基于蓋革計(jì)數(shù)器的粒子輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)

陳瀟驍，祁振杰

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京，210044）

0 引言

蓋革-米勒計(jì)數(shù)器，也稱氣體電離計(jì)數(shù)器，由H.蓋革和P.米勒于1928年發(fā)明。輻射探測(cè)在當(dāng)今社會(huì)算是一個(gè)比較熱門的話題，伴隨重工業(yè)的發(fā)展、電子器件的普及，越來越多的粒子輻射正悄然地來到我們的身邊。因此，如何有效地防范人體有害輻射成為人們?nèi)找骊P(guān)心的問題。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)指出當(dāng)短時(shí)間內(nèi)輻射劑量高于100mSv時(shí)，該輻射會(huì)對(duì)人體造成間接危害。當(dāng)輻射劑量高于4000mSv時(shí)則會(huì)直接產(chǎn)生致命傷害。目前主要的粒子輻射探測(cè)方法有兩種：一種是閃爍探測(cè)器，主要由閃爍體、光的收集部件和光電轉(zhuǎn)換器件組成的輻射探測(cè)器。當(dāng)粒子進(jìn)入閃爍體時(shí)，閃爍體的原子或分子受激而產(chǎn)生熒光。利用光導(dǎo)和反射體等光的收集部件使熒光盡量多地射到光電轉(zhuǎn)換器件的光敏層上并打出光電子。這些光電子可直接或經(jīng)過倍增后，由輸出級(jí)收集而形成電脈沖。早在1903年就有人發(fā)現(xiàn) α粒子照射在硫化鋅粉末上可產(chǎn)生熒光的現(xiàn)象。但是，直到 1947年，將光電倍增管與閃爍體結(jié)合起來后才制成現(xiàn)代的閃爍探測(cè)器。很多物質(zhì)都可以在粒子入射后而受激發(fā)光，因此閃爍體的種類很多，可以是固體、液體或氣體。另一種便是電離探測(cè)器，而電離探測(cè)器一般又以氣體電離探測(cè)為主，氣體電離探測(cè)器是指以氣體作為探測(cè)介質(zhì)的輻射探測(cè)器。由于收集到的電荷量與兩個(gè)電極間電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，從而形成不同工作方式的氣體電離探測(cè)器。電離室、正比計(jì)數(shù)器和GM(蓋革)計(jì)數(shù)管統(tǒng)稱為氣體電離探測(cè)器。這三種氣體電離探測(cè)器的工作特點(diǎn)雖然不完全相同，但都具有一個(gè)共同點(diǎn)：射線使探測(cè)器內(nèi)的工作氣體發(fā)生電離，然后收集所產(chǎn)生的電荷，從而達(dá)到記錄射線的目的。

目前，基于三種不同的氣體電離探測(cè)器均有其在各個(gè)方面的應(yīng)用，本文主要介紹蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的工作原理以及其在不同工作環(huán)境下的性能參數(shù)測(cè)試。

1 蓋革-米勒計(jì)數(shù)器

蓋革-米勒計(jì)數(shù)器裝置包括探測(cè)管、調(diào)理電路以及計(jì)數(shù)裝置，其中調(diào)理電路由555定時(shí)器構(gòu)成，其計(jì)數(shù)輸出端可以連接單片機(jī)引腳記錄探測(cè)數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1（電源模塊未給出）。

圖1 蓋革-米勒計(jì)數(shù)器硬件結(jié)構(gòu)

蓋革-米勒計(jì)數(shù)器關(guān)鍵部分在于其氣體探測(cè)管，蓋革計(jì)數(shù)器是根據(jù)射線對(duì)氣體的電離性質(zhì)設(shè)計(jì)成的。其探測(cè)管的通常結(jié)構(gòu)是在一根兩端用絕緣物質(zhì)密閉的金屬管內(nèi)充入稀薄氣體（通常是摻加了鹵素的稀有氣體，如氦、氖、氬等），在沿管的軸線上安裝有一根金屬絲電極，并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上略低于管內(nèi)氣體擊穿電壓的電壓。這樣在通常狀態(tài)下，管內(nèi)氣體不放電，且處于電離的邊緣狀態(tài)；而當(dāng)有高速粒子射入管內(nèi)時(shí)，粒子的能量使管內(nèi)氣體電離導(dǎo)電，在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象，從而輸出一個(gè)脈沖電流信號(hào)。通過適當(dāng)?shù)剡x擇加在絲極與管壁之間的電壓，就可以對(duì)被探測(cè)粒子的最低能量，從而對(duì)其種類加以甄選。具體實(shí)物圖見圖2所示。

圖2 蓋革米勒計(jì)數(shù)器實(shí)物圖

1.1 蓋革管

蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的探測(cè)管，也稱蓋革管，在其引出的金屬絲一端加上高伏正電壓，并將金屬管壁接入負(fù)極，管內(nèi)充入稀薄的處于電離臨界狀態(tài)的惰性氣體，蓋革管結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 蓋革管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 坪特性曲線

計(jì)數(shù)管的計(jì)數(shù)率與所加電壓的關(guān)系稱為“坪特性”，“坪特性”是選用計(jì)數(shù)管的主要參數(shù)，圖3所示為典型的坪特性曲線，其中計(jì)數(shù)率基本不隨電壓變化的部分稱為“坪”。

圖3 典型坪特性曲線圖

由圖示曲線可知

坪長(zhǎng)：Vp=Vb2-Vb1

坪斜 ：（N2-N1）/0.5（N2+N1）×1/Vp×100%

N1是在電壓Vb1處的計(jì)數(shù)率

N2是在電壓Vb2處的計(jì)數(shù)率

不同的蓋革管有不同的坪曲線，在使用蓋革管之前應(yīng)正確選擇其推薦工作電壓，保證蓋革管可以正常進(jìn)行粒子探測(cè)工作。

2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路往往是把來自敏感元件檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計(jì)算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)可代表很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動(dòng)、位置、PH、光強(qiáng)等。但是敏感元件輸出的信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因?yàn)槠漭敵龅氖窍喈?dāng)小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)單的說就是指將敏感元件檢測(cè)到的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)字量輸入通道中的信號(hào)調(diào)理主要包括消抖、濾波、保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換、隔離等。信號(hào)調(diào)理幫助將數(shù)據(jù)采集設(shè)備轉(zhuǎn)換成一套完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文蓋革管計(jì)數(shù)輸出端所輸出的便是高頻且幅值不穩(wěn)定的脈沖電流，通過信號(hào)調(diào)理電路后，將高頻電脈沖信號(hào)整形為一個(gè)有固定脈寬、幅值受限的方波信號(hào)，以便后續(xù)接入單片機(jī)計(jì)數(shù)顯示時(shí)更加精確穩(wěn)定。

2.1 555定時(shí)器

本文所述信號(hào)調(diào)理電路主要由555定時(shí)器完成。555 定時(shí)器是美國(guó)Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時(shí)器的中規(guī)模集成電路，因設(shè)計(jì)時(shí)輸入端有三個(gè)5KΩ的電阻而得名。555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以方便實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。由于使用靈活，方便，所以555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與變化，測(cè)量與控制，家用電器，電子玩具等許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。

555定時(shí)器內(nèi)部含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5KΩ的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。555定時(shí)器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的信號(hào)調(diào)理電路相當(dāng)于用一片555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時(shí)間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間取決于RC的參數(shù)值。

即當(dāng)探測(cè)管每探測(cè)到一個(gè)高能射線粒子，釋放出的不穩(wěn)定高頻電脈沖信號(hào)，該信號(hào)被傳輸?shù)絾畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端即輸出一個(gè)幅值穩(wěn)定的方波脈沖信號(hào)，該方波脈沖信號(hào)后續(xù)更易被單片機(jī)捕捉計(jì)數(shù)顯示。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路見圖5所示。

圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

本文中對(duì)蓋革管進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了蓋革管的坪特性曲線、調(diào)理電路輸入與輸出信號(hào)的對(duì)比以及同一輻射源與蓋革管的距離對(duì)蓋革管探測(cè)輻射的影響。根據(jù)此三則實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及分析，大致對(duì)蓋革計(jì)數(shù)器的工作環(huán)境、工作性能及影響因素有了一定的了解，以便后續(xù)對(duì)其深入探究。

3.1 坪特性曲線測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)通過在一定范圍改變蓋革管兩端電壓，觀測(cè)其計(jì)數(shù)率來得到數(shù)據(jù)并分析該蓋革管的坪特性曲線，從而得到蓋革管的推薦工作電壓。測(cè)試數(shù)據(jù)表格見表1所示。

表1 電壓與計(jì)數(shù)率測(cè)試數(shù)據(jù)表

電壓與計(jì)數(shù)率關(guān)系見圖6所示，計(jì)數(shù)率在所加電壓范圍為320V～340V時(shí)，計(jì)數(shù)率隨電壓改變變化劇烈，而當(dāng)電壓范圍在380V～400V之間變化時(shí)，計(jì)數(shù)率隨電壓值改變變化不大，所以得出本文中蓋革管的推薦工作電壓范圍最好應(yīng)在390V左右。

圖6 坪特性曲線圖

3.2 輻射源距離對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)影響

本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整輻射源與蓋革管的距離并測(cè)量數(shù)據(jù)來測(cè)試出輻射源距離對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的影響，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2（表2中粒子數(shù)為每分鐘探測(cè)到的粒子數(shù)）。

表2 探測(cè)粒子數(shù)與輻射源距離表

其具體關(guān)系見圖7所示，可以看出輻射源被探測(cè)到的粒子數(shù)與蓋革管距離輻射源的距離成近似反比的關(guān)系，可知當(dāng)輻射源靠近蓋革管時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)更為精確。

圖7 輻射源距離與探測(cè)關(guān)系圖

3.3 調(diào)理電路輸入與輸出信號(hào)的對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)通過用示波器測(cè)量單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)對(duì)比分析探究單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的實(shí)際功能。如圖8所示為調(diào)理電路的輸入信號(hào)，及蓋革管捕捉到粒子后輸出的電脈沖信號(hào)，可以看出其為一個(gè)不穩(wěn)定的高頻電脈沖信號(hào)，存在時(shí)間短，難以被記錄。而如圖9所示為調(diào)理電路輸出端信號(hào)波形，可以看出是一個(gè)幅值穩(wěn)定，有固定頻率的方波脈沖信號(hào)，這樣的脈沖信號(hào)容易被捕捉記錄并計(jì)數(shù)，且容易被單片機(jī)捕捉以做后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖8 輸入信號(hào)圖

圖9 輸出信號(hào)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

通過上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析可以得出，每個(gè)蓋革計(jì)數(shù)管都有其最理想的工作電壓，其一般需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出，且蓋革計(jì)數(shù)器在理想工作電壓下工作得到的探測(cè)數(shù)據(jù)更為精確。本文也發(fā)現(xiàn)輻射源被探測(cè)到的粒子數(shù)與蓋革管距離輻射源的距離成近似反比的關(guān)系，可以看出當(dāng)輻射源靠近蓋革管時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)更為精確。