基于大面积复合闪烁体的α、β射线甄别电路设计

唐恭富，杜树标，李 进，姚 飞

(绵阳市维博电子有限责任公司，四川 绵阳 621000)

【机械制造与检测技术】

基于大面积复合闪烁体的α、β射线甄别电路设计

唐恭富，杜树标，李 进，姚 飞

(绵阳市维博电子有限责任公司，四川 绵阳 621000)

针对目前α、β放射性污染复合检测过程中存在的串扰严重、小脉冲无法可靠分辨等主要问题，设计了一种基于大面积复合闪烁体的α、β射线甄别电路，提出了幅度甄别与宽度甄别相结合的双重判别方法；试验结果表明：电路性能稳定，抗干扰强，α道对β道串道比在5%以内，探测效率约53%，β道对α道串道比小于0.5%，探测效率约为47%，有效地解决了串道比较高、探测效率低等问题。

复合探测；脉冲甄别；串道比；效率

随着核能的进一步开发利用以及人员物理保健意识的逐步提高，涉核场所对放射性污染检测设备性能提出了更高要求。为提高检测效率，避免重复探测，射线复合探测渐成快速发展趋势[1]，但目前α、β射线复合探测过程中存在串扰严重、探测效率不高等问题，主要是由于在探测过程中存在能量衰减，射线脉冲幅度小于理论值，形成的小脉冲信号无法准确分辨，致使α、β脉冲串道。因此，准确地甄别小脉冲信号是解决问题的关键，本文设计了一种基于大面积复合闪烁体的α、β脉冲甄别电路，有效地降低了串道比，提高了探测效率。

1 α、β射线探测方案设计

系统主要由复合闪烁体探头、电荷灵敏前置放大电路、主放大电路、高速脉冲甄别电路、高压电路、CAN总线通讯接口电路等模块组成。电路原理框图如图1。

图1 电路原理框图

高压电路为光电倍增管提供正常使用时所需的偏置电压，当探头检测到α、β射线时，将输出电荷脉冲，经前置放大电路和主放大电路放大整形后，再对信号进行脉冲幅度甄别和宽度甄别，根据α、β脉冲信号不同特征识别出α、β射线，最后通过CAN总线通讯接口输出单位时间内的α、β射线值。

2 硬件设计

2.1 大面积复合闪烁体探测器

目前，α射线探测一般采用ZnS(Ag)无机闪烁体探测器，β射线探测大多选用塑料闪烁体或有机液体闪烁体探测器，要实现α、β射线的同时探测可采用复合闪烁体探测器[2]。在薄片式塑料闪烁体表面覆盖ZnS(Ag)涂层，ZnS(Ag)发光光谱为400～600 nm,且只对α射线发光效率高，对β、γ及中子等射线不灵敏，薄片式塑料闪烁体能够探测β射线并充当ZnS(Ag)的光导，这样就保证了在探测β射线的同时实现对α射线的探测。

大面积复合闪烁体探测器主要由光收集箱、涂有ZnS(Ag)薄层的塑料闪烁体、铝膜、光电倍增管(PMT)等组成,其结构如图2所示。复合闪烁体探测器检测到α、β射线将发出荧光，光子通过光收集箱收集，通过光电倍增管放大和光电转换，产生相应的α、β电脉冲，然后采用脉冲甄别电路区分出α、β射线，进而实现对α、β射线的探测。

图2 探测器结构

2.2 电荷灵敏前置放大电路

采用多重反馈带通滤波器对信号进行电荷灵敏前置放大，将光电倍增管输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号，对信号进行滤波和脉冲展宽，其电路原理如图3所示。

图3 电荷灵敏前置放大器原理图

前置放大电路中，相对于V1，运算放大器起微分器的作用[3]，因而可得Vo= -sR2C2V1；在节点V1将电流相加，即得：

消除V1，并令s→jω整理可得：

为将函数表示成H(jω)=HOBPHBP(jω)的标准形式，令ω2R1R2C1C2=(ω/ω0)2从而得到：

再令jωR1(C1+C2)=(jω/ω0)/Q得到

根据塑料闪烁探头输出的α、β电荷脉冲宽度及幅值的要求，在该电路中参数ω0=0.973×107、Q=0.095，运算放大器选用输入偏置电流≤6 pA、开环增益≥100 dB、带宽≥100 Hz的AD8065单运算放大器。

2.3 主放大电路

主放大电路由同相放大器U1、跟随器U2、限幅二极管组成[4]，其电路原理如图4所示。

图4 主放大器电路原理图

同相放大器的放大倍数KA=1+R2/R1，C8为积分电容，滤去前置放大器输出纹波和噪声。

2.4 高压电路

高压电路由高压模块、D/A转换器及高压处理电路组成,输出电压为0～1 100 VDC,其电路原理如图5所示。

高压模块输出电压调节范围：0～1 100 VDC，纹波≤30 mV(峰-峰)，调节电压为0～2.5 V。D/A转换电路采用ADI公司生产的AD5320数模转换器，将数字信号转换成0～3.3 V的模拟信号，控制高压模块输出电压。高压处理电路对高压值进行采样和处理，用0～3.3 V电压对应0～1 100VDC高压值，将该信号输入到DSP AD端口进行模数转换，实时监控高压模块输出的高压值。AD5320是一款12位串行输入的数模转换器，串行数据通信率达30 MHz，微分非直线性最大±1LSB,相对最大±16LSB,转换时间：1 V/μs。

图5 高压电路原理图

2.5 信号整形及高速脉冲甄别

信号整形及高速脉冲甄别主要是在脉冲信号经前置放大、主放大后，对不同幅值信号分别进行整形，获得幅度较易测量的波形，对脉冲的幅度和宽度进行测量，采用幅度甄别和宽度甄别的双重判别准则，准确地甄别出α、β射线。

信号整形和脉冲甄别电路以TMS32028069DSP处理器作为核心部件，该DSP芯片主频99 MHz，片内资源丰富，包含16通道模拟输入高速12位A/D转换器、3个高速比较器、3个32位的CPU定时器、3个高分辨脉冲宽度捕捉模块、2个32位的脉冲计数模块、异同步串行外设接口和CAN总线接口等资源，电路原理如图6所示。

图6 DSP电路原理简图

通过调节比较器的阈值获得不同幅度的脉冲，脉冲的上升沿将高速脉冲捕捉计数器清零，并开始输入时钟周期，脉冲的下降沿停止高速脉冲捕捉计数器计数并产生中断，该脉冲宽度Tw=(捕捉计数器值+1)×8.33 ns,高速脉冲捕捉时序如图7所示。

图7 高速脉冲捕捉时序图

3 软件设计

3.1 软件流程

软件设计主要包括系统初始化、比较器阈值调节、高压电压值控制、脉冲捕捉中断处理、脉冲宽度计算、脉冲幅度甄别、区分α、β、CAN数据通讯接口等模块。

模块上电后，首先主程序对DSP系统初始化，配置AD转换功能块、比较器功能块、高速脉冲捕捉功能块、SPI通讯功能块、I/O功能块、CAN通讯功能块。模块配置完后，主程序完成模块的参数设置及单位时间内检测到的α、β计数值并通过CAN总线输出。高速脉冲捕捉中断程序完成脉冲宽度计算，脉冲幅度甄别，区分α、β射线，软件流程如图8、图9所示。

图8 主程序工作流程 图9 中断子工作流程

3.2 高压控制与实现

AD5320数模转换器数据接口是16位串行数据接口，器件有一个数据控制口(SYNC)，数据输入口(DIN),时钟输入口(CLK),器件完成一次转换需要16个时钟周期，数据控制口、数据输入、时钟用软件通过I/O接口产生[5]。DSP控制AD5320的转换时序如图10所示。当需要输出高压为Vg时，所需输出的数据SDda为

将DSP AD转换模块配置成定时器2中断触发，每秒AD转换一次，得到转换值SDda,检测到的高压值为

在定时器2中断程序进行高压输出控制，保证高压输出在要求的范围内。

图10 AD5320 转换时序

3.3 比较器阈值调节

信号整形采用比较器来实现[6-8]，调节比较器的阈值可得到不同幅度信号的脉宽。比较器的阈值必须满足：比较器1 <比较器2 <比较器3。比较器的阈值分辨为10位DA,输出电压为

其中：V为DA输出电压，即比较器阈值；Ldacval为DA输入值。

3.4 数据通信

模块有CAN总线接口，CAN总线满足2.0B协议，通讯速率为500 kbit/s,通过CAN总线接收模块设置参数，定时或查询输出单位时间内α、β计数值。

4 测试结果及分析

利用241Am(α标准源)和90Sr-90Y(β标准源)进行了实验测量(源与探测器的距离5 mm)，结果见表1，表2。其中串道比和探测效率计算方法如下：

1) α射线对β道串道比计算方法：

其中：n为β道内计数平均值；n为α道内计数平均值。

2) β射线对α道串道比计算方法：

3) 探测效率计算方法：

其中：n1，avg为标准源测量计数平均值，nb，avg为本底计数平均值，ns为标准源表面发射率的约定真值。

从表1、表2可知，α探测效率大47%，α道对β道串道比小于5%，β探测效率大于53%，β道对α道串道比小于1%。

表1 α标准源实验测试数据

表2 β标准源测试数据

5 结束语

本文设计的前置放大、主放大以及脉冲幅度、宽度测量电路，采用脉冲幅度和宽度综合判断法，可实现低串道比条件下α、β表面污染的大面积探测。利用90Sr-90Y和241Am标准源试验结果显示：性能稳定，抗干扰强，α道对β道串道比在5%以内，探测效率约53%，β道对α道串道比小于0.5%，探测效率约为47%。

[1] 杜树标,蒋韦韦,丁泮.核环境机器人发展现状及关键技术分析[J].兵器装备工程学报,2016,37(5):93-94.

[2] 李文强,杨裔剑侠,杨录,候磊.高计数率α、β粒子辐射检测方法研究与实现[J].仪器仪表学报,2013,34(2):311-312.

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

[4] 冯延强，徐健，王玮.基于复合闪烁体实现α、β射线的高效探测[J].铀矿地质,2015,31(3):408-410.

[5] 邓智,康克军,程建军.低噪声CMOS电荷灵敏前置放大器[J].清华大学学报,2005,45(12):1644-1645.

[6] 苏弘，董成富，彭宇.一种新型电荷灵敏前置放大器和成形峰保持混合电路[J].核电子学与探测技术,2007,27(6):1005-1006.

[7] 杨裔剑侠.α、β粒子辐射检测技术的研究与系统实现[D].太原:中北大学,2014.

[8] 王曦，曾志，龙斌.利用薄板塑闪测量水中总β放射性[J].核电子学与探测技术,2014,34(1):107-108.

(责任编辑 唐定国)

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，工程师，主要从事硬件电路设计及检测技术研究。

10.11809/scbgxb2017.02.029

唐恭富，杜树标，李进，等.基于大面积复合闪烁体的α、β射线甄别电路设计[J].兵器装备工程学报，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