描述

Forever 劑量計實時輻射探測器

目前有許多劑量計徽章制造商。一些設(shè)計使用在特殊烤箱中加熱的晶體。徽章在整個工作日都佩戴，然后被收集并放置在專門的閱讀器中，以確定全天累積的輻射劑量。這種設(shè)計的優(yōu)點是沒有可能耗盡或磨損的電池。缺點是需要訓(xùn)練有素的人員傳播和收集徽章并運行設(shè)備以確定檢測到的任何輻射。這些徽章不允許實時劑量計讀數(shù)。

另一種類型的徽章使用嵌入式 MCU 和輻射探測器芯片或電路。這些徽章確實會耗盡電池，并且大多數(shù)都允許實時劑量計讀數(shù)。實際經(jīng)過驗證的最長電池壽命為兩年，這些設(shè)計的平均電池壽命僅超過六個月。這需要持續(xù)維護(hù)以檢查和更換電池，當(dāng)它們隨著年齡的增長或由于設(shè)備的使用而耗盡時。

Forever 劑量計設(shè)計完全取消了電池。這個徽章使用了一個為室內(nèi)充電而優(yōu)化的太陽能電池和一個使用太陽能電池作為電源的小型超級電容器。由于人類通常不會在黑暗中工作，因此該設(shè)計提供了一種由環(huán)境照明供電的無電池徽章，其壽命是幾十年而不是幾個月或幾年。無電池設(shè)計還意味著沒有人員將負(fù)責(zé)監(jiān)控和更換電池，因為沒有可更換的電池。

Forever 劑量計是一種低功耗藍(lán)牙 (BLE) 設(shè)備，由放置在設(shè)施周圍的固定讀取器或用戶的智能手機讀取。如果需要徽章坐標(biāo)，它們可以通過劑量計本身的固定藍(lán)牙讀取器的藍(lán)牙定位、讀取徽章的智能手機的藍(lán)牙定位位置或通過智能手機的 GPS 來確定。

瓦拉迪斯輻射傳感器

RADFET 是一種極低功率的輻射劑量計芯片，僅使用 10 微安電流來檢測輻射暴露。VT01 是 Varadis 的第一代 RADFET 芯片，在單個 6 引腳 SMD 芯片上配備了雙 RADFET 器件。RADFET 是一種場效應(yīng)晶體管，它對伽馬輻射敏感，無需電源進(jìn)行感應(yīng)，讀取所需的功率極低。

瓦拉迪斯 VT01 芯片

?

該芯片以兩種模式之一運行：檢測或讀出。檢測模式完全不需要電源。該芯片僅吸收伽馬輻射，從而改變內(nèi)部 RADFET 器件的電氣特性。

瓦拉迪斯 VT01 數(shù)據(jù)表

?

對于讀出，電壓施加在場效應(yīng)晶體管上，具有恒定的 10 微安電流，并由 nrf5340 的片上 ADC 讀取。電壓降由溫度調(diào)節(jié)以給出輻射暴露結(jié)果。

Epishine室內(nèi)太陽能電池

Epishine 生產(chǎn)一種薄膜太陽能電池，優(yōu)化用于室內(nèi)照明作為電源。Epishine 細(xì)胞是柔性的，可以彎曲或彎曲而不會損壞其中的細(xì)胞。

Epishine Leh3 室內(nèi)太陽能電池

?

Epishine 生產(chǎn)的 EVK 配有 Cap-XX GA230 超級電容器和 E-peas AEM10941 電源管理 IC。這是用于使用 Nordic Semi nRF5340-DK 開發(fā)套件測試和開發(fā) Forever Dosimeter 徽章的套件。

Epishine室內(nèi)太陽能電池EVK

?

Cap-XX 超級電容器

Cap-XX 是一家澳大利亞公司，生產(chǎn)一系列微型超級電容器。本項目選用的是 GA230 產(chǎn)品。GA230 安裝在 PCB 上兩個略微凸起的導(dǎo)軌上。Cap-XX 最近推出了該組件的 SMD 版本，可以直接安裝在 PCB 跡線上，但遺憾的是，該產(chǎn)品不適用于第一個 Forever Dosimeter 原型。

Cap-XX GA230 超級電容器

?

u-Blox nRF5340 模塊

開發(fā)帶有天線的 2.4 GHz 阻抗平衡電路并非易事。此外，全新設(shè)計的 FCC 認(rèn)證可能既昂貴又耗時。有幾家公司制造預(yù)認(rèn)證模塊，其中只有天線變化（如果有的話）需要重新認(rèn)證。與認(rèn)證完整的全新設(shè)計相比，這是一種更便宜、更快捷的替代方案。

我選擇了新的 u-Blox Nora-B106 模塊，它配有嵌入式天線，并通過 FCC 和 CE 預(yù)認(rèn)證。這避免了必須與經(jīng)批準(zhǔn)的認(rèn)證實驗室進(jìn)行互動，并大大降低了啟動新設(shè)計所需的費用。

不幸的是，該模塊與我聯(lián)系的所有供應(yīng)商都處于延期交貨狀態(tài)，因此該設(shè)計目前正在等待零件，以便進(jìn)行完全原型制作和測試。

設(shè)計試驗臺

Epishine EVK 從室內(nèi)光產(chǎn)生 3.3V

?

對 nRF5340 進(jìn)行功率分析

?

電路原理圖

劑量計電路由三個主要部件組成；

1.太陽能和超級電容器的電源部分并將其轉(zhuǎn)換為3.3v

2. nRF5340 MCU & 藍(lán)牙模塊

3. RADFET 輻射感應(yīng)電路

Forever Dosimer 示意圖

?

太陽能電池&超級電容電路以e-peas AEM10491電源管理芯片為中心，該芯片從Epishine室內(nèi)太陽能電池接收電能并將其存儲在Cap-XX GA230超級電容中。可選的 CR2302 備用電池可用，但在正常照明的室內(nèi)環(huán)境中正常運行不需要。e-peas 芯片將存儲在超級電容器中的能量轉(zhuǎn)換為用于 nRF5340 MCU 的穩(wěn)壓 3.3 伏。

室內(nèi)太陽能電池和超級電容器調(diào)節(jié)3.3v電路

?

MODUL_IN 標(biāo)簽直接連接到 Epishine 太陽能電池，而 Cap-XX GA230 超級電容器位于原理圖的右下方。e-peas 電源管理芯片在 HVOUT 處產(chǎn)生穩(wěn)定的 3.3v 電壓。

藍(lán)牙電路是 u-blox 的獨立預(yù)認(rèn)證模塊，配有芯片天線。u-blox 模塊直接從 e-peas AEM10941 芯片的穩(wěn)壓 3.3v 輸出供電。

u-blox NORA-B106 模塊與 Nordic Semi nRF5340

?

Varadis 的 RADFET 芯片是 VT01，它是一個 6 引腳芯片，板載兩個 RADFET 輻射敏感場效應(yīng)晶體管。在傳感模式下，兩個 RADFET 都接地。在讀出模式下，它們連接到 10 微安的 20v 電壓源，其中溫度調(diào)節(jié)的電壓降決定了輻射暴露的水平。來自 e-peas 芯片的穩(wěn)壓 3.3v 通過 TL499A DC-DC 升壓芯片升壓至 20v。20v 輸出通過 LM334 限流器饋入，以產(chǎn)生 10 微安輸出。RADFET 通過雙 SPDT 芯片從接地輸入切換到讀出模式。輸出電壓降至 3.3v 以下并饋送到 nRF5340 上的 ADC。

NRF5340 ADC 的 RADFET 讀出部分

?

Varadis VT01 是一個 6 針 SMD 芯片，芯片上有兩個 RADFET。

Varadis VT01 RADFET 輻射傳感器芯片

?

VT01 引腳在感應(yīng)時接地，它們在 10 微安時切換到 20v 以進(jìn)行讀數(shù)。輻射暴露被感測為跨場效應(yīng)晶體管的柵極到漏極的電壓降。

結(jié)論

Forever 劑量計采用新技術(shù)，配備極低功耗的片上輻射傳感器、專為室內(nèi)使用而設(shè)計的太陽能電池、用于儲能的超級電容器和 ARM Cortex-m33 MCU，以創(chuàng)建具有以下功能的自供電輻射劑量計至少10年的壽命。這種設(shè)計是可穿戴徽章或安裝傳感器的基礎(chǔ)，在其使用壽命期間無需維護(hù)或更換電池。傳感器徽章的讀數(shù)是通過藍(lán)牙連接到智能手機或藍(lán)牙接收器。徽章或安裝的傳感器的位置可以由接收器使用藍(lán)牙定位來確定。