安全防护措施滞后,辐射事故明显增加,这一时期平均一年就有45起放射性事故。

中国工程院院士、中国核工业集团公司研究员潘自强和中国原子能研究院研究员刘森林合作研究发现,1954年到2007年,我国共有2例核试验导致放射病的案例,中国核工业发生过52例皮肤烧伤,但核军工和核电站未发生一例死亡、放射病例。

整个1990年代,中国万枚放射源事故率,是美国的40倍。

据不完全统计,近几年全国平均每年发生放射源丢失、被盗等放射事故15起,其中丢失、被盗占首位。从国家环保总局初步统计的1997~2014年上半年我国主要发生的放射源事故表中可以看出事故多发源情况,丢失、被盗的放射源50%以上是放射源和放射源。由于放射源等放射性物质(物品)是危险物品,又与社会公共安全、社会稳定发展和人民生命财产安全密切相关,因而必须按照国家的有关规定依法严格管理,确保安全,而反射源安全监测系统将起到重要的作用。

 

1放射源安全管理探讨

1.1     国内放射源安全管理

近年来,涉及放射源安全的事故时有发生,并呈上升趋势,放射源安全面临严峻的形势。公安机关是放射源安全监管部门之一。公安民警、保卫人员在日常的放射源等放射性物品管理工作中,或在处理放射性事故时,对工业、农业、医药卫生和科学研究工作中常用放射源的性状、用途、期限、毒性等基本特征必须清楚地掌握或了解,以便估计它对公共安全的危害和可能造成的危害后果。随着核科学技术及其应用的迅速发展,放射源事故已经成为世界各国核安全监督管理部门和公众关注的热点问题。

当前放射源安全中存在的主要问题是:法制观念和防范(护)意识淡薄以及相关设备陈旧。有些放射性工作单位根本没有放射源安全管理相关设备。有关部门不能严格按照法制化程序管理,特别是缺乏事故应急处置的具体措施。在放射源生产、储存、购销、使用、运输、处置等环节的管理上,部分职能部门重收费、重罚款、轻法规、轻管理,重经济效益、轻公共安全的倾向比较突出,人员素质也偏低。许多人缺乏必要的放射防护基础知识,没有接受必要的法规和防护知识培训,一些人员业务素质不适应专业管理需要。无证上岗或违章操作造成人员误入辐照室而受到意外照射的案例屡见不鲜。对放射源的管理不善:有关部门对供货源头单位监管不力,漏管失控、非法购销及非法运输;一些用源单位关停并转后大量放射源闲置不用,放射源安全很少有人问津;闲置源、退役源安全流出社会渠道不畅;由于放射源储存管理不善,不少无关人员遭受意外照射和伤害;有的将放射源存放在安全防范设备陈旧、年久失修、不具备条件的简陋房屋中或丢弃在外,因而造成被盗、被拾或被卖到废品收购站,甚至当成宝物带回家中,由此造成的放射事故也时有发生。

为了加强对放射性同位素、射线装置安全和防护的监督管理,促进放射性同位素、射线装置的安全应用,保障人体健康,保护环境,国家陆续制定了一些条例来进行管理。

1986年卫生部和有关部门联合发布了放射性同位素与射线事故管理规定。次年国务院又发出了国务院关于加强放射性同位素和射线装置放射防护管理工作的通知

到了2003年,中编办就放射源监管问题,专门下发了《关于放射源安全监管的部门职责分工通知》,原属卫生部门的监管职责,如放射源准购、监测、监督检查、影响评价等,根据文件规定一并划归到环保总局。

2005年8月31日国务院第104次常务会议通过,自2005年12月1日起施行《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》。

1.2     国际放射源安全管理

1.美国。根据美国联邦法律(CFR)的规定,美国核管会或核管会授权的州政府负责颁发放射源许可证。许可证持有者对放射源的标识、安全使用、维护、存贮的处置负责,接受发证单位的监督,并及时报告源的转移、失效或损坏情况。对源的失控和丢失等事件也必须立即报告。

2.英国。与放射源有关的法律法规有:放射性材料法、工作健康和安全法、电离辐射管理办法等。主要的审管机构是环境部门,此外健康和安全部门也参与审管。所有使用放射源的用户必须向环境部门进行登记并应得到授权。环境部门和健康与安全部门要周期性地对大的放射源设施进行检查。一旦放射源不再使用,用户必须在3个月内对其进行处理。目前的处理方法主要有: (1)返回供应商或制造商; (2)循环使

用; (3)在Drigg处置场处置(仅限于低活度源); (4)交给专门收贮废源的专业公司。

3.法国。在法国,所有放射源都通过市场进行购买。目前所适用的审管法律是由多个部门签署的多部法律和法令。国家级审管机构包括电离辐射办公室、工业部、健康部及劳工部。根据所使用放射源的总活度不同,对放射源的使用和贮存分为5个审管等级。除了很低水平的源和镭源外,购买和使用其余放射源都由电离辐射办公室审管。法国政府决定将核安全与辐射防护研究所与电离辐射办公室合并,组建新的辐射防护与核安全研究所,加强对放射源和核设施的监管技术能力。法国放射源审管规定: (1)最终用户必须在自购买之日起10年内,将放射源从仪器或设备中取出,返回到供应商处; (2)购买者的购买价格中,必须包含放射源的处置费; (3)放射源流通环节中的任一环节,必须同意10年后收回放射源。放射源的处置由国家放射性废物管理局负责,处置费用由源生产厂家每年根据生产的源数所支付的年度费用基金支付。

 

2放射源安全监测系统理论设计

2.1 介绍555定时器的工作原理及作用

1.       555定时器概述

555定时器是一种多用途的数字——模拟混合集成电路,利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便,所以555定时器在波形的产生与交换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。本文主要介绍了555定时器的工作原理及其在单稳态触发器、多谐振荡器方面的应用。

2.       555定时器电路结构图

3.1 555定时器电路结构图

3.      555定时器工作原理

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压,当 5 脚悬空时,则电压比较器C1的同相输入端的电压为 2VCC/3,C2 的反相输入端的电压为VCC 若触发输入端 TR 的电压小于VCC/3,则比较器 C2 的输出为 0,可使RS 触发器置 1,使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3,同时T端的电压大于VCC/3,则 C1 的输出为 0,C2 的输出为 1,可将 RS 触发器置 0,使输出为 0 电平。它的各个引脚功能如下: 1 脚:外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地; 8脚:外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V;一般用5V;3脚:输出端Vo;2脚:低触发端;6脚:TH高触发端; 4脚:是直接清零端。当此端接低电平,则时基电路不工作,此时不论TR、TH处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平; 5脚:VC为控制电压端。若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01μF电容接地,以防引入干扰;7脚:放电端。该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电;在1脚接地,5脚未外接电压,两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下,555定时器基电路的功能表如表2所示:

表2  555定时器基电路的功能表

清零端

高触发端TH

低触发端

Q

放电管T

功能

0

x

x

0

导通

直接清零

1

0

1

x

保持上一状态

保持上一状态

1

1

0

x

保持上一状态

保持上一状态

1

0

1

0

1

1

0

导通

截止

1

清零

4.      主要作用

(1)构成施密特触发器,用于TTL系统的接口,整形电路或脉冲鉴幅等;

(2)构成多谐振荡器,组成信号产生电路;  

(3)构成单稳态触发器,用于定时延时整形及一些定时开关中。

555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路,如定时器、分频器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。

当555应用电路收到外界信号的触动后,会产生一个报警信号,输送并传递出去,结合后续的报警电路,实现一种报警功能。

2.2 仿真软件Proteus

1. Proteus概述

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译。

2. 功能特点

Proteus软件具有其它EDA工具软件(例:multisim)的功能。这些功能是:

(1)原理布图

(2)PCB自动或人工布线

(3)SPICE电路仿真

革命性的特点:

(1)互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM,ROM,键盘,马达,LED,LCD,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件。

(2)仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,再配合显示及输出,能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等,Proteus建立了完备的电子设计开发环境。


 

3 触碰式报警系统电路设计

3.1设计目的     

在核电站实际工作中,发现在低活度的源不易管理,原因是很难监测到较低活度(小于12kBq)的放射源。为了加强放射源安全的的管理,设计了一个基于555定时器的触碰式报警系统。结合核电站现有的监测系统,从而能更好的管理反射源。且该系统具有简单、操作方便、功耗低等优点。

3.2工作原理

图4.1由一块555定时器和外接定时元件R、C的一个多谐振荡电路。多谐振荡电路的特点是没有稳定状态,只有两个暂稳态,无需外加触发脉冲,可以由一个暂稳态自动翻转到另外一个暂稳态,并且两个暂稳态持续的时间可通过调节外接的定时元件R、C来进行控制。

当555定时器的4号脚与地相连的开关S1断开时,RD=1, 555定时器构成的多谐振荡器工作,此时3号脚的输出不稳定,在0和1之间不停的跳动,输出脉冲波形如图4.2所示,且扬声器被触发发出声响。

 

 

 

 

 

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

 

4.2  555定时器3号脚输出脉冲波型图


3.3 仿真设计

.仿真设计图

 图4.3 触碰式报警电路图

4.4  3号脚输出信号图

 

结论

论文首先列举一些国内外放射源丢失事件,分析了这些事件中的一些产生因素以及社会影响,也分析了国内外放射源安全管理办法,从而引出放射源安全管理的重要性以及放射源安全监测电路设计的必要性。

设计了一款基于555定时器的触碰式报警系统。此系统具有简单、操作方便、功耗低等优点。

当然,这次设计电路还只是一个初级产品,目前系统中的一些功能还不够完善,比如可以结合光报警系统,从而完成声光报警,还可以集成于小的芯片上,使本设计有更广的实际应用,也可以利用红外感应或放射能量形成信号进行安全报警。

     综上所诉,随着放射源的安全越来越受到国内外的重视,放射源安全监测电路设计将得到更加深入的研究,放射源安全检测电路将得到更加合理的设计。


参考文献

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