工业在线分析仪中BGO探测器的设计

张伟 吕怀振

摘 要：文章介绍了一种在工业在线分析仪中BGO探测器的应用，并给出了相关应用条件以及部分周围电路的设计原理。工业在线分析仪在生产工艺控制、检测等各方面具有重要意义，实时分析主要产品参数和工业指标，具有分析时间短，分析精度高等特点。因此，设计一款满足现场生产需求的BGO探测器是非常有必要的。探测器主要包含BGO晶体、光电倍增管、分压前置放大器、高压模块以及温控器五部分。其中BGO晶体、光电倍增管、分压前置放大器为探测器的主体设计部分，整套装置放置于密闭的金属筒内，使其具有很好的抗干扰及磁场能力。高压模块以及温控器为外围电路设计，满足探测器的应用环境要求，保证其在最佳性能条件下工作。

关键词：BGO探测器;在线分析仪;电路设计

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

1 引言

BGO晶体具有良好的光学性能，由于其优良特点，已广泛应用于核工业、核医学、测井等领域;使用它测试γ射线时，由于温度对其影响很大，使其在不同温度时能量分辨率是不相同的，同时其发光效率是随温度变化不断变化的，导致相对脉冲幅度发生变化，峰位飘移，从而影响仪器测量精度，因此BGO探测器须在稳定合适温度下工作;另外，探测器的高压电源也是影响其性能的重要因素，高压电源输出的稳定性直接影响其脉冲输出幅度，而脉冲幅度不稳定会影响仪器能量分辨率，因此高压电源稳定性是非常重要的。

2 BGO探测器设计组成

BGO探测器主要包含BGO晶体、光电倍增管、分压前置放大电路、高压电源以及温控器5部分。在测量现场长期运行过程中，分压前置放大电路、高压电源以及温控器温度控制的稳定性是影响探测器稳定正常工作的重要影响因素。BGO探测器组成如框图1所示。

2.1 BGO晶体

BGO是一种纯的本征晶体，分子式为Bi4Ge3O12，符号为BGO。BGO闪烁衰减时间为0.3us，最强发射波长480nm，与NaI（TI）相仿。BGO是不潮解的稳定晶体，因此不需要防潮解密封外包装。BGO晶体闪烁衰减时间短，余晖小，化学性能稳定，机械强度好，而且阻止本领高，特别适合于高能γ辐射探测的场合。

2.2 光电倍增管与分压器

2.2.1 光电倍增管

光电倍增管选用日本滨松公司生产的R877型光电倍增管，光谱响应范围300nm～650nm，峰值响应为420nm，工作温度范围-30℃～50℃，工作高压范围0V～1500V，电流典型增益为4.2×105。

2.2.2 分压器

为使光电倍增管工作，要在阴极（K）和阳极（P）之间加上500V～1500V左右的高电压，同时供给光电倍增管倍增级不同的加速电极，加上各种电位的电压是必须的。而随着入射光通量增大，流过阳极及各倍增级的电流增大时，会引起分配给各倍增级的电压有很大变化，导致各电极间电压下降，这种现象在末极倍增级和阳极间最为显著。这导致总的电子倍增率上升，而阳极电子收集率降低，产生饱和现象，影响光电倍增管输出线性。为了取得最大输出线性，我们一般从三个方面进行提升;一是提高分压器电流，一般阳极输出电流的实用最大值为分压器电流的1/20～1/50，想要输出线性必须保持在1%以内，则最大输出必须控制在1/100以下;二是在最后几级倍增极接上去耦电容，补充光电倍增管电荷，抑制末极倍增极和阳极的电压下降，而大大改善输出线性;三是改变分压器最后数级以及前几级电压分配比，一般在电子密度高的最后2～4级采用比标准电压分配高的电压，使电极间有高的电荷强度克服空间电荷影响，一般采用从前级到后级极间电压逐步升高的所谓“倾斜分压器”回路，但这种设计必须注意光电倍增管极间的耐压问题。原理图如图2所示：

2.3 前置放大器

核辐射测量中，探测器输出的信号往往比较小，需要加以放大再进行测量，这就需要用到前置放大器。前置放大器的主要作用有两种作用：一是提高系统的信噪比。在探测器与放大器连接处存在分布电容CS，而CS越小，则系统的信噪比越高，反之，信噪比越低。减小CS的一个主要措施就是将放大器尽量靠近探测器以减小连接导线造成的分布电容。前置放大器的体积小，紧靠探测器并与探测器构成一个整体（称探头），这样就减小了CS，提高了信噪比;二是减小信号经电缆传送时外界干扰的影响。前置放大器与探测器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制外界干扰。前置放大器输出信号沿电缆传送过程中受到干扰时，由于信号已经经过放大，干扰信号的影响相对减小。从噪声和干扰对有用信号的影响来说，在一般情况下，干扰的影响总可降至次要地位。

在能谱测量系统中，前置放大器按输出信号所保留的信息特点，大致可分为两类，一类是积分型放大器，包含电壓灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器;另一类是电流型放大器，亦即电流灵敏前置放大器。文章主要给出电流灵敏前置放大器的设计原理，如图3所示。

电流灵敏前置放大器与其它类型相比，其优点是输出信号波形与探测器输出电流信号的波形保持一致。

2.4 温度控制系统

在使用BGO探测器进行γ能谱测量时，受温度影响，会导致荧光转化效率不稳定，从而导致探测器分辨率的改变。因此，探测器需要在合适固定的温度环境下工作。考虑到工业应用的可操作性，我们将使用温度范围控制在0℃～50℃。我们在此范围内进行了一次实验，找出我们需要的最佳工作温度。下表为通过实验得出的相关数据。

通过表1，我们可以发现，随温度升高，137Cs分辨率不断变差，相同时间内137Cs的总计数也在不断降低，因此，对于BGO晶体来说，一定范围内温度越低，其性能越好。考虑现场可操作性，我们选择20℃为其工作温度环境。该环境下，其性能指标满足我们的需求，并且容易在现场恶劣的环境中实现。

2.5 高压电源控制系统

高压电源的输出稳定性直接影响探测器信号脉冲输出幅度，而脉冲输出幅度的不稳定会导致道址的不断偏移，影响探测器分辨率，因此我们选用的高压电源稳定性很重要。另外，除了输出稳定性，电源纹波干扰也是非常重要的一方面。由于探测器输出信号脉冲幅度很小，若高压电源纹波干扰过大，会导致探测器信号的信噪比下降，造成能量分辨率变差，从而影响整个分析仪装置测量精度，影响现场生产。因此我们在选择高压电源时，要充分考虑各方面的要求。

2.6 137Cs分辨率测试

能量分辨率表征核辐射探测器分辨相近能量γ峰的本领，是探测器的一项重要指标。是我们了解探测器性能时最直观的参数。如图4所示，我们给出了BGO探测器137Cs的测试谱型，并计算出其分辨率。

如图4所示，为BGO探测器137Cs的测试谱型，计算其分辨率为11.2%，完全满足探测器设计指标。

3 总结

BGO探测器探测技术具有快速、稳定、精确、非接触性测量的特点，非常适合于工业恶劣环境下的测量。论文给出了一种成熟的BGO探测器设计原理，已成功应用于多种工业在线分析仪等仪器。通过现场实际应用，证明其设计指标完全满足生产需要，验证了方案的可行性。

参考文献：

[1]汲长松.核辐射探测器及其实验技术手册[M].原子能出版社，1990，

10（01）：305-307.

[2]E.科瓦尔斯基（何殿祖译）.核电子学[M].原子能出版社，1975，4

（01）：76-118.

[3]王宗仁.核仪器电子技术[M].原子能出版社.

项目：丹东市科技计划项目（17106）

辽宁省“百千万人才工程”资助项目（辽百千万立项【2015】9号）

作者简介：张伟（1980-），男，黑龙江密山人，本科，教授研究员级高级工程师，主要从事同位素在线检测仪表的研发工作。