Forever剂量计实时辐射探测器

描述

Forever 剂量计实时辐射探测器

目前有许多剂量计徽章制造商。一些设计使用在特殊烤箱中加热的晶体。徽章在整个工作日都佩戴，然后被收集并放置在专门的阅读器中，以确定全天累积的辐射剂量。这种设计的优点是没有可能耗尽或磨损的电池。缺点是需要训练有素的人员传播和收集徽章并运行设备以确定检测到的任何辐射。这些徽章不允许实时剂量计读数。

另一种类型的徽章使用嵌入式 MCU 和辐射探测器芯片或电路。这些徽章确实会耗尽电池，并且大多数都允许实时剂量计读数。实际经过验证的最长电池寿命为两年，这些设计的平均电池寿命仅超过六个月。这需要持续维护以检查和更换电池，当它们随着年龄的增长或由于设备的使用而耗尽时。

Forever 剂量计设计完全取消了电池。这个徽章使用了一个为室内充电而优化的太阳能电池和一个使用太阳能电池作为电源的小型超级电容器。由于人类通常不会在黑暗中工作，因此该设计提供了一种由环境照明供电的无电池徽章，其寿命是几十年而不是几个月或几年。无电池设计还意味着没有人员将负责监控和更换电池，因为没有可更换的电池。

Forever 剂量计是一种低功耗蓝牙 (BLE) 设备，由放置在设施周围的固定读取器或用户的智能手机读取。如果需要徽章坐标，它们可以通过剂量计本身的固定蓝牙读取器的蓝牙定位、读取徽章的智能手机的蓝牙定位位置或通过智能手机的 GPS 来确定。

瓦拉迪斯辐射传感器

RADFET 是一种极低功率的辐射剂量计芯片，仅使用 10 微安电流来检测辐射暴露。VT01 是 Varadis 的第一代 RADFET 芯片，在单个 6 引脚 SMD 芯片上配备了双 RADFET 器件。RADFET 是一种场效应晶体管，它对伽马辐射敏感，无需电源进行感应，读取所需的功率极低。

瓦拉迪斯 VT01 芯片

 

该芯片以两种模式之一运行：检测或读出。检测模式完全不需要电源。该芯片仅吸收伽马辐射，从而改变内部 RADFET 器件的电气特性。

瓦拉迪斯 VT01 数据表

 

对于读出，电压施加在场效应晶体管上，具有恒定的 10 微安电流，并由 nrf5340 的片上 ADC 读取。电压降由温度调节以给出辐射暴露结果。

Epishine室内太阳能电池

Epishine 生产一种薄膜太阳能电池，优化用于室内照明作为电源。Epishine 细胞是柔性的，可以弯曲或弯曲而不会损坏其中的细胞。

Epishine Leh3 室内太阳能电池

 

Epishine 生产的 EVK 配有 Cap-XX GA230 超级电容器和 E-peas AEM10941 电源管理 IC。这是用于使用 Nordic Semi nRF5340-DK 开发套件测试和开发 Forever Dosimeter 徽章的套件。

Epishine室内太阳能电池EVK

 

Cap-XX 超级电容器

Cap-XX 是一家澳大利亚公司，生产一系列微型超级电容器。本项目选用的是 GA230 产品。GA230 安装在 PCB 上两个略微凸起的导轨上。Cap-XX 最近推出了该组件的 SMD 版本，可以直接安装在 PCB 迹线上，但遗憾的是，该产品不适用于第一个 Forever Dosimeter 原型。

Cap-XX GA230 超级电容器

 

u-Blox nRF5340 模块

开发带有天线的 2.4 GHz 阻抗平衡电路并非易事。此外，全新设计的 FCC 认证可能既昂贵又耗时。有几家公司制造预认证模块，其中只有天线变化（如果有的话）需要重新认证。与认证完整的全新设计相比，这是一种更便宜、更快捷的替代方案。

我选择了新的 u-Blox Nora-B106 模块，它配有嵌入式天线，并通过 FCC 和 CE 预认证。这避免了必须与经批准的认证实验室进行互动，并大大降低了启动新设计所需的费用。

不幸的是，该模块与我联系的所有供应商都处于延期交货状态，因此该设计目前正在等待零件，以便进行完全原型制作和测试。

设计试验台

Epishine EVK 从室内光产生 3.3V

 

对 nRF5340 进行功率分析

 

电路原理图

剂量计电路由三个主要部件组成；

1.太阳能和超级电容器的电源部分并将其转换为3.3v

2. nRF5340 MCU & 蓝牙模块

3. RADFET 辐射感应电路

Forever Dosimer 示意图

 

太阳能电池&超级电容电路以e-peas AEM10491电源管理芯片为中心，该芯片从Epishine室内太阳能电池接收电能并将其存储在Cap-XX GA230超级电容中。可选的 CR2302 备用电池可用，但在正常照明的室内环境中正常运行不需要。e-peas 芯片将存储在超级电容器中的能量转换为用于 nRF5340 MCU 的稳压 3.3 伏。

室内太阳能电池和超级电容器调节3.3v电路

 

MODUL_IN 标签直接连接到 Epishine 太阳能电池，而 Cap-XX GA230 超级电容器位于原理图的右下方。e-peas 电源管理芯片在 HVOUT 处产生稳定的 3.3v 电压。

蓝牙电路是 u-blox 的独立预认证模块，配有芯片天线。u-blox 模块直接从 e-peas AEM10941 芯片的稳压 3.3v 输出供电。

u-blox NORA-B106 模块与 Nordic Semi nRF5340

 

Varadis 的 RADFET 芯片是 VT01，它是一个 6 引脚芯片，板载两个 RADFET 辐射敏感场效应晶体管。在传感模式下，两个 RADFET 都接地。在读出模式下，它们连接到 10 微安的 20v 电压源，其中温度调节的电压降决定了辐射暴露的水平。来自 e-peas 芯片的稳压 3.3v 通过 TL499A DC-DC 升压芯片升压至 20v。20v 输出通过 LM334 限流器馈入，以产生 10 微安输出。RADFET 通过双 SPDT 芯片从接地输入切换到读出模式。输出电压降至 3.3v 以下并馈送到 nRF5340 上的 ADC。

NRF5340 ADC 的 RADFET 读出部分

 

Varadis VT01 是一个 6 针 SMD 芯片，芯片上有两个 RADFET。

Varadis VT01 RADFET 辐射传感器芯片

 

VT01 引脚在感应时接地，它们在 10 微安时切换到 20v 以进行读数。辐射暴露被感测为跨场效应晶体管的栅极到漏极的电压降。

结论

Forever 剂量计采用新技术，配备极低功耗的片上辐射传感器、专为室内使用而设计的太阳能电池、用于储能的超级电容器和 ARM Cortex-m33 MCU，以创建具有以下功能的自供电辐射剂量计至少10年的寿命。这种设计是可穿戴徽章或安装传感器的基础，在其使用寿命期间无需维护或更换电池。传感器徽章的读数是通过蓝牙连接到智能手机或蓝牙接收器。徽章或安装的传感器的位置可以由接收器使用蓝牙定位来确定。