基于Time-to-Count方法的伽马剂量计及监测方法

摘要

本发明提供一种基于Time‑to‑Count方法的伽马剂量计及监测方法，该伽马剂量计包括低压电源、高压电源、高压脉冲电路、高量程GM计数管、低量程GM计数管、阳极负载、阴极负载、信号调理电路、量程切换电路、单片机工作系统、通讯模块以及上位机。本发明设计了高性能的高压脉冲电路以及信号调理电路，并且采用Time‑to‑Count的测量方法，有效消除了GM计数管固有死时间以及脉冲堆叠对线性量程造成的限制，可有效扩展单个GM计数管的量程范围。此外，采用在GM计数管阴极串联开关三极管的方式方便可靠地控制GM计数管通断，并且采用量程滞回判断的逻辑，实现双GM计数管的自动稳定切换，能够有效扩大剂量计的线性量程范围。

说明书

技术领域

本发明属于核辐射探测技术领域，具体涉及一种基于Time-to-Count方法的伽马剂量计及监测方法。

背景技术

盖革-弥勒计数管，简称GM计数管，因其具有稳定性高、信号读出电路简单、成本低等优点，被广泛应用于各种核辐射探测器中。但受其固有死时间的影响，单个GM计数管的线性量程范围会极大地受到限制。此外，在各种应用场合的环境剂量率范围可达7～8个数量级，而单个GM计数管的量程范围一般仅有3～4个数量级，已不能满足监测需求。

脉冲计数法工作模式下的GM计数管，通过测量单位时间内的脉冲个数来获取剂量率，测量方法简单。但由于GM计数管固有死时间以及高剂量率下脉冲堆叠现象的影响，脉冲计数法工作模式下的GM计数管线性量程范围难以扩展。在GM计数管固有死时间内，无法检测到伽马射线，导致漏计数，虽然可通过调整电路参数减小死时间，比如降低阳极电阻值、选取合适的工作电压等，但不能彻底消除其影响。此外，高剂量率下脉冲堆叠的现象也会造成大量漏计数，虽然可以通过改进信号调理电路减少脉冲堆叠，但仍不能彻底消除其影响。

Time-to-Count方法可以有效解决脉冲计数法模式下存在的问题，通过测量GM计数管加高压开始工作到产生第一个脉冲的时间间隔(称为计数前时间)来获取剂量率。当GM计数管在高压下产生脉冲时，立即关断高压使GM计数管进入休眠状态，维持2ms后，重新加高压使GM计数管进入工作状态。休眠时间可以使GM计数管跨过死时间的影响，并且高剂量率下不会产生脉冲堆积，可以有效扩展GM计数管的线性量程范围。

实现Time-to-Count方法的关键技术是设计响应迅速的高压脉冲电路以及高精度的时间测量模块。现有的高压脉冲实现方式中，采用单开关管控制电阻分压，使GM计数管阳极电压在工作高压与设定低压间切换的方法，响应速度慢，而且电阻分压会造成过多额外功耗；在GM计数管阳极加正高压、在GM计数管阴极加负高压的方法，虽然可以提高响应速度，但是需要提供两个高压电源，结构复杂。

采用具有不同量程范围的双GM计数管设计伽马剂量计，可有效扩展剂量计的线性量程范围，实现双GM计数管工作的关键技术是量程切换技术。现有技术中，在高压侧串联开关的方式容易造成电路损坏，降低仪器的可靠性；在低压侧使用继电器作为开关的方式，电路结构复杂、体积大，而且存在电磁辐射。

发明内容

为了解决现有技术中GM计数管用作剂量率监测时的不足，本发明的目的在于提供一种基于Time-to-Count方法的伽马剂量计及监测方法，本发明实现了高压脉冲的迅速切换、GM计数管输出信号的高效处理、高低量程GM计数管的稳定自动切换以及GM计数管在Time-to-Count方法下的稳定运行，能够有效拓宽伽马剂量计的线性探测量程，提高仪器性能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于Time-to-Count方法的伽马剂量计，包括低压电源、高压电源、高压脉冲电路、高量程GM计数管、低量程GM计数管、阳极负载、阴极负载、信号调理电路、量程切换电路、单片机工作系统、通讯模块以及上位机；单片机工作系统由时间测量模块、数据处理模块、高压控制模块、量程判断及控制模块组成；低压电源用于给伽马剂量计提供工作电压，连接至伽马剂量计中需要供电的芯片和模块；高压电源用于给高压脉冲电路提供直流高压，连接至高压脉冲电路；高压脉冲电路用于给高量程GM计数管和低量程GM计数管提供脉冲高压，高压脉冲电路的输入端连接至单片机工作系统中的高压控制模块，高压脉冲电路的输出端连接至阳极负载；高量程GM计数管和低量程GM计数管用于检测环境中的伽马射线，两个GM计数管的阳极连接至阳极负载，两个GM计数管的阴极连接至阴极负载；信号调理电路包括高量程GM计数管信号调理电路和低量程GM计数管信号调理电路，两个信号调理电路分别将各自的GM计数管产生的电流脉冲信号转化为规则的电压脉冲信号，其输入端分别连接至各自的GM计数管的阴极，输出端连接至单片机工作系统中的时间测量模块；量程切换电路包括高量程GM计数管量程切换电路和低量程GM计数管量程切换电路，分别用于控制各自的GM计数管的开通和关断，其输入端连接至单片机工作系统中的量程判断及控制模块，输出端连接至阴极负载；单片机工作系统用于采集高量程GM计数管和低量程GM计数管的计数前时间并转化为剂量率、控制高压切换、控制高量程GM计数管和低量程GM计数管自动完成量程切换；单片机工作系统通过通讯模块将剂量率传送至上位机，实时显示当前剂量率。

所述高压脉冲电路由第六电阻R6、光耦隔离芯片IC1、第七电阻R7、栅极驱动芯片IC2、第三开关二极管D3、极性电容E1、第八电阻R8、第九电阻R9、第一场效应管NMOS1、第二场效应管NMOS2组成；第六电阻R6一端连接至+3.3V电压，另一端连接至光耦隔离芯片IC1的VF+引脚；光耦隔离芯片IC1的VF-引脚连接至单片机工作系统中的高压控制模块，光耦隔离芯片IC1的VCC引脚和VE引脚连接至+5V电压，光耦隔离芯片IC1的VO引脚连接至栅极驱动芯片IC2的IN引脚，光耦隔离芯片IC1的GND引脚接地；第七电阻R7一端连接至光耦隔离芯片IC1的VE引脚，另一端连接至光耦隔离芯片IC1的VO引脚；栅极驱动芯片IC2的VCC引脚连接至+12V和第三开关二极管D3的正极，栅极驱动芯片IC2的SD引脚连接至+5V电压，栅极驱动芯片IC2的COM引脚接地，栅极驱动芯片IC2的VB引脚连接至第三开关二极管D3的负极和极性电容E1的正极，栅极驱动芯片IC2的HO引脚通过第八电阻R8连接至第一场效应管NOMS1的栅极，栅极驱动芯片IC2的VS引脚连接至极性电容E1的负极，栅极驱动芯片IC2的LO引脚通过第九电阻R9连接至第二场效应管NOMS2的栅极；第一场效应管NMOS1的漏极连接至高压电源，第一场效应管NMOS1的源极连接至第二场效应管NMOS2的漏极和栅极驱动芯片IC2的VS引脚，第二场效应管NMOS2的源极接地。第一场效应管NMOS1的源极和第二场效应管NMOS2的漏极作为高压脉冲电路的输出端连接至高量程GM计数管HGM和低量程GM计数管LGM的阳极负载，为两个GM计数管提供响应迅速的脉冲高压。

所述高量程GM计数管信号调理电路和低量程GM计数管信号调理电路的结构相同，均包括阴极负载电路、CR微分电路、双向限幅电路和幅值甄别器。对低量程GM计数管LGM信号调理电路描述如下：所述阴极负载电路由第一电容C1和第一电阻R1并联组成，其输入端连接至低量程GM计数管LGM阴极，输出端连接至第一开关三极管Q1的集电极，将低量程GM计数管LGM产生的电流脉冲信号转化为电压脉冲信号；所述CR微分电路由第二电容C2和第二电阻R2串联组成，第二电容C2和第二电阻R2的连接点作为CR微分电路的输出端，第二电容C2另一端连接至低量程GM计数管LGM阴极，第二电阻R2另一端接地，CR微分电路将低量程GM计数管LGM阴极电压脉冲信号进一步转化为具有预设幅值和脉宽的电压脉冲信号，在一定程度上使前级堆叠的脉冲信号相互分开，减少高剂量率下的漏计数；所述双向限幅电路由第五电阻R5、第一开关二极管D1和第二开关二极管D2组成，第五电阻R5的输入端连接至CR微分电路的输出端，第一开关二极管D1负极连接至+5V，第一开关二极管D1正极连接至第二开关二极管D2负极，第二开关二极管D2正极接地，第一开关二极管D1和第二开关二极管D2的连接点连接至第五电阻R5的输出端和第一电压比较器U1的正向输入端，双向限幅电路将电压脉冲幅值限制在-0.6V～+5.6V之间，保护后级幅值甄别器；所述幅值甄别器由第一电压比较器U1和第一电位器RP1组成，第一电位器RP1两端分别连接至+5V和地，第一电位器RP1滑动端连接至第一电压比较器U1的负向输入端，用来调节幅值甄别器的阈值电压，幅值甄别器将前级脉冲信号转化为规则矩形电压脉冲信号。

所述高量程GM计数管量程切换电路和低量程GM计数管量程切换电路相同，其中低量程GM计数管LGM的量程切换电路由第一开关三极管Q1、第三电阻R3和第四电阻R4组成。第一开关三极管Q1的集电极连接至阴极负载电路，第一开关三极管Q1的基极通过第三电阻R3连接至单片机工作系统中的量程判断及控制模块，第一开关三极管Q1的发射极接地，在第一开关三极管Q1的基极和发射极间跨接第四电阻R4确保其工作状态的稳定。当单片机工作系统控制第一开关三极管Q1开通时，低量程GM计数管LGM能在正常工作电压下产生电流脉冲信号，反之低量程GM计数管LGM则无法工作。在任何时刻，低量程GM计数管LGM的量程切换电路中第一开关三极管Q1和高量程GM计数管HGM的量程切换电路中第二开关三极管Q2有且仅有一个导通，即任何时刻有且仅有一个GM计数管处于工作状态，从而实现双GM计数管的量程切换控制。

所述单片机工作系统的时间测量模块连接至高量程GM计数管信号调理电路和低量程GM计数管信号调理电路的输出端，高压控制模块连接至高压脉冲电路中光耦隔离芯片IC1的VF-引脚。高压控制模块控制高压脉冲电路输出高压后，时间测量模块开始计时，当高量程GM计数管信号调理电路和低量程GM计数管信号调理电路输出的信号触发时间测量模块时，读取时间测量模块此时测量的计数前时间，同时高压控制模块控制高压脉冲电路输出0V并维持数毫秒，时间测量模块测量的计数前时间通过数据处理模块转化为剂量率；量程判断及控制模块连接到低量程GM计数管量程切换电路中第一开关三极管Q1和高量程GM计数管量程切换电路中第二开关三极管Q2，采用滞回判断的逻辑方法，当低量程GM计数管LGM处于工作状态时，若测得剂量率R大于Q，则开通第二开关三极管Q2切换为高量程GM计数管HGM工作；当高量程GM计数管HGM处于工作状态时，若测得剂量率R小于P，则开通第一开关三极管Q1切换为低量程GM计数管LGM工作。量程滞回判断的方法能够避免剂量率处于临界状态时两个GM计数管反复切换的现象，提高自动切换稳定性。其中，Q为量程判断及控制模块中由低量程GM计数管LGM工作转换为高量程GM计数管HGM工作的判断阈值，P为量程判断及控制模块中由高量程GM计数管HGM工作转换为低量程GM计数管LGM工作的判断阈值。

所述通讯模块，基于单片机串口通讯功能进行设计，同时为满足不同环境的需求，设计RS485通讯和LORA无线通讯两种方式。将单片机工作系统中数据处理模块得到的剂量率传送至上位机，实现数据的实时监测。

基于上述基于Time-to-Count方法的伽马剂量计的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，伽马剂量计上电后，首先初始化选通第一开关三极管Q1，使低量程GM计数管LGM准备开始工作。

步骤2，单片机工作系统中的高压控制模块控制高压脉冲电路产生高压，使低量程GM计数管LGM在高压下开始工作，同时单片机工作系统中的时间测量模块数据清零并开始计时。

步骤3，当有伽马射线打到低量程GM计数管LGM的管壁上且在其气体灵敏区内引发电子雪崩时，将产生电流脉冲信号，此信号经过信号调理电路整形为幅值为5V的规则矩形电压脉冲。

步骤4，步骤3中规则矩形电压脉冲的上升沿触发单片机工作系统中的时间测量模块，记录此时测量的时间作为计数前时间T；同时高压控制模块控制高压脉冲电路输出0V，使低量程GM计数管LGM停止工作，维持数毫秒。

步骤5，重复步骤2～步骤4，测量N组计数前时间T后转入步骤6。

步骤6，步骤5中测得的N组计数前时间T，通过单片机工作系统中的数据处理模块，对N组计数前时间T取平均并转换为剂量率R。

步骤7，单片机工作系统通过通讯模块将剂量率R传送至上位机界面，实时显示环境剂量率R。

步骤8，判断当前剂量率R是否在低量程GM计数管LGM的线性量程范围内。若在其量程范围内，则继续使用低量程GM计数管LGM进行测量，重复步骤2～步骤7；若不在其量程范围内，则关断第一开关三极管Q1使低量程GM计数管LGM停止工作，同时开通第二开关三极管Q2使高量程GM计数管HGM开始工作，重复步骤2～步骤7。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

设计高性能的高压脉冲电路，响应迅速，可被单片机控制稳定；设计高效的信号调理电路，将GM计数管产生的电流脉冲信号转化为幅值5V的电压脉冲信号，结构简单，可靠稳定；剂量计实现了Time-to-Count的测量方法，有效消除了GM计数管固有死时间以及脉冲堆叠对线性量程造成的限制，可有效扩展单个GM计数管的量程范围；采用在GM计数管阴极串联开关三极管的方式，方便可靠地控制GM计数管通断，电路简单，易于控制，并且采用量程滞回判断的逻辑，实现双GM计数管的自动稳定切换，能够有效扩大剂量计的线性量程范围。本发明结构简单，易于实现，可为相关技术的发展提供一定参考价值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定：

图1为本发明的系统硬件结构图；

图2为本发明高压脉冲电路的原理图；

图3为本发明的部分关键电路原理图，其中主要包括GM计数管的信号调理电路和量程切换电路；

图4为本发明量程滞回判断逻辑的示意图；

图5为本发明Time-to-Count方法的工作原理图；

图6为本发明高压脉冲电路的实验波形图；

图7为本发明低量程GM计数管信号调理电路的实验波形图；

图8为本发明高量程GM计数管信号调理电路的实验波形图；

图9为本发明Time-to-Count控制的实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于Time-to-Count方法的双GM计数管宽量程伽马剂量计，包括低压电源、高压电源、高压脉冲电路、高量程GM计数管、低量程GM计数管、阳极负载、阴极负载、信号调理电路、量程切换电路、单片机工作系统、通讯模块以及上位机。低压电源用于给伽马剂量计提供工作电压，连接至伽马剂量计中需要供电的芯片和模块；高压电源用于给高压脉冲电路提供直流高压，连接至高压脉冲电路；高压脉冲电路用于给高量程GM计数管和低量程GM计数管提供脉冲高压，高压脉冲电路的输入端连接至单片机工作系统中的高压控制模块，高压脉冲电路的输出端连接至阳极负载；高量程GM计数管和低量程GM计数管用于检测环境中的伽马射线，两个GM计数管的阳极连接至阳极负载，两个GM计数管的阴极连接至阴极负载；信号调理电路包括高量程GM计数管信号调理电路和低量程GM计数管信号调理电路，两个信号调理电路分别将各自的GM计数管产生的电流脉冲信号转化为规则的电压脉冲信号，其输入端分别连接至各自的GM计数管的阴极，输出端连接至单片机工作系统中的时间测量模块；量程切换电路包括高量程GM计数管量程切换电路和低量程GM计数管量程切换电路，分别用于控制各自的GM计数管的开通和关断，其输入端连接至单片机工作系统中的量程判断及控制模块，输出端连接至阴极负载；单片机工作系统用于采集高量程GM计数管和低量程GM计数管的计数前时间并转化为剂量率、控制高压切换、控制高量程GM计数管和低量程GM计数管自动完成量程切换；单片机工作系统通过通讯模块将剂量率传送至上位机，实时显示当前剂量率。

如图2所示，高压脉冲电路由第六电阻R6、光耦隔离芯片IC1、第七电阻R7、栅极驱动芯片IC2、第三开关二极管D3、极性电容E1、第八电阻R8、第九电阻R9、第一场效应管NMOS1、第二场效应管NMOS2组成。第六电阻R6一端连接至+3.3V电压，另一端连接至光耦隔离芯片IC1的VF+引脚；光耦隔离芯片IC1的VF-引脚连接至单片机工作系统中的高压控制模块，光耦隔离芯片IC1的VCC引脚和VE引脚连接至+5V电压，光耦隔离芯片IC1的VO引脚连接至栅极驱动芯片IC2的IN引脚，光耦隔离芯片IC1的GND引脚接地；第七电阻R7一端连接至光耦隔离芯片IC1的VE引脚，另一端连接至光耦隔离芯片IC1的VO引脚；栅极驱动芯片IC2的VCC引脚连接至+12V和第三开关二极管D3的正极，栅极驱动芯片IC2的SD引脚连接至+5V电压，栅极驱动芯片IC2的COM引脚接地，栅极驱动芯片IC2的VB引脚连接至第三开关二极管D3的负极和极性电容E1的正极，栅极驱动芯片IC2的HO引脚通过第八电阻R8连接至第一场效应管NOMS1的栅极，栅极驱动芯片IC2的VS引脚连接至极性电容E1的负极，栅极驱动芯片IC2的LO引脚通过第九电阻R9连接至第二场效应管NOMS2的栅极；第一场效应管NMOS1的漏极连接至高压电源，第一场效应管NMOS1的源极连接至第二场效应管NMOS2的漏极和栅极驱动芯片IC2的VS引脚，第二场效应管NMOS2的源极接地。第一场效应管NMOS1的源极和第二场效应管NMOS2的漏极作为高压脉冲电路的输出端连接至高量程GM计数管HGM和低量程GM计数管LGM的阳极负载，为两个GM计数管提供响应迅速的脉冲高压。

如图3所示，高量程GM计数管信号调理电路和低量程GM计数管信号调理电路的结构相同，均包括阴极负载电路、CR微分电路、双向限幅电路和幅值甄别器。对低量程GM计数管LGM信号调理电路描述如下：所述阴极负载电路由第一电容C1和第一电阻R1并联组成，其输入端连接至低量程GM计数管LGM阴极，输出端连接至第一开关三极管Q1的集电极，将低量程GM计数管LGM产生的电流脉冲信号转化为电压脉冲信号；所述CR微分电路由第二电容C2和第二电阻R2串联组成，第二电容C2和第二电阻R2的连接点作为CR微分电路的输出端，第二电容C2另一端连接至低量程GM计数管LGM阴极，第二电阻R2另一端接地，CR微分电路将低量程GM计数管LGM阴极电压脉冲信号进一步转化为具有预设幅值和脉宽的电压脉冲信号，在一定程度上使前级堆叠的脉冲信号相互分开，减少高剂量率下的漏计数；所述双向限幅电路由第五电阻R5、第一开关二极管D1和第二开关二极管D2组成，第五电阻R5的输入端连接至CR微分电路的输出端，第一开关二极管D1负极连接至+5V，第一开关二极管D1正极连接至第二开关二极管D2负极，第二开关二极管D2正极接地，第一开关二极管D1和第二开关二极管D2的连接点连接至第五电阻R5的输出端和第一电压比较器U1的正向输入端，双向限幅电路将电压脉冲幅值限制在-0.6V～+5.6V之间，保护后级幅值甄别器；所述幅值甄别器由第一电压比较器U1和第一电位器RP1组成，第一电位器RP1两端分别连接至+5V和地，第一电位器RP1滑动端连接至第一电压比较器U1的负向输入端，用来调节幅值甄别器的阈值电压，幅值甄别器将前级脉冲信号转化为规则矩形电压脉冲信号。

如图3所示，高量程GM计数管量程切换电路和低量程GM计数管量程切换电路相同，其中低量程GM计数管量程切换电路由第一开关三极管Q1、第三电阻R3和第四电阻R4组成。第一开关三极管Q1的集电极连接至阴极负载电路，第一开关三极管Q1的基极通过第三电阻R3连接至单片机工作系统中的量程判断及控制模块，第一开关三极管Q1的发射极接地，在第一开关三极管Q1的基极和发射极间跨接第四电阻R4确保其工作状态的稳定。当单片机工作系统控制第一开关三极管Q1开通时，低量程GM计数管能在正常工作电压下产生电流脉冲信号，反之低量程GM计数管则无法工作。在任何时刻，低量程GM计数管LGM量程切换电路中第一开关三极管Q1和高量程GM计数管HGM量程切换电路中第二开关三极管Q2有且仅有一个导通，即任何时刻有且仅有一个GM计数管处于工作状态，从而实现双GM计数管的量程切换控制。

单片机工作系统由时间测量模块、数据处理模块、高压控制模块、量程判断及控制模块组成。时间测量模块连接至高量程GM计数管和低量程GM计数管信号调理电路的输出端，高压控制模块连接至高压脉冲电路中光耦隔离芯片IC1的VF-引脚。高压控制模块控制高压脉冲电路输出高压后，时间测量模块开始计时，当高量程GM计数管信号调理电路和低量程GM计数管信号调理电路输出的信号触发时间测量模块时，读取时间测量模块此时测量的计数前时间，同时高压控制模块控制高压脉冲电路输出0V并维持2ms，时间测量模块测量的计数前时间通过数据处理模块转化为剂量率，具体为测量多组计数前时间取平均值，并对计数前时间取倒数后再乘以标定系数即得到剂量率。量程判断及控制模块连接到低量程GM计数管量程切换电路中第一开关三极管Q1和高量程GM计数管量程切换电路中第二开关三极管Q2，采用滞回判断的逻辑方法，量程滞回判断逻辑的示意图如图4所示。当低量程GM计数管LGM处于工作状态时，若测得剂量率R大于Q，则开通第二开关三极管Q2切换为高量程GM计数管HGM工作；当高量程GM计数管HGM处于工作状态时，若测得剂量率R小于P，则开通第一开关三极管Q1切换为低量程GM计数管LGM工作。量程滞回判断的方法能够避免剂量率处于临界状态时两个GM计数管反复切换的现象，提高自动切换稳定性。其中，Q为量程判断及控制模块中由低量程GM计数管LGM工作转换为高量程GM计数管HGM工作的判断阈值，P为量程判断及控制模块中由高量程GM计数管HGM工作转换为低量程GM计数管LGM工作的判断阈值。

通讯模块基于单片机串口通讯功能进行设计，同时为满足不同环境的需求，设计RS485通讯和LORA无线通讯两种方式。将单片机工作系统中数据处理模块得到的剂量率传送至上位机，实现数据的实时监测。

本发明提供的基于Time-to-Count方法的双GM计数管伽马剂量计的工作原理是：如图5所示，GM计数管的阳极电压可在单片机工作系统高压控制模块的控制下在0V与500V之间迅速切换；在GM计数管两端施加500V高压时，GM计数管开始工作，当有伽马射线引起GM计数管产生脉冲后，立即关断500V高压，使GM计数管两端电压降为0V进入休眠状态，维持2ms后，重新加高压使GM计数管开始工作，循环运行；图5中T为需要测量的计数前时间，由单片机工作系统中的时间测量模块获取，再通过数据处理模块，根据剂量率R＝K/T公式，得到剂量率并传送到上位机界面，其中K为标定系数。

本发明实施例还提供上述基于Time-to-Count方法的双GM计数管伽马剂量计的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，伽马剂量计上电后，首先初始化选通第一开关三极管Q1，使低量程GM计数管LGM准备开始工作。

步骤2，单片机工作系统中的高压控制模块控制高压脉冲电路产生高压，使低量程GM计数管LGM在高压下开始工作，同时单片机工作系统中的时间测量模块数据清零并开始计时。

步骤3，当有伽马射线打到低量程GM计数管LGM的管壁上且在其气体灵敏区内引发电子雪崩时，将产生电流脉冲信号，此信号经过信号调理电路整形为幅值为5V的规则矩形电压脉冲。

步骤4，步骤3中规则矩形电压脉冲的上升沿触发单片机工作系统中的时间测量模块，记录此时测量的时间作为计数前时间T；同时高压控制模块控制高压脉冲电路输出0V，使低量程GM计数管LGM停止工作，维持2ms。

步骤5，重复步骤2～步骤4，测量N组计数前时间T后转入步骤6。

步骤6，步骤5中测得的N组计数前时间T，通过单片机工作系统中的数据处理模块，对N组计数前时间T取平均并转换为剂量率R。

步骤7，单片机工作系统通过通讯模块将剂量率R传送至上位机界面，实时显示环境剂量率R。

步骤8，判断当前剂量率R是否在低量程GM计数管LGM的线性量程范围内。若在其量程范围内，则继续使用低量程GM计数管LGM进行测量，重复步骤2～步骤7；若不在其量程范围内，则关断第一开关三极管Q1使低量程GM计数管LGM停止工作，同时开通第二开关三极管Q2使高量程GM计数管HGM开始工作，重复步骤2～步骤7。

具体实施例如下：

双GM计数管宽量程伽马剂量计使用两节3.7V锂电池串联供电，通过低压电源将锂电池供电电压转化为仪器所需的12V、5V和3.3V电压；高压电源使用东文高压DW-P102-0.5AL1型号的高压模块产生500V的直流高压，输入到高压脉冲电路。

高压脉冲电路中，光耦隔离芯片IC1采用6N137型号，栅极驱动芯片IC2采用IR2104型号，第一场效应管NMOS1和第二场效应管NMOS2采用8N65型号。使用示波器可测得如图6所示的实验波形，两个波形分别对应图2中的G、H两点，其中测得的H点波形示波器表笔衰减了100倍。实验测量得，高压脉冲上升时间约100ns，下降时间约50ns，响应迅速、稳定。

高量程GM计数管HGM选用ZP1301型号，工作电压范围为500V～600V，量程范围为1×10

信号调理电路中第一电压比较器U1和第二电压比较器U2采用TLV3502型号，响应时间在ns级。调节第一电位器RP1和第二电位器RP2使负向输入端阈值电压为2V。当输入脉冲信号幅值高于所设阈值电压时，幅值甄别器输出5V高电平，反之幅值甄别器输出0V低电平。从而将前级脉冲信号转化为脉宽约5us幅值5V的规则矩形电压脉冲信号，实现高速脉冲整形。

使用10mCi的Cs

单片机采用ST公司的STM32F103ZET6型号，时钟工作频率为72MHz。整形后的双路脉冲分别输入到单片机工作系统中的时间测量模块，获取计数前时间。当有脉冲触发单片机时间测量模块时，高压控制模块控制高压脉冲电路输出0V，维持2ms后再重新输出500V，从而实现Time-to-Count测量。使用示波器可测得如图9所示的实验波形，两个波形分别对应图3中C点和图2中H点的信号，其中H点信号测量时示波器表笔衰减了100倍。由波形可知，单片机工作系统能够正常实现Time-to-Count测量及控制。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。