Разработка устройства для измерения радиационного излучения

· Q(t) = 1 - P(t) Ї вероятность отказов;

· Tcp = 1 / Ї среднее время наработки до первого отказа.

Целью расчета показателей надежности является определения численных значений основных показателей надежности по интенсивности отказов элементов.

Для учета влияния режима работы на интенсивность отказов электрорадиоэлементов вводится коэффициент нагрузки КН = Нраб / Нном, равный отношению нагрузки в рабочем режиме к нагрузке в номинальном режиме.

Коэффициент нагрузки для транзисторов:

КНтр = IНраб / IНном

Коэффициент нагрузки для резисторов:

КНр = Рраб / Рном

Коэффициент нагрузки для конденсаторов:

КНтр = Uраб / Uном

Коэффициент нагрузки для трансформаторов:

КНтр = Jраб / Jном

Коэффициент нагрузки для диодов:

КНтр = IПРраб / IПРном

Коэффициент нагрузки для остальных элементов схемы КН = 1.

бt Ї температурный коэффициент, который показывает в сколько раз отличается интенсивность отказа элемента при данном КН от интенсивности отказа при номинальных условиях бt = л(t) / л(t20єC).

бb Ї коэффициент, который учитывает влияние внешней среды на надежность элемента (для наземной стационарной аппаратуры бb = 10).

ое Ї интенсивность отказа элементов.

Исходная характеристика надежности для элементов конструкции Ї интенсивность отказов, что является функцией режима работы элемента, температуры окружающей среды и внешних воздействий.

лрэ = лоэ • KH • бt • бb

Для расчета вышеуказанных показателей используем данные об интенсивности отказов каждого компонента, данные приведены в таблице.

Таблица 6.1 Ї Параметры надежности элементов ПП

Примечание. лi = N лОЭ КН бt бb

1. Определим среднее время наработки до первого отказа.

Тср = 1 / бр = 1 / (53,265 • 10-7) = 187 741 часов

2. Затем определим вероятность безотказной работы в течение одного года, т. е. 8760 часов.

0,9544

3. Тогда вероятность отказов в течении года составит:

Q(t) = 1 - Р(t) = 1 - 0,95 = 0,0456

Таблица 6.2 Ї Вероятность безотказной работы устройства в зависимости от времени работы

4. Построим график зависимости вероятности безотказной работы от времени.

Рис. 6.2 Ї График вероятности безотказной работы

Исходя из результатов, полученных в данном расчете, можно сделать вывод, что рассматриваемое устройство является достаточно надежным и будет работать на протяжении долгого времени.

7. 

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ В САПР ALTIUM

Среди отечественных разработчиков печатных плат наиболее востребованной является линейка программ P-CAD, поддержка которой прекращена в 2008 году. На смену привычной не одному поколению конструкторов программе P-CAD фирма Altium предлагает более проработанный и идеологически полный пакет сквозного проектирования Altium Designer.

В состав программного комплекса Altium Designer входит весь необходимый инструментарий для разработки, редактирования и отладки проектов на базе электрических схем, встраиваемых процессоров и ПЛИС. Система предоставляет возможности работы с электрическими схемами любой сложности, а также проводить их смешанное цифро-аналоговое моделирование. Отличительной особенностью предлагаемой системы автоматического проектирования (САПР) от подобных систем является проектная структура и сквозная целостность ведения разработки на разных уровнях проектирования.

Начальной точкой каждого конструктивного решения в Altium Designer является проект. Проект представляет собой набор документов, чьи данные предназначены для решения одной конструктивно-законченной задачи. Среда Altium Designer поддерживает различные типы проектов. Некоторые из них кратко описаны ниже.

Проект печатной платы (PCB Project). Основной задачей проекта печатной платы является получение необходимой для производства платы и сборки устройства документации, в состав которой входят чертежи, перечень элементов, спецификация, программное обеспечение производственного оборудования и др.

Проект интегрированной библиотеки (Integrated Library). Выходной файл проекта интегрированной библиотеки представляет собой не доступный для редактирования контейнер, в котором хранятся библиотеки различных представлений (моделей) компонентов (например, библиотеки схемных символов, посадочных мест, 3D и другие) и связи между ними.

Разработчиком поставляется огромное количество интегрированных библиотек, которые в большинстве случаев включают полный набор возможных моделей для каждого компонента. Любую из возможных моделей компонента можно создать внутренними средствами программы. Работа над всеми частями проекта ведётся в единой управляющей оболочке Design Explorer, что позволяет разработчику контролировать целостность проекта на всех этапах проектирования. Таким образом, изменения, внесённые на любом этапе разработки, автоматически передаются на все связанные стадии проекта.

В дополнение к мощным средствам разработки, Altium Designer имеет широкие возможности импорта и экспорта сторонних систем проектирования и поддерживает практически все стандартные форматы выходных файлов. Полностью поддерживаются все наработки в виде схем, плат и библиотек, разработанные в последних версиях P-CAD.[11]

В ходе разработки проекта в САПР Altium была создана библиотека компонентов, в которую вошли все элементы, встречающиеся в схеме. Библиотека содержит условное графическое обозначение каждого элемента, посадочное место для установки его на плату и информацию о выводах элементов.

После этого была нарисована схема электрическая принципиальная и экспортирована в Altium PCB. Затем были размещены элементы согласно размещению, приведенному в разделе 4.5. Остальные элементы ПП, были размещены максимально плотно к уже установленным элементам, что бы образовывать максимально короткие связи. После размещения были определены физические размеры платы.

Основной задачей является разводка платы (трассировка соединений) для которой использовался автотрассировщик Altium Auto Route.

8. 

8. ОХРАНА ТРУДА

Ионизирующее излучение, действуя на живой организм, вызывает в нем цепочку обратимых и необратимых изменений, которые приводят к тем или иным биологическим последствиям. Первичным этапом, инициирующим многообразные процессы, происходящие в биологическом объекте, является ионизация (от атома отрывается электрон).

В процессе ионизации происходит разрушение молекул вещества, образуются «свободные радикалы» и сильные окислители с высокой химической активностью.

Получающиеся в процессе радиолиза воды (в биологической ткани 60…70% по массе составляет вода) свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к нарушению жизнедеятельности организма в целом.

Накопленный к настоящему времени большой материал, полученный в экспериментах на животных, а также на основе обобщения многолетних данных о состоянии здоровья рентгенологов, радиологов и других лиц, которые подвергались воздействию ионизирующих излучений, показывает, что при однократном равномерном гамма-облучении всего тела:

Таблица 8.1 Ї Влияние радиации на организм

Примечание. бэр Ї биологический эквивалент рентгена (Р)

При установлении норм радиационной безопасности Международной комиссией по радиологической защите (МКРЗ) был взят за основу следующий принцип: «Обеспечить защиту от ионизирующего излучения отдельных лиц, их потомство и человечество в целом, и в то же время создать соответствующие условия для необходимой практической деятельности человека, во время которой люди могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений». Исходя из этого, МКРЗ установила систему дозовых пределов, которые легли в основу отечественных норм «Нормы радиационной безопасности НРБ-76/87».

Таблица 8.2 Ї Категории радиационной безопасности

Для каждой категории облучаемых лиц установлены следующие нормативы: основные дозовые пределы и допустимые уровни, соответствующие дозовым пределам.

При облучении всего тела или наиболее радиочувствительных органов (гонады, костный мозг) предельно допустимые дозы равны: для категории А -- 5 бэр/год (50 мЗв/год), для категории Б -- 0,5 бэр/год (5 мЗв/год). В случае облучения некоторых органов и тканей установлены менее жесткие дозовые пределы с учетом различной радиочувствительности органов.

Рассмотрим методы защиты от источников радиации.

Защита временем. Чем короче время пребывания рядом с источником радиации, тем меньшую дозу облучения получает человек. Кратковременный контакт даже с мощнейшим рентгеновским излучением во время медицинских процедур не принесёт сильного вреда, однако если рентгеновский аппарат оставить на более длительный срок, он просто «сожжёт» живые ткани.

Защита расстоянием заключается в том, что излучение уменьшается при удалении от компактного источника. То есть если на расстоянии 1 метра от источника радиации дозиметр показывает 1000 микрорентген в час, то на расстоянии 5 метров -- около 40 мкР/час, вот почему часто источники радиации так сложно обнаружить. На больших расстояниях они «не ловятся», надо чётко знать место, где искать.

Защита веществом. Необходимо стремиться к тому, чтобы между Вами и источником радиации было как можно больше вещества. Чем оно плотнее и чем его больше, тем значительнее часть радиации, которую оно может поглотить. Говоря о главном источнике радиации в помещениях -- радоне и продуктах его распада, следует отметить, что значительно уменьшить радиацию можно регулярным проветриванием. От альфа-излучения можно защититься обычным листом бумаги, респиратором и резиновыми перчатками, для бета-излучения уже понадобится тонкий слой алюминия, стекло, противогаз и плексиглас, для борьбы с гамма-излучением эффективны тяжелые металлы типа стали, свинца, вольфрама, чугуна, а от нейтронов могут спасти вода и полимеры типа полиэтилена.

Толщина слоя заданного материала, уменьшающая уровень радиации в два раза, называется слоем половинного ослабления. Соотношение уровня радиации до и после защиты называется коэффициентом защиты.

С увеличением толщины слоя противорадиационной защиты количество пропущенной радиации падает экспоненциально. Так, если слой половинного ослабления слежавшегося грунта составляет 9.1 см, то насыпь толщиной 91 см (типичная насыпь над противорадиационным убежищем) уменьшит количество радиации в 210, или 1024 раза.

В таблице ниже, указан слой половинного ослабления некоторых материалов:

Таблица 8.3 Ї Защита от радиационного излучения

ВЫВОДЫ

В рамках бакалаврского дипломного проекта было спроектировано устройство для измерения радиационного излучения. Устройство предназначается для контроля радиационного излучения в бытовых условиях и определяет уровень ионизирующего излучения, выдает значение на индикаторное устройство, а также сравнивает его с ЕРФ, и, в случае превышения фона, выдает сигнал тревоги и значение, на которое был превышен ЕРФ.

В ходе работы были проанализированы принципы работы устройств детектирующих радиационное излучение и элементы, на которых основываются такие приборы. Исходя из данного анализа, были определены базовые узлы устройства и элементы, которые должны входить в состав этих узлов. Также была составлена структурная схема, а на её основе Ї схема электрическая принципиальная.

При выборе микросхем был проведен параметрический анализ среди аналогов, по результатам которого были определены лучшие варианты. Основываясь на выбранной элементной базе, был выбран класс точности ПП, а именно, третий класс.

Исходя из результатов, полученных при конструкторско-технологическом анализе, были рассчитаны основные ограничения для ПП, и была подтверждена целесообразность применения выбранного класса точности.

Проведенный электрический расчет, свидетельствует о незначительности влияния на работу схемы паразитных параметров.

На основании выполненного расчета теплового режима можно сделать вывод, что в конструкции, при номинальном напряжении питания, не требуется радиаторов для рассеивания выделяемой тепловой мощности, что является несомненным плюсом, так как при использовании радиатора значительно возросли бы габариты ПП.

В результате проведенных расчетов вибропрочности подтверждено выполнение условия вибропрочности для ПП при воздействии внешних вибраций. Прогиб не превышает 1/5 толщины материала платы. Из этого следует, что элементная база, материал, вариант закрепления и размеры ПП были выбраны правильно.

Также был проведен расчет основных параметров надежности, среднее время наработки на отказ составляет 187 741 часов, а вероятность выхода из строя на протяжении года Ї 0,9544, что свидетельствует о надежности проектируемого устройства.

Проектирование проводилось с использованием современных САПР, таких как: Altium и OrCAD. С помощью САПР OrCAD был промоделирован отдельный участок схемы, а именно, одновибратор, который используется с целью формирования импульсов прямоугольной формы (из треугольных поступающих от СГ) для правильной работы МК. Полученные временные диаграммы подтвердили работоспособность данного узла схемы. В САПР Altium было произведено проектирование печатной платы. Главной задачей была разводка ПП, которая и была сделана с помощью данного САПР. Полученный результат полностью соответствует поставленным критериям. Исходя из этого, можно сделать вывод, что использование САПР Altium и OrCAD было эффективным.

Проведенные расчеты подтверждают работоспособность конструкции. Требования к конструкции, изложенные в техническом задании к проекту, полностью выполнены. На основании этого можно сделать вывод, что проект выполнен успешно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Виноградов Ю.А. Ионизирующая радиация: обнаружение, контроль, защита / Виноградов Ю.А. Ї М.: СОЛОН-Р, 2002, 224 с. Ї («СОЛОН-Р Ї радиолюбителям», выпуск 9)

2. “Зарядовое число” [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Зарядовое_число

3. “Счётчик Гейгера” [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Счётчик_Гейгера

4. Групен К. Детекторы элементарных частиц: Справочное издание. Пер. с англ. Ї Новосибирск: «Сибирский хронограф», 1999

5. “Архитектура микроконтроллеров” [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://life-prog.ru/arhitektura.php

6. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем. Ї М., 1989. - 312с.

7. Куземин А.Я., “Конструирование и микроминиатюризация электронной вычислительной аппаратуры” Ї М.: «Радио и связь», 1985г. Ї280с.

8. К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева и др. Под общ. ред. В.А. Шахнова. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. Ї М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. Ї 528 с.: ил.

9. В.И. Домниг, Ю.Ф. Зиньковский. “Конструирование РЭС. Оценка и обеспечение тепловых режимов” // Учеб. пособие. Ї К.:УМК ВО, 1990. - 240 с.

10. Нефедов А.В. “Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги” // Справочник. Ї М.:ИП РадиоСофт, 1998г. Ї 640с.:ил.

11. Сабунин А.Е. «Altium designer. Новые решения в проектировании электронных устройств» Ї М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. Ї 432 с.: ил. Ї (Серия «Системы проектирования»).

12. Описание микросхемы HCM1201x [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/HCM1201x.html

13. Описание микросхемы Atmega8 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/Atmega8.html

14. Описание микросхемы MAX1674 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ MAX1674.html

15. Описание микросхемы MBR0520 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ MBR0520.html

16. Описание микросхемы 1N4148 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ 1N4148.html

17. Описание микросхемы CM453232 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ CM453232.html

18. Описание микросхемы HC-49US [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ HC-49US.html

19. Описание микросхемы TC-0104 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ TC-0104.html

20. Описание микросхемы PLS-15 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ PLS-15.html

21. Описание микросхемы HIR333 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ HIR333.html

22. Описание микросхемы BC847C NXP [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ BC847C.html

23. Описание микросхемы BC857C NXP [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/291467/JLWORLD/ BC857C.html

24. Описание СГ СБМ 20 [Электронный ресурс] Ї Режим доступа: http://istok2.com/data/2398/

25. ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры и размеры.

26. ГОСТ 23752-79 Платы печатные. Общие технические условия.

27. ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования.

28. ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам.

29. ГОСТ 23770-79 Платы печатные. Типовые технологические процессы химической и гальванической металлизации.

30. ГОСТ 2.417-91. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

31. ГОСТ 2.701-84 - ЕСКД. Правила выполнения схем.

32. ГОСТ 2.702-75 - ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.

33. ГОСТ 2.708-81 - ЕСКД. Правила оформления схем.

34. ГОСТ 2.709-89 - ЕСКД. Обозначения условные проводов и контактных соединений электрических элементов, оборудования и участков цепей в электрических схемах.

35. ГОСТ 2.730-73 - УГО. Приборы полупроводниковые.

36. ГОСТ 2.743-91 - УГО. Элементы цифровой техники.

37. ГОСТ 2.759-82 - УГО. Элементы аналоговой техники.

38. ГОСТ 2.710-81 - ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

Размещено на Allbest.ru