一種中子探測器的放大電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種放大電路,具體地說,是設(shè)及一種用于中子劑量監(jiān)測儀的放 大電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 中子不帶電荷,因此它不能直接引起物質(zhì)電離而被探測。中子的探測必須通過探 測其與原子核發(fā)生相互作用產(chǎn)生的次級帶電粒子來實現(xiàn)。中子的測量包括數(shù)量測量,即注 量測量、劑量當(dāng)量測量和能譜測量。用于中子劑量測量的探測器通常分為兩類;有源探測器 和無源探測器。有源探測器又可分為測量脈沖計數(shù)和測量電離電流兩種。電離室、正比計 數(shù)器、半導(dǎo)體閃爍體探測器等都屬于有源探測器;無源探測器包括核乳膠、核徑跡、熱釋光、 氣泡室等。
[0003] 探測器電子學(xué)系統(tǒng)如圖1所示,主要包括;高低壓電源、高壓濾波、輸入緩沖器、 放大電路等部分,最為重要的放大電路由前置放大器、主放大器、甄別器和觸發(fā)器四部分組 成。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型是在已知作為中子探測器探頭的正比計數(shù)管輸出信號的基礎(chǔ)上設(shè)計 的適合的放大電路,設(shè)計了放大電路的四個組成部分:前置放大器、主放大器、甄別器和觸 發(fā)器,從測試結(jié)果看完全滿足該中子探測器的運行要求。
[0005] 本實用新型所研制的放大電路是用于W3化正比計數(shù)管作為熱中子靈敏探頭的中 子劑量儀,探頭選取美國LND公司型號為27036的球形巧e正比計數(shù)管。由于計數(shù)管輸出 的信號非常?。ㄖ挥袔譵V),一般都要經(jīng)過放大器放大后再進行測量,小信號與噪聲處于同 一量級,所W傳統(tǒng)的放大電路很難準確地捕捉到此信號脈沖并將其放大,或者會把部分噪 聲放大導(dǎo)致假計數(shù)。信號的放大效果直接關(guān)系到整個探測器的性能。
[0006] 本實用新型的技術(shù)方案為:
[0007] 一種中子探測器的放大電路,包括前置放大器、主放大器、甄別器和觸發(fā)器,其特 征在于,所述前置放大器中包括運算放大器和兩場效應(yīng)管;第一場效應(yīng)管和第二場效應(yīng)管, 其中第一場效應(yīng)管的柵極與正比計數(shù)管的信號輸出端連接,源極與低壓電源正極連接、漏 極經(jīng)一電阻與低壓電源負極連接;第二場效應(yīng)管的柵極與所述運算放大器的輸出端連接, 源極與低壓電源正極連接、漏極經(jīng)一電阻與低壓電源負極連接;所述第一場效應(yīng)管的漏極、 第二場效應(yīng)管的漏極分別與所述運算放大器的一輸入端連接。
[000引進一步的,所述正比計數(shù)管的信號輸出端依次經(jīng)一電容和一電阻與所述第一場效 應(yīng)管的柵極連接;所述第二場效應(yīng)管的柵極經(jīng)一并聯(lián)的電容、電阻與所述運算放大器的輸 出端連接。
[0009] 進一步的,所述并聯(lián)的電容、電阻中的電容值為2~5pF。
[0010] 進一步的,所述正比計數(shù)管為球形巧e正比計數(shù)管。
[0011] 進一步的,所述甄別器為電壓比較器。
[0012] 進一步的,所述主放大器的增益G= 50。
[0013] 進一步的,所述主放大器為運算放大器AD620。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型的積極效果為:
[0015] 1、前置放大電路設(shè)計;通過加入場效應(yīng)管抑制伴隨信號的噪聲,使微弱信號W較 高信噪比到達放大器;通過選擇高性能運算放大器不失真放大原始信號。
[0016] 2、主放大器設(shè)計;通過選擇與前放相匹配的運算放大器達到對前置放大器輸出信 號進一步放大的目的,選擇反向輸入端作為放大器的輸入使主放大器輸出信號變成正的。
[0017] 3、甄別器設(shè)計;選擇電壓比較器作為脈沖幅度甄別器,通過調(diào)節(jié)甄別電壓的方式 甄別掉非興趣區(qū)的信號。
[0018] 4、觸發(fā)器設(shè)計;甄別后得到的信號經(jīng)過數(shù)字觸發(fā)器觸發(fā)成形最終輸出方波脈沖。
【附圖說明】
[0019] 圖1為探測器電子學(xué)系統(tǒng)圖;
[0020] 圖2為前置放大器電路圖;
[0021] 圖3為主放大器電路圖;其中,1、8為外接調(diào)整電阻端口;2、3為外接輸入信號端 口(2接信號的負極,3接信號的正極);4、7為外部電源接入端口(4接電源的負極,7接電 源的正極);5為參考端,一般情況下與地連接;6為放大后信號的輸出端。
[0022] 圖4為脈沖幅度甄別器電路圖;
[0023] 圖5為巧e正比計數(shù)管脈沖幅度譜圖;
[0024] 圖6為環(huán)境本底捕捉到的中子信號圖。
【具體實施方式】
[0025]1、前置放大電路的設(shè)計
[0026] 前置放大器是整個電路的重要組成部分。粒子通過探測器時使探測器產(chǎn)生 電離、激發(fā)或光電轉(zhuǎn)換等過程,輸出信號的電荷量正比于粒子在探測器中消耗的能量: n+3He-p+3T+0. 764MeV,在該個反應(yīng)中,每個熱中子反應(yīng)都W氣核和質(zhì)子動能的形式 沉積764keV的能量,巧e的電離能大約為35eV,產(chǎn)生的離子對約為2. 2X104,電荷量為 3. 5X1045C,經(jīng)氣體放大W后電流信號依然十分微弱,多在毫伏量級。實驗測得型號為 LND27036的巧e正比計數(shù)管原始信號約4mV。正比計數(shù)管的輸出阻抗往往比后接電路的輸 入阻抗大得多,可W等效為一個電流源。電流靈敏型前置放大器輸入電阻較小,時間響應(yīng) 好,是對正比計數(shù)管輸出的電流信號直接進行放大,可用于高計數(shù)率和高本底的情況,電流 靈敏前置放大器的優(yōu)點使其能適用于各種中子場。電流靈敏前置放大器的基本要求是其輸 入高頻等效電路的時間常數(shù)必須足夠小,過渡過程足夠快,所W前置放大器的輸出波形與 巧e正比計數(shù)管的電流收集過程的波形一致。
[0027] 前置放大電路如圖2所示,前置放大電路中運算放大器使用美國AD公司的寬帶電 流反饋型運算放大器AD811,其優(yōu)點為頻率高、帶寬寬、偏置電流小。為降低噪聲使用低噪 聲場效應(yīng)對管2N5199,兩個場效應(yīng)管的柵極都有二極管保護,使其開關(guān)電源時不容易損壞。 前置放大器中積分電容C3對噪聲的控制至關(guān)重要,對輸出信號的信噪比有巨大影響,在大 量實驗的基礎(chǔ)上確定C3經(jīng)驗值為2~5pF。
[002引 2、主放大電路的設(shè)計
[0029] 經(jīng)過前置放大電路輸出lOOmV的模擬信號還不利于后續(xù)數(shù)字電路的處理,所W需 要進一步放大信號。主放大電路如圖3所示。主放大電路中選用運算放大器AD620,AD620 的增益通過電阻R。進行編程,或者更準確的說,通過引腳1與引腳8之間存在的任何阻抗 進行編程。其增益可由式子:
[0030] 給出。設(shè)定主放大器的增益G= 50,主放輸出的脈沖在2V~5V之 間。
[0031] 3、甄別電路的設(shè)計
[0032] 福射場的中子福射往往伴有丫福射,所W-個中子探測器除了要有中子探測效 率、能量時間分辨能力、壽命等多種性能指標與參數(shù)外,還必須要有較好的丫甄別能力。本 設(shè)計用熱中子靈敏的正比計數(shù)管作為探頭,慢化體可W極大地提高中子的探測效率,降低 丫射線的干擾程度。丫光子進入正比計數(shù)管后使氣體電離,電離產(chǎn)生的電荷量要比中子與 巧e發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的電荷量少,所W丫產(chǎn)生的信號幅度通常都比中子產(chǎn)生的信號小,該樣 就可W設(shè)計一個脈沖幅度甄別器通過調(diào)節(jié)域值達到幅度甄別的目的。由LM393組成一個電 壓比較器作為脈沖幅度甄別器,其原理圖如圖4所示,放大電路輸出的模擬信號接LM393正 輸入端,負輸入端經(jīng)過一個可變電阻接到電源作為可調(diào)的參考電壓。
[003引選擇合適的甄別電壓可W準確地甄別掉丫信號和噪聲干擾。做n-丫分辨實 驗得出合適的甄別電壓。實驗中用的丫源為"7Cs。其標參為;距探頭1.5m處的劑量率 為6. 87yGy/min;距探頭2. 5m處的劑量率為2. 45yGy/min;距探頭3. 5m處的劑量率為 1.25yGy/min。用丫源照射探頭,距離放射源不到Im,探頭處的劑量率為約ImSv/h,在該 種劑量下得到的丫信號最大不到0.6V。實驗使用中子源為252Cf,其活度為20MBq,在此中 子源下得到的中子信號都在2VW上??蒞把甄別電壓調(diào)為IV。
[0034] 更為嚴謹?shù)姆椒ㄊ怯枚嗟婪治銎鲗嶒灉y得n-丫脈沖幅度譜,W脈沖幅度譜的形 狀進行甄別。同時還可W驗證電路的可靠性。實驗測得的裸管脈沖幅度譜如圖5所示。
[0035] 全能峰出現(xiàn)在768道左右,淀積能量為76化eV,丫信號與中子信號有一段較寬的 間隔,將域值設(shè)定在128道就可W很好地把丫信號甄別掉。
[0036] 4、觸發(fā)成形電路的設(shè)計
[0037] 為了給甄別器輸出信號進一步整形W方便計數(shù),需要在電路的最后一級加一個觸 發(fā)器,整形W后輸出一個方波信號。本設(shè)計中選用的觸發(fā)器是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74肥123。經(jīng)過 甄別器W后的中子信號再經(jīng)過觸發(fā)成形輸出脈寬約70yS的方波。
[003引 5、放大電路測試結(jié)果
[0039] 圖6是示波器上顯示的在本底計數(shù)的情況下捕捉到的中子信號,圖中信號1是正 比計數(shù)管得到的原始脈沖,幅度約為-4mV;信號2是前置放大器輸出的信號,脈沖幅度約 為-lOOmV;信號4是主放大器放大后輸出的信號,脈沖幅度約4V;信號3是經(jīng)過甄別成形得 到的幅度約為4V的方波。經(jīng)過長時間的測試本文設(shè)計出的電路計數(shù)穩(wěn)定,性能完全滿足要 求。
【主權(quán)項】
1. 一種中子探測器的放大電路,包括前置放大器、主放大器、甄別器和觸發(fā)器,其特征 在于,所述前置放大器中包括運算放大器和兩場效應(yīng)管:第一場效應(yīng)管和第二場效應(yīng)管,其 中第一場效應(yīng)管的柵極與正比計數(shù)管的信號輸出端連接,源極與低壓電源正極連接、漏極 經(jīng)一電阻與低壓電源負極連接;第二場效應(yīng)管的柵極與所述運算放大器的輸出端連接,源 極與低壓電源正極連接、漏極經(jīng)一電阻與低壓電源負極連接;所述第一場效應(yīng)管的漏極、第 二場效應(yīng)管的漏極分別與所述運算放大器的一輸入端連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的中子探測器的放大電路,其特征在于,所述正比計數(shù)管的信號 輸出端依次經(jīng)一電容和一電阻與所述第一場效應(yīng)管的柵極連接;所述第二場效應(yīng)管的柵極 經(jīng)一并聯(lián)的電容、電阻與所述運算放大器的輸出端連接。
3. 如權(quán)利要求2所述的中子探測器的放大電路,其特征在于,所述并聯(lián)的電容、電阻中 的電容值為2~5pF。
4. 如權(quán)利要求2所述的中子探測器的放大電路,其特征在于,所述正比計數(shù)管為球形 3He正比計數(shù)管。
5. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的中子探測器的放大電路,其特征在于,所述甄別器 為電壓比較器。
6. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的中子探測器的放大電路,其特征在于,所述主放大 器的增益G= 50。
7. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的中子探測器的放大電路,其特征在于,所述主放大 器為運算放大器AD620。
【專利摘要】本實用新型公開了一種中子探測器的放大電路。本實用新型包括前置放大器、主放大器、甄別器和觸發(fā)器,其特征在于,所述前置放大器中包括運算放大器和兩場效應(yīng)管:第一場效應(yīng)管和第二場效應(yīng)管,其中第一場效應(yīng)管的柵極與正比計數(shù)管的信號輸出端連接,源極與低壓電源正極連接、漏極經(jīng)一電阻與低壓電源負極連接;第二場效應(yīng)管的柵極與所述運算放大器的輸出端連接,源極與低壓電源正極連接、漏極經(jīng)一電阻與低壓電源負極連接;所述第一場效應(yīng)管的漏極、第二場效應(yīng)管的漏極分別與所述運算放大器的一輸入端連接。本實用新型電路計數(shù)穩(wěn)定,完全滿足該中子探測器的運行要求。
【IPC分類】H03F3-45
【公開號】CN204392193
【申請?zhí)枴緾N201420702312
【發(fā)明人】王慶斌, 郭思明, 張清江, 馬忠劍, 李楠
【申請人】中國科學(xué)院高能物理研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2014年11月20日