第17卷 第3期核电子学与探测技术Vo l.17N o.3 1997年5月N uclear Electr onics&D etectio n T echno lo gy M ay1997
张松寿
(防化研究院，北京1044信箱(200),102205)
本文重点介绍G M计数管脉冲供电电压对计数率的影响。经测试分析研究，结果表明脉冲供电比固定电压供电电压变化对G M管计数率的影响较大，应对脉冲电源提出更高的要求。 关键词:G M计数管 脉冲电源 辐射监测仪器
1 引言
GM计数管(下简称GM管)是最常用的辐射探测器，由于它输出脉冲幅度大，制造工艺简单，对工作电压要求低以及后接电子线路简单等优点，特别是在便携式辐射监测仪器中得到广泛使用。它的缺点是死时间长，分辨率低，线性范围窄[1,2]。为了克服这些问题，除对GM计数管本身的性能改进提高外，已在外电路上采用了不少措施，如外猝灭电路，脉冲电源供电，非线性补偿等。特别是随着微处理机的使用，使非线性补偿提高到一个新水平[3]，而脉冲供电仍具有特点。
脉冲供电是基于GM管的特性而确定的。GM端是电离型探测器件，受辐照而每次放电后，正离子鞘留在阳极附近，减弱了电磁强度,GM管暂时不能工作，对GM管而言，此过程大约7～300 s。计数率n与剂量率D之间的关系为n≈H D exp(-H Dt m)，式中H为GM管的探测灵敏度,t m为GM管的死时间。从公式计算或实际测量都表明，在高剂量率时，计数率与剂量率呈现明显的非线性关系。目前对测量高剂量率的GM管J4，上限仅达200～300cGy/h(线性)，剂量率达1000cGy/h时，非线性误差达50%左右，在更高剂量率时，会出现饱和甚至逆转，这是十分有害的，严重影响仪器的测量上限及过载性能[4]。
脉冲供电的设想是1956年首先提出的[5]。经研究结果表明,GM管运用在脉冲供电状态，不仅理论上能够实现，而且实际上性能很好，运用该原理已制成了多种辐射监测仪器并已得到了实际使用和发展[6,7]，近年来仍有该方面的研究。
脉冲供电主要取决于脉冲源的各参数，脉冲供电时，计数率n是由脉冲源的频率f及宽度 以及射线辐射按泊松分布的符合几率等因素所决定的，其关系为n=f[1-exp(-H D )]。对脉冲供电时的参数选择以及供电脉冲产生方案等都有过研究[8,9]，对脉冲供电电压虽多有涉及，但尚无专题研究，这正是本研究的原由。
2 脉冲供电的原理
脉冲供电的实质是脉冲供电采样输出，脉冲供电采样输出不同于可控脉冲供电。其基本原理是：给GM
管加一个固定的低于阈值的直流支撑电压V D，同时加上频率、宽度、幅度一定的
211
脉冲电压，并使GM 管在脉冲电压持续时间内达到盖革放电区，等待被测事件的到来，即采样输出。
给GM 管加上固定的直流电压V D 是为了让GM 管放电时产生的“正离子鞘”在V D 形成的“清扫电场”作用下达到阴极，使GM 管恢复到盖革放电前的情况，等待下一次放电。同时，有一定的V D 也可以降低供电脉冲的幅度，对脉冲电源的产生很有好处。图1
是脉冲供电的原
1511咖啡
图1 脉冲供电原理方块图
理方块图。
从图1可以看出，脉冲供电有2个供电电源，一是接到GM 管阳极的440V 高压电源，这与一般的GM 管供电相同，二是多了一个170V 电源，该电源受脉冲控制，即将170V 电源变为脉冲源，当然也可直接产生高压脉冲源，该电源接在GM 管的阴极,
只有170V 处于接近零的低电平时,GM 管才能正
常工作，接受被测事件产生输出电离脉冲。
脉冲供电不能减少GM 管的死时间，脉冲供电能够改善高剂量率时的线性，扩大线性范围，提高测量上限，是因为在固定外回路参数的条件下，控制脉冲采样宽度使脉冲供电期内尽可能不产生二次盖革放电，减少恢复期的脉冲，因而消除逆转现象并能提高线性。在更高剂量率时,GM 管也可能产生饱和特性，但不会产生逆转现象，因为计数率的极限值即为供电脉冲频率(见前面关系式)。
邮购盒3 测试方案
GM 计数管的供电电压对其计数率的影响从理论到实际都有明确的结论，在GM 计数管输出脉冲幅度
分布研究中也有专门的分析[10,11]。对于脉冲供电电压对计数率的影响也有类似结果，由于采用了脉冲供电，除常规变化外，还要适应脉冲供电特点的规律，从理论上分析，其影响大于固定电压供电，尚需进一步验证。
为了简化，测试采用已研制成的GM 管脉冲电源供电的辐射监测仪器，在辐射源的辐照下进行测量，分别对固定电压供电及脉冲电压供电进行测量，改变不同的电压及更换不同的GM 管进行试验。依据仪器的测量范围，分高低量程(高量程为脉冲供电，低量程为固定电源供电)分别试验。
4 测试结果及分析
表1～表3列出主要测试结果，表中所列结果为10支GM 管测试误差的平均值，误差均为相对于基准电压测值的相对误差。
从测试结果可得出以下几点看法:
1)440V 电压变化对低量程的计数率(测量值)影响不大，由表1可以看出,440V 在±10V 范围内变化，最大误差都在5%以内，且误差大的出现在低端，统计误差占较大比重，再加上辐射源的刻度误差，可视为正常值。低量程属GM 管的常规运用，坪特性是明显的，只要工作电压选在坪的中段，高压变化的因素可以忽略，一般工作高压有1%的稳定度就可满足要求，但必须保证高压的负载能力，以使在测量范围内都能满足高压稳定度的要求。
2)440V 电压变化对高量程的计数率影响较大(脉冲电源供电)，从表2可以看出，电压变化212
±1V，已达到低量程±5V时的误差，对高量程而言，电压变化±3V的误差是±1V时误差的2倍,±5V的误差是±3V时误差的1.6倍,±5V相对于±1V的误差约4倍左右,±1V的误差更大。这说明在脉冲供电条件下,GM管的坪特性及对高压要求不高的看法应重新加以分析，这主要是由于在脉冲供电时,GM管处于间断工作方式，在有效时间内取样工作，因此在脉冲供电时应对高压提出更高的要求，一般应比固定高压供电时稳定度高一个量级。
表1 440V电源变化对计数率的影响(低量程)
陶瓷过滤器
电压变化/V
剂量率/cGy h-1
0.10.20.5 1.0 2.0 5.07.0
最大误差/%
+10 4.0 1.0 2.4 1.8 1.3 2.8 1.8 4.0 +5 4.4 1.8 1.3 1.2 1.00.9 1.9 4.4 +3 2.2 1.6 1.2 1.10.80.7 1.4 2.2 +1 1.5 1.9 1.1 1.4 1.00.4 1.1 1.9 000000000 -1 3.2 1.50.7-1.4-1.20.70.7 3.2 -
3 3.8-2.5-1.5-1.3-1.2-1.0-0.8 3.8 -5-2.2-1.3-1.1-1.3-0.8-1.2-1.8-2.2 -10-2.9-2.0-1.4-1.6-2.2-1.4-1.6 2.9
表2 440V电源变化对计数率的影响(高量程)
电压变化/V
剂量率/cGy h-1
30501002003005006008001000
最大误差/%
+1015.415.325.523.221.524.522.134.7 3.334.7 +57.89.013.612.211.513.113.812.0 1.813.8 +3 5.9 6.27.58.47.17.48.8 1.9 1.38.8 +1 2.3 2.2 3.6 2.4 3.3 3.4 2.8 3.00.9 3.6 00000000000 -1-3.2-3.6-3.2-3.4-2.9-2.1-4.4-3.2-0.5-4.4 -3-4.6-4.8-6.6-7.1-7.3-6.1-7.8-7.0-4.3-7.8 -5-8.4-9.1-11.1-12.2-11.4-11.0-13.0-13.1-7.8-13.1 -10-16.3-18.1-17.2-26.0-23.9-24.0-28.1-28.1-33.8-33.8
注：固定170V
表3 170V电源变化对计数率的影响(高量程)
电压变化/V
剂量率/cGy h-1
30501002003005006008001000
最大误差/%
+5-8.8-9.8-8.9-11.4-10.3-11.0-10.7-14.6-7.8-14.1
+3-6.0-6.1-7.1-7.5-7.5-7.6-8.1-10.9-1.4-10.9
-1-3.1-2.2-2.4-2.6-2.5-3.4-2.9-4.8-0.4-4.8
00000000000
-1 1.6 1.9 2.0 2.2 2.8 1.8 2.3 3.40.6 3.4
镀铬工艺
-3 3.6 5.2 5.87.1 5.2 4.4 5.3 4.80.77.1
带>HDPE多孔加筋缠绕波纹管-57.77.513.412.49.510.011.710.2 1.413.4
注：固定440V
3)170V电压变化对高量程(脉冲供电)计数率的影响同440V电压变化时的影响相当。从表3可以看出，电压变化±1V同440V电压变化±1V的误差接近，而170V变化±3V相对于变化±1V的误差也为2倍左右。从脉冲的供电方式看,440V和170V(受脉冲控制)为组合供电，它们分别接在GM管的阳极和阴极，无论改变哪个电压，对GM管而言都是一样的效果,
213
组成的总电压变化是同样的作用。从表2和表3可以看出，改变440V与改变170V其误差的变化方向刚好相反，这是由于电压的极性原因，因为在GM管的阳极或在阴极改变同样的电压值同样的方向，对GM管而言，供电高压增加其计数率增加，故440V电压增加，计数为正误差，而170V电压降低，总供电电压亦增加，计数增加仍为正误差,440V降低或170V升高时，则计数率减少，测量结果为负误差。
4)不同灵敏度的GM管，供电电压变化时，对其计数率影响不大，无论固定电压供电或脉冲电源供电都相差不多，这是由于GM管的灵敏度变化直接影响计数率及可测线性范围，而高压变化对GM管灵敏度的影响在坪斜范围内变化，在电压小范围内变化条件下，其误差可以忽略。当然,GM管灵敏度相差过大，或者电压变化较大，其影响也应考虑。
5 结论
脉冲供电是扩大GM管的测量上限和改善线性的有效方法。在脉冲供电条件下，无论是440V电源或170V电源电压变化都会使计数率变化，给测量带来较大的误差，相对于固定电源供电而言，引起的变化是明显的。这是由于这种供电方式所致，要克服这个问题，要求供电电压(440V或170V)要有更高的稳定度，通常应高于固定电源供电时稳定度的一个量级左右。
参 考 文 献
1 中国科学院.计数管.科学出版社,1960.
2 W ikinson DH.Ionization Chamber and Co unt er s.Cambr ig e.1960.
3 张松寿.辐射监测仪器的单片微机.核电子学与探测技术,1994.14(1):20.
4 张松寿.GM计数管型辐射监测仪过载性能研究.核电子学与探测技术,1995.15(2):92.
5 徐永福.卤素管脉冲采样输出.核探测器和核电子学，北京：原子能出版社,1982.100
6 Ry aji Igar ashi,Y uichi N anita,Pulse heig ht dist ribution of G M coumter.Japanese Jour nal o f Applied P hy sics,1986.25(10):836.
7 张松寿.GM计数管输出脉冲幅度分布.核电子学与探测技术,1995.15(3):167.
(1996年11月29日 收到) Influence of Pulsed Supply V oltage for G M Counter Count Rate
Zhang So ng shou
(R esear ch Inst itute of Chemical Defence,P.O.Box1044(200),Beijing,102205)
Abstract
T he GM counter is the r adiatio n detector mo st co mman in use.T he pulsed supply is a method t o impro ve measuring linearity of the G M co unter s.T his paper presents t he r esear ch r esultes o f influence of pulse supply vo lt age o f the G M co unt ers on co unt rat e.T esting data are list ed.Influnecing facto rs are analy sed.Impr ov ed methods ar e g iv en.U seful co nclusions are deir ed.
(K ey Wo rds:GM Counter P ulsed supply R adiatio n detection instrument)
【作者简介】
张松寿，男,57岁，副研.
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豫公网安备41160202000603
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