成都理工大学《电子技术课程设计》（报告）

G-M计数管读出电路设计

201006090112

左卓

核 技 术 工 程 系

二〇一二年六月

G-M计数管读出电路设计

作者姓名：左卓     学号：201006090112

摘  要

在设计电路过程中首先在图书馆和网上查找与G-M计数管相关书籍和资料。了解计数管工作特性，为后面电路设计和示波器使用测输出波形是做前期准备工作。并且同时详细的统计设计思路中将用到的各个电路系统。筛选过后再最后列出两至三个可行设计电路，然后在Multisim上进行仿真实验，检验电路可行性。并比较分析各种电路的优缺点，从而对已经设计的电路进行改进。最后确定一种设计电路焊接出最后电路板，在电路板焊接完成后通过万用表。检测已经焊接完成的电路板，发现焊接过程中意外出现的电路连接错误和焊点之间有无短路等电路板问题。然后用数字示波器对测试点处的波形进行测量观察，对电路无法工作进行改进。最后评估总结用Protel绘制出电路的原理图和PCB电路板。

用数字示波器测量电路中各个点位的波形，分别观测原始脉冲波形，通过整形处理后的脉冲波形，最后由施密特触发器触发过后的数字脉冲波形。在原始波形中会有很高的尖峰波形，当放射源比较靠近G-M计数管则单位时间内脉冲数量增多。处理后的脉冲波形根据处理电路的不同可以先通过积分电路后通过施密特触发器，最后输出波形被变换成了数字脉冲波形。

关键词：G-M计数管、Multisim、数字示波器、Protel。

目   录

第1章  G-M计数管特性.. 1

1.1 G-M计数管分类.. 1

1.2 G-M计数管特性简介.. 1

第2章  G-M计数管读出电路设计.. 3

2.1常见读出电路设计.. 3

2.1.1阳极信号读出电路.. 3

2.1.2阳极比较器读出电路.. 3

2.1.3阴极信号读出电路.. 4

2.2阳极与阴极信号读出电路方案.. 5

2.2.1阳极信号读出电路设计.. 5

2.2.2阴极信号读出电路设计.. 6

第3章  阴极读出电路焊接与调试.. 8

3.1电路焊接基本要求.. 8

3.1.1基本要求.. 8

3.1.2自己焊接水平评价.. 8

3.2读出电路调试.. 8

3.2.1调试涉及仪器简介.. 8

3.2.2调试过程.. 10

3.2.3调试结果.. 13

体会与建议.. 14

参考文献.. 15

第1章  G-M计数管特性

1.1 G-M计数管分类

G-M计数管^[4]的结构类型很多，常见的有圆柱形和钟罩形两种，它们都是由同轴圆柱形电极构成。

其简单机构是中心的金属丝为阳极，管内壁圆筒状的金属套（或一层金属粉末）为阴极，管内充有一定量的混合气体（通常为惰性气体及少量的猝灭气体），钟罩形的入射窗在管底部，一般用薄的云母片作成；圆柱形的入射窗就是玻璃管壁。测量时，根据射线的性质和测量环境来确定选择哪种类型的管子。对于α和β等穿透力弱的射线，用薄窗的管子来探测；对于穿透力较强的γ射线，一般可用圆柱型G-M计数。

1.2 G-M计数管特性简介

（1）坪曲线

在强度不变的放射源照射下，G-M管的计数率n随外加电压变化的曲线如图1-1所示，由于该曲线存在一段随外加电压变化而变化较小的区间即坪区，因此把它叫做坪曲线^[4]。

图1-1  坪曲线

U0—起始电压；U1—坪始电压；UT—推荐工作电压；

U2—坪终端电压；Ulim—极限工作电压

外加电压低于V0时，加速电场太弱不足以引起雪崩放电^[2]，故而不能形成脉冲，因此计数管没有计数；电压高于V0，加速电场可使入射的部分粒子产生雪崩，此时虽有计数但计数率较小；随着电压升高，计数率迅速增大；电压超过V1后，计数率随电压变化很小，这是因为此时无论入射粒子在管内何处发生初电离，加速电场均可使其产生雪崩放电，外加电压的升高只是使脉冲幅度增大而不影响脉冲的个数，所以计数率几乎不变，但因猝灭不完全和负离子的形成造成的乱真放电会随电压的升高而增多，因而产生坪斜。当电压继续升高使猝灭气体失去猝灭作用时，一个粒子入射可引起多次雪崩，使计数率急剧增加，即进入连续放电区。这时管内的猝灭气体会被大量耗损，管子寿命缩短。使用时应尽量避免出现此种情况，当发现计数率明显增大时，应立即降低高压。

(2) 死时间、恢复时间和分辨时间

入射粒子进入G-M管引起雪崩放电后在阳极周围形成的正离子鞘削弱了阳极附近的电场，这时再有粒子进入也不能引起放电，即没有脉冲输出，直到正离子鞘移出强场区，场强恢复到刚刚可以重新引起放电的这段时间称为死时间tD。从这之后到正离子到达阴极的时间称为恢复时间tR。在恢复时间内，粒子进入计数管所产生的脉冲幅度低于正常值。

实际上更有意义的是系统的分辨时间τ，因为任何电子线路总有一定的触发阈，脉冲幅度必须超过触发阈Vd时才能触动记录电路。因此，从第一个脉冲开始到第二个脉冲的幅度恢复到触发阈的这段时间内，进入计数管的粒子均无法记录下来，这段时间称为系统的分辨时间。显然，tD+tR>τ>tD。三个时间的关系如图1-2所示。

图1-2  恢复时间，死时间

（3）使用寿命

在使用G-M盖革计数管时，管子两端的电压控制在坪曲线的中间部分，这样才能够更好的让计数管工作。不会出现雪崩放电无法停止，烧坏计数管的现象。有利于延长计数管的使用寿命，如果一直让工作电压处在坪曲线高电压段会对计数管使用时限造成严重影响。

G—M计数管有一定的正常工作温度范围，温度过高或过低都会使特性变坏、甚至不能工作，使用时必须注意。
     计数管时间使用长后会衰老：阈电压升高，坪长缩短，坪坡度变大。一个合用的计数管坪长度应大于150V（有机管）或50V（卤素管）。

第2章  G-M计数管读出电路设计

2.1常见读出电路设计

2.1.1阳极信号读出电路

如下面电路图所示电阻与电容并联后串联进电路，不仅起到了隔直流通交流^[2]的作用而且在在有脉冲的时候能够输出到示波器上，而且由于电容充电需要时间不是瞬间变化，所以对脉冲的大幅度变化起到了缓冲作用。为后面电路的测量和实现数字化统计与探测创造了可行性。电路原理图如图2-1。

图2-1  阴极信号读出电路

2.1.2阳极比较器读出电路

如图2-2所示在电容C0后面用示波器观察脉冲波形计算死区时间^[4]、回复时间和有效时间，对最后计数进行修正。在后面采用运放做比较器将原始脉冲信号改变成只有高低电平区别的数字脉冲信号。在转换后方便了最后的计数部分，在输出端可以加上数字计数电路可实现简单的数字计数。

 图2-2  阳极比较器读出电路

2.1.3阴极信号读出电路

方案采用在G-M盖革计数器负极采集信号，在此处采集的型号很微弱，通过如图所示中三极管Q1后LM555^[3]的2端口只有低电平接近0V和高电平9V两种状态。当在有粒子进入盖革计数器时，脉冲产生使三极管实现在导通与截止间变换，于是简单的实现了将模拟信号转换成了数字信号。

芯片LM555接成单稳态触发器，在端口2有输入信号时在输出端口3会有脉冲形成，电容的充放电最后使蜂鸣器发出嘟嘟声，当一个粒子时就会有一声。通过数字示波器，可以观察盖革管的电压变化。可以测量盖革管的死时间Td，从这之后到正离子到达阴极测得回复时间Tr。在恢复时间内，粒子进入计数管所产生的脉冲幅度低于正常值。最后得到分辨时间的范围τ，Tr+Td>τ>Td。如图2-3所示。

图2-3  阴极信号读出电路

2.2阳极与阴极信号读出电路方案

2.2.1阳极信号读出电路设计

G-M计数管的两端都加了限流电阻，输出部分加入U型滤波电路对脉冲简单的处理。然后再在如图电路中加入RC积分电路^[2]，把原来可能带有很尖的尖峰脉冲积分成为比较圆滑的曲线，便于计数。在G-M计数管的阴极加上一个数千欧的电阻对盖革管起保护作用。电路图如图2-4所示。

图2-4  阳极信号读出电路

电路简单易行，可操作性强。只对原始信号通过简单的处理就可以实现计数，最后在观察波形时是通过积分之后的图像，在计算死时间，恢复时间时需要在C2电容后面。但是电路不能实现自动计数。

2.2.2阴极信号读出电路设计

电路在通过5个5.1M欧的电阻分压后取出在G-M计数管两端的正常工作电压，信号在阴极进行采集。在采集到脉冲信号后，通过电路中的二极管斩波后最高电压被钳位在了5V左右。不会有过大的尖峰脉冲产生，便于计数。再通过积分电路可以进一步把脉冲变缓。最后以施密特触发后，脉冲波形变换成了矩形脉冲波形可以进一步进行数字电路扩展。电路如图2-5所示。

图2-5  阴极信号读出电路

电路简单，可以观察处理过程中的各个阶段的脉冲信号波形。能够有助于分析盖革计数器的工作特性。对进一步学习盖革计数器有很大的帮助，对后面的扩展数字电路部分预留了充分的发挥空间。

如图2-6所示，是最后电路设计的PCB电路板。

图2-6  阴极信号PCB电路板

第3章  阴极读出电路焊接与调试

3.1电路焊接基本要求

3.1.1基本要求

焊接前准备好所要使用的锡丝，根据焊点选择好烙铁头，然后调整好焊接所用的烙铁温度，最后将洗烙铁头的海棉洗干净，并加好适量的水。

焊接时注意焊接过程先后顺序，先准备再用电烙铁预热然后送焊丝等焊锡量足够后移走焊丝最后移开电烙铁。特别在焊接中不能出现虚焊、焊量过多、焊量过少、冷焊、空洞、拉尖的现象。

电路焊接注意提前布局，合理安排各个元器件的位置，方便焊盘上的走线和保持焊盘的美观。在焊接中完成一部分电路后及时用万用表测试已焊接电路的状态，及时发现焊接错误并进行改正。

最后焊接完成后注意清洗烙铁，放好电烙铁。

3.1.2自己焊接水平评价

在焊接前准备过程较好，各项事项都有注意。在走线时总结出在多个端口要接电源和地时在电路中各用一根导线在电路板周围走一圈。作为电源线和地线，当要用电源和地时直接接在导线上即可。但是在焊锡量的控制上还有待提高。在以后的学习中继续努力练习，总结经验完善自己的焊接技术。在每一次的焊接练习中都严格要求自己，做到最好最完美。

3.2读出电路调试

3.2.1调试涉及仪器简介

（1）数字示波器

如图3-1所示，是数字示波器的按键功能。

图3-1  数字示波器

在首次将探头与任一输入通道连接时，进行此项调节，使探头与输入通道相配。未经补偿或补偿偏差的探头会导致测量误差或错误。将探头菜单衰减系数设定为10X，将探头上的开关设定为10X，并将示波器探头与通道1连接。如使用探头钩形头，应确保与探头接触紧密。将探头端部与探头补偿器的信号输出连接器相连，基准导线夹与探头补偿器的地线连接器相连，打开通道1，然后按 AUTO。把数字探头电缆连接到混合信号示波器前面板的D15-D0数字信号输入端。数字探头电缆带有标识，因此只能以一个方向连接。连接电缆时不必切断示波器电源。

以下功能在XY显示方式中不起作用：自动测量模式、光标测量模式、延迟扫描（Delayed）、水平 POSITION 旋钮、触发控制、LA功能（混合信号示波器）、矢量显示类型、参考或数学运算波形 。

（2）  万用表

1）万用表的使用时的注意事项

①在测电流、电压时，不能带电换量程。

②选择量程时，要先选大的，后选小的，尽量使被测值接近于量程。

③测电阻时，不能带电测量。因为测量电阻时，万用表由内部电池供电，如果带电测量则相当于接入一个额外的电源，可能损坏表头。

④用毕，应使转换开关在交流电压最大挡位或空挡上。

⑤注意在欧姆表改换量程时，需要进行欧姆调零，无需机械调零。　

   2）测量电压：测量电压(或电流)时要选择好量程，如果用小量程去测量大电压，则会有烧表的危险;如果用大量程去测量小电压，那么指针偏转太小，无法读数。量程的选择应尽量使指针偏转到满刻度的2/3左右。如果事先不清楚被测电压的大小时，应先选择最高量程挡，然后逐渐减小到合适的量程。

   3）测电流：测量直流电流时，将万用表的一个转换开关置于直流电流挡，另一个转换开关置于50uA到500mA的合适量程上，电流的量程选择和读数方法与电压一样。测量时必须先断开电路，然后按照电流从“+”到“-”的方向，将万用表串联到被测电路中，即电流从红表笔流入，从黑表笔流出。如果误将万用表与负载并联，则因表头的内阻很小，会造成短路烧毁仪表。其读数公式如下：

实际值=指示值×量程/满偏                （1-2）

3.2.2调试过程

首先在将元器件焊接成电路板前，在Multisim软件上面进行电路仿真为了模拟G-M盖革计数器的输出波形采用了RC微分电路将信号发生器的矩形波变换成尖峰脉冲波形。电路图如图3-2。此时会有正向脉冲和负向脉冲，在采取阴极输出信号时只观察脉冲中正向的脉冲如图3-3所示。

图3-2  电路原理图

图3-3  双向脉冲信号

   通过RC积分电路积分过后脉冲波形能够变缓如图3-4所示。

图3-4  积分处理后信号

分别对二极管斩波和施密特触发进行模拟，验证电路的可行性，如图3-5。最后输出波形和理论十分接近，故这个方案可行。可进行十几元器件的焊接和调试。

图3-5  触发后信号

采用阴极信号读出电路在第一次调试时，示波器没有检测到脉冲波形。用万用表测量盖革管阳极电压只有290V，电压虽然接近工作电压范围300V—360V但是不能够是盖革管内部的惰性气体发生雪崩现象。

加入一个1M欧的电阻进分压电路后再测量G-M计数管阳极的电压时有320V虽然达到了正常工作电压在示波器的上面有脉冲波形产生，但是都是尖峰脉冲，结果显示二极管斩波没有起作用，脉冲的最大幅值没有超过5V。二极管没有导通所以没有起到斩波的作用。分析这种现象是因为盖革管两端的电压不够强，在引起雪崩现象时雪崩程度不大，导致阳极电压变化范围不大没有超过5V。再在分压部分加入一个1M欧的电阻后，阳极电压达到357V，此时示波器测得幅度达十多伏的脉冲电压，如图3-6。在二级管测试点测得完整明显的斩波过后的图形，如图3-7。最后被斩波后的信号输入施密特触发器通过施密特触发器测试得到高低电平的脉冲波形。每当有一个脉冲信号时就有一个低电平产生，如图3-8。

3.2.3调试结果

用示波器测得的原始脉冲波形。

图3-6  原始脉冲信号

用示波器测得的通过二极管斩波处理后的波形。

图3-7  斩波后信号

用示波器测得通过施密特触发器后的波形。

图3-8  触发后信号

体会与建议

在设计电路的过程中出现了许多的问题，电源和地之间的区分，地和电源负极的关系，需要明确了解。电路在观看波形的方面已经较好的实现，但是电路在计数是却不能实现。电路还可以加以改进，在电路最后通过施密特触发过后的信号可以再添加进入计数电路，将电路进一步完善做成一个完整的计数读出电路。

在课程设计中，电路可以稍加复杂一点，能够有助于避免设计思路重复。比如在信号从施密特触发器出来过后，再加入简单的数字计数电路，可以先把脉冲信号用74LS160计数，然后用7447译码器把计数个数译码输入数码管显示出来。74LS160、数码管、7447等的用法可在数字电子技术教程中有讲解。增加这些内容不仅能够完善电路设计，还能锻炼增加学生对数字部分的学习。

在这个实验中，通过设计G-M计数器的读出电路，学习了G-M计数管的工作特性，掌握了数字示波器的基本使用方法和万用表的使用方法。进一步学习了RC积分电路和微分电路特性，对RC滤波电路也进行了了解。增强了使用Multisim和Protel的熟练程度能用两个软件进行一些电路仿真、设计和制板。

这个实验设计课程的开设，充分的调动了同学学习知识的积极性。提高了创造性和思维的活跃性。可以增加实验课程的相关内容，是课程更加丰富。

参考文献

[1]潘永雄,沙河,刘向阳.电子线路CAD实用教程[M].西安电子科技大学出版社.2005.

[2]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社.2006.

[3]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社.2009.

[4]丁洪林.核辐射探测器[M].哈尔滨工程大学出版社.2010.