溴化镧（LaBr3：Ce）γ谱仪前端读出电子学电路

2018-10-11陈彦丽谭新建宋朝晖易义成渠红光

现代应用物理 2018年3期

陈彦丽，谭新建，2，卢毅，宋朝晖，2，易义成，渠红光

（1.西北核技术研究所，西安710024；2.强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024）

目前常用的碘化钠（NaI：Tl）γ谱仪能量分辨率差，高纯锗（HPGe）γ谱仪需液氮制冷且易受中子损伤，碲锌镉（CZT）γ谱仪则受晶体尺寸限制，探测效率低［1－3］。溴化镧（LaBr3：Ce）谱仪是一种新型 γ谱仪，具有良好的综合性能和广泛的应用前景［4－6］，因此，研制溴化镧（LaBr3：Ce）γ谱仪具有重要意义。

γ谱仪系统的能量分辨率主要取决于探测器和前端读出电子学电路，二者的设计都非常关键。目前，国内外报道的溴化镧（LaBr3：Ce）γ谱仪对137Cs 662keVγ峰的能量分辨率一般在2.8%～4%［2，7－10］，基于本文研制的前端读出电子学电路的溴化镧（LaBr3：Ce）γ谱仪对此γ峰的能量分辨率为2.7%，且性能稳定。

1 设计方案和系统组成

能谱测量的方法主要有2种：一种是传统的核电子学方法，采用前置放大－谱仪放大－多道的技术路线，前置放大电路输出的信号与探测器入射粒子能量成正比，但前置放大电路输出信号不便于直接测量，需要通过谱仪放大电路对信号进行预处理，然后统计谱仪放大器输出信号的幅度信息并进行能量刻度，从而获得能谱曲线。另一种是脉冲波形数字化方法，直接记录探测器输出信号波形，通过数据处理，获得需要的物理信息。

传统核电子学方法对数字电路的要求不高，成本低、功耗低，功能单一、电路简单。脉冲波形数字化方法可以获得丰富的物理信息，但电路复杂、功耗大、成本高。针对实际需求，本文中采用传统核电子学方法设计γ谱仪系统的前端读出电子学电路。溴化镧（LaBr3：Ce）γ谱仪系统由探测器、前端读出电子学电路、数字多道分析器及数据处理软件组成，组成框图如图1所示。

图1 溴化镧（LaBr3：Ce）γ谱仪系统组成框图Fig.1Block diagram of LaBr3：Ceγspectrometer system

2 电路设计

溴化镧（LaBr3：Ce）γ谱仪系统的前端读出电子学电路主要包括电压灵敏前置放大电路、谱仪放大电路和供电电源3部分。电压灵敏前置放大电路将探测器输出的电流信号转换成电压信号，通过积分放大获得输出信号幅度与探测器入射粒子能量间的正比关系；谱仪放大电路可对前置放大器输出的信号进行极零相消、滤波、成形及放大；供电电源主要是给探测器和电路提供低噪声的高、低压电源。

2.1 电压灵敏前置放大电路

由于溴化镧（LaBr3：Ce）探测器输出信号幅度较大，故选择了积分型电压灵敏前置放大电路结构进行积分和电压跟随。为了获得较高信噪比，同时使系统小型化，将溴化镧（LaBr3：Ce）探测器和电压灵敏前置放大电路集成在一起，设计的电路原理如图2所示。其中，高压滤波电路由R01，C01，R02，C02组成，通过2次RC低通滤波，滤除高频噪声，减小低频噪声信号幅度。R1，C2和运放OPA820组成RC积分和电压跟随电路，积分时间常数由Ci和R1决定。Ci＝C2＋CD＋CS，其中，CD为探测器极间电容；CS为探测器和放大器之间的分布电容；C2为积分电容，其值较大，所以CD和CS的影响可以忽略。耦合匹配电路由C1，C3和R2组成。探测器输出信号通过C1交流耦合到运器输入端；因为R1电阻较大，导致放大器输入信号本身有一个较大的直流偏置，通过C3交流耦合，使基线恢复到零，使后端电路能正常工作。电压灵敏前置放大器的传递函数为

其中，K1＝R2／Ci；τ0＝R1Ci

测试电路是由R0和C0组成。使用测试电路时，探测器不工作，信号源给出脉宽较宽的方波信号Vp，通过10pF的小电容C0可以产生一个冲击电流，模拟探测器输出的电流信号［11］。

图2 电压灵敏前置放大电路设计原理框图Fig.2Shematic of voltage sensitive pre－amplifier circuit

2.3 谱仪放大电路

在能谱测量系统中，为获得较高的能量分辨率且满足后端数字多道分析器对输入信号幅度要求，在电压灵敏前置放大电路和数字多道分析器之间连接谱仪放大器，对信号进行处理。谱仪放大电路主要由极零相消电路、Sallen－Key滤波成形电路及反相放大电路组成，原理框图如图3所示。

图3 谱仪放大电路设计原理框图Fig.3Schematic of spectroscopy amplifier circuit

极零相消电路采用一级RC微分电路，可将较宽的指数衰减脉冲变成窄脉冲，减少信号堆叠，同时，可使极点和零点相消，消除过冲。极零相消电路的传递函数 H2（s）为

当极零相消时，τ0＝τ1，极零相消后输出为

为了获得最佳信噪比，将电压灵敏前置放大电路输出的脉冲信号极零相消后滤波成形为高斯波形，使信号的顶部变得较平，便于后端数据采集。Sallen－Key滤波成形电路设计使用低通滤波电路，综合考虑信噪比和计数率，设置成形时间约为0.5us。为了获得低频区域的平坦特性，并且使波形失真较小，选用了具有巴特沃兹特性的4次Sallen－Key低通滤波电路［12］。

反相放大电路的主要功能是将信号反相并进一步放大，然后通过交流耦合实现基线恢复到零。

2.4 供电电源

供电电源好坏直接影响电路的噪声水平，从而影响γ谱仪系统的能量分辨率。前端电子学部分的供电电源主要包括高压电源和低压电源，外部仅提供12V电压。高压电源为探测器提供的－1 000V高压，是由天津东文高压电源厂生产的可调高压模块产生，该模块需要＋5V的电源供电。电压灵敏前置放大电路和谱仪放大电路均需要±5V电压。设计的电源转换框图如图4所示。首先通过DC／DC转换将外部12V电压转换为±7V，然后使用TI公司的超低噪声、高PSRR、低压降线性稳压芯片TPS7A91和TPS7A33将±7V转换到±5V，提供给各个模块。

图4 电源转换框图Fig.4Block diagram of power conversion

3 电路仿真

电路设计完成之后，通常使用仿真软件进行仿真，验证理想情况下电路的功能能否实现。文中使用CANDENCE 16.6中自带的PSPICE软件对设计的电压灵敏前置放大电路和谱仪放大电路进行仿真，仿真结果结果分别如图5和图6所示。由图5可见，电压灵敏前置放大电路输出的积分脉冲信号底宽约200us，经过极零相消之后脉冲底宽约4us。由图6可见，输出的高斯脉冲信号底宽约5us，信号顶部变得比较平滑。此外，对谱仪放大器的幅频特性和相频特性的仿真表明，－3dB带宽约300kHz，相位在稳定区间。总之，电路仿真结果表明，设计的电路在理想情况下可以实现设计目标。

图5 电压灵敏前置放大器和极零相消电路仿真结果Fig.5Simulation results of voltage sensitive pre－amplifier and pole－zero cancellation circuits

图6 谱仪放大电路仿真结果Fig.6Simulation results of spectroscopy amplifier circuit

4 电路板设计与制作

电路板设计与制作是实现电路低噪声、高稳定性的重要环节。电路板设计的关键是元器件的选择和电路布局、布线的合理安排。

元器件选用单位增益稳定的低噪声放大器OPA820和贴片封装的低温漂、高精度电阻，放大器旁路电容选择0.1uF和10uF电容并联。电压灵敏前置放大电路与探测器集成在一起，通过同轴电缆连到谱仪放大电路。为了减少寄生电容和寄生电感影响，放大器输入、输出信号管脚下方的电源和地挖空，信号线尽可能短。谱仪放大电路是多级放大器级联，采用6层板设计，有专用的电源和地层，为信号提供最短的地和电源回路，降低寄生电容，提高电路稳定性。研制的电压灵敏前置放大器和谱仪放大器实物如图7所示。

图7 前端读出电子学电路实物图片Fig.7Pictures of front－end readout electronics circuits

5 实验验证

5.1 时域测试

为了验证电压灵敏前置放大电路和主放大电路设计合理性，将溴化镧（LaBr3：Ce）探测器和前端读出电子学电路联调，使用示波器观察输出。图8给出了实测的电压灵敏前置放大电路输出信号波形，图9是实测的谱仪放大电路输出高斯脉冲信号。可以看出，图8和图9分别与图5（a）和图6的电路仿真结果一致。

图8 实测的电压灵敏前置放大电路输出信号波形Fig.8Measured output waveforms of voltage sensitive pre－amplifier circuit

图9 实测的谱仪放大电路输出高斯脉冲信号Fig.9Measured output Gaussian pulse waveform of spectroscopy amplifier circuit

5.2 性能测试

将研制的前端读出电子学电路与溴化镧（LaBr3：Ce）探测器及数字多道分析器结合，组成γ谱仪系统，对137Cs的γ能谱进行测试，测试结果如图10所示。由图10可知，该谱仪系统对137Cs 662keVγ峰的能量分辨率为2.7%，能谱在系统运行4h后展宽较小，系统稳定性较好，表明前端读出电子学电路增益比较稳定，线性度较好。