基于蓋革計數器的粒子輻射探測實驗

陳瀟驍，祁振杰

（南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京，210044）

0 引言

蓋革-米勒計數器，也稱氣體電離計數器，由H.蓋革和P.米勒于1928年發明。輻射探測在當今社會算是一個比較熱門的話題，伴隨重工業的發展、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日益關心的問題。根據國際標準指出當短時間內輻射劑量高于100mSv時，該輻射會對人體造成間接危害。當輻射劑量高于4000mSv時則會直接產生致命傷害。目前主要的粒子輻射探測方法有兩種：一種是閃爍探測器，主要由閃爍體、光的收集部件和光電轉換器件組成的輻射探測器。當粒子進入閃爍體時，閃爍體的原子或分子受激而產生熒光。利用光導和反射體等光的收集部件使熒光盡量多地射到光電轉換器件的光敏層上并打出光電子。這些光電子可直接或經過倍增后，由輸出級收集而形成電脈沖。早在1903年就有人發現 α粒子照射在硫化鋅粉末上可產生熒光的現象。但是，直到 1947年，將光電倍增管與閃爍體結合起來后才制成現代的閃爍探測器。很多物質都可以在粒子入射后而受激發光，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器，而電離探測器一般又以氣體電離探測為主，氣體電離探測器是指以氣體作為探測介質的輻射探測器。由于收集到的電荷量與兩個電極間電場強度有關，從而形成不同工作方式的氣體電離探測器。電離室、正比計數器和GM(蓋革)計數管統稱為氣體電離探測器。這三種氣體電離探測器的工作特點雖然不完全相同，但都具有一個共同點：射線使探測器內的工作氣體發生電離，然后收集所產生的電荷，從而達到記錄射線的目的。

目前，基于三種不同的氣體電離探測器均有其在各個方面的應用，本文主要介紹蓋革-米勒計數器的工作原理以及其在不同工作環境下的性能參數測試。

1 蓋革-米勒計數器

蓋革-米勒計數器裝置包括探測管、調理電路以及計數裝置，其中調理電路由555定時器構成，其計數輸出端可以連接單片機引腳記錄探測數據。整個系統硬件結構見圖1（電源模塊未給出）。

圖1 蓋革-米勒計數器硬件結構

蓋革-米勒計數器關鍵部分在于其氣體探測管，蓋革計數器是根據射線對氣體的電離性質設計成的。其探測管的通常結構是在一根兩端用絕緣物質密閉的金屬管內充入稀薄氣體（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氣體擊穿電壓的電壓。這樣在通常狀態下，管內氣體不放電，且處于電離的邊緣狀態；而當有高速粒子射入管內時，粒子的能量使管內氣體電離導電，在絲極與管壁之間產生迅速的氣體放電現象，從而輸出一個脈沖電流信號。通過適當地選擇加在絲極與管壁之間的電壓，就可以對被探測粒子的最低能量，從而對其種類加以甄選。具體實物圖見圖2所示。

圖2 蓋革米勒計數器實物圖

1.1 蓋革管

蓋革-米勒計數器的探測管，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極，管內充入稀薄的處于電離臨界狀態的惰性氣體，蓋革管結構見圖2。

圖2 蓋革管結構示意圖

1.2 坪特性曲線

計數管的計數率與所加電壓的關系稱為“坪特性”，“坪特性”是選用計數管的主要參數，圖3所示為典型的坪特性曲線，其中計數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：Vp=Vb2-Vb1

坪斜 ：（N2-N1）/0.5（N2+N1）×1/Vp×100%

N1是在電壓Vb1處的計數率

N2是在電壓Vb2處的計數率

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

2 信號調理電路

信號調理電路往往是把來自敏感元件檢測到的模擬信號轉換為便于數據采集、控制過程、執行計算顯示讀出和其他目的的數字信號。模擬信號可代表很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、位置、PH、光強等。但是敏感元件輸出的信號不能直接轉換為數字數據，因為其輸出的是相當小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數字數據之前必須進行調理。信號調理簡單的說就是指將敏感元件檢測到的各種信號轉換為標準信號。數字量輸入通道中的信號調理主要包括消抖、濾波、保護、電平轉換、隔離等。信號調理幫助將數據采集設備轉換成一套完整的數據采集系統。本文蓋革管計數輸出端所輸出的便是高頻且幅值不穩定的脈沖電流，通過信號調理電路后，將高頻電脈沖信號整形為一個有固定脈寬、幅值受限的方波信號，以便后續接入單片機計數顯示時更加精確穩定。

2.1 555定時器

本文所述信號調理電路主要由555定時器完成。555 定時器是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機械式定時器的中規模集成電路，因設計時輸入端有三個5KΩ的電阻而得名。555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以方便實現多諧振蕩器、單穩態觸發器和施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。由于使用靈活，方便，所以555定時器在波形的產生與變化，測量與控制，家用電器，電子玩具等許多領域中得到了應用。

555定時器內部含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發器，一個放電開關T，比較器的參考電壓由三只5KΩ的電阻器構成分壓，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觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號輸入并超過時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個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定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。555定時器內部電路結構見圖4所示。

圖4 555定時器內部結構圖

蓋革-米勒計數器的信號調理電路相當于用一片555定時器構成的單穩態觸發器，在外加脈沖的作用下，單穩態觸發器可以從一個穩定狀態翻轉到一個暫穩態，由于電路中RC延時環節的作用，該暫態維持一段時間又回到原來的穩態，暫穩態維持的時間取決于RC的參數值。

即當探測管每探測到一個高能射線粒子，釋放出的不穩定高頻電脈沖信號，該信號被傳輸到單穩態觸發器的輸入端后，單穩態觸發器的輸出端即輸出一個幅值穩定的方波脈沖信號，該方波脈沖信號后續更易被單片機捕捉計數顯示。單穩態觸發器電路見圖5所示。

圖5 單穩態觸發器電路圖

3 實驗測試及數據分析

本文中對蓋革管進行了相關測試實驗，實驗分別測量了蓋革管的坪特性曲線、調理電路輸入與輸出信號的對比以及同一輻射源與蓋革管的距離對蓋革管探測輻射的影響。根據此三則實驗的數據及分析，大致對蓋革計數器的工作環境、工作性能及影響因素有了一定的了解，以便后續對其深入探究。

3.1 坪特性曲線測試

本實驗通過在一定范圍改變蓋革管兩端電壓，觀測其計數率來得到數據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。測試數據表格見表1所示。

表1 電壓與計數率測試數據表

電壓與計數率關系見圖6所示，計數率在所加電壓范圍為320V～340V時，計數率隨電壓改變變化劇烈，而當電壓范圍在380V～400V之間變化時，計數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在390V左右。

圖6 坪特性曲線圖

3.2 輻射源距離對探測數據影響

本實驗通過調整輻射源與蓋革管的距離并測量數據來測試出輻射源距離對探測數據的影響，測試數據見表2（表2中粒子數為每分鐘探測到的粒子數）。

表2 探測粒子數與輻射源距離表

其具體關系見圖7所示，可以看出輻射源被探測到的粒子數與蓋革管距離輻射源的距離成近似反比的關系，可知當輻射源靠近蓋革管時測量數據更為精確。

圖7 輻射源距離與探測關系圖

3.3 調理電路輸入與輸出信號的對比

本實驗通過用示波器測量單穩態觸發器的輸入信號與輸出信號并進行信號對比分析探究單穩態觸發器的實際功能。如圖8所示為調理電路的輸入信號，及蓋革管捕捉到粒子后輸出的電脈沖信號，可以看出其為一個不穩定的高頻電脈沖信號，存在時間短，難以被記錄。而如圖9所示為調理電路輸出端信號波形，可以看出是一個幅值穩定，有固定頻率的方波脈沖信號，這樣的脈沖信號容易被捕捉記錄并計數，且容易被單片機捕捉以做后續數據處理。

圖8 輸入信號圖

圖9 輸出信號圖

4 實驗結果及討論

通過上述實驗測試數據及分析可以得出，每個蓋革計數管都有其最理想的工作電壓，其一般需要通過實驗測試得出，且蓋革計數器在理想工作電壓下工作得到的探測數據更為精確。本文也發現輻射源被探測到的粒子數與蓋革管距離輻射源的距離成近似反比的關系，可以看出當輻射源靠近蓋革管時測量數據更為精確。