α/β探头适配电路设计及性能研究

刘毅，卢威骅，李元东

摘 要：α/β探头适配电路是α/β粒子测量系统的核心部分，直接影响系统对α粒子和β粒子的活度测量性能。文章针对α/β粒子测量系统设计了α/β探头适配电路，包括整形滤波电路、积分电路、甄别电路。为研究该适配电路性能，测试了整形滤波、积分及甄别电路输出波形。实验表明，该适配电路性能优异，可将探头输出的模拟信号转换为数字信号，实现对α粒子和β粒子的计数。

关键词：α/β粒子测量系统；α/β探头适配电路；甄别电路；输出波形

中图分类号：TL814 文献标志码：A 文章编号：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粒子与β粒子具有穿透能力较弱和电离能力较强的特点，对体内组织破坏能力较大，严重威胁着人体健康。在加强核安全监管的大力推动下，实现高效准确地测量物体表面和环境α粒子和β粒子具有重要意义。而作为核设施监测、核事故应急事件监测和环境放射性污染调查与评价等领域中的重要技术支撑——α/β粒子测量系统已成为研究热点[1]。

在α/β粒子测量系统中，α/β探头适配电路直接影响着系统对α粒子和β粒子的活度测量性能，是系统核心部分。本文针对α/β粒子测量系统设计了α/β探头适配电路，包括整形滤波电路、积分电路、甄别电路、偏压电源，并测试了适配电路各项性能指标，力求为新型α/β粒子测量系统的先导性研发提供进一步参考。

1 探头适配电路设计

1.1 整形滤波电路设计

为提高α/β探头的时间分辨能力，本文设计整形滤波电路以减小输出信号脉冲宽度，避免粒子活度较高时导致脉冲堆积现象的发生，影响测量数据的准确性，整形滤波电路原理见图1。输出信号首先经过CR微分电路整形后，减小了脉冲宽度，再经过有源带通滤波器组成的滤波电路，进一步降低了噪声。CR微分整形电路中，C1=1nF，R1=1kΩ，时间常数τ=R1×C1=1μs；滤波电路以AD8065型运算放大器为核心，通频带为1kHz～5MHz，电路增益为10，根据低通频率fL=1/2π×R2×C2，高通频率fH=1/2π×R3×C3，增益Av=1+R3/R2，可知R2=340Ω，C2=470nF，R3=3.2kΩ，C3=10pF。

1.2 积分电路设计

由于α射线和β射线的部分能谱重合，在测量α、β粒子活度时难免发生串道现象，影响探测数据的准确性。为减弱串道现象的影响，本文设计了积分电路，原理见图2。

1.3 甄别电路设计

信号经积分电路后可采用脉冲幅度甄别的方式将α粒子和β粒子脉冲区分开来。为阐述本文设计的甄别电路，首先介绍单道脉冲幅度分析器原理。单道脉冲幅度分析器是对信号幅度信息进行甄别的装置，其作用是：当且仅当输入信号脉冲幅度介于给定的电压范围VL-VU才输出信号脉冲（如图3）。上阈VU与下阈VL之差为道宽，以H表示。

单道脉冲幅度分析器由两个脉冲幅度甄别（上甄别器和下甄别器）和逻辑电路构成。上、下甄别器的甄别阈分别等于单道分析器的上阈VU和下閾VL，其输出信号由逻辑电路控制。如图4所示，只有上甄别器不被触发，下甄别器的输出信号才能通过与门G2输出。

所有输入信号可按其幅度VI的大小分为三类：大于上阈、小于下阈以及介于上下阈之间。对于单道分析器而言，当且仅当第三类信号输入时才有输出信号。但考虑到输入信号具有上升时间和下降时间，导致电路在时序上存在逻辑问题。由于上阈比下阈高，下甄别器的输出信号比上甄别器的输出信号出现得早而结束得晚，上甄别器的输出信号并不能完全禁止下甄别器的信号输出。在输入信号的前后沿会输出假信号，造成逻辑上的错误，如图5所示。

为解决上述问题，可将下甄别器的输出延迟，同时将上甄别器的输出展宽（如图6所示），则输入信号幅度超过上阈时，后者可“盖住”前者，电路不产生输出信号。

根据上述原理分析，本文设计的单道脉冲幅度甄别器原理图如图7所示。

上甄別器DU和下甄别器DL的参考电压分别由低阻输出的运算放大器AU和AL提供。AU的输入端同时加有下阈电位VL和道宽电压H，AU输出电压为VU=VL+H，AL输出电压为VL。VL和VH的调节范围可以分别独立调节。由于调节VL和H的电位器阻值远小于R，两电位器的度盘读数和电压VL、H之间有良好的线性。电位器RV1和RV2作用是校正下阈和道宽度盘刻度。反馈电路有隔直流电容，避免了VU和VL对甄别阈的影响。该单道各级输入输出如图8所示。

根据以上分析，本文设计的甄别电路由上述两个单道组成，经适当调节上下阈和道宽等电路参数，即可实现对α粒子和β粒子的甄别，其中具体参数设置将在探头适配电路测试中阐述。

2 性能测试

探头适配电路包括整形滤波电路、积分电路、甄别电路等。根据环境α、β粒子的输出波形，在整形滤波电路中将整形滤波电路时间常数设置为8μs；在甄别电路中将两个单道上下阈分别设置为0.2V～0.4V、10mV～100mV，分别测量α粒子和β粒子。现将三者连接并对其进行测试，波形见图9。

图9（a）为α和β粒子的输出信号经整形滤波电路后的输出信号，可见信号经整形后减小了脉冲宽度，且经滤波处理后进一步降低了噪声。图9（b）为甄别电路的输出信号，可测得被测物体表面α和β粒子活度，实现对α和β粒子的有效测量。

3 结束语

本文介绍了α/β探头适配电路的设计，包括整形滤波电路、积分电路、甄别电路，并测试了适配电路输出响应。实验结果表明，适配电路性能优异，可有效地将探头输出的模拟信号转换为数字信号，有望广泛应用于α/β粒子测量系统。

参考文献：

[1]李元东，葛良全，王彦瑜，等.便携式γ能谱仪闪烁探头改进设计及性能研究[J].原子能科学技术，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.