CN112946722A - 用于高能x射线吸收谱的多晶金刚石探测器及探测方法 - Google Patents

用于高能x射线吸收谱的多晶金刚石探测器及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器及探测方法，包括顺次连接的高压电源、多晶金刚石探测器、弱电流放大器、V/F转换器、定标器以及终端电脑，弱电流放大器包括顺次连接的一级放大滤波电路、二级放大滤波电路以及积分反馈电路，多晶金刚石探测器接收X射线信号，产生弱电流，对弱电流进行一级放大滤波、二级放大滤波以及经积分反馈电路对弱电流进行信号平滑，然后馈入V/F转换器进行模拟量电压与脉冲频率的转换，再由定标器对脉冲计数，终端电脑设定定标器的工作参数，并实时读取各通道的计数值，实现数据的存储和处理；本发明的优点在于：输出信号电流稳定，使得多晶金刚石探测器可以用于吸收光谱的采集实验。

Description

用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器及探测方法
技术领域
本发明涉及脉冲辐射探测领域，更具体涉及用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器及探测方法。
背景技术
金刚石是人们最早考虑用于辐射探测器制作的材料之一，首先Wooldridge(1948)，参阅文献《Ahearn A.J.Conductivity Induced in Diamond by Alpha-ParticleBombardment and Its》，接着是Friedman和Hofstadter(1949)，具体参阅文献《FriedmanH.,Birks L.S.,Gauvin H.P.Ultraviolet Transmission of"Counting"DiamondsPhys.Rev.,1948,73:186》以及
《Hofstadter R.Nucleonics,1949,4:29.》。但是，由于早年金刚石晶体的获取和及材料质量的一致性有限，同时，其它半导体材料制作技术迅速进步，金刚石探测器逐渐被人们遗忘。到70年代,只有极少的科研单位如Lebedev Institute(Moscow)依然致力于金刚石探测器的研究工作，使得金刚石探测器的研究工作得以传承，具体参阅文献《KozlovS.F.,Konorova E.A.,Kuanetsov Y.A.,et al.Diamond dosemeter for X-ray and g-radiation.IEEE Trans.Nucl.Sci.,1977,24(1):235-237》、《Canali C.,Gatti E.,KozlovS.F.,et al.Electrical properties and performances of natural diamond nuclearradiation detectors.Nuclear Instruments and Methords,1979,160:73-77》及
《Kozlov S.P.,Konorova E.A.,Barinov A.L.,et al.Preparation andcharacteristics of natural diamond nuclear radiation detectors.IEEETrans.Nucl.Sci.,1975,22:171》。
随着辐射场强度的不断提高，硅、锗等半导体的耐辐照能力逐渐成为强辐射场测量方面的主要限制因素，人们把眼光重新转向了金刚石探测器的研制。
从90年代起，随着CVD(化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition)技术的日渐成熟，掀起了CVD金刚石探测器的研制热潮。目前，研究该类探测器的国家和研究机构主要有瑞士(CERN)、英国(King’s College，Imperial College)、美国(Los Alamos、Livermore、Ohio State University)、意大利(INFM、EURATOM-ENEA)、法国(CEA-LETI)等，他们对金刚石探测器的发展做出了重要贡献。
Livermore实验室的L.S.Pan和D.R.Kania等人在对IIa型天然金刚石探测器的电学性质等方面取得了较为深入的研究成果，在文献《Pan L.S.Kania D.R.Diamond:electronic properties and applications.Boston:Kluwer Academic Publishers,1995》中，相对***的总结了金刚石薄膜材料的电学性能方面的理论及实验进展，为金刚石探测器性能分析提供了重要参考。INFM的M.Marinelli和King’s College的A.Mainwood等人侧重于从载流子动力学角度对CVD金刚石探测器电荷收集效率、电荷收集距离进行了物理模拟及实验研究，具体参阅文献《Marinelli M.,Milani E.,Paoletti A.,etal.Trapping and detrapping effects in high-quality chemical-vapor-depositiondiamond films:Pulse shape analysis of diamond particle detectors.Phys.Rev.B,2001,64:195205-1-195205-8》以及文献《Milazzo L.MainwoodA.Modelling of diamonddetectors:effects of the polycrystalline structure and a pulse shapeanalysis.Diamond and Related Materials,2004,13:934-937》。M.Angelone开展了天然金刚石探测器和CVD金刚石探测器在14Me V中子探测方面的应用研究。1994年，CERN提出建议并成立由W.Adam、C.Bauer、D.Meier等人组成的RD42小组，专门研究用于LHC(LargeHadron Collider)装置强辐射环境下径迹测量的CVD金刚石探测器，其中，L.S.Pan、D.R.Kania、A.Mainwood等均在其中有所参与。
国内一些单位也在研制探测器级的金刚石薄膜材料，并尝试作为探测器。例如上海大学材料科学与工程学院、航天部510所和中科院物理所都进行了探索，国内对该类探测器的研究大多数都处于探索阶段。其中，上海大学的研究较为***，但其仅限于稳态粒子的探测，具体参阅文献《王玉光,费允杰,冯克安.金刚石膜紫外光电导探测器及性能.功能材料与器件学报,2000,6(3):252-255》、《夏义本,王林军,张明龙,等.CVD金刚石核探测材料与器件.原子能科学技术,2005,39(7)》以及《Zhang M.L.,Xia Y.B.,Wang L.J.,etal.Effects of the grain size of CVD diamond films on the detectorperformance.Journal of Material Science,2005,40:5269-5272》。但是应用于脉冲辐射探测领域的电流型金刚石探测器的研制，在国内尚属空白，虽然国外有学者对电流型金刚石探测器进行了研究，但是没有对信号电流的稳定性进行研究，导致信号电流不稳定，难以应用于吸收光谱的采集。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术没有对金刚石探测器信号电流的稳定性进行研究，导致信号电流不稳定，难以应用于吸收光谱的采集。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，包括顺次连接的高压电源、多晶金刚石探测器、弱电流放大器、V/F转换器、定标器以及终端电脑，所述弱电流放大器包括顺次连接的一级放大滤波电路、二级放大滤波电路以及积分反馈电路，所述多晶金刚石探测器接收X射线信号，产生弱电流，经一级放大滤波电路对弱电流进行一级放大滤波，经二级放大滤波电路对弱电流进行二级放大滤波以及经积分反馈电路对弱电流进行信号平滑，然后馈入V/F转换器进行模拟量电压与脉冲频率的转换，再由定标器对脉冲计数，终端电脑设定定标器的工作参数，并实时读取各通道的计数值，实现数据的存储和处理。
本发明弱电流放大器包括顺次连接的一级放大滤波电路、二级放大滤波电路以及积分反馈电路，增加滤波设计，降低了暗电流，对多晶金刚石探测器进行了降噪，使得输出信号电流稳定，干扰噪音大幅减小，使得多晶金刚石探测器可以用于吸收光谱的采集实验。
进一步地，所述一级放大滤波电路包括电容C4、电阻R1、电阻R2、电容C2以及电容C1，所述多晶金刚石探测器的信号电流输出端口与电容C4的一端以及第一放大器A1的第一端口连接，电阻R1的一端与第一放大器A1的第二端口连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的一端与第一放大器A1的第四端口连接，电容C2的一端以及电容C1的一端均与第一放大器A1的第三端口连接，电阻R2的另一端以及电容C4的另一端连接并与二级放大滤波电路连接，电容C2的另一端以及电容C1的另一端均接地。
所述第一放大器A1配有电容C4，对突发大信号电流进行储存，当高频率出现大电流，电容C4随大电流出现频率释放电流对信号电流补充，电阻R2为限流，电阻R1为接地分压，电容C1和电容C2为不同阻值的电容组合，对不同强度的突发电流进行过滤。
更进一步地，所述二级放大滤波电路包括第二放大器A2、电阻R3、电阻R4、以及电容C5，所述电阻R2的另一端以及电容C4的另一端连接并与第二放大器A2的第一端口连接，电阻R3的一端与第二放大器A2的第二端口连接，电阻R3的另一端接地；电阻R4的一端与第二放大器A2的第三端口连接，电容C5的一端与第二放大器A2的第一端口连接，电容C5的另一端以及电阻R4的另一端连接并接积分反馈电路。
所述二级放大滤波电路与一级放大滤波电路共用电容C1和电容C2，电容C1和电容C2所产生的电流对二级放大滤波电路的不同强度的突发电流进行过滤。
再进一步地，所述积分反馈电路包括积分器S、电阻R5、电阻R6、电阻R7以及电容C6，所述电阻R4的另一端以及电容C6的一端均与积分器S的第一端口连接，积分器S的第二端口通过电阻R6接地，积分器S的第三端口通过电阻R5与电阻R2的另一端连接，电阻R7的一端与积分器S的第四端口连接，电容C6的另一端以及电阻R7的另一端连接并与V/F转换器的输入端口连接。
所述积分反馈电路对信号电流进行信号平滑，通过电阻R5对位于前端的二级放大滤波电路进行补偿。
再进一步地，所述弱电流放大器还包括防反保护电路，所述防反保护电路包括顺序编号的二极管D1至二极管D4，所述二极管D1的阳极与第一放大器A1的第一端口连接，二极管D1的阴极与电容C4的一端连接；所述二极管D2的阳极与第二放大器A2的第一端口连接，二极管D2的阴极与电容C5的一端连接；二极管D3的阳极与电阻R5连接，二极管D3的阴极与第二放大器A2的第一端口连接；二极管D4的阳极与积分器S的第一端口连接，二极管D4的阴极与电容C6的一端连接。
再进一步地，所述用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器集成在PVC电路板上。
进一步地，所述定标器具有RS232接口，所述定标器的RS232接口通过RS232总线与终端电脑的RS232通讯接口连接。
本发明还提供用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器的探测方法，所述方法包括：多晶金刚石探测器接收X射线信号，产生弱电流，经一级放大滤波电路对弱电流进行一级放大滤波，经二级放大滤波电路对弱电流进行二级放大滤波以及经积分反馈电路对弱电流进行信号平滑，然后馈入V/F转换器进行模拟量电压与脉冲频率的转换，再由定标器对脉冲计数，终端电脑设定定标器的工作参数，并实时读取各通道的计数值，实现数据的存储和处理。
本发明的优点在于：
(1)本发明弱电流放大器包括顺次连接的一级放大滤波电路、二级放大滤波电路以及积分反馈电路，增加滤波设计，降低了暗电流，对多晶金刚石探测器进行了降噪，使得输出信号电流稳定，干扰噪音大幅减小，使得多晶金刚石探测器可以用于吸收光谱的采集实验。
(2)本发明的一级放大滤波电路中第一放大器A1配有电容C4，对突发大信号电流进行储存，当高频率出现大电流，电容C4随大电流出现频率释放电流对信号电流补充，电阻R2为限流，电阻R1为接地分压，电容C1和电容C2为不同阻值的电容组合，对不同强度的突发电流进行过滤。
(3)本发明的二级放大滤波电路与一级放大滤波电路共用电容C1和电容C2，电容C1和电容C2所产生的电流对二级放大滤波电路的不同强度的突发电流进行过滤。
(4)本发明的积分反馈电路对信号电流进行信号平滑，通过电阻R5对位于前端的二级放大滤波电路进行补偿。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器的结构框图；
图2为本发明实施例所公开的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器中弱电流放大器的原理图；
图3为本发明实施例所公开的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器的电路板布局示意图；
图4为现有无滤波电路多晶金刚石探测器和本发明提供的有滤波电路的多晶金刚石探测器的暗电流检测结果对比图；
图5为本发明实施例所公开的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器采集Cr、Co、Fe和Cu元素单质吸收谱K空间与标准气体探测对比曲线，其中，图a为多晶金刚石探测器采集Cr元素单质吸收谱K空间与标准气体探测对比曲线，图b为多晶金刚石探测器采集Co元素单质吸收谱K空间与标准气体探测对比曲线，图c为多晶金刚石探测器采集Fe元素单质吸收谱K空间与标准气体探测对比曲线，图d为多晶金刚石探测器采集Cu元素单质吸收谱K空间与标准气体探测对比曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，包括顺次连接的高压电源1、多晶金刚石探测器2、弱电流放大器3、V/F转换器4、定标器5以及终端电脑6，所述弱电流放大器3包括顺次连接的一级放大滤波电路、二级放大滤波电路以及积分反馈电路，所述多晶金刚石探测器2接收X射线信号，产生弱电流，经一级放大滤波电路对弱电流进行一级放大滤波，经二级放大滤波电路对弱电流进行二级放大滤波以及经积分反馈电路对弱电流进行信号平滑，然后馈入V/F转换器进行模拟量电压与脉冲频率的转换，再由定标器5对脉冲计数，终端电脑6设定定标器5的工作参数，并实时读取各通道的计数值，实现数据的存储和处理。所述定标器5具有RS232接口，所述定标器5的RS232接口通过RS232总线与终端电脑6的RS232通讯接口连接。
如图2所示，所述一级放大滤波电路包括电容C4、电阻R1、电阻R2、电容C2以及电容C1，所述多晶金刚石探测器2的信号电流输出端口与电容C4的一端以及第一放大器A1的第一端口连接，电阻R1的一端与第一放大器A1的第二端口连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的一端与第一放大器A1的第四端口连接，电容C2的一端以及电容C1的一端均与第一放大器A1的第三端口连接，电阻R2的另一端以及电容C4的另一端连接并与二级放大滤波电路连接，电容C2的另一端以及电容C1的另一端均接地。所述第一放大器A1配有电容C4，对突发大信号电流进行储存，当高频率出现大电流，电容C4随大电流出现频率释放电流对信号电流补充，电阻R2为限流，电阻R1为接地分压，电容C1和电容C2为不同阻值的电容组合，对不同强度的突发电流进行过滤。
继续参阅图2，所述二级放大滤波电路包括第二放大器A2、电阻R3、电阻R4、以及电容C5，所述电阻R2的另一端以及电容C4的另一端连接并与第二放大器A2的第一端口连接，电阻R3的一端与第二放大器A2的第二端口连接，电阻R3的另一端接地；电阻R4的一端与第二放大器A2的第三端口连接，电容C5的一端与第二放大器A2的第一端口连接，电容C5的另一端以及电阻R4的另一端连接并接积分反馈电路。所述二级放大滤波电路与一级放大滤波电路共用电容C1和电容C2，电容C1和电容C2所产生的电流对二级放大滤波电路的不同强度的突发电流进行过滤。
继续参阅图2，所述积分反馈电路包括积分器S、电阻R5、电阻R6、电阻R7以及电容C6，所述电阻R4的另一端以及电容C6的一端均与积分器S的第一端口连接，积分器S的第二端口通过电阻R6接地，积分器S的第三端口通过电阻R5与电阻R2的另一端连接，电阻R7的一端与积分器S的第四端口连接，电容C6的另一端以及电阻R7的另一端连接并与V/F转换器4的输入端口连接。所述积分反馈电路对信号电流进行信号平滑，通过电阻R5对位于前端的二级放大滤波电路进行补偿。
继续参阅图2，所述弱电流放大器3还包括防反保护电路，所述防反保护电路包括顺序编号的二极管D1至二极管D4，所述二极管D1的阳极与第一放大器A1的第一端口连接，二极管D1的阴极与电容C4的一端连接；所述二极管D2的阳极与第二放大器A2的第一端口连接，二极管D2的阴极与电容C5的一端连接；二极管D3的阳极与电阻R5连接，二极管D3的阴极与第二放大器A2的第一端口连接；二极管D4的阳极与积分器S的第一端口连接，二极管D4的阴极与电容C6的一端连接。
如图3所示，所述用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器集成在PVC电路板上，图3中①高压电源1线接入铜板；②多晶金刚石片；③电阻；④运算放大器；⑤电容；⑥电阻；⑦信号线接出铜板；⑧接地铜板；⑨PVC电路板。由①引入30-300V偏压，X射线照射②表面，产生信号电流。信号电流进入由③④⑤⑥组成的一级放大滤波电路以及二级放大滤波电路，由⑦导出。该电路结构彻底解决了多晶金刚石探测器2信号电流不稳定的问题。
以下验证本发明的效果，如图4所示，可以清晰的比较，方形形成的曲线为无滤波电路的多晶金刚石采集500s的暗电流图形，电流起伏比较大。圆形形成的曲线为含滤波电路多晶金刚石降噪后的暗电流曲线图，电流比较之前下降了2个量级，而且电流曲线稳定，偶尔出现噪点。因此本发明提供的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器信号电流相比现有技术更加稳定。
如图5所示，多晶金刚石探测采集Cr、Co、Fe和Cu元素单质吸收谱K空间与标准气体探测对比曲线，图中IC表示标准气体探测曲线，Diamond表示多晶金刚石探测采集Cr、Co、Fe或Cu元素单质吸收谱K空间曲线，为了评估多晶金刚石探测器2在吸收谱测试应用中的适用性，将多晶金刚石探测器2与标准气体电离室进行测试比较。在北京同步辐射装置的1w2B光束线上选择透射模式进行了吸收光谱测量。在Cr K边缘(E0＝5989KeV)，Fe(E0＝7112KeV)，Co(E0＝7909KeV)，Cu(E0＝8979KeV)的四个标准金属单质进行吸收光谱实验，吸收光谱实验所得数据结果表明，多晶金刚石探测器2能够较好的实现吸收光谱测量。
通过以上技术方案，本发明弱电流放大器3包括顺次连接的一级放大滤波电路、二级放大滤波电路以及积分反馈电路，增加滤波设计，降低了暗电流，对多晶金刚石探测器2进行了降噪，使得输出信号电流稳定，干扰噪音大幅减小，使得多晶金刚石探测器2可以用于吸收光谱的采集实验。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，其特征在于，包括顺次连接的高压电源、多晶金刚石探测器、弱电流放大器、V/F转换器、定标器以及终端电脑，所述弱电流放大器包括顺次连接的一级放大滤波电路、二级放大滤波电路以及积分反馈电路，所述多晶金刚石探测器接收X射线信号，产生弱电流，经一级放大滤波电路对弱电流进行一级放大滤波，经二级放大滤波电路对弱电流进行二级放大滤波以及经积分反馈电路对弱电流进行信号平滑，然后馈入V/F转换器进行模拟量电压与脉冲频率的转换，再由定标器对脉冲计数，终端电脑设定定标器的工作参数，并实时读取各通道的计数值，实现数据的存储和处理。
2.根据权利要求1所述的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，其特征在于，所述一级放大滤波电路包括电容C4、电阻R1、电阻R2、电容C2以及电容C1，所述多晶金刚石探测器的信号电流输出端口与电容C4的一端以及第一放大器A1的第一端口连接，电阻R1的一端与第一放大器A1的第二端口连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的一端与第一放大器A1的第四端口连接，电容C2的一端以及电容C1的一端均与第一放大器A1的第三端口连接，电阻R2的另一端以及电容C4的另一端连接并与二级放大滤波电路连接，电容C2的另一端以及电容C1的另一端均接地。
3.根据权利要求2所述的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，其特征在于，所述二级放大滤波电路包括第二放大器A2、电阻R3、电阻R4、以及电容C5，所述电阻R2的另一端以及电容C4的另一端连接并与第二放大器A2的第一端口连接，电阻R3的一端与第二放大器A2的第二端口连接，电阻R3的另一端接地；电阻R4的一端与第二放大器A2的第三端口连接，电容C5的一端与第二放大器A2的第一端口连接，电容C5的另一端以及电阻R4的另一端连接并接积分反馈电路。
4.根据权利要求3所述的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，其特征在于，所述积分反馈电路包括积分器S、电阻R5、电阻R6、电阻R7以及电容C6，所述电阻R4的另一端以及电容C6的一端均与积分器S的第一端口连接，积分器S的第二端口通过电阻R6接地，积分器S的第三端口通过电阻R5与电阻R2的另一端连接，电阻R7的一端与积分器S的第四端口连接，电容C6的另一端以及电阻R7的另一端连接并与V/F转换器的输入端口连接。
5.根据权利要求4所述的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，其特征在于，所述弱电流放大器还包括防反保护电路，所述防反保护电路包括顺序编号的二极管D1至二极管D4，所述二极管D1的阳极与第一放大器A1的第一端口连接，二极管D1的阴极与电容C4的一端连接；所述二极管D2的阳极与第二放大器A2的第一端口连接，二极管D2的阴极与电容C5的一端连接；二极管D3的阳极与电阻R5连接，二极管D3的阴极与第二放大器A2的第一端口连接；二极管D4的阳极与积分器S的第一端口连接，二极管D4的阴极与电容C6的一端连接。
6.根据权利要求5所述的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，其特征在于，所述用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器集成在PVC电路板上。
7.根据权利要求1所述的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器，其特征在于，所述定标器具有RS232接口，所述定标器的RS232接口通过RS232总线与终端电脑的RS232通讯接口连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于高能X射线吸收谱的多晶金刚石探测器的探测方法，其特征在于，所述方法包括：多晶金刚石探测器接收X射线信号，产生弱电流，经一级放大滤波电路对弱电流进行一级放大滤波，经二级放大滤波电路对弱电流进行二级放大滤波以及经积分反馈电路对弱电流进行信号平滑，然后馈入V/F转换器进行模拟量电压与脉冲频率的转换，再由定标器对脉冲计数，终端电脑设定定标器的工作参数，并实时读取各通道的计数值，实现数据的存储和处理。
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