一种双GM计数管宽量程伽马剂量计及监测方法

一种双gm计数管宽量程伽马剂量计及监测方法
技术领域
1.本发明属于核辐射探测技术领域，具体涉及一种双gm计数管宽量程伽马剂量计。


背景技术：

2.gm计数管因其输出脉冲幅值大、稳定性高、成本低、前置电路结构简单等优点，被广泛应用于核辐射探测仪器中。尤其在需要对伽马剂量率进行连续多点监测的场合，gm计数管具有明显的优势。然而，一般来说，单个gm计数管的线性量程范围仅有3～4个数量级，而在各种应用场合中的剂量率范围可达7～8个数量级，传统单个gm计数管设计的伽马剂量计已不能满足需求。
3.采用具有不同量程范围的双gm计数管设计伽马剂量计，可有效扩展其线性量程范围，实现双gm计数管工作的关键技术是量程切换技术。现有的双gm计数管工作方式中，两个gm计数管同时工作或者一个gm计数管连续工作而另一个gm计数管受控制通断，会减少gm计数管的使用寿命，尤其在高剂量率下低量程gm计数管未关断时，会对低量程gm计数管产生更大的损伤；对两个gm计数管同时控制使得任何时刻仅有一个gm计数管工作的技术也相继被提出，其中，在高压侧串联开关的方式容易造成电路损坏，降低仪器的可靠性；在低压侧使用继电器作为开关的方式，电路结构复杂、体积大，而且存在电磁辐射。
4.受gm计数管固有死时间以及高剂量率下脉冲堆叠现象的影响，脉冲计数法工作模式下的gm计数管线性量程极易受限。其中，脉冲计数法下gm计数管的固有死时间，可以通过调整电路参数减小，比如降低阳极电阻值、选取合适的工作电压等，但这种方法只能在一定程度上减小gm计数管的固有死时间而不能彻底消除其影响。此外，高剂量率下脉冲堆叠的现象也会造成大量漏计数，导致gm计数管的量程受限，而通过改进信号调理电路可以减少脉冲堆叠，但是现有技术中针对脉冲堆叠现象改进电路的分析非常少，虽然gm计数管输出脉冲幅值大且易于检测，但其信号调理电路若不能得到改善，也会极大地降低剂量计仪器的性能。


技术实现要素：

5.为了解决了背景技术中gm计数管用作剂量率监测时的不足，本发明的目的在于提供一种双gm计数管宽量程伽马剂量计及监测方法，本发明实现了对gm计数管输出信号的高效处理以及高低量程gm计数管的稳定自动切换，能够有效拓宽伽马剂量计的线性探测量程，提高仪器性能。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种双gm计数管宽量程伽马剂量计，包括低压电源、高压电源、高量程gm计数管、低量程gm计数管、阳极负载、阴极负载、信号调理电路、量程切换电路、单片机工作系统、通讯模块以及上位机。低压电源用于给伽马剂量计提供工作电压，连接至伽马剂量计中需要供电的芯片和模块；高压电源用于给高量程gm计数管和低量程gm计数管提供工作电压；高量程gm计数管和低量程gm计数管用于检测环境中的伽马射线，两个gm计数管的阳极通过阳
极负载连接至高压电源，两个gm计数管的阴极连接至阴极负载；信号调理电路包括高量程gm计数管信号调理电路和低量程gm计数管信号调理电路，两个信号调理电路分别将各自的gm计数管产生的电流脉冲信号转化为规则的电压脉冲信号，其输入端分别连接至各自的gm计数管的阴极，输出端连接至单片机工作系统；量程切换电路包括高量程gm计数管量程切换电路和低量程gm计数管量程切换电路，分别用于控制各自的gm计数管的开通和关断，其控制端连接至单片机工作系统，另一端连接至阴极负载；单片机工作系统用于采集高量程gm计数管和低量程gm计数管产生的脉冲信号并转化为剂量率、控制高量程gm计数管和低量程gm计数管自动完成量程切换；单片机工作系统通过通讯模块将剂量率传送至上位机，实时显示当前剂量率。
8.所述高量程gm计数管信号调理电路和低量程gm计数管信号调理电路的结构相同，均包括gm计数管阴极负载电路、cr微分电路、双向限幅电路和幅值甄别器。对低量程gm计数管lgm信号调理电路描述如下：所述阴极负载电路由第一电容c1和第一电阻r1并联组成，其输入端连接至低量程gm计数管lgm阴极，输出端连接至第一开关三极管q1的集电极，将低量程gm计数管lgm产生的电流脉冲信号转化为电压脉冲信号；所述cr微分电路由第二电容c2和第二电阻r2串联组成，第二电容c2和第二电阻r2的连接点作为cr微分电路的输出端，第二电容c2另一端连接至低量程gm计数管lgm阴极，第二电阻r2另一端接地，cr微分电路将低量程gm计数管lgm阴极电压脉冲信号进一步转化为具有预设幅值和脉宽的电压脉冲信号，在一定程度上使前级堆叠的脉冲信号相互分开，减少高剂量率下的漏计数；所述双向限幅电路由第五电阻r5、第一开关二极管d1和第二开关二极管d2组成，第五电阻r5的输入端连接至cr微分电路的输出端，第一开关二极管d1负极连接至+5v，第一开关二极管d1正极连接至第二开关二极管d2负极，第二开关二极管d2正极接地，第一开关二极管d1和第二开关二极管d2的连接点连接至第五电阻r5的输出端和第一电压比较器u1的正向输入端，双向限幅电路将电压脉冲幅值限制在-0.6v～+5.6v之间，保护后级幅值甄别器；所述幅值甄别器由第一电压比较器u1和第一电位器rp1组成，第一电位器rp1两端分别连接至+5v和地，第一电位器rp1滑动端连接至第一电压比较器u1的负向输入端，用来调节幅值甄别器的阈值电压，幅值甄别器将前级脉冲信号转化为规则矩形电压脉冲信号。
9.所述高量程gm计数管量程切换电路和低量程gm计数管量程切换电路相同，其中低量程gm计数管lgm的量程切换电路由第一开关三极管q1、第三电阻r3和第四电阻r4组成。第一开关三极管q1的集电极连接至阴极负载电路，第一开关三极管q1的基极通过第三电阻r3连接至单片机工作系统，第一开关三极管q1的发射极接地，在第一开关三极管q1的基极和发射极间跨接第四电阻r4确保其工作状态的稳定。当单片机工作系统控制第一开关三极管q1开通时，低量程gm计数管lgm能在正常工作电压下产生电流脉冲信号，反之低量程gm计数管lgm则无法工作。在任何时刻，低量程gm计数管lgm的量程切换电路中第一开关三极管q1和高量程gm计数管hgm的量程切换电路中第二开关三极管q2有且仅有一个导通，即任何时刻有且仅有一个gm计数管处于工作状态，从而实现双gm计数管的量程切换控制。
10.所述单片机工作系统，由脉冲计数模块、计数率转剂量率模块和量程自动切换模块组成。信号调理电路输出的信号输入到脉冲计数模块得到计数率，再通过计数率转剂量率模块转化为剂量率。量程自动切换模块连接到低量程gm计数管量程切换电路中第一开关三极管q1和高量程gm计数管量程切换电路中第二开关三极管q2，采用滞回判断的逻辑方
法，当低量程gm计数管lgm处于工作状态时，若测得剂量率r大于q，则开通第二开关三极管q2切换为高量程gm计数管hgm工作；当高量程gm计数管hgm处于工作状态时，若测得剂量率r小于p，则开通第一开关三极管q1切换为低量程gm计数管lgm工作。量程滞回判断的方法能够避免剂量率处于临界状态时两个gm计数管反复切换的现象，提高自动切换稳定性。其中，q为量程切换模块中由低量程gm计数管lgm工作转换为高量程gm计数管hgm工作的判断阈值，p为量程切换模块中由高量程gm计数管hgm工作转换为低量程gm计数管lgm工作的判断阈值。
11.所述通讯模块，基于单片机串口通讯功能进行设计，同时为满足不同环境的需求，设计rs485通讯和lora无线通讯两种方式。将采集到的剂量率传送至上位机，实现数据的实时监测。
12.基于上述双gm计数管伽马剂量计的监测方法，包括以下步骤：
13.步骤1，伽马剂量计上电后，首先初始化选通第二开关三极管q2，使高量程gm计数管hgm在直流高压hv下开始工作。
14.步骤2，当有伽马射线打到高量程gm计数管hgm的管壁上且在其气体灵敏区内引发电子雪崩时，将产生电流脉冲信号，此信号经过信号调理电路整形为幅值为5v脉宽为3us～7us的规则矩形电压脉冲。
15.步骤3，步骤2中的规则矩形电压脉冲输入到单片机工作系统的单片机引脚，矩形电压脉冲上升沿触发脉冲计数模块，累积1s内检测到的脉冲个数得到计数率。再通过计数率转剂量率模块，乘以高量程gm计数管hgm的标定系数得到剂量率r。
16.步骤4，单片机工作系统通过通讯模块将剂量率r传送至上位机界面，实时显示环境剂量率r。
17.步骤5，判断当前剂量率r是否在高量程gm计数管hgm的线性量程范围内。若在其量程范围内，则继续使用高量程gm计数管hgm进行测量，重复步骤2～步骤5；若不在其量程范围内，则关断第二开关三极管q2使高量程gm计数管hgm停止工作，同时开通第一开关三极管q1使低量程gm计数管lgm开始工作，重复步骤2～步骤5。
18.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
19.设计高性能的信号调理电路，将gm计数管产生的电流脉冲信号转化为幅值5v脉宽约5us的电压脉冲信号，响应迅速，可减少高剂量率下的脉冲堆积，减少漏计数，能够有效改善脉冲计数法模式下单个gm计数管的线性量程范围。此外，采用在gm计数管阴极串联开关三极管的方式，方便可靠地控制gm计数管通断，电路简单，易于控制，并且采用量程滞回判断的逻辑，实现双gm计数管的自动稳定切换，能够有效扩大剂量计的线性量程范围。本发明双gm计数管宽量程伽马剂量计结构简单，易于实现，可为相关技术的发展提供一定参考价值。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定：
21.图1为本发明双gm计数管宽量程伽马剂量计的系统硬件结构图；
22.图2为本发明双gm计数管宽量程伽马剂量计的部分关键电路原理图，其中主要包
括gm计数管的信号调理电路和量程切换电路；
23.图3为本发明量程滞回判断逻辑的示意图；
24.图4为本发明低量程gm计数管输出关键点实验波形；
25.图5为本发明高量程gm计数管输出关键点实验波形。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
27.如图1所示，本发明实施例提供一种双gm计数管宽量程伽马剂量计，包括低压电源、高压电源、高量程gm计数管、低量程gm计数管、阳极负载、阴极负载、信号调理电路、量程切换电路、单片机工作系统、通讯模块以及上位机。低压电源用于给伽马剂量计提供工作电压，连接至伽马剂量计中需要供电的芯片和模块；高压电源用于给高量程gm计数管和低量程gm计数管提供工作电压；高量程gm计数管和低量程gm计数管用于检测环境中的伽马射线，两个gm计数管的阳极通过阳极负载连接至高压电源，两个gm计数管的阴极连接至阴极负载；信号调理电路包括高量程gm计数管信号调理电路和低量程gm计数管信号调理电路，两个信号调理电路分别将各自的gm计数管产生的电流脉冲信号转化为规则的电压脉冲信号，其输入端分别连接至各自的gm计数管的阴极，输出端连接至单片机工作系统；量程切换电路包括高量程gm计数管量程切换电路和低量程gm计数管量程切换电路，分别用于控制各自的gm计数管的开通和关断，其控制端连接至单片机工作系统，另一端连接至阴极负载；单片机工作系统用于采集高量程gm计数管和低量程gm计数管产生的脉冲信号并转化为剂量率、控制高量程gm计数管和低量程gm计数管自动完成量程切换；单片机工作系统通过通讯模块将剂量率传送至上位机，实时显示当前剂量率。
28.如图2所示，高量程gm计数管信号调理电路和低量程gm计数管信号调理电路的结构相同，均包括gm计数管阴极负载电路、cr微分电路、双向限幅电路和幅值甄别器。对低量程gm计数管lgm信号调理电路描述如下：所述阴极负载电路由第一电容c1和第一电阻r1并联组成，其输入端连接至低量程gm计数管lgm阴极，输出端连接至第一开关三极管q1的集电极，将低量程gm计数管lgm产生的电流脉冲信号转化为电压脉冲信号；所述cr微分电路由第二电容c2和第二电阻r2串联组成，第二电容c2和第二电阻r2的连接点作为cr微分电路的输出端，第二电容c2另一端连接至低量程gm计数管lgm阴极，第二电阻r2另一端接地，cr微分电路将低量程gm计数管lgm阴极电压脉冲信号进一步转化为具有预设幅值和脉宽的电压脉冲信号，在一定程度上使前级堆叠的脉冲信号相互分开，减少高剂量率下的漏计数；所述双向限幅电路由第五电阻r5、第一开关二极管d1和第二开关二极管d2组成，第五电阻r5的输入端连接至cr微分电路的输出端，第一开关二极管d1负极连接至+5v，第一开关二极管d1正极连接至第二开关二极管d2负极，第二开关二极管d2正极接地，第一开关二极管d1和第二开关二极管d2的连接点连接至第五电阻r5的输出端和第一电压比较器u1的正向输入端，双向限幅电路将电压脉冲幅值限制在-0.6v～+5.6v之间，保护后级幅值甄别器；所述幅值甄别器由第一电压比较器u1和第一电位器rp1组成，第一电位器rp1两端分别连接至+5v和地，第一电位器rp1滑动端连接至第一电压比较器u1的负向输入端，用来调节幅值甄别器的阈值电压，幅值甄别器将前级脉冲信号转化为规则矩形电压脉冲信号。
29.如图2所示，高量程gm计数管量程切换电路和低量程gm计数管量程切换电路相同，
其中低量程gm计数管量程切换电路由第一开关三极管q1、第三电阻r3和第四电阻r4组成。第一开关三极管q1的集电极连接至阴极负载电路，第一开关三极管q1的基极通过第三电阻r3连接至单片机工作系统，第一开关三极管q1的发射极接地，在第一开关三极管q1的基极和发射极间跨接第四电阻r4确保其工作状态的稳定。当单片机工作系统控制第一开关三极管q1开通时，低量程gm计数管能在正常工作电压下产生电流脉冲信号，反之低量程gm计数管则无法工作。在任何时刻，低量程gm计数管lgm量程切换电路中第一开关三极管q1和高量程gm计数管hgm量程切换电路中第二开关三极管q2有且仅有一个导通，即任何时刻有且仅有一个gm计数管处于工作状态，从而实现双gm计数管的量程切换控制。
30.单片机工作系统由脉冲计数模块、计数率转剂量率模块和量程自动切换模块组成。信号调理电路输出的信号输入到脉冲计数模块得到计数率，再通过计数率转剂量率模块转化为剂量率。量程自动切换模块连接到低量程gm计数管量程切换电路中第一开关三极管q1和高量程gm计数管量程切换电路中第二开关三极管q2，采用滞回判断的逻辑方法，量程滞回判断逻辑的示意图如图3所示。当低量程gm计数管lgm处于工作状态时，若测得剂量率r大于q，则开通第二开关三极管q2切换为高量程gm计数管hgm工作；当高量程gm计数管hgm处于工作状态时，若测得剂量率r小于p，则开通第一开关三极管q1切换为低量程gm计数管lgm工作。量程滞回判断的方法能够避免剂量率处于临界状态时两个gm计数管反复切换的现象，提高自动切换稳定性。其中，q为量程切换模块中由低量程gm计数管lgm工作转换为高量程gm计数管hgm工作的判断阈值，p为量程切换模块中由高量程gm计数管hgm工作转换为低量程gm计数管lgm工作的判断阈值。
31.通讯模块基于单片机串口通讯功能进行设计，同时为满足不同环境的需求，设计rs485通讯和lora无线通讯两种方式。将采集到的剂量率传送至上位机，实现数据的实时监测。
32.本发明实施例还提供一种基于上述双gm计数管伽马剂量计的监测方法，包括以下步骤：
33.步骤1，伽马剂量计上电后，首先初始化选通第二开关三极管q2，使高量程gm计数管hgm在直流高压hv下开始工作。
34.步骤2，当有伽马射线打到高量程gm计数管hgm的管壁上且在其气体灵敏区内引发电子雪崩时，将产生电流脉冲信号，此信号经过信号调理电路整形为幅值为5v脉宽为3us～7us的规则矩形电压脉冲。
35.步骤3，步骤2中的规则矩形电压脉冲输入到单片机工作系统的单片机引脚，矩形电压脉冲上升沿触发脉冲计数模块，累积1s内检测到的脉冲个数得到计数率。再通过计数率转剂量率模块，乘以高量程gm计数管hgm的标定系数得到剂量率r。
36.步骤4，单片机工作系统通过通讯模块将剂量率r传送至上位机界面，实时显示环境剂量率r。
37.步骤5，判断当前剂量率r是否在高量程gm计数管hgm的线性量程范围内。若在其量程范围内，则继续使用高量程gm计数管hgm进行测量，重复步骤2～步骤5；若不在其量程范围内，则关断第二开关三极管q2使高量程gm计数管hgm停止工作，同时开通第一开关三极管q1使低量程gm计数管lgm开始工作，重复步骤2～步骤5。
38.具体实施例如下：
39.双gm计数管宽量程伽马剂量计使用两节3.7v锂电池串联供电，通过低压电源将锂电池供电电压转化为仪器所需的5v和3.3v电压；高压电源使用东文高压dw-p102-0.5al1型号的高压模块产生550v的直流高压hv，作为高量程gm计数管hgm和低量程gm计数管lgm的供电电压hv。
40.高量程gm计数管hgm选用zp1301型号，工作电压范围为500v～600v，量程范围为1
×
10-1
～1
×
104mgy/h；低量程gm计数管lgm选用zp1321型号，工作电压范围为500v～650v，量程范围为3
×
10-3
～1
×
102mgy/h。因两个gm计数管工作坪区电压存在大范围重合，所以使用共同的供电电压hv。根据选用的两个gm计数管的量程范围，单片机工作系统量程切换模块中的阈值p取值1mgy/h，q取值10mgy/h。根据两个gm计数管的数据手册，阳极电阻阻值越小gm计数管死时间越小，所以为减小死时间的影响，阳极电阻在满足最小阻值的要求下应尽量取低阻值。
41.阴极负载电路由第一电容c1和第一电阻r1并联组成，将gm计数管产生的电流脉冲信号转化为电压脉冲信号。实验发现，第一电容c1容值越大，阴极电压脉冲脉宽越大幅值越小；第一电阻r1阻值越大，阴极电压脉冲脉宽越大幅值越大。根据需求调整第一电容c1和第一电阻r1两个元件参数可以得到脉宽较窄且幅值易于检测的电压脉冲信号。
42.cr微分电路由第二电容c2和第二电阻r2组成，将gm计数管阴极电压脉冲信号进一步转化为具有合适幅值和脉宽的电压信号。实验发现，第二电容c2容值越大，输出脉冲幅值越大，对脉宽影响较小；第二电阻r2阻值越大，输出脉冲脉宽越宽，对幅值影响较小。调整第二电容c2和第二电阻r2两个元件参数可以得到脉宽小于10us幅值约5v的电压脉冲信号，此cr微分电路在一定程度上可以使前级堆叠的脉冲信号相互分开，减少高剂量率下的漏计数。
43.对于低量程gm计数管lgm，调整其信号调理电路的参数后，使用示波器可测得如图4所示的实验波形，三个波形分别对应图2中a、b、c三点的信号。由图4可知，此时a点波形幅值为12.73v，fwhm为6.56us，b点波形幅值为5.34v，fwhm为2.13us。
44.对于高量程gm计数管hgm，调整其信号调理电路的参数后，使用示波器可测得如图5所示的实验波形，三个波形分别对应图2中d、f、e三点的信号。由图5可知，此时d点波形幅值为9.17v，fwhm为17.57us，e点波形幅值为5.32v，fwhm为3.50us。
45.上述b点和e点电压脉冲信号分别输入到双通道幅值甄别器的两个正向输入端，此处第一电压比较器u1和第二电压比较器u2采用tlv3502型号，响应时间在ns级。调节第一电位器rp1和第二电位器rp2使负向输入端阈值电压为1v。当输入脉冲信号幅值高于所设阈值电压时，幅值甄别器输出5v高电平，反之幅值甄别器输出0v低电平。从而将前级脉冲信号转化为脉宽约5us幅值5v的规则矩形电压脉冲信号，如图4中c点波形和图5中f点波形所示，实现高速脉冲整形。
46.整形后的双路脉冲分别输入到单片机引脚，进行剂量率数据采集。单片机采用st公司的stm32f103zet6型号，时钟工作频率为72mhz。
47.以上所述仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。