CN102323609A - 四元并行碲锌镉核辐射探测器装置 - Google Patents

四元并行碲锌镉核辐射探测器装置 Download PDF

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沈萍
王林军
施朱斌
张继军
梁小燕
闵嘉华
毕美
梁巍
王君楠
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Abstract

本发明涉及一种四元并行碲锌镉核辐射探测器装置,它包括四个碲锌镉探测器，每个碲锌镉探测器分别经过一个前置放大器再经过一个差分放大器和一个主放大器，然后一起连接一个加法电路，最后该加法电路连接到一个多道能谱仪和数字示波器，四个碲锌镉探测器测得的信号，经放大后由多道能谱仪和数字式波器进行处理。该探测器比传统的单元探测器探测面积大，探测效率高，探测时间短，适用于便携式核辐射探测谱仪，可广泛应用于核废料监控，环境监测以及机场港口铁路货物等的反射性检测。

Description

四元并行碲锌镉核辐射探测器装置
技术领域
本发明涉及一种新型核辐射探测器装置，即四元并行方式碲锌镉探测器该探测器比现有的探测器可测面积、探测效率高，探测时间短，为多元并行探测器的发展提供了一种可行性方案，使得该探测器向大体积方向发展，使核安全领域的探测技术更加成熟和全面。
背景技术
目前，国内外核辐射探测器可以大致分为气体探测器，闪烁探测器以及半导体探测器三大类。但由于半导体化合物材料的优越性，如激发一对电子-空穴对所需的平均能量比较低，且能量的分辨率比较高，所以大家都把研究的目标聚焦在半导体材料的探测器，而碲锌镉作为一种优异的半导体化合物材料在目前的研究中也得到越来越多的重视。由于碲锌镉材料具有很高的电阻率，使其具有较低的漏电流，因此在小功率，小型化电路或集成电路型电子设备中应用广泛，但现在一些大型的电路中需要用到大探测面积碲锌镉探测器，传统的方法是通过生长大单晶锌镉材料来实现大探测面积探测器，然而获取大单晶探测器级碲锌镉材料工艺难度大，对实验设备要求高，制备成本高。我们提出通过将多个单一的碲锌镉探测器通过并行的方式合成，也能达到增大探测面积的目的。
本发明通过四元并行的结构来增大探测面积，设计合适的读出电路得到适合研究的能谱。既能克服当前生长大体积的碲锌镉单晶困难，又能解决单个探测器体积小，探测效率低，测量时间长的缺点，具有偏置电压低，能量分辨率好，可在室温下工作的优点。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷,提供一种四元并行碲锌镉核辐射探测装置。本装置可广泛应用于核安全领域。
为达到上述目的,本发明采用下述技术方案：
一种四元并行碲锌镉核辐射探测器装置，包括四个碲锌镉探测器，其特征于每个碲锌镉探测器分别经过一个前置放大器再经过一个差分放大器和一个主放大器，然后一起连接一个加法电路，最后该加法电路连接到一个多道能谱仪和数字示波器，四个碲锌镉探测器测得的信号，经放大后由多道能谱仪和数字式波器进行处理。
所述前置放大器和差分放大器的结构：
a.在信号输入部分，正偏压与接地端之间连接电阻R1和电容C1，负载R2加在探测器D1上，在D1和场效应管Q1的栅极之间接电容C2，在D1的信号端和C1间接电阻R6。
b.取场效应管Q1作为放大器的输入级，信号输入到Q1的栅极，在Q1的漏极和直流电压Ec间接电阻R10，在Q1的源极与接地端之间接R18，在R18两端并联电容C11，再将漏极的信号输入到差分放大器U1A的正向输入端，该正向输入端与Ec间串联电阻R10和R34，在R10和地端接并联连接的C6和C10，在反向输入端与Ec和接地端间分别接R22和R26，在R26两端并联C22，U1A的输出端接到U1B的正向输入端，在U1B的反向输入端与地端之间接R11和C26，U1B的输出端接电阻R38，在R38与U1B的反向输入端之间接一个反馈电阻R30，在U1A的输出端与Q1的栅极间接电阻R12，在R12两端并联电容C18，构成泄放电路。
所述加法电路结构：四个碲锌镉核辐射探测器A、B、C、D的信号输出端分别串联电阻R1、R2、R3、R4接到一个放大器E1的正向输入端，在放大器E1的反向输入端与接地端接一个电阻R8，在放大器E1的直流电压端接电阻R5，在直流电压段与接地端之间接一固定电容C1，在C1两端并联电容C2，在负电源端接电阻R9，在负电源端与接地端之间接固定电容C3，在固定电容C3两端并联电容C4，在输出端串联一个电阻R6，在放大器E1输出端与反向输入端之间接一个电阻R7。
上述的多道能谱仪采用ORTEC-PCI-8k多通道能谱仪，数字示波器采用数字式示波器Tds3012B，将主放大器与数字式示波器连接，并记录其输出波形图。
该探测器比传统的单元探测器探测面积大，探测效率高，探测时间短，适用于便携式核辐射探测谱仪，可广泛应用于核废料监控，环境监测以及机场港口铁路货物等的反射性检测。
附图说明
图1四元并行CZT探测器电路结构框图。
图2为 CZT探测器前置放大电路和差分放大器的电路原理图。
图3四元并行探测器的加法电路原理图。
图4为前置放大器对应于CZT探测器在137Cs辐射下的输出响应曲线图。
图5为模拟信号对主放的调试结果曲线图，其中(a) 模拟信号输入(b) 模拟信号极零相消(c) 模拟信号成形滤波(d) 模拟信号成形后微调。
图6为在137Cs 辐射下探测器在1250V偏压时的输出波形图：其中 (a)两路探测信号相加后的输出  （b）四路探测信号相加后的输出。
具体实施方式
   现将本发明的优选实施例结合附图叙述于下。
实施例一：参见图1，本四元并行碲锌镉核辐射装置包括四个碲锌镉探测器1，每个碲锌镉探测器1分别经过一个前置放大器2再经过一个差分放大器3和一个主放大器4，然后一起连接一个加法电路5，最后该加法电路5连接到一个多道能谱仪6和数字示波器7，四个碲锌镉探测器1测得的信号，经放大后由多道能谱仪6和数字式波器7进行处理。
实施例二：参见图2 和图3，本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于所述的前置放大器2和差分放大器3的结构：
a.在信号输入部分，正偏压与接地端之间连接电阻R1和电容C1，负载R2加在探测器D1上，在D1和场效应管Q1的栅极之间接电容C2，在D1的信号端和C1间接电阻R6。
b.取场效应管Q1作为放大器的输入级，信号输入到Q1的栅极，在Q1的漏极和直流电压Ec间接电阻R10，在Q1的源极与接地端之间接R18，在R18两端并联电容C11，再将漏极的信号输入到差分放大器U1A的正向输入端，该正向输入端与Ec间串联电阻R10和R34，在R10和地端接并联连接的C6和C10，在反向输入端与Ec和接地端间分别接R22和R26，在R26两端并联C22，U1A的输出端接到U1B的正向输入端，在U1B的反向输入端与地端之间接R11和C26，U1B的输出端接电阻R38，在R38与U1B的反向输入端之间接一个反馈电阻R30，在U1A的输出端与Q1的栅极间接电阻R12，在R12两端并联电容C18，构成泄放电路。
实施例三：本四元并行碲锌镉核辐射探测器装置包括多通道能谱仪（ORTEC-PCI-8k）、数字式示波器（Tds3012B）、Frisch结构CZT器件（10×10×5mm3）、放射源Cs137（16uCi）等。将前置放大器与数字式示波器连接，并记录其输出波形图（如附图）。本实验使用美国Advanced Messurement Technology（ORTEC）公司的Model419的模拟信号发生器输出标准信号进行调试。
从图中可以得到，输出的响应电压为130mV，上升时间为900ns，持续时间为0.2ms，等效噪声均方根电压6mV左右，它的信噪比为22:1。各种性能均好于未经过前置放大器处理时的性能。
实例实验1：
以实施例三的装置进行实验，图5为输出波形图。
模拟信号发生器模拟输出的信号（图5（a））为1ms的38mV的衰减电压信号，直接输入主放成形电路，能谱图比较杂乱，无法获取我们想要的信息。
经过极零相消后输出的信号如图5（b）为8us，148mV。，能谱图较（a）有明显的好转，比较光滑，信号也进行了一定的放大。
通过极零相消电路和滤波成形电路后所得到的成形信号如图5（c），得到的高斯分布的信号持续时间为6us，信号幅度为420mV，信号的上升时间为2.68us，噪声影响更小。
如图5(d)微调后使得信号幅度和成形时间都适中，起到了微调的作用。
实例实验2：
利用本实验室生长的碲锌镉的晶体，电阻率为9×1010Ωcm，切割出尺寸为10×10×5cm3晶片制备二元和四元并行碲锌镉探测器，测试条件为偏压-1250V，温度23℃，源与探测器的距离100cm，辐射源为137Cs（662keV），整个测试***的电源供应为±5V，电流在正电压处为0.01A，负电压处为0.01mA。用Tds3012B数字示波显示器。
二元并行：信号持续时间10us，峰值电压260mV，信噪比大于15:1。信号波形维持时间下降延时间变长，如图6（a）。
四元并行：信号持续时间12us，峰值电压270mV，信噪比为27:1。经放大器处理后的输出波形更接近于准高斯分布，如图6（b）。
四元并行使得测试的结果优于一元及二元，所以在现实的生产过程中有及其深远的意义。

Claims (5)

1.一种四元并行碲锌镉核辐射探测器装置，包括四个碲锌镉探测器（1），其特征在于每个碲锌镉探测器（1）分别经过一个前置放大器（2）再经过一个差分放大器（3）和一个主放大器（4），然后一起连接一个加法电路（5），最后该加法电路（5）连接到一个多道能谱仪（6）和数字示波器（7），四个碲锌镉探测器（1）测得的信号，经放大后由多道能谱仪（6）和数字式波器（7）进行处理。
2.根据权利要求1所述的四元并行碲锌镉核辐射探测器装置，其特征在于所述前置放大器（2）和差分放大器（3）的结构：
a.在信号输入部分，正偏压与接地端之间连接电阻R1和电容C1，负载R2加在探测器D1上，在D1和场效应管Q1的栅极之间接电容C2，在D1的信号端和C1间接电阻R6。
3.b.取场效应管Q1作为放大器的输入级，信号输入到Q1的栅极，在Q1的漏极和直流电压Ec间接电阻R10，在Q1的源极与接地端之间接R18，在R18两端并联电容C11，再将漏极的信号输入到差分放大器U1A的正向输入端，该正向输入端与Ec间串联电阻R10和R34，在R10和地端接并联连接的C6和C10，在反向输入端与Ec和接地端间分别接R22和R26，在R26两端并联C22，U1A的输出端接到U1B的正向输入端，在U1B的反向输入端与地端之间接R11和C26，U1B的输出端接电阻R38，在R38与U1B的反向输入端之间接一个反馈电阻R30，在U1A的输出端与Q1的栅极间接电阻R12，在R12两端并联电容C18，构成泄放电路。
4.根据权利要求1所述的四元并行碲锌镉核辐射探测装置，其特征在于所述加法电路（5）结构：四个碲锌镉核辐射探测器A、B、C、D的信号输出端分别串联电阻R1、R2、R3、R4接到一个放大器E1的正向输入端，在放大器E1的反向输入端与接地端接一个电阻R8，在放大器E1的直流电压端接电阻R5，在直流电压段与接地端之间接一固定电容C1，在C1两端并联电容C2，在负电源端接电阻R9，在负电源端与接地端之间接固定电容C3，在固定电容C3两端并联电容C4，在输出端串联一个电阻R6，在放大器E1输出端与反向输入端之间接一个电阻R7。
5.根据权利要求1所述的四元并行碲锌镉核辐射探测器装置，其特征在于所述的多道能谱仪（6）采用ORTEC-PCI-8k多通道能谱仪，数字示波器（7）采用数字式示波器Tds3012B，将主放大器（4）与数字示波器（7）连接，并记录其输出波形图。
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