基于盖革计数器的粒子辐射探测实验

2021-07-24陈潇骁祁振杰

电子测试 2021年13期

陈潇骁，祁振杰

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京，210044）

0 引言

盖革-米勒计数器，也称气体电离计数器，由H.盖革和P.米勒于1928年发明。辐射探测在当今社会算是一个比较热门的话题，伴随重工业的发展、电子器件的普及，越来越多的粒子辐射正悄然地来到我们的身边。因此，如何有效地防范人体有害辐射成为人们日益关心的问题。根据国际标准指出当短时间内辐射剂量高于100mSv时，该辐射会对人体造成间接危害。当辐射剂量高于4000mSv时则会直接产生致命伤害。目前主要的粒子辐射探测方法有两种：一种是闪烁探测器，主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。当粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。早在1903年就有人发现 α粒子照射在硫化锌粉末上可产生荧光的现象。但是，直到 1947年，将光电倍增管与闪烁体结合起来后才制成现代的闪烁探测器。很多物质都可以在粒子入射后而受激发光，因此闪烁体的种类很多，可以是固体、液体或气体。另一种便是电离探测器，而电离探测器一般又以气体电离探测为主，气体电离探测器是指以气体作为探测介质的辐射探测器。由于收集到的电荷量与两个电极间电场强度有关，从而形成不同工作方式的气体电离探测器。电离室、正比计数器和GM(盖革)计数管统称为气体电离探测器。这三种气体电离探测器的工作特点虽然不完全相同，但都具有一个共同点：射线使探测器内的工作气体发生电离，然后收集所产生的电荷，从而达到记录射线的目的。

目前，基于三种不同的气体电离探测器均有其在各个方面的应用，本文主要介绍盖革-米勒计数器的工作原理以及其在不同工作环境下的性能参数测试。

1 盖革-米勒计数器

盖革-米勒计数器装置包括探测管、调理电路以及计数装置，其中调理电路由555定时器构成，其计数输出端可以连接单片机引脚记录探测数据。整个系统硬件结构见图1（电源模块未给出）。

图1 盖革-米勒计数器硬件结构

盖革-米勒计数器关键部分在于其气体探测管，盖革计数器是根据射线对气体的电离性质设计成的。其探测管的通常结构是在一根两端用绝缘物质密闭的金属管内充入稀薄气体（通常是掺加了卤素的稀有气体，如氦、氖、氩等），在沿管的轴线上安装有一根金属丝电极，并在金属管壁和金属丝电极之间加上略低于管内气体击穿电压的电压。这样在通常状态下，管内气体不放电，且处于电离的边缘状态；而当有高速粒子射入管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。通过适当地选择加在丝极与管壁之间的电压，就可以对被探测粒子的最低能量，从而对其种类加以甄选。具体实物图见图2所示。

图2 盖革米勒计数器实物图

1.1 盖革管

盖革-米勒计数器的探测管，也称盖革管，在其引出的金属丝一端加上高伏正电压，并将金属管壁接入负极，管内充入稀薄的处于电离临界状态的惰性气体，盖革管结构见图2。

图2 盖革管结构示意图

1.2 坪特性曲线

计数管的计数率与所加电压的关系称为“坪特性”，“坪特性”是选用计数管的主要参数，图3所示为典型的坪特性曲线，其中计数率基本不随电压变化的部分称为“坪”。

图3 典型坪特性曲线图

由图示曲线可知

坪长：Vp=Vb2-Vb1

坪斜：（N2-N1）/0.5（N2+N1）×1/Vp×100%

N1是在电压Vb1处的计数率

N2是在电压Vb2处的计数率

不同的盖革管有不同的坪曲线，在使用盖革管之前应正确选择其推荐工作电压，保证盖革管可以正常进行粒子探测工作。

2 信号调理电路

信号调理电路往往是把来自敏感元件检测到的模拟信号转换为便于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。模拟信号可代表很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。但是敏感元件输出的信号不能直接转换为数字数据，因为其输出的是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。信号调理简单的说就是指将敏感元件检测到的各种信号转换为标准信号。数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保护、电平转换、隔离等。信号调理帮助将数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统。本文盖革管计数输出端所输出的便是高频且幅值不稳定的脉冲电流，通过信号调理电路后，将高频电脉冲信号整形为一个有固定脉宽、幅值受限的方波信号，以便后续接入单片机计数显示时更加精确稳定。

2.1 555定时器

本文所述信号调理电路主要由555定时器完成。555 定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因设计时输入端有三个5KΩ的电阻而得名。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以方便实现多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等脉冲产生与变换电路。由于使用灵活，方便，所以555定时器在波形的产生与变化，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中得到了应用。

555定时器内部含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。555定时器内部电路结构见图4所示。

图4 555定时器内部结构图

盖革-米勒计数器的信号调理电路相当于用一片555定时器构成的单稳态触发器，在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态，由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。

即当探测管每探测到一个高能射线粒子，释放出的不稳定高频电脉冲信号，该信号被传输到单稳态触发器的输入端后，单稳态触发器的输出端即输出一个幅值稳定的方波脉冲信号，该方波脉冲信号后续更易被单片机捕捉计数显示。单稳态触发器电路见图5所示。

图5 单稳态触发器电路图

3 实验测试及数据分析

本文中对盖革管进行了相关测试实验，实验分别测量了盖革管的坪特性曲线、调理电路输入与输出信号的对比以及同一辐射源与盖革管的距离对盖革管探测辐射的影响。根据此三则实验的数据及分析，大致对盖革计数器的工作环境、工作性能及影响因素有了一定的了解，以便后续对其深入探究。

3.1 坪特性曲线测试

本实验通过在一定范围改变盖革管两端电压，观测其计数率来得到数据并分析该盖革管的坪特性曲线，从而得到盖革管的推荐工作电压。测试数据表格见表1所示。

表1 电压与计数率测试数据表

电压与计数率关系见图6所示，计数率在所加电压范围为320V～340V时，计数率随电压改变变化剧烈，而当电压范围在380V～400V之间变化时，计数率随电压值改变变化不大，所以得出本文中盖革管的推荐工作电压范围最好应在390V左右。

图6 坪特性曲线图

3.2 辐射源距离对探测数据影响

本实验通过调整辐射源与盖革管的距离并测量数据来测试出辐射源距离对探测数据的影响，测试数据见表2（表2中粒子数为每分钟探测到的粒子数）。

表2 探测粒子数与辐射源距离表

其具体关系见图7所示，可以看出辐射源被探测到的粒子数与盖革管距离辐射源的距离成近似反比的关系，可知当辐射源靠近盖革管时测量数据更为精确。

图7 辐射源距离与探测关系图

3.3 调理电路输入与输出信号的对比

本实验通过用示波器测量单稳态触发器的输入信号与输出信号并进行信号对比分析探究单稳态触发器的实际功能。如图8所示为调理电路的输入信号，及盖革管捕捉到粒子后输出的电脉冲信号，可以看出其为一个不稳定的高频电脉冲信号，存在时间短，难以被记录。而如图9所示为调理电路输出端信号波形，可以看出是一个幅值稳定，有固定频率的方波脉冲信号，这样的脉冲信号容易被捕捉记录并计数，且容易被单片机捕捉以做后续数据处理。