CN1224158A

CN1224158A - 高能质子重离子探测器

Info

Publication number: CN1224158A
Application number: CN 97125895
Authority: CN
Inventors: 朱光武; 叶宗海; 王世金; 梁金宝; 黄红锦; 沈思忠; 翟应应; 张微; 孙越强
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: CN1099589C

Abstract

一种高能质子探测器,包括由半导体传感器、电荷灵敏前置放大器、脉冲成形部分、主放大器部分、脉冲幅度分析器、D/A转换、对数放大器和噪声检测部分构成。电路各部分内多采用直流耦合的方式,并集成化,因而提高了信噪比,具有较宽能量测量范围,能有效地检测各部分的工作状况,提高了工作可靠性。

Description

高能质子重离子探测器

本发明涉及一种高能质子重离子测量装置，特别是测量高能质子能谱的探测装置。

高能质子重离子探测器主要是由半导体传感器、电荷灵敏前置放大器、脉冲成形、主放大器、对数放大器、脉冲幅度分析器、D/A转换器、以及特性检测等部分。已有技术存在的问题主要是测量精度和能量范围指标都较低，而且在探测中某级出现故障，造成无输出或噪声增大时，也无法判断起因。其原因主要是：电荷灵敏前置放大器的信号经脉冲成形、主放大器后产生噪声信号太大，甚至湮灭了高能质子、重离子信号，所以无法测量低能信号。另一方面，噪声信号是随机信号，频带较宽。因此，必须设计一套监测电路工作状态的装置，以确保测量值的可靠性。

本发明的目的是一种具有较宽能量测量范围、能检测各部分工作状态的高能质子重离子探测器。

针对已有技术中存在的问题，本发明采用的结构为：由三元半导体探测器组成的半导体带电粒子望远境以及相关的电子学电路，传感器与电子学电路装在同一机箱内。每个探测器输出端分别与相应的不同的电荷灵敏前置放大器的输入端相连，各前置放大器的输出端分别与相应的脉冲成形部分输入端相连，各脉冲成形电路的输出端与相应的主放大器部分输入端及对数放大器输入端相连，各主放大器部分的输出端及对数放大器输出端与脉冲幅度分析器输入端相连，脉冲幅度分析器部分的输出端与D/A(数/模)转换器部分的输入端相连，在各主放大器部分分别连接了用于检测各探测支路工作状况的仪器特性检测部分。仪器特性检测部分包括一个用于放大噪声信号的放大器，放大器的输出连接一整流电路，整流电路的输出与一射级跟随器的基极相连，射随器的发射级输出噪声信号电平，脉冲成形部分和主放大器部分的电路采用了集成电路，各级之间多采用了直流耦合。

脉冲成形部分为一集成电路，它的电路构成为：晶体管T2基极为输入端，其集电极连接电源正端，发射级连接稳压二极管D3的负极，稳压管D3的正极连接晶体管T3的基极和电阻R9的一端，电阻R9的另一端和晶体管T3的发射级接地，晶体管T3的集电极接晶体管T8的基极和二极管D4的负极，二极管D4和D5串联，D5的正极与晶体管T4的发射级和T7的基极相连，晶体管T4、T5的基极与晶体管T6的发射级相连，晶体管T4、T5发射级接电源正端，晶体管T5的集电极与晶体管T6的基极和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端和晶体管T6的集电极接地，晶体管T7的集电极接电源正端，其发射级连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端与电阻R13的一端相连接并作为一输出端，电阻R13的另一端接晶体管T8的发射级，晶体管T8的集电极接地。

主放大器部分为一集成电路，它的电路结构为：晶体管T9的基极为输入端，其集电极和晶体管T11、T12的发射级及T14的集电极接电源正端，晶体管T9的发射级接晶体管T10的基极和电阻R15的一端，电阻R15的另一端接二极管D6的正极，D6负极接地，晶体管T10的发射级接地，其集电极接晶体管T15的基极和串联二极管D8、D7的负极，D8的正极接晶体管T11的集电极和晶体管T14的基极，晶体管T11的基极和T12的基极、T13的发射级相连，晶体管T12的集电极与晶体管T13的基极和电阻R17的一端连接，T13的集电极和电阻R17的另一端接地，晶体管T14的发射级接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接电阻R19的一端并作为输出端，电阻R19的另一端接晶体管T15的发射级，晶体管T15的集电极接地。

对数放大电路组成为：脉冲成形输出经E4和C9组成的并联电路连接到R22一端，R22的另一端接R21、E6及C11,R21的另一端接R20、C10和E5,R20的另一端与E3、C8、R23、R26、R29、R32同时连接到电源正端，C10和E5的另一端接到R26的另一端、R27和T17的基极，C11和E6的另一端接到R23的另一端以及T16的基极和R24一端，R24的另一端与R25、E7、R27、R28、E8、R30、E9同时接地，T16的发射级接R25和E7的另一端，T16的集电极分别接到T17的集电极和T18的发射级，T17的发射级分别接R28和E8的另一端，T18基极接R29、R30、E9的另一端，T18集电极接R32的另一端和C12,C12的另一端接R33，脉冲成形另一输出经E11和C14组成的并联电路连接到R36一端，R36的另一端接R35、E13及C16,R35的另一端接R34、C15和E12,R34的另一端与E10、C13、R37、R40、R43、R46同时连接到电源正端，C15和E12的另一端接到R40的另一端、以及R41和T20的基极，C16和E13的另一端接到R37的另一端以及T19的基极和R38一端，R38的另一端与R39、E14、R41、R42、E15、R44、E16同时接地，T19的发射级接R39和E14的另一端，T19的集电极分别接到T20的集电极和T21的发射级，T20的发射级分别接R42和E15的另一端，T21基极接R43、R44、E16的另一端，T21集电极接R46的另一端和C17,C17的另一端接R47,R47的另一端与R33的另一端连接并同时接到LT158的13脚以及R48和C18的一端，LT158的11-12之间接C19,11脚同时接R49,R49的另一端接地，LT158的10脚接R48、C18的另一端，并同时接C20,C20的另一端接R50,R50的另一端接LT158的2脚以及R51和C21,R51和C21的另一端接LT158的4脚并同时输出。

采用本发明后，在将高能质子重离子探测器用于空间质子能谱及重离子测量时，能及时地了解到各探测支路的工作状况，且提高了信噪比，扩大了测量的范围。

图1是本发明的高能质子重离子探测器的原理框图。

图2是图1所示框图中特性检测电路的电路图。

图3是图1中半导体传感器中脉冲成形部分和主放大器部分的电路图。

图4是图1中对数放大器部分的电路图。

图5是图1中半导体传感器部分的结构示意图。

下面结合附图1、2、3、4、5对本发明结构特征及实施例作一详细介绍：

图1是本发明的高能质子重离子探测器实施例的原理框图，是由半导体探测器构成的传感器1和分别与探测器相应支路的电荷灵敏前置放大器部分2、脉冲成形部分3、主放大器4、对数放大器5、脉冲幅度分析器6、D/A转换7和噪声检测部分8构成。半导体传感器部分1是由如图4中所示的探测器D1、D2和D3构成，为三元半导体带电粒子望远境，当高能质子重离子入射传感器1中，在探测器D1、D2和D3中产生不同的能量损失，其输出反映质子、重离子能量关系的电荷信号；电荷前置放大器将半导体传感器1输出的反映电荷能量的信号进行放大变成电压脉冲信号，该脉冲成形部分3整形放大后输至主放大器4或对数放大器5进行放大，放大后的信号输至幅度分析器6，脉冲幅度分析器6对放大的信号进行幅度分析，不同的幅度代表着不同能量的质子或重离子。脉冲幅度分析器6的输出脉冲经D/A转换电路7转换为电压信号，只要记录输出电压值的大小，就可以换算出被测高能质子重离子的计数率。由于本发明主要用于空间探测，因此如果在空间本发明的探测仪出现故障时将无法判断，直接影响到探测结果的可靠性，因此在放大器4的输出端增加了仪器特性检测部分8，用于判断各探测支路的工作状态。

图2是本发明实施例仪器特性检测部分的电路图。其包括一个用于放大噪声的放大器A，在这里放大器A采用了LT158，输入信号经电容C1和电阻R1串联支路接至放大器A的输入端13，其输出端9-10经电容器C4连接一整流电路，其输入端和输出端9-10之间并接一电阻R3和电容C2,R3用于调整放大器的放大倍数，C2为信号的加速电容，防止信号前沿反冲，其连接端11和12连接有一电容器C3，以降低放大器本身的噪声。连接端11接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R2的作用是增大电路工作电流，使电路的负载能力更强。电容器C4的另一端接D1、D2组成的整流电路，其与整流二极管D1的负极和D2的正极相连，二极管D2的负极接电阻R5的一端、电解电容E2的正极和晶体管T1的基极，二极管D1、电阻R5、电解电容E2的另一端接地。晶体管T1构成射随器电路，其发射级接电阻R6一端，电阻R6另一端接R7一端并作为输出端，电阻R7的另一端接地，电源正端经电阻R4接晶体管T1的集电极。其集电极还接滤波电容E1和C5。

图3是图1所示本发明实施例中脉冲成形部分和主放大器部分的电路图。其电路组成为：晶体管T2的基极为输入端，其与来自前置放大器部分的输出信号经电阻R8、电容C6耦合相接，电阻R10可调节形成电路的放大倍数。集电极连接电源正端，发射级连接稳压二极管D3的负极，稳压管D3的正极连接晶体管T3的基极和电阻R9的一端，电阻R9的另一端和晶体管T3的发射级接地，晶体管T3的集电极接晶体管T8的基极和二极管D4的负极，二极管D4和D5串联，D5的正极与晶体管T4的集电极和T7的基极相连。晶体管T4、T5的基极与晶体管T6的发射级相连，晶体管T4、T5的发射级接电源正端，晶体管T5的集电极与晶体管T6的基极和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端和晶体管T6的集电极接地，晶体管T7的集电极接电源正端，其发射级连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端与电阻R13的一端连接并作为一输出端，电阻R13的另一端接晶体管T8的发射级，晶体管T8的集电极接地。主放大器部分晶体管T9的基极为输入端，其与脉冲成形部分的输出端经电阻R14和电容C7相连，并经电阻R16与电源正端相连，晶体管T9的集电极和晶体管T11、T12的发射级及T14的集电极接电源正端，晶体管T9的发射级接晶体管T10的基极和电阻R15的一端，电阻R15的另一端接二极管D6的正极，D6的负极接地，晶体管T10的发射级接地，其集电极接晶体管T15的基极和串联二极管D8、D7的负极，D8的正极接晶体管T11的集电极和晶体管T14的基极，晶体管T11的基极和T12的基极、T13的发射级相连，晶体管T12的集电极与晶体管T13的基极和电阻R17的一端相连，T13的集电极和电阻R17的另一端接地，晶体管T14的发射级接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接电阻R19的一端并作为输出端，电阻19的另一端接晶体管T15的发射级，晶体管T15的集电极接地。

图4是图1所示本发明实施例中对数放大器部分的电路图。器电路组成为：脉冲成形输出经E4和C9组成的并联电路连接到R22一端，R22的另一端接R21、E6及C11,R21的另一端接R20、C10和E5,R20的另一端与E3、C8、R23、R26、R29、R32同时连接到电源正端，C10和E5的另一端接到R26的另一端、R27和T17的基极，C11和E6的另一端接到R23的另一端以及T16的基极和R24一端，R24的另一端与R25、E7、R27、R28、E8、R30、E9同时接地，T16的发射级接R25和E7的另一端，T16的集电极分别接到T17的集电极和T18的发射级，T17的发射级分别接R28和E8的另一端，T18基极接R29、R30、E9的另一端，T18集电极接R32的另一端和C12,C12的另一端接R33，脉冲成形另一输出经E11和C14组成的并联电路连接到R36一端，R36的另一端接R35、E13及C16,R35的另一端接R34、C15和E12,R34的另一端与E10、C13、R37、R40、R43、R46同时连接到电源正端，C15和E12的另一端接到R40的另一端、以及R41和T20的基极，C16和E13的另一端接到R37的另一端以及T19的基极和R38一端，R38的另一端与R39、E14、R41、R42、E15、R44、E16同时接地，T19的发射级接R39和E14的另一端，T19的集电极分别接到T20的集电极和T21的发射级，T20的发射级分别接R42和E15的另一端，T21基极接R43、R44、E16的另一端，T21集电极接R46的另一端和C17,C17的另一端接R47,R47的另一端与R33的另一端连接并同时接到LT158的13脚以及R48和C18的一端，LT158的11-12之间接C19,11脚同时接R49,R49的另一端接地，LT158的10脚接R48、C18的另一端，并同时接C20,C20的另一端接R50,R50的另一端接LT158的2脚以及R51和C21,R51和C21的另一端接LT158的4脚并同时输出。

半导体传感器部分1的结构示意图如图5所示，是由半导体探测器D1、D2、D3构成，D1采用厚度为300μm的金硅面垒探测器，D2和D3采用厚度均为3500μm的锂漂移硅探测器，前方设15μm的铝质挡光层以防止可见光射入。

Claims

1．一种高能质子重离子探测器，它包括三元半导体探测器构成的带电粒子望远镜部分和分别与三路探测器对应并顺序相接的电荷灵敏前置放大器部分、脉冲成形部分、主放大器部分、对数放大器部分、脉冲幅度分析器部分和D/A转换器部分，其特征在于各主放大器部分的输出端分别与一仪器特性检测部分连接。

2．根据权利要求1所述的高能质子重离子探测器，其特征在于特性检测部分包括一个用于放大噪声信号的放大器，放大器的输出连接一整流电路，整流电路的输出与一射级跟随器的基极相连，射级跟随器的发射级输出噪声信号电平。

3．根据权利要求1或2所述的高能质子重离子探测器，其特征在于脉冲成形部分为一集成电路，它的电路构成为：晶体管T2基极为输入端，其集电极连接电源正端，发射级连接稳压二极管D3的负极，稳压管D3的正极连接晶体管T3的基极和电阻R9的一端，电阻R9的另一端和晶体管T3的发射级接地，晶体管T3的集电极接晶体管T8的基极和二极管D4的负极，二极管D4和D5串联，D5的正极与晶体管T4的发射级和T7的基极相连，晶体管T4、T5的基极与晶体管T6的发射级相连，晶体管T4、T5发射级接电源正端，晶体管T5的集电极与晶体管T6的基极和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端和晶体管T6的集电极接地，晶体管T7的集电极接电源正端，其发射级连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端与电阻R13的一端相连接并作为一输出端，电阻R13的另一端接晶体管T8的发射级，晶体管T8的集电极接地。

4．根据权利要求3所述的高能质子重离子探测器，其特征在于主放大器部分为一集成电路，它的电路结构为：晶体管T9的基极为输入端，其集电极和晶体管T11、T12的发射级及T14的集电极接电源正端，晶体管T9的发射级接晶体管T10的基极和电阻R15的一端，电阻R15的另一端接二极管D6的正极，D6负极接地，晶体管T10的发射级接地，其集电极接晶体管T15的基极和串联二极管D8、D7的负极，D8的正极接晶体管T11的集电极和晶体管T14的基极，晶体管T11的基极和T12的基极、T13的发射级相连，晶体管T12的集电极与晶体管T13的基极和电阻R17的一端连接，T13的集电极和电阻R17的另一端接地，晶体管T14的发射级接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接电阻R19的一端并作为输出端，电阻R19的另一端接晶体管T15的发射级，晶体管T15的集电极接地。

5．根据权利要求1或2所述的高能质子重离子探测器，其特征在于对数放大电路，其电路组成为：脉冲成形输出经E4和C9组成的并联电路连接到R22一端，R22的另一端接R21、E6及C11,R21的另一端接R20、C10和E5,R20的另一端与E3、C8、R23、R26、R29、R32同时连接到电源正端，C10和E5的另一端接到R26的另一端、R27和T17的基极，C11和E6的另一端接到R23的另一端以及T16的基极和R24一端，R24的另一端与R25、E7、R27、R28、E8、R30、E9同时接地，T16的发射级接R25和E7的另一端，T16的集电极分别接到T17的集电极和T18的发射级，T17的发射级分别接R28和E8的另一端，T18基极接R29、R30、E9的另一端，T18集电极接R32的另一端和C12,C12的另一端接R33，脉冲成形另一输出经E11和C14组成的并联电路连接到R36一端，R36的另一端接R35、E13及C16,R35的另一端接R34、C15和E12,R34的另一端与E10、C13、R37、R40、R43、R46同时连接到电源正端，C15和E12的另一端接到R40的另一端、以及R41和T20的基极，C16和E13的另一端接到R37的另一端以及T19的基极和R38一端，R38的另一端与R39、E14、R41、R42、E15、R44、E16同时接地，T19的发射级接R39和E14的另一端，T19的集电极分别接到T20的集电极和T21的发射级，T20的发射级分别接R42和E15的另一端，T21基极接R43、R44、E16的另一端，T21集电极接R46的另一端和C17,C17的另一端接R47,R47的另一端与R33的另一端连接并同时接到LT158的13脚以及R48和C18的一端，LT158的11-12之间接C19,11脚同时接R49,R49的另一端接地，LT158的10脚接R48、C18的另一端，并同时接C20,C20的另一端接R50,R50的另一端接LT158的2脚以及R51和C21,R51和C21的另一端接LT158的4脚并同时输出。

6．根据权利要求4所述的高能质子重离子探测器，其特征在于对数放大电路。其电路组成为：脉冲成形输出经E4和C9组成的并联电路连接到R22一端，R22的另一端接R21、E6及C11,R21的另一端接R20、C10和E5,R20的另一端与E3、C8、R23、R26、R29、R32同时连接到电源正端，C10和E5的另一端接到R26的另一端、R27和T17的基极，C11和E6的另一端接到R23的另一端以及T16的基极和R24一端，R24的另一端与R25、E7、R27、R28、E8、R30、E9同时接地，T16的发射级接R25和E7的另一端，T16的集电极分别接到T17的集电极和T18的发射级，T17的发射级分别接R28和E8的另一端，T18基极接R29、R30、E9的另一端，T18集电极接R32的另一端和C12,C12的另一端接R33，脉冲成形另一输出经E11和C14组成的并联电路连接到R36一端，R36的另一端接R35、E13及C16,R35的另一端接R34、C15和E12,R34的另一端与E10、C13、R37、R40、R43、R46同时连接到电源正端，C15和E12的另一端接到R40的另一端、以及R41和T20的基极，C16和E13的另一端接到R37的另一端以及T19的基极和R38一端，R38的另一端与R39、E14、R41、R42、E15、R44、E16同时接地，T19的发射级接R39和E14的另一端，T19的集电极分别接到T20的集电极和T21的发射级，T20的发射级分别接R42和E15的另一端，T21基极接R43、R44、E16的另一端，T21集电极接R46的另一端和C17,C17的另一端接R47,R47的另一端与R33的另一端连接并同时接到LT158的13脚以及R48和C18的一端，LT158的11-12之间接C19,11脚同时接R49,R49的另一端接地，LT158的10脚接R48、C18的另一端，并同时接C20,C20的另一端接R50,R50的另一端接LT158的2脚以及R51和C21,R51和C21的另一端接LT158的4脚并同时输出。