國(guó)內(nèi)外Time—to—Count技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

崔偉　商潔　張慶利

摘 要：文章綜述了近年來國(guó)內(nèi)外Time-to-Count技術(shù)的研究現(xiàn)狀，從器件選型、量程范圍、應(yīng)用等方面分析了基于該技術(shù)的典型的探測(cè)器性能特點(diǎn)，對(duì)Time-to-Count技術(shù)今后的發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)做了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：GM計(jì)數(shù)管；Time-to-Count；死時(shí)間；量程范圍

中圖分類號(hào)： TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）22-111-2

0 引言

從上世紀(jì)30年代開始，GM管因其造價(jià)成本低、穩(wěn)定性好、輸出脈沖幅度大等特點(diǎn)，曾被廣泛使用于核輻射探測(cè)。為解決GM管死時(shí)間大、量程范圍小、高劑量率下線性度差等問題，80年代末美國(guó)提出了一種Time-to-Count測(cè)量方法，該方法可以有效避免死時(shí)間的影響，有效擴(kuò)大GM管的量程范圍，且量程范圍內(nèi)線性度很好，此外該方法還能延長(zhǎng)GM管的使用壽命。目前，美國(guó)基于Time-to-Count技術(shù)的探測(cè)器已經(jīng)產(chǎn)品化，并在軍事、民用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)該技術(shù)尚處于研發(fā)階段，批量化的輻射探測(cè)儀仍具有很大的市場(chǎng)空間。

1 Time-to-Count技術(shù)簡(jiǎn)介

Time-to-Count技術(shù)是基于GM計(jì)數(shù)管的新型核輻射探測(cè)方法，該方法將高壓作為數(shù)字開關(guān)，使GM管處于“工作—休眠”的循環(huán)模式下，通過測(cè)量從GM管的高壓建立到第一個(gè)脈沖產(chǎn)生的時(shí)間來計(jì)算所測(cè)輻射場(chǎng)的強(qiáng)度。如圖1所示，GM管受兩路高壓VW和VQ的控制，VW為GM管的正常工作電壓，VQ為低于GM起始電壓的電壓值。TS為GM管進(jìn)入工作狀態(tài)的時(shí)刻，經(jīng)過一段時(shí)間，在TE時(shí)刻，GM輸出第一個(gè)脈沖信號(hào)，高壓被切換到VQ，GM管進(jìn)入休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)持續(xù)一段固定的時(shí)間，這段時(shí)間要求為GM管的死時(shí)間的N倍，高壓再次恢復(fù)到VW，開始新一輪的“工作—休眠”循環(huán)。通過測(cè)量GM管的有效工作時(shí)間t，即TS與TE之間的時(shí)間間隔，根據(jù)公式，即可測(cè)得輻射場(chǎng)強(qiáng)度R，式中K為與計(jì)數(shù)管有關(guān)的常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中，因單次測(cè)得的時(shí)間t存在統(tǒng)計(jì)漲落，通常要經(jīng)多次循環(huán)周期將測(cè)得的時(shí)間值做平滑處理，以提高測(cè)量精度。

Time-to-count方法可有效地消除死時(shí)間的影響，擴(kuò)大GM管的量程范圍，且量程范圍內(nèi)線性度高，此外該方法還可以延長(zhǎng)GM計(jì)數(shù)管的使用壽命。[1]

2 國(guó)外進(jìn)展

Time-to-Count測(cè)量方法最初由Nuclear Research Corporation 公司于1986年8月的美國(guó)專利Radiation measuring apparatus提出，該專利中稱用一種脈沖使能探測(cè)器（pulse enabled detector）的方法結(jié)合公式R=K/t的計(jì)算即可得到輻射強(qiáng)度，并在專利中首次提出了名稱“Time to count”。 [2]

Nuclear Research Corporation 于1999年10月28日和Aptec Instruments Ltd.（APTEC）合并為Aptec-NRC Inc. Aptec-NRC Inc又于2005年更名為CANBERRA，目前Time-to-Count是CANBERRA公司獨(dú)有的技術(shù)，并且已經(jīng)運(yùn)用到該公司的很多產(chǎn)品上。GP系列的GM探測(cè)器如圖2（a）所示，集成了兩個(gè)GM管，在Time-to-count技術(shù)的應(yīng)用下，線性量程范圍可達(dá)0.1uSv/h-100Sv/h，且其線性度小于±10%；圖2（b）為該公司的AM-GP100系列區(qū)域監(jiān)測(cè)儀，它使用了GP系列的GM探測(cè)器，并且內(nèi)置了一個(gè)90Sr源用于儀器自檢，省去了拆裝儀器的操作，可用于核電站及其他有反應(yīng)堆的場(chǎng)所。用于軍事的ADM-300多功能射線檢測(cè)儀如圖2（c），兼容GP系列的GM探測(cè)器，其對(duì)γ的劑量率探測(cè)范圍同樣可達(dá)0.1uSv/h-100Sv/h；RDS-100輻射探測(cè)系統(tǒng)、軍用口袋計(jì)量?jī)xRGU-100、遠(yuǎn)程γ傳感器RGR-100分別如圖2（d）、（e）、（f）所示，對(duì)γ的劑量率探測(cè)范圍可覆蓋10個(gè)數(shù)量級(jí)。

Colibri TTC系列采用單個(gè)GM管，對(duì)γ劑量率的測(cè)量量程可達(dá)3uSv/h -10Sv/h，STTC系列的量程下限更小，為0.7uSv/h。并在其基礎(chǔ)上研制出了帶有20m長(zhǎng)線軸可防水的STTC-W系列以及可伸縮至3.3m極其輕便的TELE-STTC系列，如圖3所示。[3]

3 國(guó)內(nèi)進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)Time-to-Count方法的研究起步較晚，現(xiàn)階段雖已取得一定的進(jìn)展，但在量程范圍和線性度上與國(guó)際上還存在不小的差距。

2001年防化研究院的邵暉介紹了該方法的基本原理，分析了其基本特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法的正確性和可行

性[4]；2006年第二炮兵工程學(xué)院劉志強(qiáng)等對(duì)該方法的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行了證明，并提出輻射強(qiáng)度的新估計(jì)式[5]，韓海濤等人研制了基于Time-to-Count方法的便攜式個(gè)人計(jì)量?jī)x，使用CPLD作為該方法的核心控制器，取得了一定效果[6]；成都理工大學(xué)的呂軍、楊永剛、周偉等人開發(fā)了基于Time-to-Count方法的輻射監(jiān)測(cè)儀，他們選用微控制器作為Time-to-Count方法的核心控制器，最大可將GM管量程在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)大2個(gè)數(shù)量級(jí)，并具有顯示、報(bào)警等功能[7-9]；2013年清華大學(xué)的龔軍軍等人則選用FPGA作為Time-to-Count方法的核心控制器，將GM管量程上限提高了300倍，覆蓋了從本底到10mGy/h的劑量率范圍，達(dá)到5個(gè)數(shù)量級(jí)；[1]南華大學(xué)的王江勇、劉良軍等人近幾年也在進(jìn)行該技術(shù)的研究，并研制了相關(guān)的輻射測(cè)量?jī)x，但其在大量程范圍的響應(yīng)還未進(jìn)行測(cè)

試[10]。表1將國(guó)內(nèi)主要研究單位的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，線性量程范圍與國(guó)外的產(chǎn)品相比差至少3個(gè)量級(jí)，并且國(guó)內(nèi)該技術(shù)尚處于研發(fā)階段，批量化的輻射探測(cè)儀仍具有很大的市場(chǎng)空間。

4 發(fā)展趨勢(shì)

Time-to-Count方法的實(shí)現(xiàn)可以是完全的數(shù)字系統(tǒng)，隨著微電子、集成電路等技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，時(shí)間參數(shù)可以獲得更高精度，從而獲得更寬量程和更高線性度。

以Time-to-Count方法為基礎(chǔ)的輻射測(cè)量?jī)x將向小型化發(fā)展，在此基礎(chǔ)上可以集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，使得輻射測(cè)量?jī)x向智能化發(fā)展。

一機(jī)多用的設(shè)計(jì)理念，采用一個(gè)主機(jī)配備多個(gè)探頭的形式，可對(duì)各種放射性粒子進(jìn)行寬量程、高精度、高靈敏度的探測(cè)，從而大大簡(jiǎn)化了儀器，給核輻射探測(cè)工作帶來極大方便，這也是未來便攜式儀器的發(fā)展方向之一。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 龔軍軍，邵貝貝，夏文明，等.Time-to-Count方法擴(kuò)展GM計(jì)數(shù)管量程的實(shí)驗(yàn)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47（4）：674-678.

[2] Elmo J.DiIanni， et al. Radiation measuring apparatus.[P]，United States，4605859，1986.8.12.

[3] www.canberra.com.

[4] 邵暉，盧建東，李志榮，等.GM計(jì)數(shù)管Time-to-Count測(cè)量方法的探討與實(shí)現(xiàn)[J].防化研究，2001（3）：28-30.

[5] 劉志強(qiáng)，馬紅光，馬文彥，等. Time-to-Count技術(shù)測(cè)量輻射強(qiáng)度的原理[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2006，26（1）：41-44.

[6] 韓海濤，馬紅光，朱曉菲，等. 基于Time-to-Count測(cè)量原理的便攜式個(gè)人劑量?jī)x的研制[A].第十四屆全國(guó)核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2008.

[7] 周偉，方方，李琳琳，等.一種新型便攜式輻射檢測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，29（3）：546-549.

[8] 呂軍.Time-to-Count測(cè)量方法初步研究[D].成都理工大學(xué)，2007.

[9] 楊永剛.基于ARM的Time-to-Count輻射測(cè)量?jī)x的研究[D].成都理工大學(xué)，2008.

[10] 王江勇.基于Time-to-Count方法的輻射測(cè)量?jī)x的研制[D].南華大學(xué)，2012.