姚 飛，任 永，杜樹標，甘 霖，曹 舟

(綿陽市維博電子有限責任公司，四川 綿陽 621000)

【光學工程與電子技術】

基于復合式閃爍體的x、γ劑量率測量電路設計

姚 飛，任 永，杜樹標，甘 霖，曹 舟

(綿陽市維博電子有限責任公司，四川 綿陽 621000)

設計了一種基于復合閃爍體的x、γ射線劑量率測量電路，通過采用穩(wěn)壓管分壓電路方法及切換量程方法，提升穩(wěn)定性、減小非線性偏差；試驗結果表明：電路性能穩(wěn)定，線性度優(yōu)異；在環(huán)境本底下，-10～40℃內(nèi)，偏差小于10%；1.6～2 000 usv/h量程內(nèi)，非線性偏差小于±4%。

復合探測；劑量率；穩(wěn)定性；線性偏離

環(huán)境級劑量率監(jiān)測儀是放射性場所必備設備，可有效檢測放射性沾污水平。由于其極高的靈敏度，環(huán)境級別的弱放射性發(fā)生泄漏時也可立刻感知，保證了工作人員健康安全。但目前環(huán)境級劑量率監(jiān)測儀在探測過程中存在環(huán)境本底下穩(wěn)定性差、高劑量率下線性偏離大等問題，主要是由于本底下探頭輸出信號較小，易受探測器及電路本身直流偏移量影響；高劑量率下，探頭輸出信號過大，導致探頭的高壓偏置失真，致使輸出信號非線性過大。因此，減小探頭、電路直流偏移量及提高穩(wěn)定性，減小大信號下高壓偏置失真，是解決問題的關鍵，本文設計了一種基于復合式閃爍體的x、γ劑量率測量電路，有效地提高測量穩(wěn)定性，提高了線性度。

1 x、γ劑量率測量方案設計

系統(tǒng)主要由復合式探頭、電流靈敏型前置放大電路、濾波成型電路、C8051F350單片機(內(nèi)含24位AD)、高壓電路、分壓電路、RS232總線通訊接口電路等模塊組成。

高壓分壓電路為光電倍增管提供正常使用時所需的偏置電壓，當探頭檢測到射線時，將輸出電流脈沖，經(jīng)電流靈敏型前置放大器轉化為電壓信號，并積分濾波，然后濾波成形，再對信號進行AD轉換，單片機根據(jù)采集到電壓大小，通過軟件程序計算出劑量值,最后通過RS232總線通訊接口輸出。

2 硬件設計

2.1 復合式探測器

探測器主要由NaI晶體、涂ZnS的塑料閃爍體、光電倍增管、聚四氟乙烯封裝、分壓底座等組成,其結構如圖1所示。探測器將x、γ射線轉換成熒光，ZnS(Ag)充當反光層，光子通過錐形閃爍體收集，通過光電倍增管光電轉換和放大，產(chǎn)生相應的電流脈沖，然后采用電流積分電路對信號轉換采集并處理，實現(xiàn)對x、γ射線劑量率的測量[1-2]。

2.2 高壓分壓電路

分壓電路為PMT提供工作電壓，電壓的穩(wěn)定性直接決定探測器輸出信號的精度。本設計采用錐形分壓，比均分壓其線性范圍高出5倍。同時第1級與最后2級采用穩(wěn)壓管，保證偏置電壓的穩(wěn)定性。從本底到最高劑量率，PMT輸出電流變化范圍1 nA～30 μA，本設計分壓電路靜態(tài)工作點設置為50 μA。

圖2是分壓電路靜態(tài)電流50 μA時，2種分壓電路的線性度。曲線①是常規(guī)電阻分壓電路，大電流下線性度；曲線②是穩(wěn)壓管分壓電路，大電流下線性度?？梢钥闯龇€(wěn)壓管分壓電路全測量范圍內(nèi)非線性失真小于5%[3]。

2.3 高壓監(jiān)測電路

高壓電路由高壓模塊、AD采集轉換電路及高壓處理電路組成,輸出電壓為0～-1 000VDC,其電路原理如圖3所示。

高壓模塊采用海聲星光生產(chǎn)的HSN3-122高壓模塊，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：0～-1 000VDC，紋波系數(shù)小于0.005%，調(diào)節(jié)電阻為0～10 k。高壓處理電路對高壓值進行處理和采樣，由于AD無法采樣負電壓，需采用反向放大器，將0～-1 000 V轉換為0～2.1 V，C22用于平滑高壓輸出紋波。

(1)

Vo為反向反放大器輸出電壓，HV為高壓模塊輸出電壓。將Vo輸入到C8051F350的AD端口進行模數(shù)轉換，實時監(jiān)控高壓模塊輸出的高壓值。

圖2 2種分壓電路大電流下非線性失真

2.4 電流靈敏前置放大電路

采用電流靈敏型前置放大器，將光電倍增管輸出的電流脈沖信號轉換成電壓脈沖信號，對信號進行脈沖疊加，最后輸出緩慢變化的直流信號。二極管D1用于運放輸入端保護。U6為模擬開關，用于切換量程，當輸入信號較大時，軟件控制模擬開關閉合，切換反饋電阻實現(xiàn)100倍量程切換。其電路原理如圖4所示。

圖3 高壓電路原理圖

圖4 電流靈敏前置放大器原理圖

前放的傳遞公式Vout=Iin*R1，C1為積分電容，用于電流脈沖積分為平均電流[4-5]。

運放的選擇：根據(jù)探頭輸出信號范圍300 pA～30 μA，為滿足最小量程穩(wěn)定性要求，運放輸入端偏置電流變化應小于30 pA，所運放的失調(diào)電流應小于30 pA。運算放大器選用OPA333，輸入失調(diào)電流≤1 pA、失調(diào)電壓30 μV。

2.5 信號整形及AD采樣

信號整形主要是在脈沖信號經(jīng)前置放大后，對快速變化的信號進行平滑整形，同時提高抗干擾性，獲得幅度較易測量的波形。

AD轉換采用C8051F350處理器集成的24位∑ΔAD轉換器，AD內(nèi)包括緩沖器、可變增益放大器、輸出濾波器、電壓基準。

A/D轉換模塊的精度直接影響整個系統(tǒng)精度，所以通過合理設計采樣電路、設定轉換速率及輸出濾波器，使ADC0具有高轉換精度。

電路設計上，數(shù)字地與模擬地分開，采用磁珠單點連接；測量信號經(jīng)過低通濾波電路；

AD模塊配置上，設置為單端采集，AD轉化頻率10 kHz，開啟緩沖器，VGA設置為1x，抽取比設置為最大1 920，實現(xiàn)較高的有效轉換位數(shù)。

輸入信號范圍300 pA～30 μA，5個量級，由于采用100x量程切換，當輸入信號超過300 nA時，前置放大器中模擬開關閉合，信號轉換靈敏度縮小100倍，即AD采樣只需10位，可以覆蓋整個量程，而采樣轉換電路有效范圍高達17.28位，滿足要求。

2.6 數(shù)據(jù)通信

模塊有UART接口，采用RS232通訊，通訊速率為1 920 bit/s,通過串口接收模塊設置參數(shù)，定時或查詢輸出x、γ劑量率。

3 試驗測試結果及分析

設備在環(huán)境實驗室及計量站的標準輻射場中分別測試本底下穩(wěn)定性及全量程的線性度，結果見圖5，圖6。為了如實反映測量電路特性，測量值以AD采樣值表示。

圖5 本底實驗測試數(shù)據(jù)

圖6 劑量率測試數(shù)據(jù)

用溫濕度箱模擬不同環(huán)境對探測器的影響。由于本設計采用低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流前置放大和低暗電流PMT，溫度影響較小。

(2)

X為相對偏差，VT為不同溫度下測量值，V20°為20°下測量值。由表1可見，-10～40℃范圍內(nèi)偏差小于10%。

將儀表置于輻射場中，通過設置Cs137源的不同劑量值，測試儀表的線性度。實驗結果如圖6 300 usv/h以上測試值，由于切換量程，以等效電壓值表示。

圖6中，真值(D′)和測量值(V)用最小二乘法擬合出線性表達式：

D=16.023 9*V+2.493 8

(3)

D為計算值，V為測量值。

將測量值V代入式(3)，計算出D，然后得到D與D′的相對誤差X:

(4)

從計算結果表1可以看出在1.6～2 000usv/h，相對誤差小于±4%。

表1 劑量率測試數(shù)據(jù)

4 結束語

目前行業(yè)普遍使用基于脈沖計數(shù)法測量電路的儀表，在本底下，-10～40℃內(nèi)，偏差小于15%；線性刻度偏差小于±5%,量程最大到100 usv/h。而本文設計的電路，本底下，-10～40℃內(nèi)，偏差小于10%；線性刻度偏差小于±4%，量程可達2 000 usv/h。說明本測量電路在寬溫度范圍具有良好的穩(wěn)定性、在寬量程范圍具有更優(yōu)的線性度。

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

[2] SERGIO F.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits[M].3rdEdition.American，McGraw-Hill Companies,2010.

[3] 北京濱松光子技術股份有限公司.光電倍增管簡介及使用特性[EB/OL].http://www.bhphoton.com.2005.

[4] 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(自然科學版),2005,45(12):1644-1645.

[5] 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.

[6] 王晉榮,劉良芳,譚思亮,等.元器件研究所工藝裝備管理模式探究[J].重慶工商大學學報(自然科學版),2015,32(1):59-63.

(責任編輯 楊繼森)

Design of x、γ Dose Rate Measurement Circuit for Composite Scintillator

YAO Fei, REN Yong, DU Shu-biao, GAN Lin, CAO Zhou

(Mianyang Weibo Electronics Co., Ltd., Mianyang 612000, China)

A new x and γ dose rate measurement circuit for composite scintillator was designed. In the circuit, the auther used the method of diode voltage divider and switching range to improve the stability and reduce the nonlinear error. The test results show that the circuit performance is stable and the linearity is excellent. Under the background radiation, the deviation is less than 10% in the temperature range of -10～40℃, and the non-linear is less than ±4% in the measuring range of 1.6～2 000 usv/h.

compound detection; dose rate; stability; linear deviation

2016-10-27；

2016-11-25 作者簡介：姚飛(1984—)，男，工程師，主要從事電路設計及檢測技術研究。

10.11809/scbgxb2017.03.036

姚飛，任永，杜樹標，等.基于復合式閃爍體的x、γ劑量率測量電路設計[J].兵器裝備工程學報，2017(3):160-163.

format:YAO Fei, REN Yong, DU Shu-biao, et al.Design of x、γ Dose Rate Measurement Circuit for Composite Scintillator[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):160-163.

TL81

A

2096-2304(2017)03-0160-04