核辐射监测仪器设计报告——一种基于GM计数管的核辐射监测器完成时间：2012-5-21目录1 选题依据 (3)1.1研究意义 (3)1.2 国内外辐射环境监测系统概况 (3)1.3 辐射监测仪器要求及选用 (4)2 研究内容和总体方法 (5)2.1 总体设计思路 (5)2.2 仪器工作原理 (5)2.3 系统软件设计 (7)2.4 测量原理 (8)3 课题研究的创新之处 (8)3.1 测量算法的改进 (8)3.2 双GM管自动切换方法的改进 (9)1 选题依据1.1研究意义核辐射事故及核辐射恐怖事件具有突发性，对社会安全和国家政治经济危害大，容易造成社会动荡虽然核电是清洁安全的能源，发生重大事故的概率很低，但必须做好充分的核事故应急准备工作历史上发生的核事故实例表明，一旦发生大量的放射性物质泄漏，会对工作人员周围公众及环境造成严重影响，社会影响巨大，经济损失严重，世界有核国家都建有应急组织，并建有完善的应急监测系统，能及时准确地向应急行为决策者提供环境污染状况。

核事故辐射环境监测系统是辐射防护应急以及核安全的一个重要环节，是确保核科学技术得到长足发展的一个重要环节，尤其是核电站周边辐射环境监测是持续健康发展核能的必要条件。

1.2 国内外辐射环境监测系统概况辐射环境监测工作是从半个世纪前起步，伴随着核污染事件核泄漏事故的发生公众的心理变化和关注而发展，世界上许多国家如美国、德国荷兰、日本、丹麦捷克英国奥地利瑞士葡萄牙、意大利、西班牙、澳大利亚、韩国等都十分重视辐射环境监测工作，美国、日本、英国、法国等一些发达国家建立了核设施环境辐射连续监测系统，用于核事故的早期报警及事故监测，其监测数据成为安抚公众、当局决策的主要依据。

我国环境辐射监测工作自上世纪五十年代起步，近年来随着核电站的兴建及发展正逐步受到核电、环保等有关部门的高度重视，因此研制核设施环境、辐射连续监测系统，为核设施辐射环境监测工作提供可靠的技术保障则具有重要意义。

中国已开展的环境辐射监测工作包括天然本底调查和核设施运行监测、天然环境放射性本底调查工作国外开展较早，世界范围的比对工作已大规模做过，由于各国使用的仪器及方法不同，彼此间的数据有所差异；我国自1983年起届时8 年，开展了全国环境天然γ放射性水平调查研究，表1-1为不同方法测得的原野γ外照射剂量率。

表1- 1 为不同方法测得的原野γ外照射剂量率由表1-1可见，参加上述调查的单位较多，仪器类型不同，各家测量结果也有所差异。

多年来国内外围绕环境天然γ放射性的实测值差异产生来源己开展了许多研究。

1.3 辐射监测仪器要求及选用核设施环境监测是伴随核电站的运行而开展的，各国选用的监测仪器有所不同，有高气压充氢电离室型、补偿型GM计数管型、正比计数器型NaI(T1)闪烁探测器型、硅探测器型等。

国内大亚湾核电站近期采用的是GM计数管型探测器，秦山核电站采用的主要是高气压充氢电离室型探测器，连续监测系统要具有区分和鉴别天然本底辐射和人工放射性核素的能力，因此对监测系统的稳定性、灵敏性、准确性要求较高。

另一个监测目的是早期报警及应急监测，应急监测的特点是要求监测系统可靠、响应快、量程宽，目的在于迅速准确获得结果，及时通知指挥系统，为当局决策提供依据。

随着当今理论研究的深入、计算方法的进步以及电子学技术的飞速发展，提高监测仪器的性能变得可以实现，核技术应用的拓广使仪器开发研制有所发展，各类仪表的性能都有改善。

目前国内核电厂环境连续监测仪器多为进口产品，由于引进设备价格昂贵，而国内尚无定型产品，因此急需开展核设施环境辐射连续监测系统的研制工作。

通过对几种常用的核辐射传感器的综合比较，本设计选用GM计数管，因为其具有如下优点：1 灵敏度高，不论何种类型的射线，只要在计数器的灵敏区内产生一对离子，便可能引起放电而被记录。

2 脉冲幅度大，输出脉冲幅度达几V。

甚至几十V，可以省去或简化放大电路。

3 稳定性高，不受外界电磁场干扰，对电源的稳定度要求也不高。

4 计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量要求在较大范围内变动。

5 使用方便，成本低廉，制作的工艺要求和仪器电路均较简单。

2 研究内容和总体方法2.1 总体设计思路辐射污染源如γ射线等，具有很高的能量级，在探头电路设计中可以利用G-M监测辐射源产生的脉冲计数，并在此基础上进行不同的非线性补偿或线性拟合。

根据单位时间内产生的脉冲信号作为数据采集信号，经过信号放大电路，模数转换电路，将信号经过单片机控制电路处理，然后再执行监测结果实时显示，报警电路等。

工作原理见图2-1。

图2- 1 系统总体框图2.2 仪器工作原理1）信号调理电路由于G-M管产生的输出信号幅值较大，所以脉冲信号需经过一个限幅电路转换成幅值较小的脉冲信号，然后经过施密特触发器转换成边沿触发的脉冲信号。

如下图2-2。

图2- 2 信号调理电路2）电源变换电路电源变换电路包括高压模块和升压模块。

G-M管的工作电压较高，但输入电压只有3.3V，所以要采用集成高压模块来提供工作电源，而系统采用的一般是低电压作为外部电源，为能给系统中的单片机和其它芯片提供工作电压，必须将输入的外部电源电压升高到芯片工作电压。

升压模块电路如下图2-3。

图2- 3 升压模块电路3）显示报警电路通过读取核辐射探测器的脉冲数，计算为对应的脉冲频率，将结果送显示电路，通过LCD实时显示辐射程度量。

如果脉冲频率大于设定的的频率上限值，则驱动电路并通过LCD实时显示辐射程度量。

同时仪器具有语音报警功能，脉冲频率大于设定的的频率上限值时，发出“辐射剂量超标，请注意防护”的语音播报。

如果条件允许的话，还可以继续输出控制信号，开启防护装置，使检测仪器功能更加完善、科学。

系统工作原理图如图2-4。

图2- 4 系统工作原理框图2.3 系统软件设计系统软件由汇编语言和高级语言混合构成，使软件具有汇编语言的快速性、占用内存空间小的优点。

软件应包括：系统功能自检测程序，初始化程序，核辐射剂量检测程序，模数转换驱动程序，显示驱动程序等。

系统软件流程图如图2-5。

图2- 5 程序流程图2.4 测量原理在实际测量未知放射源的强度之前，首先必须对一个已知强度的标准放射源的R（辐射强度）进行测量，推算出所使用的G-M计数器自身的参数k，其次才能对未知的放射源进行测量。

对未知放射源的测量过程如下：首先对系统进行中断以及定时器的初始化；其次经过单片机的扫描判断是否有脉冲（如果没有，单片机继续判断，反之进入外部中断）；然后单片机通过中断控制将高压电路关闭，G-M计数器停止工作2ms；最后，2ms恢复结束，重新接入高压电路重复上述的过程，直到完成测量n次为止。

对上述多次取得的时间取平均值，这样得到此次测量的时间t，经过式子tR （其中R表示辐射强度，k表示G-M自身的参数系数，t表示测量k时间）得到该未知放射物的辐射强度。

为了获得与实际更为接近的结果，采用多次测量取平均值的方法。

上述测量过程可以反复测量N次，然后求出R的平均值，即得到更为准确的辐射强度值。

3 课题研究的创新之处随着当今对辐射监测仪器研究的不断深入、提高监测仪器的性能无外乎从两大方面入手，即具体测量算法的进步和系统元器件本身性能的提升。

本设计在这两个角度均考虑了改进创新的思路与方法。

3.1 测量算法的改进1）传统计数方法以往对G-M计数器测量方法，主要侧重于测量G-M计数器单位时间内产生的脉冲信号数，即计数率（n），并在此基础上进行不同的非线性补偿或线性拟合，从而形成不同的测量方法，但本质还是由n求辐射强度（R），即R=f(n)。

但是这种方法可能会由于G-M计数器的死时间产生漏计数，从而造成测量失真，产生误差。

2）本设计计数方法这种计数方法主要是测量G-M计数器1个脉冲从开始产生到结束这一段计数前时间t，由t求R，即：R=f(t)，这里R是时间t的函数，而不是像前面是计数率（n）的函数了，从而提高了G-M计数器的稳定性。

在这种方式中，G-M计数器作为一种数字开关，用1个带微处理器的电路和1个精确的定时芯片，通过对电压控制来保证G-M 计数器的工作与停滞。

在G-M 计数器产生1个脉冲后，精确定时装置定时2ms ，计数器保持在一个计数器工作电压和起始电压之间，此时G-M 计数器停止工作，并保证计数器有足够的时间恢复正常工作状态，直到t 0，即2ms 后计数器和阳极电压升高，G-M 计数器开始恢复工作。

t 0时，单片机系统由晶振控制的时钟开始定时测量计数前的时间t ，直到下一个平滑脉冲结束，偏压下降，G-M 计数器的一个工作周期内，只有一个工作脉冲产生，技术管电压从恢复到降低这段计数前时间t 与R 成反比，满足R=k/t 。

可以通过最小二乘法，来分析这两种计数方式的变化，设X Y βα+=,其中Y 是因变量，X 是自变量，α和β是回归系数。

可以根据最小二乘法的公式计算出回归系数α和β，并比较两种计数数据曲线的拟合程度。

∑∑∑∑∑--=22)(X X n Y X XY n βn X n Y )()(∑∑-=βα3.2 双GM 管自动切换方法的改进GM 计数管是工作在盖革－弥勒区的气体电离探测器， 是最常见的一种核探测器， 一般单个GM 管能够测量的量程是3-4个量级，采用双GM 计数管可扩展仪表的测量范围。

而双管切换技术是实现双GM 计数管测量的关键技术。

本设计通过切换双GM 阴极及阴极信号输出电路实现高低计数管切换， 避免了由于采用阳极高压切换所需的高压继电器和高压切换引起的电路故障。

1）切换电路图3- 1 高低量程GM管切换电路2）控制过程当辐射测量仪器启动后，单片机输出低电平，打开控制低量程的干簧管继电器K2，连通低量程计数管LGM的阴极电路，高低量程计数管均开始工作同时，单片机输出高电平，关闭控制高量程的干簧管继电器K1，切断高量程计数管HGM 的阴极电路与输出电路的连接在测量量程达到一定数值时，单片机输出高电平，关闭控制低量程的干簧管继电器K2 切断低量程计数管LGM 的阴极电路与输出电路的连接，低量程GM 计数管LGM 停止工作同时，单片机输出低电平，打开控制高量程的干簧管继电器，连通高量程计数管HGM 的阴极电路，高量程计数管开始工作。

采用阴极切换设计，解决了高压继电器设计难度，增加了仪器的可靠性，实现了双GM管平稳快速切换，可以达到8个数量级的剂量率测量要求。

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