CN102707308A

CN102707308A - 单gm计数管宽量程辐射探测方法

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Publication number: CN102707308A
Application number: CN2012102076330A
Authority: CN
Inventors: 刘志强; 马红光; 吴雪梅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-24
Filing date: 2012-06-24
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明属于用计数管装置（G01T1/18）技术领域，涉及利用单GM计数管实现宽量程辐射探测的方法。该方法基于死时间校正原理，可分为高压控制与剂量率计算两部分，分别采用硬件死时间消除与软件分段插值校正相结合的方法实现GM计数管的量程扩展。分段插值可减小非理想因素，特别是元器件参数不一致性对测量结果的影响。根据本发明制作的剂量仪样机测试结果表明，本发明能使国产J305低量程计数管的测量线性范围与探测上限提高1000倍，探测范围为0.1uGy/h~300Gy/h。采用该发明后，单GM计数管便能满足绝大多数辐射探测场合的使用要求。

Description

单GM计数管宽量程辐射探测方法

技术领域

本发明属于用计数管装置（G01T 1/18）技术领域，涉及利用单GM计数管实现宽量程辐射探测的方法。

背景技术

GM计数管是最常用的核辐射探测器，通常由它制作剂量仪。由于GM计数管在测量过程中受到死时间的影响，使其测量范围受到限制。为了实现宽量程（8个数量级以上）测量，通常采用两只GM计数管配合工作，其中一只是低量程计数管，另一只是高量程计数管，如实用新型专利《数字伽玛辐射探测器》（申请号：201020115617.5）就是采用两只GM计数管。实用新型专利《一种双GM计数管自动切换电路》（申请号：200920173193.5）还设计了一种高低量程的自动切换电路。

从原理上分析，GM计数管测量剂量率的基本原理是GM计数管产生脉冲的平均计数率与辐射强度或剂量率成正比。当辐射强度或剂量率较高时，平均计数率与辐射强度之间存在非线性关系。当辐射强度或剂量率很高时，还会出现辐射强度或剂量率升高时平均计数率下降的奇怪现象。出现非线性关系的主要原因是GM计数管放电时存在死时间，即在一次放电后某段时间内GM计数管不会因为粒子入射而产生脉冲输出，使得GM计数管实际工作时间小于计算计数率所采用的时间。通常可以采用死时间校正的方法来校正剂量率。在辐射强度或剂量率很高时出现剂量率升高而平均计数率下降的原因主要是实际电路中脉冲输出幅度受恢复时间的影响。在实际电路中，通常判断脉冲是否存在的依据是输出信号的幅度，当剂量率过高时，不断有粒子射入GM计数管使之放电。当一个脉冲输出后，死时间刚刚结束且GM计数管还未恢复，又有新的粒子入射，使GM计数管继续放电，最终导致脉冲输出幅度过低，电路无法准确判断输出脉冲的数目，这便出现剂量率增大而计数率减小的奇怪现象。如果存在一种电路能够准确判断出所有输出脉冲，那么可以用死时间校正的方法较为准确地计算出剂量率。

由核辐射探测原理可知，死时间结束后，GM计数管又恢复了探测能力。死时间校正方法的实质是计算GM计数管具有探测能力时间内输出脉冲的平均计数率。所以采用一定的方法，使GM计数管在死时间内停止工作，并且使其输出的所有脉冲都有较高的幅度，便能同时减小死时间与恢复时间对测量结果的影响，使低量程的GM计数管能对高剂量率进行测量，大大扩展GM计数管的量程以达到8个数量级以上。

本发明从死时间校正的基本原理出发，采用硬件死时间消除与软件分段插值校正相结合的方法实现GM计数管的量程扩展。

发明内容

本发明通过控制加到GM计数管两极的高压实现低量程GM计数管的死时间消除，并通过计数率计算与分段插值方法实现宽量程探测。该方法可分为两部分，第一部分为电压控制部分，第二部分为剂量率计算部分。

电压控制部分可分为三个阶段：

（1）刚开始时GM计数管两极的电压为工作电压，GM计数管具有探测能力；

（2）当有粒子入射时，GM计数管产生电流形成脉冲，后续电路检测到该脉冲后迅速降低GM计数管两极的电压，使GM计数管工作在起坪电压以下，GM计数管丧失探测能力，GM计数管内由粒子入射产生的带电粒子已在较低电压的作用下完全飘移至GM计数管的两极；

（3）稍作等待后升高GM计数管两极的电压升至工作电压，GM计数管重新恢复探测能力，即GM计数管回到第（1）阶段。

GM计数管工作的理想电压及脉冲波形见附图1所示。由附图1可以看出，阶段（1）发生在AB段，此时GM计数管具有探测能力；阶段（2）发生在BC段，此时电路检测到脉冲信号，并降低GM计数管两极电压，带电粒子飘移至GM计数管两极；阶段（3）发生在CD段，其中在C时刻GM计数管内带电粒子已全部飘移至GM计数管两极，设置该阶段的目的在于保证带电粒子全部飘移至GM计数管两极。在阶段（2）、（3）内因GM计数管两端电压较低，即使有粒子入射也不会产生雪崩放电现象，即GM计数管丧失探测能力；D时刻以后，GM计数管重新工作，回到阶段（1）。在GM计数管工作期间，即阶段（1）内的平均计数率与辐射强度或剂量率之间存在一定关系。由背景技术分析可知，该测量方法实际只计算了GM计算管工作期间内的计数率，且测量中不会受恢复时间的影响，所有脉冲幅度均能被电路所检测，所以理论上辐射强度或剂量率与工作期间内的平均计数率成正比。

实际应用中，剂量率计算部分可分为两个步骤：

（1）计算粒子入射的平均计数率按下式计算：

Figure 2012102076330100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

式中，t _i为GM计数管第i次加高压到接收到新粒子所等待的时间，即阶段（1）持续时间，n为计算时统计的脉冲数。

（2）由平均计数率与剂量率的关系通过分段插值计算剂量率。

由核物理知识可知，在辐射强度或剂量率不变情况下，到达探测器的相邻两粒子的时间间隔服从参数为f的负指数分布，整个过程可看作泊松过程。由泊松过程的性质可知，等待时间即式（1）中的t _i也服从参数为f的负指数分布，且与开始计时的时刻无关，即与附图1中的BD长度无关。由数理统计知识可推导出，对参数f的无偏估计为式（1），并非平均等待时间的倒数。

在理想情况下，剂量率与平均计数率满足线性关系，但在实际探测器中，存在一些非理想因素，如脉冲信号检测的延时、高压不可能立即升高、元器件参数不完全一致等，使得剂量率与平均计数率之间（特别是在高剂量率情况下）存在非线性关系，因此计算出平均计数率后还需通过平均计数率与剂量率之间的非线性关系计算剂量率。由于元器件参数的不一致性，不同探测器的非理想因素对测量结果的影响也不同。在实际应用中，可先在探测器量程内标定多个点，确定剂量率与平均计数率之间的关系。测量时计算出平均计数率，采用分段插值法计算剂量率。这种计算方法可减小非理想因素，特别是元器件参数不一致性对测量结果的影响。

本发明通过一高压控制电路实现电压控制部分功能。该电路原理图如附图2所示。图中，C端接控制电压信号；S端接脉冲判断电路；H端接稳定高压，其纹波必须控制在一定范围之内，以免在无粒子入射时S端误触发脉冲判断电路；L端提供电压控制部分第（2）与第（3）阶段的较低电压，该电压由电阻R6与R5分压得到，也可由专门电源提供；C1为加速电容。整个电路工作过程如下所述。

a) 在第一阶段时，C端电压高于开关管T的开启电压（称为高电平），T导通，此时高压通过电阻R3接到GM计数管阳极，GM计数管阴极通过R8、R7、T、R2接到地，GM计数管上的电压接近H端高压，此时GM计数管具有探测能力。

b) 当有粒子射入时，GM计数管内产生电流，该电流流过R2，使R2上压降升高，S端联接的脉冲判断电路判断出脉冲信号，外部电路降低C端电压，使C端电压低于开关管T的开启电压（称为低电平），使开关管T截止，GM计数管的阴极通过R8、R4联接到L点，GM计数管因两端电压差低于起坪电压而丧失探测能力。如果脉冲到来时，C端仍处于高电平，那么随着GM放电电流的增加，开关管的发射极电压也会升高，当发射极点电压升高到一定程度，开关管T的基极电压相对于发射极电压将低于开关管的开启电压，T逐渐截止，使开关管T的集电极电压升高，阻止GM计数管继续雪崩放电。因此，开关管不光具有开关功能，还具有保护GM计数管的功能。

c) 当S端处于低电平后，GM计数管中因粒子入射产生的带电粒子将在高压与L点电压的作用下向GM计数管两极飘移。经过足够长时间以后，带电粒子已全部飘移至GM计数管两极。此时再将S端置为高电平，开关管T导通，GM计数管两端电压迅速变为高电压，GM计数管恢复探测能力。

为计算平均计数率，需测量从GM计数管两极电压差达到起坪电压时刻到S端有辐射脉冲输出时的时间间隔t _i。

附图说明

附图为GM计数管工作的理想电压及电流波形、高压控制电路原理图及具体实施方式中实测曲线图。

图1 GM计数管工作的理想电压及脉冲波形。

图2 高压控制电路原理图。

图3 具体实施方式中所测剂量率与平均计数率之间的关系。

图4 传统工作方式下J305计数管所测剂量率与平均计数率之间的关系。

图5 传统工作方式和具体实施方式中所测剂量率与平均计数率之间的关系。

图6 采用分段插值算法后实际剂量率与测量剂量率之间的关系。

具体实施方式

为了有力地说明本发明的技术性能，采用本发明方法并使用本发明的高压控制电路，选用国产J305低量程计数管制作剂量仪样机，在辐射场中进行试验，所测剂量率与计数率关系见附图3所示，为方便对比，传统工作方式下J305计数管所测剂量率与平均计数率之间的关系绘于附图4上，并将本发明与传统方式的测量结果绘于同一张图上，见附图5，为验证分段插值的性能，将测量剂量率与真实剂量率的关系绘于附图6。

从附图3可以看出，采用本发明后，J305计数管的探测上限从30mGy/h扩大到300Gy/h，其测量范围达9个数量级，其测量线性范围也超过6个数量级，与传统连接方式相比测量线性范围与测量上限均提高了1000倍，满足了绝大多数辐射探测场合的使用要求。

从附图6可以看出，采用分段插值后，剂量仪进行了自动校正，测量结果与实际剂量率之间有较好的线性关系。该校正方法可减小器件差异对测量结果的影响。

Claims

1.单GM计数管宽量程辐射探测方法包括电压控制与剂量率计算两部分。

2.权利要求1的方法进一步包括：GM计数管两端的电压控制方法及高压控制电路。

3.权利要求2进一步包括以开关三极管为开关元件、从三极管发射极、基极或集电极取脉冲信号的控制电路。

4.权利要求2进一步包括采用三极管、场效应管、达林顿管、IGBT管、可控硅及其组合作为开关元件的高压控制电路。

5.权利要求2进一步包括电阻R1~R8及电容C1中的一个或多个为可调元件，或等效参数为0Ω的电阻、0F的电容或无电容C1，或由多个电子元件并联或串联实现的电路。

6.权利要求2进一步包括L点较低电压由电阻分压或单独电源提供的方法。

7.权利要求2进一步包括在附图2电路上的任意点连接其它辅助电路的控制电路。

8.电压控制部分为电路硬件产品，包括由分立元件、集成电路、ASIC及其混合组成的电路构成权利要求1~7的任何一项的电路。

9.权利要求1进一步包括由式（1）计算平均计数率及采用分段插值法计算剂量率的方法，以及先对计数率或剂量率取对数或其它函数后的分段插值方法。

10.剂量率计算部分为一种计算机软件产品，包括计算机存贮于可读介质上的编码形式与运行于DSP、FPGA、CPLD、ASIC、单片机等上的可编程软、硬件代码执行权利要求1和9的任何一项方法。