α/β探頭適配電路設計及性能研究

劉毅，盧威驊，李元東

摘 要：α/β探頭適配電路是α/β粒子測量系統的核心部分，直接影響系統對α粒子和β粒子的活度測量性能。文章針對α/β粒子測量系統設計了α/β探頭適配電路，包括整形濾波電路、積分電路、甄別電路。為研究該適配電路性能，測試了整形濾波、積分及甄別電路輸出波形。實驗表明，該適配電路性能優異，可將探頭輸出的模擬信號轉換為數字信號，實現對α粒子和β粒子的計數。

關鍵詞：α/β粒子測量系統；α/β探頭適配電路；甄別電路；輸出波形

中圖分類號：TL814 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0017-03

Abstract： An α/β probe adaptor circuit is the core part of an α/β particle measurement system， which directly affects the performance of the system in measuring the activity of α and β particles. In this paper， an α/β probe adaptor circuit is designed for the α/β particle measurement system， including shaping filter circuit， integral circuit and discriminant circuit. In order to study the performance of the adaptive circuit， the output waveforms of the shaping filter， integral and discriminant circuits are tested. The experiment shows that the circuit has excellent performance and can convert the analog signal from the probe into digital signal to realize the counting of α and β particles.

Keywords： α/β particle measurement system； α/β probe adaptor circuit； screening circuit； output waveform

α粒子與β粒子具有穿透能力較弱和電離能力較強的特點，對體內組織破壞能力較大，嚴重威脅著人體健康。在加強核安全監管的大力推動下，實現高效準確地測量物體表面和環境α粒子和β粒子具有重要意義。而作為核設施監測、核事故應急事件監測和環境放射性污染調查與評價等領域中的重要技術支撐——α/β粒子測量系統已成為研究熱點[1]。

在α/β粒子測量系統中，α/β探頭適配電路直接影響著系統對α粒子和β粒子的活度測量性能，是系統核心部分。本文針對α/β粒子測量系統設計了α/β探頭適配電路，包括整形濾波電路、積分電路、甄別電路、偏壓電源，并測試了適配電路各項性能指標，力求為新型α/β粒子測量系統的先導性研發提供進一步參考。

1 探頭適配電路設計

1.1 整形濾波電路設計

為提高α/β探頭的時間分辨能力，本文設計整形濾波電路以減小輸出信號脈沖寬度，避免粒子活度較高時導致脈沖堆積現象的發生，影響測量數據的準確性，整形濾波電路原理見圖1。輸出信號首先經過CR微分電路整形后，減小了脈沖寬度，再經過有源帶通濾波器組成的濾波電路，進一步降低了噪聲。CR微分整形電路中，C1=1nF，R1=1kΩ，時間常數τ=R1×C1=1μs；濾波電路以AD8065型運算放大器為核心，通頻帶為1kHz～5MHz，電路增益為10，根據低通頻率fL=1/2π×R2×C2，高通頻率fH=1/2π×R3×C3，增益Av=1+R3/R2，可知R2=340Ω，C2=470nF，R3=3.2kΩ，C3=10pF。

1.2 積分電路設計

由于α射線和β射線的部分能譜重合，在測量α、β粒子活度時難免發生串道現象，影響探測數據的準確性。為減弱串道現象的影響，本文設計了積分電路，原理見圖2。

1.3 甄別電路設計

信號經積分電路后可采用脈沖幅度甄別的方式將α粒子和β粒子脈沖區分開來。為闡述本文設計的甄別電路，首先介紹單道脈沖幅度分析器原理。單道脈沖幅度分析器是對信號幅度信息進行甄別的裝置，其作用是：當且僅當輸入信號脈沖幅度介于給定的電壓范圍VL-VU才輸出信號脈沖（如圖3）。上閾VU與下閾VL之差為道寬，以H表示。

單道脈沖幅度分析器由兩個脈沖幅度甄別（上甄別器和下甄別器）和邏輯電路構成。上、下甄別器的甄別閾分別等于單道分析器的上閾VU和下閾VL，其輸出信號由邏輯電路控制。如圖4所示，只有上甄別器不被觸發，下甄別器的輸出信號才能通過與門G2輸出。

所有輸入信號可按其幅度VI的大小分為三類：大于上閾、小于下閾以及介于上下閾之間。對于單道分析器而言，當且僅當第三類信號輸入時才有輸出信號。但考慮到輸入信號具有上升時間和下降時間，導致電路在時序上存在邏輯問題。由于上閾比下閾高，下甄別器的輸出信號比上甄別器的輸出信號出現得早而結束得晚，上甄別器的輸出信號并不能完全禁止下甄別器的信號輸出。在輸入信號的前后沿會輸出假信號，造成邏輯上的錯誤，如圖5所示。

為解決上述問題，可將下甄別器的輸出延遲，同時將上甄別器的輸出展寬（如圖6所示），則輸入信號幅度超過上閾時，后者可“蓋住”前者，電路不產生輸出信號。

根據上述原理分析，本文設計的單道脈沖幅度甄別器原理圖如圖7所示。

上甄別器DU和下甄別器DL的參考電壓分別由低阻輸出的運算放大器AU和AL提供。AU的輸入端同時加有下閾電位VL和道寬電壓H，AU輸出電壓為VU=VL+H，AL輸出電壓為VL。VL和VH的調節范圍可以分別獨立調節。由于調節VL和H的電位器阻值遠小于R，兩電位器的度盤讀數和電壓VL、H之間有良好的線性。電位器RV1和RV2作用是校正下閾和道寬度盤刻度。反饋電路有隔直流電容，避免了VU和VL對甄別閾的影響。該單道各級輸入輸出如圖8所示。

根據以上分析，本文設計的甄別電路由上述兩個單道組成，經適當調節上下閾和道寬等電路參數，即可實現對α粒子和β粒子的甄別，其中具體參數設置將在探頭適配電路測試中闡述。

2 性能測試

探頭適配電路包括整形濾波電路、積分電路、甄別電路等。根據環境α、β粒子的輸出波形，在整形濾波電路中將整形濾波電路時間常數設置為8μs；在甄別電路中將兩個單道上下閾分別設置為0.2V～0.4V、10mV～100mV，分別測量α粒子和β粒子?，F將三者連接并對其進行測試，波形見圖9。

圖9（a）為α和β粒子的輸出信號經整形濾波電路后的輸出信號，可見信號經整形后減小了脈沖寬度，且經濾波處理后進一步降低了噪聲。圖9（b）為甄別電路的輸出信號，可測得被測物體表面α和β粒子活度，實現對α和β粒子的有效測量。

3 結束語

本文介紹了α/β探頭適配電路的設計，包括整形濾波電路、積分電路、甄別電路，并測試了適配電路輸出響應。實驗結果表明，適配電路性能優異，可有效地將探頭輸出的模擬信號轉換為數字信號，有望廣泛應用于α/β粒子測量系統。

參考文獻：

[1]李元東，葛良全，王彥瑜，等.便攜式γ能譜儀閃爍探頭改進設計及性能研究[J].原子能科學技術，2017，51（8）：1471-1477.

[2]Li W， Yangyi J， Yang L， et al. 2013. Research and implementation of high counting rate α-and β-particle radiation detecting method[J]. Yi Qi Yi Biao Xue Bao/chinese Journal of Scientific Instrument， 34（2）：311-318.