r剂量率测量仪的研制

此仪器为测量环境中γ放射性剂量率浓度的测量仪表，分成探头和主机两大部分：其中探头由高低量程GM计数管、计数单元和通讯单元组成；主机由通讯、处理单元、键盘、和显示部分组成。

1 探头原理
1．1 盖革-弥勒计数管原理

GM管原理见图1。盖革-弥勒计数管(GM管)也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质，或是一个金属圆管作阴极，内部抽空充惰性气体(氖、氦)、卤族气体。特点是工作电压低。

当射线进入计数管后气体被电离，负离子由阳极吸引移向阳极时，离子又与其他气体分子碰撞后产生多个次级电子，快到阳极时次极电子急剧倍增产生雪崩现象。雪崩引起阳极整条线上雪崩，发生放电，放电后空间电子又被中和，剩下许多正离子包围阳极，形成正离子鞘。正离子鞘和阳极间的电场因正离子的存在而减弱。此时若有电子运动到该区域，也会产生雪崩放电，这段时间不能计数，称"死时间"。正离子打到阴极时会产生(打出)电子，电子被电场加速，又引起计数管放电产生正离子鞘，这一过程循环出现。

计数管上电压U一定时，射线入射越强电流I越大，输出脉冲数N越大，a、b段称"坪"，盖格计数管主要用于探测β粒子和γ射线。

1．2探头电路

探头有高压产生电路、高低量程两支盖革-弥勒计数管(GM管)、单片机SM89C52、串口转485通信芯片MAX485构成，如图2所示。

高压产生电路为高低量程GM管提供高压，使得GM管可以工作。GM管用来测定辐射，射线通过GM管并引起电离时便使该GM管产生电流脉冲，脉冲经整形电路、2分频电路后变成边缘陡峭的方波，送到SM89C52的T0，T1定时器做计数，对低量程使用T0作计数，T1作1秒定时，而高量程则使用T1作计数，T0作定时，主机可通过发送命切换令高低量程测量，当探头接到主机发来的查询命令后便把每秒计数值(CPS)返回给主机。探头电源透过电缆从主机得到。

低量程GM管ZP1210和高量程GM管Zp1304的接口方式不太一样，依据数据手册设计如图3所示。

2 主机工作原理

主机由单片机SM89C58，12 864点阵液晶、4个按键、MAX 485芯片、AT24C64、实时时钟芯片M41T0构成，主机和探头通过电缆连接，如图4所示。主机的工作是定时查询探头，得到CPS，运算转换成剂量率显示在LCD上，同时根据该数据决定是否发送命令切换测量通道、给高低量程GM管哪一个加高压。M41T0给系统提供实时时钟。AT24C64用来保存系统参数和密码等，也用来保存带有时间信息的测量结果，在测量界面下用户对当前测量结果可以保存，以便事后追查。主机在液晶上通过菜单配合4个按键来实现参数的设定、时间日期调整、密码管理等。并提供中英文两种语言切换，可扩展其他任意语言显示。

探头GM管得到的每秒计数值(CPS)需要经过运算才能转换为剂量率的的单位为微戈瑞每小时(μGy／h)，转换公式为：



其中D是剂量率，单位是μGy／h；K是探头灵敏度，常数；t是死时间(dead time)，单位是s；N是每秒计数值，即每一秒GM管受辐射而产生脉冲个数。对于低量程探头(ZP1210)，t的取值范围是50～80μs，K的取值范围是2．5～3．2；对于高量程探头(ZP1304)，t的取值范围是21～35 μs，K的取值范围是O．030～0．040。高低GM管的ι，K均可在主机通过菜单设定，而每一套测量仪均需要做校准来设定ι，K值。由于ι，K是整个计算的重要参数，不能被使用者随意修改，因此在仪器设计时，添加了密码保护功能，进入ι，K的设定菜单需要使用者输入密码，密码验证通过才能修改ι，K参数。

由于放射性的随机特性，故由仪器所检测到的CPS会有抖动变化，主机程序对连续数次测量结果做平滑滤波处理，使得测量结果更准确。若是取平均的测量结果太少，平滑效果不佳；若是取平均的测量结果太多，那么会导致仪器相应速度变得很慢。因此综合考虑采取5个点的平均。

3 量程切换

低量程GM管ZP1210可以测量10-1～104μGy／h的辐射剂量，而高量程GM管ZP1304可以测量102～107μGy／h的辐射剂量。

量程切换见图5，主机根据从机得来的实时CPS数据运算得到以μGy／h为单位的剂量率结果，主机会检测连续的数次测量结果，当发现测量结果的变化趋势是从小于1200 μGy／h变到大于1 200μGy／h时，主机发送命令给从机，让从机对高量程GM测量计数值；当发现测量结果的变化趋势是大于800 μGy／h变到小于800μGy／h时，主机发送命令给从机，让从机对低量程GM测量计数。这样高低量程GM管测量切换分别发生在800μGy／h和1 200μGy／h两个位置，从而避免了在单一位置实施切换时容易发生振铃，频繁切换高低量程的情况出现。