CN212460063U

CN212460063U - 一种β射线信号处理器

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Publication number: CN212460063U
Application number: CN202021010192.1U
Authority: CN
Inventors: 薛红松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2030-06-04

Abstract

本实用新型公开了一种β射线信号处理器，包括屏蔽窗、闪烁体、光电倍增管、前置放大器、滤波成形电路、脉冲幅度甄别电路和电源模块；β射线通过屏蔽窗进入有机闪烁体，所述闪烁体将射线信号转换为光信号；光信号经光电倍增管转换为电流脉冲信号；从光电倍增管输出的电流脉冲信号依次经前置放大器放大、滤波成形电路进行滤波成形之后，再经过脉冲幅度甄别电路进行幅度甄别后输出方波信号；所述方波信号通过单稳态触发器整形输出标准TTL信号；所述电源模块为光电倍增管、前置放大器和脉冲幅度甄别电路供电。本实用新型降低了成本，可以广泛应用在环境监测(如PM2.5)、精密测量(测厚仪)和科学研究等方面。

Description

一种β射线信号处理器

技术领域

本实用新型涉及核辐射探测技术领域，具体涉及一种β射线信号处理器。

背景技术

核辐射信号处理器又称核探测元件(nuclear detection element)。是探测辐射射线用的器件。常用的有电离室、计数管和闪烁计数器、原子核乳胶、固体核径迹信号处理器和半导体信号处理器等。这类探测元件可以测量辐射射线和它们的性质。其原理主要是利用射线与物质相互作用时所产生的多种效应。如应用带电粒子与物质作用产生电离的原理制作的电离室、计数管，以及α径迹信号处理器等；利用其荧光作用做成的闪烁计数器；利用电离和激发所引起的化学反应过程制作原子核乳胶，固体核径迹信号处理器等。对带电离子可直接应用上述性质，对不带电的粒子(如γ射线)，则应用其与物质作用的三种效应(光电效应、康普顿-吴有训效应、电子对效应)所产生的二次电子来达到上述目的。

目前随着我国应用核技术行业的大力发展，核辐射信号处理器的研制具有核心的地位和作用，如α、β、γ、中子等辐射粒子信号处理器在辐照、环境监测、核医疗、工业生产控制中发挥着不可替代的作用。

然而，现有的核辐射信号处理器的设计或制造仍然还依赖于国外的技术或者零部件，而无法做到完全国产化，从而导致核辐射信号处理器的成本高，不利于工业、医疗等领域的广泛应用。

实用新型内容

本实用新型提供了一种β射线信号处理器，本实用新型为一种能够测量低能β射线的计数型辐射信号处理器，完全实现了国产化，可以广泛应用在放射性污染的场所监测、空气质量的环境监测(如PM2.5)、工业过程控制的精密测量(测厚仪)、临床医学的核酸检测、幽门螺旋杆菌的经典检验、和科学研究等方面。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种β射线信号处理器，包括屏蔽窗、闪烁体、光电倍增管、前置放大器、滤波成形电路、脉冲幅度甄别电路和电源模块；

其中，β射线通过屏蔽窗进入有机闪烁体，所述闪烁体将射线信号转换为光信号；光信号经光电倍增管转换为电流脉冲信号；从光电倍增管输出的电流脉冲信号依次经前置放大器放大、滤波成形电路进行滤波成形之后，再经过脉冲幅度甄别电路进行幅度甄别后输出方波信号；

所述方波信号通过单稳态触发器整形输出标准TTL信号；

所述电源模块为光电倍增管、前置放大器和脉冲幅度甄别电路供电。

本实用新型提供了一种测量低能β射线的计数型辐射信号处理器，其主要由屏蔽窗、闪烁体、光电倍增管(PMT)、前置放大器、滤波成形电路、脉冲幅度甄别电路和电源模块构成的高度集成一体化的小型装置，本实用新型的工作原理为：

β射线通过屏蔽窗口进入塑料闪烁体，与之发生相互作用，塑料闪烁体的分子被激发，其退激时向外发射荧光光子，荧光光子再被光电倍增管捕捉转换为电子，经过倍增放大后输出一个电流脉冲信号；此脉冲信号经过前置放大器放大、滤波成形后，再经过脉冲幅度比较器进行幅度甄别输出方波信号；最后再将方波信号通过单稳态触发器整形，输出具有固定脉冲宽度的标准TTL信号。

优选的，本实用新型的信号处理器还包括高压模块和分压器，所述电源模块用于将外部输入的直流电源传输给高压模块，通过高压模块转换成可调直流高压电源，该可调直流高压电源通过分压器为光电倍增管的倍增极分配高压。

本实用新型的光电倍增管(PMT)的工作条件是需要提供直流高压电源，因此本实用新型采用但不限于高压模块来将外部输入的直流电源转换为可调直流高压电源，之后再通过分压器为每一个倍增极分配高压，以达到光信号收集和电子倍增放大的目的。

本实用新型的电源模块一方面将输入的直流电源提供给高压模块用于转换为高压电源为光电倍增管供电，另一方面还将信号处理器外部的输入电压转换为低电压为信号处理器内部器件模块进行供电。优选的，本实用新型的电源模块用于将外部输入的直流电源转换为±5V低压供电。

本实用新型的屏蔽窗窗口是β射线进入信号处理器的端口，其作用是阻挡光线，避免光线进入到光电倍增管中造成干扰。但同时要使尽可能多的β射线穿过屏蔽窗，以提高测量效率。优选的，本实用新型的屏蔽窗的材料采用但不限于双层镀铝薄膜材料，能够很好地遮挡了光线并使有用的射线穿透。

优选的，本实用新型的镀铝薄膜厚度为3～12μm。

本实用新型中β射线通过屏蔽窗口进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体的分子被激发，其退激时向外发射荧光光子，荧光光子再被光电倍增管捕捉转换为电子，经过倍增放大后输出一个电流脉冲信号。优选的，本实用新型的闪烁体采用但不限于NaI闪烁体、半导体闪烁体或塑料闪烁体。

优选的，本实用新型的前置放大器采用但不限于高速运算放大器AD8039。

优选的，本实用新型的滤波成形电路采用但不限于RC低通滤波器，所述RC低通滤波器滤除高频干扰，再调整参数使脉冲信号形状为准高斯波形，实现滤波成形。

优选的，本实用新型的幅度甄别单稳态整形电路采用但不限于高速比较器MAX907。

优选的，本实用新型的单稳态触发器采用但不限于74HCT221。

从光电倍增管输出的电流脉冲信号是非常微弱的，大约在毫伏量级，必须经过前置放大器将电流信号转换成电压信号，电压幅度放大到2伏左右才有利于后续电路的处理。放大后的电压脉冲信号经过低通滤波器滤除高频干扰，再选择合适参数使脉冲信号形状为准高斯波形，此即为滤波成形。再经过脉冲幅度比较器进行幅度甄别输出方波信号，最后再将方波信号通过单稳态触发器整形，输出具有固定脉冲宽度的标准TTL信号。TTL信号可以通过外接专用计数器或频率计直接读出脉冲计数值，或采用软件计算处理。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

本实用新型提供了一种测量低能β射线的计数型辐射信号处理器，完全实现了国产化，降低了成本，可以广泛应用在环境监测(如PM2.5)、精密测量(测厚仪)和科学研究等方面。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的信号处理器原理框图。

图2为本实用新型的信号处理器内部结构示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所实用新型的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本实用新型的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本实用新型的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本实用新型的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本实用新型的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本实用新型的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本实用新型的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

本实施例提出了一种β射线信号处理器，在设计选型和所有生产环节上全部实现了国产化，大大降低了成本，提高了普适性。

如图1和2所示，本实施例的信号处理器主要是由屏蔽窗、闪烁体、PMT(光电倍增管)、高压分压电路、直流高压电源模块、前置放大器、滤波成形电路、脉冲幅度甄别电路和电源模块组成的高度集成一体化的β射线信号处理器。

其中，屏蔽窗口是β射线进入信号处理器的端口，其作用是阻挡光线，避免光线进入到光电倍增管中造成干扰。但同时要使尽可能多的β射线穿过屏蔽窗，以提高测量效率。

由于低能β射线穿透能力非常弱，在本实施例中采用(3-12)微米的双层镀铝薄膜为屏蔽窗口材料，很好地遮挡了光线并使有用的射线穿透。

在具体实施中发现，镀铝薄膜厚度在3微米至12微米范围均能很好满足实际应用。

闪烁体材料主要是将射线信号转换为光信号，可以选择NaI、半导体或塑料闪烁体多种方式实现。

塑料闪烁体是有机闪烁物质在塑料中的固溶体，属于有机闪烁体。它易于制成各种形状的透明体，具有不潮解、性能稳定、耐辐射、闪烁衰减时间短与价格低廉等优点，是目前应用很广的一种闪烁体。

本实施例中考虑到成本和加工难易采用国产塑料闪烁体，将其加工为厚度(0.5-2.0)毫米，直径(10-26)毫米的圆片使用。

在屏蔽窗口后面紧贴2毫米厚度的塑料闪烁体圆片，β射线通过屏蔽窗口进入塑料闪烁体，与之发生相互作用，塑料闪烁体的分子被激发，其退激时向外发射荧光光子，荧光光子再被光电倍增管捕捉转换为电子，经过倍增放大后输出一个电流脉冲信号。

光电倍增管(PMT)是将光信号转换为电信号的核心部件，其高端应用市场一直被国外企业垄断。

在本实施例中选用国产小直径光电倍增管，其外径(15-30)毫米，长度(50-120)毫米，具有噪声低、工作稳定、价格低廉的特点，完全满足本实施例需求。光电倍增管的工作条件是需要提供直流高压电源，本实施例中采用多级倍压整流电路原理，将12伏输入直流电源转换成700伏至1500伏可调直流高压电源输出。通过电阻网络(分压器)为每一个倍增极分配高压，以达到光信号收集和电子倍增放大的目的。

从光电倍增管输出的电流脉冲信号是非常微弱的，大约在毫伏量级，必须经过前置放大器将电流信号转换成电压信号，电压幅度放大到2伏左右才有利于后续电路的处理。

前置放大器采用高速运算放大器AD8039，具有功耗低、高增益高带宽、低成本、低噪声、低失真等优点。通过两级放大将光电倍增管输出的微弱信号放大到2伏左右的脉冲信号，其宽度为0.5微秒。放大后的电压脉冲信号经过RC低通滤波器滤除高频干扰，再选择合适参数使脉冲信号形状为准高斯波形，实现滤波成形。放大后的模拟脉冲信号经过高速比较器MAX907进行幅度甄别输出方波信号，最后再将方波信号通过单稳态触发器74HCT221整形，输出具有固定脉冲宽度的标准TTL信号。

本实施例中信号处理器外部供电采用正负12伏，在信号处理器内部由电源模块转换为正负5伏低压供电，或由电源模块将外部输入的直流电源传输给高压模块转换成直流高压电源供电。

输出TTL脉冲信号采用50欧姆阻抗高频同轴电缆输出。TTL信号可以通过外接专用计数器或频率计直接读出脉冲计数值，或采用软件计算处理。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种β射线信号处理器，其特征在于，包括屏蔽窗、闪烁体、光电倍增管、前置放大器、滤波成形电路、脉冲幅度甄别电路和电源模块；

所述方波信号通过单稳态触发器整形输出标准TTL信号；

2.根据权利要求1所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，还包括高压模块和分压器，所述电源模块用于将外部输入的直流电源传输给高压模块，通过高压模块转换成可调直流高压电源，该可调直流高压电源通过分压器为光电倍增管的倍增极分配高压。

3.根据权利要求1所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述电源模块用于将外部输入的直流电源转换为±5V低压供电。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述屏蔽窗的材料采用双层镀铝薄膜。

5.根据权利要求4所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述镀铝薄膜厚度为3～12μm。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述闪烁体采用NaI闪烁体、半导体闪烁体或塑料闪烁体。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述前置放大器采用高速运算放大器AD8039。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述滤波成形电路采用RC低通滤波器，所述RC低通滤波器滤除高频干扰，再调整参数使脉冲信号形状为准高斯波形，实现滤波成形。

9.根据权利要求1-3任一项所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述幅度甄别单稳态整形电路采用高速比较器MAX907。

10.根据权利要求1-3任一项所述的一种β射线信号处理器，其特征在于，所述单稳态触发器采用74HCT221。