CN209148876U - 一种便携式核素检测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种便携式核素检测仪，其包括LaBr3探测器、主放大电路、模数转换电路以及多通道脉冲幅度分析器，LaBr3探测器的输出端依次经由主放大电路和模数转换电路连接至多通道脉冲幅度分析器，主放大电路包括脉冲成形及线性放大电路和基线恢复电路，脉冲成形及线性放大电路的输入端连接至LaBr3探测器的输出端，脉冲成形及线性放大电路的输出端经由基线恢复电路连接至模数转换电路的输入端。本实用新型通过脉冲成形及线性放大电路和基线恢复电路组成的主放大电路对LaBr3探测器输出的脉冲信号进行调理，从而使得可以使用成本较低的模数转换器即可获得相应的能量分辨率，节约了成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及辐射检测技术领域，尤其涉及一种便携式核素检测仪。
背景技术
现有的便携式核素检测仪主要以闪烁探测器为主，闪烁探测器主要由闪烁晶体、光电倍增管以及前置放大器组成，射线入射到闪烁晶体后与闪烁晶体的原子发生相互作用，γ射线损失能量被闪烁晶体原子吸收产生电离激发，受激发的原子在退激时，发射出荧光光子，荧光光子会被光电倍增管探测倍增，产生电脉冲信号，由于光电倍增管输出的电脉冲信号幅度较小，需要经过前置放大器匹配输出阻抗后再经由主放大电路以及模数转换器发送给多通道脉冲幅度分析器分析，从而完成核素检测。
闪烁晶体一般采用NaI(TI)晶体或LaBr3晶体，相对而言，NaI(TI)晶体一般应用于分析性能要求不高的场景中，而LaBr3晶体适用于较高性能要求的场景。如图1所示，为现有的LaBr3晶体构成的闪烁探测器即LaBr3探测器组建而成的便携式核素检测仪，其主要包括LaBr3探测器10、主放大电路50、模数转换器20和多通道脉冲幅度分析器30(MCA)，其中，LaBr3探测器10主要包括LaBr3晶体11、光电倍增管12以及前置放大器13。
由于LaBr3探测器10输出的脉冲宽度较窄，上升时间仅为3.4ns，衰减时间常数约为20ns，因此，如果仅采用常规的主放大电路50，用于对LaBr3探测器10输出的脉冲信号进行放大，则需要采样率极高的模数转换器才能获取较高的分析结果，这种情况下，势必增加了便携式核素检测仪的成本、功耗和设计难度。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种便携式核素检测仪，其通过脉冲成形及线性放大电路和基线恢复电路组成的主放大电路对LaBr3探测器输出的脉冲信号进行调理(滤波、整形、放大以及基线恢复)，从而使得可以使用成本较低的模数转换器即可获得相应的能量分辨率，节约了成本。
本实用新型的目的采用如下技术方案实现：
一种便携式核素检测仪，其包括LaBr3探测器、主放大电路、模数转换电路以及多通道脉冲幅度分析器，所述LaBr3探测器的输出端依次经由主放大电路和模数转换电路连接至多通道脉冲幅度分析器，所述主放大电路包括脉冲成形及线性放大电路和基线恢复电路，所述脉冲成形及线性放大电路的输入端连接至LaBr3探测器的输出端，所述脉冲成形及线性放大电路的输出端经由所述基线恢复电路连接至模数转换电路的输入端。
优选地，所述脉冲成形及线性放大电路包括电流电压转换电路、高通滤波电路、反向比例放大电路以及电压跟随器，所述电流电压转换电路的输入端连接至LaBr3探测器的输出端，所述电流电压转换电路的输出端依次通过高通滤波电路、反向比例放大电路以及电压跟随器连接至基线恢复电路的输入端。
优选地，所述电流电压转换电路为电阻R1，所述高通滤波电路包括电阻R2和电容C2，所述反向比例放大电路包括电阻R3、电阻R4、滑动变阻器RX1、电容C2以及放大器U1，所述电压跟随器包括电阻R5、电阻R6和放大器U2；其中，所述放大器U1的反相输入端经由电阻R3和电容C1连接至LaBr3探测器的输出端，所述电阻R1的一端连接至电容C1和LaBr3探测器的输出端之间，电阻R1的另一端接地；所述电阻R2的一端连接至电阻R3和电容C1之间，电阻R2的另一端接地；所述电阻R4的一端连接至放大器U1的同相输入端，电阻R4的另一端接地，所述滑动变阻器RX1和电容C2串联后的两端分别连接至放大器U1的反相输入端和放大器U1的输出端；所述放大器U1的输出端经由电阻R5连接至放大器U2的同相输入端，所述电阻R6的两端分别连接至放大器U2的反相输入端和放大器U2的输出端；所述放大器U2的输出端与基线恢复电路的输入端连接。
优选地，所述脉冲成形及线性放大电路还包括钳位电路，所述钳位电路包括二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极均连接至电阻R3和电容C1之间，所述二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极分别连接至外接的+5V直流电源和-5V直流电源。
优选地，所述基线恢复电路包括低通滤波电路、电压跟随电路以及差分电路，所述低通滤波电路的输入端连接至放大器U2的输出端，所述低通滤波电路的输出端依次经由电压跟随电路和差分电路连接至模数转换器的输入端。
优选地，所述低通滤波电路包括电阻R7和电容C3，所述电压跟随电路包括放大器U3，所述差分电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和放大器U4，所述电阻R7的两端分别连接至放大器U2的输出端和放大器U3的反相输入端，所述电容C3的一端连接至电阻R7和放大器U3的反相输入端之间，电容C3的另一端接地，所述放大器U3的同相输入端与放大器U3的输出端连接，所述放大器U3的输出端经由电阻R8连接至放大器U4的反相输入端，放大器U4的同相输入端经由电阻R9连接至放大器U2的输出端，所述电阻R10的一端连接至电阻R9和放大器U4的同相输入端之间，电阻R10的另一端接地，所述电阻R11的两端分别连接至放大器U4的反相输入端和放大器U4的输出端；所述放大器U4的输出端连接至模数转换器的输入端。
优选地，所述电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R11的阻值均相等。
相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型通过脉冲成形及线性放大电路和基线恢复电路组成的主放大电路对LaBr3探测器输出的脉冲信号进行调理(滤波、整形、放大以及基线恢复)，从而使得可以使用成本较低的模数转换器即可获得相应的能量分辨率，节约了成本的同时，也能保证后续分析结果的准确性。
附图说明
图1为现有便携式核素检测仪的原理框图；
图2为本实用新型便携式核素检测仪的原理框图；
图3为图2中脉冲成形及线性放大电路的电路原理图；
图4为图2中基线恢复电路的电路原理图。
图中：10、LaBr3探测器；11、LaBr3晶体；12、光电倍增管；13、前置放大器；20、模数转换器；30、多通道脉冲幅度分析器；40、主放大电路；41、脉冲成形及线性放大电路；42、基线恢复电路；50、主放大电路。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
请参照图2所示，一种便携式核素检测仪，其包括LaBr3探测器10、主放大电路40、模数转换电路以及多通道脉冲幅度分析器30，LaBr3探测器10的输出端依次经由主放大电路40和模数转换电路连接至多通道脉冲幅度分析器30，主放大电路40包括脉冲成形及线性放大电路41和基线恢复电路42，脉冲成形及线性放大电路41的输入端连接至LaBr3探测器10的输出端，脉冲成形及线性放大电路41的输出端经由基线恢复电路42连接至模数转换电路的输入端。
LaBr3探测器10包括LaBr3晶体11、光电倍增管12以及前置放大器13，射线入射到LaBr3晶体11后与LaBr3晶体11的原子发生相互作用，γ射线损失能量被LaBr3晶体11原子吸收产生电离激发，受激发的原子在退激时，发射出荧光光子，荧光光子会被光电倍增管12探测倍增，产生电脉冲信号，由于光电倍增管12输出的电脉冲信号幅度较小，需要经过前置放大器13匹配输出阻抗后再经由主放大电路40以及模数转换器20发送给多通道脉冲幅度分析器30分析，从而完成核素检测，LaBr3探测器10以及多通道脉冲幅度分析器30均采用现有成形产品，这里不再对其结构和连接方式进行详细描述。
由于LaBr3探测器10输出的脉冲宽度较窄，为了节约成本，使用采样率(能量分辨率)一般的ADC(模数转换器20)即可完成数模转换，在本实用新型较佳的实施例中，对主放大电路(现有的主放大电路主要是线性放大电路)进行改进，主要是在线性放大电路前后分别增加脉冲成形电路和基线恢复电路42，其中，这里将脉冲成形电路和原有的线性放大电路合称为脉冲成形及线性放大电路41。
请参照图3所示，脉冲成形及线性放大电路41包括电流电压转换电路、高通滤波电路、反向比例放大电路以及电压跟随器，电流电压转换电路的输入端连接至LaBr3探测器10的输出端，电流电压转换电路的输出端依次通过高通滤波电路、反向比例放大电路以及电压跟随器连接至基线恢复电路42的输入端。
具体的，电流电压转换电路采用电阻R1，高通滤波电路包括电阻R2和电容C2，反向比例放大电路包括电阻R3、电阻R4、滑动变阻器RX1、电容C2以及放大器U1，电压跟随器包括电阻R5、电阻R6和放大器U2；其中，放大器U1的反相输入端经由电阻R3和电容C1连接至LaBr3探测器10的输出端，电阻R1的一端连接至电容C1和LaBr3探测器10的输出端之间，电阻R1的另一端接地；电阻R2的一端连接至电阻R3和电容C1之间，电阻R2的另一端接地；电阻R4的一端连接至放大器U1的同相输入端，电阻R4的另一端接地，滑动变阻器RX1和电容C2串联后的两端分别连接至放大器U1的反相输入端和放大器U1的输出端；放大器U1的输出端经由电阻R5连接至放大器U2的同相输入端，电阻R6的两端分别连接至放大器U2的反相输入端和放大器U2的输出端；放大器U2的输出端与基线恢复电路42的输入端连接。
LaBr3探测器10输出(即前置放大器13的输出端)的脉冲电流信号，通过电阻R1转换成脉冲电压信号，再由电容C1和电阻R2组成的高通滤波电路滤除低频噪声及暗电流等产生的直流分量。放大器U1为反向比例放大，其作用是将脉冲电压信号整形到固定宽度(宽度有滑动变阻器RX1和电容C2决定)，线性放大的倍数由滑动变阻器RX1和电阻R3的比值确定，可以通过调节滑动变阻器RX1来改变线性放大倍数，同时，放大器U1还将负脉冲信号转变成正脉冲信号。放大器U2为电压跟随器，其具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，从而提高负载能力，并对后端起到隔离作用，达到阻抗匹配的效果。
另外，在脉冲成形及线性放大电路41还设有对后端起到保护作用的钳位电路，钳位电路包括二极管D1和二极管D2，二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极均连接至电阻R3和电容C1之间，二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极分别连接至外接的+5V直流电源和-5V直流电源。
LaBr3探测器10输出的脉冲信号通过前置放大器13和脉冲成形及线性放大电路41后，常常会具有缓慢衰减的尾部，当便携式核素检测仪的计数率较高时，尾部堆积会引起明显的基线偏移，基线偏移会使便携式核素检测仪的能谱峰位移动，并引起能量分辨率的下降，从而需要对基线进行稳定。
请参照图4所示，在本实用新型较佳的实施例中，基线恢复电路42包括低通滤波电路、电压跟随电路以及差分电路，低通滤波电路的输入端连接至放大器U2的输出端，低通滤波电路的输出端依次经由电压跟随电路和差分电路连接至模数转换器20的输入端。
具体的，低通滤波电路包括电阻R7和电容C3，电压跟随电路包括放大器U3，差分电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和放大器U4，电阻R7的两端分别连接至放大器U2的输出端和放大器U3的反相输入端，电容C3的一端连接至电阻R7和放大器U3的反相输入端之间，电容C3的另一端接地，放大器U3的同相输入端与放大器U3的输出端连接，电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R11的阻值均相等；放大器U3的输出端经由电阻R8连接至放大器U4的反相输入端，放大器U4的同相输入端经由电阻R9连接至放大器U2的输出端，电阻R10的一端连接至电阻R9和放大器U4的同相输入端之间，电阻R10的另一端接地，电阻R11的两端分别连接至放大器U4的反相输入端和放大器U4的输出端；放大器U4的输出端连接至模数转换器20的输入端。
脉冲成形及线性放大电路41输出(即放大器U2的输出端)的信号经过电阻R7和电容C3构成的低通滤波电路，将直流偏移量增加到放大器U3反相输入端，放大器U3为电压跟随器实现阻抗变换，其输出端输出的记为直流漂移量记为V1，该直流漂移量通过差分电路可以得到Vo＝Vi-V1，其中，Vo为基线恢复电路42的输出电压，即放大器U4的输出端电压，Vi为脉冲成形及线性放大电路41的输出电压，即放大器U2的输出端电压，由此可以看出，经过基线恢复电路42输出的电压去除了直流漂移量，达到恢复和稳定基线的目的。
上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种便携式核素检测仪，其包括LaBr3探测器、主放大电路、模数转换电路以及多通道脉冲幅度分析器，所述LaBr3探测器的输出端依次经由主放大电路和模数转换电路连接至多通道脉冲幅度分析器，其特征在于，所述主放大电路包括脉冲成形及线性放大电路和基线恢复电路，所述脉冲成形及线性放大电路的输入端连接至LaBr3探测器的输出端，所述脉冲成形及线性放大电路的输出端经由所述基线恢复电路连接至模数转换电路的输入端。
2.如权利要求1所述的便携式核素检测仪，其特征在于，所述脉冲成形及线性放大电路包括电流电压转换电路、高通滤波电路、反向比例放大电路以及电压跟随器，所述电流电压转换电路的输入端连接至LaBr3探测器的输出端，所述电流电压转换电路的输出端依次通过高通滤波电路、反向比例放大电路以及电压跟随器连接至基线恢复电路的输入端。
3.如权利要求2所述的便携式核素检测仪，其特征在于，所述电流电压转换电路为电阻R1，所述高通滤波电路包括电阻R2和电容C2，所述反向比例放大电路包括电阻R3、电阻R4、滑动变阻器RX1、电容C2以及放大器U1，所述电压跟随器包括电阻R5、电阻R6和放大器U2；其中，所述放大器U1的反相输入端经由电阻R3和电容C1连接至LaBr3探测器的输出端，所述电阻R1的一端连接至电容C1和LaBr3探测器的输出端之间，电阻R1的另一端接地；所述电阻R2的一端连接至电阻R3和电容C1之间，电阻R2的另一端接地；所述电阻R4的一端连接至放大器U1的同相输入端，电阻R4的另一端接地，所述滑动变阻器RX1和电容C2串联后的两端分别连接至放大器U1的反相输入端和放大器U1的输出端；所述放大器U1的输出端经由电阻R5连接至放大器U2的同相输入端，所述电阻R6的两端分别连接至放大器U2的反相输入端和放大器U2的输出端；所述放大器U2的输出端与基线恢复电路的输入端连接。
4.如权利要求3所述的便携式核素检测仪，其特征在于，所述脉冲成形及线性放大电路还包括钳位电路，所述钳位电路包括二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极均连接至电阻R3和电容C1之间，所述二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极分别连接至外接的+5V直流电源和-5V直流电源。
5.如权利要求3所述的便携式核素检测仪，其特征在于，所述基线恢复电路包括低通滤波电路、电压跟随电路以及差分电路，所述低通滤波电路的输入端连接至放大器U2的输出端，所述低通滤波电路的输出端依次经由电压跟随电路和差分电路连接至模数转换器的输入端。
6.如权利要求5所述的便携式核素检测仪，其特征在于，所述低通滤波电路包括电阻R7和电容C3，所述电压跟随电路包括放大器U3，所述差分电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和放大器U4，所述电阻R7的两端分别连接至放大器U2的输出端和放大器U3的反相输入端，所述电容C3的一端连接至电阻R7和放大器U3的反相输入端之间，电容C3的另一端接地，所述放大器U3的同相输入端与放大器U3的输出端连接，所述放大器U3的输出端经由电阻R8连接至放大器U4的反相输入端，放大器U4的同相输入端经由电阻R9连接至放大器U2的输出端，所述电阻R10的一端连接至电阻R9和放大器U4的同相输入端之间，电阻R10的另一端接地，所述电阻R11的两端分别连接至放大器U4的反相输入端和放大器U4的输出端；所述放大器U4的输出端连接至模数转换器的输入端。
7.如权利要求6所述的便携式核素检测仪，其特征在于，所述电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R11的阻值均相等。
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| CN110460313A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-15 | 湘潭大学 | 一种用于辐射探测器的微弱信号读出电路 |
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