CN204392193U - 一种中子探测器的放大电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种中子探测器的放大电路。本实用新型包括前置放大器、主放大器、甄别器和触发器，其特征在于，所述前置放大器中包括运算放大器和两场效应管：第一场效应管和第二场效应管，其中第一场效应管的栅极与正比计数管的信号输出端连接，源极与低压电源正极连接、漏极经一电阻与低压电源负极连接；第二场效应管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，源极与低压电源正极连接、漏极经一电阻与低压电源负极连接；所述第一场效应管的漏极、第二场效应管的漏极分别与所述运算放大器的一输入端连接。本实用新型电路计数稳定，完全满足该中子探测器的运行要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种放大电路，具体地说，是涉及一种用于中子剂量监测仪的放大电路。
背景技术
中子不带电荷，因此它不能直接引起物质电离而被探测。中子的探测必须通过探测其与原子核发生相互作用产生的次级带电粒子来实现。中子的测量包括数量测量，即注量测量、剂量当量测量和能谱测量。用于中子剂量测量的探测器通常分为两类：有源探测器和无源探测器。有源探测器又可分为测量脉冲计数和测量电离电流两种。电离室、正比计数器、半导体闪烁体探测器等都属于有源探测器；无源探测器包括核乳胶、核径迹、热释光、气泡室等。
探测器电子学系统如图1所示，主要包括：高低压电源、高压滤波、输入缓冲器、放大电路等部分，最为重要的放大电路由前置放大器、主放大器、甄别器和触发器四部分组成。
实用新型内容
本实用新型是在已知作为中子探测器探头的正比计数管输出信号的基础上设计的适合的放大电路，设计了放大电路的四个组成部分：前置放大器、主放大器、甄别器和触发器，从测试结果看完全满足该中子探测器的运行要求。
本实用新型所研制的放大电路是用于以3He正比计数管作为热中子灵敏探头的中子剂量仪，探头选取美国LND公司型号为27036的球形3He正比计数管。由于计数管输出的信号非常小(只有几mV)，一般都要经过放大器放大后再进行测量，小信号与噪声处于同一量级，所以传统的放大电路很难准确地捕捉到此信号脉冲并将其放大，或者会把部分噪声放大导致假计数。信号的放大效果直接关系到整个探测器的性能。
本实用新型的技术方案为：
一种中子探测器的放大电路，包括前置放大器、主放大器、甄别器和触发器，其特征在于，所述前置放大器中包括运算放大器和两场效应管：第一场效应管和第二场效应管，其中第一场效应管的栅极与正比计数管的信号输出端连接，源极与低压电源正极连接、漏极经一电阻与低压电源负极连接；第二场效应管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，源极与低压电源正极连接、漏极经一电阻与低压电源负极连接；所述第一场效应管的漏极、第二场效应管的漏极分别与所述运算放大器的一输入端连接。
进一步的，所述正比计数管的信号输出端依次经一电容和一电阻与所述第一场效应管的栅极连接；所述第二场效应管的栅极经一并联的电容、电阻与所述运算放大器的输出端连接。
进一步的，所述并联的电容、电阻中的电容值为2～5pF。
进一步的，所述正比计数管为球形3He正比计数管。
进一步的，所述甄别器为电压比较器。
进一步的，所述主放大器的增益G＝50。
进一步的，所述主放大器为运算放大器AD620。
与现有技术相比，本实用新型的积极效果为：
1、前置放大电路设计：通过加入场效应管抑制伴随信号的噪声，使微弱信号以较高信噪比到达放大器；通过选择高性能运算放大器不失真放大原始信号。
2、主放大器设计：通过选择与前放相匹配的运算放大器达到对前置放大器输出信号进一步放大的目的，选择反向输入端作为放大器的输入使主放大器输出信号变成正的。
3、甄别器设计：选择电压比较器作为脉冲幅度甄别器，通过调节甄别电压的方式甄别掉非兴趣区的信号。
4、触发器设计：甄别后得到的信号经过数字触发器触发成形最终输出方波脉冲。
附图说明
图1为探测器电子学系统图；
图2为前置放大器电路图；
图3为主放大器电路图；其中，1、8为外接调整电阻端口；2、3为外接输入信号端口(2接信号的负极，3接信号的正极)；4、7为外部电源接入端口(4接电源的负极，7接电源的正极)；5为参考端，一般情况下与地连接；6为放大后信号的输出端。
图4为脉冲幅度甄别器电路图；
图5为3He正比计数管脉冲幅度谱图；
图6为环境本底捕捉到的中子信号图。
具体实施方式
1、前置放大电路的设计
前置放大器是整个电路的重要组成部分。粒子通过探测器时使探测器产生电离、激发或光电转换等过程，输出信号的电荷量正比于粒子在探测器中消耗的能量：n+3He→p+3T+0.764MeV，在这个反应中，每个热中子反应都以氚核和质子动能的形式沉积764keV的能量，3He的电离能大约为35eV，产生的离子对约为2.2×104，电荷量为3.5×10-15C，经气体放大以后电流信号依然十分微弱，多在毫伏量级。实验测得型号为LND27036的3He正比计数管原始信号约4mV。正比计数管的输出阻抗往往比后接电路的输入阻抗大得多，可以等效为一个电流源。电流灵敏型前置放大器输入电阻较小，时间响应好，是对正比计数管输出的电流信号直接进行放大，可用于高计数率和高本底的情况，电流灵敏前置放大器的优点使其能适用于各种中子场。电流灵敏前置放大器的基本要求是其输入高频等效电路的时间常数必须足够小，过渡过程足够快，所以前置放大器的输出波形与3He正比计数管的电流收集过程的波形一致。
前置放大电路如图2所示，前置放大电路中运算放大器使用美国AD公司的宽带电流反馈型运算放大器AD811，其优点为频率高、带宽宽、偏置电流小。为降低噪声使用低噪声场效应对管2N5199，两个场效应管的栅极都有二极管保护，使其开关电源时不容易损坏。前置放大器中积分电容C3对噪声的控制至关重要，对输出信号的信噪比有巨大影响，在大量实验的基础上确定C3经验值为2～5pF。
2、主放大电路的设计
经过前置放大电路输出100mV的模拟信号还不利于后续数字电路的处理，所以需要进一步放大信号。主放大电路如图3所示。主放大电路中选用运算放大器AD620，AD620的增益通过电阻RG进行编程，或者更准确的说，通过引脚1与引脚8之间存在的任何阻抗进行编程。其增益可由式子：
给出。设定主放大器的增益G＝50，主放输出的脉冲在2V～5V之间。
3、甄别电路的设计
辐射场的中子辐射往往伴有γ辐射，所以一个中子探测器除了要有中子探测效率、能量时间分辨能力、寿命等多种性能指标与参数外，还必须要有较好的γ甄别能力。本设计用热中子灵敏的正比计数管作为探头，慢化体可以极大地提高中子的探测效率，降低γ射线的干扰程度。γ光子进入正比计数管后使气体电离，电离产生的电荷量要比中子与3He发生核反应产生的电荷量少，所以γ产生的信号幅度通常都比中子产生的信号小，这样就可以设计一个脉冲幅度甄别器通过调节域值达到幅度甄别的目的。由LM393组成一个电压比较器作为脉冲幅度甄别器，其原理图如图4所示，放大电路输出的模拟信号接LM393正输入端，负输入端经过一个可变电阻接到电源作为可调的参考电压。
选择合适的甄别电压可以准确地甄别掉γ信号和噪声干扰。做n-γ分辨实验得出合适的甄别电压。实验中用的γ源为137Cs。其标参为：距探头1.5m处的剂量率为6.87μGy/min；距探头2.5m处的剂量率为2.45μGy/min；距探头3.5m处的剂量率为1.25μGy/min。用γ源照射探头，距离放射源不到1m，探头处的剂量率为约1mSv/h，在这种剂量下得到的γ信号最大不到0.6V。实验使用中子源为252Cf，其活度为20MBq，在此中子源下得到的中子信号都在2V以上。可以把甄别电压调为1V。
更为严谨的方法是用多道分析器实验测得n-γ脉冲幅度谱，以脉冲幅度谱的形状进行甄别。同时还可以验证电路的可靠性。实验测得的裸管脉冲幅度谱如图5所示。
全能峰出现在768道左右，淀积能量为765keV，γ信号与中子信号有一段较宽的间隔，将域值设定在128道就可以很好地把γ信号甄别掉。
4、触发成形电路的设计
为了给甄别器输出信号进一步整形以方便计数，需要在电路的最后一级加一个触发器，整形以后输出一个方波信号。本设计中选用的触发器是单稳态触发器74HC123。经过甄别器以后的中子信号再经过触发成形输出脉宽约70μs的方波。
5、放大电路测试结果
图6是示波器上显示的在本底计数的情况下捕捉到的中子信号，图中信号1是正比计数管得到的原始脉冲，幅度约为-4mV；信号2是前置放大器输出的信号，脉冲幅度约为-100mV；信号4是主放大器放大后输出的信号，脉冲幅度约4V；信号3是经过甄别成形得到的幅度约为4V的方波。经过长时间的测试本文设计出的电路计数稳定，性能完全满足要求。
Claims (7)
1.一种中子探测器的放大电路，包括前置放大器、主放大器、甄别器和触发器，其特征在于，所述前置放大器中包括运算放大器和两场效应管：第一场效应管和第二场效应管，其中第一场效应管的栅极与正比计数管的信号输出端连接，源极与低压电源正极连接、漏极经一电阻与低压电源负极连接；第二场效应管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，源极与低压电源正极连接、漏极经一电阻与低压电源负极连接；所述第一场效应管的漏极、第二场效应管的漏极分别与所述运算放大器的一输入端连接。
2.如权利要求1所述的中子探测器的放大电路，其特征在于，所述正比计数管的信号输出端依次经一电容和一电阻与所述第一场效应管的栅极连接；所述第二场效应管的栅极经一并联的电容、电阻与所述运算放大器的输出端连接。
3.如权利要求2所述的中子探测器的放大电路，其特征在于，所述并联的电容、电阻中的电容值为2～5pF。
4.如权利要求2所述的中子探测器的放大电路，其特征在于，所述正比计数管为球形3He正比计数管。
5.如权利要求1或2或3或4所述的中子探测器的放大电路，其特征在于，所述甄别器为电压比较器。
6.如权利要求1或2或3或4所述的中子探测器的放大电路，其特征在于，所述主放大器的增益G＝50。
7.如权利要求1或2或3或4所述的中子探测器的放大电路，其特征在于，所述主放大器为运算放大器AD620。
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