基于GM管和单片机实现环境γ剂量率测量仪的设计

枫雪路 2020-08-14 4570

测量仪表

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描述

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。

单片机

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。

单片机

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。

单片机

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。

单片机

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：

单片机

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。

单片机

当出现大剂量辐射时低量程GM管的高压应当关断，停止工作，以避免损伤低量程GM管，再加上为了节省电池电能，探头有必要对耗电的高压产生电路实施控制。主机发现测量结果小于800μGy／h时关断高量程GM管的高压、打开低量程GM管的高压，大于1 200μGy／h时关断低量程GM管的高压、打开高量程GM管的高压，大于800 μGy／h小于1 200 μGy／h时同时打开高低量程GM管的高压。高低量程GM管高压打开、关断控制切换图如图6所。

单片机

为了避免开机时，大剂量辐射损伤低量程GM管，开机时探头给高量程GM管加高压，关断低量程GM管高压，测量从高通道GM开始。探头的单片机SM89C52根据主机的命令来决定是否对于高低量程GM管加高压。

4 声光报警

由于射线的危险性，当环境的射线剂量大于一定值时，仪器需要给用户提示，提醒用户注意。用户可以设定仪器的报警阈值。当主机判别剂量值大于用户设定的阈值时，主机在液晶屏幕上显示“超过阈值”的报警提示，并且响起蜂鸣器。

主机在发现跟探头通讯失败后也需要报警提示用户去检查线路和探头。

5 结语

环境γ剂量率测量仪研制成功，经校准后交付给用户，用户反映良好。本仪器主要用来对γ射线进行剂量率的测量并报警，也可应用于工业无损探伤、医院γ刀治疗、同位素应用、γ辐照、医院X射线诊断、钴治疗、核电站等放射性场所，提醒工作人员放射源或射线装置已处于工作或泄漏状态，从而保护工作人员的安全。

责任编辑：gt

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