CN113189635A - 单极性核辐射探测器及其前置放大电路 - Google Patents

单极性核辐射探测器及其前置放大电路 Download PDF

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陈云飞
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Abstract

本申请公开了一种单极性核辐射探测器及其前置放大电路。其中，单极性核辐射探测器前置放大电路包括：高压偏置电压源，作用于所述单极性核辐射探测器；第一滤波电路，连接所述单极性核辐射探测器，用于对所述单极性核辐射探测器在所述偏置电压电源的偏置电压的作用下所产生的电流脉冲信号进行滤波处理；放大电路，连接所述第一滤波电路，用于对经滤波处理的所述电流脉冲信号进行放大；低频反馈电路，连接所述放大电路，用于对所述电流脉冲信号中的低频信号提供反馈回路。本申请提供的前置放大电路可以提高系统的抗噪声水平，提高分辨率。

Description

单极性核辐射探测器及其前置放大电路
技术领域
本申请属于核辐射电子科学技术领域，涉及一种单极性核辐射探测器及其前置放大电路。
背景技术
放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射，核辐射主要是α、β、γ三种射线，在人们生活中，当射线长期或者大量辐射到人体或其他的生物体，会对生物产生危害，核辐射由于其自身具有高穿透性，因此对于核反应实验或者核磁能量武器爆发地周围的一切生物的生存都会带来一定的危害和影响，尤其是对与生物的生命安全，自然生存环境以及人类社会的恐慌情绪问题影响面极为突出[1]。所以我们在使用核能的同时，必须加强核辐射环境检测监控。因此提高核辐射的检测能力是至关重要的，同时还需要具备先进的核辐射探测技术以及技术研究。核辐射探测器是利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测的元件称为核辐射探测器[2]。
在核技术发展前期，气体探测器、闪烁体探测器作为主要的核辐射探测器，但是在20世纪60年后开始，随着半导体产业的提高，半导体探测器进入了人们的视野。半导体探测器具有高能量分辨率、能量测量范围广、体积小、无极化现象等优点。近年来半导体探测器制备中，主要以CdZnTe，GaAs等材料作为探测器主要的探测材料，由于该半导体材料原子序数高，禁带宽度大，电阻率高等优点。其中碲锌镉(CdZnTe,CZT)探测器是属于复合型化合物半导体探测器，在室温工作条件下对55Fe、125I、241Am、137Cs、60Co、的γ射线，有较高的能量分辨，同时还拥有较高的探测效率[3]。
早期传统的核辐射探测器NaI闪烁体探测器是一种具有较高探测效率的γ射线探测器，但是该探测器的材料电离能较高，而且该探测器需要进行两次能量转换，因此其能量分辨率低，另外NaI探测器还需要和光电倍增管配合，因此该探测器的体积也会增加。半导体探测器中硅和锗是最早开发和使用的半导体材料。由于Si和Ge材料的载流子传输特性好(高载流子迁移率寿命积)，使得该材料制成的探测器具有高的能量分辨率，但是Si和Ge的原子系数低，对高能量射线的阻止能力差，电阻率低，因此硅和锗探测器的探测效率低，不能对高能量γ射线进行探测，同时还硅和锗需要在低温环境下保存，并且硅和锗探测器对Si、Ge的纯度要求很高，从而提高了生产成本。
发明内容
为了解决或部分解决上述的技术问题，本申请提供了一种单极性核辐射探测器及其前置放大电路。
其中，单极性核辐射探测器前置放大电路，包括：
高压偏置电压源，作用于单极性核辐射探测器；
第一滤波电路，连接单极性核辐射探测器，用于对单极性核辐射探测器在偏置电压电源的偏置电压的作用下所产生的电流脉冲信号进行滤波处理；
放大电路，连接第一滤波电路，用于对经滤波处理的电流脉冲信号进行放大；
低频反馈电路，连接放大电路，用于对电流脉冲信号中的低频信号提供反馈回路。
可选地，还包括：第一反馈电路，连接放大电路和低频反馈电路，为低频信号提供反馈电路。
可选地，还包括：第二滤波电路，连接放大电路和其输出端，用于对放大的电信号进行再一次滤波处理。
可选地，第一滤波电路包括：电阻R1和电容C1相互连接；第二滤波电路包括：电阻R2和C7相互连接。
可选地，低频反馈放大电路包括：高速运算放大器U2与场效应管Q2、反馈电容C4、电阻R7、R8组成的低频反馈网络。
可选地，运算放大器的带宽为65MHZ，宽电源电压为±(5-16)V，带宽噪声为0.9nV/√HZ，压摆率为55V/μs。
可选地，低频反馈电路包括：彼此连接的R7、R8，反馈电容C4、和场效应管Q2。
可选地，第一场效应管工作于正向偏置电压状态，以提供泄放通路。
可选地，场效应管为2N4416型场效应管。
本申请还提供了一种单极性核辐射探测器，其单极性核辐射探测器采用了前述的前置放大电路。
本申请与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1、RC低通反馈电荷灵敏前置放大器反馈端引入的噪声远小于高阻值反馈电阻引入的热噪声，整个系统的抗噪声水平将会提高。
2、使用CdZnTe探测器与新型电荷灵敏前放和传统电荷灵敏前放同时对241Am源γ射线进行能谱测量，从能谱测量结果可以看出，采用新型电荷灵敏前放的能谱测量系统对241Am源γ射线(59.5keV)的能量分辨率达到了3.05％，与传统阻容式电荷灵敏前置放大器相比，其分辨率明显更高。
3.本申请方法简单易行，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1为本申请的单极性核辐射探测器的前置放大电路的图电路图。
图2为本申请的等效噪声电子与外接电容Cd的关系示意图。
图3为本申请前置放大器CZT探测器在137Cs辐射下的输出响应示意图。
图4为本申请前置放大器CZT探测器在241Am辐射下的输出响应示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本申请的优选实施例详述如下：
本实施方式提供了一种单极性核辐射探测器及其前置放大电路，参见图1所示，包括：
高压偏置电压源，作用于单极性核辐射探测器；
第一滤波电路，连接单极性核辐射探测器，用于对单极性核辐射探测器在偏置电压电源的偏置电压的作用下所产生的电流脉冲信号进行滤波处理；
放大电路，连接第一滤波电路，用于对经滤波处理的电流脉冲信号进行放大；
低频反馈电路，连接放大电路，用于对电流脉冲信号中的低频信号提供反馈回路。
可选地，还包括：第一反馈电路，连接放大电路和低频反馈电路，为低频信号提供反馈电路。
可选地，还包括：第二滤波电路，连接放大电路和其输出端，用于对放大的电信号进行再一次滤波处理。
可选地，第一滤波电路包括：电阻R1和电容C1相互连接；第二滤波电路包括：电阻R2和C7相互连接。
可选地，低频反馈放大电路包括：高速运算放大器U2与场效应管Q2、反馈电容C4、电阻R7、R8组成的低频反馈网络。
可选地，运算放大器的带宽为65MHZ，宽电源电压为±(5-16)V，带宽噪声为0.9nV/√HZ，压摆率为55V/μs。
可选地，低频反馈电路包括：彼此连接的R7、R8，反馈电容C4、和场效应管Q2。
可选地，第一场效应管工作于正向偏置电压状态，以提供泄放通路。
可选地，场效应管为2N4416型场效应管。
本申请还提供了一种单极性核辐射探测器，其单极性核辐射探测器采用了前述的前置放大电路。
本实施方式采用RC反馈电荷灵敏前置放大器的低通反馈端代替高阻值反馈电阻，放大电路由结型场效应管和集成运算放大器构成。本文所设计的电荷灵敏放大器如图1所示，在选用电荷灵敏放大器的结型场效应晶体管时，除了要考虑场效应管的输入电容，等效噪声等参数，还要考虑与探测器的匹配问题，放探测器本身的等效电容与前放的JEFT的输入电容相同时，所得到的信噪比最高。根据CdZnTe探测器的等效电容，前放的JEFT选用2N4416，图中R2与C7构成滤波器，进一步对前放输出的信号进行滤波，提高信噪比。图1为CdZnTe探测器前置放大电路的电荷灵敏放大部分，其中放大器使用的是来自美国ADI公司的ADA4898，它的带宽为65MHZ，宽电源电压为±(5-16)V，带宽噪声为0.9nV/√HZ，压摆率为55V/μs，超低失真，而且单位增益稳定。所以该芯片能够在较大的电压范围之内正常工作，同时该芯片还具有高增益、低噪声、转换快的优势，因此该芯片适合用作低噪声电荷灵敏放大器的放大器。
本实施方式的放大电路的主放级由运算放大器U2和反馈电容C5构成，从U2运算放大器输出的引出的信号，经过反馈电容C5积分后，反馈到JFET的栅极，从而形成负反馈电路。前置放大器选用JEFT和RC电路代替电容和高阻值反馈电阻构成泄放电路，通过JEFT Q2对探测器漏电流和反反馈馈电容进行泄放电，因此JEFT Q2需要处于正偏工作模式下，使得栅极与源极之间可以导电从而可以泄放积分电容中的电荷。
实验测试分析：
对实际电路的性能进行了性能测试，测试中所用仪器包括：多通道能谱仪(ORTEC-PCI-8k)，数字式示波器(Tds3012B)，CZT器件，放射源Cs137、Am241等。将前置放大器与数字式示波器连接，并记录其输出波形图。
探测器的探测效率依赖于空间电荷区的大小，也就是探测器的尺寸和偏压的大小。为了使探测效率最大化，就需要增大探测器的尺寸并且使用高的偏置电压。但是这些都增加了噪声。因为大尺寸的探测器意味着有较高的电容，大电容增加电路的噪声。而大的偏压就意味着有较高的漏电流，漏电流同样增加了噪声。如图2，等效噪声电荷(ENC)是前置放大器中最主要的指标之一的。噪声电荷是由很多噪声源产生的，主要由探测器的漏电流，前置放大器和成形系统的噪声等，成形电路中的频率响应也对等效噪声有影响。
在前置放大器的输入端接上不同的电容Cd来代替探测器，通过一个微电压表测量了前置放大器的输出的均方根电压，所求得的等效噪声电子与外接电容Cin的关系如图2所示，从图3中可得等效噪声电子与外接电容Cin基本呈线性关系，当外加电容为0pF时，等效噪声电子为245e-；当外加电容升至350pF时，等效电子为1643e-，噪声斜率为4.68e/Pf。
图3为前置放大器对应于CZT探测器在137Cs辐射下的输出响应。从图中可以得到，输出的响应电压为132mV，上升时间为850ns，持续时间为0.2ms，等效噪声均方根电压6mV左右，它的信噪比为23:1。图4为前置放大器对应于CZT探测器在241Am辐射下的输出响应，对241Am源进行测量，测得射线输出波形如图4所示，其信号幅值约为50mV。
综上可知，本申请与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1、RC低通反馈电荷灵敏前置放大器反馈端引入的噪声远小于高阻值反馈电阻引入的热噪声，整个系统的抗噪声水平将会提高。
2、使用CdZnTe探测器与新型电荷灵敏前放和传统电荷灵敏前放同时对241Am源γ射线进行能谱测量，从能谱测量结果可以看出，采用新型电荷灵敏前放的能谱测量系统对241Am源γ射线(59.5keV)的能量分辨率达到了3.05％，与传统阻容式电荷灵敏前置放大器相比，其分辨率明显更高。
3.本申请方法简单易行，成本低，适合推广使用。
最后应说明的是，本领域的普通技术人员可以理解，为了使读者更好地理解本申请，本申请的实施方式提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，包括：
高压偏置电压源，作用于所述单极性核辐射探测器；
第一滤波电路，连接所述单极性核辐射探测器，用于对所述单极性核辐射探测器在所述偏置电压电源的偏置电压的作用下所产生的电流脉冲信号进行滤波处理；
放大电路，连接所述第一滤波电路，用于对经滤波处理的所述电流脉冲信号进行放大；
低频反馈电路，连接所述放大电路，用于对所述电流脉冲信号中的低频信号提供反馈回路。
2.根据权利要求1所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，还包括：第一反馈电路，连接所述放大电路和所述低频反馈电路，为低频信号提供反馈电路。
3.根据权利要求2所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，还包括：第二滤波电路，连接所述放大电路和其输出端，用于对放大的电信号进行再一次滤波处理。
4.根据权利要求3所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，所述第一滤波电路包括：电阻R1和电容C1相互连接；所述第二滤波电路包括：电阻R2和C7相互连接。
5.根据权利要求1所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，所述低频反馈放大电路包括：高速运算放大器U2与场效应管Q2、反馈电容C4、电阻R7、R8组成的低频反馈网络。
6.根据权利要求5所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，所述运算放大器的带宽为65MHZ，宽电源电压为±(5-16)V，带宽噪声为0.9nV/√HZ，压摆率为55V/μs。
7.根据权利要求1所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，所述低频反馈电路包括：彼此连接的R7、R8，反馈电容C4、和场效应管Q2。
8.根据权利要求7所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，所述第一场效应管工作于正向偏置电压状态，以提供泄放通路。
9.根据权利要求7所述的单极性核辐射探测器前置放大电路，其特征在于，所述场效应管为2N4416型场效应管。
10.一种单极性核辐射探测器，其特征在于，所述单极性核辐射探测器采用了权利要求1至9中任意一项所述的前置放大电路。
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CN114047537A (zh) * 2021-11-18 2022-02-15 中测测试科技有限公司 基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114047537A (zh) * 2021-11-18 2022-02-15 中测测试科技有限公司 基于前端读出芯片的测试平台系统与多模式辐射测量方法
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