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。輻射探測在當(dāng)今社會算是一個比較熱門的話題，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)國際標(biāo)準(zhǔn)指出當(dāng)短時間內(nèi)輻射劑量高于100mSv時，該輻射會對人體造成間接危害。當(dāng)輻射劑量高于4000mSv時則會直接產(chǎn)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(zhuǎn)換器件組成的輻射探測器。當(dāng)粒子進(jìn)入閃爍體時，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(zhì)的輻射探測器。由于收集到的電荷量與兩個電極間電場強(qiáng)度有關(guān)，從而形成不同工作方式的氣體電離探測器。電離室、正比計(jì)數(shù)器和GM(蓋革)計(jì)數(shù)管統(tǒng)稱為氣體電離探測器。這三種氣體電離探測器的工作特點(diǎn)雖然不完全相同，但都具有一個共同點(diǎn)：射線使探測器內(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器均有其在各個方面的應(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)引腳記錄探測數(shù)據(jù)。整個系統(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管，蓋革計(jì)數(shù)器是根據(jù)射線對氣體的電離性質(zhì)設(shè)計(jì)成的。其探測管的通常結(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，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，從而輸出一個脈沖電流信號。通過適當(dāng)?shù)剡x擇加在絲極與管壁之間的電壓，就可以對被探測粒子的最低能量，從而對其種類加以甄選。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：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)行粒子探測工作。

2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路往往是把來自敏感元件檢測到的模擬信號轉(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。模擬信號可代表很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動、位置、PH、光強(qiáng)等。但是敏感元件輸出的信號不能直接轉(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。信號調(diào)理簡單的說就是指將敏感元件檢測到的各種信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號。數(shù)字量輸入通道中的信號調(diào)理主要包括消抖、濾波、保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換、隔離等。信號調(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，通過信號調(diào)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(xù)接入單片機(jī)計(jì)數(shù)顯示時更加精確穩(wěn)定。

2.1 555定時器

本文所述信號調(diào)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(jī)械式定時器的中規(guī)模集成電路，因設(shè)計(jì)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(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定時器在波形的產(chǎn)生與變化，測量與控制，家用電器，電子玩具等許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。

555定時器內(nèi)部含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(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)輸入信號輸入并超過時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)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(dāng)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(shí)現(xiàn)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(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)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(nèi)部電路結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的信號調(diào)理電路相當(dāng)于用一片555定時器構(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)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個暫穩(wěn)態(tài)，由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時間取決于RC的參數(shù)值。

即當(dāng)探測管每探測到一個高能射線粒子，釋放出的不穩(wěn)定高頻電脈沖信號，該信號被傳輸?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幅值穩(wěn)定的方波脈沖信號，該方波脈沖信號后續(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)測試及數(shù)據(jù)分析

本文中對蓋革管進(jìn)行了相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分別測量了蓋革管的坪特性曲線、調(diào)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(jù)此三則實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及分析，大致對蓋革計(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)對其深入探究。

3.1 坪特性曲線測試

本實(shí)驗(yàn)通過在一定范圍改變蓋革管兩端電壓，觀測其計(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。測試數(shù)據(jù)表格見表1所示。

表1 電壓與計(jì)數(shù)率測試數(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，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，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 輻射源距離對探測數(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量數(shù)據(jù)來測試出輻射源距離對探測數(shù)據(jù)的影響，測試數(shù)據(jù)見表2（表2中粒子數(shù)為每分鐘探測到的粒子數(shù)）。

表2 探測粒子數(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測量數(shù)據(jù)更為精確。

圖7 輻射源距離與探測關(guān)系圖

3.3 調(diào)理電路輸入與輸出信號的對比

本實(shí)驗(yàn)通過用示波器測量單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號與輸出信號并進(jìn)行信號對比分析探究單穩(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，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(wěn)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(diào)理電路輸出端信號波形，可以看出是一個幅值穩(wěn)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(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 輸入信號圖

圖9 輸出信號圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

通過上述實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及分析可以得出，每個蓋革計(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數(shù)據(jù)更為精確。本文也發(fā)現(xiàn)輻射源被探測到的粒子數(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測量數(shù)據(jù)更為精確。