基于GM管和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)境γ劑量率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

此儀器為測(cè)量環(huán)境中γ放射性劑量率濃度的測(cè)量?jī)x表，分成探頭和主機(jī)兩大部分：其中探頭由高低量程GM計(jì)數(shù)管、計(jì)數(shù)單元和通訊單元組成；主機(jī)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(jì)數(shù)管原理

GM管原理見(jiàn)圖1。蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管（GM管）也稱氣體放電計(jì)數(shù)器。一個(gè)密封玻璃管，中間是陽(yáng)極用鎢絲材料制作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)，或是一個(gè)金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。特點(diǎn)是工作電壓低。

當(dāng)射線進(jìn)入計(jì)數(shù)管后氣體被電離，負(fù)離子由陽(yáng)極吸引移向陽(yáng)極時(shí)，離子又與其他氣體分子碰撞后產(chǎn)生多個(gè)次級(jí)電子，快到陽(yáng)極時(shí)次極電子急劇倍增產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象。雪崩引起陽(yáng)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(yáng)極，形成正離子鞘。正離子鞘和陽(yáng)極間的電場(chǎng)因正離子的存在而減弱。此時(shí)若有電子運(yùn)動(dòng)到該區(qū)域，也會(huì)產(chǎn)生雪崩放電，這段時(shí)間不能計(jì)數(shù)，稱“死時(shí)間”。正離子打到陰極時(shí)會(huì)產(chǎn)生（打出）電子，電子被電場(chǎng)加速，又引起計(jì)數(shù)管放電產(chǎn)生正離子鞘，這一過(guò)程循環(huán)出現(xiàn)。

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

1．2探頭電路

探頭有高壓產(chǎn)生電路、高低量程兩支蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管（GM管）、單片機(jī)SM89C52、串口轉(zhuǎn)485通信芯片MAX485構(gòu)成，如圖2所示。

高壓產(chǎn)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(lái)測(cè)定輻射，射線通過(guò)GM管并引起電離時(shí)便使該GM管產(chǎn)生電流脈沖，脈沖經(jīng)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(shí)器做計(jì)數(shù)，對(duì)低量程使用T0作計(jì)數(shù)，T1作1秒定時(shí)，而高量程則使用T1作計(jì)數(shù)，T0作定時(shí)，主機(jī)可通過(guò)發(fā)送命切換令高低量程測(cè)量，當(dāng)探頭接到主機(jī)發(fā)來(lái)的查詢命令后便把每秒計(jì)數(shù)值（CPS）返回給主機(jī)。探頭電源透過(guò)電纜從主機(jī)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(cè)設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 主機(jī)工作原理

主機(jī)由單片機(jī)SM89C58，12 864點(diǎn)陣液晶、4個(gè)按鍵、MAX 485芯片、AT24C64、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片M41T0構(gòu)成，主機(jī)和探頭通過(guò)電纜連接，如圖4所示。主機(jī)的工作是定時(shí)查詢探頭，得到CPS，運(yùn)算轉(zhuǎn)換成劑量率顯示在LCD上，同時(shí)根據(jù)該數(shù)據(jù)決定是否發(fā)送命令切換測(cè)量通道、給高低量程GM管哪一個(gè)加高壓。M41T0給系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。AT24C64用來(lái)保存系統(tǒng)參數(shù)和密碼等，也用來(lái)保存帶有時(shí)間信息的測(cè)量結(jié)果，在測(cè)量界面下用戶對(duì)當(dāng)前測(cè)量結(jié)果可以保存，以便事后追查。主機(jī)在液晶上通過(guò)菜單配合4個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、時(shí)間日期調(diào)整、密碼管理等。并提供中英文兩種語(yǔ)言切換，可擴(kuò)展其他任意語(yǔ)言顯示。

探頭GM管得到的每秒計(jì)數(shù)值（CPS）需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算才能轉(zhuǎn)換為劑量率的的單位為微戈瑞每小時(shí)（μGy／h），轉(zhuǎn)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(shí)間（dead time），單位是s；N是每秒計(jì)數(shù)值，即每一秒GM管受輻射而產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)。對(duì)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(duì)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(jī)通過(guò)菜單設(shè)定，而每一套測(cè)量?jī)x均需要做校準(zhǔn)來(lái)設(shè)定ι，K值。由于ι，K是整個(gè)計(jì)算的重要參數(shù)，不能被使用者隨意修改，因此在儀器設(shè)計(jì)時(shí)，添加了密碼保護(hù)功能，進(jìn)入ι，K的設(shè)定菜單需要使用者輸入密碼，密碼驗(yàn)證通過(guò)才能修改ι，K參數(shù)。

由于放射性的隨機(jī)特性，故由儀器所檢測(cè)到的CPS會(huì)有抖動(dòng)變化，主機(jī)程序?qū)B續(xù)數(shù)次測(cè)量結(jié)果做平滑濾波處理，使得測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。若是取平均的測(cè)量結(jié)果太少，平滑效果不佳；若是取平均的測(cè)量結(jié)果太多，那么會(huì)導(dǎo)致儀器相應(yīng)速度變得很慢。因此綜合考慮采取5個(gè)點(diǎn)的平均。

3 量程切換

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

量程切換見(jiàn)圖5，主機(jī)根據(jù)從機(jī)得來(lái)的實(shí)時(shí)CPS數(shù)據(jù)運(yùn)算得到以μGy／h為單位的劑量率結(jié)果，主機(jī)會(huì)檢測(cè)連續(xù)的數(shù)次測(cè)量結(jié)果，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)是從小于1200 μGy／h變到大于1 200μGy／h時(shí)，主機(jī)發(fā)送命令給從機(jī)，讓從機(jī)對(duì)高量程GM測(cè)量計(jì)數(shù)值；當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)是大于800 μGy／h變到小于800μGy／h時(shí)，主機(jī)發(fā)送命令給從機(jī)，讓從機(jī)對(duì)低量程GM測(cè)量計(jì)數(shù)。這樣高低量程GM管測(cè)量切換分別發(fā)生在800μGy／h和1 200μGy／h兩個(gè)位置，從而避免了在單一位置實(shí)施切換時(shí)容易發(fā)生振鈴，頻繁切換高低量程的情況出現(xiàn)。

當(dāng)出現(xiàn)大劑量輻射時(shí)低量程GM管的高壓應(yīng)當(dāng)關(guān)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(duì)耗電的高壓產(chǎn)生電路實(shí)施控制。主機(jī)發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果小于800μGy／h時(shí)關(guān)斷高量程GM管的高壓、打開(kāi)低量程GM管的高壓，大于1 200μGy／h時(shí)關(guān)斷低量程GM管的高壓、打開(kāi)高量程GM管的高壓，大于800 μGy／h小于1 200 μGy／h時(shí)同時(shí)打開(kāi)高低量程GM管的高壓。高低量程GM管高壓打開(kāi)、關(guān)斷控制切換圖如圖6所。

為了避免開(kāi)機(jī)時(shí)，大劑量輻射損傷低量程GM管，開(kāi)機(jī)時(shí)探頭給高量程GM管加高壓，關(guān)斷低量程GM管高壓，測(cè)量從高通道GM開(kāi)始。探頭的單片機(jī)SM89C52根據(jù)主機(jī)的命令來(lái)決定是否對(duì)于高低量程GM管加高壓。

4 聲光報(bào)警

由于射線的危險(xiǎn)性，當(dāng)環(huán)境的射線劑量大于一定值時(shí)，儀器需要給用戶提示，提醒用戶注意。用戶可以設(shè)定儀器的報(bào)警閾值。當(dāng)主機(jī)判別劑量值大于用戶設(shè)定的閾值時(shí)，主機(jī)在液晶屏幕上顯示“超過(guò)閾值”的報(bào)警提示，并且響起蜂鳴器。

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

5 結(jié) 語(yǔ)

環(huán)境γ劑量率測(cè)量?jī)x研制成功，經(jīng)校準(zhǔn)后交付給用戶，用戶反映良好。本儀器主要用來(lái)對(duì)γ射線進(jìn)行劑量率的測(cè)量并報(bào)警，也可應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損探傷、醫(yī)院γ刀治療、同位素應(yīng)用、γ輻照、醫(yī)院X射線診斷、鈷治療、核電站等放射性場(chǎng)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(hù)工作人員的安全。

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