CN107490585B - 一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法及装置 - Google Patents

一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种消除温度对Si‑PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法及装置，涉及氡浓度测量技术领域，所述消除温度对Si‑PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法包括信号放大、能谱峰跟随、信号幅度甄别及氡浓度确定四个步骤。本发明以温湿度传感器测量的温度作为探测器实际温度的参考依据，结合峰保持电路和ADC转换电路采集探测器输出的能谱峰幅度来精确判断探测器实际温度，进而实现了能谱峰跟随、消除温度对Si‑PIN探测器ɑ能谱峰漂移的影响，最大程度地降低了因探测器与温湿度传感器测量的温度存在差异所导致的测量结果偏差，保证了测量结果的准确和可靠性，能够适应核设施现场的连续监测要求。

Description

一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法及 装置
技术领域
本发明涉及氡浓度测量技术领域，特别涉及一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法及装置。
背景技术
与其它探测器相比，Si-PIN探测器半导体探测器具有能量分辨率高、时间响应快、线性范围宽、体积小、工作电压较低等优点。该探测器是一个反向偏置的PN结二极管，相当于一个固体电离室，工作原理与气体电离室类似，不同的是用半导体材料取代了气体探测器中的气体。带电粒子入射到耗尽区时产生电子—空穴对，在灵敏区电场作用下分别向两侧运动，被电极所收集形成脉冲电荷信号，此电荷脉冲信号的大小与入射粒子在灵敏区中损失的能量成正比，这是用来测量带电粒子能量的主要依据。探测器的死层越薄、反向漏电流越低、结电容越小，则探测器的性能就越好，对入射带电粒子的能量分辨率也会越高。
静电收集α能谱法测氡，采用Si-PIN探测器，在一定的温度范围内能很好地鉴别出各个核素(如218Po，214Po等)释放的ɑ粒子能量，但是温度的变化对半导体有着很大的影响，当测量环境温度发生变化时，相同能量的α粒子经Si-PIN探测器检测后输出的信号幅度会存在差异，从而不能准确甄别出α粒子能量，进而影响氡的准确可靠测量，具体来说，当温度升高时，Si-PIN探测器输出信号的幅度变小，经前置放大器和放大成形电路后，其输出幅度随之变小，效果见图1所示；反之，当温度降低时，其输出幅度升高，温度变化会影响能谱峰的准确甄别，进而影响探测粒子的准确测量。因此,消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移的影响是很有必要的。
中国专利文献“CN103984004A”公开了一种自动消除PIPS探测器ɑ能谱峰温度漂移的方法及装置，其通过在测量室与半导体探测器之间建立高压静电场，采用抽气泵取样时长为Ts，使含氡空气以一定的流率(如Q＝3L.min-1)经高效过滤器后进入测量室，由222Rn衰变产生的第一代子体218Po带正电荷会在静电场的作用下吸附到半导体探测器表面，当其子体进一步衰变产生α粒子时，α粒子产生的电信号经前置放大电路进行前级预放大，再由放大成形电路对该信号进一步放大并成形输出，然后通过脉冲幅度甄别电路对其信号的幅度进行甄别后送入单片机的脉冲计数端，单片机对脉冲幅度甄别电路输出的脉冲信号进行计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系(即刻度因子)确定氡浓度。该专利通过温湿度传感器采集的温度数计算出相应的阈值能谱道数，阈值自动调节电路再按照阈值能道谱数自动调节脉冲幅度甄别电路的阈值电平，能够明显改善温度变化对PIPS探测器ɑ能谱峰漂移的影响。但是仪器在测量过程中，测量室内温度与探测器的温度在未完全达到平衡前，探测器的实际温度与温湿度传感器测量的温度(温湿度传感器测量的是测量室内温度)会存在一定的差异，若直接采用温湿度传感器采集的温度值作为探测器的实际温度，会导致测试结果出现偏差，故该方法仍有待改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中Si-PIN探测器受环境温度变化的影响、提高α离子的测量准确可靠性，提供一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法。基于同样的发明构思，本发明还提供一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的装置。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法，包括以下步骤：
一、信号放大：
Si-PIN探测器测量α粒子产生的电信号经前置放大电路预放大，再经放大成形电路放大后输出两路信号；
二、能谱峰跟随：
在所述放大成形电路输出的两路信号中，一路信号通过峰保持电路将脉冲峰值保持一段时间，然后由ADC转换成数字信号输出至单片机，单片机根据温湿度传感器采集的测量室内温度数据，先计算出一个能谱峰参考范围，再根据该能谱峰参考范围中峰值点所对应的能谱道数计算出探测器的实际温度数，然后根据探测器的实际温度数得出上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值；
三、信号幅度甄别：
在所述放大成形电路输出的两路信号中，另一路信号经脉冲幅度甄别电路进行信号幅度甄别后输出脉冲信号至单片机，所述脉冲幅度甄别电路的上阈值电平和下阈值电平由单片机根据上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值来控制阈值自动调节电路进行调节；
当脉冲幅度甄别电路输入脉冲的幅度位于其下阈值电平与上阈值电平之间时，则输出一个数字脉冲，若输入脉冲的幅度低于下阈值电平或高于上阈值电平，则无输出脉冲；
四、氡浓度确定：
单片机对脉冲幅度甄别电路输出的脉冲信号进行计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系确定氡浓度。
在上述方法的步骤二中，所述探测器的实际温度数按照以下公式(1)计算得到，所述能谱峰参考范围的上阈值能谱道数和下阈值能谱道数分别按照以下公式(2)和公式(3)计算得到，所述上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值分别按照以下公式(4)和公式(5)计算得到：
Y1＝-1.39026·exp(7.62672X)+611 (1)；
Y2＝-1.39026·exp(7.62672x)+650 (2)；
Y3＝-1.39026·exp(7.62672x)+410 (3)；
Y4＝-1.39026·exp(7.62672X)+650 (4)；
Y5＝-1.39026·exp(7.62672X)+410 (5)；
以上公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)中，x为温湿度传感器采集的测量室内温度数据；X为探测器的实际温度数；Y1为能谱峰参考范围中峰值点所对应的能谱道数；Y2为能谱峰参考范围的上阈值能谱道数；Y3为能谱峰参考范围的下阈值能谱道数；Y4为上阈值能谱道数实际值；Y5为下阈值能谱道数实际值。
进一步地，在步骤三中，所述阈值自动调节电路调节脉冲幅度甄别电路输出的上阈值电平为(10/1024)*Y4、下阈值电平为(10/1024)*Y5。
其中，所述公式(1)是通过对0℃-45℃条件下的实验测量数据中能谱峰道数值与探测器实际温度数值进行非线性拟合获得的函数关系式，所述公式(2)、公式(3)、公式(4)及公式(5)是依据公式(1)和218Po能谱峰的特性得到函数关系式。
作为本发明的另一方面，一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的装置，包括前置放大电路、放大成形电路、脉冲幅度甄别电路、峰保持电路、ADC转换电路、单片机、阈值自动调节电路以及设置在测量室内的Si-PIN探测器和温湿度传感器；
所述Si-PIN探测器、前置放大电路、放大成形电路、脉冲幅度甄别电路及单片机依次相连，所述阈值自动调节电路的输入端与单片机相连，所述阈值自动调节电路的输出端与脉冲幅度甄别电路相连，所述温湿度传感器与单片机相连，所述峰保持电路的输入端与放大成形电路的输出端相连，所述峰保持电路的输出端连接ADC转换电路，所述ADC转换电路再与单片机相连；
该装置依据前述的方法消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移的影响。
在上述消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的装置中，优选的，所述单片机型号为STC15F2K60。
在本发明中，温湿度传感器采集的温度值仅用于提供给单片机来计算能谱峰参考范围(大致确定能谱峰的真实范围)，在大致确定能谱峰的真实范围后，再通过该范围中峰值点所对应的能谱道数计算出探测器的实际温度数，最后利用计算得到的探测器实际温度数来确定脉冲幅度甄别电路的下阈值电平与上阈值电平，从而实现特定能量ɑ离子的准确甄别。
此外，本发明巧妙地利用峰保持电路和ADC转换电路采集探测器输出的能谱峰幅度来帮助单片机精确判断探测器的实际温度值，进而为能谱峰跟随提供依据。在以往，峰保持电路和ADC转换电路常被用于粒子能量测量，由于粒子撞击探测器是随机离散分布的，这就要求ADC转换电路具有极高的转换速率，相应地，也要求单片机具有极强的计算能力，否则就有可能出现因ADC转换速率过低导致一些粒子未被记录而丢失、采样不全的情况，从而影响结果准确性。而在本发明中，峰保持电路和ADC转换电路的输出信号提供给单片机的最终目的是用于获取探测器的真实温度值，而温度是一个平稳、缓慢变化的量，故即便因为ADC转换速率偏低导致部分粒子未被记录，这对于最终结果的影响也是非常微小的，基本上可以忽略不计。
综上所述，本发明以温湿度传感器测量的温度作为探测器实际温度的参考依据，结合峰保持电路和ADC转换电路采集探测器输出的能谱峰幅度来精确判断探测器实际温度，进而实现能谱峰跟随、消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移的影响，相比现有方法，本发明最大程度地降低了因探测器与温湿度传感器测量的温度存在差异所导致的测量结果偏差，保证了测量结果的准确和可靠性。
附图说明
图1为温度由8.8℃升高至35.5℃后，Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移示意图。
图2为本发明所涉消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的装置的整体结构框图。
图3为对0℃-45℃条件下的实验测量数据中能谱峰道数值与探测器实际温度数值进行非线性拟合得到的函数曲线图。
图4为温度在8.8℃时，218Po能谱峰的上阈值能谱道数与下阈值能谱道数位置示意图。
图5为温度由8.8℃升高至35.5℃后，218Po能谱峰的上阈值和下阈值能谱道数调节示意图，图中竖虚线表示当前光标所在位置，即当前温度条件下的阈值能谱道数。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合实施例与附图来对本发明作更进一步的说明。
图2示出了本发明所涉消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的装置的一种具体结构，其包括前置放大电路、放大成形电路、脉冲幅度甄别电路、峰保持电路、ADC转换电路、单片机、阈值自动调节电路以及设置在测量室内的Si-PIN探测器和温湿度传感器；其中，优选单片机的型号为STC15F2K60。
Si-PIN探测器、前置放大电路、放大成形电路、脉冲幅度甄别电路及单片机依次相连，阈值自动调节电路的输入端与单片机相连，阈值自动调节电路的输出端与脉冲幅度甄别电路相连，温湿度传感器与单片机相连，峰保持电路的输入端与放大成形电路的输出端相连，峰保持电路的输出端连接ADC转换电路，ADC转换电路再与单片机相连。
其中，Si-PIN探测器测量α粒子产生的电信号经前置放大电路预放大，再经放大成形电路放大后输出两路信号；
在放大成形电路输出的两路信号中，一路信号通过峰保持电路将脉冲峰值保持一段时间，然后由ADC转换成数字信号输出至单片机，单片机根据温湿度传感器采集的测量室内温度数据，先计算出一个能谱峰参考范围，再根据该能谱峰参考范围中峰值点所对应的能谱道数计算出探测器的实际温度数，然后根据探测器的实际温度数得出上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值；另一路信号经脉冲幅度甄别电路进行信号幅度甄别后输出脉冲信号至单片机，所述脉冲幅度甄别电路的上阈值电平和下阈值电平由单片机根据上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值来控制阈值自动调节电路进行调节；
当脉冲幅度甄别电路输入脉冲的幅度位于其下阈值电平与上阈值电平之间时，则输出一个数字脉冲，若输入脉冲的幅度低于下阈值电平或高于上阈值电平，则无输出脉冲；
单片机对脉冲幅度甄别电路输出的脉冲信号进行计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系确定氡浓度。
222Rn衰变产生的第一代子体218Po衰变产生能量为6.0MeV的α粒子，通过实验测得0℃-45℃时的数据，通过非线性拟合得到的能谱峰道数值Y1与探测器实际温度数值X(实验过程中，经过较长时间的热传递使得探测器与测量室环境温度达到平衡后，温湿度传感器测量的温度可认为是探测器的实际温度)的函数关系式如下式(1)所示，拟合的曲线如图3所示；
Y1＝-1.39026·exp(7.62672X)+611 (1)；
实际测量时，虽然温湿度传感器测得的测量室环境温度x与探测器实际温度数值X存在差异，但二者差值并不太大，也就是说，温湿度传感器采集的温度值x可以作为探测器的温度X的参考依据，利用温湿度传感器采集的温度值x可以先计算出一个能谱峰的参考范围，由此确定实际能谱峰的大致范围，依据上式(1)和218Po能谱峰的特性得到该能谱峰参考范围中218Po的上阈值函数：
Y2＝-1.39026·exp(7.62672x)+650 (2)；
同样的，依据上式(1)和218Po能谱峰的特性还可得到该能谱峰参考范围中218Po的下阈值函数：
Y3＝-1.39026·exp(7.62672x)+410 (3)；
将以上式(2)和式(3)中温湿度传感器采集的温度值x替换成探测器实际温度数值X，则在当前温度条件下，上阈值能谱道数实际值Y4和下阈值能谱道数实际值Y5分别为：
Y4＝-1.39026·exp(7.62672X)+650 (4)；
Y5＝-1.39026·exp(7.62672X)+410 (5)；
从上式(1)可以看出，当能谱峰道数值Y1确定时，探测器实际温度数值X可通过反向计算得出，得出探测器实际温度数值X后，就可以得出在当前温度条件下的上阈值能谱道数实际值Y4和下阈值能谱道数实际值Y5，其中的关键点在于确定能谱峰道数值Y1。确定实际能谱峰的大致范围后，如前所述，由于测量室环境温度x与探测器实际温度数值X二者差值并不大，实际能谱峰的峰值点必然也处于该参考范围之内，因此，通过该参考范围中峰值点所对应的能谱道数结合式(1)便可计算出探测器的实际温度数，进而得出当前温度条件下的上阈值能谱道数实际值Y4和下阈值能谱道数实际值Y5。
得出当前温度条件下的上阈值能谱道数实际值Y4和下阈值能谱道数实际值Y5后，阈值自动调节电路按照阈值能谱道数1024对应输出的阈值电平为10V进行自动调节，其中，脉冲幅度甄别电路输出的上阈值电平为(10/1024)*Y4、下阈值电平为(10/1024)*Y5。
当测量室环境温度升高时，探测器输出信号的幅度变小，经前置放大器和放大成形电路后，其输出幅度随之变小；反之，当测量室环境温度降低时，其输出幅度升高，进而会影响其能量的准确测量。例如图4所示，在8.8℃时峰位能谱道数是552，其上阈值能谱道数设在590。而当温度变化到35.5℃时，见图5所示，峰位能谱道数是434，其上阈值能谱道数对应调节至472，若上阈值能谱道数还设在590，另外一种粒子就会落到该能量计数区，从而影响该能量计数的准确测量。图5中竖虚线表示当前光标所在位置，即当前温度条件下阈值能谱道数。本发明以温湿度传感器测量的温度作为探测器实际温度的参考依据，结合峰保持电路和ADC转换电路采集探测器输出的能谱峰幅度来精确判断探测器实际温度，进而实现了能谱峰跟随、消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移的影响，最大程度地降低了因探测器与温湿度传感器测量的温度存在差异所导致的测量结果偏差，保证了测量结果的准确和可靠性，能够适应核设施现场的连续监测要求。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了便于阅读和理解，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (5)

1.一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法，包括以下步骤：
一、信号放大：
Si-PIN探测器测量α粒子产生的电信号经前置放大电路预放大，再经放大成形电路放大后输出两路信号；
二、能谱峰跟随：
在所述放大成形电路输出的两路信号中，一路信号通过峰保持电路将脉冲峰值保持一段时间，然后由ADC转换成数字信号输出至单片机，单片机根据温湿度传感器采集的测量室内温度数据，先计算出一个能谱峰参考范围，再根据该能谱峰参考范围中峰值点所对应的能谱道数计算出探测器的实际温度数，然后根据探测器的实际温度数得出上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值；
所述探测器的实际温度数按照以下公式(1)计算得到，所述能谱峰参考范围的上阈值能谱道数和下阈值能谱道数分别按照以下公式(2)和公式(3)计算得到，所述上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值分别按照以下公式(4)和公式(5)计算得到：
Y1＝-1.39026·exp(7.62672X)+611 (1)；
Y2＝-1.39026·exp(7.62672x)+650 (2)；
Y3＝-1.39026·exp(7.62672x)+410 (3)；
Y4＝-1.39026·exp(7.62672X)+650 (4)；
Y5＝-1.39026·exp(7.62672X)+410 (5)；
以上公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)中，x为温湿度传感器采集的测量室内温度数；X为探测器的实际温度数；Y1为能谱峰参考范围中峰值点所对应的能谱道数；Y2为能谱峰参考范围的上阈值能谱道数；Y3为能谱峰参考范围的下阈值能谱道数；Y4为上阈值能谱道数实际值；Y5为下阈值能谱道数实际值；
三、信号幅度甄别：
在所述放大成形电路输出的两路信号中，另一路信号经脉冲幅度甄别电路进行信号幅度甄别后输出脉冲信号至单片机，所述脉冲幅度甄别电路的上阈值电平和下阈值电平由单片机根据上阈值能谱道数实际值和下阈值能谱道数实际值来控制阈值自动调节电路进行调节；
当脉冲幅度甄别电路输入脉冲的幅度位于其下阈值电平与上阈值电平之间时，则输出一个数字脉冲，若输入脉冲的幅度低于下阈值电平或高于上阈值电平，则无输出脉冲；
四、氡浓度确定：
单片机对脉冲幅度甄别电路输出的脉冲信号进行计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系确定氡浓度。
2.根据权利要求1所述的消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法，其特征在于：步骤三中，所述阈值自动调节电路调节脉冲幅度甄别电路输出的上阈值电平为(10/1024)*Y4、下阈值电平为(10/1024)*Y5。
3.根据权利要求1所述的消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的方法，其特征在于：所述公式(1)是通过对0℃-45℃条件下的实验测量数据中能谱峰道数值与探测器实际温度数值进行非线性拟合获得的函数关系式，所述公式(2)、公式(3)、公式(4)及公式(5)是依据公式(1)和218Po能谱峰的特性得到函数关系式。
4.一种消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的装置，其特征在于：包括前置放大电路、放大成形电路、脉冲幅度甄别电路、峰保持电路、ADC转换电路、单片机、阈值自动调节电路以及设置在测量室内的Si-PIN探测器和温湿度传感器；
所述Si-PIN探测器、前置放大电路、放大成形电路、脉冲幅度甄别电路及单片机依次相连，所述阈值自动调节电路的输入端与单片机相连，所述阈值自动调节电路的输出端与脉冲幅度甄别电路相连，所述温湿度传感器与单片机相连，所述峰保持电路的输入端与放大成形电路的输出端相连，所述峰保持电路的输出端连接ADC转换电路，所述ADC转换电路再与单片机相连；
该装置依据权利要求1-3中任意一项所述的方法消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移的影响。
5.根据权利要求4所述的消除温度对Si-PIN探测器ɑ能谱峰漂移影响的装置，其特征在于：所述单片机型号为STC15F2K60。
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