CN104316950B - 一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，通过时序控制GM计数管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放电功耗；通过控制电压变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗；通过施加反向电压，减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项式插值法实现装置刻度。本发明实现了硬件死时间校正；有延长GM计数管寿命的潜能；剂量率探测装置完成刻度，确定式（1）中的各个刻度系数a i,k （k=m,m‑1,…,1,0）后，可减小未知误差对测量结果的影响，最终获得较准确的剂量率。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射探测领域，具体为一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法及装置。
背景技术
GM计数管是最常用的核辐射探测器之一，它结构简单，输出脉冲幅度大，通常由它制作剂量探测装置，如国产的FJ3200个人剂量仪、WF-GM-F数字化双GM管探测器，国外的MiniRadic个人剂量仪、ADM-300多功能测量仪均是采用GM计数管制成的。
在传统利用GM计数管进行探测的方法中，存在四点不足，不足之一是测量电路中电能浪费较多。GM计数管工作时需要高压，一般辐射探测装置中都有高压转换单元将输入低电压转换为GM计数管的工作高压。通常高压转换单元的效率较低，是整个探测装置中较为耗电的单元。在正常应用中，GM计数管大部分时间工作在低剂量率环境中，GM计数管放电频率很低，高压转换单元在大部分时间处于空载状态，大部分电能将损耗在高压转换单元内部，造成大量浪费。不足之二是测量线性范围小，宽量程刻度难度大。由于受到固有死时间的影响，GM计数管探测线性范围有限，即GM计数管测量的剂量率与计数率之间在较小范围内成线性关系，但在整个测量范围内成非线性关系。如果用计数率除以灵敏度的方式计算剂量率，那么其计算结果仅在较小范围内是准确的，难以应用于较宽范围的剂量率测量领域。为了使GM计数管能在更宽范围内实现准确测量，最常见的方法是对测量结果进行软件死时间校正，以较为准确地估计出计数率，然后再除以灵敏度计算出剂量率。死时间较正方法物理意义明确，但在剂量率较高时，GM计数管的恢复时间等因素对计数率的测量影响较为明显，软件死时间校正方法难以实现宽量程测量。另一种广泛应用的剂量率校正方法是函数拟合法，即在测量范围内认为剂量率与计数率之间满足某种函数（如二次函数）关系，通过在测量范围内取得一些测量结果（刻度点），并采用最小二乘拟合法，计算出函数参数，实现剂量仪刻度。在测量时，将所测计数率代入刻度函数，便可计算出剂量率。在测量范围较宽时，函数拟合法在刻度点附近测量结果较为准确，但离刻度点较远处的非刻度点可能出现较大的测量误差。欲减小非刻度点的测量误差，需采用更多的刻度点，这不仅增加了函数拟合难度而且增加了刻度成本。不足之三，测量范围有限，不能实现宽量程（8个数量级以上）探测。不足之四，GM计数管寿命较短。GM计数管放电时产生大量的离子对，一方面消耗管内的猝灭气体，另一方面大量电子高速轰击阳极丝，使阳极丝受损。当计数管产生脉冲数超过一定数量时，因猝灭气体减少与阳极丝损伤，使得GM计数管无法自动猝灭而损坏。
专利申请书《单GM计数管宽量程辐射探测方法》（申请号：201210207633.0）公布一种通过控制加到GM计数管两极的高压实现低量程GM计数管的死时间消除，从而实现9个数量级宽量程探测。该方法存在四点不足：第一，电路功耗较大，甚至比传统GM计数管探测方法还大。主要原因在于负载电阻R5、R6一直有电流流过，在没有粒子入射时，这两个分压电阻也在不断消耗电流，造成电能浪费。第二，未对仪器刻度，剂量率计算过程复杂。第三，当在处理时间内不超过一个粒子入射时，计数率计算结果不可靠。由计数率计算式可知，当有一个粒子入射时，计数率计算结果为0；当没有粒子入射时，计数率计算结果为负。第四，GM数管寿命延长不够多。虽然当GM计数管刚放电不久，控制电路降低了计数管两端电压，使之不再放电，从而会延长GM计数管寿命。但放电过程中产生的电子仍会高速轰击计数管阳极，计数管阳极还会继续受损，使得其寿命延长不多。
本发明提供一种GM计数管宽量程低功耗长寿命探测方法与刻度方法，在实现GM计数管宽量程探测的同时降低系统功耗、延长计数管寿命，并方便进行刻度。以将GM计数管应用于更多场合。
发明内容
本发明提供一种采用GM计数管的低功耗探测与宽量程刻度方法及装置，该方法通过时序控制GM计数管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放电功耗；通过控制电压变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗；通过施加反向电压，减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项式插值法实现装置刻度。
本发明的技术解决方案是：
一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特殊之处在于：通过时序控制GM计数管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放电功耗；通过控制电压变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗；通过施加反向电压，减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项式插值法实现装置刻度。
上述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：
该方法具体是先通过测量控制单元处理粒子入射事件，并计算计数率，最后计算剂量率；
设已知剂量率R i ，i =1,2,…,Q ，R i 数值随i 值增加而增加，R Q 应为测量装置需准确探测的最高剂量率，Q 为刻度点数，对应的计数率为F i ，i =1,2,…,Q ；
当实测计数率f 满足：F i ≤f <F i+1时（i =1,2,…,Q -1），将计数率与剂量率的关系看作m 阶多项式，剂量率计算公式如式（1）所示
（1）
式中，a i,k （k =m ,m -1,…,1,0）为第i 段的系数，由仪器刻度部分计算确定；
如果f ≤F 1或f >F Q，则剂量率按式（2）计算
（2）
上式中，当f ≤F 1时，k =1；当f >F Q 时，k =Q ；
当系统还未刻度时，可令F 1为系统可能出现的最大计数率，其值可等于计时所用的频率，并令R 1=F 1，由剂量率计算过程可知，此时计算出的剂量率就是计数率。
上述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：
设系统计时的时间间隔为Δt ，测量控制部分工作步骤如下：
步骤1.1 系统初始化
步骤1.1.1 测量控制单元自检，读入刻度点数Q 、刻度参数R 1、R Q 、F i ，a i,k （i =1,2,…,Q ;k =m ,m -1,…,1,0）；
步骤1.1.2 设定测量最大粒子数N max、测量最长时间T max、高压关闭允许时间T L 与单次高压开启时间T H ，每次粒子入射后GM计数管加反向电压时间T S ；
步骤1.1.3 设定高压已关闭时间t l =T L ，高压已开启时间t h =0，设定高压开启标志F H =0；
步骤1.2 测量准备
步骤1.2.1 设定已测量粒子数为n =0，本次测量累计工作时间T =0，本次测量有效工作时间t e =0；
步骤1.2.2 设定粒子入射等待时间t =0，等待粒子入射标志F W =1；
步骤1.3 时序控制
步骤1.3.1 当从S端检测到电平升高时，说明有粒子入射，令t e =t e +t ，F W =0，n=n +1，F H =1，t s =0，t h =0；
步骤1.3.2 如果F W =0，测量控制单元通过端口CB闭合K2，通过端口CC断开K3，通过端口CD闭合K4；
步骤1.3.3 如果t s ≥T S ，测量控制单元通过端口CB断开K2，通过端口CC闭合K3，通过端口CD断开K4，令F W =1，t =0；
步骤1.3.4 如果t l ≥T L 令F H =1，t l =0；
步骤1.3.5 如果F H =1，测量控制单元通过端口CA闭合K1；
步骤1.3.6 如果t h ≥T H ，测量控制单元通过端口CA断开K1，令F H =0，t h =0；
步骤1.4 剂量率计算
步骤1.4.1 如果n <N max并且T <T max ，转步骤1.5；
步骤1.4.2 如果n >1，按式（3）计算平均计数率，否则按式（4）计算平均计数率；
（3）
（4）
步骤1.4.3 令n =0，t e =0，T =0；
步骤1.4.4 将f 与F i 逐一比较，如果f ≤F 1或f >F Q，按式（2）计算剂量率并转步骤1.5，否则转步骤1.4.5；
步骤1.4.5 如果F k <f ≤F k+1，1≤k <Q -1，取得第k 段系数a i,k (k =0,1,2,…,m)，并按式（1）计算剂量率；
步骤1.4.6根据计数率的大小更改测量最长时间T max；
步骤1.5 计时更新
步骤1.5.1 T =T +Δt ；
步骤1.5.2 如果等待粒子入射标志F W =1，t =t +Δt ，否则t s =t s +Δt ；
步骤1.5.3 如果F H =1，t h =t h +Δt ，否则t l =t l +Δt ；
步骤1.5.4 转步骤1.3。
上述步骤1.1.2中测量最大粒子数N max与测量最长时间T max是用于控制测量精度与测量反应时间；设允许测量相对误差为e r ，那么对步骤1.1.2中N max的选择应满足式（5）
（5）
所述步骤1.1.2与1.4.6中，测量最长时间T max选取的基本原则是：
1）在T max时间内尽可能保证有两个以上粒子入射，以使用无偏估计式（3）计算平均计数率；
2）计数率高，T max选取较小值，计数率低，T max选择较大值；通常在计数率低于1cps的场合，T max选为100s或更大；计数率在1cps~10cps时，T max可选为50s；计数率在10cps~100cps时，T max可选为5s；当计数率大于100cps时，T max选为1s或更小。
上述步骤1.1.2中，高压关闭允许时间T L 的选取方法是：取下电路中GM计数管，断开电子开关K2、K4，闭合电子开关K1，等电容C1上的电压为高压转换单元输出电压后，断开K1并开始计时，当电容上电压因漏电下降到GM计数管起坪电压时，停止计时；假设计时结果为T 0，那么T L 的选取可以为T 0的1/2或更小；单次高压开启时间T H 的值应为阻容电路R1、C1的时间常数R1C1的3倍以上。
上述装置刻度部分可以通过装置自身按照刻度步骤实现，也可在其它装置上按照刻度步骤计算刻度参数并存入上述装置实现，具体刻度步骤如下：
步骤2.1 设定刻度点数目Q ，多项式阶数m （m <Q ）；
步骤2.2 在仪器测量范围内选定Q 个剂量率，按测量控制部分或其它方式测量出各剂量率R i 对应的计数率F i ；
步骤2.3 将计数率F i 作为自变量，剂量率R i 作为因变量，按照标准的插值法，如Lagrange插值、Newton插值、Hermite插值、分段多项式插值、样条插值等，计算式（1）中的系数a k,i （k =1,2,…,Q -1，i =0,1,…,m ）；
步骤2.4 保存系数参数R 1、R Q 、m ，F i ，a i,k （i =1,2,…,Q ;k =m ,m -1,…,1,0），刻度完成；
以上步骤中，Q 个刻度点剂量率的选取应根据如下原则：
1）R 1应在剂量率与计数率关系的线性部分；
2）R Q 是测量装置能准确测量的最高剂量率；
3）在R 1与R Q 之间应在每个数量级选1个以上刻度点；
4）如果刻度完成后，测量误差不能满足要求，需减小R 1或在刻度范围内多选刻度点，直到测量误差满足要求。
本发明还应包括更改电子开关位置实现等效功能的方法，或在电路中其它位置通过电压或电流变化检测粒子入射的方法，或电路任何联接点接入辅助电路的方法；或先对计数率或剂量率进行线性或非线性变换后由刻度步骤计算刻度系数，然后由剂量率计算步骤计算临时结果，最后对临时结果进行反变换的方法；或采取不保存刻度系数计算剂量率的方法，即在测量完计数率后立即按标准插值法计算多项式系数a i,k ，再按剂量率计算步骤计算剂量率的方法；以及将本发明方法应用于其它种类探测器的探测与刻度的方法。
一种辐射剂量率低功耗探测装置，包括电子开关K1、K2、K3、K4，GM计数管J、负载电阻R3、R4、R7，电压取样电阻R2，分压电阻R5、R6，低通滤波阻容网络R1、C1，匹配电容C2，整流二极管D、高压转换单元及测量控制单元；其特殊之处在于：所述电子开关K1、K2、K3、K4由测量控制单元控制；当电子开关K1接通时，电源电流进入高压转换单元后变换为GM计数管所需要的高压，该高压通过二极管D及R1、C1构成的阻容网络后，在C1上形成稳定的高压；当K1断开时，高压转换单元不能产生高压，由于二极管D的存在，C1上仍保持GM计数管所需的高压；该高压通过负载电阻R3联接GM计数管J的阳极与负载电阻R7的一极，GM计数管J的阴极联接负载电阻R4的一极与电子开关K3阳极，电子开关K3阴极联接取样电阻R2与测量控制单元测量端S，R2的另一极接电源地；匹配电容C2与负载电阻R3并联；负载电阻R7的另一极联接电子开关K2的阳极，K2的阴极接电源地；电子开关K4、分压电阻R5、R6串联后联接高压与地，R5与R6联接端与负载电阻R4相联。
上述辐射剂量率低功耗探测装置，其特征在于：在电路正常工作时，电容C1上电压为GM计数管工作电压，电子开关K2闭合时GM计数管J阳极电压为L1；电子开关K4闭合时，电阻R5上分压为L2；所述电压L1低于电压L2。
上述测量控制单元可以是单片机、DSP、FPGA、CPLD、ASIC、可编程控制器及其组合等。
上述电子开关可以是三极管、场效应管、达林顿管、IGBT管、可控硅、光电耦合器件及其组合等。
本发明的优点在于：
从步骤1.1～1.5可知，计数率测量部分在检测到有粒子入射后，翻转GM计数管电压，使GM计数管停止自由放电，管内因放电产生的离子对在反向电压作用下向两极飘移，使GM计数管恢复。当GM计数管完全恢复后（带电离子已完全飘移至两极）再重新为GM计数管加上工作电压。整个过程实现了硬件死时间校正。由于GM计数管是在反向电压下恢复的，恢复过程中，GM计数管不再放电，减少了放电电流，管内离子对不再继续消耗猝灭气体，高速电子也不再继续损伤阳极，因此，本发明有延长GM计数管寿命的潜能。按式（3）或（4）计算的计数率是GM计数管具有探测能力时间内的计数率，该计数率是没有死时间与恢复时间假设下理想计数率的估计值。由于采用本发明，消除了死时间对测量结果的影响，理论上由本发明制作的剂量测量装置所测剂量率与计数率之间是线性关系。在实际应用中，由于电子开关响应需要一定时间、通过电压取样电阻R2上电压变化检测粒子入射会存在延时等使得粒子入射等待时间t i 的测量存在极小未知误差，最终导致剂量测量装置所测量的剂量率与计数率关系在低剂量率时线性较好，在高剂量率时线性变差。剂量率探测装置完成刻度，确定式（1）中的各个刻度系数a i,k （k =m ,m -1,…,1,0）后，可减小未知误差对测量结果的影响，最终获得较准确的剂量率。
附图说明
图1 本发明原理框图。
具体实施方式
该方法可分为两部分，第一部分为测量控制部分，第二部分为装置刻度部分。附图1 为本发明的原理框图。
本发明提供的装置，包括电子开关K1、K2、K3、K4（可以是三极管、场效应管、达林顿管、IGBT管、可控硅、光电耦合器件及其组合等），GM计数管J、负载电阻R3、R4、R7，电压取样电阻R2，分压电阻R5、R6，低通滤波阻容网络R1、C1，整流二极管D、高压转换单元及测量控制单元。电子开关K1～K4由测量控制单元控制。当电子开关K1接通时，电源电流进入高压转换单元后变换为GM计数管所需要的高压，该高压通过二极管D及R1、C1构成的阻容网络后，在C1上形成稳定的高压。当K1断开时，高压转换单元不能产生高压，由于二极管D的存在，C1上仍保持GM计数管所需的高压。该高压通过负载电阻R3联接GM计数管J的阳极与负载电阻R7的一极，GM计数管J的阴极联接负载电阻R4的一极与电子开关K3阳极，电子开关K3阴极联接取样电阻R2与测量控制单元测量端S，R2的另一极接电源地。匹配电容C2与负载电阻R3并联。负载电阻R7的另一极联接电子开关K2的阳极，K2的阴极接电源地。电子开关K4、分压电阻R5、R6串联后联接高压与地，R5与R6联接端与负载电阻R4相联。电路正常工作时，电容C1上电压为GM计数管工作电压，电子开关K2闭合时GM计数管J阳极电压为L1；电子开关K4闭合时，电阻R5上分压为L2。电路设计时，应保证电压L1低于电压L2。当电子开关K2、K4断开时，电容C1上储存的电量不能形成电流回路，使C1上高压不会降低。当K3闭合后，若有粒子入射，GM计数管J内产生电流，该电流流过R2，使R2上电压升高，测量控制单元可通过S端电压变化判断出何时有粒子入射；如果电子开关K3断开，K2、K4闭合，加到GM计数管J上的电压极性发生翻转（即J阳极电压低于阴极电压），GM计数管没有探测能力，GM计数管J不会继续放电，管内产生的离子对将在内部反向电场的作用下向两极飘移。
探测装置工作时，先通过测量控制单元处理粒子入射事件，并计算计数率，最后计算剂量率。设已知剂量率R i ，i =1,2,…,Q （R i 数值随i 值增加而增加，R Q 应为测量装置需准确探测的最高剂量率，Q 为刻度点数），对应的计数率为F i ，i =1,2,…,Q 。当实测计数率f 满足：F i ≤f <F i+1时（i =1,2,…,Q -1），本发明将计数率与剂量率的关系看作m 阶多项式，剂量率计算公式如式（1）所示
（1）
式中，a i,k （k =m ,m -1,…,1,0）为第i 段的系数，由仪器刻度部分计算确定。
如果f ≤F 1或f >F Q，则剂量率按式（2）计算
（2）
上式中，当f ≤F 1时，k =1；当f >F Q 时，k =Q ；
当系统还未刻度时，可令F 1为系统可能出现的最大计数率（其值可等于计时所用的频率），并令R 1=F 1，由剂量率计算过程可知，此时计算出的剂量率就是计数率。
设系统计时的时间间隔为Δt ，测量控制部分工作步骤如下：
步骤1.1 系统初始化
步骤1.1.1 测量控制单元自检，读入刻度点数Q 、刻度参数R 1、R Q 、F i ，a i,k （i =1,2,…,Q ;k =m ,m -1,…,1,0）；
步骤1.1.2 设定测量最大粒子数N max、测量最长时间T max、高压关闭允许时间T L 与单次高压开启时间T H ，每次粒子入射后GM计数管加反向电压时间T S ；
步骤1.1.3 设定高压已关闭时间t l =T L ，高压已开启时间t h =0，设定高压开启标志F H =0；
步骤1.2 测量准备
步骤1.2.1 设定已测量粒子数为n =0，本次测量累计工作时间T =0，本次测量有效工作时间t e =0；
步骤1.2.2 设定粒子入射等待时间t =0，等待粒子入射标志F W =1；
步骤1.3 时序控制
步骤1.3.1 当从S端检测到电平升高时，说明有粒子入射，令t e =t e +t ，F W =0，n=n +1，F H =1，t s =0，t h =0；
步骤1.3.2 如果F W =0，测量控制单元通过端口CB闭合K2，通过端口CC断开K3，通过端口CD闭合K4；
步骤1.3.3 如果t s ≥T S ，测量控制单元通过端口CB断开K2，通过端口CC闭合K3，通过端口CD断开K4，令F W =1，t =0；
步骤1.3.4 如果t l ≥T L 令F H =1，t l =0；
步骤1.3.5 如果F H =1，测量控制单元通过端口CA闭合K1；
步骤1.3.6 如果t h ≥T H ，测量控制单元通过端口CA断开K1，令F H =0，t h =0；
步骤1.4 剂量率计算
步骤1.4.1 如果n <N max并且T <T max ，转步骤1.5；
步骤1.4.2 如果n >1，按式（3）计算平均计数率，否则按式（4）计算平均计数率；
（3）
（4）
步骤1.4.3 令n =0，t e =0，T =0；
步骤1.4.4 将f 与F i 逐一比较，如果f ≤F 1或f >F Q，按式（2）计算剂量率并转步骤1.5，否则转步骤1.4.5；
步骤1.4.5 如果F k <f ≤F k+1，1≤k <Q -1，取得第k 段系数a i,k (k =0,1,2,…,m)，并按式（1）计算剂量率；
步骤1.4.6 根据计数率的大小更改测量最长时间T max ；
步骤1.5 计时更新
步骤1.5.1 T =T +Δt ；
步骤1.5.2 如果等待粒子入射标志F W =1，t =t +Δt ，否则t s =t s +Δt ；
步骤1.5.3 如果F H =1，t h =t h +Δt ，否则t l =t l +Δt ；
步骤1.5.4 转步骤1.3。
上述步骤1.1.2中测量最大粒子数N max与测量最长时间T max用于控制测量精度与测量反应时间；设允许测量相对误差为e r ，那么对步骤1.1.2中N max的选择应满足式（5）
（5）
上述步骤1.1.2与1.4.6中，测量最长时间T max选取的基本原则是：
1）在T max时间内尽可能保证有两个以上粒子入射，以便使用无偏估计式（3）计算平均计数率；
2）计数率高，T max选取较小值，计数率低，T max选择较大值。通常在计数率低于1cps的场合，T max选为100s或更大；计数率在1cps～10cps时，T max可选为50s；计数率在10cps～100cps时，T max可选为5s；当计数率大于100cps时，T max选为1s或更小。
从步骤1.1～1.5可知，计数率测量部分在检测到有粒子入射后，翻转GM计数管电压，使GM计数管停止自由放电，管内因放电产生的离子对在反向电压作用下向两极飘移，使GM计数管恢复。当GM计数管完全恢复后（带电离子已完全飘移至两极）再重新为GM计数管加上工作电压。整个过程实现了硬件死时间校正。由于GM计数管是在反向电压下恢复的，恢复过程中，GM计数管不再放电，减少了放电电流，管内离子对不再继续消耗猝灭气体，高速电子也不再继续损伤阳极，因此，本发明有延长GM计数管寿命的潜能。按式（3）或（4）计算的计数率是GM计数管具有探测能力时间内的计数率，该计数率是没有死时间与恢复时间假设下理想计数率的估计值。由于采用本发明，消除了死时间对测量结果的影响，理论上由本发明制作的剂量测量装置所测剂量率与计数率之间是线性关系。在实际应用中，由于电子开关响应需要一定时间、通过电压取样电阻R2上电压变化检测粒子入射会存在延时等使得粒子入射等待时间t i 的测量存在极小未知误差，最终导致剂量测量装置所测量的剂量率与计数率关系在低剂量率时线性较好，在高剂量率时线性变差。剂量率探测装置完成刻度，确定式（1）中的各个刻度系数a i,k （k =m ,m -1,…,1,0）后，可减小未知误差对测量结果的影响，最终获得较准确的剂量率。
步骤1.1.2中，高压关闭允许时间T L 的选取方法是：取下电路中GM计数管，断开电子开关K2、K4，闭合电子开关K1，等电容C1上的电压为高压转换单元输出电压后，断开K1并开始计时，当电容上电压因漏电下降到GM计数管起坪电压时，停止计时。假设计时结果为T 0，那么T L 的选取可以为T 0的1/2或更小。单次高压开启时间T H 的值应为阻容电路R1、C1的时间常数R1C1的3倍以上。该开启时间能使电容C1因GM计数管放电产生的压降补充19/20以上，能满足GM计数管工作电压要求。
显然剂量测量装置在未刻度时由步骤1.4所测得的剂量等于计数率，其结果是不准确的，欲取得正确剂量率，需利用装置刻度部分取得刻度参数R 1、R Q 、m ，F i ，a i,k （i =1,2,…,Q ;k =m ,m -1,…,1,0）。装置刻度部分的作用是计算式（1）中的各个系数。装置刻度步骤如下：
步骤2.1 设定刻度点数目Q ，多项式阶数m （m <Q ）；
步骤2.2 在仪器测量范围内选定Q 个剂量率，按测量控制部分或其它方式测量出各剂量率R i 对应的计数率F i ；
步骤2.3 将计数率F i 作为自变量，剂量率R i 作为因变量，按照标准的插值法，如Lagrange插值、Newton插值、Hermite插值、分段多项式插值、样条插值等，计算式（1）中的系数a k,i （k =1,2,…,Q -1，i =0,1,…,m ）
步骤2.4 保存系数参数R 1、R Q 、m ，F i ，a i,k （i =1,2,…,Q -1;k =m ,m -1,…,1,0），刻度完成。
以上步骤中，Q 个刻度点剂量率的选取应根据如下原则：1）R 1应在剂量率与计数率关系的线性部分；2）R Q 是测量装置能准确测量的最高剂量率；3）在R 1与R Q 之间应在每个数量级选1个以上刻度点；4）如果刻度完成后，测量误差不能满足要求，需减小R 1或在刻度范围内多选刻度点，直到测量误差满足要求。
从测量控制部分与装置刻度部分可知，当剂量率较小时f ≤f 1，装置工作于线性部分，由式（5）计算出的剂量率有较高准确度；当计数率f 1≤f <F Q 时，由于采用插值法，剂量率计算也较为准确；虽然当剂量率过高时f >F Q ，装置工作于非线性部分，由式（5）计算出的剂量率误差较大，但从数值上可以看出其超出装置测量范围。
采用本发明方法，选用国产J305计数管制作剂量仪样机一台，在剂量场中进行试验。刻度过程中选用0.05 Gy/h、0.3 Gy/h、0.5 Gy/h、1.0 Gy/h、5.0 Gy/h、10 Gy/h、30 Gy/h、300 Gy/h共8个点作为刻度点。刻度点剂量率与计数率关系如表1所示
表1刻度点剂量率与计数率关系
具体实施步骤是先分别将剂量仪样机置于辐射场中8个刻度点上，取得这8个点的计数率，然后采用三次样条插值法由仪器装置步骤对样机刻度，最后再将样机置于辐射场中不同剂量率处由本发明方法测量剂量率，计算结果如表2所示
表2样机测试结果
从上表可以看出，采用本发明方法仅采用8个刻度点便可以国产J305计数管探测范围超过9个数量级，总体上测量误差小于10%。当剂量率高于1.4μGy/h时，测量误差能控制在5%以内。由于本发明使高压转换单元间歇工作并在检测到GM计数管放电时，通过外部电路阻止其自由放电，因此与传统方法相比，本发明具有较低的功耗。在检测到GM计数管放电时，通过施加反向电压，减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤，本发明具有延长GM计数管寿命的潜能。本发明能为满足了绝大多数辐射探测场合提供宽量程刻度方法与低功耗探测方法与装置。
Claims (10)
1.一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：通过时序控制GM计数管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放电功耗；通过控制电压变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗；通过施加反向电压，减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项式插值法实现装置刻度。
2.根据权利要求1所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：
该方法具体是先通过测量控制单元处理粒子入射事件，并计算计数率，最后计算剂量率；
设已知剂量率R i ，i=1,2,…,Q，R i 数值随i值增加而增加，R Q 应为测量装置需准确探测的最高剂量率，Q为刻度点数，对应的计数率为F i ，i=1,2,…,Q；当实测计数率f满足： F i ≤f<F i+1时（i=1,2,…,Q-1），将计数率与剂量率的关系看作m阶多项式，剂量率计算公式如式（1）所示
（1）
式中，a i , k （k=m,m-1,…,1,0）为第i段的系数，由仪器刻度部分计算确定；如果f≤F 1或f>F Q,则剂量率按式(2)计算
（2）
上式中，当f≤F 1时，k=1；当f>F Q 时，k=Q；
当系统还未刻度时，令F 1为系统可能出现的最大计数率，其值等于计时所用的频率，并令R 1=F 1，由剂量率计算过程得出，此时计算出的剂量率就是计数率。
3.根据权利要求2所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：
设系统计时的时间间隔为Δt，测量控制部分工作步骤如下：
步骤1.1 系统初始化
步骤1.1.1 测量控制单元自检，读入刻度点数Q、刻度参数R 1、R Q 、F i ，a i,k （i=1,2,…,Q;k=m,m-1,…,1,0）；
步骤1.1.2 设定测量最大粒子数N max、测量最长时间T max、高压关闭允许时间T L 与单次高压开启时间T H ，每次粒子入射后GM计数管加反向电压时间T S ；
步骤1.1.3 设定高压已关闭时间t l =T L ，高压已开启时间t h =0，设定高压开启标志FH=0；
步骤1.2 测量准备
步骤1.2.1 设定已测量粒子数为n=0，本次测量累计工作时间T=0，本次测量有效工作时间t e =0；
步骤1.2.2 设定粒子入射等待时间t=0，等待粒子入射标志FW=1；
步骤1.3 时序控制
步骤1.3.1 当从S端检测到电平升高时，说明有粒子入射，令t e =t e +t，FW=0，n=n+1，FH=1，t s =0，t h =0；
步骤1.3.2 如果FW=0，测量控制单元通过端口CB闭合K2，通过端口CC断开K3，通过端口CD闭合K4；
步骤1.3.3 如果t s ≥T S ，测量控制单元通过端口CB断开K2，通过端口CC闭合K3，通过端口CD断开K4，令FW=1，t=0；
步骤1.3.4 如果t l ≥T L 令FH=1，t l =0；
步骤1.3.5 如果FH=1，测量控制单元通过端口CA闭合K1；
步骤1.3.6 如果t h ≥T H ，测量控制单元通过端口CA断开K1，令FH=0，t h =0；
步骤1.4 剂量率计算
步骤1.4.1 如果n<N max并且T<T max ，转步骤1.5；
步骤1.4.2 如果n>1，按式（3）计算平均计数率，否则按式(4)计算平均计数率；
（3）
（4）
步骤1.4.3 令n=0，t e =0，T=0；
步骤1.4.4 将f与F i 逐一比较，如果f≤F 1或f >F Q，按式（2）计算剂量率并转步骤1.5，否则转步骤1.4.5；
步骤1.4.5 如果F k <f≤F k+1，1≤k<Q-1，取得第k段系数a i,k (k=0,1,2,…,m)，并按式（1）计算剂量率；
步骤1.4.6根据计数率的大小更改测量最长时间T max；
步骤1.5 计时更新
步骤1.5.1 T=T+Δt；
步骤1.5.2 如果等待粒子入射标志FW=1，t=t+Δt，否则t s =t s +Δt；
步骤1.5.3 如果FH=1，t h =t h +Δt，否则t l =t l +Δt；
步骤1.5.4 转步骤1.3。
4.根据权利要求3所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：所述步骤1.1.2中测量最大粒子数N max与测量最长时间T max用于控制测量精度与测量反应时间；设允许测量相对误差为e r ，那么对步骤1.1.2中N max的选择应满足式（5）
（5）
所述步骤1.1.2与1.4.6中，测量最长时间T max选取的基本原则是：
1）在T max时间内尽可能保证有两个以上粒子入射，以使用无偏估计式（3）计算平均计数率；
2）计数率高，T max选取较小值，计数率低，T max选择较大值；通常在计数率低于1cps的场合，T max选为100s或更大；计数率在1cps～10cps时，T max选为50s；计数率在10cps～100cps时，T max选为5s；当计数率大于100cps时，T max选为1s或更小。
5.根据权利要求3所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：所述步骤1.1.2中，高压关闭允许时间T L 的选取方法是：取下电路中GM计数管，断开电子开关K2、K4，闭合电子开关K1，等电容C1上的电压为高压转换单元输出电压后，断开K1并开始计时，当电容上电压因漏电下降到GM计数管起坪电压时，停止计时；假设计时结果为T 0，那么T L 的选取可以为T 0的1/2或更小；单次高压开启时间T H 的值应为阻容电路R1、C1的时间常数R1C1的3倍以上。
6.根据权利要求2所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：所述装置刻度部分可以通过装置自身按照刻度步骤实现，也可在其它装置上按照刻度步骤计算刻度参数并存入上述装置实现，具体刻度步骤如下：
步骤2.1 设定刻度点数目Q，多项式阶数m；其中m<Q；
步骤2.2 在仪器测量范围内选定Q个剂量率，按测量控制部分测量出各剂量率R i 对应的计数率F i ；
步骤2.3 将计数率F i 作为自变量，剂量率R i 作为因变量，按照标准的插值法，计算式（1）中的系数a k,i （k=1,2,…,Q-1，i=0,1,…,m）；
步骤2.4 保存系数参数R 1、R Q 、m，F i ，a i,k （i=1,2,…,Q;k=m,m-1,…,1,0），刻度完成；
以上步骤中，Q个刻度点剂量率的选取应根据如下原则：
1）R 1应在剂量率与计数率关系的线性部分；
2）R Q 是测量装置能准确测量的最高剂量率；
3）在R 1与R Q 之间应在每个数量级选1个以上刻度点；
4）如果刻度完成后，测量误差不能满足要求，需减小R 1或在刻度范围内多选刻度点，直到测量误差满足要求。
7.一种辐射剂量率低功耗探测装置，包括电子开关K1、K2、K3、K4，GM计数管J、负载电阻R3、R4、R7，电压取样电阻R2，分压电阻R5、R6，低通滤波阻容网络R1、C1，匹配电容C2，整流二极管D、高压转换单元及测量控制单元；其特征在于：所述电子开关K1、K2、K3、K4由测量控制单元控制；当电子开关K1接通时，电源电流进入高压转换单元后变换为GM计数管所需要的高压，该高压通过二极管D及R1、C1构成的阻容网络后，在C1上形成稳定的高压；当K1断开时，高压转换单元不能产生高压，由于二极管D的存在，C1上仍保持GM计数管所需的高压；该高压通过负载电阻R3联接GM计数管J的阳极与负载电阻R7的一极，GM计数管J的阴极联接负载电阻R4的一极与电子开关K3阳极，电子开关K3阴极联接取样电阻R2与测量控制单元测量端S，R2的另一极接地；匹配电容C2与负载电阻R3并联；负载电阻R7的另一极联接电子开关K2的阳极，K2的阴极接地；电子开关K4、分压电阻R5、R6串联后联接高压与地，R5与R6联接端与负载电阻R4相联。
8.根据权利要求7所述辐射剂量率低功耗探测装置，其特征在于：在电路正常工作时，电容C1上电压为GM计数管工作电压，电子开关K2闭合时GM计数管J阳极电压为L1；电子开关K4闭合时，电阻R5上分压为L2；所述电压L1低于电压L2。
9.根据权利要求7或8任一所述辐射剂量率低功耗探测装置，其特征在于：所述测量控制单元可以是单片机、DSP、FPGA、CPLD、ASIC、可编程控制器及其组合。
10.根据权利要求9所述辐射剂量率低功耗探测装置，其特征在于：所述电子开关可以是三极管、场效应管、达林顿管、IGBT管、可控硅、光电耦合器件及其组合。
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