基于大面積復(fù)合閃爍體的α、β射線(xiàn)甄別電路設(shè)計(jì)

唐恭富，杜樹(shù)標(biāo)，李 進(jìn)，姚 飛

(綿陽(yáng)市維博電子有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

基于大面積復(fù)合閃爍體的α、β射線(xiàn)甄別電路設(shè)計(jì)

唐恭富，杜樹(shù)標(biāo)，李 進(jìn)，姚 飛

(綿陽(yáng)市維博電子有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

針對(duì)目前α、β放射性污染復(fù)合檢測(cè)過(guò)程中存在的串?dāng)_嚴(yán)重、小脈沖無(wú)法可靠分辨等主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于大面積復(fù)合閃爍體的α、β射線(xiàn)甄別電路，提出了幅度甄別與寬度甄別相結(jié)合的雙重判別方法；試驗(yàn)結(jié)果表明：電路性能穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)，α道對(duì)β道串道比在5%以?xún)?nèi)，探測(cè)效率約53%，β道對(duì)α道串道比小于0.5%，探測(cè)效率約為47%，有效地解決了串道比較高、探測(cè)效率低等問(wèn)題。

復(fù)合探測(cè)；脈沖甄別；串道比；效率

隨著核能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用以及人員物理保健意識(shí)的逐步提高，涉核場(chǎng)所對(duì)放射性污染檢測(cè)設(shè)備性能提出了更高要求。為提高檢測(cè)效率，避免重復(fù)探測(cè)，射線(xiàn)復(fù)合探測(cè)漸成快速發(fā)展趨勢(shì)[1]，但目前α、β射線(xiàn)復(fù)合探測(cè)過(guò)程中存在串?dāng)_嚴(yán)重、探測(cè)效率不高等問(wèn)題，主要是由于在探測(cè)過(guò)程中存在能量衰減，射線(xiàn)脈沖幅度小于理論值，形成的小脈沖信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確分辨，致使α、β脈沖串道。因此，準(zhǔn)確地甄別小脈沖信號(hào)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，本文設(shè)計(jì)了一種基于大面積復(fù)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(cè)效率。

1 α、β射線(xiàn)探測(cè)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由復(fù)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(xiàn)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(shí)所需的偏置電壓，當(dāng)探頭檢測(cè)到α、β射線(xiàn)時(shí)，將輸出電荷脈沖，經(jīng)前置放大電路和主放大電路放大整形后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈沖幅度甄別和寬度甄別，根據(jù)α、β脈沖信號(hào)不同特征識(shí)別出α、β射線(xiàn)，最后通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊接口輸出單位時(shí)間內(nèi)的α、β射線(xiàn)值。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 大面積復(fù)合閃爍體探測(cè)器

目前，α射線(xiàn)探測(cè)一般采用ZnS(Ag)無(wú)機(jī)閃爍體探測(cè)器，β射線(xiàn)探測(cè)大多選用塑料閃爍體或有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器，要實(shí)現(xiàn)α、β射線(xiàn)的同時(shí)探測(cè)可采用復(fù)合閃爍體探測(cè)器[2]。在薄片式塑料閃爍體表面覆蓋ZnS(Ag)涂層，ZnS(Ag)發(fā)光光譜為400～600 nm,且只對(duì)α射線(xiàn)發(fā)光效率高，對(duì)β、γ及中子等射線(xiàn)不靈敏，薄片式塑料閃爍體能夠探測(cè)β射線(xiàn)并充當(dāng)ZnS(Ag)的光導(dǎo)，這樣就保證了在探測(cè)β射線(xiàn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)α射線(xiàn)的探測(cè)。

大面積復(fù)合閃爍體探測(cè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。復(fù)合閃爍體探測(cè)器檢測(cè)到α、β射線(xiàn)將發(fā)出熒光，光子通過(guò)光收集箱收集，通過(guò)光電倍增管放大和光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的α、β電脈沖，然后采用脈沖甄別電路區(qū)分出α、β射線(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)α、β射線(xiàn)的探測(cè)。

圖2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)

2.2 電荷靈敏前置放大電路

采用多重反饋帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行電荷靈敏前置放大，將光電倍增管輸出的電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)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(duì)于V1，運(yùn)算放大器起微分器的作用[3]，因而可得Vo= -sR2C2V1；在節(jié)點(diǎn)V1將電流相加，即得：

消除V1，并令s→jω整理可得：

為將函數(shù)表示成H(jω)=HOBPHBP(jω)的標(biāo)準(zhǔn)形式，令ω2R1R2C1C2=(ω/ω0)2從而得到：

再令jωR1(C1+C2)=(jω/ω0)/Q得到

根據(jù)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(shù)ω0=0.973×107、Q=0.095，運(yùn)算放大器選用輸入偏置電流≤6 pA、開(kāi)環(huán)增益≥100 dB、帶寬≥100 Hz的AD8065單運(yùn)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(shù)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)范圍：0～1 100 VDC，紋波≤30 mV(峰-峰)，調(diào)節(jié)電壓為0～2.5 V。D/A轉(zhuǎn)換電路采用ADI公司生產(chǎn)的AD5320數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～3.3 V的模擬信號(hào)，控制高壓模塊輸出電壓。高壓處理電路對(duì)高壓值進(jìn)行采樣和處理，用0～3.3 V電壓對(duì)應(yīng)0～1 100VDC高壓值，將該信號(hào)輸入到DSP AD端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓模塊輸出的高壓值。AD5320是一款12位串行輸入的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，串行數(shù)據(jù)通信率達(dá)30 MHz，微分非直線(xiàn)性最大±1LSB,相對(duì)最大±16LSB,轉(zhuǎn)換時(shí)間：1 V/μs。

圖5 高壓電路原理圖

2.5 信號(hào)整形及高速脈沖甄別

信號(hào)整形及高速脈沖甄別主要是在脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大、主放大后，對(duì)不同幅值信號(hào)分別進(jìn)行整形，獲得幅度較易測(cè)量的波形，對(duì)脈沖的幅度和寬度進(jìn)行測(cè)量，采用幅度甄別和寬度甄別的雙重判別準(zhǔn)則，準(zhǔn)確地甄別出α、β射線(xiàn)。

信號(hào)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(nèi)資源豐富，包含16通道模擬輸入高速12位A/D轉(zhuǎn)換器、3個(gè)高速比較器、3個(gè)32位的CPU定時(shí)器、3個(gè)高分辨脈沖寬度捕捉模塊、2個(gè)32位的脈沖計(jì)數(shù)模塊、異同步串行外設(shè)接口和CAN總線(xiàn)接口等資源，電路原理如圖6所示。

圖6 DSP電路原理簡(jiǎn)圖

通過(guò)調(diào)節(jié)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(jì)數(shù)器清零，并開(kāi)始輸入時(shí)鐘周期，脈沖的下降沿停止高速脈沖捕捉計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并產(chǎn)生中斷，該脈沖寬度Tw=(捕捉計(jì)數(shù)器值+1)×8.33 ns,高速脈沖捕捉時(shí)序如圖7所示。

圖7 高速脈沖捕捉時(shí)序圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、比較器閾值調(diào)節(jié)、高壓電壓值控制、脈沖捕捉中斷處理、脈沖寬度計(jì)算、脈沖幅度甄別、區(qū)分α、β、CAN數(shù)據(jù)通訊接口等模塊。

模塊上電后，首先主程序?qū)SP系統(tǒng)初始化，配置AD轉(zhuǎn)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(shù)設(shè)置及單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的α、β計(jì)數(shù)值并通過(guò)CAN總線(xiàn)輸出。高速脈沖捕捉中斷程序完成脈沖寬度計(jì)算，脈沖幅度甄別，區(qū)分α、β射線(xiàn)，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(shí)現(xiàn)

AD5320數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)接口是16位串行數(shù)據(jù)接口，器件有一個(gè)數(shù)據(jù)控制口(SYNC)，數(shù)據(jù)輸入口(DIN),時(shí)鐘輸入口(CLK),器件完成一次轉(zhuǎn)換需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)控制口、數(shù)據(jù)輸入、時(shí)鐘用軟件通過(guò)I/O接口產(chǎn)生[5]。DSP控制AD5320的轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖10所示。當(dāng)需要輸出高壓為Vg時(shí)，所需輸出的數(shù)據(jù)SDda為

將DSP AD轉(zhuǎn)換模塊配置成定時(shí)器2中斷觸發(fā)，每秒AD轉(zhuǎn)換一次，得到轉(zhuǎn)換值SDda,檢測(cè)到的高壓值為

在定時(shí)器2中斷程序進(jìn)行高壓輸出控制，保證高壓輸出在要求的范圍內(nèi)。

圖10 AD5320 轉(zhuǎn)換時(shí)序

3.3 比較器閾值調(diào)節(jié)

信號(hào)整形采用比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)[6-8]，調(diào)節(jié)比較器的閾值可得到不同幅度信號(hào)的脈寬。比較器的閾值必須滿(mǎn)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(shù)據(jù)通信

模塊有CAN總線(xiàn)接口，CAN總線(xiàn)滿(mǎn)足2.0B協(xié)議，通訊速率為500 kbit/s,通過(guò)CAN總線(xiàn)接收模塊設(shè)置參數(shù)，定時(shí)或查詢(xún)輸出單位時(shí)間內(nèi)α、β計(jì)數(shù)值。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

利用241Am(α標(biāo)準(zhǔn)源)和90Sr-90Y(β標(biāo)準(zhǔn)源)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量(源與探測(cè)器的距離5 mm)，結(jié)果見(jiàn)表1，表2。其中串道比和探測(cè)效率計(jì)算方法如下：

1) α射線(xiàn)對(duì)β道串道比計(jì)算方法：

其中：n為β道內(nèi)計(jì)數(shù)平均值；n為α道內(nèi)計(jì)數(shù)平均值。

2) β射線(xiàn)對(duì)α道串道比計(jì)算方法：

3) 探測(cè)效率計(jì)算方法：

其中：n1，avg為標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)量計(jì)數(shù)平均值，nb，avg為本底計(jì)數(shù)平均值，ns為標(biāo)準(zhǔn)源表面發(fā)射率的約定真值。

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

表1 α標(biāo)準(zhǔn)源實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 β標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的前置放大、主放大以及脈沖幅度、寬度測(cè)量電路，采用脈沖幅度和寬度綜合判斷法，可實(shí)現(xiàn)低串道比條件下α、β表面污染的大面積探測(cè)。利用90Sr-90Y和241Am標(biāo)準(zhǔn)源試驗(yàn)結(jié)果顯示：性能穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)，α道對(duì)β道串道比在5%以?xún)?nèi)，探測(cè)效率約53%，β道對(duì)α道串道比小于0.5%，探測(cè)效率約為47%。

[1] 杜樹(shù)標(biāo),蔣韋韋,丁泮.核環(huán)境機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016,37(5):93-94.

[2] 李文強(qiáng),楊裔劍俠,楊錄,候磊.高計(jì)數(shù)率α、β粒子輻射檢測(cè)方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(2):311-312.

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

[4] 馮延強(qiáng)，徐健，王瑋.基于復(fù)合閃爍體實(shí)現(xiàn)α、β射線(xiàn)的高效探測(cè)[J].鈾礦地質(zhì),2015,31(3):408-410.

[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(xué)學(xué)報(bào),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(xué)與探測(cè)技術(shù),2007,27(6):1005-1006.

[7] 楊裔劍俠.α、β粒子輻射檢測(cè)技術(shù)的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].太原:中北大學(xué),2014.

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

(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

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(shè)計(jì)及檢測(cè)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.02.029

唐恭富，杜樹(shù)標(biāo)，李進(jìn)，等.基于大面積復(fù)合閃爍體的α、β射線(xiàn)甄別電路設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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