基于大面積復合閃爍體的α、β射線甄別電路設計

唐恭富，杜樹標，李 進，姚 飛

(綿陽市維博電子有限責任公司，四川 綿陽 621000)

【機械制造與檢測技術】

基于大面積復合閃爍體的α、β射線甄別電路設計

唐恭富，杜樹標，李 進，姚 飛

(綿陽市維博電子有限責任公司，四川 綿陽 621000)

針對目前α、β放射性污染復合檢測過程中存在的串擾嚴重、小脈沖無法可靠分辨等主要問題，設計了一種基于大面積復合閃爍體的α、β射線甄別電路，提出了幅度甄別與寬度甄別相結合的雙重判別方法；試驗結果表明：電路性能穩定，抗干擾強，α道對β道串道比在5%以內，探測效率約53%，β道對α道串道比小于0.5%，探測效率約為47%，有效地解決了串道比較高、探測效率低等問題。

復合探測；脈沖甄別；串道比；效率

隨著核能的進一步開發利用以及人員物理保健意識的逐步提高，涉核場所對放射性污染檢測設備性能提出了更高要求。為提高檢測效率，避免重復探測，射線復合探測漸成快速發展趨勢[1]，但目前α、β射線復合探測過程中存在串擾嚴重、探測效率不高等問題，主要是由于在探測過程中存在能量衰減，射線脈沖幅度小于理論值，形成的小脈沖信號無法準確分辨，致使α、β脈沖串道。因此，準確地甄別小脈沖信號是解決問題的關鍵，本文設計了一種基于大面積復合閃爍體的α、β脈沖甄別電路，有效地降低了串道比，提高了探測效率。

1 α、β射線探測方案設計

系統主要由復合閃爍體探頭、電荷靈敏前置放大電路、主放大電路、高速脈沖甄別電路、高壓電路、CAN總線通訊接口電路等模塊組成。電路原理框圖如圖1。

圖1 電路原理框圖

高壓電路為光電倍增管提供正常使用時所需的偏置電壓，當探頭檢測到α、β射線時，將輸出電荷脈沖，經前置放大電路和主放大電路放大整形后，再對信號進行脈沖幅度甄別和寬度甄別，根據α、β脈沖信號不同特征識別出α、β射線，最后通過CAN總線通訊接口輸出單位時間內的α、β射線值。

2 硬件設計

2.1 大面積復合閃爍體探測器

目前，α射線探測一般采用ZnS(Ag)無機閃爍體探測器，β射線探測大多選用塑料閃爍體或有機液體閃爍體探測器，要實現α、β射線的同時探測可采用復合閃爍體探測器[2]。在薄片式塑料閃爍體表面覆蓋ZnS(Ag)涂層，ZnS(Ag)發光光譜為400～600 nm,且只對α射線發光效率高，對β、γ及中子等射線不靈敏，薄片式塑料閃爍體能夠探測β射線并充當ZnS(Ag)的光導，這樣就保證了在探測β射線的同時實現對α射線的探測。

大面積復合閃爍體探測器主要由光收集箱、涂有ZnS(Ag)薄層的塑料閃爍體、鋁膜、光電倍增管(PMT)等組成,其結構如圖2所示。復合閃爍體探測器檢測到α、β射線將發出熒光，光子通過光收集箱收集，通過光電倍增管放大和光電轉換，產生相應的α、β電脈沖，然后采用脈沖甄別電路區分出α、β射線，進而實現對α、β射線的探測。

圖2 探測器結構

2.2 電荷靈敏前置放大電路

采用多重反饋帶通濾波器對信號進行電荷靈敏前置放大，將光電倍增管輸出的電流脈沖信號轉換成電壓脈沖信號，對信號進行濾波和脈沖展寬，其電路原理如圖3所示。

圖3 電荷靈敏前置放大器原理圖

前置放大電路中，相對于V1，運算放大器起微分器的作用[3]，因而可得Vo= -sR2C2V1；在節點V1將電流相加，即得：

消除V1，并令s→jω整理可得：

為將函數表示成H(jω)=HOBPHBP(jω)的標準形式，令ω2R1R2C1C2=(ω/ω0)2從而得到：

再令jωR1(C1+C2)=(jω/ω0)/Q得到

根據塑料閃爍探頭輸出的α、β電荷脈沖寬度及幅值的要求，在該電路中參數ω0=0.973×107、Q=0.095，運算放大器選用輸入偏置電流≤6 pA、開環增益≥100 dB、帶寬≥100 Hz的AD8065單運算放大器。

2.3 主放大電路

主放大電路由同相放大器U1、跟隨器U2、限幅二極管組成[4]，其電路原理如圖4所示。

圖4 主放大器電路原理圖

同相放大器的放大倍數KA=1+R2/R1，C8為積分電容，濾去前置放大器輸出紋波和噪聲。

2.4 高壓電路

高壓電路由高壓模塊、D/A轉換器及高壓處理電路組成,輸出電壓為0～1 100 VDC,其電路原理如圖5所示。

高壓模塊輸出電壓調節范圍：0～1 100 VDC，紋波≤30 mV(峰-峰)，調節電壓為0～2.5 V。D/A轉換電路采用ADI公司生產的AD5320數模轉換器，將數字信號轉換成0～3.3 V的模擬信號，控制高壓模塊輸出電壓。高壓處理電路對高壓值進行采樣和處理，用0～3.3 V電壓對應0～1 100VDC高壓值，將該信號輸入到DSP AD端口進行模數轉換，實時監控高壓模塊輸出的高壓值。AD5320是一款12位串行輸入的數模轉換器，串行數據通信率達30 MHz，微分非直線性最大±1LSB,相對最大±16LSB,轉換時間：1 V/μs。

圖5 高壓電路原理圖

2.5 信號整形及高速脈沖甄別

信號整形及高速脈沖甄別主要是在脈沖信號經前置放大、主放大后，對不同幅值信號分別進行整形，獲得幅度較易測量的波形，對脈沖的幅度和寬度進行測量，采用幅度甄別和寬度甄別的雙重判別準則，準確地甄別出α、β射線。

信號整形和脈沖甄別電路以TMS32028069DSP處理器作為核心部件，該DSP芯片主頻99 MHz，片內資源豐富，包含16通道模擬輸入高速12位A/D轉換器、3個高速比較器、3個32位的CPU定時器、3個高分辨脈沖寬度捕捉模塊、2個32位的脈沖計數模塊、異同步串行外設接口和CAN總線接口等資源，電路原理如圖6所示。

圖6 DSP電路原理簡圖

通過調節比較器的閾值獲得不同幅度的脈沖，脈沖的上升沿將高速脈沖捕捉計數器清零，并開始輸入時鐘周期，脈沖的下降沿停止高速脈沖捕捉計數器計數并產生中斷，該脈沖寬度Tw=(捕捉計數器值+1)×8.33 ns,高速脈沖捕捉時序如圖7所示。

圖7 高速脈沖捕捉時序圖

3 軟件設計

3.1 軟件流程

軟件設計主要包括系統初始化、比較器閾值調節、高壓電壓值控制、脈沖捕捉中斷處理、脈沖寬度計算、脈沖幅度甄別、區分α、β、CAN數據通訊接口等模塊。

模塊上電后，首先主程序對DSP系統初始化，配置AD轉換功能塊、比較器功能塊、高速脈沖捕捉功能塊、SPI通訊功能塊、I/O功能塊、CAN通訊功能塊。模塊配置完后，主程序完成模塊的參數設置及單位時間內檢測到的α、β計數值并通過CAN總線輸出。高速脈沖捕捉中斷程序完成脈沖寬度計算，脈沖幅度甄別，區分α、β射線，軟件流程如圖8、圖9所示。

圖8 主程序工作流程 圖9 中斷子工作流程

3.2 高壓控制與實現

AD5320數模轉換器數據接口是16位串行數據接口，器件有一個數據控制口(SYNC)，數據輸入口(DIN),時鐘輸入口(CLK),器件完成一次轉換需要16個時鐘周期，數據控制口、數據輸入、時鐘用軟件通過I/O接口產生[5]。DSP控制AD5320的轉換時序如圖10所示。當需要輸出高壓為Vg時，所需輸出的數據SDda為

將DSP AD轉換模塊配置成定時器2中斷觸發，每秒AD轉換一次，得到轉換值SDda,檢測到的高壓值為

在定時器2中斷程序進行高壓輸出控制，保證高壓輸出在要求的范圍內。

圖10 AD5320 轉換時序

3.3 比較器閾值調節

信號整形采用比較器來實現[6-8]，調節比較器的閾值可得到不同幅度信號的脈寬。比較器的閾值必須滿足：比較器1 <比較器2 <比較器3。比較器的閾值分辨為10位DA,輸出電壓為

其中：V為DA輸出電壓，即比較器閾值；Ldacval為DA輸入值。

3.4 數據通信

模塊有CAN總線接口，CAN總線滿足2.0B協議，通訊速率為500 kbit/s,通過CAN總線接收模塊設置參數，定時或查詢輸出單位時間內α、β計數值。

4 測試結果及分析

利用241Am(α標準源)和90Sr-90Y(β標準源)進行了實驗測量(源與探測器的距離5 mm)，結果見表1，表2。其中串道比和探測效率計算方法如下：

1) α射線對β道串道比計算方法：

其中：n為β道內計數平均值；n為α道內計數平均值。

2) β射線對α道串道比計算方法：

3) 探測效率計算方法：

其中：n1，avg為標準源測量計數平均值，nb，avg為本底計數平均值，ns為標準源表面發射率的約定真值。

從表1、表2可知，α探測效率大47%，α道對β道串道比小于5%，β探測效率大于53%，β道對α道串道比小于1%。

表1 α標準源實驗測試數據

表2 β標準源測試數據

5 結束語

本文設計的前置放大、主放大以及脈沖幅度、寬度測量電路，采用脈沖幅度和寬度綜合判斷法，可實現低串道比條件下α、β表面污染的大面積探測。利用90Sr-90Y和241Am標準源試驗結果顯示：性能穩定，抗干擾強，α道對β道串道比在5%以內，探測效率約53%，β道對α道串道比小于0.5%，探測效率約為47%。

[1] 杜樹標,蔣韋韋,丁泮.核環境機器人發展現狀及關鍵技術分析[J].兵器裝備工程學報,2016,37(5):93-94.

[2] 李文強,楊裔劍俠,楊錄,候磊.高計數率α、β粒子輻射檢測方法研究與實現[J].儀器儀表學報,2013,34(2):311-312.

[3] FRANCO S.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits[M].3rdEdition.American：McGraw-Hill Companies,2010.

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[5] 鄧智,康克軍,程建軍.低噪聲CMOS電荷靈敏前置放大器[J].清華大學學報,2005,45(12):1644-1645.

[6] 蘇弘，董成富，彭宇.一種新型電荷靈敏前置放大器和成形峰保持混合電路[J].核電子學與探測技術,2007,27(6):1005-1006.

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[8] 王曦，曾志，龍斌.利用薄板塑閃測量水中總β放射性[J].核電子學與探測技術,2014,34(1):107-108.

(責任編輯 唐定國)

Design of α，β Ray Screening Circuit Base on Large Area Composite Scintillation

TANG Gong-fu, DU Shu-biao, LI Jin, YAO Fei

(Mianyang Weibo Electronic Co.， Ltd., Mianyang 621000, China)

Aiming at the main problems of the current α and β radioactive contamination detection, that the crosstalk is serious and the small pulse can’t be discriminated reliably, a new type of α and β ray screening circuit was designed based on large area composite scintillation, and a dual discrimination method was proposed for the combination of amplitude discrimination and width discrimination. Test results show that: the circuit performance is stable, and the anti-interference is strong. The α count on the β channel within 5% and efficiency is about 53%, the β count on the α channel within 0.5% and efficiency is about 47%. The method effectively solves the problem of high crosstalk and low detection efficiency.

compound detection; pulse discrimination; crosstalk ratio; efficiency

2016-08-25；

2016-10-11

唐恭富(1963—)，男，工程師，主要從事硬件電路設計及檢測技術研究。

10.11809/scbgxb2017.02.029

唐恭富，杜樹標，李進，等.基于大面積復合閃爍體的α、β射線甄別電路設計[J].兵器裝備工程學報，2017(2):127-131.

format:TANG Gong-fu, DU Shu-biao, LI Jin, et al.Design of α，β Ray Screening Circuit Base on Large Area Composite Scintillation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):127-131.

TL81

A

2096-2304(2017)02-0127-05