核辐射仪器测氡仪整机电路分析.doc

FD3017RaA测氡仪整机电路分析 摘要 : 我国核辐射仪器的发展也经历了三个历史时期。早期的核辐射仪器都是率表式仪器。它们以盖革计数管或闪烁晶体为探测器，配以用分立元件构成的简单放大器、整形器，最后用率表电路驱动表头的指针来指示照射量率。这类仪器包括从五十年代的YP一4M辐射仪直到七十年代的FD一71辐射仪。七十年代中期，以数字集成电路为基础的数字式核辐射仪器开始出现。它们通常以闪烁晶体为探测器，配以CMOS集成电路组成的放大器、整形器、定时控制器、计数显示器，组成数字式辐射仪。到八十年代初中期，有些辐射仪又增加了自动归一化测量及运算电路使仪器不仅可以自动进行定时测量，显示出r辐射强度，而且还可直接显示出放射性物质的含量。这一阶段的数字式核辐射仪器主要型号有PD一3013、FD一3003、FD一3017等辐射仪。八十年代末期，随着CMOS单片微机的出现，单片机化核辐射仪器也开始出现。人们用CMOS单片微机取代了传统仪器中的定时器、控制器、运算器和计数器，并充分利用计算机的强大数据处理及存储能力使仪器具有了自检、自测参数、数据处理、数据存储以及和微机通信功能。这类智能化核辐射仪器主要有FD一3022四道能谱仪、FD一3029测井仪。关键字： 氡 FD一3017 仿真 结构框图 电路分析 第一章 绪论 一台完整的核辐射仪器，可分为两部分，一是将入射射线的能量转换成电信号或其它易测信号的转换器，即传感器或称为换能器；另一是测量电路或称为仪器，它把核辐射传感器给出的信号予以放大、处理和记录，给人们提供入射线的某些特征，如强度、能量、位置、种类等。用于测定核辐射射线的种类、能量及强度的传感器，称为核辐射探测器。 人们根据不同的要求和探测的对象，制成了多种不同类型的探测器，常见的核辐射探测器按其工作原理可分为以下几种：一、 气体探测器 它是根据带电粒子通过气体时，引起气体的电离来探测辐射粒子的。早期该种探测器曾广泛应用，它的优点是制备简单，性能可靠，成本低廉，使用方便，因而至今仍在应用。随着探测器技术不断发展，在高能物理和重粒子物理实验中它已获得新的应用。二、 闪烁探测器它是根据射线与物质相互作用产生荧光现象，来探测射线粒子的。它比气体探测器高多的探测效率而被广泛使用，在不少仪器中已取代了气体探测器。三、 半导体探测器这是六十年代以来迅速发展起来的一种新型探测器。主要优点是：能量分辨率高。线型范围广，体积小。是今年来发展极为迅速的一种核辐射探测器件。用于核辐射测量的还有原子乳胶，固体径迹探测器；威尔逊（wilson）云室和气泡室火花放电室；多能正比室切伦科夫（uepeHKOB）计数器；热释光探测器等。探测器的工作原理可归纳为：1、 利用射线与物质作用时产生的荧光现象；2、 利用射线通过物质时产生的电离作用；3、 利用射线对某些物质的核反应；4、 利用射线与物质作用时产生辐射损伤；5、 利用射线与物质作用时产生的化学反应或热效应。运用上述某种效应，直接或间接对射线进行探测和解释。 氡（222Rn）是镭（226Ra、T=1602年）经过衰变后（4.6MeV）的气态元素（即气体），氡的半衰期为3，825天。氡的第一代子体元素是RaA（218Po钋），而且，RaA形成的瞬间是带正电的离子。RaA的半衰期较短变成RaB（214Pb），其粒子的能量为6.00MeV。因此，FD3107RaA测氡仪是一种瞬间测氡仪器。在取样金属片加HV，立即收集半衰期极短的RaA离子在电场作用下被浓集在带负高压的金属收集。经过一段时间，如果氡浓度高，其第一代子体RaA的粒子数量就多，RaA衰变时，放出的粒子数也多，相反，氡的浓度低，其子体RaA衰变时放出的粒子数就少。这样，RaA的放射性强度将与氡浓度成正比FD-3017仪器是一种新型的测氡仪，它利用静电场收集氡衰变的第一代子体-RaA作为测量对象。FD-3017是一个携带式的、高灵敏的、快速的、准确的现场测量仪器。仪器应用于土壤和水中以及其他许多场合中定量测量氡的浓度。、在勘察而言，需要的就是具体仪器，氡测量可用于资源勘察，包括铀钍矿床.石油以及水资源的勘察，也可应用与地质隐伏构造的勘察。近十年来，国际卫生组织宣布人们受到的天然辐射中50%是由于环境中氡造成的，氡吸入过多可诱发多中疾病，如肺癌等。本文多氡的测量原理及实测进行了详细分析，具有实用性。第二章 FD-3017型RaA测氡仪简介2.1 仪器简介 FD-3017型RaA测氡仪（土壤测氡仪）是一种新型的瞬时测氡仪器是一款国产的及水,土壤,空气为一体的测氡仪，它利用静电收集氡衰变的第一代子体RaA 作为测量对象，定量测量土壤，或水中氡浓度。 仪器除了应用于放射性找矿的射气测量及水化找矿的水氡浓度测定外，还可应用于建筑工程土壤氡检测及寻找地下水源、地震预报、环境保护及科研教学等部门的测氡工作。第三章 FD-3017型RaA测氡仪技术指标、性能参数3.1 仪器技术指标及参数1、极限探测灵敏度：小于0.1爱曼（1Bq/L=0.27×10-10 Ci/L=0.27em） 2、抽气泵密封性能：在700mm泵柱时，漏气速率20mmHg/分 3、探测器：金硅面垒探测器，直径26 mm，面积531mm2 4、探测效率：240（用pu239源活性区直径26mm） 5、本底：4脉冲/小时 6、计数容量：199999 7、定时：高压定时 ：1分、2分、3分、5分、10分和手控 测量定时：0.5分、1分、2分、3分、5分、10分和手控。 8、仪器显示： 1）加高压时左下角有“HV”和左上角有“”符号同时显示，当高压低于24502500v时，左上角符号消失。 2）测量时右上角有“M”显示。 3）电池电压低于3.3v时右下角有“LB"显示。 9、仪器有高压定时报警和测量时间报警 10、仪器在温度1040环境下及温度40相对湿度95的气候条件下正常工作，与常温常湿条件相比，计数误差±10 11、仪器供电：三节一号电池，功耗300mW(包括高压） 12、FD-3017型RaA测氡仪（土壤测氡仪）仪器尺寸和重量： 操作台：体积210×97×156mm3 重量2.3公斤； 抽气泵：长540mm直径103，重量3.3公斤 第四章 FD-3017型RaA测氡仪的方框图与电路原理图4.1 FD3017RaA测氡仪方框图 仪器采用 金硅面半导体探测器测量粒子。当射线穿过射入面，进入灵敏区后，将产生电子空穴对，电子空穴在电场作用下向两极运动，形成脉冲电流，在负载电阻R上产生电压脉冲，经电荷灵敏放大器放大后，送入单道脉冲幅度分析器，剔除低能噪声及RaC的高能干扰脉冲，因此，进入计数电路的仅是Ra产生的脉冲，并由液晶屏显示出来。4.2 电路工作原理分析线形电路部分电荷灵敏放大器有1#1T1T7组成。为图4.1所示。图 4.1 电荷灵敏放大器1T2为结型场效应晶管，是一个共源放大器，为稳定工作点采用1R10的自给偏置和1T6管发射极经1Rg的反馈偏置，同时还从这一点引入电压并联负反馈。1T1构成恒流源为1T2负载，其偏置电压通过1R3获得而使VGS为负值。电路中，1T3、1T6、1T7为跟随器，1T4为共基极放大器，其负载由1T5担任，1T5也是恒流源，这就提高了1T4的电压增益，使1T4为电荷灵敏放大器的主要放大环节。因1T4为共基极同相放大器。其输入阻抗低，输出阻抗高，所以加1T4跟随器可增大前级的放大倍数。加1TG跟随器与后级进行阻抗匹配，可增加本级的放大倍数。电路由1C11将1T6输出的信号反馈到1T2栅极，使电路构成电荷灵敏放大器，电路输出的电压大小，仅仅与辐射粒子在半导体探测器内电离产生电子空穴对的电荷量Q成正比，可用下式表示：式中负号表示输出信号与输入信号相位相反。在硅中产生一对电子空穴对时约需3.5eV的能量，若射入的粒子能量为1MeV，在硅中可以产生个电子空穴对，收集的电荷为：（库仑）1. 6×10-19库仑为电子电荷量。2. 电路中1C11为Cf，如不考虑相位则：V0=Q/1C11=20.8Mv由1T7发射极实测量1MeV的能量在输出端约有16mV的电压脉冲信号。当用239Pu源校正时，1T7输出的脉冲幅度约为82mV。4.3 电荷灵敏放大器仿真波形4.4 极零相消电路极零相消电路是一种成形电路。电荷灵敏前置放大输出的电压脉冲信号不是理想的阶跃脉冲，而是顶部按指数规律衰减的脉冲，如果这种电压脉冲的尾部总会有反向突变（如图） FD3107RaA测氡仪电荷灵敏前置放大器输出波形 可见输出电压是双极性脉冲，其表达式为：式中=RC，f=RfCf=/f。主峰发生在t=0处，主峰值Vm=Q/cf，下冲的峰发生在处。若f>>t下冲的后沿近似为： t>>这种反向突起的下冲脉冲，会严重影响系统对于正常信号的放大性能，由于进入探测器的射线能量不同，有时前置放大器输出的信号幅度可能相差数百倍至多。在这种情况下测量低能量的小信号，高能量大信号的下冲会使后极放大器过载，工作于非线性区（截止或饱和）。 采用图（b）所示电路，即在C的两端并联电阻，可使输出信号增加正比于的成分。当满足，输出的窄脉冲无反向突起，输出电压： 式中，可见，输出波形为一个以为时间常数的指数曲线，显然它是无下冲的单极性脉冲，并且脉冲宽度窄（）。仪报零相消电路又板中的2组成，它将电荷灵敏放大器输出的后尾很长的脉冲形为无反向突起宽度约为的光脉冲。4.5 主放大器主放大器由两级电压并联负反馈放大电路组成，如图4-7-4所示： 第一级放大器由组成。为共发射极放大电路，为基极放大电路，为射极跟随器，和构成了自举电路，增大了的动态负载电阻。电路输入的是正脉冲，输出的是负脉冲，通过将输出信号反馈到输入端，因而构成了电压并联负反馈，电路的放大倍数为：，调节即可得到不同的第二极放大器由组成。组成共发射极放大电路，均为射极跟随器。构成了自举电路，提高了的放大倍数。电路输入负脉冲，输出正脉冲，通过将输出信号反馈到输入端，构成了电压并联负反馈，电路放大倍数为： 两级总放大倍数为： 通过调节即可调节。当用源（能量为5.155）校正时，总输出幅度应，在4.0左右。（此时大约为5大约为50）。第一级放大器中为直接耦合，静态工作点统统调整使大约4.0左右，调整使大约为1.17左右。第二级放大电路主要是通过调整使的电位大约为2.60左右。4.6 主放大器仿真4.7 单道脉冲幅度分析器 单道脉冲幅度分析器工作原理图4.2.1 单道脉冲幅度分析器工作原理单道脉冲幅度分析器（微分甄别器）要求只有输入脉冲幅度落入给定的电压（阈电平）范围之内时，才输出逻辑脉冲。而输入脉冲幅度小于或大于时皆无输出脉冲，它的逻辑功能如图4.2.1所示。图中为给定电压范围的下限电压，称为下阈电平（阈值）；为上限电压，称为上阈电平（阈值）；上阈电平与下阈电平之差，称为道宽（或窗）；称为道中心从图可见，第号脉冲幅度低于下阈电平，则无脉冲输出；第号脉冲幅度落在下阈电平和上阈电平之间，则有脉冲输出；第号脉冲幅度大于上阈电平号脉冲幅度大于上阈电平，无脉冲输出。因此，若保持道宽一定，改变（同时改变而不变），测量不同时的输出脉冲计数N，就可得到幅度谱，即微分谱。这是人们早期测量能谱曲线的简单方法。但是每测一个能谱仍需逐点改变阈值，既费时间，又容易受到仪器不稳定性影响，测量误差比较大。现在一般都用多道脉冲幅度分析器测量能谱。但是单道脉冲幅度分析器结构简单、价格便宜，可以用它选择感兴趣的幅度范围或选取一定的能量范围的信号作为校正信号等等。所以仍然有较广泛的用途。单道脉冲幅度分析器的基本结构如下图8.2.2所示。图8.2.2 单道脉冲幅度分析器结构从图4.2.2的结构可见，单道脉冲幅度分析器由上甄别器、下甄别器及反符合电路组成。反符合电路的逻辑功能为：在给定的时间间隔内，只有符合信号输入端单独有信号时才有输出信号；若反符合端入端（或称禁止端）和符合端皆有输入时则无输出。或者说反符合信号把符合信号“反”掉了，所以称反符合电路。因此反符合电路逻辑功能如表8.1所示。图4.2.3 单道脉冲幅度分析器 的定时误差设上阈电平为，下阈电平为，上甄别器输出接反符合电路的反符合输入端，下甄别器输出接符合输入端，输入信号按其幅度的大小分成以下三种情况：（1）：上、下甄别器皆无输出，反符合电路无输出。（2）：上甄别器无输出，下甄别器有输出，反符合电路有输出。（3）：上、下甄别器皆有输出，反符合电路无输出。因此图8.2.2中的电路结构原则上能实现单道分析器的功能。但是，在实际工作中，由于输入脉冲信号具有一定的上升时间和下降时间，电路在工作时序上还会产生问题，如图8.2.3所示。在图中，为输入电压信号，为上甄别器输出脉冲，为下甄别器输出脉冲。由于有一定的上升时间和下降时间，下阈电平小于上阈电平，使比产生得早，而结束得晚，即比宽。因此，上甄别器的输出信号作为反符合信号不能完全禁止下甄别器的信号输出。从而在反符合电路输出端出现两个不应有的假信号，造成逻辑上的错误。解决上述的错误动作问题可以有多种办法。最直接的办法是，延迟下甄别器输出脉冲成为，再拉宽上甄别器输出脉冲成为。从而使得作为反符合信号的可完全禁止下甄别器的输出。一个采用这种方法的单道脉冲幅度分析器电路结构框图如图8.2.4中的（a）所示，图8.2.4中的（b）为其工作波形图。当输入信号幅度超过上阈时，被拉宽后的上阈输出信号足以“盖住”下阈输出信号，则电路不产生输出信号。图4.2.4 单道分析器的完整结构 （a）结构方框图；（b）工作波形下面分析一个具体的单道分析器图4.2.5 实际单道分析器原理框图从图4.2.5可见，输入信号经过衰减器和基线恢复器以后加到上、下甄别器。上、下甄别器是由集成电压比较器构成的集成电路甄路器。下甄别器输出脉冲用后沿触发的单稳态电路使输出脉冲延迟并用相加电路延长脉冲持续时间；当上甄别器有输出时，再利用低电平RS触发器和或非门完成反符合电路的功能。在图4.2.6的工作波形中，上甄别器触发后经成形输出负脉冲为，下甄别在触发后则成形输出为正脉冲。负脉冲加到RS触发器的S端。正脉冲同时加到相加电路和单稳态电路上。的后沿触发单稳态电路。单稳态电路输出宽度零点几微秒的正负两上脉冲，正脉冲加到相加电路上，负脉冲作为下甄别器输出由单稳态成形延迟后的信号加到或非门的端上。单稳态电路输出的正脉冲和下甄别器输出正脉冲在相加电路中相加，得到比宽零点几微秒的正脉冲。这个正脉冲加到RS触发器的R端。RS触发器的Q输出端加到或非门的端。或非门有否输出决定于RS触发器的Q输出端状态。单道分析器的工作可以分两种情况：和。当时，即输入信号号幅度超过下阈，而低于上阈时，上甄别器无输出，其输出端保持“1”电平，使RS触发器S端仍为“1”电平，而R端起始为“0”电平，故RS触发器 输出端始终保持起始的“0”电平。下甄别器在输入信号作用下输出正脉冲，其后沿由单稳成形后的加到或非门的端，因为此时或非门的另一端连接Q输出端为“0”电平，故通过或非门产生正的输出脉。当时，输入信号幅度超过上阈时，RS触发器被上甄别器输出信号的负沿置“1”态，Q端输出高电平，直到信号结束时刻触发器的R端下跳到“0”电平时才复位，所以或非门被封锁，不允许信号输出。图4.2.6 实际单道分析器工作波形单道脉冲幅度分析器仿真4.8 计数译码，显示，测量电路一、 计数译码，显示电路二、 计数电路三、 4#板G1G2为十进制计数，寄存，译码，驱动回合电路。构成了五位计数器，如图，四、 当开关K68置“检验”时，3#板3G156，3G158组成的多偕振荡器输出的脉冲经3G1211后送往G1/6（CP1）端。当开关K6B置“测量”时，2#板单道脉冲分析器2G13输出的计数脉冲经3#3G12B后送往个位计数器G1/6端。G1G5/6端为计数器时钟脉冲CP1输入端。CP1为下跳沿触发。CP2为寄存器转移控制端，CP2=0，计数器内容并行置入积存器，经译码后，液晶器件显示计数结果，CP2=1积存器封锁，计数器仍向计数，但计数内容不会显示。电路中CP2即G15/7端与地相连,可见,CP2为0电平.液晶显示器随时显示计数器内的内容.五、 G1G5/4端即R端的清0信号来源,一是开机时由4C3,4R9微分后经4D1得到,另一个来源是3#板M信号出现时经4#板4R5,再经4C2,4R7微分后得到.六、 字符显示电路七、 液晶显示器由五位数字和四中字符组成.“HV”“”显示高压情况，“M”显示时表明操作台正在测量，“LB”显示时，表明电池电压低于3.3V，如图八、 加高压“HV”字符显示九、 加高压“HV”字符显示电路由3G11 8 3G1112组成的双稳I、4G68异或门等器件组成。当按下面板开关K5时，3G11/12=0，3G11/8=1，字符“HV”亮，表明高压电路已工作取样片加高压，如果由开关K6A送来定时信号或按下面板开关K3，则3G11/8=0字符“HV”灭。十、 2、“”高压铁落显示电路十一、 “”符号显示电路由高压变压器B2的3、4端，5G211、5C5、5D7、5RV4、4G611等器件组成。5G2为C544CMOS传输门，电路中，C544VDD与地相连，VSS与-6V电源相连，这样：VG=-3V。当高压1-2500V1时，变压器B2的3、4端形成的电压经5D7整流后，使5RV4的滑动端上的负电压低于VG，5G211关闭，传输门是高阻状态，4G6/12通过4R8与+6V相连。使4G6/12=“”符号亮。当高压1-2500V1时，使5RV4滑动端上的负电压高于VG，5G211开启，5G2/10=-6V，使4G6/12=0。“”符号消失，表明高压跌落到规定值以下。十二、 3、“LB”电池失效报警十三、 “LB”电池失效报警电路由4G66、3G810、3R19、3R20、3RV、3R25、3R26等器件组成，如图所示。十四、十五、 RBC=3R19=3R20=3RV十六、 RBA=3R19=RDA十七、 调节3RV1、便VAVt，则3G/10=0、4G6/4=0、4G6/6=Df，“LB”字符不亮，当Ec低于3.3V时，VAVt，则3G8/10=1，4G6/4=1。4G6/6si“LB”字符亮，表示电池失效，应该更换。十八、 4、“M”测量显示十九、 如图所示，“M”测量显示电路主要由4G63，3G123与3G106构成的控制器双稳等组成。测量信号来到时，3G12/3=0，开3G128，3G1211计数控制门，同时，使3Gf/k=3G7/R=3G17/R=0，测量定时分二十、 频电路开始工作，另一方面，可使3G10/6=1、4G6/1 =1 、4G6/3=1、4G6/3=fi，字符“M”亮，表明仪器已开始测量，如图，当定时信号（）到达时，或按下“停止”开关，3G10/6=0，“M”字符灭，表明测量停止。同时3G12/3=0，关计数门3G12/-8、3G1211，测量定时分频电路停止工作。二十一、 二、报警电路 二十二、 报警电路由振荡器、，报警选通电路3T2蜂鸣器等组成，可以看出和高压结束报警或测量结果报警。如图所示。二十三、 振荡器由3G156、3G158组成多谐振荡器，频率fi=2.27HZ，作为高压测量结果结束报警频率，同时送往振荡器和送往检验计数门3G12/13端，作为检验脉冲。二十四、 振荡器由3G152，3G154组成多谐振荡器f13.8HZ，这样由3G146输出的测量结束报警声响频率是经过调制的系列脉冲。二十五、 开关K7A送来高压定时信号（）触发单稳（由3G133、3G136组成）。3G13/6端输出宽度约为0.25的正矩形脉冲开3G143门，振荡器输出的2.27KHz信号经3G143、3G1411推动了3T2工作。使蜂鸣片发出声响。二十六、 开关K6A送拉一的测量定时信号（），触发单稳（由3G1311、3G138组成），3G13/8端输出宽度约为0.65的正矩形脉冲开了3G146门，由3G146输出的经过调制的系列脉冲经3G146，3G1411推动3T2工作，使蜂鸣片发出声响。二十七、 三、时基电路二十八、 时基电路如图所示，主要产生测量时所需的个种时基信号。振荡电路有3G1和石英晶体TU组成，晶振荡率f0=32.768kHz，3G1是一个16级二分频电路，3G1/2端输出f=32Hz的方波作为液晶的驱动信号。3G1/11端输出f=Hz的秒信号，经3T1放大后分别送往高压测量定时分频电路，仪器之所以设置两套分频电路为了同时独立控制加高压时间和测量时间，提高野外工作效率。二十九、 高压定时分频电路由3G2、3G4、3G16等器件组成。3G2为÷15电路，3G3为十六分频器，3G3/10端输出15时间信号，3G3/13端输出1时间讯号。3G3/4端输出2时间信号，3G4亦为十六分频器，这样，由3G8/4可输出2时间信号，3G8/3端输出10时间信号。3G16为÷15电路，由3G16/14端输出30时间信号。上述分频器输出的1、2、3、1030五种时间信号供开关K7A选择。三十、 同样，测量定时分频电路能输出0.5、1、2、3、1030六种信号，供开关K6选择。第五章 结论与建议本仪器具有低功耗，测量范围宽，灵敏度高和精度好等特点。该仪器及可以测量空气中氡浓度也可以测量土壤中氡浓度，应用领域广泛，包括人们日常生活工作的区域的环境评估，能源勘察，地质隐伏构造探测等。该仪器也存在不足，该仪器年代久远，经过应用广泛，但现对于目前高速，大容量，自动分析来说存在不足，时代在进步，仪器也需要跟随着进步，在这方面已经出现了最新仪器即在该电路基础上加进单片机控制，较高级的仪器是采用ARM9，这里只给出简要的图示：这里叙述后续电路原路：采用通用微控制器AT89C2051构成的编码键盘，独立性强，不用经过任何软硬件改动即可移植到其他系统中应用；该键盘除了电源，地线外，只用了一根串口数据线即可实现与主机的通讯连接，不仅连接方便，而且与直接在主机上扩展键盘相比，能够大大节省主机口线。软件采用C51结构化编程，一方面能够充分应用C语言丰富的数据运算函数库，缩短了开发周期，另一方面，采用高级语言开发的软件可读性强，易于维护和升级。同时与Keil Software公司开发的高效率C语言编译器Keil C51配套使用，能够使生成的程序代码允许速度快，占用存储空间小。本仪器主控芯片是PHILIPS公司生产的ARM7系列的lpc2134芯片。LPC2134包含一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARM7TDMI-CPU,与片内存储器和控制器的接口局部总线。与中断控制接口的AHB总线和连接片内外设的VPB总线。ARM7处理器使用了一个被称为THUMB的独特结构化策略。它非常使用与那些对存储器有限制或者较高代码密度的大批量产品的应用。第六章 参考文献 【1】苏弘，董成富，彭宇，千奕，徐四九，吴鸣，刘义才.一种新型电荷灵敏前置放大器和成形峰保持混合电路 2007 【2】张国华，袁中凡，耿波，王敏.基于ARM的能谱测氡仪的研制 2007 【3】王玉双，葛良全，姜海静，林延畅.一种新的便携式瞬时土壤测氡仪的研制 2007 【4】赵桂芝，肖德涛.土壤氡浓度的测量现状 2007 【5】黎正根.核辐射仪器讲稿 2013 【6】郑奕挺，方方，周蓉生.便携式测氡仪器的研制 2007