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1、第17卷第3期核电子学与探测技术Vol.17No.31997年5月NuclearElectronics&DetectionTechnologyMay1997GM计数管脉冲供电电压对计数率的影响张松寿(防化研究院,北京1044信箱(200),102205)本文重点介绍GM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GM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:GM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
2、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[1,2]广泛使用。它的缺点是死时间长,分辨率低,线性范围窄。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[3]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,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
3、过程大约7～300s。计数率n与剂量率D之间的关系为n≈HDexp(-HDtm),式中H为GM管的探测灵敏度,tm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,[4]这是十分有害的,严重影响仪器的测量上限及过载性能。[5]脉冲供电的设想是1956年首先提出的。经研究结果表明,GM管运用在脉冲供电状态,不
4、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[6,7]了实际使用和发展,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(-HD)]。[8,9]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,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
5、本原理是:给GM管加一个固定的低于阈值的直流支撑电压VD,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VD是为了让GM管放电时产生的“正离子鞘”在VD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VD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
6、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,图1脉冲供电原理方块图只有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
7、,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)。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[10,11]输出脉冲幅度分布研究中也有专门的分析。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
8、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
