解讀核輻射檢測(cè)儀原理，值得搶購(gòu)嗎？

8月24日上午，日本政府不顧國(guó)內(nèi)外反對(duì)，執(zhí)意啟動(dòng)核污染水排海計(jì)劃。盡管日本排放的污水最早也會(huì)在200多天后蔓延到我國(guó)臨海，但恐慌情緒卻提前一步擴(kuò)散。

日本排放核污水消息傳出后，包括韓國(guó)與中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家或地區(qū)再次出現(xiàn)“盲目搶鹽”的情況。于此同時(shí)，更多人開始關(guān)注核輻射檢測(cè)儀等相關(guān)檢測(cè)產(chǎn)品。據(jù)央視財(cái)經(jīng)8月26日?qǐng)?bào)道，日本啟動(dòng)核污染水排海導(dǎo)致核輻射檢測(cè)儀在線上平臺(tái)銷售火爆，“核輻射檢測(cè)儀”詞條中的數(shù)據(jù)顯示，該產(chǎn)品“本周增速”232%，很多商家都已經(jīng)沒有現(xiàn)貨。

很多專家表示，日本排放核污水，既要關(guān)注，但也無需驚慌。也有人認(rèn)為我們必須要搶購(gòu)必要物資來保證自己和家人的安全。核輻射檢測(cè)儀要用到哪些技術(shù)？市面上兜售的檢測(cè)儀是噱頭還是真的有效？是否有購(gòu)買的必要？與非網(wǎng)謠言粉碎機(jī)來揭秘。

輻射檢測(cè)儀的工作原理

輻射，在物理學(xué)上指的是能量以波或者次原子粒子移動(dòng)的形態(tài)，在真空或介質(zhì)中傳送。一般可依據(jù)其能量高低與電離能力將其分為電離輻射與非電離輻射，我們認(rèn)知中的能對(duì)人體造成傷害，具有高致癌性的輻射都是電離輻射。電離輻射又可通過粒子分為α粒子、β粒子、種子、X射線以及伽馬射線等。輻射檢測(cè)儀的主要作用就是檢測(cè)被測(cè)物體中這些粒子波的“含量”。

我們其實(shí)在中學(xué)階段就學(xué)習(xí)過探測(cè)輻射的本領(lǐng)，那就是蓋革米勒計(jì)數(shù)管（Geiger-Müller counter），通常用于探測(cè)α粒子與β粒子。隨著多年來制造技術(shù)的進(jìn)展，目前蓋革米勒計(jì)數(shù)管已經(jīng)可以較為精確的測(cè)量γ（伽馬）射線。

蓋革米勒計(jì)數(shù)管的探測(cè)器通常結(jié)構(gòu)是在一根兩端用絕緣物質(zhì)密閉的金屬管內(nèi)充入稀薄氣體（摻加了惰性氣體，如He、Ne、Ar等），在沿管的軸線上安裝有一根金屬絲電極，并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上略低于管內(nèi)氣體擊穿電壓的電壓。這樣在通常狀態(tài)下，管內(nèi)氣體不放電；而當(dāng)有高速粒子射入管內(nèi)時(shí)，粒子的能量使管內(nèi)氣體電離導(dǎo)電，在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象，從而輸出一個(gè)脈沖電流信號(hào)。

一類蓋革米勒計(jì)數(shù)管信號(hào)處理電路 ?圖源：核技術(shù)

因此，我們可以統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)電極的放電次數(shù)，就能推算出當(dāng)前環(huán)境中的輻射劑量。根據(jù)公開專利顯示，一款核輻射檢測(cè)儀通常由蓋革米勒計(jì)數(shù)管、信號(hào)放大電路、單片機(jī)（MCU）電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路、直流高壓發(fā)生電路、電源電路組成。蓋革米勒計(jì)數(shù)管陽極端連接直流高壓發(fā)生電路，陰極端依次連接信號(hào)放大電路、單片機(jī)電路、液晶顯示電路，單片機(jī)（MCU）電路還同時(shí)連接了報(bào)警電路，電源電路輸出分別連接到了上述電路的工作電壓輸入端。

一款核輻射檢測(cè)器內(nèi)部電路圖 ?圖源：專利CN102436008A

如上圖所示，蓋革米勒計(jì)數(shù)管A陽極端連接了直流高壓發(fā)生電路F的直流高壓400V輸出，陰極端依次連接信號(hào)放大電路B、單片機(jī)電路C、液晶顯示電路D；其中單片機(jī)電路C同時(shí)連接了報(bào)警電路E；電源電路G的+5V電壓輸出分別連接到了上述電路的工作電壓輸入端。當(dāng)然，這僅是該款專利所呈現(xiàn)的電路方案，具體到某款產(chǎn)品上還會(huì)有所不同。

簡(jiǎn)單來說，當(dāng)蓋革米勒計(jì)數(shù)管捕捉到射線后，會(huì)發(fā)出電磁脈沖，脈沖通過放大器后輸入MCU進(jìn)行計(jì)數(shù)，接著MCU會(huì)依據(jù)計(jì)數(shù)驅(qū)使報(bào)警電路發(fā)出或急促或緩和的“噠噠噠”蜂鳴聲來提示使用者此處的輻射強(qiáng)度。

用什么芯片，什么傳感器？

本次日本排放的核污水與核電廠常見的核廢水有本質(zhì)區(qū)別。核污水指代被核燃料污染的水，就比如這次直接灌入堆芯的海水。這些水與燃料棒直接接觸，其中含有大量的放射性物質(zhì)，除了氚與C-14外，還有例如鈾、钚、銫、鍶、碘、鈷等重金屬放射性物質(zhì)。更重要的是，使用者是無法預(yù)估測(cè)試環(huán)境的真實(shí)輻射量大小。因此，核輻射檢測(cè)儀的芯片與傳感器往往面對(duì)的環(huán)境要更加復(fù)雜且“兇險(xiǎn)”。用什么芯片與傳感器才能保證儀器正常運(yùn)行？怎么提高檢測(cè)精度呢？

傳統(tǒng)的便攜式輻射測(cè)量?jī)x一般為單臺(tái)專用設(shè)備，檢測(cè)人員需要依據(jù)被測(cè)對(duì)象的放射性來源來選擇合適的前端探測(cè)器與后端處理電路。目前隨著核科學(xué)的不斷發(fā)展，核輻射檢測(cè)儀也在向著小型化、高靈敏度、高效率、大量程以及高可靠性的方面發(fā)展。

首先是探測(cè)器。為了應(yīng)對(duì)不同種類的輻射的識(shí)別，輻射檢測(cè)儀上往往要搭載不同的傳感器。常用的核輻射探測(cè)傳感器根據(jù)工作介質(zhì)以及發(fā)生的效應(yīng)，通?？煞譃?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/516151.html">氣體探測(cè)器、閃爍探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器等。

網(wǎng)商平臺(tái)產(chǎn)品拆解圖（蓋革管） ?圖源：1688

氣體探測(cè)器通過收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來測(cè)量核輻射，最早的蓋革米勒計(jì)數(shù)器就屬于這一種類；半導(dǎo)體探測(cè)器則可以統(tǒng)計(jì)輻射在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的載流子數(shù)量計(jì)算輻射大小，其原理與相機(jī)中的CMOS傳感器類似，其中高純鍺探測(cè)器有較高的能量分辨率，對(duì)γ輻射探測(cè)效率高，此外砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等材料也有應(yīng)用；閃爍探測(cè)器則利用帶電粒子打在閃爍體上，使原子（分子）電離、激發(fā)，在退激過程中發(fā)光，經(jīng)過光電器件（如光電倍增管）將光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)來測(cè)量核輻射。半導(dǎo)體探測(cè)器具有分辨率的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于核素識(shí)別；閃爍探測(cè)器具有良好的η-γ射線甄別能力；蓋革米勒計(jì)數(shù)器等氣體探測(cè)器在高輻射場(chǎng)下具有測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。

就整體電路來說，輻射檢測(cè)儀的處理器并不需要很高的算力，因此低功耗、高穩(wěn)定性的MCU是最優(yōu)選。根據(jù)博主錦匠制作拆解的具有較高分辨率圖像顯示功能的輻射探測(cè)儀來看，最高僅需要1GHz主頻的單核CPU驍龍MSM8255。部分功能簡(jiǎn)單，探測(cè)功能單一的檢測(cè)器可能僅需具有計(jì)數(shù)功能的幾MHz級(jí)別MCU。

夏普107SH輻射檢測(cè)手機(jī) ?圖源：錦匠制作

盡管無需高性能，但核輻射傳感器所使用的芯片并不簡(jiǎn)單。電離輻射的能量極高，它會(huì)持續(xù)損傷芯片，降低其性能，最終導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。此外，高能粒子還會(huì)導(dǎo)致晶體管中儲(chǔ)存的數(shù)值發(fā)生位偏轉(zhuǎn)，足夠數(shù)量的偏轉(zhuǎn)可能會(huì)使芯片發(fā)生“閂鎖”錯(cuò)誤。因此輻射儀中的芯片需要具備足夠強(qiáng)的抗輻射能力。

抗輻射芯片具有物理與邏輯兩種方式。物理層面可以采用碳化硅或氮化鎵等對(duì)輻射抵抗較強(qiáng)的寬帶隙半導(dǎo)體材料，或者硅的處理層可置于絕緣層或襯底上。邏輯上可使用雙極集成電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CMOS，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）代替靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）等。在封裝層面，可以使用陶瓷封裝、金屬封裝或加裝金屬外殼等特殊工藝對(duì)芯片進(jìn)行保護(hù)。

需要買核輻射檢測(cè)儀嗎？

其實(shí)單論后端電路與芯片，核輻射檢測(cè)儀的整體機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，很多電子愛好者在具備相關(guān)元器件后或許都能“手搓”一個(gè)出來。從另一角度來說，核輻射檢測(cè)儀的檢測(cè)關(guān)鍵還是在于前端傳感器的感應(yīng)精度。

在日本放出要排放核污水的消息后，核輻射檢測(cè)儀早已被買空，諸多分銷平臺(tái)上的熱門型號(hào)的蓋革計(jì)數(shù)器都已經(jīng)供不應(yīng)求。

網(wǎng)商平臺(tái)的店家留言 ?圖源：1688截圖

不過從分銷商的留言中，記者找到了他們對(duì)于本次搶購(gòu)事件的看法。某商家在留言中提到：“市面上300元以下的機(jī)器，要么沒有使用蓋革管，要么用的小蓋革管，靈敏度不夠?！薄笆褂脵C(jī)器（輻射檢測(cè)儀）需要對(duì)準(zhǔn)輻射源，但混合在自然界中的輻射位置不固定，還有可能有大量遮擋?！绻且獧z測(cè)，3000元以上的產(chǎn)品才可能檢測(cè)的到?！?/p>

事實(shí)上，從傳感器的參數(shù)中，我們也能找到答案。目前民用的核輻射檢測(cè)儀，大部分都會(huì)在0.5uSv/h時(shí)報(bào)警，很多天然的大理石建材都能達(dá)到這個(gè)輻射值。如果日本方面的核污水排放真的能夠符合國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，其排放輻射量早已低于民用檢測(cè)儀的最低響應(yīng)值。如果真的想讓手里的輻射檢測(cè)儀在本次事件中有用武之地，恐怕還要跑到福島當(dāng)?shù)厝y(cè)量了（你不會(huì)真這么做吧？）。最近的央視報(bào)道中，華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院教授張永清表示：“普通百姓購(gòu)買放射性檢測(cè)儀必要性不強(qiáng)。因?yàn)榉派湫詼y(cè)量過程中，只有一個(gè)儀器還是不夠的，還要有相應(yīng)適合的方法，不同的核素有不同的方法來進(jìn)行測(cè)量，而且不同的樣品有不同的前處理方法。如果說一般普通老百姓只是買一個(gè)儀器來測(cè)，他們還不具備專業(yè)的方法?！?/strong>