摘要：在环境γ辐射连续监测方面，G-M计数管得到了一定程度的应用。基于这种情况，本文对G-M计数管的工作原理和信号输出特点展开了分析，在此基础上从灵敏度、能量响应和测量范围三个方面对计数管应用问题展开了分析，并且提出了应对措施，为环境辐射连续监测工作的开展提供参考。
关键词：G-M计数管；环境连续监测；γ辐射
引言：环境中γ辐射强度过大，将给人体健康带来威胁，所以需要通过实现连续监测保证环境安全。而目前在环境辐射连续监测方面，G-M计数管凭借结构简单、成本低、信号幅度大等优势得到了应用，但同时也出现了一系列的测量问题。因此，还应加强G-M计数管在环境γ辐射连续监测中的应用分析，以确保计数管得到科学应用。
1 G-M计数管原理及特点
1.1工作原理
G-M计数管从结构组成上来看，包含高压模块、信号甄别、信号整形、反符合处理和单片机处理等部分，其中高压模块负责为探测器提供380V工作电压，确保计数管稳定工作。在对放射源周围剂量进行探测时，通过阴极和阳极可以分别引出信号，然后利用甄别电路进行甄别。经过反符合处理，信号可以得到整合，并经过整形后传送至单片机，经过处理后可以对放射源现状进行判断。按照固体吸收辐射能量的原理，探测器内部存在充气微小空腔，初级辐射和次级辐射在其中能够得到分布[1]。在穿过管腔的过程中，无论能量损失多少都会产生大致相同脉冲输出，能够使射线强度或通量得到反映。因此采用G-M计数管对γ射线能量进行探测，在一定范围内能够得到式（1），式中n为计数率，ε为探测效率，S指的是管轴横截面积，φ指的是射线粒子注量率，hv指的是γ射线能量，hvφ为射线能注量率，满足式（2），指的是照射率，ψ为射线能注量，（μen）A指的是γ射线空气中的线能量吸收系数。因此确定γ射线能量和计数管的管型，能够确定（μen）A、S和ε的数值，可以得到照射率与计数率成正比，继而通过测量计数率得到γ射线的照射率。
（1）
（2）
1.2信号特点
在G-M计数管工作过程中，可以保持较高计数率。在盖革—弥勒气体放大区中工作，使得辐射离子进入计数管后促使气体电子分离，受加速电场影响，电子会向阳极漂移，促使阳极周围形成正离子鞘。离子向两极运动，促使外电路负载电阻上有脉冲电压信号产生。因此计数管信号输出与入射粒子无关，而是由负载电阻和工作电压决定[2]。计数管输出脉冲电压幅度Um为脉冲电流对时间积分Q与电容C0的比值，与计数管工作电压、极间电容等参数相关，确定管型和工作条件后。通常情况下，输出脉冲信号能够达到几十伏，超出实际需要还要进行负载电阻分割，连接阻抗变换跟随器实现阻抗匹配，为计数器测量提供便利[3]。在高计数率下，计数管输出信号差异较大。在单位时间m内，真正进入计数管的粒子数平均能够达到n，二者差值为nmτ或m(1-mτ)，τ指的是辐射粒子间的最小时间间隔。因此计数率增加，使小幅度脉冲比例有所提高，造成脉冲幅度峰值向低端移动。
2 G-M计数管在环境γ辐射连续监测中的应用分析
实现环境γ辐射连续监测，需要达到较高监测要求。结合G-M计数管的工作原理和信号输出特性可知，在对环境γ辐射进行连续监测时，还要保证计数管能够实现一定精度和可靠性信号输出。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为此，还要加强监测灵敏度、能量响应和测量范围分析，以便实现计数管的合理应用。
2.1灵敏度分析
在环境γ辐射连续监测中，通常采用卤素G-M计数管，具有较低功耗和较大输出信号，环境剂量率平均能够达到100Gy·h-1。按照管型，计数管长为150mm。采用阴极材料为0.1-0.2mm不锈钢片，同时阴极直径为20mm，在137Cs γ射线刻度下，计数管的灵敏度因子为0.6cpm/(nGy·h-1)。在室内环境辐射水平达到110Gy·h-1的条件下，γ辐射达80Gy·h-1，经过10min测量可以得到灵敏度为12.2%，如表1所示，为计数管参数与测量结果。
表1 计数管参数与测量结果
坪长（V）灵敏度因子（cpm/nGy·h-1）本底计数辐射计数标准偏差（%）
800.6142847212.2
采用G-M计数管进行γ辐射的照射率测量，灵敏度为每单位照射率对应计数率，可以利用式（3）表示，式中探测效率和线能量吸收系数将随着光子能量hv的变化而变化。因此针对计数管，光子能量需要在0.3-3MeV范围内，才能使探测效率与光子能量成近似正比关系，只要使hv在0.25-2.5MeV范围内，就可以使灵敏度变化控制在±15%范围内。
（3）
2.2能量响应分析
实际应用G-M计数管进行环境γ辐射连续监测，需要对环境中存在的钾、铀等天然核素辐射出的γ射线进行测量。而这些射线经过多次散射后，形成的天然γ射线谱在几十keV到3MeV之间，并且会因为地质结构差异出现各种变化，应用探测器还应实现平坦能量响应。但是在低能范围内，随着输出计数率的增加，可能出现能量过响应问题。受计数管横向和纵向接收面积差异的影响，计数管灵敏度会出现明显方向依赖性。按照规定，针对137Cs γ，在60keV射线谱附近，能量过响应需要达到300%。实际将G-M计数器放置在剂量率平均为20nGy·h-1的屏蔽室中，得到的计数管对宇宙射线电离成分计数率能够达到γ射线的2-3倍。按照国际标准，在环境监测中需要给出明确γ辐射和宇宙射线剂量。在本底扣除中，计数管测量得到的γ剂量将自动进行宇宙射线贡献部分的扣除。而宇宙射线强与屏蔽物质量厚度和地理条件相关，一旦地理条件发生改变将导致测量结果产生偏差。针对这一问题，需要实现自动补偿，即根据确切γ辐射剂量确定计数管对不同辐射响应。此外，一般采用的圆柱形G-M计数管直径与长度比为1:8，环境辐射场内存在4π宽的角分布，在近距离单方向照射中需要利用刻度因子进行角响应修正。为改善能量响应问题，还应通过垂直放置计数管实施γ辐射连续监测。
2.3测量范围分析
应用G-M计数管进行环境γ辐射连续监测，需要考虑探测器的测量范围能否满足要求。通常情况下，G-M计数管线性范围较窄，如针对137Cs γ进行标定，采用J305计数管，测量最大为300Gy·h-1。然而在环境连续监测工作中，测量上限能够达到1000Gy·h-1。针对这一问题，还要进行计数管测量范围的扩展。针对高剂量率进行测量，需要考虑计数管恢复时间问题，由于计数率与剂量率之间存在非线性关系，容易出现误差急剧增加情况，造成计数管饱和逆转，出现过载问题。利用脉冲供电方式或直接采用强流管，能够使测量范围得到扩大。针对低剂量γ辐射进行监测，可能出现计数率较低的问题，造成计数管统计涨落增加。为保证测量结果准确性，还应采用灵敏体积相对大的计数管，也可以直接采用双管或多管并联方式进行测量，使γ辐射接收面积得到扩大，从而通过提高计数率减小测量误差。
结论：综上所述，G-M计数管尽管具有输出信号大、耗电低等优势，但在环境γ辐射连续监测中也会出现灵敏度下降、能量响应低和测量范围超限等问题。结合实际测量需求，还要采取相应措施进行改进，使计数管测量结果准确的同时，能够实现γ辐射的高效探测，继而使环境辐射的连续监测需求得到满足。
参考文献：
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[3]宫增艳,赵广翠,李雪贞,等.不同方法监测环境γ辐射剂量率的结果比较与分析[J].中国辐射卫生,2018,27(01):69-73.
论文作者:万彬
论文发表刊物:《科技新时代》2019年6期
论文发表时间:2019/8/14
标签：测量论文; 射线论文; 环境论文; 能量论文; 剂量论文; 灵敏度论文; 信号论文; 《科技新时代》2019年6期论文;