一种用于双GM计数管的量程控制测量方法

何资星 徐丽赟 韩留军 郭凤丽 杨根 王伟 张玲玲

（无锡华普微电子有限公司 无锡 214000）

在核辐射环境监测系统中［1］，盖革-米勒计数管（GM计数管）因为价格便宜、性能稳定、信号幅度大、使用简单等优点应用广泛［2］，尤其在监测γ辐射剂量率上［3］。然而，由于GM计数管死时间的存在［4］，单个GM计数管的测量范围仅有3～4个数量级，对于一些宽探测范围的辐射场景，其覆盖范围达7～8个数量级，仅使用单个计数管进行探测很难满足测量要求［5］。为了解决该问题，20世纪末出现了Time-to-Count测量方法，该方法可基本消除死时间对测量带来的影响［6-7］，但该方法要求GM计数管的工作高压控制响应速度快且精度高。为此，目前较为普遍的方法是组合两个不同量程的GM计数管来扩展GM计数管探测器的测量范围［8］。

而实现双GM计数管测量的关键是量程切换控制技术，该技术可实现在探测不同剂量率范围时自动切换成相应量程的GM计数管进行测量的目的［9］。

目前，现有的量程切换控制技术测量方法基本有三种：1）高量程GM计数管与低量程GM计数管同时处于工作模式，通过剂量率判断后仅显示当前量程范围内GM计数管的剂量率数据；2）高量程GM计数管一直处于工作状态，而低量程GM计数管仅在剂量率低于某个阈值时才开始工作；3）同时对两个不同量程的GM计数管进行控制，使得任何时刻有且仅有一个GM计数管处于工作状态。

上面三种方法中，1）与2）都会降低GM计数管的使用寿命，尤其是1），在高剂量率环境下若低量程GM计数管一直处于工作状态，将会使得低量程GM计数管产生损伤。现如今，双GM计数管量程切换基本采用第三种方法［10-11］，这种方法能有效地提高GM计数管的使用寿命以及降低探测器的功耗，但由于两个不同量程的GM计数管存在性能差异，因此，在它们探测范围交叠的区域内，两个GM计数管的线性拟合度较低。而传统的数据处理方式是仅在各自线性拟合度较高的范围内划分剂量率区间，并没有考虑两个GM计数管在量程交叠区域内的测量差异性，这样将降低双GM计数管探测器在测量范围内的线性度，尤其在它们探测范围交叠区域内。考虑到它们的探测范围交叠区域为高量程GM计数管的测量下限值和低量程GM计数管的测量上限值之间的区域，而低量程GM计数管在测量上限区域时因死时间的存在容易产生漏计数，高量程GM计数管因为其灵敏度高，导致其在探测输出脉冲数目较少的测量下限区域时，统计涨落带来的剂量率波动较大。因此，双GM计数管探测器在低量程GM计数管和高量程GM计数管的测量量程交叠区域内的线性拟合度较差。为此，本工作提出了一种用于双GM计数管的量程控制测量方法，并进行了双GM计数管的辐射测试实验验证。

1 电路结构与工作原理

1.1 电路结构

设计了一种双GM计数管探测器电路以验证双GM计数管的量程控制测量方法，双GM计数管探测器电路的系统结构如图1所示，包括低压电源、高压电源、低量程GM计数管、高量程GM计数管、高压控制电路、量程快速切换电路、死时间调节电路、单片机工作系统、通讯模块、指示灯蜂鸣器以及上位机。其中，低压电源提供工作电压，用于辐射探测器中需要供电的芯片与模块。高压电源用于给高量程GM计数管和低量程GM计数管提供工作高压。低量程GM计数管和高量程GM计数管用于探测γ射线，并将产生电流脉冲信号通过阻容负载转换成电压脉冲信号。高压控制电路用于控制高压电源的导通与关闭。量程控制电路用于在探测不同剂量率范围时对相应量程的GM计数管实现自动切换，通过开关控制不同量程GM计数管的导通和关闭。死时间调节电路将高量程GM计数管和低量程GM计数管的阻容负载电路引出的电压脉冲信号转换为脉冲幅度和宽度固定的电压脉冲信号。指示灯蜂鸣器在GM计数管探测到的剂量率超过报警阈值时发出报警。单片机工作系统用于将死时间调节电路产生的脉冲信号并转化为剂量率，同时控制高压电源以及高量程GM计数管和低量程GM计数管的导通开关。上位机主要用于接收剂量率数据并显示。

图1 双GM计数的系统结构图Fig.1 System structural diagram of daul GM counter tubes

1.2 工作原理

采用图1中的电路结构设计，当有γ射线打到处于工作高压状态下的GM计数管的气体灵敏区内时，将会引发电子雪崩，进而产生脉冲电流信号，此信号经过GM计数管的阻容负载输出以及死时间调节电路后形成脉冲幅值和脉冲宽度固定的电压脉冲。随后，输出的电压脉冲输入到单片机工作系统的单片机引脚，当检测到电压脉冲的上升沿时触发计数模块进行计数，在计数1 s后累积脉冲个数进而得到计数率，再通过已知的高量程GM计数管以及低量程GM计数管的标定公式将高GM计数管和低量程GM计数管的计数率分别转换为剂量率RH与剂量率RL，并通过量程判断当前的剂量率所处的剂量率区域而选择合适的GM计数管，同时经过单片机工作系统的状态机判断当前高量程GM计数管和低量程GM计数管的工作状态进而选择相应的剂量率数据处理方法，最后通过通讯模块将处理后的剂量率传送至上位机界面，作为实时显示环境剂量率R。

2 电路设计

2.1 高压控制电路

高压控制电路原理图如图2所示，电路由微型高压电源、滑动变阻器、精密电阻、稳压二极管以及MOS管开关组成。其中，微型高压电源采用科索公司的KDHM-C-12S500P-V，KDHM-C系列微型高压电源模块是一款低电压输入、高电压输出的特种DC-DC电源模块，通过滑动变阻器R11可实现0～500 V高压可调。电路工作原理为：电路的高压控制端口连接至单片机工作系统，当高压控制信号处于高电平时，MOS管Q1处于关闭状态，+12 V电源未能接入微型高压模块的+VIN端口，此时微型高压模块不工作。而当高压控制处于低电平时，MOS管Q1处于导通状态，导致+12 V电源与微型高压模块的+VIN端连通，此时微型高压模块开始工作并产生高压输出HVL。此外，通过滑动变阻器还可以调节高压输出的电压幅度。通过图2的高压控制电路，利用MOS管开关可实现对高压的快速控制。

图2 高压控制电路示意图Fig.2 Schematic of high-voltage control circuit

2.2 量程控制电路

量程控制电路原理图如图3所示，电路是由GM计数管、MOS管开关、电容以及电阻组成，其中低量程GM计数管和高量程GM计数管分别为北测精密仪器有限公司的GJ4109型和GJ4010型两种GM计数管，其中低量程计数管GJ4109的测量量程范围为0.1 μSv·h-1～10 mSv·h-1，而高量程计数管GJ4010的测量量程范围为1 mSv·h-1～100 Sv·h-1。因此，双GM计数管探测器的量程覆盖范围为0.1 μSv·h-1～100 Sv·h-1，剂量率测量范围达到9个数量级。其中两个GM计数管的量程交叠区域为1～10 mSv·h-1。量程控制开关作为量程切换控制技术中的关键元器件，目前大部分采用继电器作为量程控制开关［12］，部分则采用三极管，但它们的功耗都较大，且控制速度相对不足。其中，继电器体积相对较大，其作为开关还会带来电磁干扰，因此选择了响应速度快、体积小的MOS管作为量程控制开关。

图3 量程控制电路示意图Fig.3 Schematic of measurement range control circuit

量程控制电路包括低量程GM计数管自动切换电路与高量程GM计数管自动切换电路，其电路工作原理相同，其中低量程GM计数管自动切换电路的工作原理为：单片机工作系统通过低量程控制信号控制MOS管Q2的导通与关闭，在MOS管Q2导通时，高压电源的高压通过电阻R1与电阻R2进行分压，使得低量程GM计数管的阳极高压不足而不能正常工作，反之在MOS管Q2关闭时，高压电源的高压未通过电阻R1与电阻R2进行分压，使得低量程GM计数管能够在正常的工作电压下产生脉冲电流信号。在探测器工作时，将探测范围划分为高量程、中量程以及低量程测量区域，通过控制MOS管Q2和MOS管Q3的关闭与导通来控制相应测量范围内的GM计数管进行工作，从而实现双GM计数管的高量程、中量程以及低量程快速自动切换。其中在低量程测量范围内只选择低量程GM计数管进行工作，在高量程测量范围内只选择高量程GM计数管进行工作，而在中量程测量范围内则选择高量程GM计数管和低量程GM计数管同时进行工作。

2.3 死时间调节电路

由于GM计数管存在死时间，导致其在高剂量率辐射环境下漏计数现象明显，同时GM计数管也存在死时间不一致的缺点［13］。其中，通过死时间计算公式可以在一定程度下降低GM计数管死时间的影响，但是相关的死时间数学模型、函数计算表达式均是在假定死时间不变的情况下获得的，并没能解决死时间不固定对测量带来的影响。为此，设计了GM计数管的死时间调节电路，其电路结构如图4所示，死时间调节电路主要由比较器LM393、单稳态触发器AiP74HC123构成，其中高量程GM计数管和低量程GM计数管的死时间调节电路结构相同。比较器的信号输入端与高量程GM计数管和低量程GM计数管的阻容负载电路的输出端Pulse相连，比较器的输出端与单稳态触发器的输入端相连，单稳态的输出端与单片机工作系统的脉冲计数端口相连。通过死时间调节电路将GM计数管输出信号转换成脉冲幅度以及脉冲宽度固定的电压脉冲信号。

图4 死时间调节电路示意图Fig.4 Schematic of dead time regulation circuit

3 软件设计

基于单片机CKS32F103C8T6，设计了双GM计数管的数据采集、处理以及传输系统［14］。程序是基于keil5平台开发，采用C语言开发设计，设计程序流程图如图5所示。在有γ射线的辐照环境中，通过单片机的外部触发中断程序，可以记录累计从高量程GM计数管和低量程GM计数管中输出电压脉冲的计数。同时，通过单片机内部计时器程序来记录累积脉冲计数的时间周期。因此，可以获得高量程GM计数管和低量程GM计数管的计数率，然后分别通过高量程GM计数管和低量程GM计数管的校准因子k1和k2，将计数率转换成相应的剂量率RH和RL。最后，根据高量程GM计数管和低量程GM计数管快速自动切换程序，将处理后的当前剂量率传输到上位机。

图5 设计程序流程图Fig.5 Flow chart of designed program

为了提高测量范围内的线性度，选择的高量程GM计数管和低量程GM计数管的测量量程应存在部分交叠区域，同时在量程交叠区域内设置两个量程切换阈值点，这两个阈值点之间的范围作为中量程测量区域。如图6所示，其中，H和L点分别为中量程区域的上限值和下限值，P为低量程GM计数管的测量下限值，K点为高量程GM计数管的测量上限值。在量程自动切换过程中，对当前工作的GM计数管的剂量率值RH或RL进行判断：1）若当其大于H时，仅选择高量程GM计数管工作，并将RH传输到上位机；2）当其小于L时，则仅选择低量程GM计数管工作，并将RL传输到上位机；3）当其在L～H时，则选择高量程GM计数管与低量程GM计数管同时工作，并将RH和RL加权处理后的数据R传输到上位机。其中，数据加权处理用式（1）：

图6 量程切换示意图Fig.6 Schematic of range switching

式中：RH为高量程GM计数管的剂量率；RL为低量程GM计数管的剂量率；R为加权处理后的剂量率；k3为高量程GM计数管的剂量率加权因子；k4为低量程GM计数管的剂量率加权因子。

4 电路测试

利用241Am源进行双GM计数管探测器电路测试，双GM计数管探测器的实物图如图7所示。考虑到低量程GM计数管电路结构和高量程GM计数管电路结构相同，以低量程GM计数管为例，在241Am源辐照下，通过示波器显示低量程GM计数器电路中一些关键端口的输出信号的波形。测试结果如图8所示，其中，第一通道的波形为低量程GM计数管阻容负载电路的输出波形，标记为A；第二通道的波形为GM计数管比较器电路的输出波形，标记为B；第三通道的波形为GM计数管的单稳态电路的输出波形，标记为C。

图7 双GM计数管探测器实物图Fig.7 Photograph of dual GM counter tubes

图8 低量程GM计数管电路的输出波形Fig.8 Output waveform of low range GM counter circuit

由图8可知，波形A在大于比较器阈值时产生波形B，其脉冲幅度为3.3 V，而脉冲宽度约为140 μs，随后通过单稳态触发器中的电阻电容进行调节，其输出的电压波形C的脉冲幅度为3.3 V，而脉冲宽度则仅为10 μs。可以发现，输出波形B的脉冲宽度远大于输出波形C，而且由于输出波形A存在一定的波动性，导致输出脉冲波形B的脉冲宽度也存在不一致性，通过调节单稳态触发器的电容和电阻，可以对其输出波形的脉冲宽度进行调节，使其脉宽固定在10 μs左右［15］。最后将它作为计数脉冲输入单片机进行计数，提高了计数脉冲波形的一致性。

5 双GM计数管线性测试

为了验证双GM计数管探测器的量程控制测量方法的有效性，将双GM计数管探测器放在标准60Co放射源场进行实验测试［16］，考虑到低量程管GJ4109与高量程管GJ4010的量程交叠范围为1000～10000 μGy·h-1，因此选取了剂量率交叠区域中1000～3000 μGy·h-1作为本次测试的中量程判断区域，并选取1570 μGy·h-1和2512 μGy·h-1作为剂量率交叠范围内的两个测试点，并对这两个测试点进行数据加权处理。

在标准60Co放射源场的不同剂量率点处，分别单独测试低量程计数管GJ4109和高量程计数管GJ4010，并在每个剂量率点记录20组数据再取平均值。因放射源库不具备75000 μGy·h-1以上的剂量率测试点，更高剂量率测试点需前往有资质的放射源场进行验证，考虑到测试范围主要关注的是剂量率交叠区域，现有的剂量率测试点满足测试需求。本次试验数据记录见表1。

表1 标准点测量数据Table1 Measurement data at the standard point

获得的实验测试数据拟合图如图9所示。其中图9（a）为对量程交叠区域内数据不做加权处理的拟合图，其中低量程计数管GJ4109选取251 μGy·h-1、753 μGy·h-1、1570 μGy·h-1和2512 μGy·h-1共4个标准剂量率点的数据，高量程计数管GJ4010选取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个标准剂量率点的数据。图9（b）为量程控制测量方法的数据拟合图，其中低量程计数管选取251 μGy·h-1、753 μGy·h-1、1570 μGy·h-1以及2512 μGy·h-1标准剂量率点的数据，高量程计数管选取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个标准剂量率点的数据，因为1570 μGy·h-1与2512 μGy·h-1是作为中量程区域内的两个剂量率点，所以对高量程GM计数管和低量程GM计数管中1570 μGy·h-1与2512 μGy·h-1两个剂量率点的数据进行加权处理，通过不断调节数据加权处理式（1）中k3和k4的数值，选取使得双GM计数管探测器测量结果的线性拟合度最优的k3和k4数值。多次测试后选取k3和k4的值分别为0.7和0.3，最终加权处理后的数据线性拟合结果如图9（b）所示。由图9的实验数据结果可知，相比于高量程与低量程区域划分，分成高量程、中量程以及低量程的量程控制测量方法可以使得高量程GM计数管和低量程GM计数管的测量结果在剂量率交叠区域内的连续性更好，从而提高了整体测量的线性拟合度高。

图9 双GM计数管探测器测量结果的线性拟合结果(a) 量程交叠区域内数据无加权处理的拟合图，(b) 加权处理后的数据线性拟合图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 结语

本文设计了一种双GM计数管探测器，通过MOS管作为控制开关实现了对高压以及测量量程的快速控制，提高了双GM计数管探测器的响应速度。同时通过量程控制测量方法，将测量范围划分为低量程、中量程以及高量程三个区间，实现了在三个测量量程之间的快速自动切换控制，并对中量程范围内两个GM计数管的数据进行加权处理，提高了探测器在测量范围内的线性度。初步测试结果表明：双GM计数管探测器的死时间一致性得到改进，且稳定性良好，其测量量程可达6个数量级以上。同时相比于传统的测量方法，本文提出的量程控制测量方法使得双GM计数管在剂量率交叠区域1000～10000 μGy·h-1中的线性拟合度得到改进，有效地提高了双GM计数管的整体测量线性度。

作者贡献声明何资星负责电路方案设计、实验设计以及实验数据分析；徐丽赟负责全程给予指导意见和修订最终版论文；韩留军负责论文审阅和修改；郭凤丽负责实验操作和数据处理；杨根负责硬件调试工作；王伟负责软件调试工作；张玲玲负责论文选题。