CN113050149B - 一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器，属于信号参数测量技术领域；一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器，包括有盖革管，与盖革管连接的外猝灭电路，与盖革管金属管外壁电连接的信号比较器，以及顺次连接的信号形成及延时单元、双高压切换控制单元、双高压电源，所述信号形成及延时单元还与信号输出单元电性连接，所述信号输出单元还电性连接信号显示单元；本发明使用外部猝熄方式，能兼顾卤素管低阈压的优点，实现了增加测量量程、增加盖革米勒计数器寿命，从而优化盖革米勒计数器性能的目的，即使出现内部猝熄气体损耗，外猝熄电路仍正常工作，不影响计数管性能。

Description

一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器

技术领域

本发明涉及信号参数测量技术领域，具体为一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器。

背景技术

目前市场上使用的盖革计数管(盖革米勒计数器)的种类很多，按充气的性质总的可分为充纯原子或双原子分子气体，如惰性气体或氢气、氮气等的计数管，称为非自熄盖革米勒计数器，和另一类充单原子分子与多原子分子的混合气体或纯多原子分子气体的自猝熄盖革米勒计数器两种，在自猝熄盖革米勒计数器中按猝熄气体又分为有机自猝熄和卤素自猝熄盖革米勒计数器；非自熄盖革米勒计数器或有机盖革米勒计数器的阈电压都比较高，但实际应用中一般要求盖革米勒计数器的工作电压500伏左右，以便用电池来做它的供电电源，使探测装置的重量大大减轻。

作为射线探测器，要求对于一个入射粒子的电离只产生一次放电，输出一个电脉冲，为此，一次雪崩放电后就必须设法使它终止，这就叫放电的猝熄。

猝熄的方法有外猝熄和内猝熄两种，充纯原子或双原子分子气体的计数管，它自身不能猝熄放电，只能用外猝熄方法。另一种猝熄的方法是在单原子或双原子分子气体中加入少量的猝熄气体，是计数管在放电后自行猝熄，猝熄气体有两类，一类是有机气体，如酒精、石油醚、甲酸乙酯等，使用这类猝熄气体的盖革米勒计数器称为有机管，另一类是卤素气体，如溴气、氯气等，使用这类猝熄气体的盖革米勒计数器称为卤素管，Liebson发现，在氖气或氩气中加入很少量的卤素气体溴气或氯气，就能使放电猝熄，而且，由卤素作为猝熄气体的计数管在某些性能上比有机管优越，使用的卤素管大多是充氖气加少量的溴，含量大约为0.1～1％，总气压约为2.7～40kPa。卤素管，在这种计数管中，除了作为主要气体的某种惰性气体氖之外，尚充入微量的卤素气体，一般都充溴气，因为其化学性质比氟、氯不活泼，而又具有比碘高得多的蒸汽压，使得计数管既是低阈压，又具有自熄性能，这种低阈压就使得盖革米勒计数器的工作电压在500伏左右，可以用电池来做它的供电电源，使探测装置的重量大大减轻。鉴于卤素管的种种优势，造价低、结构相对简单，等等，因此现在卤素管的应用很广泛，已经完全取代了有机盖革米勒计数器。

有些人认为卤素计数管和有机计数管一样，也存在猝灭气体在放电中的损耗，因此它的性能不稳定、寿命有限，但是，这种认识并不正确。研究人员在研究失效模式和原因时发现，计数率平均值和标准差随使用年数的变化。数据表明两者的变化只是涨落起伏，而不是向某个方向漂移。说明计数率变化是由偶然因素引起，不同使用年数的计数管的失效率有较明显的起伏。因为同一使用年数的计数管大多数都在同一年内制造。可以认为这种质量起伏反映了制造时选用材料质量的起伏、制造工艺的起伏。早期的计数管由于在材料选用、加工工艺等方面存在一些缺陷，确实不太可靠，容易失效，寿命不长。为了调高计数管的工作寿命，已经研制出了专用的耐卤素腐蚀的合金，其次是采用金属陶瓷结构，抗震动、冲击、跌落等恶劣环境能力大大提高，而且电极表面钝化处理工艺、气体分馏纯化工业和真空工艺都有了很大的提升，从而使得充入的高纯气体能够长期在管内保持纯净。因此卤素计数管的工艺制造质量得到了很大的提升。

采用猝熄方法，有内部猝熄方法和外部猝熄方法两种，从工作原理上讲，卤素盖革管的连续工作寿命是无限的，因为管内的猝灭气体卤素分子在完成放电猝灭时“超前离解”，分解成为两个中性原子，但由于卤素原子结构的特点，他们很快又能由两个中性原子结合成分子。传统的认识中，猝熄方法的不同分出不同种类的盖革米勒计数器，而卤素管也是按照自猝熄的方式进行放电后猝熄，以保证探测的效率，但是现在有的研究指出卤素计数管和有机计数管一样、也存在猝灭气体在放电中的损耗，而走排除、摒弃卤素气体，而单纯研究外猝熄电路的思路，这样固然是因为电路设计本身的难题，但是就彻底忽略了卤素管在得以长期并广泛使用中突显的优势，而且也达不到大幅度改进盖革米勒计数器性能的作用。

本发明进行卤素自熄管外部电路的改进，兼顾卤素管低阈压的优点，使用外部猝熄方式工作，实现了增加测量量程、增加盖革米勒计数器寿命，从而优化盖革米勒计数器性能的目的，并且在可能出现内部猝熄气体损耗的情况下，外猝熄电路还可以正常工作，不影响计数管性能。

发明内容

1、本发明要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器，不摒弃卤素管低阈压的优点，使用外部猝熄方式，从而优化盖革米勒计数器性能，并且在可能出现内部猝熄气体损耗不能完成猝熄的情况下，使卤素管还可以正常工作，不影响计数管性能，实现了增加测量量程、增加盖革米勒计数器寿命的目的。

2、技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器，包括有盖革管，与盖革管连接的外猝灭电路，与盖革管金属管外壁电连接的信号比较器，以及顺次连接的信号形成及延时单元、双高压切换控制单元、双高压电源，所述信号形成及延时单元还与信号输出单元电性连接，所述信号输出单元还电性连接信号显示单元。

优选的，所述盖革管内部注入有猝熄气体。

优选的，所述信号比较器用于对盖革管输出的模拟信号进行比较，使之转换为幅值相同的方波信号，随着比较离子状态形成的信号的输出，控制所述信号形成及延时单元的时间指令，启动所述双高压控制单元，依信号输出和或时间指令开启第一个或者第二个高压电源。

优选的，在没有离子触发的状态下在没有产生雪崩放电的状态下，第一个高压电源在所述双高压电源控制单元的控制下被打开，在所述信号形成及延时单元检测到有离子触发的信号并协同控制下，N1时间内关闭第一个高压电源，打开第二个高压电源，在N2时间之后，关闭第二个高压电源，打开第一个高压电源。

优选的，所述第一个高压为正常高压400-500伏，；第二个高压为半高压200-250伏。

3、有益效果

(1)本发明与现有设计相比，电路更为简化，使得调试和后期维护工作量都极大的减少；功耗降低，使得应用场景更加广泛，不仅可以应用于固定监测设备，手持仪表甚至物联网低功耗模组也能更方便的使用；通过外猝息的使用可以进一步的延长盖革管的使用寿命，甚至在未来可以改进盖革管的基本形态。

(2)本发明中所使用的盖革管保留卤素猝熄气体，既保留了卤素管得以长期并广泛使用中突显的优势，尤其是使得盖革管实现低阈压，又能通过外部猝熄电路的方法实现猝熄的电子化灵活调控，使得卤素盖革米勒计数器的探测装置的重量大大减轻，外猝熄方法扩展了计数量程的上限，得以在强辐射场的应用，因此卤素管的应用更广泛。

附图说明

图1为本发明提出的一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器的系统结构框图；

图2为本发明提出的一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器的电路原理示意图；

图3为本发明提出的一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器的电信号输出示意图；

图4为本发明提出的一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器的工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1，一种外电路猝熄功能的盖革米勒计数器，包括有盖革管，与盖革管连接的外猝灭电路，与盖革管金属管外壁电连接的信号比较器，以及顺次连接的信号形成及延时单元、双高压切换控制单元、双高压电源，信号形成及延时单元还与信号输出单元电性连接，信号输出单元还电性连接信号显示单元。

盖革管内部注入有猝熄气体。

信号比较器用于对盖革管输出的模拟信号进行比较，使之转换为幅值相同的方波信号，随着比较离子状态形成的信号的输出，控制信号形成及延时单元的时间指令，启动双高压控制单元，依信号输出和或时间指令开启第一个或者第二个高压电源。

在没有离子触发的状态下在没有产生雪崩放电的状态下，第一个高压电源在双高压电源控制单元的控制下被打开，在信号形成及延时单元检测到有离子触发的信号并协同控制下，N1时间内关闭第一个高压电源，打开第二个高压电源，在N2时间之后，关闭第二个高压电源，打开第一个高压电源。

第一个高压为正常高压400-500伏，第一高压电源关闭的反应时间N1为10微秒；第二个高压为半高压200-250伏，处理时间N2具体数值为100微秒。

本发明与现有设计相比，电路更为简化，使得调试和后期维护工作量都极大的减少；功耗降低，使得应用场景更加广泛，不仅可以应用于固定监测设备，手持仪表甚至物联网低功耗模组也能更方便的使用；通过外猝息的使用可以进一步的延长盖革管的使用寿命，甚至在未来可以改进盖革管的基本形态；本发明中所使用的盖革管保留卤素猝熄气体，既保留了卤素管得以长期并广泛使用中突显的优势，尤其是使得盖革管既是低阈压，又能通过外部猝熄电路的方法实现猝熄的电子化灵活调控，使得卤素盖革米勒计数器的探测装置的重量大大减轻，外猝熄方法扩展了计数量程的上限，得以在强辐射场的应用，因此卤素管的应用更广泛。

实施例2：

请参阅图2，结合实施例1的基础有所不同之处在于，盖革管为基本传感器，主要用于对外部电离辐射的响应，双高压电源主要用于给盖革管供电，450V高压用于盖革管正常工作状态下的供电，200V用于盖革管猝息时正离子漂移的供电，与非门实现比较器功能，用于对盖革管输出的模拟信号进行比较，使之转换为幅值相同的方波信号，送到信号成形及延时单元，将幅值相同但宽度不一的方波信号调制为幅值和宽度都相同的TTL计数信号，信号输出单元主要用于成形后的信号与外部信号采集之间的接口，双高压切换控制单元主要根据信号成形及延时单元输出的高低电平控制双高压的切换，完成盖革管工作及猝息状态的正常供电。

外猝灭电路需要用到双高压电源，450V高压用于盖革管正常工作时高压供电，200V高压用于外部猝熄后正离子漂移供电，U1A主要将盖革管模拟信号经过比较后转换成逻辑电平信号，U2将逻辑电平信号展宽、成型，通过U1C和U1B反向后控制双高压的导通与关闭，R1C1可以调节延时时长，Q2用于输出信号电平及电压转换，CTRL用于实现计数管的手工关断。

盖革管正常工作未触发状态时，当粒子触发盖革管放电，采样电阻R2上信号经过电容C2至U1A进行判断，采样信号大于小于阈值电压，U1A输出高电平，U2对于高电平进行展宽、成型，U2芯片1脚输出低电平通过U1C和U1B的两次反向将Q1关断，盖革管放电中止，随着Q1的集电极电压升高，D3导通，即盖革管负极与200V高压导通，盖革管处于初放电后的正离子收集状态，在t≈R1C1的时间内(一般延时时长设置应大于正离子收集时间)，盖革管正离子收集完成，U2芯片1脚输出高电平，Q1导通，Q1的集电极电压近似接地，D3阻断，盖革管回到正常工作状态。

实施例3：

请参阅图3-4，基于实施例1-2但有所不同之处在于，本发明的工作过程如下：盖革米勒计数器中响应粒子触发，盖革米勒计数器内部电离快成分向阳极漂移，同时在R2上形成如图3中a)部分所示小信号1和2，慢成分向阴极漂移，a)部分为盖革米勒计数器输出的模拟信号，其中1为未进行外部猝熄的模拟信号，2为有外部猝熄的模拟信号；比较器U1通过对图a)部分小信号的比较，输出入图3中b)部分所示宽度不一的方波信号，b为a的模拟信号经比较器比较后的逻辑电平输出；b)部分信号通过逻辑器件U2延时成形，输出如图3中c)部分所示宽度一致的方波信号，c为由b触发经过延时的中止放电控制信号，c)部分信号控制器体系下实现关断，阻断盖革米勒计数器正常工作回路，从而使得延时阻断结束，完成放电；同时c)部分信号通过U2中逻辑反向器输出如图3中d)部分所示固定宽度的方波信号，d为由b触发经过延时的HV2导通控制信号，d控制T3打通，计数正离子收集电路工作，正离子收集完成后，放电过程完成。

实施例4：

基于实施例1-3但有所不同之处在于，

盖革管中电离的正离子在HV/2电场中向负极漂移，待正离子漂移完成后和信号成形及信号处理形成单元包括顺次连接的信号比较器和逻辑芯片,随着比较离子状态形成的信号的输出，控制信号延时单元的时间指令，启动双高压控制单元，依信号输出和时间指令开启第一个或者第二个高压电源。具体地，在没有离子触发的状态下，第一个高压电源在双高压电源控制单元的控制下被打开,在信号处理形成单元检测到有离子触发的信号并在信号延时单元的协同控制下，在10微秒内关闭第一个高压电源，打开第二个高压电源，在100微秒之后，关闭第二个高压电源，打开第一个高压电源。

具体过程如下：

当带电粒子在进入盖革管之后，由于入射粒子在气体中产生的电子在向阳极漂移的过程中，很容易积累足够的能量，而使与之相碰撞的氖原子处于激发态或亚稳态，处于亚稳态的氖原子与溴相碰，可使后者电离而产生新的电子，新的电子又和原来的电子一起不断产生亚稳态的氖原子，再通过它来电离溴，尽管溴量很少，但仍可使氖的亚稳态生成后几乎不到10^-8秒就可与溴相碰而产生新的电离。因此，这就和一般计数管中一样，形成一个增殖很快的电子潮，不过，与一般计数管不同的是，不是靠电子直接的碰撞电离，而是靠氖的亚稳态原子的中介作用来形成电子潮，在电子碰撞过程中产生的激发态的氖原子主要通过发光回到基态，他们所发出的光子可以在阴极上或溴上打出光电子，引起一个一个新的电子潮，使得放电传播开来。

由于正离子运动形成的电信号在宏观上由阴极金属壁流向阳极丝的电流信号，在通过电阻R时会形成电压降，而阳极丝实际上又是接地的，因此会在电容上形成负电压。

经过和设定的电流信号阈值比较后，输出信号至成形及延时单元，该单元除了为信号输出单元提供输出驱动能力外，同时对输入信号进行延时展宽，展宽的宽度可通过电阻R2和电容C2调节，宽度T≈R2C2，依输出信号和时间指令，将延时信号传递给双高压切换单元，控制其中的晶闸管Q1阻断的同时控制晶闸管D3导通，即双高压电源HV和HV/2的切换，计数管正常工作回路阻断，计数管工作中止，正离子漂移驱动回路导通，信号成形及延时单元控制Q1导通D3截止，整个电路恢复至初始状态，完成本次外猝息过程。

电流信号输出至电压比较器，经过和设定的电压信号阈值比较后，输出至成形及延时单元，阈值设定是根据不同计数管信号特征和阴极电阻而定；信号幅度超过阈值后，比较器输出高电频，触发延时电路工作，同时触发双高压电源；该成形及延时单元除了为信号输出单元提供输出驱动能力外，同时对输入信号进行延时展宽；形成一对信号，一个高电频一个低电频；信号幅度超过阈值之后，比较器输出高电频，触发延时电路工作同时触发双高压电压切换。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种加强外电路猝熄功能的盖革米勒计数器，其特征在于：包括有盖革管，与盖革管连接的外猝灭电路，与盖革管金属管外壁电连接的信号比较器，以及顺次连接的信号形成及延时单元、双高压切换控制单元、双高压电源，所述信号形成及延时单元还与信号输出单元电性连接，所述信号输出单元还电性连接信号显示单元；

所述盖革管内部注入有猝熄气体；

所述信号比较器用于对盖革管输出的模拟信号进行比较，使之转换为幅值相同的方波信号，随着比较离子状态形成的信号的输出，控制所述信号形成及延时单元的时间指令，启动所述双高压控制单元，依信号输出和或时间指令开启第一个或者第二个高压电源；

在没有离子触发的状态下在没有产生雪崩放电的状态下，第一个高压电源在所述双高压电源控制单元的控制下被打开，在所述信号形成及延时单元检测到有离子触发的信号并协同控制下，N1时间内关闭第一个高压电源，打开第二个高压电源，在N2时间之后，关闭第二个高压电源，打开第一个高压电源；

所述第一个高压为正常高压400-500伏。

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