多功能GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)

覃 雪，張京隆，劉 軍，陳秀蓮

（1.四川大學(xué)物理學(xué)院，成都 610064；2.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610059）

0 引言

GM（Geiger-Mu____ller，蓋革-米勒）計(jì)數(shù)管是核輻射探測(cè)領(lǐng)域中常見的探測(cè)器，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)領(lǐng)域以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用［1-4］。對(duì)GM 計(jì)數(shù)管的認(rèn)知和操作，是核輻射探測(cè)人才應(yīng)該掌握的基本環(huán)節(jié)［5］。通過對(duì)國內(nèi)多個(gè)高校走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)高校中缺乏針對(duì)核輻射探測(cè)人才培養(yǎng)系統(tǒng)性的GM探測(cè)器認(rèn)知和理解的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于GM 探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上屬于“臨時(shí)搭建，東拼西湊”［6-7］。從我校核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)室多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，老式的實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在兩方面問題：①只能完成最為基礎(chǔ)的GM計(jì)數(shù)管坪曲線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，不易將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展；②設(shè)備“東拼西湊”，經(jīng)常出現(xiàn)線路接觸不良，損壞的情況，消耗了實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員大量的時(shí)間和精力，也影響了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。

針對(duì)以上情況，我校核工程與核技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一個(gè)多功能GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)具備多個(gè)功能，可被用于開設(shè)多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中包括：GM管的認(rèn)識(shí)與操作、GM 管坪曲線的測(cè)量、雙源法測(cè)量死時(shí)間、原子核衰變及統(tǒng)計(jì)規(guī)律驗(yàn)證、驗(yàn)證距離平方反比率、γ射線在物質(zhì)中的吸收系數(shù)及材料厚度的測(cè)定、β 射線在物質(zhì)中的吸收、GM 管劑量測(cè)量等實(shí)驗(yàn)［8］。通過開發(fā)與使用該平臺(tái)，一方面規(guī)范了GM 探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，擴(kuò)展了GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；另一方面增加了GM管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可靠性和易操作性。通過這兩方面的改進(jìn)，能夠加深學(xué)生的實(shí)驗(yàn)印象，讓學(xué)生在動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的過程中更好地理解GM計(jì)數(shù)管的工作原理和性質(zhì)，更好地掌握基于GM 管各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的操作流程與方法。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)

多功能GM 計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)主要由GM 管、探測(cè)器套筒、支架臺(tái)及手柄、放射源屏蔽準(zhǔn)直器、吸收片以及GM管專用定標(biāo)器等組成。平臺(tái)機(jī)械主體如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)所用GM 計(jì)數(shù)管為鹵素管，型號(hào)為LND7232，前端有一質(zhì)量厚度為2.0 mg／cm2的云母窗，可用來探測(cè)α、β、γ 射線。由于云母窗極易損壞，將GM 管放置于一中間鏤空的套筒中，避免移動(dòng)GM管造成云母窗破損。探測(cè)器套筒固定在平臺(tái)豎直支架上，并可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄連續(xù)調(diào)節(jié)在支架上的豎直高度，從而改變探測(cè)器與放射源的距離以滿足某些實(shí)驗(yàn)的需要，支架上有刻度指示，范圍為0～50 cm，精度為1 mm。水平平臺(tái)上設(shè)計(jì)有源槽用以放置放射源，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需要共設(shè)計(jì)了3 個(gè)源槽，源槽兩側(cè)留有一定空隙便于用鑷子夾取放射源。吸收片采用蒸格式結(jié)構(gòu)，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)各吸收片能很好地重疊不產(chǎn)生位移，吸收片材料分別為鉛、銅、鋁，吸收片放置在準(zhǔn)直過的放射源與探測(cè)器之間，三者中心豎直方向在一條直線上。

圖1 多功能GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)機(jī)械主體

屏蔽準(zhǔn)直器用于屏蔽和準(zhǔn)直放射源，不需要時(shí)可以從放射源上移開。屏蔽準(zhǔn)直器材料采用銅含量約為50%的鎢銅合金。具體尺寸基于蒙特卡羅模擬完成。實(shí)驗(yàn)室有一枚活度約為3.4 ×105Bq 的137Cs 放射源，利用一定厚度的鎢銅合金將其屏蔽，模擬計(jì)算屏蔽后的空氣吸收劑量率。采用mcnp5 蒙特卡羅程序［9］分別模擬了屏蔽體厚度為1～5 cm 的情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 0.662MeVγ射線穿過不同厚度的鎢銅合金在其后產(chǎn)生的空氣吸收劑量率

從圖2 可見，隨著鎢銅合金厚度的增加，吸收劑量率逐漸降低，當(dāng)厚度為4 cm 時(shí)，吸收劑量率大約為0.12 μSv／h，和環(huán)境本底劑量率相當(dāng)［10-11］，因此取鎢銅合金厚度為4 cm，可以很好地屏蔽實(shí)驗(yàn)用137Cs 放射源，保證學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的安全性。除了屏蔽作用外，還需要對(duì)137Cs放射源進(jìn)行準(zhǔn)直，從而保證在某些實(shí)驗(yàn)中對(duì)γ 射線窄束的要求。理論上準(zhǔn)直孔直徑開得越小，γ射線窄束效果越好，但開孔太小，進(jìn)入探測(cè)器的γ 射線計(jì)數(shù)太少，統(tǒng)計(jì)誤差太大。因此需要選擇合理的準(zhǔn)直孔直徑，使得在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)滿足窄束的情況下，探測(cè)到的γ計(jì)數(shù)要足夠多。將準(zhǔn)直孔直徑分別開為1～4 mm，在準(zhǔn)直器與探測(cè)器之間放入一定厚度的Pb 吸收片，利用mcnp5 程序分別模擬了0.662MeVγ射線經(jīng)過不同開孔直徑的準(zhǔn)直器之后，穿過Pb片前后到達(dá)探測(cè)器的計(jì)數(shù)，通過窄束γ 射線穿過物質(zhì)的規(guī)律I＝I0e-μx，求出0.662MeVγ 射線在Pb中線性吸收系數(shù)與國際公認(rèn)理論值1.213 cm-1進(jìn)行對(duì)比［12］（見表1）。

由表1 可見，隨著準(zhǔn)直器開孔直徑逐漸增加，到達(dá)探測(cè)器的計(jì)數(shù)在逐漸增加，Pb的線性吸收系數(shù)與理論值的誤差逐漸增加，當(dāng)直徑為3 mm 時(shí)，誤差為4.78%，小于5%，而此時(shí)一個(gè)粒子進(jìn)入探測(cè)器被記錄的概率為3.63 ×10-4，實(shí)驗(yàn)中放射源的活度為3.4 ×105Bq，探測(cè)器每秒約有120 個(gè)計(jì)數(shù)，實(shí)驗(yàn)上測(cè)量100 s即能滿足所測(cè)計(jì)數(shù)相對(duì)統(tǒng)計(jì)誤差小于1%，達(dá)到這一誤差所用的時(shí)間在可接受的范圍之內(nèi)。因此將準(zhǔn)直器開孔直徑確定為3 mm。根據(jù)模擬結(jié)果以及放射源的大小，最終將屏蔽準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)為圓柱結(jié)構(gòu)，外觀直徑80 mm，高度50 mm，準(zhǔn)直孔直徑3 mm，深度41 mm；源存放區(qū)域直徑30 mm，深度7 mm。

表1 不同開孔直徑下Pb的線性吸收系數(shù)與理論值對(duì)比

1.2 GM計(jì)數(shù)管專用定標(biāo)器設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上目前的定標(biāo)器主要針對(duì)老式的輻射探測(cè)科研項(xiàng)目，而在國內(nèi)高校中，沒有針對(duì)輻射探測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的專用定標(biāo)器［13-15］。針對(duì)本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了GM計(jì)數(shù)管專用定標(biāo)器。該定標(biāo)器將所有電子學(xué)部件集成在一體化機(jī)箱中，能夠?yàn)镚M管提供高壓，并對(duì)進(jìn)入的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)與定時(shí)。該定標(biāo)器設(shè)計(jì)有4個(gè)要求：①儀器的安全性好，保護(hù)學(xué)生安全；②儀器要長期穩(wěn)定性好，減少實(shí)驗(yàn)人員維護(hù)成本；③儀器要與實(shí)際教學(xué)結(jié)合，將功能簡化，只保留基礎(chǔ)功能，降低損壞風(fēng)險(xiǎn)；④儀器應(yīng)減少控件的數(shù)量，使儀器操作簡單，并且選擇的控件要求耐用性強(qiáng)。

專用定標(biāo)器的電路結(jié)構(gòu)（見圖3）由信號(hào)采集與處理核心電路、高壓控制及信號(hào)讀出電路、數(shù)碼管顯示電路以及按鍵控制電路組成。

圖3 專用定標(biāo)器的電路結(jié)構(gòu)框圖

（1）信號(hào)采集與處理核心電路。該電路為自主研發(fā)電路，用于處理信號(hào)讀出電路輸出的信號(hào)、接收解析來自按鍵控制電路的指令，并將計(jì)數(shù)、閾值、高壓值以及時(shí)間值發(fā)送到數(shù)碼管顯示電路。電路可實(shí)現(xiàn)采樣率40 MSPS，采樣精度14 bit的波形全采樣以及數(shù)字化信號(hào)處理功能［12］。信號(hào)進(jìn)入該電路后，首先進(jìn)行信號(hào)匹配與預(yù)放大，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量發(fā)送到可編程邏輯控制器件（FPGA）中進(jìn)行處理，處理的內(nèi)容包括梯形成形濾波、數(shù)字過閾甄別、脈沖計(jì)數(shù)等流程，波形甄別的閾值由按鍵控制電路設(shè)置。同時(shí)，該電路包含20 個(gè)可編程輸入輸出接口，用于實(shí)現(xiàn)與高壓控制及信號(hào)讀出電路、按鍵控制電路、數(shù)碼管顯示電路的信號(hào)交互。

（2）高壓控制及信號(hào)讀出電路。該電路與探測(cè)器相連，用于為探測(cè)器提供高壓以及讀出探測(cè)器信號(hào)；高壓控制及信號(hào)讀出電路根據(jù)信號(hào)處理與控制核心電路發(fā)出的指令控制DAC 芯片（AD5663BRMZ）輸出不同電平，繼而控制高壓模塊（東文高壓模塊，型號(hào)DWP152-1C165A）產(chǎn)生不同高壓，產(chǎn)生的高壓通過10MΩ的電阻連接到GM管。由于GM管的輸出信號(hào)幅度通常較大（大于1 V），GM 計(jì)數(shù)管的信號(hào)讀出相對(duì)簡單，直接采用電容耦合即可讀出GM管信號(hào)。高壓控制及信號(hào)讀出電路的電路原理簡圖如圖4 所示。

圖4 高壓控制及信號(hào)讀出電路原理簡圖

（3）數(shù)碼管顯示電路。該電路由2 組6 位數(shù)碼管電路以及2 組4 位數(shù)碼管電路組成，2 個(gè)6 位數(shù)碼管分別用于顯示所設(shè)置的測(cè)量時(shí)間以及顯示目前已測(cè)量時(shí)間，時(shí)間顯示設(shè)置最大可到99 999 s。4 位數(shù)碼管分別為信號(hào)閾值設(shè)置顯示以及高壓設(shè)置顯示，閾值設(shè)置范圍為0～5 000 mV，高壓設(shè)置范圍為0～1 500 V。當(dāng)進(jìn)行某個(gè)參數(shù)設(shè)置時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管開始閃爍，用于提醒學(xué)生正在進(jìn)行該參數(shù)的設(shè)置。

（4）控制單元。由6 個(gè)按鈕組成，分別為開始、停止、復(fù)位、選擇、增加和減少。按鈕生產(chǎn)廠商為歐時(shí)，選型型號(hào)為891-9823，其機(jī)械壽命大于1 ×106次，能夠保證多位學(xué)生多次重復(fù)利用儀器。開始、停止以及復(fù)位用于GM管信號(hào)的定標(biāo)，選擇按鈕用于在時(shí)間設(shè)置、閾值設(shè)置以及高壓設(shè)置上進(jìn)行切換，用于減少按鍵數(shù)量。控制單元通過總線連接到信號(hào)處理與控制核心電路中，核心電路中通過程序進(jìn)行按鍵指令解析，并實(shí)現(xiàn)高壓配置、信號(hào)閾值設(shè)置、定時(shí)設(shè)置以及啟停設(shè)置。專用定標(biāo)器的實(shí)物圖如圖5 所示，目前該定標(biāo)器已使用近2 年，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行良好。

圖5 GM管專用定標(biāo)器實(shí)物圖

2 主要成效

多功能GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)于2018 年開始在我校核工程與核技術(shù)實(shí)驗(yàn)室投入使用，已有180 余名核工程與核技術(shù)、物理學(xué)專業(yè)學(xué)生利用該平臺(tái)進(jìn)行了認(rèn)知類實(shí)驗(yàn)、輻射探測(cè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、核技術(shù)專題、核物理研究綜合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)有少部分學(xué)生利用該平臺(tái)進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的原理驗(yàn)證、技術(shù)方案的可行性論證，平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，未出任何故障。圖6（a）所示為學(xué)生正在進(jìn)行輻射探測(cè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)GM 管坪曲線的測(cè)量，圖6（b）為測(cè)得的結(jié)果。

圖6 多功能GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)使用狀況

根據(jù)坪曲線測(cè)量結(jié)果可確定GM 管工作電壓為900～1 000 V，符合儀器說明書中高壓范圍。在確定了GM 計(jì)數(shù)管高壓的基礎(chǔ)上，學(xué)生利用該平臺(tái)進(jìn)行了核技術(shù)專題綜合實(shí)驗(yàn)“γ 射線在物質(zhì)中的吸收系數(shù)及材料厚度的測(cè)定”，圖7 所示為學(xué)生測(cè)得的137Cs 0.662MeVγ射線在鉛、銅、鋁中的吸收曲線。

圖7 0.662MeVγ射線分別在幾種金屬材料中的吸收曲線

利用本平臺(tái)測(cè)量得到的鉛、銅、鋁的線性吸收系數(shù)與國際公認(rèn)的理論值的誤差分別為6.77%，1.56%，1.55%。鉛的線性吸收系數(shù)誤差較大，可能的原因是鉛比較軟，在加工的過程中發(fā)生了形變，導(dǎo)致鉛厚度不準(zhǔn)，在后期加工過程種需要注意改進(jìn)。圖8所示為學(xué)生利用多功能GM管實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)測(cè)得的90Sr-90Yβ源在鋁吸收片中的吸收曲線。通過測(cè)量β 射線在物質(zhì)中的吸收，使學(xué)生了解β 射線與物質(zhì)相互作用的原理以及β射線的防護(hù)。

圖8 90Sr-90Yβ源在鋁吸收片中的吸收曲線

3 結(jié)論

針對(duì)GM管傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，設(shè)計(jì)了一套多功能GM 計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的整體機(jī)械設(shè)計(jì)及加工，完成了GM 管專用定標(biāo)器的研發(fā)。基于該平臺(tái)可完成多個(gè)認(rèn)知類、基礎(chǔ)類以及綜合類GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)。坪曲線測(cè)量實(shí)驗(yàn)、γ 射線吸收實(shí)驗(yàn)以及β射線吸收實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該平臺(tái)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論預(yù)期，滿足實(shí)際教學(xué)要求。到目前為止，多功能GM 管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定，未出任何故障。利用該平臺(tái)，減少了實(shí)驗(yàn)教學(xué)老師維護(hù)設(shè)備時(shí)間，能夠使學(xué)生更好地理解GM 計(jì)數(shù)管的工作原理，更為熟練地掌握GM管的操作方法及特性。