基于Time-to-Count方法的GM计数管(Geiger–Müller Counter)量程扩展方法研究

《Applied Sciences》：Research on the Range Extension Method of GM Counter Based on Time-to-Count

　　

摘要：Geiger–Müller（GM）计数管广泛用于γ剂量率（dose rate）测量，但其较长死时间（dead time）限制了其测量上限（量程）。为扩展GM计数管的量程上限并扩大其应用范围，研究人员采用J306型γ GM计数管验证了Time-to-Count方法。依据辐射强度测量的基本原理，研究人员利用Time-to-Count方法设计了辐射测量系统的硬件与软件架构。实验表明，与传统脉冲计数法（pulse-counting method）相比，Time-to-Count方法具有更高线性度，且量程上限扩展了约两个数量级。

基于Time-to-Count方法的GM计数管量程扩展方法研究——论文解读

Geiger–Müller（GM）计数管是常用的γ射线探测器件，可用于环境γ剂量率监测。但在强辐射场（如核事故应急场景）中，由于GM管存在较长死时间（通常为数十至数百微秒），传统脉冲计数法在高计数率下会出现严重脉冲堆积（pulse pile-up），导致计数率饱和甚至反转，常规J306型GM管量程上限仅约800 μSv/h，难以满足宽量程测量需求。现有扩程手段包括缩短几何尺寸以降低灵敏度（牺牲低剂量率性能）、基于固定死时间模型的数学修正（模型假设死时间为常数，与实际不符且在超高计数率下失效）、双管高低量程切换（硬件寿命与切换时序要求高）等，均存在局限。Time-to-Count（TTC，计时-计数/到时计数）方法通过对GM管施加工作–休眠（work–sleep）工作模式，每周期仅记录首次入射事件前的等待时间（预计数时间pre-count time t），使辐射强度R∝1/t，可规避死时间影响并大幅扩展单管量程，是目前较有效的GM管扩程方案之一。本文研究人员以J306 γ GM计数管为对象，搭建TTC模式与常规计数模式对比测量系统，验证TTC方法对量程与线性的改善效果，并估算系统理论上限。该文发表于《Applied Sciences》。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法为：以J306 γ GM计数管为探测元件，由STM32F103ZET6微控制器产生控制信号，通过由IRFBC40 MOSFET与AD8065高速运放构成的高压控制电路使GM管阳极电压在工作电压V_W（550 V）与休眠电压V_D（约分压一半）间切换实现工作–休眠模式；GM管输出脉冲经LH-1031测试装置及74HC14施密特触发器整形后接入STM32外部中断与定时器输入捕获通道，测量控制信号的低电平持续时间作为预计数时间t；传统计数模式下利用TIM5脉冲计数功能结合TIM6定时中断获取单位时间脉冲数；采用⁶⁰Co γ放射源与AT1123剂量仪提供参考剂量率场进行对比实验标定。

1. Introduction（引言）

研究人员综述了GM计数管在γ剂量率测量中的应用及现有四种扩程方法的优劣，指出Time-to-Count方法可通过工作–休眠模式规避死时间影响、降低放电频率延长寿命并扩展量程，确定以J306 GM管搭建系统予以验证并提出量程上限估算方法。

2. Principle of the Time-to-Count Method（Time-to-Count方法原理）

传统脉冲计数法以探测计数率n反映辐射强度R=R(n)，受死时间限制易堆积欠计。TTC方法中GM管每一工作周期在检测到首个脉冲后立即将高压从工作电压V_W降至休眠电压V_D，进入约2 ms休眠期（远长于死时间，屏蔽新脉冲），随后恢复高压进入下一待测窗口，两恢复点与下一跌落点间为预计数时间t。理论推导辐射强度R与预计数时间t成反比，即R=k/t（k为与GM管相关的常数），实际需多次测量取平均并以标准源标定。高压切换延迟会引入附加时间偏移（杂质时间impurity time t₀），需高速高压恢复以保证精度。

3. System Structure Design（系统结构设计）

研究人员分别搭建TTC模式（含高压控制电路与74HC14施密特触发器）与计数模式硬件连接。高压控制电路在STM32控制高电平驱动IRFBC40导通使GM阳极分压至休眠电压，低电平时截止恢复工作高压，前级加AD8065同相放大(×2)增强MOSFET驱动能力。STM32程序中TTC模式通过PE4外部中断检测脉冲下降沿触发PC0输出2 ms高电平休眠控制信号，并利用TIM5输入捕获双沿测t；累计100次取均值串口上传。计数模式配置TIM5上升沿脉冲计数、TIM6 2 s定时中断读取计数率上传。

4. Results and Discussion（结果与讨论）

4.1 Comparison of Linearity and Upper Limit of the Range（线性度与量程上限对比）：以⁶⁰Co源与AT1123为参考，计数模式下剂量率≤800 μSv/h时计数率与剂量率近似线性，>1000 μSv/h严重偏离并出现反转，判定量程上限≈800 μSv/h。TTC模式下1/t与剂量率呈三段分段线性关系（低段0~233 μSv/h：y=0.1014x+0.4244，R2=99.88%；中段233~1000 μSv/h：y=0.1864x?234.51，R2=97.98%；高段1000~2365 μSv/h：y=0.7350x?3634.9，R2=100%），各段相关系数>97%，实验中最高达2365 μSv/h仍保持一一对应关系，证实TTC法线性更优且量程扩展至2365 μSv/h以上（受实验室源强限制未测得实际上限）。

4.2 Estimation of the Upper Limit of the Range（量程上限估算）：考虑杂质时间t₀修正公式为R=k/(t+t₀)，理论上限R_max=k/t₀，故减小t₀（尤其高压恢复时间t_r）可提升上限。实测系统高压恢复时间t_r=520 μs，极限情况下高压刚恢复至起辉电压325 V即再被触发，极限t_r≈50 μs，对应1/t_measure上限为2×10⁵s^?1，代入高段拟合式得理论量程上限≈11.065 mSv/h，较传统脉冲计数法扩展约两个数量级。高压恢复速度偏慢会使杂质时间变长并引起分段曲线斜率渐增现象。

5. Conclusions（结论）

研究人员通过J306 γ GM计数管搭建基于Time-to-Count方法的辐射测量系统并与传统脉冲计数法对比实验，验证了Time-to-Count方法可有效扩展GM计数管量程且线性度更优；通过实验测定杂质时间t₀估算系统理论量程上限较传统方法扩展两个数量级。不同型号GM管实现原理相同仅需调整参数。为进一步拓展量程上限，应提高高压控制电路响应速度并减小高压恢复时间t_r。