一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法及装置制造方法
【专利摘要】一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，通过时序控制GM计数管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放电功耗；通过控制电压变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗；通过施加反向电压，减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项式插值法实现装置刻度。本发明实现了硬件死时间校正；有延长GM计数管寿命的潜能；剂量率探测装置完成刻度，确定式（1）中的各个刻度系数 ai, k （ k = m , m -1,…,1,0）后，可减小未知误差对测量结果的影响，最终获得较准确的剂量率。
【专利说明】一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及核辐射探测领域，具体为一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方 法及装置。
【背景技术】
[0002] GM计数管是最常用的核辐射探测器之一，它结构简单，输出脉冲幅度大，通常由它 制作剂量探测装置，如国产的FJ3200个人剂量仪、WF-GM-F数字化双GM管探测器，国外的 MiniRadic个人剂量仪、ADM-300多功能测量仪均是采用GM计数管制成的。
[0003] 在传统利用GM计数管进行探测的方法中，存在四点不足，不足之一是测量电路中 电能浪费较多。GM计数管工作时需要高压，一般辐射探测装置中都有高压转换单元将输入 低电压转换为GM计数管的工作高压。通常高压转换单元的效率较低，是整个探测装置中较 为耗电的单元。在正常应用中，GM计数管大部分时间工作在低剂量率环境中，GM计数管放 电频率很低，高压转换单元在大部分时间处于空载状态，大部分电能将损耗在高压转换单 元内部，造成大量浪费。不足之二是测量线性范围小，宽量程刻度难度大。由于受到固有死 时间的影响，GM计数管探测线性范围有限，即GM计数管测量的剂量率与计数率之间在较小 范围内成线性关系，但在整个测量范围内成非线性关系。如果用计数率除以灵敏度的方式 计算剂量率，那么其计算结果仅在较小范围内是准确的，难以应用于较宽范围的剂量率测 量领域。为了使GM计数管能在更宽范围内实现准确测量，最常见的方法是对测量结果进行 软件死时间校正，以较为准确地估计出计数率，然后再除以灵敏度计算出剂量率。死时间较 正方法物理意义明确，但在剂量率较高时，GM计数管的恢复时间等因素对计数率的测量影 响较为明显，软件死时间校正方法难以实现宽量程测量。另一种广泛应用的剂量率校正方 法是函数拟合法，即在测量范围内认为剂量率与计数率之间满足某种函数(如二次函数）关 系，通过在测量范围内取得一些测量结果(刻度点)，并采用最小二乘拟合法，计算出函数参 数，实现剂量仪刻度。在测量时，将所测计数率代入刻度函数，便可计算出剂量率。在测量 范围较宽时，函数拟合法在刻度点附近测量结果较为准确，但离刻度点较远处的非刻度点 可能出现较大的测量误差。欲减小非刻度点的测量误差，需采用更多的刻度点，这不仅增加 了函数拟合难度而且增加了刻度成本。不足之三，测量范围有限，不能实现宽量程（8个数 量级以上）探测。不足之四，GM计数管寿命较短。GM计数管放电时产生大量的离子对，一 方面消耗管内的猝灭气体，另一方面大量电子高速轰击阳极丝，使阳极丝受损。当计数管产 生脉冲数超过一定数量时，因猝灭气体减少与阳极丝损伤，使得GM计数管无法自动猝灭而 损坏。
[0004] 专利申请书《单GM计数管宽量程辐射探测方法》（申请号：201210207633. 0)公布 一种通过控制加到GM计数管两极的高压实现低量程GM计数管的死时间消除，从而实现9 个数量级宽量程探测。该方法存在四点不足：第一，电路功耗较大，甚至比传统GM计数管探 测方法还大。主要原因在于负载电阻R5、R6-直有电流流过，在没有粒子入射时，这两个分 压电阻也在不断消耗电流，造成电能浪费。第二，未对仪器刻度，剂量率计算过程复杂。第 三，当在处理时间内不超过一个粒子入射时，计数率计算结果不可靠。由计数率计算式可 知，当有一个粒子入射时，计数率计算结果为O;当没有粒子入射时，计数率计算结果为负。 第四，GM数管寿命延长不够多。虽然当GM计数管刚放电不久，控制电路降低了计数管两端 电压，使之不再放电，从而会延长GM计数管寿命。但放电过程中产生的电子仍会高速轰击 计数管阳极，计数管阳极还会继续受损，使得其寿命延长不多。
[0005] 本发明提供一种GM计数管宽量程低功耗长寿命探测方法与刻度方法，在实现GM 计数管宽量程探测的同时降低系统功耗、延长计数管寿命，并方便进行刻度。以将GM计数 管应用于更多场合。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种采用GM计数管的低功耗探测与宽量程刻度方法及装置，该方法 通过时序控制GM计数管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放 电功耗；通过控制电压变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗； 通过施加反向电压，减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项 式插值法实现装置刻度。
[0007] 本发明的技术解决方案是： 一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特殊之处在于：通过时序控制GM计 数管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放电功耗；通过控制电 压变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗；通过施加反向电压， 减少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项式插值法实现装置 刻度。
[0008] 上述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于： 该方法具体是先通过测量控制单元处理粒子入射事件，并计算计数率，最后计算剂量 率； 设已知剂量率A，i=l，2,…，认TPi数值随i值增加而增加，怂应为测量装置需准确探测 的最高剂量率，0为刻度点数，对应的计数率为i=l，2,…，0 ; 当实测计数率/满足A时（i=l，2, 一,￠-1)，将计数率与剂量率的关系看作 阶多项式，剂量率计算公式如式（1)所示 Jm + ++ +^,0(I) 式中，…，1，0)为第i段的系数，由仪器刻度部分计算确定； 如果或^ ，则剂量率按式（2)计算 RJ (2) Fk 上式中，当f<Z71时，左=1;当时，左=0; 当系统还未刻度时，可令G为系统可能出现的最大计数率，其值可等于计时所用的频 率，并令由剂量率计算过程可知，此时计算出的剂量率就是计数率。
[0009] 上述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于： 设系统计时的时间间隔为△(，测量控制部分工作步骤如下： 步骤1.1系统初始化 步骤I.I. 1测量控制单元自检，读入刻度点数仏刻度参数&、怂、j(i=l，2,…，αk=m,m-\,···, 1, 0)； 步骤I. 1. 2 设定测量最大粒子数#_、测量最长时间Tfflax、高压关闭允许时间&与单 次高压开启时间&，每次粒子入射后GM计数管加反向电压时间; 步骤I. 1. 3 设定高压已关闭时间G=T1z,高压已开启时间?Α=0,设定高压开启标志 FH=Q； 步骤1.2测量准备 步骤1. 2. 1 设定已测量粒子数为/?=0,本次测量累计工作时间TM),本次测量有效工 作时间ie=〇 ; 步骤1. 2. 2设定粒子入射等待时间?=0,等待粒子入射标志/7F=I; 步骤1. 3时序控制 步骤1. 3. 1当从S端检测到电平升高时，说明有粒子入射，令匕=匕+(，/7F=O, /7=/7+1,FH=I, ts=Q, th=Q； 步骤I. 3. 2如果/^=0,测量控制单元通过端口Cb闭合K2,通过端口C。断开K3,通过 端口Cd闭合K4 ; 步骤1. 3. 3如果L测量控制单元通过端口Cb断开K2,通过端口C。闭合K3,通 过端口Cd断开K4,令/^=1，?=0 ; 步骤L3. 4如果彡八令/^=1，?7=0 ; 步骤1. 3. 5如果/^=1，测量控制单元通过端口Ca闭合Kl; 步骤1. 3. 6如果彡心测量控制单元通过端口Ca断开Κ1，令/^=0,?Α=0 ; 步骤1.4剂量率计算 步骤1. 4. 1如果并且KTkx，转步骤L5 ; 步骤1. 4. 2如果/?> 1，按式（3 )计算平均计数率，否则按式（4)计算平均计数率；
【权利要求】
1. 一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：通过时序控制GM计数 管工作方式从硬件上实现GM计数管的死时间消除，降低GM计数管放电功耗；通过控制电压 变换单元间歇工作，在保证正确探测的前提下降低系统的空载功耗；通过施加反向电压，减 少GM计数管放电过程对猝灭体的消耗与对阳极丝的损伤；通过多项式插值法实现装置刻 度。
2. 根据权利要求1所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于： 该方法具体是先通过测量控制单元处理粒子入射事件，并计算计数率，最后计算剂量 率； 设已知剂量率i=l，2,…，ATPi数值随i值增加而增加，怂应为测量装置需准确探 测的最高剂量率，0为刻度点数，对应的计数率为i=l，2,…，口；当实测计数率/满足： A时（i=l，2,…，￠-1)，将计数率与剂量率的关系看作阶多项式，剂量率计算公式 如式（1)所示
式中，a=?，ffi-i，…，1，〇)为第i段的系数，由仪器刻度部分计算确定；如果/彡λ或/>&，则剂量率按式（2)计算 Rk f r= +⑵ 上式中，当f<Z71时，左=1;当D厂<?时，左=0; 当系统还未刻度时，可令Λ为系统可能出现的最大计数率，其值可等于计时所用的频 率，并令由剂量率计算过程可知，此时计算出的剂量率就是计数率。
3. 根据权利要求2所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于： 设系统计时的时间间隔为△(，测量控制部分工作步骤如下： 步骤1.1系统初始化 步骤I.I. 1测量控制单元自检，读入刻度点数仏刻度参数&、怂、>(i=l，2,…，Ak=m,m-\,···,1,0)； 步骤I. 1. 2 设定测量最大粒子数#_、测量最长时间Tfflax、高压关闭允许时间&与单 次高压开启时间&，每次粒子入射后GM计数管加反向电压时间; 步骤I. 1. 3 设定高压已关闭时间G=T1z,高压已开启时间?Α=0,设定高压开启标志FH=Q； 步骤1.2测量准备 步骤1. 2. 1 设定已测量粒子数为/?=0,本次测量累计工作时间TM),本次测量有效工 作时间ie=〇 ; 步骤1. 2. 2设定粒子入射等待时间?=0,等待粒子入射标志/7F=I; 步骤1. 3时序控制 步骤1. 3. 1当从S端检测到电平升高时，说明有粒子入射，令匕=匕+(，/7F=O, /7=/7+1,FH=I, ts=Q, th=Q； 步骤I. 3. 2如果/^=0,测量控制单元通过端口Cb闭合K2,通过端口C。断开K3,通过 端口Cd闭合K4 ; 步骤I. 3. 3如果L测量控制单元通过端口Cb断开Κ2,通过端口C。闭合Κ3,通 过端口Cd断开Κ4,令/^=1，?=0 ; 步骤L3. 4如果彡八令/^=1，?7=0 ; 步骤1. 3. 5如果/^=1，测量控制单元通过端口Ca闭合Kl; 步骤1. 3. 6如果彡心测量控制单元通过端口Ca断开Κ1，令/^=0,?Α=0 ; 步骤1.4剂量率计算 步骤1. 4. 1如果/?</￥_并且KTkx，转步骤L5 ; 步骤1.4. 2如果/?>1，按式（3)计算平均计数率，否则按式（4)计算平均计数率；
步骤 1. 4. 3 令/?=0,ie=0,TM); 步骤1. 4. 4将/与&逐一比较，如果Λ或按式（2 )计算剂量率并转步骤 1.5,否则转步骤1.4. 5 ; 步骤1. 4. 5 如果Α〈/彡巧+1，1彡KU，取得第左段系数<^ (々=0, 1，2,…，?)，并按 式（1)计算剂量率； 步骤1. 4. 6根据计数率的大小更改测量最长时间Tfflax ; 步骤1. 5 计时更新 步骤 1.5.1 步骤1. 5. 2如果等待粒子入射标志/7F=I,?=?+Δ?，否则?; 步骤I. 5. 3 如果/7ZZ=I,?Α=?Α+Δ?，否则?7=?7+Δ?; 步骤I. 5.4转步骤I. 3。
4.根据权利要求3所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：所述 步骤1. 1.2中测量最大粒子数#_与测量最长时间Tfflax用于控制测量精度与测量反应时间； 设允许测量相对误差为那么对步骤I. 1. 2中的选择应满足式（5)
所述步骤I. 1. 2与1. 4. 6中，测量最长时间选取的基本原则是： 1) 在Tfflax时间内尽可能保证有两个以上粒子入射，以使用无偏估计式（3)计算平均计 数率； 2) 计数率高，Tmax选取较小值，计数率低，Tmax选择较大值； 通常在计数率低于Icps的场合，Tmax选为IOOs或更大；计数率在Icps?IOcps时，Tmax 选为50s;计数率在IOcps?lOOcps时，选为5s;当计数率大于lOOcps时，选为Is或更小。
5. 根据权利要求3所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：所述 步骤I. 1. 2中，高压关闭允许时间&的选取方法是：取下电路中GM计数管，断开电子开关 K2、K4,闭合电子开关K1，等电容Cl上的电压为高压转换单元输出电压后，断开Kl并开始 计时，当电容上电压因漏电下降到GM计数管起坪电压时，停止计时；假设计时结果为/；，那 么八的选取可以为的1/2或更小；单次高压开启时间&的值应为阻容电路RUCl的时 间常数RlCl的3倍以上。
6. 根据权利要求2所述辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法，其特征在于：所述 装置刻度部分可以通过装置自身按照刻度步骤实现，也可在其它装置上按照刻度步骤计算 刻度参数并存入上述装置实现，具体刻度步骤如下： 步骤2. 1设定刻度点数目认多项式阶数? 0?災）； 步骤2. 2在仪器测量范围内选定0个剂量率，按测量控制部分测量出各剂量率&对 应的计数率6; 步骤2. 3将计数率/^作为自变量，剂量率TPi作为因变量，按照标准的插值法，计算式 (1)中的系数 (左=1，2,…，￠-1,i=0, 1，…，》); 步骤2. 4保存系数参数/?1、&、历，/;；.，<3以（/=1，2，一，仏后》，-1，一，1，0)，刻度完 成； 以上步骤中，0个刻度点剂量率的选取应根据如下原则： 1. A应在剂量率与计数率关系的线性部分； 2) ?是测量装置能准确测量的最高剂量率； 3) 在TP1与怂之间应在每个数量级选1个以上刻度点； 4) 如果刻度完成后，测量误差不能满足要求，需减小/P1或在刻度范围内多选刻度点，直 到测量误差满足要求。
7. -种辐射剂量率低功耗探测装置，包括电子开关Kl、K2、K3、K4,GM计数管J、负载电 阻R3、R4、R7,电压取样电阻R2,分压电阻R5、R6,低通滤波阻容网络RUC1，匹配电容C2， 整流二极管D、高压转换单元及测量控制单元；其特征在于：所述电子开关Kl、K2、K3、K4由 测量控制单元控制；当电子开关Kl接通时，电源电流进入高压转换单元后变换为GM计数管 所需要的高压，该高压通过二极管D及RUCl构成的阻容网络后，在Cl上形成稳定的高压； 当Kl断开时，高压转换单元不能产生高压，由于二极管D的存在，Cl上仍保持GM计数管所 需的高压；该高压通过负载电阻R3联接GM计数管J的阳极与负载电阻R7的一极，GM计数 管J的阴极联接负载电阻R4的一极与电子开关K3阳极，电子开关K3阴极联接取样电阻R2 与测量控制单元测量端S，R2的另一极接电源地；匹配电容C2与负载电阻R3并联；负载电 阻R7的另一极联接电子开关K2的阳极，K2的阴极接电源地；电子开关K4、分压电阻R5、R6 串联后联接高压与地，R5与R6联接端与负载电阻R4相联。
8. 根据权利要求7所述辐射剂量率低功耗探测装置，其特征在于：在电路正常工作时， 电容Cl上电压为GM计数管工作电压，电子开关K2闭合时GM计数管J阳极电压为Ll;电 子开关K4闭合时，电阻R5上分压为L2 ;所述电压Ll低于电压L2。
9. 根据权利要求7或8任一所述辐射剂量率低功耗探测装置，其特征在于：所述测量 控制单元可以是单片机、DSP、FPGA、CPLD、ASIC、可编程控制器及其组合。
10.根据权利要求9所述辐射剂量率低功耗探测装置，其特征在于：所述电子开关可以 是三极管、场效应管、达林顿管、IGBT管、可控硅、光电耦合器件及其组合。
【文档编号】G01T1/02GK104316950SQ201410552821
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】刘志强, 马红光, 吴雪梅 申请人:吴雪梅