CN115453607A - 一种抗噪声辐射探测电路及抗噪声辐射探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核辐射探测领域，尤其涉及一种抗噪声辐射探测电路及抗噪声辐射探测方法。包括半导体探测器模块、电流脉冲生成模块、前置放大模块、极零相消模块和滤波成形模块。所述半导体探测器模块和电流脉冲生成模块的输出端均与前置放大模块的输入端连接，所述前置放大模块的输出端与极零相消模块的输入端连接，所述滤波成形模块的输入端与极零相消模块的输出端连接。本发明通过半导体探测器模块、电流脉冲生成模块，在分别进行探测器信号输入与脉冲信号输入时，可忽略它们之间相互分流影响，通过前后两次探测测试，利用公式进行数据处理，可有效滤除探测器的噪声和前置放大器的噪声，从而提高测试信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射探测领域，尤其涉及一种抗噪声辐射探测电路及抗噪声辐射探测方法。
背景技术
在核辐射探测系统中，由于半导体探测器的输出信号幅度较小，常常受到探测器的漏电流与分布电容以及前置放大电路的输入漏电流与反馈电阻热噪声影响，使得输出信号的噪声干扰过大，信噪比较低。
为了提高探测信噪比，目前大部分有效方法基本都涉及探测器与前置放大电路，在探测器上，选择其漏电流较小，分布电容较低的。而前置放大电路上，通常选择其输入电流噪声较低的，电压增益高的。考虑到高性能探测器与前置放大电路对制造工艺以及电路设计高要求，导致生产成本过高。
发明内容
本发明提供了一种抗噪声辐射探测电路及抗噪声辐射探测方法，解决了至少一种现有技术中存在的技术问题。
本发明的一个技术方案提供了一种抗噪声辐射探测电路，包括半导体探测器模块、电流脉冲生成模块、前置放大模块、极零相消模块和滤波成形模块；
所述半导体探测器模块和电流脉冲生成模块的输出端均与前置放大模块的输入端连接，所述前置放大模块的输出端与极零相消模块的输入端连接，所述滤波成形模块的输入端与极零相消模块的输出端连接；
所述半导体探测器模块能够对辐射源进行探测，输出辐射探测信号；
所述电流脉冲生成模块能够生成电流脉冲信号，以模拟半导体探测器模块产生的信号；
所述前置放大模块能够对辐射探测信号或电流脉冲信号进行一次放大；
所述极零相消模块能够放大后的辐射探测信号或电流脉冲信号进行基线恢复；
所述滤波成形电路能够对基线恢复后的辐射探测信号或电流脉冲信号进行二次放大和滤波。
进一步地，所述半导体探测器模块包括限流电阻和探测器，所述探测器的一端连接限流电阻的一端，探测器的另一端连接信号地，所述限流电阻的另一端连接高压电。
进一步地，电流脉冲生成模块包括第一分压电阻、第二分压电阻和精密电阻，所述第一分压电阻的一端与所述第二分压电阻的一端连接，所述第一分压电阻的另一端连接信号发生器，所述第二分压电阻的另一端连接信号地，所述精密电阻的一端与所述第二分压电阻的一端连接，所述精密电阻的另一端与前置放大模块连接。
进一步地，所述前置放大模块包括第一放大器、泄放电阻和积分电容，所述第一放大器的负向输入端分别与所述泄放电阻的一端和积分电容的一端连接，所述泄放电阻的另一端和积分电容的另一端均与所述第一放大器的输出端连接，所述第一放大器的正向输入端连接信号地。
进一步地，所述极零相消模块包括所述极零相消模块包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端与所述第一电容的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一电容的另一端连接，所述第一电容的一端与所述前置放大模块的输出端连接，所述第一电容的另一端与所述滤波成形电路的输入端连接。
进一步地，所述滤波成形模块包括第二放大器、第三放大器、第二电阻、第三电阻、第二电容、第四电阻和第五电阻，所述第二放大器的正向输入端连接第三电阻的一端，所述第二放大器的负向输入端分别与第二电阻的一端和第二电容的一端连接，所述第二电阻的另一端和第二电容的另一端均与第二放大器的输出端连接，所述第三放大器的正向输入端与第二放大器的输出端连接，所述第三放大器的负向输入端分别与第四电阻的一端与第五电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端连接信号地，第五电阻的另一端连接，所述第三放大器的输出端。
进一步地，所述第一放大器、第二放大器和第三放大器均采用AD8066芯片。
本发明的另一个技术方案提供了一种抗噪声辐射探测方法，运用于上述任一所述的抗噪声辐射探测电路，包括：
S10：利用抗噪声辐射探测电路探测已知辐射源，获取抗噪声辐射探测电路输出的第一输出电压；
S20：撤离已知辐射源，调节信号发生器，以使抗噪声辐射探测电路输出第二输出电压与第一输出电压相等，获取信号发生器输出的第一有效电压；
S30：利用抗噪声辐射探测电路探测待测辐射源，获取抗噪声辐射探测电路输出的第三输出电压；
S40：撤离待测辐射源，调节信号发生器，以使抗噪声辐射探测电路输出第四输出电压与第三输出电压相等，获取信号发生器输出的第二有效电压；
S50：根据所述第一有效电压、第二有效电压以及已知辐射源的能量损失，获取待测辐射源的能量损失。
进一步地，步骤S50还包括：根据所述第一有效电压、第二有效电压以及已知辐射源的能量损失，利用公式获取待测辐射源的能量损失，所述公式为：
其中，Ei1为已知辐射源的能量损失，Ei2为待测辐射源的能量损失，A为前置放大模块到滤波成形模块之间的放大增益，Cf为前置放大模块的积分电容，we为产生电子-空穴对所需的平均电离能，e-为一个电子的电荷量，R4为精密电阻，R2为第一分压电阻、R3为第二分压电阻，tw为信号发生器电压脉冲宽度，Vtest1为第一有效电压，Vtest2为第二有效电压。
本发明的有益效果：本发明通过半导体探测器模块、电流脉冲生成模块，在分别进行探测器信号输入与脉冲信号输入时，可忽略它们之间相互分流影响，通过前后两次探测测试，利用公式进行数据处理，可有效滤除探测器的噪声和前置放大器的噪声，从而提高测试信号的信噪比。通过本发明可降低探测器与前置放大模块的性能要求，有效降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明抗噪声辐射探测电路示意图。
图2为本发明半导体探测器模块和电流脉冲生成模块示意图。
图3为本发明前置放大模块、极零相消模块和滤波成形模块的示意图。
图4为射线辐照时，探测器信号输入电路等效示意图。
图5为无射线辐照时，测试信号输入电路等效示意图。
图6为本发明的流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在本发明的实施例中，图1是根据本发明一种抗噪声辐射探测电路提供的结构示意图，本发明具体包括半导体探测器模块1、电流脉冲生成模块2、前置放大模块3、极零相消模块4和滤波成形模块5。所述半导体探测器模块1和电流脉冲生成模块2的输出端均与前置放大模块3的输入端连接，所述前置放大模块3的输出端与极零相消模块4的输入端连接，所述滤波成形模块5的输入端与极零相消模块4的输出端连接。
其中，所述半导体探测器模块1能够对辐射源进行探测，输出辐射探测信号。所述电流脉冲生成模块2能够生成电流脉冲信号，以模拟半导体探测器模块1产生的信号。具体的，脉冲电流生成模块能够根据信号发生器发出的脉冲电压信号，生成电流脉冲信号。
所述前置放大模块3能够对辐射探测信号或电流脉冲信号进行一次放大。所述极零相消模块4能够放大后的辐射探测信号或电流脉冲信号进行基线恢复。所述滤波成形电路能够对基线恢复后的辐射探测信号或电流脉冲信号进行二次放大和滤波。
如图2所示，所述半导体探测器模块1包括限流电阻R1和探测器DET，所述探测器DET的一端连接限流电阻R1的一端，探测器DET的另一端连接信号地，所述限流电阻R1的另一端连接高压电。半导体探测器模块1通过耦合电容C1接入前置放大模块3的输入端。半导体探测器模块1用于产生辐射探测信号。
以半导体探测器为例，根据公式1可以得到射线能量损失为E时，探测器输出信号所携带的电荷量Qi。
其中，E为辐射源损失的能量/eV，we为产生电子-空穴对所需的平均电离能/eV，e-为一个电子的电荷量。
如图2所示，电流脉冲生成模块2可以采用如下结构：包括第一分压电阻R2、第二分压电阻R3和精密电阻R4，所述第一分压电阻R2的一端与所述第二分压电阻R3的一端连接，所述第一分压电阻R2的另一端连接信号发生器，所述第二分压电阻R3的另一端连接信号地，所述精密电阻R4的一端与所述第二分压电阻R3的一端连接，所述精密电阻R4的另一端与前置放大模块3连接。
考虑到半导体探测器电路的输出信号为脉冲幅度很小电流脉冲信号，因此，作为用于模拟探测器信号输入的电流脉冲生成模块2，其通过信号发生器产生的电压脉冲信号分别连接分压电阻R2、电阻R3与精密电阻R4后，形成脉冲幅度可调的脉冲电流信号。为了减少精密电阻的热噪声，应尽量降低其阻值，同时为了模拟较低幅度的脉冲电流信号，因此脉冲发生器产生的电压下限应该尽量低。考虑到在通常情况下，信号发生器产生的电压信号脉冲幅度下限仅为mV量级，因此还设计了电阻分压电路以进一步降低测试输入信号脉冲幅度下限。
测试信号输入电路所携带的电荷量Qi可由公式2表示：
其中，Vtest为信号发生器产生信号的电压；tw为信号发生器产生信号的电压脉冲宽度。
如图3所示，所述前置放大模块3包括第一放大器A1、泄放电阻Rf和积分电容Cf，所述第一放大器A1的负向输入端分别与所述泄放电阻Rf的一端和积分电容Cf的一端连接，所述泄放电阻Rf的另一端和积分电容Cf的另一端均与所述第一放大器A1的输出端连接，所述第一放大器A1的正向输入端连接信号地。
所述极零相消模块4包括所述极零相消模块包括第一电阻Rp和第一电容C0，所述第一电阻Rp的一端与所述第一电容C0的一端连接，所述第一电阻Rp的另一端与所述第一电容C0的另一端连接，所述第一电容C0的一端与所述前置放大模块的输出端连接，所述第一电容C0的另一端与所述滤波成形电路的输入端连接。极零相消模块4由第一电阻Rp和第一电容C0组成，用于恢复输出信号基线。
所述滤波成形模块5包括第二放大器A2、第三放大器A3、第二电阻RS、第三电阻R0、第二电容CS、第四电阻R5和第五电阻R6，所述第二放大器A2的正向输入端连接第三电阻R0的一端，所述第二放大器A2的负向输入端分别与第二电阻RS的一端和第二电容CS的一端连接，所述第二电阻RS的另一端和第二电容CS的另一端均与第二放大器A2的输出端连接，所述第三放大器A3的正向输入端与第二放大器A2的输出端连接，所述第三放大器A3的负向输入端分别与第四电阻R5的一端与第五电阻R6的一端连接，所述第四电阻R5的另一端连接信号地，第五电阻R6的另一端连接，所述第三放大器A3的输出端。所述滤波成形模块5用于抑制噪声以及稳定波形，同时对信号进行二次放大。
为了减少探测器分布电容影响以及提高电路增益稳定性，半导体前置放大模块3大多为电荷灵敏放大电路，因此前置放大模块的输出电压Vf与输入信号所携带的电荷量Qi可由公式3表示：
其中，Cf为积分电容。
对于半导体探测器而言，当电场强度足够强时，电子-空穴对饱和后的速率为107cm/s。而本实施例中使用的Si-PIN半导体探测器的耗尽层厚度为300um，同时考虑到探测系统低功耗需求，探测器反向偏置电压较低，导致实际收集时间tmax约在几十至几百ns内。同时，针对低能射线输入测量，半导体探测器电路的输出信号所携带的电荷量在几个fC量级，因此，由公式4可以得到信号收集时间内的平均电流ip的可低至nA量级。
为了模拟输入nA量级脉冲电流信号，同时为了在分别进行探测器信号输入与测试信号输入时，忽略它们之间相互分流影响。合理设置精密电阻以及AC耦合电容参数值，在本实施例中，精密电阻R4选择为100kΩ；分压电阻R2、R3分别为1kΩ和0.1kΩ；耦合电容C1为10nF。
所述第一放大器A1、第二放大器A2和第三放大器A3均采用AD8066芯片。其中第一放大器A1、第二放大器A2采用双通道芯片AD8066，使得前置放大放大电路与滤波成形电路集于一体。
本发明的另一种技术方案提供了一种抗噪声辐射探测方法，运用于上述任一所述的抗噪声辐射探测电路，如图6所示，包括：
S10：利用抗噪声辐射探测电路探测已知辐射源，获取抗噪声辐射探测电路输出的第一输出电压。
本发明以已知辐射源以241Am源59.5keVγ射线为例，241Am源59.5keVγ射线对抗噪声辐射探测电路进行辐照，用示波器读其输出电压。依据图4所示，在进行射线辐照时的信号输入电路等效图，考虑到精密电阻R4分别为100kΩ，而在信号频率在MHz频段上，AC耦合电容C1为10nF，因精密电阻R4分流带来的影响可忽略，信号电流基本都由耦合电容C1流进前置放大模块输入端。因此，抗噪声辐射探测电路的第一输出电压也可由公式5表示：
V0(i1)＝Vi1+VD+VA (5)
其中，V0(i1)表示利用已知辐射源进行射线辐射测试时，示波器获得的抗噪声辐射探测电路的第一输出电压；Vi1表示为该次测试中，已知辐射源辐照贡献的有效电压；VD表示为半导体探测器的探测噪声电压；VA表示为前置放大模块贡献的放大噪声电压。
S20：撤离已知辐射源，调节信号发生器，以使抗噪声辐射探测电路输出第二输出电压与第一输出电压相等，获取信号发生器输出的第一有效电压；
接着，当撤离已知辐射源后，通过调节信号发生器参数，使得抗噪声辐射探测电路的输出电压波动与用已知辐射源辐照时的输出电压波动吻合，及抗噪声辐射探测电路输出第二输出电压与第一输出电压相等。
依据图5所示，在无射线辐照时，信号发生器信号输入电路的等效示意图。半导体探测器在反向偏置电压下，可看成分布电容为Cd且高电阻值的器件连接在耦合电容C1一端。考虑到分布电容Cd通常在pF量级，而在信号频率在MHz频段上，AC耦合电容C1为10nF，因探测器输入电路分流带来的影响可忽略。最终，抗噪声辐射探测电路的第二输出电压V0(j1)可由公式6表示：
V0(j1)＝Vj1+VA (6)
同时，结合公式5与公式6获得公式7：
Vi1+VD＝Vj1 (7)
其中，V0(j1)表示为撤离已知辐射源后，利用示波器获得的抗噪声辐射探测电路的第二输出电压；Vj1表示为撤离已知辐射源后，信号发生器贡献的第一有效电压。
由式子7可知，该式子已去除前置放大器贡献的放大噪声电压VA。
S30：利用抗噪声辐射探测电路探测待测辐射源，获取抗噪声辐射探测电路输出的第三输出电压。
用待测射线对抗噪声半导体探测电路进行辐照，用示波器读出抗噪声半导体探测电路的第三输出电压。同时，因精密电阻R4分流带来的影响可忽略。最终，抗噪声半导体探测电路的输出电压可由公式8表示：
V0(i2)＝Vi2+VD+VA (8)
其中，V0(i2)表示为待测射线测试时，示波器获得的滤波成形电路的第三输出电压；Vi2表示为待测射线测试时，待测射线贡献的有效电压。
S40：撤离待测辐射源，调节信号发生器，以使抗噪声辐射探测电路输出第四输出电压与第三输出电压相等，获取信号发生器输出的第二有效电压。
当撤离待测射线范围后，通过调节信号发生器参数，使得抗噪声半导体探测电路的输出电压波动与用待测射线辐照时的输出电压波动吻合即抗噪声辐射探测电路输出第四输出电压与第三输出电压相等。
同时，因探测器输入电路分流带来的影响可忽略。最终，抗噪声半导体探测电路的第四输出电压V0(j2)可由公式9表示：
V0(j2)＝Vj2+VA (9)
同时，结合公式8与公式9获得公式10：
Vi2+VD＝Vj2 (10)
其中，V0(j2)表示为撤离待测射线范围后，示波器获得的抗噪声半导体前置放大模块的第四输出电压；Vj2表示为撤离待测射线范围后，信号发生器贡献的第二有效电压。
S50：根据所述第一有效电压、第二有效电压以及已知辐射源的能量损失，获取待测辐射源的能量损失。
结合公式7与公式10可获得抗噪声半导体探测电路测试公式11：
Vi1-Vi2＝Vj1-Vj2 (11)
考虑在短时间内，前后两次中测试中，前置放大模块输出信号到滤波成形输出信号之间的放大增益A基本保持一定。同时将公式1、公式2与公式3带入公式11可得到公式12：
其中，Ei1为已知辐射源的能量损失，Ei2为待测辐射源的能量损失，A为前置放大模块(3)到滤波成形模块之间的放大增益，Cf为前置放大模块的积分电容，we为产生电子-空穴对所需的平均电离能，e-为一个电子的电荷量，R4为精密电阻，R2为第一分压电阻、R3为第二分压电阻，tw为信号发生器电压脉冲宽度，Vtest1为第一有效电压，Vtest2为第二有效电压。
利用上述公式获取待测辐射源的能量损失，公式12中除了Ei2外均为已知参数，因此，使用公式12进行数据处理获得待测射线所损失的能量Ei2为去除辐射探测器贡献的噪声电压VD以及前置放大模块贡献的噪声电压VA后获得的结果。
综上，本发明的一种抗噪声半导体探测电路及其测试方法提供了一种切实可行的技术方案。抗噪声半导体探测电路加入了信号输入电路，并合理设置精密电阻以及耦合电容参数值，在分别进行探测器信号输入与测试信号输入时，可忽略它们之间相互分流影响。同时，通过前后两次实验测试获得的测试数据，并利用推导获得的抗噪声测试公式进行数据处理，可有效滤除探测器和前置放大器的噪声，从而提高测试信号的信噪比。通过该测试方法可在一定程度上降低探测器与前置放大模块的性能要求，有效降低生产成本。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种抗噪声辐射探测电路，其特征在于，包括半导体探测器模块(1)、电流脉冲生成模块(2)、前置放大模块(3)、极零相消模块(4)和滤波成形模块(5)；
所述半导体探测器模块(1)和电流脉冲生成模块(2)的输出端均与前置放大模块(3)的输入端连接，所述前置放大模块(3)的输出端与极零相消模块(4)的输入端连接，所述滤波成形模块(5)的输入端与极零相消模块(4)的输出端连接；
所述半导体探测器模块(1)能够对辐射源进行探测，输出辐射探测信号；
所述电流脉冲生成模块(2)能够生成电流脉冲信号，以模拟半导体探测器模块(1)产生的信号；
所述前置放大模块(3)能够对辐射探测信号或电流脉冲信号进行一次放大；
所述极零相消模块(4)能够放大后的辐射探测信号或电流脉冲信号进行基线恢复；
所述滤波成形模块(5)能够对基线恢复后的辐射探测信号或电流脉冲信号进行二次放大和滤波。
2.如权利要求1所述的抗噪声辐射探测电路，其特征在于，所述半导体探测器模块(1)包括限流电阻(R1)和探测器(DET)，所述探测器(DET)的一端连接限流电阻(R1)的一端，探测器(DET)的另一端连接信号地，所述限流电阻(R1)的另一端连接高压电。
3.如权利要求1所述的抗噪声辐射探测电路，其特征在于，电流脉冲生成模块(2)包括第一分压电阻(R2)、第二分压电阻(R3)和精密电阻(R4)，所述第一分压电阻(R2)的一端与所述第二分压电阻(R3)的一端连接，所述第一分压电阻(R2)的另一端连接信号发生器，所述第二分压电阻(R3)的另一端连接信号地，所述精密电阻(R4)的一端与所述第二分压电阻(R3)的一端连接，所述精密电阻(R4)的另一端与前置放大模块(3)连接。
4.如权利要求1所述的抗噪声辐射探测电路，其特征在于，所述前置放大模块(3)包括第一放大器(A1)、泄放电阻(Rf)和积分电容(Cf)，所述第一放大器(A1)的负向输入端分别与所述泄放电阻(Rf)的一端和积分电容(Cf)的一端连接，所述泄放电阻(Rf)的另一端和积分电容(Cf)的另一端均与所述第一放大器(A1)的输出端连接，所述第一放大器(A1)的正向输入端连接信号地。
5.如权利要求4所述的抗噪声辐射探测电路，其特征在于，所述极零相消模块(4)包括所述极零相消模块包括第一电阻(Rp)和第一电容(C0)，所述第一电阻(Rp)的一端与所述第一电容(C0)的一端连接，所述第一电阻(Rp)的另一端与所述第一电容(C0)的另一端连接，所述第一电容(C0)的一端与所述前置放大模块的输出端连接，所述第一电容(C0)的另一端与所述滤波成形电路的输入端连接。
6.如权利要求5所述的抗噪声辐射探测电路，其特征在于，所述滤波成形模块(5)包括第二放大器(A2)、第三放大器(A3)、第二电阻(RS)、第三电阻(R0)、第二电容(CS)、第四电阻(R5)和第五电阻(R6)，所述第二放大器(A2)的正向输入端连接第三电阻(R0)的一端，所述第二放大器(A2)的负向输入端分别与第二电阻(RS)的一端和第二电容(CS)的一端连接，所述第二电阻(RS)的另一端和第二电容(CS)的另一端均与第二放大器(A2)的输出端连接，所述第三放大器(A3)的正向输入端与第二放大器(A2)的输出端连接，所述第三放大器(A3)的负向输入端分别与第四电阻(R5)的一端与第五电阻(R6)的一端连接，所述第四电阻(R5)的另一端连接信号地，第五电阻(R6)的另一端连接，所述第三放大器(A3)的输出端。
7.如权利要求6所述的抗噪声辐射探测电路，其特征在于，所述第一放大器(A1)、第二放大器(A2)和第三放大器(A3)均采用AD8066芯片。
8.一种抗噪声辐射探测方法，运用于要求1-7任一所述的抗噪声辐射探测电路，其特征在于，包括：
S10：利用抗噪声辐射探测电路探测已知辐射源，获取抗噪声辐射探测电路输出的第一输出电压；
S20：撤离已知辐射源，调节信号发生器，以使抗噪声辐射探测电路输出第二输出电压与第一输出电压相等，获取信号发生器输出的第一有效电压；
S30：利用抗噪声辐射探测电路探测待测辐射源，获取抗噪声辐射探测电路输出的第三输出电压；
S40：撤离待测辐射源，调节信号发生器，以使抗噪声辐射探测电路输出第四输出电压与第三输出电压相等，获取信号发生器输出的第二有效电压；
S50：根据所述第一有效电压、第二有效电压以及已知辐射源的能量损失，获取待测辐射源的能量损失。
9.如权利要求8所述的抗噪声辐射探测方法，其特征在于，步骤S50还包括：根据所述第一有效电压、第二有效电压以及已知辐射源的能量损失，利用公式获取待测辐射源的能量损失，所述公式为：
其中，Ei1为已知辐射源的能量损失，Ei2为待测辐射源的能量损失，A为前置放大模块到滤波成形模块之间的放大增益，Cf为前置放大模块的积分电容，we为产生电子-空穴对所需的平均电离能，e-为一个电子的电荷量，R4为精密电阻，R2为第一分压电阻、R3为第二分压电阻，tw为信号发生器电压脉冲宽度，Vtest1为第一有效电压，Vtest2为第二有效电压。
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