此儀器為測量環境中γ放射性劑量率濃度的測量儀表，分成探頭和主機兩大部分：其中探頭由高低量程GM計數管、計數單元和通訊單元組成；主機由通訊、處理單元、鍵盤、和顯示部分組成。

1 探頭原理

1．1 蓋革-彌勒計數管原理

GM管原理見圖1。蓋革-彌勒計數管（GM管）也稱氣體放電計數器。一個密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內壁涂一層導電物質，或是一個金屬圓管作陰極，內部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。特點是工作電壓低。

當射線進入計數管后氣體被電離，負離子由陽極吸引移向陽極時，離子又與其他氣體分子碰撞后產生多個次級電子，快到陽極時次極電子急劇倍增產生雪崩現象。雪崩引起陽極整條線上雪崩，發生放電，放電后空間電子又被中和，剩下許多正離子包圍陽極，形成正離子鞘。正離子鞘和陽極間的電場因正離子的存在而減弱。此時若有電子運動到該區域，也會產生雪崩放電，這段時間不能計數，稱“死時間”。正離子打到陰極時會產生（打出）電子，電子被電場加速，又引起計數管放電產生正離子鞘，這一過程循環出現。

計數管上電壓U一定時，射線入射越強電流I越大，輸出脈沖數N越大，a、b段稱“坪”，蓋格計數管主要用于探測β粒子和γ射線。

1．2探頭電路

探頭有高壓產生電路、高低量程兩支蓋革-彌勒計數管（GM管）、單片機SM89C52、串口轉485通信芯片MAX485構成，如圖2所示。

高壓產生電路為高低量程GM管提供高壓，使得GM管可以工作。GM管用來測定輻射，射線通過GM管并引起電離時便使該GM管產生電流脈沖，脈沖經整形電路、2分頻電路后變成邊緣陡峭的方波，送到SM89C52的T0，T1定時器做計數，對低量程使用T0作計數，T1作1秒定時，而高量程則使用T1作計數，T0作定時，主機可通過發送命切換令高低量程測量，當探頭接到主機發來的查詢命令后便把每秒計數值（CPS）返回給主機。探頭電源透過電纜從主機得到。

低量程GM管ZP1210和高量程GM管Zp1304的接口方式不太一樣，依據數據手冊設計如圖3所示。

2 主機工作原理

主機由單片機SM89C58，12 864點陣液晶、4個按鍵、MAX 485芯片、AT24C64、實時時鐘芯片M41T0構成，主機和探頭通過電纜連接，如圖4所示。主機的工作是定時查詢探頭，得到CPS，運算轉換成劑量率顯示在LCD上，同時根據該數據決定是否發送命令切換測量通道、給高低量程GM管哪一個加高壓。M41T0給系統提供實時時鐘。AT24C64用來保存系統參數和密碼等，也用來保存帶有時間信息的測量結果，在測量界面下用戶對當前測量結果可以保存，以便事后追查。主機在液晶上通過菜單配合4個按鍵來實現參數的設定、時間日期調整、密碼管理等。并提供中英文兩種語言切換，可擴展其他任意語言顯示。

探頭GM管得到的每秒計數值（CPS）需要經過運算才能轉換為劑量率的的單位為微戈瑞每小時（μGy／h），轉換公式為：

其中D是劑量率，單位是μGy／h；K是探頭靈敏度，常數；t是死時間（dead time），單位是s；N是每秒計數值，即每一秒GM管受輻射而產生脈沖個數。對于低量程探頭（ZP1210），t的取值范圍是50～80μs，K的取值范圍是2．5～3．2；對于高量程探頭（ZP1304），t的取值范圍是21～35 μs，K的取值范圍是O．030～0．040。高低GM管的ι，K均可在主機通過菜單設定，而每一套測量儀均需要做校準來設定ι，K值。由于ι，K是整個計算的重要參數，不能被使用者隨意修改，因此在儀器設計時，添加了密碼保護功能，進入ι，K的設定菜單需要使用者輸入密碼，密碼驗證通過才能修改ι，K參數。

由于放射性的隨機特性，故由儀器所檢測到的CPS會有抖動變化，主機程序對連續數次測量結果做平滑濾波處理，使得測量結果更準確。若是取平均的測量結果太少，平滑效果不佳；若是取平均的測量結果太多，那么會導致儀器相應速度變得很慢。因此綜合考慮采取5個點的平均。

3 量程切換

低量程GM管ZP1210可以測量10-1～104μGy／h的輻射劑量，而高量程GM管ZP1304可以測量102～107μGy／h的輻射劑量。

量程切換見圖5，主機根據從機得來的實時CPS數據運算得到以μGy／h為單位的劑量率結果，主機會檢測連續的數次測量結果，當發現測量結果的變化趨勢是從小于1200 μGy／h變到大于1 200μGy／h時，主機發送命令給從機，讓從機對高量程GM測量計數值；當發現測量結果的變化趨勢是大于800 μGy／h變到小于800μGy／h時，主機發送命令給從機，讓從機對低量程GM測量計數。這樣高低量程GM管測量切換分別發生在800μGy／h和1 200μGy／h兩個位置，從而避免了在單一位置實施切換時容易發生振鈴，頻繁切換高低量程的情況出現。

當出現大劑量輻射時低量程GM管的高壓應當關斷，停止工作，以避免損傷低量程GM管，再加上為了節省電池電能，探頭有必要對耗電的高壓產生電路實施控制。主機發現測量結果小于800μGy／h時關斷高量程GM管的高壓、打開低量程GM管的高壓，大于1 200μGy／h時關斷低量程GM管的高壓、打開高量程GM管的高壓，大于800 μGy／h小于1 200 μGy／h時同時打開高低量程GM管的高壓。高低量程GM管高壓打開、關斷控制切換圖如圖6所。

為了避免開機時，大劑量輻射損傷低量程GM管，開機時探頭給高量程GM管加高壓，關斷低量程GM管高壓，測量從高通道GM開始。探頭的單片機SM89C52根據主機的命令來決定是否對于高低量程GM管加高壓。

4 聲光報警

由于射線的危險性，當環境的射線劑量大于一定值時，儀器需要給用戶提示，提醒用戶注意。用戶可以設定儀器的報警閾值。當主機判別劑量值大于用戶設定的閾值時，主機在液晶屏幕上顯示“超過閾值”的報警提示，并且響起蜂鳴器。

主機在發現跟探頭通訊失敗后也需要報警提示用戶去檢查線路和探頭。

5 結 語

環境γ劑量率測量儀研制成功，經校準后交付給用戶，用戶反映良好。本儀器主要用來對γ射線進行劑量率的測量并報警，也可應用于工業無損探傷、醫院γ刀治療、同位素應用、γ輻照、醫院X射線診斷、鈷治療、核電站等放射性場所，提醒工作人員放射源或射線裝置已處于工作或泄漏狀態，從而保護工作人員的安全。

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