一種用于雙GM計數(shù)管的量程控制測量方法

何資星 徐麗赟 韓留軍 郭鳳麗 楊根 王偉 張玲玲

（無錫華普微電子有限公司 無錫 214000）

在核輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中［1］，蓋革-米勒計數(shù)管（GM計數(shù)管）因為價格便宜、性能穩(wěn)定、信號幅度大、使用簡單等優(yōu)點應(yīng)用廣泛［2］，尤其在監(jiān)測γ輻射劑量率上［3］。然而，由于GM計數(shù)管死時間的存在［4］，單個GM計數(shù)管的測量范圍僅有3～4個數(shù)量級，對于一些寬探測范圍的輻射場景，其覆蓋范圍達7～8個數(shù)量級，僅使用單個計數(shù)管進行探測很難滿足測量要求［5］。為了解決該問題，20世紀(jì)末出現(xiàn)了Time-to-Count測量方法，該方法可基本消除死時間對測量帶來的影響［6-7］，但該方法要求GM計數(shù)管的工作高壓控制響應(yīng)速度快且精度高。為此，目前較為普遍的方法是組合兩個不同量程的GM計數(shù)管來擴展GM計數(shù)管探測器的測量范圍［8］。

而實現(xiàn)雙GM計數(shù)管測量的關(guān)鍵是量程切換控制技術(shù)，該技術(shù)可實現(xiàn)在探測不同劑量率范圍時自動切換成相應(yīng)量程的GM計數(shù)管進行測量的目的［9］。

目前，現(xiàn)有的量程切換控制技術(shù)測量方法基本有三種：1）高量程GM計數(shù)管與低量程GM計數(shù)管同時處于工作模式，通過劑量率判斷后僅顯示當(dāng)前量程范圍內(nèi)GM計數(shù)管的劑量率數(shù)據(jù)；2）高量程GM計數(shù)管一直處于工作狀態(tài)，而低量程GM計數(shù)管僅在劑量率低于某個閾值時才開始工作；3）同時對兩個不同量程的GM計數(shù)管進行控制，使得任何時刻有且僅有一個GM計數(shù)管處于工作狀態(tài)。

上面三種方法中，1）與2）都會降低GM計數(shù)管的使用壽命，尤其是1），在高劑量率環(huán)境下若低量程GM計數(shù)管一直處于工作狀態(tài)，將會使得低量程GM計數(shù)管產(chǎn)生損傷?，F(xiàn)如今，雙GM計數(shù)管量程切換基本采用第三種方法［10-11］，這種方法能有效地提高GM計數(shù)管的使用壽命以及降低探測器的功耗，但由于兩個不同量程的GM計數(shù)管存在性能差異，因此，在它們探測范圍交疊的區(qū)域內(nèi)，兩個GM計數(shù)管的線性擬合度較低。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式是僅在各自線性擬合度較高的范圍內(nèi)劃分劑量率區(qū)間，并沒有考慮兩個GM計數(shù)管在量程交疊區(qū)域內(nèi)的測量差異性，這樣將降低雙GM計數(shù)管探測器在測量范圍內(nèi)的線性度，尤其在它們探測范圍交疊區(qū)域內(nèi)?？紤]到它們的探測范圍交疊區(qū)域為高量程GM計數(shù)管的測量下限值和低量程GM計數(shù)管的測量上限值之間的區(qū)域，而低量程GM計數(shù)管在測量上限區(qū)域時因死時間的存在容易產(chǎn)生漏計數(shù)，高量程GM計數(shù)管因為其靈敏度高，導(dǎo)致其在探測輸出脈沖數(shù)目較少的測量下限區(qū)域時，統(tǒng)計漲落帶來的劑量率波動較大。因此，雙GM計數(shù)管探測器在低量程GM計數(shù)管和高量程GM計數(shù)管的測量量程交疊區(qū)域內(nèi)的線性擬合度較差。為此，本工作提出了一種用于雙GM計數(shù)管的量程控制測量方法，并進行了雙GM計數(shù)管的輻射測試實驗驗證。

1 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計了一種雙GM計數(shù)管探測器電路以驗證雙GM計數(shù)管的量程控制測量方法，雙GM計數(shù)管探測器電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括低壓電源、高壓電源、低量程GM計數(shù)管、高量程GM計數(shù)管、高壓控制電路、量程快速切換電路、死時間調(diào)節(jié)電路、單片機工作系統(tǒng)、通訊模塊、指示燈蜂鳴器以及上位機。其中，低壓電源提供工作電壓，用于輻射探測器中需要供電的芯片與模塊。高壓電源用于給高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管提供工作高壓。低量程GM計數(shù)管和高量程GM計數(shù)管用于探測γ射線，并將產(chǎn)生電流脈沖信號通過阻容負(fù)載轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號。高壓控制電路用于控制高壓電源的導(dǎo)通與關(guān)閉。量程控制電路用于在探測不同劑量率范圍時對相應(yīng)量程的GM計數(shù)管實現(xiàn)自動切換，通過開關(guān)控制不同量程GM計數(shù)管的導(dǎo)通和關(guān)閉。死時間調(diào)節(jié)電路將高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的阻容負(fù)載電路引出的電壓脈沖信號轉(zhuǎn)換為脈沖幅度和寬度固定的電壓脈沖信號。指示燈蜂鳴器在GM計數(shù)管探測到的劑量率超過報警閾值時發(fā)出報警。單片機工作系統(tǒng)用于將死時間調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生的脈沖信號并轉(zhuǎn)化為劑量率，同時控制高壓電源以及高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的導(dǎo)通開關(guān)。上位機主要用于接收劑量率數(shù)據(jù)并顯示。

圖1 雙GM計數(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structural diagram of daul GM counter tubes

1.2 工作原理

采用圖1中的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)有γ射線打到處于工作高壓狀態(tài)下的GM計數(shù)管的氣體靈敏區(qū)內(nèi)時，將會引發(fā)電子雪崩，進而產(chǎn)生脈沖電流信號，此信號經(jīng)過GM計數(shù)管的阻容負(fù)載輸出以及死時間調(diào)節(jié)電路后形成脈沖幅值和脈沖寬度固定的電壓脈沖。隨后，輸出的電壓脈沖輸入到單片機工作系統(tǒng)的單片機引腳，當(dāng)檢測到電壓脈沖的上升沿時觸發(fā)計數(shù)模塊進行計數(shù)，在計數(shù)1 s后累積脈沖個數(shù)進而得到計數(shù)率，再通過已知的高量程GM計數(shù)管以及低量程GM計數(shù)管的標(biāo)定公式將高GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的計數(shù)率分別轉(zhuǎn)換為劑量率RH與劑量率RL，并通過量程判斷當(dāng)前的劑量率所處的劑量率區(qū)域而選擇合適的GM計數(shù)管，同時經(jīng)過單片機工作系統(tǒng)的狀態(tài)機判斷當(dāng)前高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的工作狀態(tài)進而選擇相應(yīng)的劑量率數(shù)據(jù)處理方法，最后通過通訊模塊將處理后的劑量率傳送至上位機界面，作為實時顯示環(huán)境劑量率R。

2 電路設(shè)計

2.1 高壓控制電路

高壓控制電路原理圖如圖2所示，電路由微型高壓電源、滑動變阻器、精密電阻、穩(wěn)壓二極管以及MOS管開關(guān)組成。其中，微型高壓電源采用科索公司的KDHM-C-12S500P-V，KDHM-C系列微型高壓電源模塊是一款低電壓輸入、高電壓輸出的特種DC-DC電源模塊，通過滑動變阻器R11可實現(xiàn)0～500 V高壓可調(diào)。電路工作原理為：電路的高壓控制端口連接至單片機工作系統(tǒng)，當(dāng)高壓控制信號處于高電平時，MOS管Q1處于關(guān)閉狀態(tài)，+12 V電源未能接入微型高壓模塊的+VIN端口，此時微型高壓模塊不工作。而當(dāng)高壓控制處于低電平時，MOS管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致+12 V電源與微型高壓模塊的+VIN端連通，此時微型高壓模塊開始工作并產(chǎn)生高壓輸出HVL。此外，通過滑動變阻器還可以調(diào)節(jié)高壓輸出的電壓幅度。通過圖2的高壓控制電路，利用MOS管開關(guān)可實現(xiàn)對高壓的快速控制。

圖2 高壓控制電路示意圖Fig.2 Schematic of high-voltage control circuit

2.2 量程控制電路

量程控制電路原理圖如圖3所示，電路是由GM計數(shù)管、MOS管開關(guān)、電容以及電阻組成，其中低量程GM計數(shù)管和高量程GM計數(shù)管分別為北測精密儀器有限公司的GJ4109型和GJ4010型兩種GM計數(shù)管，其中低量程計數(shù)管GJ4109的測量量程范圍為0.1 μSv·h-1～10 mSv·h-1，而高量程計數(shù)管GJ4010的測量量程范圍為1 mSv·h-1～100 Sv·h-1。因此，雙GM計數(shù)管探測器的量程覆蓋范圍為0.1 μSv·h-1～100 Sv·h-1，劑量率測量范圍達到9個數(shù)量級。其中兩個GM計數(shù)管的量程交疊區(qū)域為1～10 mSv·h-1。量程控制開關(guān)作為量程切換控制技術(shù)中的關(guān)鍵元器件，目前大部分采用繼電器作為量程控制開關(guān)［12］，部分則采用三極管，但它們的功耗都較大，且控制速度相對不足。其中，繼電器體積相對較大，其作為開關(guān)還會帶來電磁干擾，因此選擇了響應(yīng)速度快、體積小的MOS管作為量程控制開關(guān)。

圖3 量程控制電路示意圖Fig.3 Schematic of measurement range control circuit

量程控制電路包括低量程GM計數(shù)管自動切換電路與高量程GM計數(shù)管自動切換電路，其電路工作原理相同，其中低量程GM計數(shù)管自動切換電路的工作原理為：單片機工作系統(tǒng)通過低量程控制信號控制MOS管Q2的導(dǎo)通與關(guān)閉，在MOS管Q2導(dǎo)通時，高壓電源的高壓通過電阻R1與電阻R2進行分壓，使得低量程GM計數(shù)管的陽極高壓不足而不能正常工作，反之在MOS管Q2關(guān)閉時，高壓電源的高壓未通過電阻R1與電阻R2進行分壓，使得低量程GM計數(shù)管能夠在正常的工作電壓下產(chǎn)生脈沖電流信號。在探測器工作時，將探測范圍劃分為高量程、中量程以及低量程測量區(qū)域，通過控制MOS管Q2和MOS管Q3的關(guān)閉與導(dǎo)通來控制相應(yīng)測量范圍內(nèi)的GM計數(shù)管進行工作，從而實現(xiàn)雙GM計數(shù)管的高量程、中量程以及低量程快速自動切換。其中在低量程測量范圍內(nèi)只選擇低量程GM計數(shù)管進行工作，在高量程測量范圍內(nèi)只選擇高量程GM計數(shù)管進行工作，而在中量程測量范圍內(nèi)則選擇高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管同時進行工作。

2.3 死時間調(diào)節(jié)電路

由于GM計數(shù)管存在死時間，導(dǎo)致其在高劑量率輻射環(huán)境下漏計數(shù)現(xiàn)象明顯，同時GM計數(shù)管也存在死時間不一致的缺點［13］。其中，通過死時間計算公式可以在一定程度下降低GM計數(shù)管死時間的影響，但是相關(guān)的死時間數(shù)學(xué)模型、函數(shù)計算表達式均是在假定死時間不變的情況下獲得的，并沒能解決死時間不固定對測量帶來的影響。為此，設(shè)計了GM計數(shù)管的死時間調(diào)節(jié)電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，死時間調(diào)節(jié)電路主要由比較器LM393、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器AiP74HC123構(gòu)成，其中高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的死時間調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)相同。比較器的信號輸入端與高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的阻容負(fù)載電路的輸出端Pulse相連，比較器的輸出端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端相連，單穩(wěn)態(tài)的輸出端與單片機工作系統(tǒng)的脈沖計數(shù)端口相連。通過死時間調(diào)節(jié)電路將GM計數(shù)管輸出信號轉(zhuǎn)換成脈沖幅度以及脈沖寬度固定的電壓脈沖信號。

圖4 死時間調(diào)節(jié)電路示意圖Fig.4 Schematic of dead time regulation circuit

3 軟件設(shè)計

基于單片機CKS32F103C8T6，設(shè)計了雙GM計數(shù)管的數(shù)據(jù)采集、處理以及傳輸系統(tǒng)［14］。程序是基于keil5平臺開發(fā)，采用C語言開發(fā)設(shè)計，設(shè)計程序流程圖如圖5所示。在有γ射線的輻照環(huán)境中，通過單片機的外部觸發(fā)中斷程序，可以記錄累計從高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管中輸出電壓脈沖的計數(shù)。同時，通過單片機內(nèi)部計時器程序來記錄累積脈沖計數(shù)的時間周期。因此，可以獲得高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的計數(shù)率，然后分別通過高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的校準(zhǔn)因子k1和k2，將計數(shù)率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的劑量率RH和RL。最后，根據(jù)高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管快速自動切換程序，將處理后的當(dāng)前劑量率傳輸?shù)缴衔粰C。

圖5 設(shè)計程序流程圖Fig.5 Flow chart of designed program

為了提高測量范圍內(nèi)的線性度，選擇的高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的測量量程應(yīng)存在部分交疊區(qū)域，同時在量程交疊區(qū)域內(nèi)設(shè)置兩個量程切換閾值點，這兩個閾值點之間的范圍作為中量程測量區(qū)域。如圖6所示，其中，H和L點分別為中量程區(qū)域的上限值和下限值，P為低量程GM計數(shù)管的測量下限值，K點為高量程GM計數(shù)管的測量上限值。在量程自動切換過程中，對當(dāng)前工作的GM計數(shù)管的劑量率值RH或RL進行判斷：1）若當(dāng)其大于H時，僅選擇高量程GM計數(shù)管工作，并將RH傳輸?shù)缴衔粰C；2）當(dāng)其小于L時，則僅選擇低量程GM計數(shù)管工作，并將RL傳輸?shù)缴衔粰C；3）當(dāng)其在L～H時，則選擇高量程GM計數(shù)管與低量程GM計數(shù)管同時工作，并將RH和RL加權(quán)處理后的數(shù)據(jù)R傳輸?shù)缴衔粰C。其中，數(shù)據(jù)加權(quán)處理用式（1）：

圖6 量程切換示意圖Fig.6 Schematic of range switching

式中：RH為高量程GM計數(shù)管的劑量率；RL為低量程GM計數(shù)管的劑量率；R為加權(quán)處理后的劑量率；k3為高量程GM計數(shù)管的劑量率加權(quán)因子；k4為低量程GM計數(shù)管的劑量率加權(quán)因子。

4 電路測試

利用241Am源進行雙GM計數(shù)管探測器電路測試，雙GM計數(shù)管探測器的實物圖如圖7所示?？紤]到低量程GM計數(shù)管電路結(jié)構(gòu)和高量程GM計數(shù)管電路結(jié)構(gòu)相同，以低量程GM計數(shù)管為例，在241Am源輻照下，通過示波器顯示低量程GM計數(shù)器電路中一些關(guān)鍵端口的輸出信號的波形。測試結(jié)果如圖8所示，其中，第一通道的波形為低量程GM計數(shù)管阻容負(fù)載電路的輸出波形，標(biāo)記為A；第二通道的波形為GM計數(shù)管比較器電路的輸出波形，標(biāo)記為B；第三通道的波形為GM計數(shù)管的單穩(wěn)態(tài)電路的輸出波形，標(biāo)記為C。

圖7 雙GM計數(shù)管探測器實物圖Fig.7 Photograph of dual GM counter tubes

圖8 低量程GM計數(shù)管電路的輸出波形Fig.8 Output waveform of low range GM counter circuit

由圖8可知，波形A在大于比較器閾值時產(chǎn)生波形B，其脈沖幅度為3.3 V，而脈沖寬度約為140 μs，隨后通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的電阻電容進行調(diào)節(jié)，其輸出的電壓波形C的脈沖幅度為3.3 V，而脈沖寬度則僅為10 μs?？梢园l(fā)現(xiàn)，輸出波形B的脈沖寬度遠大于輸出波形C，而且由于輸出波形A存在一定的波動性，導(dǎo)致輸出脈沖波形B的脈沖寬度也存在不一致性，通過調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電容和電阻，可以對其輸出波形的脈沖寬度進行調(diào)節(jié)，使其脈寬固定在10 μs左右［15］。最后將它作為計數(shù)脈沖輸入單片機進行計數(shù)，提高了計數(shù)脈沖波形的一致性。

5 雙GM計數(shù)管線性測試

為了驗證雙GM計數(shù)管探測器的量程控制測量方法的有效性，將雙GM計數(shù)管探測器放在標(biāo)準(zhǔn)60Co放射源場進行實驗測試［16］，考慮到低量程管GJ4109與高量程管GJ4010的量程交疊范圍為1000～10000 μGy·h-1，因此選取了劑量率交疊區(qū)域中1000～3000 μGy·h-1作為本次測試的中量程判斷區(qū)域，并選取1570 μGy·h-1和2512 μGy·h-1作為劑量率交疊范圍內(nèi)的兩個測試點，并對這兩個測試點進行數(shù)據(jù)加權(quán)處理。

在標(biāo)準(zhǔn)60Co放射源場的不同劑量率點處，分別單獨測試低量程計數(shù)管GJ4109和高量程計數(shù)管GJ4010，并在每個劑量率點記錄20組數(shù)據(jù)再取平均值。因放射源庫不具備75000 μGy·h-1以上的劑量率測試點，更高劑量率測試點需前往有資質(zhì)的放射源場進行驗證，考慮到測試范圍主要關(guān)注的是劑量率交疊區(qū)域，現(xiàn)有的劑量率測試點滿足測試需求。本次試驗數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)點測量數(shù)據(jù)Table1 Measurement data at the standard point

獲得的實驗測試數(shù)據(jù)擬合圖如圖9所示。其中圖9（a）為對量程交疊區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)不做加權(quán)處理的擬合圖，其中低量程計數(shù)管GJ4109選取251 μGy·h-1、753 μGy·h-1、1570 μGy·h-1和2512 μGy·h-1共4個標(biāo)準(zhǔn)劑量率點的數(shù)據(jù)，高量程計數(shù)管GJ4010選取3140 μGy·h-1、5024 μGy·h-1、7536 μGy·h-1、9420 μGy·h-1、12560 μGy·h-1、15700 μGy·h-1和25130 μGy·h-1共7個標(biāo)準(zhǔn)劑量率點的數(shù)據(jù)。圖9（b）為量程控制測量方法的數(shù)據(jù)擬合圖，其中低量程計數(shù)管選取251 μGy·h-1、753 μGy·h-1、1570 μGy·h-1以及2512 μGy·h-1標(biāo)準(zhǔn)劑量率點的數(shù)據(jù)，高量程計數(shù)管選取1570 μGy·h-1、2512 μGy·h-1、3140 μGy·h-1、5024 μGy·h-1、7536 μGy·h-1、9420 μGy·h-1、12560 μGy·h-1、15700 μGy·h-1和25130 μGy·h-1共9個標(biāo)準(zhǔn)劑量率點的數(shù)據(jù)，因為1570 μGy·h-1與2512 μGy·h-1是作為中量程區(qū)域內(nèi)的兩個劑量率點，所以對高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管中1570 μGy·h-1與2512 μGy·h-1兩個劑量率點的數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，通過不斷調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)加權(quán)處理式（1）中k3和k4的數(shù)值，選取使得雙GM計數(shù)管探測器測量結(jié)果的線性擬合度最優(yōu)的k3和k4數(shù)值。多次測試后選取k3和k4的值分別為0.7和0.3，最終加權(quán)處理后的數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果如圖9（b）所示。由圖9的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可知，相比于高量程與低量程區(qū)域劃分，分成高量程、中量程以及低量程的量程控制測量方法可以使得高量程GM計數(shù)管和低量程GM計數(shù)管的測量結(jié)果在劑量率交疊區(qū)域內(nèi)的連續(xù)性更好，從而提高了整體測量的線性擬合度高。

圖9 雙GM計數(shù)管探測器測量結(jié)果的線性擬合結(jié)果(a) 量程交疊區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)無加權(quán)處理的擬合圖，(b) 加權(quán)處理后的數(shù)據(jù)線性擬合圖Fig.9 Linear fitting results of measured for dual GM counter tubes Fitting plot of data without (a), and with (b) weighting data processing in the overlapping range

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種雙GM計數(shù)管探測器，通過MOS管作為控制開關(guān)實現(xiàn)了對高壓以及測量量程的快速控制，提高了雙GM計數(shù)管探測器的響應(yīng)速度。同時通過量程控制測量方法，將測量范圍劃分為低量程、中量程以及高量程三個區(qū)間，實現(xiàn)了在三個測量量程之間的快速自動切換控制，并對中量程范圍內(nèi)兩個GM計數(shù)管的數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，提高了探測器在測量范圍內(nèi)的線性度。初步測試結(jié)果表明：雙GM計數(shù)管探測器的死時間一致性得到改進，且穩(wěn)定性良好，其測量量程可達6個數(shù)量級以上。同時相比于傳統(tǒng)的測量方法，本文提出的量程控制測量方法使得雙GM計數(shù)管在劑量率交疊區(qū)域1000～10000 μGy·h-1中的線性擬合度得到改進，有效地提高了雙GM計數(shù)管的整體測量線性度。

作者貢獻聲明何資星負(fù)責(zé)電路方案設(shè)計、實驗設(shè)計以及實驗數(shù)據(jù)分析；徐麗赟負(fù)責(zé)全程給予指導(dǎo)意見和修訂最終版論文；韓留軍負(fù)責(zé)論文審閱和修改；郭鳳麗負(fù)責(zé)實驗操作和數(shù)據(jù)處理；楊根負(fù)責(zé)硬件調(diào)試工作；王偉負(fù)責(zé)軟件調(diào)試工作；張玲玲負(fù)責(zé)論文選題。