基于复合式闪烁体的x、γ剂量率测量电路设计

姚 飞，任 永，杜树标，甘 霖，曹 舟

(绵阳市维博电子有限责任公司，四川 绵阳 621000)

【光学工程与电子技术】

基于复合式闪烁体的x、γ剂量率测量电路设计

姚 飞，任 永，杜树标，甘 霖，曹 舟

(绵阳市维博电子有限责任公司，四川 绵阳 621000)

设计了一种基于复合闪烁体的x、γ射线剂量率测量电路，通过采用稳压管分压电路方法及切换量程方法，提升稳定性、减小非线性偏差；试验结果表明：电路性能稳定，线性度优异；在环境本底下，-10～40℃内，偏差小于10%；1.6～2 000 usv/h量程内，非线性偏差小于±4%。

复合探测；剂量率；稳定性；线性偏离

环境级剂量率监测仪是放射性场所必备设备，可有效检测放射性沾污水平。由于其极高的灵敏度，环境级别的弱放射性发生泄漏时也可立刻感知，保证了工作人员健康安全。但目前环境级剂量率监测仪在探测过程中存在环境本底下稳定性差、高剂量率下线性偏离大等问题，主要是由于本底下探头输出信号较小，易受探测器及电路本身直流偏移量影响；高剂量率下，探头输出信号过大，导致探头的高压偏置失真，致使输出信号非线性过大。因此，减小探头、电路直流偏移量及提高稳定性，减小大信号下高压偏置失真，是解决问题的关键，本文设计了一种基于复合式闪烁体的x、γ剂量率测量电路，有效地提高测量稳定性，提高了线性度。

1 x、γ剂量率测量方案设计

系统主要由复合式探头、电流灵敏型前置放大电路、滤波成型电路、C8051F350单片机(内含24位AD)、高压电路、分压电路、RS232总线通讯接口电路等模块组成。

高压分压电路为光电倍增管提供正常使用时所需的偏置电压，当探头检测到射线时，将输出电流脉冲，经电流灵敏型前置放大器转化为电压信号，并积分滤波，然后滤波成形，再对信号进行AD转换，单片机根据采集到电压大小，通过软件程序计算出剂量值,最后通过RS232总线通讯接口输出。

2 硬件设计

2.1 复合式探测器

探测器主要由NaI晶体、涂ZnS的塑料闪烁体、光电倍增管、聚四氟乙烯封装、分压底座等组成,其结构如图1所示。探测器将x、γ射线转换成荧光，ZnS(Ag)充当反光层，光子通过锥形闪烁体收集，通过光电倍增管光电转换和放大，产生相应的电流脉冲，然后采用电流积分电路对信号转换采集并处理，实现对x、γ射线剂量率的测量[1-2]。

2.2 高压分压电路

分压电路为PMT提供工作电压，电压的稳定性直接决定探测器输出信号的精度。本设计采用锥形分压，比均分压其线性范围高出5倍。同时第1级与最后2级采用稳压管，保证偏置电压的稳定性。从本底到最高剂量率，PMT输出电流变化范围1 nA～30 μA，本设计分压电路静态工作点设置为50 μA。

图2是分压电路静态电流50 μA时，2种分压电路的线性度。曲线①是常规电阻分压电路，大电流下线性度；曲线②是稳压管分压电路，大电流下线性度。可以看出稳压管分压电路全测量范围内非线性失真小于5%[3]。

2.3 高压监测电路

高压电路由高压模块、AD采集转换电路及高压处理电路组成,输出电压为0～-1 000VDC,其电路原理如图3所示。

高压模块采用海声星光生产的HSN3-122高压模块，输出电压调节范围：0～-1 000VDC，纹波系数小于0.005%，调节电阻为0～10 k。高压处理电路对高压值进行处理和采样，由于AD无法采样负电压，需采用反向放大器，将0～-1 000 V转换为0～2.1 V，C22用于平滑高压输出纹波。

(1)

Vo为反向反放大器输出电压，HV为高压模块输出电压。将Vo输入到C8051F350的AD端口进行模数转换，实时监控高压模块输出的高压值。

图2 2种分压电路大电流下非线性失真

2.4 电流灵敏前置放大电路

采用电流灵敏型前置放大器，将光电倍增管输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号，对信号进行脉冲叠加，最后输出缓慢变化的直流信号。二极管D1用于运放输入端保护。U6为模拟开关，用于切换量程，当输入信号较大时，软件控制模拟开关闭合，切换反馈电阻实现100倍量程切换。其电路原理如图4所示。

图3 高压电路原理图

图4 电流灵敏前置放大器原理图

前放的传递公式Vout=Iin*R1，C1为积分电容，用于电流脉冲积分为平均电流[4-5]。

运放的选择：根据探头输出信号范围300 pA～30 μA，为满足最小量程稳定性要求，运放输入端偏置电流变化应小于30 pA，所运放的失调电流应小于30 pA。运算放大器选用OPA333，输入失调电流≤1 pA、失调电压30 μV。

2.5 信号整形及AD采样

信号整形主要是在脉冲信号经前置放大后，对快速变化的信号进行平滑整形，同时提高抗干扰性，获得幅度较易测量的波形。

AD转换采用C8051F350处理器集成的24位∑ΔAD转换器，AD内包括缓冲器、可变增益放大器、输出滤波器、电压基准。

A/D转换模块的精度直接影响整个系统精度，所以通过合理设计采样电路、设定转换速率及输出滤波器，使ADC0具有高转换精度。

电路设计上，数字地与模拟地分开，采用磁珠单点连接；测量信号经过低通滤波电路；

AD模块配置上，设置为单端采集，AD转化频率10 kHz，开启缓冲器，VGA设置为1x，抽取比设置为最大1 920，实现较高的有效转换位数。

输入信号范围300 pA～30 μA，5个量级，由于采用100x量程切换，当输入信号超过300 nA时，前置放大器中模拟开关闭合，信号转换灵敏度缩小100倍，即AD采样只需10位，可以覆盖整个量程，而采样转换电路有效范围高达17.28位，满足要求。

2.6 数据通信

模块有UART接口，采用RS232通讯，通讯速率为1 920 bit/s,通过串口接收模块设置参数，定时或查询输出x、γ剂量率。

3 试验测试结果及分析

设备在环境实验室及计量站的标准辐射场中分别测试本底下稳定性及全量程的线性度，结果见图5，图6。为了如实反映测量电路特性，测量值以AD采样值表示。

图5 本底实验测试数据

图6 剂量率测试数据

用温湿度箱模拟不同环境对探测器的影响。由于本设计采用低失调电压、低失调电流前置放大和低暗电流PMT，温度影响较小。

(2)

X为相对偏差，VT为不同温度下测量值，V20°为20°下测量值。由表1可见，-10～40℃范围内偏差小于10%。

将仪表置于辐射场中，通过设置Cs137源的不同剂量值，测试仪表的线性度。实验结果如图6 300 usv/h以上测试值，由于切换量程，以等效电压值表示。

图6中，真值(D′)和测量值(V)用最小二乘法拟合出线性表达式：

D=16.023 9*V+2.493 8

(3)

D为计算值，V为测量值。

将测量值V代入式(3)，计算出D，然后得到D与D′的相对误差X:

(4)

从计算结果表1可以看出在1.6～2 000usv/h，相对误差小于±4%。

表1 剂量率测试数据

4 结束语

目前行业普遍使用基于脉冲计数法测量电路的仪表，在本底下，-10～40℃内，偏差小于15%；线性刻度偏差小于±5%,量程最大到100 usv/h。而本文设计的电路，本底下，-10～40℃内，偏差小于10%；线性刻度偏差小于±4%，量程可达2 000 usv/h。说明本测量电路在宽温度范围具有良好的稳定性、在宽量程范围具有更优的线性度。

[1] 李文强,杨裔剑侠,杨录,等.高计数率α、β粒子辐射检测方法研究与实现[J].仪器仪表学报,2013,34(2):311-312.

[2] SERGIO F.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits[M].3rdEdition.American，McGraw-Hill Companies,2010.

[3] 北京滨松光子技术股份有限公司.光电倍增管简介及使用特性[EB/OL].http://www.bhphoton.com.2005.

[4] 邓智,康克军,程建军.低噪声CMOS电荷灵敏前置放大器[J].清华大学学报(自然科学版),2005,45(12):1644-1645.

[5] 苏弘，董成富，彭宇.一种新型电荷灵敏前置放大器和成形峰保持混合电路[J].核电子学与探测技术,2007,27(6):1005-1006.

[6] 王晋荣,刘良芳,谭思亮,等.元器件研究所工艺装备管理模式探究[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2015,32(1):59-63.

(责任编辑 杨继森)

Design of x、γ Dose Rate Measurement Circuit for Composite Scintillator

YAO Fei, REN Yong, DU Shu-biao, GAN Lin, CAO Zhou

(Mianyang Weibo Electronics Co., Ltd., Mianyang 612000, China)

A new x and γ dose rate measurement circuit for composite scintillator was designed. In the circuit, the auther used the method of diode voltage divider and switching range to improve the stability and reduce the nonlinear error. The test results show that the circuit performance is stable and the linearity is excellent. Under the background radiation, the deviation is less than 10% in the temperature range of -10～40℃, and the non-linear is less than ±4% in the measuring range of 1.6～2 000 usv/h.

compound detection; dose rate; stability; linear deviation

2016-10-27；

2016-11-25 作者简介：姚飞(1984—)，男，工程师，主要从事电路设计及检测技术研究。

10.11809/scbgxb2017.03.036

姚飞，任永，杜树标，等.基于复合式闪烁体的x、γ剂量率测量电路设计[J].兵器装备工程学报，2017(3):160-163.

format:YAO Fei, REN Yong, DU Shu-biao, et al.Design of x、γ Dose Rate Measurement Circuit for Composite Scintillator[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):160-163.

TL81

A

2096-2304(2017)03-0160-04