基于GM管和單片機實現(xiàn)環(huán)境γ劑量率測量儀的設計

此儀器為測量環(huán)境中γ放射性劑量率濃度的測量儀表，分成探頭和主機兩大部分：其中探頭由高低量程GM計數(shù)管、計數(shù)單元和通訊單元組成；主機由通訊、處理單元、鍵盤、和顯示部分組成。

1 探頭原理

1．1 蓋革-彌勒計數(shù)管原理

GM管原理見圖1。蓋革-彌勒計數(shù)管（GM管）也稱氣體放電計數(shù)器。一個密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內壁涂一層導電物質，或是一個金屬圓管作陰極，內部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。特點是工作電壓低。

當射線進入計數(shù)管后氣體被電離，負離子由陽極吸引移向陽極時，離子又與其他氣體分子碰撞后產生多個次級電子，快到陽極時次極電子急劇倍增產生雪崩現(xiàn)象。雪崩引起陽極整條線上雪崩，發(fā)生放電，放電后空間電子又被中和，剩下許多正離子包圍陽極，形成正離子鞘。正離子鞘和陽極間的電場因正離子的存在而減弱。此時若有電子運動到該區(qū)域，也會產生雪崩放電，這段時間不能計數(shù)，稱“死時間”。正離子打到陰極時會產生（打出）電子，電子被電場加速，又引起計數(shù)管放電產生正離子鞘，這一過程循環(huán)出現(xiàn)。

計數(shù)管上電壓U一定時，射線入射越強電流I越大，輸出脈沖數(shù)N越大，a、b段稱“坪”，蓋格計數(shù)管主要用于探測β粒子和γ射線。

1．2探頭電路

探頭有高壓產生電路、高低量程兩支蓋革-彌勒計數(shù)管（GM管）、單片機SM89C52、串口轉485通信芯片MAX485構成，如圖2所示。

高壓產生電路為高低量程GM管提供高壓，使得GM管可以工作。GM管用來測定輻射，射線通過GM管并引起電離時便使該GM管產生電流脈沖，脈沖經整形電路、2分頻電路后變成邊緣陡峭的方波，送到SM89C52的T0，T1定時器做計數(shù)，對低量程使用T0作計數(shù)，T1作1秒定時，而高量程則使用T1作計數(shù)，T0作定時，主機可通過發(fā)送命切換令高低量程測量，當探頭接到主機發(fā)來的查詢命令后便把每秒計數(shù)值（CPS）返回給主機。探頭電源透過電纜從主機得到。

低量程GM管ZP1210和高量程GM管Zp1304的接口方式不太一樣，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊設計如圖3所示。

2 主機工作原理

主機由單片機SM89C58，12 864點陣液晶、4個按鍵、MAX 485芯片、AT24C64、實時時鐘芯片M41T0構成，主機和探頭通過電纜連接，如圖4所示。主機的工作是定時查詢探頭，得到CPS，運算轉換成劑量率顯示在LCD上，同時根據(jù)該數(shù)據(jù)決定是否發(fā)送命令切換測量通道、給高低量程GM管哪一個加高壓。M41T0給系統(tǒng)提供實時時鐘。AT24C64用來保存系統(tǒng)參數(shù)和密碼等，也用來保存帶有時間信息的測量結果，在測量界面下用戶對當前測量結果可以保存，以便事后追查。主機在液晶上通過菜單配合4個按鍵來實現(xiàn)參數(shù)的設定、時間日期調整、密碼管理等。并提供中英文兩種語言切換，可擴展其他任意語言顯示。

探頭GM管得到的每秒計數(shù)值（CPS）需要經過運算才能轉換為劑量率的的單位為微戈瑞每小時（μGy／h），轉換公式為：

其中D是劑量率，單位是μGy／h；K是探頭靈敏度，常數(shù)；t是死時間（dead time），單位是s；N是每秒計數(shù)值，即每一秒GM管受輻射而產生脈沖個數(shù)。對于低量程探頭（ZP1210），t的取值范圍是50～80μs，K的取值范圍是2．5～3．2；對于高量程探頭（ZP1304），t的取值范圍是21～35 μs，K的取值范圍是O．030～0．040。高低GM管的ι，K均可在主機通過菜單設定，而每一套測量儀均需要做校準來設定ι，K值。由于ι，K是整個計算的重要參數(shù)，不能被使用者隨意修改，因此在儀器設計時，添加了密碼保護功能，進入ι，K的設定菜單需要使用者輸入密碼，密碼驗證通過才能修改ι，K參數(shù)。

由于放射性的隨機特性，故由儀器所檢測到的CPS會有抖動變化，主機程序對連續(xù)數(shù)次測量結果做平滑濾波處理，使得測量結果更準確。若是取平均的測量結果太少，平滑效果不佳；若是取平均的測量結果太多，那么會導致儀器相應速度變得很慢。因此綜合考慮采取5個點的平均。

3 量程切換

低量程GM管ZP1210可以測量10-1～104μGy／h的輻射劑量，而高量程GM管ZP1304可以測量102～107μGy／h的輻射劑量。

量程切換見圖5，主機根據(jù)從機得來的實時CPS數(shù)據(jù)運算得到以μGy／h為單位的劑量率結果，主機會檢測連續(xù)的數(shù)次測量結果，當發(fā)現(xiàn)測量結果的變化趨勢是從小于1200 μGy／h變到大于1 200μGy／h時，主機發(fā)送命令給從機，讓從機對高量程GM測量計數(shù)值；當發(fā)現(xiàn)測量結果的變化趨勢是大于800 μGy／h變到小于800μGy／h時，主機發(fā)送命令給從機，讓從機對低量程GM測量計數(shù)。這樣高低量程GM管測量切換分別發(fā)生在800μGy／h和1 200μGy／h兩個位置，從而避免了在單一位置實施切換時容易發(fā)生振鈴，頻繁切換高低量程的情況出現(xiàn)。

當出現(xiàn)大劑量輻射時低量程GM管的高壓應當關斷，停止工作，以避免損傷低量程GM管，再加上為了節(jié)省電池電能，探頭有必要對耗電的高壓產生電路實施控制。主機發(fā)現(xiàn)測量結果小于800μGy／h時關斷高量程GM管的高壓、打開低量程GM管的高壓，大于1 200μGy／h時關斷低量程GM管的高壓、打開高量程GM管的高壓，大于800 μGy／h小于1 200 μGy／h時同時打開高低量程GM管的高壓。高低量程GM管高壓打開、關斷控制切換圖如圖6所。

為了避免開機時，大劑量輻射損傷低量程GM管，開機時探頭給高量程GM管加高壓，關斷低量程GM管高壓，測量從高通道GM開始。探頭的單片機SM89C52根據(jù)主機的命令來決定是否對于高低量程GM管加高壓。

4 聲光報警

由于射線的危險性，當環(huán)境的射線劑量大于一定值時，儀器需要給用戶提示，提醒用戶注意。用戶可以設定儀器的報警閾值。當主機判別劑量值大于用戶設定的閾值時，主機在液晶屏幕上顯示“超過閾值”的報警提示，并且響起蜂鳴器。

主機在發(fā)現(xiàn)跟探頭通訊失敗后也需要報警提示用戶去檢查線路和探頭。

5 結 語

環(huán)境γ劑量率測量儀研制成功，經校準后交付給用戶，用戶反映良好。本儀器主要用來對γ射線進行劑量率的測量并報警，也可應用于工業(yè)無損探傷、醫(yī)院γ刀治療、同位素應用、γ輻照、醫(yī)院X射線診斷、鈷治療、核電站等放射性場所，提醒工作人員放射源或射線裝置已處于工作或泄漏狀態(tài)，從而保護工作人員的安全。

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