国内外Time―to―Count技术研究现状及发展趋势

摘 要：文章综述了近年来国内外Time-to-Count技术的研究现状，从器件选型、量程范围、应用等方面分析了基于该技术的典型的探测器性能特点，对Time-to-Count技术今后的发展及应用趋势做了预测。

关键词：GM计数管；Time-to-Count；死时间；量程范围

中图分类号： TN91 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）22-111-2

0 引言

从上世纪30年代开始，GM管因其造价成本低、稳定性好、输出脉冲幅度大等特点，曾被广泛使用于核辐射探测。为解决GM管死时间大、量程范围小、高剂量率下线性度差等问题，80年代末美国提出了一种Time-to-Count测量方法，该方法可以有效避免死时间的影响，有效扩大GM管的量程范围，且量程范围内线性度很好，此外该方法还能延长GM管的使用寿命。目前，美国基于Time-to-Count技术的探测器已经产品化，并在军事、民用等领域得到广泛应用。国内该技术尚处于研发阶段，批量化的辐射探测仪仍具有很大的市场空间。

1 Time-to-Count技术简介

Time-to-Count技术是基于GM计数管的新型核辐射探测方法，该方法将高压作为数字开关，使GM管处于“工作―休眠”的循环模式下，通过测量从GM管的高压建立到第一个脉冲产生的时间来计算所测辐射场的强度。如图1所示，GM管受两路高压VW和VQ的控制，VW为GM管的正常工作电压，VQ为低于GM起始电压的电压值。TS为GM管进入工作状态的时刻，经过一段时间，在TE时刻，GM输出第一个脉冲信号，高压被切换到VQ，GM管进入休眠状态。休眠状态持续一段固定的时间，这段时间要求为GM管的死时间的N倍，高压再次恢复到VW，开始新一轮的“工作―休眠”循环。通过测量GM管的有效工作时间t，即TS与TE之间的时间间隔，根据公式，即可测得辐射场强度R，式中K为与计数管有关的常数。在实际测量中，因单次测得的时间t存在统计涨落，通常要经多次循环周期将测得的时间值做平滑处理，以提高测量精度。

Time-to-count方法可有效地消除死时间的影响，扩大GM管的量程范围，且量程范围内线性度高，此外该方法还可以延长GM计数管的使用寿命。[1]

2 国外进展

Time-to-Count测量方法最初由Nuclear Research Corporation 公司于1986年8月的美国专利Radiation measuring apparatus提出，该专利中称用一种脉冲使能探测器（pulse enabled detector）的方法结合公式R=K/t的计算即可得到辐射强度，并在专利中首次提出了名称“Time to count”。 [2]

Nuclear Research Corporation 于1999年10月28日和Aptec Instruments Ltd.（APTEC）合并为Aptec-NRC Inc. Aptec-NRC Inc又于2005年更名为CANBERRA，目前Time-to-Count是CANBERRA公司独有的技术，并且已经运用到该公司的很多产品上。GP系列的GM探测器如图2（a）所示，集成了两个GM管，在Time-to-count技术的应用下，线性量程范围可达0.1uSv/h-100Sv/h，且其线性度小于±10%；图2（b）为该公司的AM-GP100系列区域监测仪，它使用了GP系列的GM探测器，并且内置了一个90Sr源用于仪器自检，省去了拆装仪器的操作，可用于核电站及其他有反应堆的场所。用于军事的ADM-300多功能射线检测仪如图2（c），兼容GP系列的GM探测器，其对γ的剂量率探测范围同样可达0.1uSv/h-100Sv/h；RDS-100辐射探测系统、军用口袋计量仪RGU-100、远程γ传感器RGR-100分别如图2（d）、（e）、（f）所示，对γ的剂量率探测范围可覆盖10个数量级。

Colibri TTC系列采用单个GM管，对γ剂量率的测量量程可达3uSv/h -10Sv/h，STTC系列的量程下限更小，为0.7uSv/h。并在其基础上研制出了带有20m长线轴可防水的STTC-W系列以及可伸缩至3.3m极其轻便的TELE-STTC系列，如图3所示。[3]

3 国内进展

国内对Time-to-Count方法的研究起步较晚，现阶段虽已取得一定的进展，但在量程范围和线性度上与国际上还存在不小的差距。

2001年防化研究院的邵晖介绍了该方法的基本原理，分析了其基本特点，通过实验证明了该方法的正确性和可行

性[4]；2006年第二炮兵工程学院刘志强等对该方法的数学原理进行了证明，并提出辐射强度的新估计式[5]，韩海涛等人研制了基于Time-to-Count方法的便携式个人计量仪，使用CPLD作为该方法的核心控制器，取得了一定效果[6]；成都理工大学的吕军、杨永刚、周伟等人开发了基于Time-to-Count方法的辐射监测仪，他们选用微控制器作为Time-to-Count方法的核心控制器，最大可将GM管量程在原有基础上扩大2个数量级，并具有显示、报警等功能[7-9]；2013年清华大学的龚军军等人则选用FPGA作为Time-to-Count方法的核心控制器，将GM管量程上限提高了300倍，覆盖了从本底到10mGy/h的剂量率范围，达到5个数量级；[1]南华大学的王江勇、刘良军等人近几年也在进行该技术的研究，并研制了相关的辐射测量仪，但其在大量程范围的响应还未进行测

试[10]。表1将国内主要研究单位的研究进展进行了简单的统计。

由表1可以发现，线性量程范围与国外的产品相比差至少3个量级，并且国内该技术尚处于研发阶段，批量化的辐射探测仪仍具有很大的市场空间。

4 发展趋势

Time-to-Count方法的实现可以是完全的数字系统，随着微电子、集成电路等技术的应用和发展，时间参数可以获得更高精度，从而获得更宽量程和更高线性度。

以Time-to-Count方法为基础的辐射测量仪将向小型化发展，在此基础上可以集成数据存储、定位、远程监控等功能，使得辐射测量仪向智能化发展。

一机多用的设计理念，采用一个主机配备多个探头的形式，可对各种放射性粒子进行宽量程、高精度、高灵敏度的探测，从而大大简化了仪器，给核辐射探测工作带来极大方便，这也是未来便携式仪器的发展方向之一。

参 考 文 献

[1] 龚军军，邵贝贝，夏文明，等.Time-to-Count方法扩展GM计数管量程的实验研究[J].原子能科学技术，2013，47（4）：674-678.

[2] Elmo J.DiIanni， et al. Radiation measuring apparatus.[P]，United States，4605859，1986.8.12.

[3] .

[4] 邵晖，卢建东，李志荣，等.GM计数管Time-to-Count测量方法的探讨与实现[J].防化研究，2001（3）：28-30.

[5] 刘志强，马红光，马文彦，等. Time-to-Count技术测量辐射强度的原理[J].核电子学与探测技术，2006，26（1）：41-44.

[6] 韩海涛，马红光，朱晓菲，等. 基于Time-to-Count测量原理的便携式个人剂量仪的研制[A].第十四届全国核电子学与探测技术学术年会[C].2008.

[7] 周伟，方方，李琳琳，等.一种新型便携式辐射检测仪的实现[J].核电子学与探测技术，2009，29（3）：546-549.

[8] 吕军.Time-to-Count测量方法初步研究[D].成都理工大学，2007.

[9] 杨永刚.基于ARM的Time-to-Count辐射测量仪的研究[D].成都理工大学，2008.

[10] 王江勇.基于Time-to-Count方法的辐射测量仪的研制[D].南华大学，2012.