CN0536

ガイガー・ミュラー計数管の動作原理

ガイガー・ミュラー計数管は、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、X 線の放射に対して感度を持つイオン化放射線検出器です。放射線の種類は特定できないものの、感度、簡素さ、信頼性に優れているため、単独でも他のセンサーと併用しても、広い範囲の放射線モニタリング・アプリケーションにおける実用的な選択肢となっています。

ガイガー・ミュラー計数管は一般的に 250V～500V の電圧範囲にバイアスされ、放射イベントが発生していない場合の電流はほぼゼロです。図 2 にいくつかのタイプのガイガー・ミュラー計数管を示します。

 

イオン化粒子が計数管に入ると、自由電子と正に帯電したガス分子からなるイオン対が生成されます。電子はアノードに向かって加速し、更にイオン対を生成するため、アバランシェによって電子が追加されます。電気的には、この効果は、アノードとカソード間に一時的に低インピーダンスのパスを生成し、外部抵抗の両端に生じる電圧パルスとして検出できます。外部抵抗は、アノードとカソードの間の電圧がアバランシェが終了する電圧まで低下できるようにするためにも必要です。

出力信号は、カソード（図3参照）またはアノード（図4参照）で測定できます。 

カソードから信号を取り出す場合は高電圧のレベル・シフト・コンデンサが必要となることはありませんが、カソードとグラウンドの間のインピーダンスが比較的大きいため、電気ノイズの影響を受けやすくなります。CN-0536 では、カソードを接地してノイズの影響を受けにくくし、アノードから信号を取り出しています（図 4 参照）。

ガイガー・パルス検出

図 5 に、ガイガー・ミュラー・パルス・レベル・シフトおよび検出回路の LTspice^®回路図を示します。

放射イベントが発生していない場合、アノードは 400Vにバイアスされます。C28 と C26 が容量性分圧器を形成し、その出力はR21 を介して IO_VREF にバイアスされています。イベントが発生すると、アノードは一時的にグラウンド電位にプルダウンされ、400V の負方向ステップが生じます。アッテネータの出力がR27 と R28 で設定された閾値である 1.98V 未満に低下すると、LTC1441 コンパレータの出力がハイに駆動されます。コンパレータ出力はプラットフォーム・ボードの割込みピンに送られ、それによってソフトウェアがイベントに応答できるようになります。図 6 に代表的な放射イベントのアッテネータおよびコンパレータ出力を示します。

高電圧電源

ガイガー・ミュラーのバイアスは、図 7 に示すように、マイクロパワーの高電圧電源によって供給されます。この回路は、ヒステリシスのある電圧モード制御を備えた、固定周波数、50%固定デューティ・サイクルの非同期整流式昇圧コンバータで、後段にはクッククロフト・ウォルトン逓倍器が配置されています。

LTC6906 抵抗プログラマブル発振器は、50%のデューティ・サイクルで 250kHz の矩形波を発生するよう構成されています。AND ゲートはこのクロック信号をバッファし、昇圧のパワーMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）のゲート・ドライバとして機能します。LTC6906 は電力が供給されているときは常に 12.5µA の電源電流を流すため、LTC6906 の V+電源を単にオン／オフするだけで、コンバータのイネーブルとディスエーブルを切り替えることができます。LTC6906 の電源電圧がランプアップ中またはランプダウン中であっても、ANDゲートにより、スイッチング FET をオフまたは完全にエンハンス状態にすることができます。

電圧帰還は、逓倍器の初段の出力で行われます。これにより、帰還分圧器の消費電力は大幅に低減できますが、負荷レギュレーションを若干低下します。図 7 に、設計支援パッケージ含まれる高電圧電源の LTspice回路図シミュレーションを示します。

高電圧生成（280V～500V）

最初の電源投入時、帰還電圧はグラウンド電位となっており、U1の出力はハイに駆動され、それによって LTC6906がパワーアップし、昇圧段は 350kHz、50%デューティ・サイクルでスイッチングを開始します。L1、Q2、D1、C5 は、一般的な非同期整流式昇圧コンバータを形成し、C5 の電圧が 64V に達すると U1がオフになります。出力電圧は、U2 のヒステリシスによって定まる電圧である 55V に緩やかに低下し、再度サイクルが開始されます。最初のターンオン・トランジェントを図8および図9に示します。

出力電圧は 400V（公称値）に設定され、390V～410V に維持されています。デューティ・サイクルは約 0.1%と低く、600ms ごとに 200μs のバーストがあります。その結果、平均消費電流は33μA となっています。代表的なオシロスコープのプローブ・インピーダンスは 10MΩですが、それでも回路動作に影響を及ぼす可能性があるため、逓倍器の出力をプローブ測定することは困難です。しかし、これよりも前の段をプローブ測定することで原理を実証できます。図 10 と図 11 は、2 段目の逓倍器の出力部にある C11 の電圧を示すものです。一方、図 12 と図 13 は、100V、N チャンネルのエンハンスメント・モード MOSFET Q2のパルス・スイッチングを示しています。このパルスは、ANDゲートと LTC6906 周波数クロック・ジェネレータを組み合わせて生成した 350kHz のスイッチング周波数でゲート端子に印加されています。

ガイガー・パルス可視／可聴インジケータ

ガイガー・ミュラー・イベント検出器からの出力パルスは 18µsと非常に短いため、視覚的な指示（LED）やブザーからの可聴クリックを確実に発生することはできません。LTC6994 プログラマブル遅延ブロック／デバウンサは、マスタ・タイムベース（t_MASTER）が2.5μs、N分周比が512、遅延立下がりエッジ（POL）が 1 に設定されています。そのため、LED インジケータおよびブザー用に 1.28ms のパルスを生成し、容易に視認可能な発光と容易に聴くことができるクリック音を発生することができます。図 14 に、タイマ・ブロック遅延の詳細な回路図を示します。

t_DELAY = (N_DIV × R_SET)/50 kΩ × 1 µs
ここで、
N_DIV = 1, 8, 64, …, 2²¹、
R_SETは R6 です（図 14 参照）。

高電圧パワーグッド

LTC1441 コンパレータの後半部分は、高電圧パワーグッド・インジケータとして機能します（図 15 参照）。

この回路は LTC1540 の REF 出力（V_REF）をリファレンスとして使用します。これはレギュレーション電圧を設定するために使用するリファレンスと同じです。ポテンショメータのワイパーがリファレンス電圧よりも低くなった場合、コンパレータの出力がアサートされ、レギュレーション不能となったことを通知します。