工業在線分析儀中BGO探測器的設計

張偉 呂懷振

摘 要：文章介紹了一種在工業在線分析儀中BGO探測器的應用，并給出了相關應用條件以及部分周圍電路的設計原理。工業在線分析儀在生產工藝控制、檢測等各方面具有重要意義，實時分析主要產品參數和工業指標，具有分析時間短，分析精度高等特點。因此，設計一款滿足現場生產需求的BGO探測器是非常有必要的。探測器主要包含BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大器、高壓模塊以及溫控器五部分。其中BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大器為探測器的主體設計部分，整套裝置放置于密閉的金屬筒內，使其具有很好的抗干擾及磁場能力。高壓模塊以及溫控器為外圍電路設計，滿足探測器的應用環境要求，保證其在最佳性能條件下工作。

關鍵詞：BGO探測器;在線分析儀;電路設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.022

1 引言

BGO晶體具有良好的光學性能，由于其優良特點，已廣泛應用于核工業、核醫學、測井等領域;使用它測試γ射線時，由于溫度對其影響很大，使其在不同溫度時能量分辨率是不相同的，同時其發光效率是隨溫度變化不斷變化的，導致相對脈沖幅度發生變化，峰位飄移，從而影響儀器測量精度，因此BGO探測器須在穩定合適溫度下工作;另外，探測器的高壓電源也是影響其性能的重要因素，高壓電源輸出的穩定性直接影響其脈沖輸出幅度，而脈沖幅度不穩定會影響儀器能量分辨率，因此高壓電源穩定性是非常重要的。

2 BGO探測器設計組成

BGO探測器主要包含BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大電路、高壓電源以及溫控器5部分。在測量現場長期運行過程中，分壓前置放大電路、高壓電源以及溫控器溫度控制的穩定性是影響探測器穩定正常工作的重要影響因素。BGO探測器組成如框圖1所示。

2.1 BGO晶體

BGO是一種純的本征晶體，分子式為Bi4Ge3O12，符號為BGO。BGO閃爍衰減時間為0.3us，最強發射波長480nm，與NaI（TI）相仿。BGO是不潮解的穩定晶體，因此不需要防潮解密封外包裝。BGO晶體閃爍衰減時間短，余暉小，化學性能穩定，機械強度好，而且阻止本領高，特別適合于高能γ輻射探測的場合。

2.2 光電倍增管與分壓器

2.2.1 光電倍增管

光電倍增管選用日本濱松公司生產的R877型光電倍增管，光譜響應范圍300nm～650nm，峰值響應為420nm，工作溫度范圍-30℃～50℃，工作高壓范圍0V～1500V，電流典型增益為4.2×105。

2.2.2 分壓器

為使光電倍增管工作，要在陰極（K）和陽極（P）之間加上500V～1500V左右的高電壓，同時供給光電倍增管倍增級不同的加速電極，加上各種電位的電壓是必須的。而隨著入射光通量增大，流過陽極及各倍增級的電流增大時，會引起分配給各倍增級的電壓有很大變化，導致各電極間電壓下降，這種現象在末極倍增級和陽極間最為顯著。這導致總的電子倍增率上升，而陽極電子收集率降低，產生飽和現象，影響光電倍增管輸出線性。為了取得最大輸出線性，我們一般從三個方面進行提升;一是提高分壓器電流，一般陽極輸出電流的實用最大值為分壓器電流的1/20～1/50，想要輸出線性必須保持在1%以內，則最大輸出必須控制在1/100以下;二是在最后幾級倍增極接上去耦電容，補充光電倍增管電荷，抑制末極倍增極和陽極的電壓下降，而大大改善輸出線性;三是改變分壓器最后數級以及前幾級電壓分配比，一般在電子密度高的最后2～4級采用比標準電壓分配高的電壓，使電極間有高的電荷強度克服空間電荷影響，一般采用從前級到后級極間電壓逐步升高的所謂“傾斜分壓器”回路，但這種設計必須注意光電倍增管極間的耐壓問題。原理圖如圖2所示：

2.3 前置放大器

核輻射測量中，探測器輸出的信號往往比較小，需要加以放大再進行測量，這就需要用到前置放大器。前置放大器的主要作用有兩種作用：一是提高系統的信噪比。在探測器與放大器連接處存在分布電容CS，而CS越小，則系統的信噪比越高，反之，信噪比越低。減小CS的一個主要措施就是將放大器盡量靠近探測器以減小連接導線造成的分布電容。前置放大器的體積小，緊靠探測器并與探測器構成一個整體（稱探頭），這樣就減小了CS，提高了信噪比;二是減小信號經電纜傳送時外界干擾的影響。前置放大器與探測器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制外界干擾。前置放大器輸出信號沿電纜傳送過程中受到干擾時，由于信號已經經過放大，干擾信號的影響相對減小。從噪聲和干擾對有用信號的影響來說，在一般情況下，干擾的影響總可降至次要地位。

在能譜測量系統中，前置放大器按輸出信號所保留的信息特點，大致可分為兩類，一類是積分型放大器，包含電壓靈敏前置放大器和電荷靈敏前置放大器;另一類是電流型放大器，亦即電流靈敏前置放大器。文章主要給出電流靈敏前置放大器的設計原理，如圖3所示。

電流靈敏前置放大器與其它類型相比，其優點是輸出信號波形與探測器輸出電流信號的波形保持一致。

2.4 溫度控制系統

在使用BGO探測器進行γ能譜測量時，受溫度影響，會導致熒光轉化效率不穩定，從而導致探測器分辨率的改變。因此，探測器需要在合適固定的溫度環境下工作。考慮到工業應用的可操作性，我們將使用溫度范圍控制在0℃～50℃。我們在此范圍內進行了一次實驗，找出我們需要的最佳工作溫度。下表為通過實驗得出的相關數據。

通過表1，我們可以發現，隨溫度升高，137Cs分辨率不斷變差，相同時間內137Cs的總計數也在不斷降低，因此，對于BGO晶體來說，一定范圍內溫度越低，其性能越好。考慮現場可操作性，我們選擇20℃為其工作溫度環境。該環境下，其性能指標滿足我們的需求，并且容易在現場惡劣的環境中實現。

2.5 高壓電源控制系統

高壓電源的輸出穩定性直接影響探測器信號脈沖輸出幅度，而脈沖輸出幅度的不穩定會導致道址的不斷偏移，影響探測器分辨率，因此我們選用的高壓電源穩定性很重要。另外，除了輸出穩定性，電源紋波干擾也是非常重要的一方面。由于探測器輸出信號脈沖幅度很小，若高壓電源紋波干擾過大，會導致探測器信號的信噪比下降，造成能量分辨率變差，從而影響整個分析儀裝置測量精度，影響現場生產。因此我們在選擇高壓電源時，要充分考慮各方面的要求。

2.6 137Cs分辨率測試

能量分辨率表征核輻射探測器分辨相近能量γ峰的本領，是探測器的一項重要指標。是我們了解探測器性能時最直觀的參數。如圖4所示，我們給出了BGO探測器137Cs的測試譜型，并計算出其分辨率。

如圖4所示，為BGO探測器137Cs的測試譜型，計算其分辨率為11.2%，完全滿足探測器設計指標。

3 總結

BGO探測器探測技術具有快速、穩定、精確、非接觸性測量的特點，非常適合于工業惡劣環境下的測量。論文給出了一種成熟的BGO探測器設計原理，已成功應用于多種工業在線分析儀等儀器。通過現場實際應用，證明其設計指標完全滿足生產需要，驗證了方案的可行性。

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項目：丹東市科技計劃項目（17106）

遼寧省“百千萬人才工程”資助項目（遼百千萬立項【2015】9號）

作者簡介：張偉（1980-），男，黑龍江密山人，本科，教授研究員級高級工程師，主要從事同位素在線檢測儀表的研發工作。