一種用于雙GM計數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）

在核輻射環境監測系統中［1］，蓋革-米勒計數管（GM計數管）因為價格便宜、性能穩定、信號幅度大、使用簡單等優點應用廣泛［2］，尤其在監測γ輻射劑量率上［3］。然而，由于GM計數管死時間的存在［4］，單個GM計數管的測量范圍僅有3～4個數量級，對于一些寬探測范圍的輻射場景，其覆蓋范圍達7～8個數量級，僅使用單個計數管進行探測很難滿足測量要求［5］。為了解決該問題，20世紀末出現了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計數管的工作高壓控制響應速度快且精度高。為此，目前較為普遍的方法是組合兩個不同量程的GM計數管來擴展GM計數管探測器的測量范圍［8］。

而實現雙GM計數管測量的關鍵是量程切換控制技術，該技術可實現在探測不同劑量率范圍時自動切換成相應量程的GM計數管進行測量的目的［9］。

目前，現有的量程切換控制技術測量方法基本有三種：1）高量程GM計數管與低量程GM計數管同時處于工作模式，通過劑量率判斷后僅顯示當前量程范圍內GM計數管的劑量率數據；2）高量程GM計數管一直處于工作狀態，而低量程GM計數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計數管進行控制，使得任何時刻有且僅有一個GM計數管處于工作狀態。

上面三種方法中，1）與2）都會降低GM計數管的使用壽命，尤其是1），在高劑量率環境下若低量程GM計數管一直處于工作狀態，將會使得低量程GM計數管產生損傷?，F如今，雙GM計數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計數管存在性能差異，因此，在它們探測范圍交疊的區域內，兩個GM計數管的線性擬合度較低。而傳統的數據處理方式是僅在各自線性擬合度較高的范圍內劃分劑量率區間，并沒有考慮兩個GM計數管在量程交疊區域內的測量差異性，這樣將降低雙GM計數管探測器在測量范圍內的線性度，尤其在它們探測范圍交疊區域內?？紤]到它們的探測范圍交疊區域為高量程GM計數管的測量下限值和低量程GM計數管的測量上限值之間的區域，而低量程GM計數管在測量上限區域時因死時間的存在容易產生漏計數，高量程GM計數管因為其靈敏度高，導致其在探測輸出脈沖數目較少的測量下限區域時，統計漲落帶來的劑量率波動較大。因此，雙GM計數管探測器在低量程GM計數管和高量程GM計數管的測量量程交疊區域內的線性擬合度較差。為此，本工作提出了一種用于雙GM計數管的量程控制測量方法，并進行了雙GM計數管的輻射測試實驗驗證。

1 電路結構與工作原理

1.1 電路結構

設計了一種雙GM計數管探測器電路以驗證雙GM計數管的量程控制測量方法，雙GM計數管探測器電路的系統結構如圖1所示，包括低壓電源、高壓電源、低量程GM計數管、高量程GM計數管、高壓控制電路、量程快速切換電路、死時間調節電路、單片機工作系統、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計數管和低量程GM計數管提供工作高壓。低量程GM計數管和高量程GM計數管用于探測γ射線，并將產生電流脈沖信號通過阻容負載轉換成電壓脈沖信號。高壓控制電路用于控制高壓電源的導通與關閉。量程控制電路用于在探測不同劑量率范圍時對相應量程的GM計數管實現自動切換，通過開關控制不同量程GM計數管的導通和關閉。死時間調節電路將高量程GM計數管和低量程GM計數管的阻容負載電路引出的電壓脈沖信號轉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計數管探測到的劑量率超過報警閾值時發出報警。單片機工作系統用于將死時間調節電路產生的脈沖信號并轉化為劑量率，同時控制高壓電源以及高量程GM計數管和低量程GM計數管的導通開關。上位機主要用于接收劑量率數據并顯示。

圖1 雙GM計數的系統結構圖Fig.1 System structural diagram of daul GM counter tubes

1.2 工作原理

采用圖1中的電路結構設計，當有γ射線打到處于工作高壓狀態下的GM計數管的氣體靈敏區內時，將會引發電子雪崩，進而產生脈沖電流信號，此信號經過GM計數管的阻容負載輸出以及死時間調節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的單片機引腳，當檢測到電壓脈沖的上升沿時觸發計數模塊進行計數，在計數1 s后累積脈沖個數進而得到計數率，再通過已知的高量程GM計數管以及低量程GM計數管的標定公式將高GM計數管和低量程GM計數管的計數率分別轉換為劑量率RH與劑量率RL，并通過量程判斷當前的劑量率所處的劑量率區域而選擇合適的GM計數管，同時經過單片機工作系統的狀態機判斷當前高量程GM計數管和低量程GM計數管的工作狀態進而選擇相應的劑量率數據處理方法，最后通過通訊模塊將處理后的劑量率傳送至上位機界面，作為實時顯示環境劑量率R。

2 電路設計

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、穩壓二極管以及MOS管開關組成。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0～500 V高壓可調。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，當高壓控制信號處于高電平時，MOS管Q1處于關閉狀態，+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。而當高壓控制處于低電平時，MOS管Q1處于導通狀態，導致+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生高壓輸出HVL。此外，通過滑動變阻器還可以調節高壓輸出的電壓幅度。通過圖2的高壓控制電路，利用MOS管開關可實現對高壓的快速控制。

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計數管、MOS管開關、電容以及電阻組成，其中低量程GM計數管和高量程GM計數管分別為北測精密儀器有限公司的GJ4109型和GJ4010型兩種GM計數管，其中低量程計數管GJ4109的測量量程范圍為0.1 μSv·h-1～10 mSv·h-1，而高量程計數管GJ4010的測量量程范圍為1 mSv·h-1～100 Sv·h-1。因此，雙GM計數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個數量級。其中兩個GM計數管的量程交疊區域為1～10 mSv·h-1。量程控制開關作為量程切換控制技術中的關鍵元器件，目前大部分采用繼電器作為量程控制開關［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，其作為開關還會帶來電磁干擾，因此選擇了響應速度快、體積小的MOS管作為量程控制開關。

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計數管自動切換電路與高量程GM計數管自動切換電路，其電路工作原理相同，其中低量程GM計數管自動切換電路的工作原理為：單片機工作系統通過低量程控制信號控制MOS管Q2的導通與關閉，在MOS管Q2導通時，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計數管的陽極高壓不足而不能正常工作，反之在MOS管Q2關閉時，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計數管能夠在正常的工作電壓下產生脈沖電流信號。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域，通過控制MOS管Q2和MOS管Q3的關閉與導通來控制相應測量范圍內的GM計數管進行工作，從而實現雙GM計數管的高量程、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只選擇低量程GM計數管進行工作，在高量程測量范圍內只選擇高量程GM計數管進行工作，而在中量程測量范圍內則選擇高量程GM計數管和低量程GM計數管同時進行工作。

2.3 死時間調節電路

由于GM計數管存在死時間，導致其在高劑量率輻射環境下漏計數現象明顯，同時GM計數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計數管死時間的影響，但是相關的死時間數學模型、函數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，設計了GM計數管的死時間調節電路，其電路結構如圖4所示，死時間調節電路主要由比較器LM393、單穩態觸發器AiP74HC123構成，其中高量程GM計數管和低量程GM計數管的死時間調節電路結構相同。比較器的信號輸入端與高量程GM計數管和低量程GM計數管的阻容負載電路的輸出端Pulse相連，比較器的輸出端與單穩態觸發器的輸入端相連，單穩態的輸出端與單片機工作系統的脈沖計數端口相連。通過死時間調節電路將GM計數管輸出信號轉換成脈沖幅度以及脈沖寬度固定的電壓脈沖信號。

圖4 死時間調節電路示意圖Fig.4 Schematic of dead time regulation circuit

3 軟件設計

基于單片機CKS32F103C8T6，設計了雙GM計數管的數據采集、處理以及傳輸系統［14］。程序是基于keil5平臺開發，采用C語言開發設計，設計程序流程圖如圖5所示。在有γ射線的輻照環境中，通過單片機的外部觸發中斷程序，可以記錄累計從高量程GM計數管和低量程GM計數管中輸出電壓脈沖的計數。同時，通過單片機內部計時器程序來記錄累積脈沖計數的時間周期。因此，可以獲得高量程GM計數管和低量程GM計數管的計數率，然后分別通過高量程GM計數管和低量程GM計數管的校準因子k1和k2，將計數率轉換成相應的劑量率RH和RL。最后，根據高量程GM計數管和低量程GM計數管快速自動切換程序，將處理后的當前劑量率傳輸到上位機。

圖5 設計程序流程圖Fig.5 Flow chart of designed program

為了提高測量范圍內的線性度，選擇的高量程GM計數管和低量程GM計數管的測量量程應存在部分交疊區域，同時在量程交疊區域內設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域。如圖6所示，其中，H和L點分別為中量程區域的上限值和下限值，P為低量程GM計數管的測量下限值，K點為高量程GM計數管的測量上限值。在量程自動切換過程中，對當前工作的GM計數管的劑量率值RH或RL進行判斷：1）若當其大于H時，僅選擇高量程GM計數管工作，并將RH傳輸到上位機；2）當其小于L時，則僅選擇低量程GM計數管工作，并將RL傳輸到上位機；3）當其在L～H時，則選擇高量程GM計數管與低量程GM計數管同時工作，并將RH和RL加權處理后的數據R傳輸到上位機。其中，數據加權處理用式（1）：

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

式中：RH為高量程GM計數管的劑量率；RL為低量程GM計數管的劑量率；R為加權處理后的劑量率；k3為高量程GM計數管的劑量率加權因子；k4為低量程GM計數管的劑量率加權因子。

4 電路測試

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

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

圖8 低量程GM計數管電路的輸出波形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，隨后通過單穩態觸發器中的電阻電容進行調節，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現，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，導致輸出脈沖波形B的脈沖寬度也存在不一致性，通過調節單穩態觸發器的電容和電阻，可以對其輸出波形的脈沖寬度進行調節，使其脈寬固定在10 μs左右［15］。最后將它作為計數脈沖輸入單片機進行計數，提高了計數脈沖波形的一致性。

5 雙GM計數管線性測試

為了驗證雙GM計數管探測器的量程控制測量方法的有效性，將雙GM計數管探測器放在標準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域中1000～3000 μGy·h-1作為本次測試的中量程判斷區域，并選取1570 μGy·h-1和2512 μGy·h-1作為劑量率交疊范圍內的兩個測試點，并對這兩個測試點進行數據加權處理。

在標準60Co放射源場的不同劑量率點處，分別單獨測試低量程計數管GJ4109和高量程計數管GJ4010，并在每個劑量率點記錄20組數據再取平均值。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的放射源場進行驗證，考慮到測試范圍主要關注的是劑量率交疊區域，現有的劑量率測試點滿足測試需求。本次試驗數據記錄見表1。

表1 標準點測量數據Table1 Measurement data at the standard point

獲得的實驗測試數據擬合圖如圖9所示。其中圖9（a）為對量程交疊區域內數據不做加權處理的擬合圖，其中低量程計數管GJ4109選取251 μGy·h-1、753 μGy·h-1、1570 μGy·h-1和2512 μGy·h-1共4個標準劑量率點的數據，高量程計數管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個標準劑量率點的數據。圖9（b）為量程控制測量方法的數據擬合圖，其中低量程計數管選取251 μGy·h-1、753 μGy·h-1、1570 μGy·h-1以及2512 μGy·h-1標準劑量率點的數據，高量程計數管選取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個標準劑量率點的數據，因為1570 μGy·h-1與2512 μGy·h-1是作為中量程區域內的兩個劑量率點，所以對高量程GM計數管和低量程GM計數管中1570 μGy·h-1與2512 μGy·h-1兩個劑量率點的數據進行加權處理，通過不斷調節數據加權處理式（1）中k3和k4的數值，選取使得雙GM計數管探測器測量結果的線性擬合度最優的k3和k4數值。多次測試后選取k3和k4的值分別為0.7和0.3，最終加權處理后的數據線性擬合結果如圖9（b）所示。由圖9的實驗數據結果可知，相比于高量程與低量程區域劃分，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計數管和低量程GM計數管的測量結果在劑量率交疊區域內的連續性更好，從而提高了整體測量的線性擬合度高。

圖9 雙GM計數管探測器測量結果的線性擬合結果(a) 量程交疊區域內數據無加權處理的擬合圖，(b) 加權處理后的數據線性擬合圖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 結語

本文設計了一種雙GM計數管探測器，通過MOS管作為控制開關實現了對高壓以及測量量程的快速控制，提高了雙GM計數管探測器的響應速度。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間，實現了在三個測量量程之間的快速自動切換控制，并對中量程范圍內兩個GM計數管的數據進行加權處理，提高了探測器在測量范圍內的線性度。初步測試結果表明：雙GM計數管探測器的死時間一致性得到改進，且穩定性良好，其測量量程可達6個數量級以上。同時相比于傳統的測量方法，本文提出的量程控制測量方法使得雙GM計數管在劑量率交疊區域1000～10000 μGy·h-1中的線性擬合度得到改進，有效地提高了雙GM計數管的整體測量線性度。

作者貢獻聲明何資星負責電路方案設計、實驗設計以及實驗數據分析；徐麗赟負責全程給予指導意見和修訂最終版論文；韓留軍負責論文審閱和修改；郭鳳麗負責實驗操作和數據處理；楊根負責硬件調試工作；王偉負責軟件調試工作；張玲玲負責論文選題。