CN102981178A - 一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展装置，包括GM计数管、第一电子开关、第二电子开关、负载电阻、可变电阻器、隔直电容、时间测量与控制单元。本发明还提供一种利用上述装置进行盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法。本发明向GM计数管的阳极和阴极分别提供正高压和负高压，其中某一极的高压可在外部信号控制和驱动作用下快速通断，使GM计数管在工作和休眠两种状态之间快速切换，避开计数管死时间对测量的影响，可有效扩展剂量率量程，改善线性，延长计数管的使用寿命。本发明只需测量计数管的有效工作时间，依据给出的剂量率公式可直接计算得到剂量率，在线性测量范围内，与国家一级计量站的校准刻度数据高度吻合。

Description

一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法及装置

技术领域

本发明涉及核辐射检测技术领域，具体是一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法及装置。

背景技术

盖革-弥勒计数管简称GM计数管，因其灵敏度高、脉冲幅度大、稳定性好、能够适应许多恶劣环境，而且使用方便、价格低廉而被广泛用来检测电离辐射，在反应堆辐射监测、工作人员剂量监测、环境辐射监测等应用十分广泛。目前国内外军用和民用核辐射监测仪大量使用GM计数管作为探测器，如美国AN/VDR系列辐射仪、奥地利SSM-1多用辐射仪、芬兰RDS系列核辐射监测仪、我国的FFS06型辐射仪和PDM系列个人剂量仪等。

但GM计数管的死时间较长，输出脉冲较宽，在传统的测量单位时间内GM计数管输出脉冲计数率的工作方式下，如果在死时间内又有新的射线或粒子产生雪崩电离，将因输出脉冲幅度较小而被漏计；随着辐射场增强，漏计的射线或粒子所占比例越来越大，因此导致其量程较窄，线性较差。尤其是在辐射场进一步增强时，GM计数管输出计数率不但没有增加，反而减小，发生逆转现象。

目前多采用计数管死时间模型校正、函数拟合等数学方法扩展剂量率量程。死时间模型校正方法必须事先已知或测量GM计数管死时间，而且一般假设GM计数死时间不随辐射场强度、温度、工作电压等外界条件变化，但实际上死时间会受以上条件影响而发生变化，而且多数死时间模型无法求出输出计数率关于辐射场强度的解析函数关系，只能求解数值解，这在以微处理器为平台的仪器上实现起来是非常困难的。函数拟合方法需要进行大量的实验观测和数据统计工作，而且在输出计数率随辐射场强度变化缓慢的区域，函数拟合方法会产生的误差较大。

由于以上方法并未改变GM计数管的工作方式，其死时间影响仍然存在，而且在辐射场较强时，GM计数管工作电压较大，会影响计数管的使用寿命。因此，这些方法用于GM计数管量程扩展具有先天的局限性。

发明内容

本发明提供一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法及装置，使GM计数管在工作和休眠两种状态中切换，避开GM计数管死时间对剂量率测量的影响，能够解决GM计数管量程较窄和线性较差的问题，极大地扩展GM计数管剂量率量程，改善线性。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展装置，包括GM计数管、第一电子开关、第二电子开关、负载电阻、可变电阻器、隔直电容、时间测量与控制单元，第一电子开关和第二电子开关串联连接，第一电子开关和第二电子开关的连接点通过负载电阻与GM计数管的阳极连接，第一电子开关的另一端与正高压V1连接，第二电子开关的另一端接地；GM计数管的阴极通过可变电阻器接入负高压-V2，可变电阻器的调节端通过隔直电容与时间测量与控制单元的输入端连接，时间测量与控制单元的输出端与第一电子开关和第二电子开关的控制端连接。

一种利用上述装置进行剂量率量程扩展的方法，包括如下步骤：

步骤一、开始测量前，时间测量和控制单元控制第一电子开关断开而第二电子开关接通，GM计数管阳极接地，GM计数管两端电压低于起始电压，无法产生雪崩电离；

步骤二、待所有部件准备就绪后，时间测量和控制单元控制第二电子开关断开而第一电子开关接通，GM计数管阳极与正高压V1接通，GM计数管两端电压达到工作电压从而转入正常工作状态，时间测量和控制单元开始计时；

步骤三、一段时间后，射线或粒子在GM计数管内产生雪崩电离后将输出电压脉冲信号，此信号触发时间测量和控制单元停止计时，并控制第一电子开关断开而第二电子开关接通，GM计数管阳极接地，GM计数管两端电压降至起始电压以下从而转入休眠状态；；

步骤四、休眠状态保持约1～2ms后，重复步骤一之后的步骤；

步骤五、设单位时间内步骤二～步骤四中第一电子开关单次接通持续的平均时间为T，则剂量率D＝1/(S·T)，其中S为GM计数管的灵敏度。

本发明通过向GM计数管的阳极和阴极分别提供正高压和负高压，其中某一极的高压可在外部信号控制和驱动作用下快速通断，使GM计数管在工作和休眠两种状态之间切换，避开计数管死时间对测量的影响，通过测量计数管的有效工作时间得到剂量率，可有效扩展剂量率量程，改善线性，延长计数管的使用寿命。

附图说明

图1是本发明盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法的原理框图；

图中：K1-第一电子开关，K2-第二电子开关，R1-负载电阻，R2-可变电阻器，C-隔直电容，M-时间测量与控制单元，V1-正高压，-V2-负高压。

图2是本发明工作波形示意图，其中上图是GM计数管两端高压变化图，下图是GM计数管输出回路隔直电容后的电压信号波形；

图3是本发明具体实施例的示波器实际工作波形截图，图中时间轴每格为400ns，波形1为GM计数管输出回路隔直电容后的信号波形，波形2为时间测量与控制单元M给出的控制信号波形。图3(a)为GM计数管阳极接通正高压V1时的波形，图3(b)为GM计数管受照射输出脉冲后的波形图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。但应该理解的是，这些实施例只是用于说明而不是限制本发明，在不脱离本发明的精神和范围内，可作出适当的更改和润色。

如图1所示，本发明实施例提供一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的装置，包括GM计数管、第一电子开关K1、第二电子开关K2、负载电阻R1、可变电阻器R2、隔直电容C、时间测量与控制单元M。第一电子开关K1和第二电子开关K2串联连接，第一电子开关K1和第二电子开关K2的连接点通过负载电阻R1与GM计数管的阳极连接，第一电子开关K1的另一端与正高压V1连接，第二电子开关K2的另一端接地；GM计数管的阴极通过可变电阻器R2接入负高压-V2，可变电阻器R2的调节端通过隔直电容C与时间测量与控制单元M的输入端连接，时间测量与控制单元M的输出端与第一电子开关K1和第二电子开关K2的控制端连接。GM计数管输出回路隔直电容后的电压信号作为时间测量与控制单元M的输入信号，第一电子开关K1和第二电子开关K2的状态由时间测量与控制单元M控制。可变电阻器R2可为电位器或滑动变阻器。V2低于GM计数管的起始电压，V1+V2可保证GM计数管工作在其坪区范围。

本发明提供的盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的装置的工作原理是：如图1所示，为GM计数管阳极和阴极分别提供正高压V1和负高压-V2，计数管阳极电压可在时间测量与控制单元M作用下在正高压V1和地电压之间快速切换，如图2所示，GM计数管两端电压在V2和V1+V2之间切换，相应地使GM计数管在休眠和工作状态之间快速切换。某一时刻计数管阳极与正高压接通时，GM计数管转入工作状态。当有射线或粒子在GM计数管内产生雪崩电离时，输出回路产生的电压脉冲将触发时间测量和控制单元M，断开K1而接通K2，使GM计数管阳极电压由正高压V1快速切换至地电压，GM计数管转入休眠状态并持续一段固定长度的时间(1～2ms)。在此时间内，雪崩电离产生的电荷将在阴极电压V2的作用下继续向两极漂移并被完全收集，由于计数管处于休眠状态，不会产生新的雪崩电离，没有新的脉冲输出，因此也不存在漏计的问题，从而避开死时间的影响。休眠时间结束后，时间测量与控制单元M断开K2而接通K1，使GM计数管阳极电压迅速由地电压切换至正高压V1，GM计数管又转入工作状态，之后重复以上过程。

显然，GM计数管某次工作状态持续时间越短，说明单位时间内进入计数管的射线或粒子数目越多，即辐射场越强。由核事件时间间隔的统计分布可以严格证明，辐射场强度与GM计数管工作状态的持续时间成反比。因此，只要测量GM计数管工作状态的持续时间，即可通过计算得到辐射场强度。

本发明实施例还提供一种利用上述装置进行盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法，包括如下步骤：

步骤一、开始测量前，时间测量和控制单元M控制第一电子开关K1断开而第二电子开关K2接通，GM计数管阳极接地，其两端电压低于起始电压，无法产生雪崩电离；

步骤二、等所有部件准备就绪后，时间测量和控制单元M控制第二电子开关K2断开而第一电子开关K1接通，GM计数管阳极与正高压V1接通，其两端电压达到正常工作电压从而转入工作状态，时间测量和控制单元M开始计时；

步骤三、一段时间后，射线或粒子在GM计数管内产生雪崩电离后将输出电压脉冲信号，此信号触发时间测量和控制单元M停止计时，并控制第一电子开关K1断开而第二电子开关K2接通，GM计数管阳极接地，其两端电压降至起始电压以下从而转入休眠状态；

步骤四、休眠状态保持1-2ms后，重复步骤一之后的步骤。

步骤五、设单位时间内步骤二～步骤四中第一电子开关K1单次接通持续的平均时间为T，则剂量率D＝1/(S·T)，其中S为GM计数管的灵敏度。

上述电子开关K1和K2的耐压值必须高于正高压V1；同时必须设法减小上述电子开关K1和K2的响应时间，至少应短于GM计数管输出脉冲上升时间的一半。时间测量与控制单元M控制电子开关K1和K2的状态，必须确保K1和K2不同时接通，防止正高压V1与地短路。

步骤五中第一电子开关K1接通持续的平均时间T，必须扣除第一电子开关K1的响应时间。取较长测量时间内第一电子开关K1单次接通持续的平均时间，可减小剂量率D的误差。

具体实施例如下：

GM计数管采用Centronic公司的ZP1221，灵敏度为180cps/(10^-2mGy/h)，最大本底计数率60cps，死时间为210μs，推荐工作电压450V，坪长100V，取正高压200V，负高压-250V。

电子开关K1和K2采用耐高压的三极管或场效应管。

时间测量与控制单元M采用FPGA系统或ARM系统，工作时钟频率50MHz，时间测量精度为20ns。

GM计数管阴极负载电阻采用电位器，用于调整输出脉冲幅度。

采用传统的计算单位测量时间内GM计数管输出脉冲数目的方法，并采用计数管死时间模型校正后，若要求测量误差不超过±10％，ZP1221型计数管可测的剂量率理论上限约为30μGy/h，实际值还要低一些。

采用本发明给出的方案和算法的试验装置在中国原子能科学研究院国防科技工业电离辐射一级计量站的校准数据如表1所示，校准因子为1.01。

表1本发明试验装置校准数据

分析表1可知，若要求误差在±10％以内，剂量率测量上限超过13.7mGy/h，比传统方法提高450倍以上。但当剂量率超过20mGy/h后，GM计数管平均有效工作时间非常短，仅百ns量级，与高压切换速度和时间测量误差相当(如图3所示)，导致最终的相对误差迅速增大。如果设法提高高压切换速度，减小时间测量误差，可进一步扩展量程。

采用本发明给出的剂量率公式直接计算所得的剂量率数值，与一级计量站的校准数据的吻合度非常高，在有效线性测量范围内，校准因子为1.01，表明两者的差别很小，证明了本发明给出的方法和装置的有效性和准确性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种盖革-米勒计数管剂量率量程扩展装置，其特征在于：包括GM计数管、第一电子开关(K1)、第二电子开关(K2)、负载电阻(R1)、可变电阻器(R2)、隔直电容(C)、时间测量与控制单元(M)，第一电子开关(K1)和第二电子开关(K2)串联连接，第一电子开关(K1)和第二电子开关(K2)的连接点通过负载电阻(R1)与GM计数管的阳极连接，第一电子开关(K1)的另一端与正高压V1连接，第二电子开关(K2)的另一端接地；GM计数管的阴极通过可变电阻器(R2)接入负高压-V2，可变电阻器(R2)的调节端通过隔直电容(C)与时间测量与控制单元(M)的输入端连接，时间测量与控制单元(M)的输出端与第一电子开关(K1)和第二电子开关(K2)的控制端连接。

2.如权利要求1所述的盖革-米勒计数管剂量率量程扩展装置，其特征在于：V2低于GM计数管的起始电压，V1与V2之和为GM计数管的正常工作电压。

3.如权利要求1所述的盖革-米勒计数管剂量率量程扩展装置，其特征在于：可变电阻器(R2)为电位器或滑动变阻器。

4.如权利要求1所述的盖革-米勒计数管剂量率量程扩展装置，其特征在于：GM计数管阳极电压可在时间测量与控制单元(M)作用下，在正高压V1和地电压之间快速切换。

5.一种利用如权利要求1-4中任一项所述的装置进行盖革-米勒计数管剂量率量程扩展的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、开始测量前，时间测量和控制单元(M)控制第一电子开关(K1)断开而第二电子开关(K2)接通，GM计数管阳极接地，其两端电压低于起始电压而处于休眠状态，无法产生雪崩电离；

步骤二、等所有部件准备就绪后，时间测量和控制单元(M)控制第二电子开关(K2)断开而第一电子开关(K1)接通，GM计数管阳极与正高压V1接通，GM计数管两端电压达到工作电压从而转入正常工作状态，时间测量和控制单元(M)开始计时；

步骤三、一段时间后，射线或粒子在GM计数管内产生雪崩电离后将输出电压脉冲信号，此信号触发时间测量和控制单元(M)停止计时，并控制第一电子开关(K1)断开而第二电子开关(K2)接通，GM计数管阳极接地，GM计数管两端电压降至起始电压以下从而转入休眠状态；

步骤四、第一电子开关(K1)断开、第二电子开关(K2)接通的状态保持约1～2ms后，重复步骤一之后的步骤；

步骤五、设单位时间内步骤二～步骤四中第一电子开关(K1)单次接通持续的平均时间为T，则剂量率D＝1/(S·T)，其中S为GM计数管的灵敏度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：时间测量与控制单元M控制第一电子开关(K1)和第二电子开关(K2)不同时接通。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤五中第一电子开关(K1)接通持续的平均时间T，扣除了第一电子开关(K1)的响应时间。

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