5.2 盖革计数器

盖革计数器是计数管探测器的一种典型且广泛被应用的方案。

盖革计数器（Geiger counter），又称为盖革-米勒计数器（Geiger- Müller counter），由德国物理学家盖革（Hans Geiger）及他的学生米勒(WaIther MüIIer)发明并改进。

5.2.1 掀起“盖革计数管”的盖头来

盖革计数器是根据射线对气体的电离性质设计成的。其核心部件“盖革计数管”的通常结构是（图5.2所示为端窗式盖革计数管示意图）：在一根两端用绝缘物质密闭的金属管内充入稀薄气体（通常为稀有气体，如氦、氖、氩等），在沿管的轴线上安装有一根金属丝电极，并在金属管壁和金属丝电极之间加上略低于管内气体击穿电压的电压。通常状态下，管内气体不放电；而当有高速粒子（射线）射入管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。通过适当地选择加在丝极与管壁之间的电压，就可以对被探测粒子的种类（α、β、γ等）加以甄选。

盖革计数管实物如图5.3所示。盖革管是需要区分正负极的，其中正负极在管壁上已经清晰标注。对于正负极标识不清晰或根本没有标注正负极的管子，也可以通过“与管壁相连接的一端为负极”的方法进行判断。

盖革计数管种类繁多，大小不一（见图5.4）。受日本核泄漏事故的影响，原本零售价为几十元一根且鲜有人问津的盖革计数管被“奸商”们炒作至上百元至几百元不等。不少有市场眼光的厂商也转型重新生产盖革计数管。目前市售或网上能够买到的盖革计数管要么为20世纪60～70年代的老管子（出于战备目的，当时国内电子管厂生产了很多盖革计数管），要么就是近年来生产的新管子（出口日本等海外国家）。

笔者个人认为，如果不是以收藏为目的，考虑到老化等因素，新管子应该是DIY更好的选择。

在DIY过程中，我们选择盖革计数管，主要关注以下几个指标。

尺寸、规格：一般来说，管子越大，其探测射线的灵敏度也越高，对应的本底计数也越高。

起始电压、推荐工作电压：盖革计数管只有工作在这个电压，才能够正常计数。

最大本底计数（单位为CPM，Count Per Minute，每分钟计数次数）：按照教科书的说法，在周围没有强放射源时，将管子放置在密闭铅室中测量得到的分钟平均计数值。实际环境中，由于受到宇宙射线和自然界中天然放射性核素发出的射线辐射，实测管子的本底计数值一般都高于最大本底计数。

负载电阻：管子阳极需要串联的电阻大小，笔者称之为限流电阻。

灵敏度（60 Co- CPS/μR/s）：用于业余条件下估算辐射剂量使用，在下文将有详细的介绍。

5.2.2 听，那是来自核辐射的声音

说了这么多理论知识，就让我们一起通过一个实际的简单电路来测试一下盖革计数管吧。面包板就可以协助完成这个任务了。

图5.5中，盖革计数管为J408γ（如果采用其他型号的计数管，以下元件取值需要参照管子参数手册的说明）。供电电源选择400V，下文中将有详细介绍。R1为限流电阻，取值10MΩ，参数手册中也称之为负载电阻。R2，笔者将其称之为分压电阻，取值500kΩ，当脉冲发生时，用于获得电压。R1与R2的比值决定输出脉冲的幅度，即R2越大，其获得的分压值也越高。C1，早期文献中称之为分布电容，取5pF。C2为滤波电容，取值220pF。

“所信者目也”。通过示波器，观察电容C2两端（图5.5中OUT与地之间）的波形，如图5.6所示。看，那是来自核辐射的脉冲！

“所信者听也”。对于没有示波器的朋友，也可以将耳机直接接到电容C2（图5.5中OUT与地之间）的两端。听！“喀、喀……”那是来自核辐射的声音！

5.2.3 剂量换算“没那么简单”

一般来说，盖革管的脉冲计数（CPM）与辐射剂量（mSv，毫希沃特，日本核泄漏事故后，这个词语对于大家来说，应该是耳熟能详了）之间的换算，是需要用放射源进行标定的。显然，业余条件下，这是无法实现的。

这里介绍一种业余粗略的估算方法，也是爱好者唯一可用的转换方法。注意哦，仅仅是估算。

在换算过程中，会涉及3个剂量单位的换算，这里做一个简单的介绍。

照射量单位：伦琴（符号：R）。用于描述放射性物质产生的照射量，衡量Χ射线和γ射线的强度，伦琴单位表示的是存在的辐射量，不等于生物组织的吸收情况。伦琴单位较大，常用的还有微伦（μR），1R=1000μR。此时，我们可以对盖革管J408γ的灵敏度参数进行解读，Co 60-380CPS/μR/S表示为：在钴60照射量为每秒1微伦的情况下，盖革管每秒计数为380次。

吸收剂量单位：戈瑞（符号：Gy）。用于衡量由电离辐射导致的能量吸收剂量的物理单位，它描述了单位质量物体吸收电离辐射能量的大小。

剂量当量单位：希沃特（符号：Sv）。用于表示生物组织吸收辐射剂量的大小，定义是每千克（kg)生物组织吸收1焦耳(J)，为1希沃特。希沃特是个非常大的单位，因此通常使用毫希沃特（mSv），1Sv=1000mSv。此外，还有微希沃特（μSv）,1mSv=1000μSv。通常，一次Χ光检查的辐射照射剂量约为0.1毫希。

照射量、吸收剂量、剂量当量三单位的物理意义是不同的，但对Χ、γ和β射线可以近似做一些数值上的换算。

对Χ、γ和β射线，照射量与吸收剂量的换算。

1R≈0.0087Gy，即1Gy≈119R

这里的换算采用的是国际电离辐射咨询委员会CCEMRI（I）修订后的平均电离功33.97J·C-1。需要特别指出，网络上广为流传的一种换算——1Gy=115R，采用的是修订前的平均电离功，是不准确的。

吸收剂量（D）与剂量当量（H）的换算。

生物组织伤害程度不只取决于能量密度，也和不同的辐射来源（品质因数Q）、不同生物，或同一生物的不同部分、组织（其他修正因子N）有关。因此定义：在要研究的组织中，剂量当量（H）等于吸收剂量（D）、品质因数（Q）和其他一切修正因数（N）的乘积，即：

H=D·Q·N

通常，对于Χ、γ和β射线，品质因素（Q）取值为1，对于人类，其他修正因子（N）取值为1。由于我们采用的是仅能测量γ射线的J408γ盖革管，故上述等式可以换算为：

H=D×1×1，即1Gy=1Sv

盖革脉冲数与剂量当量率的换算。

上文中，我们谈到盖革管J408γ的手册中的灵敏度特性：Co 60-380CPS/μR/s，即在钴60照射量为每秒1微伦的情况下，盖革管每秒计数为380次。我们可以近似地解读为：每秒380个盖革脉冲，相当于每秒1微伦（μR）的辐射。我们记为：

380CPS→1μR/s

盖革脉冲是一个与时间有关的单位，因此我们需要一个与时间有关的剂量当量，即剂量当量率（H）。剂量当量率为单位时间内的剂量当量，单位有：Sv/h（每小时希沃特）, mSv/h（每小时毫希）, μSv/h（每小时微希）。

我们假定盖革管产生的脉冲数与辐射是线性变化的（实际上，盖革脉冲与辐射是非线性变化的，这里的估算有很大的误差，但业余条件下也只好如此了。比较准确的做法是，用钴放射源逐点地标定，生成表格，插值查表），因此有：

380CPS→1μR/s=0.0087×10-6Gy/s=0.0087×10-6Sv/s=0.0087μSv/s=31.32μSv/h

1CPS→31.32/380≈0.0824μSv/h 1CPM=1/60CPS→0.0824/60≈0.00137μSv/h

辐射剂量当量率（H）=[测量的脉冲数(CPM)-本底脉冲数(CPM)]×0.00137（单位：μSv/h）

其中笔者将“0.00137”称为系数转换因子。

表5.1是笔者对市售常见的盖革管的参数及采用上述方法估算的转换因子进行的汇总，方便大家参阅。需要特别强调，由于制作工艺（年份、厂家）的不同，即便同一种型号的管子，灵敏度和本底辐射等参数也存在差异，应以管子配套的参数手册为准。