【γ及硬β探测】盖格计数器、辐射探测玩具

1. 前言：

个人制作盖格计数器乃玩具级别！看个乐子！需要校准 需要校准 需要校准，不可测量α射线及低能β，比较靠谱的建议学习闪烁体探测器：电荷灵敏前置放大器、多道脉冲幅度分析器（数字多道）以及一些谱成形算法。！J305我75买的，请各位请理性购买！对普通人而言并没什么用，噱头大于实际！

2. 硬件：

硬件部分很简单，由于盖格管输出的脉冲电荷很大，和其他核仪器不同的是不需要前置放大器，所以测量电路相当简单。但是通常在盖格计数器中测量信号常从正极端引出通过射级跟随器后接入后级测量仪器中。这种低端引出信号第一次在网上看到，输出的波形理论上和高端相反，对于普通玩玩而言通过一个三极管对波形限个幅整个型就差不多了。

上图这样做一方面可以减小分布电容Cd（GM管分布电容和输出电阻R会输出脉冲下降沿造成影响，优化参数可以优化系统死时间和时间分辨率），另一方面因为射极跟随器是一种做阻抗变换的电子线路， 它的输入电容Cm很小，而输入电阻很大，从而保证计数管输出回路的等效电容很小，等效电阻足够大。

回到本次项目，电路与网上开源的项目一致，够简单，通过5551放大限到3.3V，通过一个非门（电路中使用与非门代替）整个型再接入单片机中：

这里通过示波器测量过5551的集电极输出是一个负双指数信号，但是上升沿基本看不见了很快：（如果直接通过ESP32采样输出可以采到低电平0V）

其次升压电路没有采用开源项目的NE555的方式，这里使用到了MAX668EUB进行反激升压到420V：

其中使用到的变压器见某宝EE5.0，长这个样：自己去搜吧一块五一个。原理啥的设计啥的没什么好说的，效率没测过，啥都没测过，输出电压最高可调范围内470V。

最后再提一嘴电池，这里用到了松下的NCR18650GA动力锂电池，3500mAh。充放电管理使用的IP5306，网上一大把方案，也没啥可说的。充满电可连续使用~12小时+。

3. 软件：

使用Vscode+platformIO在arduino框架下编写。程序分为：显示部分、测量部分、蓝牙通信部分（点灯IoT）：

脉冲计数原理：配置外部中断及定时中断，按照定时器1s统计到的脉冲数既CPS，累积60s既为CPM。使用CPM便可以根据标定系数计算出有效剂量率E。

显示部分主要将1.44‘TFT屏幕分为了两个信息显示页：

左页为开机时显示，主要信息包括此时设备的校正系数和管本底信息，最主要为最下的”Cumulative Dose“为有效剂量率下的累积有效剂量，可以看作有效剂量率对时间的积分，持续存储在单片机内。每次开机可以查看。

右页为主页面，包括计数率CPM和CPS（Count Per Second）也就是计数管产生的脉冲数。”Effective Dose Rate“为有效剂量率，属辐射防护量，由当前1分钟内CPM计算而得，算法存在迟滞性。所以当发现CPS突增时当前可能存在辐射。最下方为累积有效剂量，为本次开机后的累积值。（该值将每次累积存入单片机，就是之前所述左页下方的值）

右页最下方为信息框。主要显示是否安全（SAFE）危险（DANGER），管寿命（功能暂未开发）、电池电压（3~4.2V）。

注：右页右上角INT为60秒倒计时。

关于程序内单位转换，主要涉及cps/uR/s和cpm/uSv/h：（注意在辐射防护中单位伦琴（R）已被舍弃使用，当前使用单位为戈瑞（Gy）和希弗（Sv））

由于部分管厂仍然提供系数单位为cps/uR/s，所以在程序中就沿用了该单位，所以这里就设计到一个很简单的换算问题。（程序中已做换算）：

一致1uR=0.01uSv，那么1cpm/uSv/h = (1*3600)/(100*60)cps/uR/s。

手机应用使用了点灯APP（第一次使用请在电脑上注册添加设备，手机app登录创建独立蓝牙设备即可）

手机上可以远程查看设备探测信息，其次主要包括了一些设备控制。可以对设备进行”软重启“、打开/关闭”蜂鸣器“、清零”累计剂量“（开机显示那个值）、重置校正系数（重置默认值126cps/uR/s、25cpm）！

可以看到图中那个聊天框，点击可以自行设置校正系数和管本底（设置完成后将存储到单片机内！），设置校正系数命令（注意单位！）如：s126、s210；设置管本底 如：b25、b50。

注：该APP页面配置信息见代码文件中txt文件，将内容全部复制到”界面配置“中重启APP就可以得到和我一样的操作界面。

4. 标定：

估计大部分人并没有仪器标定的条件，这里建议使用标准仪器法进行标定，比如可以搞到经过标定的核探测仪器（如盖格计数器、γ枪等）可以对同一放射源进行测量标定。其次使用标准源法就不现实了。我的j305校准系数来自立创另一个开源项目：https://oshwhub.com/yanranxiaoxi/Multi-adaptation-Wi-Fi-Geiger-Counter-Double-Tube-Type

5. 盖格计数管理论知识：（这里介绍最常用的卤素管）

• 工作气体组成：氖气(Ne)为主要工作气体，并在其中加入微量卤素气体(如0.5％～1％的Br2)（卤素气体用于猝灭，使放电终止）
• 自熄卤素管：Ne的第一电离能I=21.6eV大于其亚稳态能量E=16.66eV和Ne的第一激发态能量（16.57eV）极其不易产生雪崩电离，加入微量Br2（电离能I=12.8eV），亚稳态Ne通过第二类非弹性碰撞（反应截面很大）使Br2发生电离，产生雪崩电子潮。

• 卤素管具有较低的阈压：碰撞电离中亚稳态Ne的中介作用。电子能量不需加速到氖的电离电位，在电子能量达到Ne的亚稳态能量前很少发生非弹性碰撞，电子能量容易积累。
• 坪曲线产生原因：工作电压升高导致正离子反馈的增加，在阴极产生了电子，导致了假计数；工作电压的升高，使负离子在阴极或阳极附近延迟地放出了电子，导致了假计数；工作电压升高导致了尖端放电可能性的加大，导致了假计数；工作电压升高，灵敏体积会相应增大。
• 探测效率：对用于探测γ射线的圆柱型G-M管，仅当次电子进入灵敏体积才能引起计数，其探测效率仅～1％。（非常低）
• 死时间td：随正离子鞘向阴极漂移导致电场屏蔽的减弱，电子又可以在阳极附近发生雪崩的时间。
• 复原时间te：从死时间到正离子被阴极收集，输出脉冲恢复到正常的时间。
• 分辨时间tf：从“0”到第二个脉冲超过甄别阈的时间，与甄别阈的大小有关。（这几个参数图解见上述波形图）
• 寿命：卤素管>10^9、搁置寿命：卤素管中的卤素较活泼，寿命较短。
• 时滞：在气体中生成第一个离子对的时间与第一个雪崩的时间存在着延迟，而且延迟时间与第一个离子对生成的位置有关。其差别约为0.1～0.4微秒，会导致这一量级时间测量的不准确性。
• 输出回路对计数管特性的影响：在G-M管中，尤其是对卤素管，其放电区域较大，电子漂移对输出信号的贡献比正比计数器要大，对放电终止有影响。尽可能减小分布电容有利于提高输出脉冲幅度，对放电终止也起到积极作用。
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6.辐射防护基础：

• 辐射效应：
  • 确定性效应：器官、组织中细胞集体死亡的结果，并且由此导致器官、组织出现明显的功能障碍，出现临床可见的病理状态；存在剂量阈值，超过阈值，受照人群中此类效应发生几率、严重程度将随器官剂量超过剂量阈值的增加而增加；不同组织辐射敏感性不同，也因人而异！
  • 随机性效应：器官组织中单个细胞变异引起的躯体效应或遗传效应（如诱发患癌概率、遗传疾病概率、寿命减少概率）；发生几率与剂量成正比，严重程度与剂量无关（线性无阈，与确定性效应的区别）；
• 辐射防护量：用于表示辐射防护中的剂量限值、预测、评价辐射照射对人体健康的危害程度的量。！！辐射防护量不可测量！！
  • 器官剂量DT：人体特定器当量剂量HT官或组织的平均吸收剂量。大剂量伤害程度评价。（ЄT：器官T吸收的总辐射能量、mT：器官T的质量）。
  • 当量剂量HT：辐射类型、能量不同，诱发辐射效应的能力也不同（使用相对生物学效应RBE值进行校正）。
  • 器官当量剂量HT：为了表示不同射线产生的生物学效应不同（DT无法表示）。（单位：J/kg，专门名称：Sievert。DR,T：辐射R对 T的器官剂量、WR：辐射R的辐射权重因子）
    • WR：辐射R的辐射权重因子：第R种辐射诱发生物效应的能力对器官剂量DT,R进行修正的一个因子。
  • 有效剂量E：器官不同，给人体带来的辐射损伤也不同，因此需要应用组织权重因子WT对器官当量剂量进行修正
    • WT：全身各器官均匀受到相同当量剂量时，个人蒙受的健康危害中T器官所占的份额。（如红骨髓WT=0.12，就是红骨髓受照1Sv时健康危害程度相当于全身均匀受照1Sv时的12%）
    • 含义：将全身不均匀照射所致健康危害程度大致相当于全身均匀照射的当量剂量，使得不同情况下的照射有相同的危害评估指标。

！有效剂量就是最常用的测量参数之一，单位：Sv。因为对某器官受到的辐射伤害进行了全身的平均，能够更加真实的反应不同能量、类型、剂量的辐射对整个人体造成伤害的程度！

• 待积量HT(τ)、E(τ) (评价内照射危害)：需要知道一段时间内核素对器官造成的总剂量，于是提出待积量的概念。内照射情况下，器官当量剂量率与器官内核素的活度成正比关系（由于器官内活度会因为代谢和衰变而减少，所以当量剂量率hT(t)呈逐步下降趋势）。
• 外照射监测量：
  • 剂量当量H(r)（区别于当量剂量）：受照软组织中某点r 处的剂量当量是同一位置处软组织的吸收剂量与入射辐射的品质因子的乘积。
    • 品质因子Q：依据授予物质能量的带电粒子的相对生物学效能RBE，对特定位置上软组织吸收剂量施加修正的一个权重。
  • （正常情况下利用实用量的测量结果对相应防护量提供一个偏安全的合理估计）
• 放射性核素在人体内的代谢：
  • 排出方式：呼出、汗排除、尿排出、粪排出；
  • 半生物廓清期Tb：元素在生物器官中移出一半所需的时间；
  • 核素在体内代谢符合指数衰减规律。

展示：

附件为源代码，全部开源。其次有无好心人给搞个壳子的，不想弄了。