一種輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，通過時序控制GM計數(shù)管工作方式從硬件上實(shí)現(xiàn)GM計數(shù)管的死時間消除，降低GM計數(shù)管放電功耗；通過控制電壓變換單元間歇工作，在保證正確探測的前提下降低系統(tǒng)的空載功耗；通過施加反向電壓，減少GM計數(shù)管放電過程對猝滅體的消耗與對陽極絲的損傷；通過多項(xiàng)式插值法實(shí)現(xiàn)裝置刻度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了硬件死時間校正；有延長GM計數(shù)管壽命的潛能；劑量率探測裝置完成刻度，確定式（1）中的各個刻度系數(shù) ai, k （ k = m , m -1,…,1,0）后，可減小未知誤差對測量結(jié)果的影響，最終獲得較準(zhǔn)確的劑量率。
【專利說明】一種輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及核輻射探測領(lǐng)域，具體為一種輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方 法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] GM計數(shù)管是最常用的核輻射探測器之一，它結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖幅度大，通常由它 制作劑量探測裝置，如國產(chǎn)的FJ3200個人劑量儀、WF-GM-F數(shù)字化雙GM管探測器，國外的 MiniRadic個人劑量儀、ADM-300多功能測量儀均是采用GM計數(shù)管制成的。
[0003] 在傳統(tǒng)利用GM計數(shù)管進(jìn)行探測的方法中，存在四點(diǎn)不足，不足之一是測量電路中 電能浪費(fèi)較多。GM計數(shù)管工作時需要高壓，一般輻射探測裝置中都有高壓轉(zhuǎn)換單元將輸入 低電壓轉(zhuǎn)換為GM計數(shù)管的工作高壓。通常高壓轉(zhuǎn)換單元的效率較低，是整個探測裝置中較 為耗電的單元。在正常應(yīng)用中，GM計數(shù)管大部分時間工作在低劑量率環(huán)境中，GM計數(shù)管放 電頻率很低，高壓轉(zhuǎn)換單元在大部分時間處于空載狀態(tài)，大部分電能將損耗在高壓轉(zhuǎn)換單 元內(nèi)部，造成大量浪費(fèi)。不足之二是測量線性范圍小，寬量程刻度難度大。由于受到固有死 時間的影響，GM計數(shù)管探測線性范圍有限，即GM計數(shù)管測量的劑量率與計數(shù)率之間在較小 范圍內(nèi)成線性關(guān)系，但在整個測量范圍內(nèi)成非線性關(guān)系。如果用計數(shù)率除以靈敏度的方式 計算劑量率，那么其計算結(jié)果僅在較小范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的，難以應(yīng)用于較寬范圍的劑量率測 量領(lǐng)域。為了使GM計數(shù)管能在更寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，最常見的方法是對測量結(jié)果進(jìn)行 軟件死時間校正，以較為準(zhǔn)確地估計出計數(shù)率，然后再除以靈敏度計算出劑量率。死時間較 正方法物理意義明確，但在劑量率較高時，GM計數(shù)管的恢復(fù)時間等因素對計數(shù)率的測量影 響較為明顯，軟件死時間校正方法難以實(shí)現(xiàn)寬量程測量。另一種廣泛應(yīng)用的劑量率校正方 法是函數(shù)擬合法，即在測量范圍內(nèi)認(rèn)為劑量率與計數(shù)率之間滿足某種函數(shù)(如二次函數(shù)）關(guān) 系，通過在測量范圍內(nèi)取得一些測量結(jié)果(刻度點(diǎn))，并采用最小二乘擬合法，計算出函數(shù)參 數(shù)，實(shí)現(xiàn)劑量儀刻度。在測量時，將所測計數(shù)率代入刻度函數(shù)，便可計算出劑量率。在測量 范圍較寬時，函數(shù)擬合法在刻度點(diǎn)附近測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，但離刻度點(diǎn)較遠(yuǎn)處的非刻度點(diǎn) 可能出現(xiàn)較大的測量誤差。欲減小非刻度點(diǎn)的測量誤差，需采用更多的刻度點(diǎn)，這不僅增加 了函數(shù)擬合難度而且增加了刻度成本。不足之三，測量范圍有限，不能實(shí)現(xiàn)寬量程（8個數(shù) 量級以上）探測。不足之四，GM計數(shù)管壽命較短。GM計數(shù)管放電時產(chǎn)生大量的離子對，一 方面消耗管內(nèi)的猝滅氣體，另一方面大量電子高速轟擊陽極絲，使陽極絲受損。當(dāng)計數(shù)管產(chǎn) 生脈沖數(shù)超過一定數(shù)量時，因猝滅氣體減少與陽極絲損傷，使得GM計數(shù)管無法自動猝滅而 損壞。
[0004] 專利申請書《單GM計數(shù)管寬量程輻射探測方法》（申請?zhí)枺?01210207633. 0)公布 一種通過控制加到GM計數(shù)管兩極的高壓實(shí)現(xiàn)低量程GM計數(shù)管的死時間消除，從而實(shí)現(xiàn)9 個數(shù)量級寬量程探測。該方法存在四點(diǎn)不足：第一，電路功耗較大，甚至比傳統(tǒng)GM計數(shù)管探 測方法還大。主要原因在于負(fù)載電阻R5、R6-直有電流流過，在沒有粒子入射時，這兩個分 壓電阻也在不斷消耗電流，造成電能浪費(fèi)。第二，未對儀器刻度，劑量率計算過程復(fù)雜。第 三，當(dāng)在處理時間內(nèi)不超過一個粒子入射時，計數(shù)率計算結(jié)果不可靠。由計數(shù)率計算式可 知，當(dāng)有一個粒子入射時，計數(shù)率計算結(jié)果為O;當(dāng)沒有粒子入射時，計數(shù)率計算結(jié)果為負(fù)。 第四，GM數(shù)管壽命延長不夠多。雖然當(dāng)GM計數(shù)管剛放電不久，控制電路降低了計數(shù)管兩端 電壓，使之不再放電，從而會延長GM計數(shù)管壽命。但放電過程中產(chǎn)生的電子仍會高速轟擊 計數(shù)管陽極，計數(shù)管陽極還會繼續(xù)受損，使得其壽命延長不多。
[0005] 本發(fā)明提供一種GM計數(shù)管寬量程低功耗長壽命探測方法與刻度方法，在實(shí)現(xiàn)GM 計數(shù)管寬量程探測的同時降低系統(tǒng)功耗、延長計數(shù)管壽命，并方便進(jìn)行刻度。以將GM計數(shù) 管應(yīng)用于更多場合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種采用GM計數(shù)管的低功耗探測與寬量程刻度方法及裝置，該方法 通過時序控制GM計數(shù)管工作方式從硬件上實(shí)現(xiàn)GM計數(shù)管的死時間消除，降低GM計數(shù)管放 電功耗；通過控制電壓變換單元間歇工作，在保證正確探測的前提下降低系統(tǒng)的空載功耗； 通過施加反向電壓，減少GM計數(shù)管放電過程對猝滅體的消耗與對陽極絲的損傷；通過多項(xiàng) 式插值法實(shí)現(xiàn)裝置刻度。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是： 一種輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特殊之處在于：通過時序控制GM計 數(shù)管工作方式從硬件上實(shí)現(xiàn)GM計數(shù)管的死時間消除，降低GM計數(shù)管放電功耗；通過控制電 壓變換單元間歇工作，在保證正確探測的前提下降低系統(tǒng)的空載功耗；通過施加反向電壓， 減少GM計數(shù)管放電過程對猝滅體的消耗與對陽極絲的損傷；通過多項(xiàng)式插值法實(shí)現(xiàn)裝置 刻度。
[0008] 上述輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于： 該方法具體是先通過測量控制單元處理粒子入射事件，并計算計數(shù)率，最后計算劑量 率； 設(shè)已知劑量率A，i=l，2,…，認(rèn)TPi數(shù)值隨i值增加而增加，慫應(yīng)為測量裝置需準(zhǔn)確探測 的最高劑量率，0為刻度點(diǎn)數(shù)，對應(yīng)的計數(shù)率為i=l，2,…，0 ; 當(dāng)實(shí)測計數(shù)率/滿足A時（i=l，2, 一,￠-1)，將計數(shù)率與劑量率的關(guān)系看作 階多項(xiàng)式，劑量率計算公式如式（1)所示 Jm + ++ +^,0(I) 式中，…，1，0)為第i段的系數(shù)，由儀器刻度部分計算確定； 如果或^ ，則劑量率按式（2)計算 RJ (2) Fk 上式中，當(dāng)f<Z71時，左=1;當(dāng)時，左=0; 當(dāng)系統(tǒng)還未刻度時，可令G為系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大計數(shù)率，其值可等于計時所用的頻 率，并令由劑量率計算過程可知，此時計算出的劑量率就是計數(shù)率。
[0009] 上述輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于： 設(shè)系統(tǒng)計時的時間間隔為△(，測量控制部分工作步驟如下： 步驟1.1系統(tǒng)初始化 步驟I.I. 1測量控制單元自檢，讀入刻度點(diǎn)數(shù)仏刻度參數(shù)&、慫、j(i=l，2,…，αk=m,m-\,···, 1, 0)； 步驟I. 1. 2 設(shè)定測量最大粒子數(shù)#_、測量最長時間Tfflax、高壓關(guān)閉允許時間&與單 次高壓開啟時間&，每次粒子入射后GM計數(shù)管加反向電壓時間; 步驟I. 1. 3 設(shè)定高壓已關(guān)閉時間G=T1z,高壓已開啟時間?Α=0,設(shè)定高壓開啟標(biāo)志 FH=Q； 步驟1.2測量準(zhǔn)備 步驟1. 2. 1 設(shè)定已測量粒子數(shù)為/?=0,本次測量累計工作時間TM),本次測量有效工 作時間ie=〇 ; 步驟1. 2. 2設(shè)定粒子入射等待時間?=0,等待粒子入射標(biāo)志/7F=I; 步驟1. 3時序控制 步驟1. 3. 1當(dāng)從S端檢測到電平升高時，說明有粒子入射，令匕=匕+(，/7F=O, /7=/7+1,FH=I, ts=Q, th=Q； 步驟I. 3. 2如果/^=0,測量控制單元通過端口Cb閉合K2,通過端口C。斷開K3,通過 端口Cd閉合K4 ; 步驟1. 3. 3如果L測量控制單元通過端口Cb斷開K2,通過端口C。閉合K3,通 過端口Cd斷開K4,令/^=1，?=0 ; 步驟L3. 4如果彡八令/^=1，?7=0 ; 步驟1. 3. 5如果/^=1，測量控制單元通過端口Ca閉合Kl; 步驟1. 3. 6如果彡心測量控制單元通過端口Ca斷開Κ1，令/^=0,?Α=0 ; 步驟1.4劑量率計算 步驟1. 4. 1如果并且KTkx，轉(zhuǎn)步驟L5 ; 步驟1. 4. 2如果/?> 1，按式（3 )計算平均計數(shù)率，否則按式（4)計算平均計數(shù)率；

【權(quán)利要求】
1. 一種輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于：通過時序控制GM計數(shù) 管工作方式從硬件上實(shí)現(xiàn)GM計數(shù)管的死時間消除，降低GM計數(shù)管放電功耗；通過控制電壓 變換單元間歇工作，在保證正確探測的前提下降低系統(tǒng)的空載功耗；通過施加反向電壓，減 少GM計數(shù)管放電過程對猝滅體的消耗與對陽極絲的損傷；通過多項(xiàng)式插值法實(shí)現(xiàn)裝置刻 度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于： 該方法具體是先通過測量控制單元處理粒子入射事件，并計算計數(shù)率，最后計算劑量 率； 設(shè)已知劑量率i=l，2,…，ATPi數(shù)值隨i值增加而增加，慫應(yīng)為測量裝置需準(zhǔn)確探 測的最高劑量率，0為刻度點(diǎn)數(shù)，對應(yīng)的計數(shù)率為i=l，2,…，口；當(dāng)實(shí)測計數(shù)率/滿足： A時（i=l，2,…，￠-1)，將計數(shù)率與劑量率的關(guān)系看作階多項(xiàng)式，劑量率計算公式 如式（1)所示
式中，a=?，ffi-i，…，1，〇)為第i段的系數(shù)，由儀器刻度部分計算確定；如果/彡λ或/>&，則劑量率按式（2)計算 Rk f r= +⑵ 上式中，當(dāng)f<Z71時，左=1;當(dāng)D廠<?時，左=0; 當(dāng)系統(tǒng)還未刻度時，可令Λ為系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大計數(shù)率，其值可等于計時所用的頻 率，并令由劑量率計算過程可知，此時計算出的劑量率就是計數(shù)率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于： 設(shè)系統(tǒng)計時的時間間隔為△(，測量控制部分工作步驟如下： 步驟1.1系統(tǒng)初始化 步驟I.I. 1測量控制單元自檢，讀入刻度點(diǎn)數(shù)仏刻度參數(shù)&、慫、>(i=l，2,…，Ak=m,m-\,···,1,0)； 步驟I. 1. 2 設(shè)定測量最大粒子數(shù)#_、測量最長時間Tfflax、高壓關(guān)閉允許時間&與單 次高壓開啟時間&，每次粒子入射后GM計數(shù)管加反向電壓時間; 步驟I. 1. 3 設(shè)定高壓已關(guān)閉時間G=T1z,高壓已開啟時間?Α=0,設(shè)定高壓開啟標(biāo)志FH=Q； 步驟1.2測量準(zhǔn)備 步驟1. 2. 1 設(shè)定已測量粒子數(shù)為/?=0,本次測量累計工作時間TM),本次測量有效工 作時間ie=〇 ; 步驟1. 2. 2設(shè)定粒子入射等待時間?=0,等待粒子入射標(biāo)志/7F=I; 步驟1. 3時序控制 步驟1. 3. 1當(dāng)從S端檢測到電平升高時，說明有粒子入射，令匕=匕+(，/7F=O, /7=/7+1,FH=I, ts=Q, th=Q； 步驟I. 3. 2如果/^=0,測量控制單元通過端口Cb閉合K2,通過端口C。斷開K3,通過 端口Cd閉合K4 ; 步驟I. 3. 3如果L測量控制單元通過端口Cb斷開Κ2,通過端口C。閉合Κ3,通 過端口Cd斷開Κ4,令/^=1，?=0 ; 步驟L3. 4如果彡八令/^=1，?7=0 ; 步驟1. 3. 5如果/^=1，測量控制單元通過端口Ca閉合Kl; 步驟1. 3. 6如果彡心測量控制單元通過端口Ca斷開Κ1，令/^=0,?Α=0 ; 步驟1.4劑量率計算 步驟1. 4. 1如果/?</￥_并且KTkx，轉(zhuǎn)步驟L5 ; 步驟1.4. 2如果/?>1，按式（3)計算平均計數(shù)率，否則按式（4)計算平均計數(shù)率；
步驟 1. 4. 3 令/?=0,ie=0,TM); 步驟1. 4. 4將/與&逐一比較，如果Λ或按式（2 )計算劑量率并轉(zhuǎn)步驟 1.5,否則轉(zhuǎn)步驟1.4. 5 ; 步驟1. 4. 5 如果Α〈/彡巧+1，1彡KU，取得第左段系數(shù)<^ (々=0, 1，2,…，?)，并按 式（1)計算劑量率； 步驟1. 4. 6根據(jù)計數(shù)率的大小更改測量最長時間Tfflax ; 步驟1. 5 計時更新 步驟 1.5.1 步驟1. 5. 2如果等待粒子入射標(biāo)志/7F=I,?=?+Δ?，否則?; 步驟I. 5. 3 如果/7ZZ=I,?Α=?Α+Δ?，否則?7=?7+Δ?; 步驟I. 5.4轉(zhuǎn)步驟I. 3。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于：所述 步驟1. 1.2中測量最大粒子數(shù)#_與測量最長時間Tfflax用于控制測量精度與測量反應(yīng)時間； 設(shè)允許測量相對誤差為那么對步驟I. 1. 2中的選擇應(yīng)滿足式（5)
所述步驟I. 1. 2與1. 4. 6中，測量最長時間選取的基本原則是： 1) 在Tfflax時間內(nèi)盡可能保證有兩個以上粒子入射，以使用無偏估計式（3)計算平均計 數(shù)率； 2) 計數(shù)率高，Tmax選取較小值，計數(shù)率低，Tmax選擇較大值； 通常在計數(shù)率低于Icps的場合，Tmax選為IOOs或更大；計數(shù)率在Icps?IOcps時，Tmax 選為50s;計數(shù)率在IOcps?lOOcps時，選為5s;當(dāng)計數(shù)率大于lOOcps時，選為Is或更小。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于：所述 步驟I. 1. 2中，高壓關(guān)閉允許時間&的選取方法是：取下電路中GM計數(shù)管，斷開電子開關(guān) K2、K4,閉合電子開關(guān)K1，等電容Cl上的電壓為高壓轉(zhuǎn)換單元輸出電壓后，斷開Kl并開始 計時，當(dāng)電容上電壓因漏電下降到GM計數(shù)管起坪電壓時，停止計時；假設(shè)計時結(jié)果為/；，那 么八的選取可以為的1/2或更小；單次高壓開啟時間&的值應(yīng)為阻容電路RUCl的時 間常數(shù)RlCl的3倍以上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述輻射劑量率低功耗探測與寬量程刻度方法，其特征在于：所述 裝置刻度部分可以通過裝置自身按照刻度步驟實(shí)現(xiàn)，也可在其它裝置上按照刻度步驟計算 刻度參數(shù)并存入上述裝置實(shí)現(xiàn)，具體刻度步驟如下： 步驟2. 1設(shè)定刻度點(diǎn)數(shù)目認(rèn)多項(xiàng)式階數(shù)? 0?災(zāi)）； 步驟2. 2在儀器測量范圍內(nèi)選定0個劑量率，按測量控制部分測量出各劑量率&對 應(yīng)的計數(shù)率6; 步驟2. 3將計數(shù)率/^作為自變量，劑量率TPi作為因變量，按照標(biāo)準(zhǔn)的插值法，計算式 (1)中的系數(shù) (左=1，2,…，￠-1,i=0, 1，…，》); 步驟2. 4保存系數(shù)參數(shù)/?1、&、歷，/;；.，<3以（/=1，2，一，仏后》，-1，一，1，0)，刻度完 成； 以上步驟中，0個刻度點(diǎn)劑量率的選取應(yīng)根據(jù)如下原則： 1. A應(yīng)在劑量率與計數(shù)率關(guān)系的線性部分； 2) ?是測量裝置能準(zhǔn)確測量的最高劑量率； 3) 在TP1與慫之間應(yīng)在每個數(shù)量級選1個以上刻度點(diǎn)； 4) 如果刻度完成后，測量誤差不能滿足要求，需減小/P1或在刻度范圍內(nèi)多選刻度點(diǎn)，直 到測量誤差滿足要求。
7. -種輻射劑量率低功耗探測裝置，包括電子開關(guān)Kl、K2、K3、K4,GM計數(shù)管J、負(fù)載電 阻R3、R4、R7,電壓取樣電阻R2,分壓電阻R5、R6,低通濾波阻容網(wǎng)絡(luò)RUC1，匹配電容C2， 整流二極管D、高壓轉(zhuǎn)換單元及測量控制單元；其特征在于：所述電子開關(guān)Kl、K2、K3、K4由 測量控制單元控制；當(dāng)電子開關(guān)Kl接通時，電源電流進(jìn)入高壓轉(zhuǎn)換單元后變換為GM計數(shù)管 所需要的高壓，該高壓通過二極管D及RUCl構(gòu)成的阻容網(wǎng)絡(luò)后，在Cl上形成穩(wěn)定的高壓； 當(dāng)Kl斷開時，高壓轉(zhuǎn)換單元不能產(chǎn)生高壓，由于二極管D的存在，Cl上仍保持GM計數(shù)管所 需的高壓；該高壓通過負(fù)載電阻R3聯(lián)接GM計數(shù)管J的陽極與負(fù)載電阻R7的一極，GM計數(shù) 管J的陰極聯(lián)接負(fù)載電阻R4的一極與電子開關(guān)K3陽極，電子開關(guān)K3陰極聯(lián)接取樣電阻R2 與測量控制單元測量端S，R2的另一極接電源地；匹配電容C2與負(fù)載電阻R3并聯(lián)；負(fù)載電 阻R7的另一極聯(lián)接電子開關(guān)K2的陽極，K2的陰極接電源地；電子開關(guān)K4、分壓電阻R5、R6 串聯(lián)后聯(lián)接高壓與地，R5與R6聯(lián)接端與負(fù)載電阻R4相聯(lián)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述輻射劑量率低功耗探測裝置，其特征在于：在電路正常工作時， 電容Cl上電壓為GM計數(shù)管工作電壓，電子開關(guān)K2閉合時GM計數(shù)管J陽極電壓為Ll;電 子開關(guān)K4閉合時，電阻R5上分壓為L2 ;所述電壓Ll低于電壓L2。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8任一所述輻射劑量率低功耗探測裝置，其特征在于：所述測量 控制單元可以是單片機(jī)、DSP、FPGA、CPLD、ASIC、可編程控制器及其組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述輻射劑量率低功耗探測裝置，其特征在于：所述電子開關(guān)可以 是三極管、場效應(yīng)管、達(dá)林頓管、IGBT管、可控硅、光電耦合器件及其組合。
【文檔編號】G01T1/02GK104316950SQ201410552821
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】劉志強(qiáng), 馬紅光, 吳雪梅 申請人:吳雪梅