三种gm计数管剂量仪的设计思想

陇 ; 璐 ' 9 8 全国辐射防护学术研讨会论文汇编1 9 9 8 年 1 1 月 三种G M计数管剂量仪的设计思想 宋立军刘伯学张恩山 ( 防化研究院， 北京， 1 0 2 2 0 5 ) 摘要本文介绍了3 种辐射剂量( 率) 监测仪器的设计思想及其所达到的技术指标. 采用分段z 次函数 或指数函数拟和的方法修正非线性， 使每一个G M计数管的线性响应范围由2 个份级扩展到近 5 个量 级; 采用可变测皿时间， 保证了对响应时间的要求和在低剂量率条件下对测盘结果的统计误差的要求; 采 用自 适应供电方式( 即由辐射水平自 动确定高压电源的电流大小) 降低仪器功耗; 采用单片徽处理器技术 提高仪器的自 动化和智能化。 4 WA G M计教管核辐射监测仪微处理器环境辐射 J. 1 引言 G M计数管在原则上是用于注量率测量的一种核辐射探测器. 通过辐射注量与剂量的物理转 换也可用于剂量( 率) 的测量。 用G M计数管作探测器的剂量率仪器具有结构简单、 使用方便和环 境适应性好等特点， 广泛用于放射性污染辐射场的剂量( 率) 的测量与报替。然而其灵敏度低、 自 身 本底高、 固有线性范围窄、 能量响应差等， 用于天然) 辐射水平监恻存在一定的间题. 在研究放射性监测与报警仪器的基础上， 我们开发了B N - 1 固 定式Y 辐射监测仪、 P D M个人 剂量( 率) 仪、 A P D M个人剂量计等几种仪器。其特点是既能用于高水平放射性污染环境的剂量率 监 测 与 报 警 ， 也 可 兼 顾 测 量 自 然 环 境 辐 射 的 剂 量 率 。 本 文 主 要 介 绍 这 几 种 辐 射 监 测 仪 器 的 设 ii 思 想、 测量方法及其所达到的一些技术指标。 争 2 三种辐射监测仪 近年来， 随着辐射量与单位的 发展， 研制了 儿个用于测量周围 剂量当 量( 率) 的监测仪， 扩展了 测量下限， 使其可用于自 然环境水平( 0 . 1 p S v h - ' ) 的辐射测量。 此外， 采用了带能量响应补偿的计 数管， 在5 0 k e V - - 1 . 2 5 Me V范围内能量响应不超过土 ' 0 0 / r a p 1 9 9 1 年完成的B N - 1 监测仪采用4 支J 3 0 5 并联负责低量程， 1 支J 3 0 2 负贵高量程， 测量范围 为0 . 1 p S v h - ' - - 1 0 S v h - ' 。 可以 用 于固 定点 的 辐 射 水平 监 测与 报 替。 采 用 调制 解调 器与 监测中 心 通 讯， 中心可以 控制其工作状态、 设置有关参数、 获取测量结果。 它可以 交直流自 动切换供电， 留电池 自 动充电。， : 在高灵敏度、 小体积计数管研究的基础上， 1 9 9 5 年完成的P D M个人剂量仪可用于个人剂位、 剂量率的 监测与报警。 低量程选用G J 6 4 0 1 ， 剂量率线 性测量范围为。 . 1 p S v h - ， 一1 0 m S v h - ' ， 剂量 范围 为0 . 1 p S v -4 0 0 m S v . 高量程选用J 5 , M量率线性范围 为1 p S v h - ' - 1 0 0 m S v h - ' , 剂量范围为 5 0 0 p s v -1 S v . 它的突出 特点 是小型化与低功耗， 体积为9 0 m m X 6 0 m m X 2 5 m m 。 微处理器 选用 低功耗的P I C 1 6 C 7 1 ， 开发了 基于P C F 8 5 7 6 的小型， 多用L C D显示器及其驱动片， 显示器能够显示 不同 n 为计数管的脉冲计数率， k , , k , , b 为拟合参数. 采用多段高次函数修正非线性， 回归拟 合的参数较多。 近来发展的指数函数修正方法， 函数形 式简单， 只需拟合2 个参数， 能使整个测盆 范围满足一定的误差要求 ' ) o A P D 1 “ 个人剂云计的非线 性补偿采用这种方法， 其计数管的非线性误差最大约5 0 。公式( 2 ) 给出了非线性补偿函数， 在 。1 岭v h - ' - 1 0 m S v h - ， 范围内， 合理地拟合系数， 非线性误 差不超过士1 0 0 o , H' ( 1 0 )二n / k e x p ( b n ) ( 2 ) 式中， k , b 为拟合参数。 3 ， 2 测且方法 对仪器的响应时间与计数统计误差的 要求是相互矛盾的。 在计数管灵敏度一定的条件下， 达到 一定的统计误差的要求， 辐射水平愈高， 测 蚤时间愈短。相反， 辐射水平愈低， 测量时间愈长。在仪 器的设计中， 采用以统计误差为核心自 动调整测量时间， 使仪器的响应时间与计数统计误差在其整 个测量范围内 始终处于最佳的动态配合， 在 保证统 计误差的前提下， 尽 量减小响 应时间 3 1 B N - 1 固定式丫 辐射监测仪采用由 计数的统计误差决定测云时间的设计思想. 低云程灵敏度约 为1 4 . 5 c p s / p S v h - ' ( 4 只J 3 0 5 并联) ， 在环 境辐 射水平( 约。 . 1 p S v h - ' ) 的显示( 响应) 时间及测盆显 示时间约为2 m i n 。随辐射水平增高， 测童、 响应时间逐渐减少， 最小为2 s , 在P D M剂量仪的设计中， 改进了仪器的显示方法。 取一个计数采样时间， 2 s ， 仪器在每一个采 样周期都显示测云结果， 测蚤值由此时刻以 前数个( M) 采样周期的总计数计算。 先确定3 个参数 MMz , Ma 。 翻 、卫、.矛IJ 九JJ咦亡口 r了、了、 M: 二1 +I N T 1 / ( X 2 N 一 ， ) 材: =I N T 仁 1 / 护从) Ma 二I N T 1 / ( X l ,n , N , ) 其中， X 为计数的相对统计方差要求， N , , N ; _ ， 分别是第i 次和上一个测量周期内的计数, AN为这 两次计数的变化。 在此基础上可确定既满足计数统计方差要求又减小响应时间的测量周期数M . M 二 ( M, ， Ma , Ma ) w ( 6 ) P D M剂量仪低量程使用G J 6 4 0 1 计数管， 其灵敏度约为 一2 一 2 c p s 加S v h - ' ， 在 1 0 - 1 0 0 p S v h - ' 份 . 宋立军等 三种G M计数管剂蛋仪的设计思想 . 级， 实测响应时间为3 s 。 而在环境辐射水平， 显示时间仍为2 s , 获得一个稳定的测蚤值约需7 m i n , 3 . 3 微功耗 首先在仪器设计时选用低功耗的微处理器、 显示器及其驱动电 路。 其次采用计数管的恒流 措 施。在高水平辐射场中， 由于恒流作用， 计数管在小电流条件下能正常稳定工作， 既可以降低功耗、 提高过载能力， 也能改善非线性闭. 第三采用自适应供电方式， 即由辐射水平的高低决定高压电源供给计数管工作电流的大小。 P D M剂量仪在3 0 t6 v h - 时 工作电 流为0 . 8 1+ A ， 而在1 0 m S v h - ， 时工作电流为2 7 p A ， 所耗功率相 差3 0 倍。 一般情况下， 仪器都工作在低水平辐射场， 可以 有效降低功耗。 P D M剂量仪在环境本底 ( 约0 . 1 p S v h - ' ) 测量时， 实测的功耗为1 . 7 m W。 一节新的3 . 6 V ( 0 . 8 A H ) 铿电池可连续工作1 5 0 0 h ( 即约 2 个月) 。 4 讨论 以上分析了3 个仪器的设计思想及其技术途径。 采用可变测量时间和适当的本底修正方法使 测量范围的 下端可以达到约0 . 1 p S v h - ' ， 即可以 测量自 然环境辐射 水平的剂量 率。 采用分段2 次函 数或指数函数回归拟合的方法修正剂量率响应的非线性， 使其线 性响应范围由2 个量级扩展到近 5 个量级。 采用低功耗元器件和自 适应高压技术， 有效地降低了仪器的功耗。 采用单片微处理器技 术提高仪器的自 动化和智能化。 感谢黄金振副研究员提供了有关计数管方面的资料和数据. . 参考文 献 1 刘伯学， 毛用泽， 马文帮 G M计数管剂掀串仪用于环垅辐射水平测皿时若干向题的研究. 核电子学与探测 技术， 1 9 9 5 . 1 5 ( 2 ) : 1 0 9 . 2 黄金振， 毛用泽. 用于智能辐射仪的卤素G M计数管盘程曲线拟合方法. 第七届全国核电子学与核探测技 术学术年会论文集， 江西庐山， 1 9 9 4 . 9 1 4 . 3 宋立军， 张恩山. 拓宽G M计数管鱼程方法新探 浮动响应时间 和非线性修正. 第七届全国核电子学与 核探测技术学术年会论文集， 江西庐山 ”9 4 . 2 4 1 . 4 黄金振. 0家G M计数竹限流应用研究. 核电 子学与探a ll 技术， 1 9 9 7 . 1 7 ( 1 ) : 6 1 . DE S I GN C ONCE P T S OF THREE RADI AT I ON MONI T ORS OF GM T UBE S S o n g L i j u n L i u B o x u e Z h a n g E n s h a n ( P O B o x 1 0 4 4 -2 0 0 , B e i j i n g , 1 0 2 2 0 5 ) Ab s t r a c t Th e mo n i t o r s . Th e pa p e r d e s c r i b e s s o med e s i g n i n g c o n c e p t s o f t h r e e t wo n o n l i n e a r f u n c t i o n s i su s e d t o c o r r e c t n o n l i n e a r o f a r a d i a t i o n d o s e ( r a t e ) G M t u b e . T h e li n e a r 诊 m e a s u r in g r a n g is im p r o v e d f r o m 2 t o 5 o r d e r s . I n o r d e r t o s a t is f y t h e r e q u ir e m e n t o f m e a s u r i n g t i m e 一3 一 宋立军等: 三种G M计数管剂量仪的设计思想 a n d s t a n d a r d d e v i a t i o n o f c o u n t , t h e v a r i e d m e a s u r i n g t i m e i s u s e d f o r d i f f e r e n t r a d i a t i o n l e v e l . T h e a u t o - c o n t r o l p o w e r m o d e l ( t h e c u r r e n t o f h i g h v o l t a g e p o w e r i s d e p e n d e d o n t h e r a d i a t io n l e v e l ) i s u s e d t o d e c r e a s e t h e p o w e r c o n s u m p t io n . K e y Wo r d G e i g e r - Mu e l l e r T u b e R a d i a t i o n Mo n i t o r Mi c r o p r o c e s s o r E n v i r o n m e n