適合長距離傳輸?shù)纳w革計數(shù)管信號檢測電路

韓業(yè)輝，龐 楊，趙超趣，梅雪松

適合長距離傳輸?shù)纳w革計數(shù)管信號檢測電路

韓業(yè)輝，龐 楊，趙超趣，梅雪松

（黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150010）

通過介紹一種蓋革計數(shù)管信號檢測電路，在此基礎(chǔ)上組成了完整的長距離信號傳輸電路，此電路在實際應(yīng)用中具有抗干擾能力強(qiáng)、線路簡單、脈沖信號傳輸好、信號幅度大、運行穩(wěn)定等特點，配合相應(yīng)接口電路，具有安全柵、光電隔離等功能，可滿足一般化工裝置安全防爆的要求。

蓋革計數(shù)管；長距離傳輸；電路

蓋革計數(shù)管（GM計數(shù)管）是1943年由蓋革和繆勒（Geiger-Mueller）發(fā)明的［1］，是多種輻射探測器中的一種。它是工作在蓋革——米勒區(qū)的氣體電離探測器，具有結(jié)構(gòu)簡單、阻抗高、輸出信號幅度大、信號幅度均齊、信噪比高等優(yōu)點，使其得到了廣泛的應(yīng)用。

1　工作原理

國內(nèi)現(xiàn)在生產(chǎn)的蓋革計數(shù)管主要用來探測β粒子、γ射線及X射線的輻射強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)比較簡單，在一根兩端密封的玻璃管（或金屬管）內(nèi)填充低壓（大約0.1大氣壓）并摻加了鹵素的惰性氣體（如氦、氖、氬等），在沿管的軸線上安裝一根金屬絲電極，在管壁導(dǎo)電層和金屬絲電極之間加上適當(dāng)電壓。當(dāng)射線粒子進(jìn)入計數(shù)管，與管內(nèi)惰性氣體分子碰撞而引起后者管內(nèi)部分氣體電離，形成離子和電子。電離產(chǎn)生的電子、離子在強(qiáng)電場下獲得動能，分別向正、負(fù)極運動，離子在運動過程中與氣體分子碰撞而導(dǎo)致新的電離，正負(fù)離子數(shù)迅速增加，次級電子急劇倍增，從而引起沿整條粒子軌線的“電子雪崩”現(xiàn)象，在陽極上便發(fā)生放電而產(chǎn)生一個電流脈沖輸出。

2　電路設(shè)計

圖1為原理圖，三極管Q1和Q2為信號放大級，Q3和Q4組成達(dá)林頓作為信號輸出級，能將輸出信號放大到通過長達(dá)500m信號電纜允許的脈沖傳遞值。當(dāng)γ射線粒子（或其他射線）進(jìn)入蓋革計數(shù)管引起管內(nèi)氣體電離，在計數(shù)管偏置電壓Hv作用下，計數(shù)管產(chǎn)生放電，通過計數(shù)管的串接電阻R3在計數(shù)管陽極產(chǎn)生負(fù)脈沖信號［2］，通過電容C1施加到晶體管的基極。在靜態(tài)，三極管Q1飽和導(dǎo)通（Vce≤0.4v），這使三極管Q2、Q3和Q4截止。如果有脈沖施加到三極管Q1的基極，該晶體管變?yōu)榻刂?，三極管Q2、Q3和Q4導(dǎo)通。三極管Q4飽和導(dǎo)通，在負(fù)載電阻RL上，產(chǎn)生負(fù)脈沖，脈沖的幅度接近VCC的值。鉗位二極管D1限制三極管Q1基極的負(fù)電壓，電阻R3選擇較大的值可以改善計數(shù)管的坪特性［3］。

圖1　原理圖Fig.1 Principle

雙計數(shù)管可以提高靈敏度，達(dá)到原來的2倍。低量程屬GM管的常規(guī)運用，坪特性是明顯的，只要工作電壓選在坪的中段，高壓變化的因素可以忽略，一般工作高壓有1%的穩(wěn)定度就可滿足要求［4］。

3　實際應(yīng)用

中煤龍化哈爾濱煤化工有限公司氣化爐放射性料位開關(guān)儀表技術(shù)改造就是以此電路為基礎(chǔ)進(jìn)行的，完整線路圖見圖2。

圖2　完整線路圖Fig.2 Complete circuit

電路包括兩部分：探頭電路和接口電路。探頭電路由兩只金屬外殼GM管J4401、高壓模塊CC228-01Y（靜態(tài)電流18mA）、GM管電路及齊納安全柵組成。接口電路由光耦6N137做光電隔離，有邏輯門電路輸出（LSTTL/TTL兼容）功能。GM管J4401的工作電壓為450～550V，坪區(qū)100V，將偏置電壓設(shè)為500V。使用帶屏蔽層RVVP 3X1.0 mm2（三芯，1 mm2）的信號電纜（單端接地）進(jìn)行信號傳輸，電纜長470m。齊納安全柵型號是GHG111V1503（EEx i），參數(shù)為最大電壓15.8V、最大電流75mA。電阻R8決定了6N137的輸入電流（最大輸入電流15mA），電阻R9和電容C3決定輸出脈沖寬度。

圖3　脈沖信號Fig.3 Pulse signal

圖4　放大信號Fig.4 Amplied signal

圖5　輸入信號Fig.5　IN signal

圖6　輸出信號Fig.6 OUT signal

圖3顯示的是三極管Q1基極的輸入信號（GM計數(shù)管的輸出信號），脈沖幅度大于500 mV。圖4顯示的是第一級放大三極管Q1集電極的輸出信號波形。圖5是6N137輸入端（2腳）的脈沖信號，可以看到信號分離度極好，噪聲信號極低，這意味著電路抗擾能力很好。圖6是光耦6N137輸出端（6腳）的TTL方波信號。

4　結(jié)語

蓋革計數(shù)管信號檢測電路以較少的原件，實現(xiàn)將蓋革計數(shù)管的脈沖信號放大到通過長達(dá)500米信號電纜允許脈沖的傳遞值，抗干擾能力很好，配合相應(yīng)接口電路，做到了有安全柵、光電隔離，滿足了一般化工裝置安全防爆的要求，在用戶單位運行狀況良好。

［1］侯躍新，肖丹，李巖，等.G-M計數(shù)管在放射源監(jiān)管中的應(yīng)用［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（11）：98-100.

［2］ 張松濤.GM計數(shù)管脈沖供電電壓對計數(shù)率的影響［J］，核電子學(xué)與探測技術(shù)，1997，17（3）：211-214.

［3］嚴(yán)增灌.蓋革計數(shù)管五十年進(jìn)展［J］.真空電子技術(shù)，1994，（04）：14-18.

［4］ 張浩，施壽朋.前置電路對GM計數(shù)管性能影響的研究［C］//第十四屆全國核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集（上冊）.烏魯木齊：核電子學(xué)與核探測技術(shù)分會，2008：353-355.

A transmission Geiger counter signal detection circuit suitable for long-distance

HANYe-hui，PANGYang，ZHAOChao-qu，MEI Xue-song
（Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150010，China）

Through the introduction of Geiger counter tube，this paper gives a suitable long-distance transmission Geiger counter signal detection circuit.In actual application，this circuit has the characteristics of strong anti-interference ability，simple circuit，good pulse signal transmission，and can meet the requirements of the general chemical plant safetyexplosion-proof.

Geiger counter；Long-distance transmission；Circuit

TM13

A

1674-8646（2015）04-0016-02

2015-02-03

韓業(yè)輝（1975-），男，黑龍江哈爾濱人，學(xué)士，工程師，從事核電子學(xué)及探測技術(shù)研究。