覃 雪，张京隆，刘 军，陈秀莲

（1.四川大学物理学院，成都 610064；2.成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都 610059）

0 引言

GM（Geiger-Mu____ller，盖革-米勒）计数管是核辐射探测领域中常见的探测器，在环境监测、工业领域以及医疗设备等领域中被广泛应用［1-4］。对GM 计数管的认知和操作，是核辐射探测人才应该掌握的基本环节［5］。通过对国内多个高校走访调研发现，目前国内高校中缺乏针对核辐射探测人才培养系统性的GM探测器认知和理解的实验平台，对于GM 探测器的实验教学基本上属于“临时搭建，东拼西凑”［6-7］。从我校核辐射探测实验室多年的教学经验中发现，老式的实验设备存在两方面问题：①只能完成最为基础的GM计数管坪曲线测量实验，不易将实验内容进行扩展；②设备“东拼西凑”，经常出现线路接触不良，损坏的情况，消耗了实验教学人员大量的时间和精力，也影响了教学实验的正常进行。

针对以上情况，我校核工程与核技术实验室开发了一个多功能GM计数管实验教学平台。该平台具备多个功能，可被用于开设多个实验项目。其中包括：GM管的认识与操作、GM 管坪曲线的测量、双源法测量死时间、原子核衰变及统计规律验证、验证距离平方反比率、γ射线在物质中的吸收系数及材料厚度的测定、β 射线在物质中的吸收、GM 管剂量测量等实验［8］。通过开发与使用该平台，一方面规范了GM 探测器的实验教学，扩展了GM计数管实验内容；另一方面增加了GM管实验平台的可靠性和易操作性。通过这两方面的改进，能够加深学生的实验印象，让学生在动手操作实验的过程中更好地理解GM计数管的工作原理和性质，更好地掌握基于GM 管各项实验的操作流程与方法。

1 平台设计

1.1 平台机械设计

多功能GM 计数管实验测量平台主要由GM 管、探测器套筒、支架台及手柄、放射源屏蔽准直器、吸收片以及GM管专用定标器等组成。平台机械主体如图1 所示。实验所用GM 计数管为卤素管，型号为LND7232，前端有一质量厚度为2.0 mg／cm2的云母窗，可用来探测α、β、γ 射线。由于云母窗极易损坏，将GM 管放置于一中间镂空的套筒中，避免移动GM管造成云母窗破损。探测器套筒固定在平台竖直支架上，并可以通过转动手柄连续调节在支架上的竖直高度，从而改变探测器与放射源的距离以满足某些实验的需要，支架上有刻度指示，范围为0～50 cm，精度为1 mm。水平平台上设计有源槽用以放置放射源，根据不同实验需要共设计了3 个源槽，源槽两侧留有一定空隙便于用镊子夹取放射源。吸收片采用蒸格式结构，保证实验时各吸收片能很好地重叠不产生位移，吸收片材料分别为铅、铜、铝，吸收片放置在准直过的放射源与探测器之间，三者中心竖直方向在一条直线上。

图1 多功能GM计数管实验测量平台机械主体

屏蔽准直器用于屏蔽和准直放射源，不需要时可以从放射源上移开。屏蔽准直器材料采用铜含量约为50%的钨铜合金。具体尺寸基于蒙特卡罗模拟完成。实验室有一枚活度约为3.4 ×105Bq 的137Cs 放射源，利用一定厚度的钨铜合金将其屏蔽，模拟计算屏蔽后的空气吸收剂量率。采用mcnp5 蒙特卡罗程序［9］分别模拟了屏蔽体厚度为1～5 cm 的情况，结果如图2所示。

图2 0.662MeVγ射线穿过不同厚度的钨铜合金在其后产生的空气吸收剂量率

从图2 可见，随着钨铜合金厚度的增加，吸收剂量率逐渐降低，当厚度为4 cm 时，吸收剂量率大约为0.12 μSv／h，和环境本底剂量率相当［10-11］，因此取钨铜合金厚度为4 cm，可以很好地屏蔽实验用137Cs 放射源，保证学生做实验的安全性。除了屏蔽作用外，还需要对137Cs放射源进行准直，从而保证在某些实验中对γ 射线窄束的要求。理论上准直孔直径开得越小，γ射线窄束效果越好，但开孔太小，进入探测器的γ 射线计数太少，统计误差太大。因此需要选择合理的准直孔直径，使得在实验允许的误差范围内满足窄束的情况下，探测到的γ计数要足够多。将准直孔直径分别开为1～4 mm，在准直器与探测器之间放入一定厚度的Pb 吸收片，利用mcnp5 程序分别模拟了0.662MeVγ射线经过不同开孔直径的准直器之后，穿过Pb片前后到达探测器的计数，通过窄束γ 射线穿过物质的规律I＝I0e-μx，求出0.662MeVγ 射线在Pb中线性吸收系数与国际公认理论值1.213 cm-1进行对比［12］（见表1）。

由表1 可见，随着准直器开孔直径逐渐增加，到达探测器的计数在逐渐增加，Pb的线性吸收系数与理论值的误差逐渐增加，当直径为3 mm 时，误差为4.78%，小于5%，而此时一个粒子进入探测器被记录的概率为3.63 ×10-4，实验中放射源的活度为3.4 ×105Bq，探测器每秒约有120 个计数，实验上测量100 s即能满足所测计数相对统计误差小于1%，达到这一误差所用的时间在可接受的范围之内。因此将准直器开孔直径确定为3 mm。根据模拟结果以及放射源的大小，最终将屏蔽准直器设计为圆柱结构，外观直径80 mm，高度50 mm，准直孔直径3 mm，深度41 mm；源存放区域直径30 mm，深度7 mm。

表1 不同开孔直径下Pb的线性吸收系数与理论值对比

1.2 GM计数管专用定标器设计

市场上目前的定标器主要针对老式的辐射探测科研项目，而在国内高校中，没有针对辐射探测教学实验的专用定标器［13-15］。针对本项目实验，设计和开发了GM计数管专用定标器。该定标器将所有电子学部件集成在一体化机箱中，能够为GM管提供高压，并对进入的探测器信号进行计数与定时。该定标器设计有4个要求：①仪器的安全性好，保护学生安全；②仪器要长期稳定性好，减少实验人员维护成本；③仪器要与实际教学结合，将功能简化，只保留基础功能，降低损坏风险；④仪器应减少控件的数量，使仪器操作简单，并且选择的控件要求耐用性强。

专用定标器的电路结构（见图3）由信号采集与处理核心电路、高压控制及信号读出电路、数码管显示电路以及按键控制电路组成。

图3 专用定标器的电路结构框图

（1）信号采集与处理核心电路。该电路为自主研发电路，用于处理信号读出电路输出的信号、接收解析来自按键控制电路的指令，并将计数、阈值、高压值以及时间值发送到数码管显示电路。电路可实现采样率40 MSPS，采样精度14 bit的波形全采样以及数字化信号处理功能［12］。信号进入该电路后，首先进行信号匹配与预放大，然后通过模数转换器（ADC）将其转换为数字量，转换的数字量发送到可编程逻辑控制器件（FPGA）中进行处理，处理的内容包括梯形成形滤波、数字过阈甄别、脉冲计数等流程，波形甄别的阈值由按键控制电路设置。同时，该电路包含20 个可编程输入输出接口，用于实现与高压控制及信号读出电路、按键控制电路、数码管显示电路的信号交互。

（2）高压控制及信号读出电路。该电路与探测器相连，用于为探测器提供高压以及读出探测器信号；高压控制及信号读出电路根据信号处理与控制核心电路发出的指令控制DAC 芯片（AD5663BRMZ）输出不同电平，继而控制高压模块（东文高压模块，型号DWP152-1C165A）产生不同高压，产生的高压通过10MΩ的电阻连接到GM管。由于GM管的输出信号幅度通常较大（大于1 V），GM 计数管的信号读出相对简单，直接采用电容耦合即可读出GM管信号。高压控制及信号读出电路的电路原理简图如图4 所示。

图4 高压控制及信号读出电路原理简图

（3）数码管显示电路。该电路由2 组6 位数码管电路以及2 组4 位数码管电路组成，2 个6 位数码管分别用于显示所设置的测量时间以及显示目前已测量时间，时间显示设置最大可到99 999 s。4 位数码管分别为信号阈值设置显示以及高压设置显示，阈值设置范围为0～5 000 mV，高压设置范围为0～1 500 V。当进行某个参数设置时，对应的数码管开始闪烁，用于提醒学生正在进行该参数的设置。

（4）控制单元。由6 个按钮组成，分别为开始、停止、复位、选择、增加和减少。按钮生产厂商为欧时，选型型号为891-9823，其机械寿命大于1 ×106次，能够保证多位学生多次重复利用仪器。开始、停止以及复位用于GM管信号的定标，选择按钮用于在时间设置、阈值设置以及高压设置上进行切换，用于减少按键数量。控制单元通过总线连接到信号处理与控制核心电路中，核心电路中通过程序进行按键指令解析，并实现高压配置、信号阈值设置、定时设置以及启停设置。专用定标器的实物图如图5 所示，目前该定标器已使用近2 年，实验运行良好。

图5 GM管专用定标器实物图

2 主要成效

多功能GM计数管实验测量平台于2018 年开始在我校核工程与核技术实验室投入使用，已有180 余名核工程与核技术、物理学专业学生利用该平台进行了认知类实验、辐射探测基础实验、核技术专题、核物理研究综合实验，同时有少部分学生利用该平台进行大学生创新创业项目的原理验证、技术方案的可行性论证，平台运行稳定，未出任何故障。图6（a）所示为学生正在进行辐射探测基础实验GM 管坪曲线的测量，图6（b）为测得的结果。

图6 多功能GM计数管实验测量平台使用状况

根据坪曲线测量结果可确定GM 管工作电压为900～1 000 V，符合仪器说明书中高压范围。在确定了GM 计数管高压的基础上，学生利用该平台进行了核技术专题综合实验“γ 射线在物质中的吸收系数及材料厚度的测定”，图7 所示为学生测得的137Cs 0.662MeVγ射线在铅、铜、铝中的吸收曲线。

图7 0.662MeVγ射线分别在几种金属材料中的吸收曲线

利用本平台测量得到的铅、铜、铝的线性吸收系数与国际公认的理论值的误差分别为6.77%，1.56%，1.55%。铅的线性吸收系数误差较大，可能的原因是铅比较软，在加工的过程中发生了形变，导致铅厚度不准，在后期加工过程种需要注意改进。图8所示为学生利用多功能GM管实验测量平台测得的90Sr-90Yβ源在铝吸收片中的吸收曲线。通过测量β 射线在物质中的吸收，使学生了解β 射线与物质相互作用的原理以及β射线的防护。

图8 90Sr-90Yβ源在铝吸收片中的吸收曲线

3 结论

针对GM管传统实验教学的不足，设计了一套多功能GM 计数管实验教学平台，实现了平台的整体机械设计及加工，完成了GM 管专用定标器的研发。基于该平台可完成多个认知类、基础类以及综合类GM计数管实验。坪曲线测量实验、γ 射线吸收实验以及β射线吸收实验结果表明，利用该平台所得的实验结果符合理论预期，满足实际教学要求。到目前为止，多功能GM 管实验教学平台实验运行稳定，未出任何故障。利用该平台，减少了实验教学老师维护设备时间，能够使学生更好地理解GM 计数管的工作原理，更为熟练地掌握GM管的操作方法及特性。