（核技术及应用专业论文）α能谱测氡装置中的关键技术研究.pdf

摘要 氡是天然放射性气体，对它的准确测量，在铀矿山和非铀矿山氡的辐射防 护、氡法找矿和地震预报等地球科学领域和辐射防护领域有重要意义。氡及其 子体的测量是涉及到核辐射探测技术、电子技术、计算机技术等多门学科的复 杂问题。论文从测量氡及其子体放射出的u 射线入手，瞄准国内5 i - n 氡装置关 键技术发展趋势，结合氡及其子体n 能谱测量特点，采用a 能谱测氡的途径来 完成这一工作。 文中详细介绍了a 能谱测氡装置中的关键技术研究情况，包括电荷灵敏前 置放大器、脉冲成型主放大器、脉冲峰值保持器和n 射线能谱信息的数据处理 技术等。论文详细分析了电荷灵敏放大器的电路模型，给出了适用于硅半导体 探测器的电荷灵敏放大器的设计原则，研制出不同电路结构形式的电荷灵敏放 大器并做了性能测试，比较了它们的优劣。总结出这类电荷灵敏放放大器的研 制方法与调试经验，研制出脉冲成型放大电路并分析了c r 和r c 脉冲成型电 路的特点。数据采集与处理系统采用以3 2 位a r m 7 t d m i s 为核的片上系统级微 控制器l p c 2 2 2 0 构成嵌入式平台，配以容量为l m 的f l a s h 存储器，具有硬件电 路简单，实时性好，资源丰富等特点，不但可以满足a 能谱测量，还可以作为 一个通用谱仪的开发平台。在整体设计上采用大屏幕液晶图形点阵式显示器， 以尽可能的少的按键来完成所有的操作，使人机交互性能得到了提高。 为了使论文有更多的实际参考价值，文中结合实际电路图阐述了模拟电路 中的主要节点信号波形，同时在数据采集处理系统中详述了必要的程序与流程 图。 关键词：氡，a 射线，电荷灵敏，放大器，数据采集 a b s t r a c t r a d o ni san a t u r a lr a d i o a c t i v eg a s h o wt oi m p r o v et h ev e r a c i t ya n d p r e c i s i o no f t h er a d o nm e a s u r e m e n ti s v e r yi m p o r t a n ti n t h el i s t s u b j e c t s ：u r a n i u mm i n e r a d i o p r o t e c t i o n ，u r a n i u m f r e em i n er a d i o p r o t e c t i o n ，u s i n gr a d o nt e c h n o l o g yt o s u r v e ym i n ea n de a r t h q u a k ef o r e c a s t 。i ti sv e r yc o m p l e x i t yt om e a s u r er a d o na n di t s d a u g h t e r t h i sp a p e rc o n s u l t st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h er a d o nm e a s u r e m e n td e v i c ei nt h e n a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a la n dw et h i n k so v e rt h ec h a r a c t e r i s t i co f a r a yw h i c he m i t b yr a d o na n di t sd a u g h t e r , s ot h a td e c i d e s 幻u s et h ed - r a ys p e c t r u mt om e a s n l e r a d o n t h ek e yt e c h n o l o g yi nt h er a d o nm e a s u r e m e n td e v i c eb y a r a ys p e c t m m i n c l u d e st h el i s tk e yt e c h n o l o g y ：c h a r g e - s e n s i t i v ep r e a m p l i f i e rf o rs in u c l e a rd e t e c t o r , m a i na m p l i f i e rf o rs p e c t r o s c o p y , p u l s es h a p i n gc i r c u i t s , p u l s ep e a kh o l d i n gc i r c u i t s a n dd - m ys p e c t r u md a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h ep a p e ra n a l y z e st h em o d e l o ft h ec h a r g e w s e n s i t i v ep r e a m p l i f i e ra n di n t r o d u c e st h ec h a r g e s e n s i t i v ep r e a m p l i f i e r d e s i g n i n gm e t h o d w ed e v e l o pt h r e ek i n d so fc h a r g e s e n s i t i v ep r e a m p l i f i e ra n da l s o i n t r o d u c et h ed e b u g g i n gp r o c e s s , t e s t i n gm e t h o da n dr e s u l t s 。w ea l s od e v e l o pt h e m a i na m p h f i e bp u l s es h a p i n gc i r c u i t sa n da n a l y z ei t sc h a r a c t e r i s t i c i nt h ea r a y s p e c t r u md a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mw eu s e t h el p c 2 2 2 0 ，i ti sa3 2b i t m i c r o p r o c e s s o rw h i c hu s et h ea r m t t d m i - sa s i t sc o r e t h es y s t e mm a t c h e sa f l a s hm e m o r i z e rw h i c hc a p a b i l i t yi s1 m 。i ta l s oh a ss i m p l eh a r d w a r ea n d c o m p a r a t i v e l yr e a lt i m ep e r f o r m a n c eb e c a u s eo f 趣m i c r o p r o c e s s o ri sas o e 瘫韬 t h es y s t e mn o to n l yc a nu s e da sa a r a ys p e c t r u md a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e mb u ta l s oo t h e rs p e c t r u md e v i c e s i nt h ed e s i g nw eu s et h el a r g es c r e e nl c d a n ds m a l lk e yb o a r ds ot h a ti t sm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d 。 i no r d e rt om a k et h ep a p e rm o r ep r a c t i c a b i l i t y , w ep o r t r a yat o to fc i r c u i t d i a g r a ma n dp r e s e n tt h ew a v ed i a g r a mo ft h ek e yp o i n ti nt h ea n a l o gc i r c u i t s a tt h e s a m et i m e ，w ea l s op r e s e n tt h ee s s e n t i a lp r o g r a ma n df l o wc h a r ti n t h ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m k e y w o r d s ：r a d o n ，n r a y , c h a r g es e n s i t i v i t y ，a m p l i f i e r , d a t aa c q u i s i t i o n i l 藜1 颦蔫奏 第1 耄前言 l 。1 选题依据及萋舞究意义 氡怒种放射性气体，其浓度隧拳常气候的影响极大，温度、湿度、风力、 霸光照射都会带来曼蓑影嘲。在镳矿出和j 铀矿出鬣矮射静爨护、氡法找犷帮 地震预报等媳球科学领域帮需要对毓及蕻子体谶行凇确铡量，为糨应工俸提供 依据。 氡是人类受天然辐射的主要来源之一，每年约1 3 m s ，占天然襁射的5 4 ， 其中室内簸豹贡献为i 醛。霞就稳环辘领域，对空气串氡永平酾熬溺、建筑秘 内部秘鼹鬣襞房走零氡污染戆调蠢、防派遣嚣焱受到霪视。璇典罄先注蠢戮室 内氡的危窖，继之以藩国、德国的研究之后，法、英、意、奥、f ；l 、印、巴基 颊坦、攥殛瓣、匈牙测、伊勰等霪分爨予8 0 年代孛簌襄或鳓年代裙蘩开始磷 究氡的环境阔趣，并陆续深入到寻找氡来源的娥的环境她质研究工作。前欧共 体1 9 9 1 m 1 9 9 3 年韵“欧洲氡计鲻”虢臣额资金资助寻找氡源、低水平氡的溯定、 氡在地质应用方面的研究和室内蒙安全标准制订的研究。从1 9 9 0 年开始，美国 已经把氡污染被为一个重袋的键廉阔题掇出。美国磷境保护鼹( e p 矗) 决定2 0 0 2 每1 嚣定为念覆氡嚣秘嗣( 瓣r 趣) ，鼗攀是对连续1 2 零熬全潮鬣嚣魂周熬添韵 的改进和加强。 我强竣黪阕撵耋撬凝夔鑫害秽爨渣。1 9 9 4 零开始实旌环境燮气中氡瓣搽 准测量方法( 中华人鼹共和国国寨标准g b 艘1 4 5 8 2 9 3 ) ；1 9 9 5 冬制定了住 房内氡浓度控制标准( 中华入鼹共和嚣国家标准g 8 t 1 6 1 4 6 1 9 9 5 ) ；2 0 0 1 又年制定民用建筑室内环境污染控制规范( 中华人民共和国国家标漆 g b 5 0 3 2 争2 0 0 1 ) ；2 0 0 3 年l o 月1 翻起，我国正式颁布荠实施放射牲污染防潘 法。交筵燕，夔镤l 控案l 壤戆环壤污潦在我国已箍弱重要豹议事霾翟上激。 总之，国内、国际上的“氡热”势头很猛，总体趋势是走向环境地学的研 究、寻羧鬣豹来源滔趣。瓣氡及冀予体遴嚣准确麓渊晷势这鍪工嚣静开袋疆供 了依据。 氡疑兰太天然放射系中性状特殊的n 辐射体，对氡的测量主嚣是通过测量 氡及其予体放鼹出的a 射线来进行靛。露蘸常用的测氯方法多为感量测爨，这 种方法滩以将2 r n 翘2 。0 r n 区分开来，从丽不能准确的分析氡楚来自三个天然衰 变系中瓣嘟一令， 童甭便对被溺俗串豁放骞孝湮孩素遴季亍定量豹分褥，通过对鬣 成都理工大学硕士学镜论文 及其予体发出的。粒予的能谱测量则呵以较好蛾船决这一目题。 1 2 磺究现状和发震方闫 一裔竞整的n 藐谱瓣氡装置一般包瑟三部分；一怒深头部分，斑就是探溺 器总成，它包靠氧气采样部件、掇测器和前置放大器等，主要用于集氡气并 将其予体放射出的n 射线转化为定强魔的电信号；二是测鬣电路，它将探溯 浆总成羧出的脒冲信号放大调理并转换为便于模数转羧嚣处趣靛售号；三跫数 粥采集处理部分，用来完成模数转换和谱线显示与数搬分析。图卜1 是一个典 熬豹a 辘谱铡氡装置攥圈。 1 2 。1 磺究现状 l 厂一1 l 鐾萎 蓑篝 i 嚣墨| 以微控制器 为棱心的数 据采集始理1 系统 图i - ! 典型的q 能谱测氡装置 1 常用测氡的a 粒子探测器 目前，常用溯氡的n 粒子探稠i 器主要有脉j 申电离蜜、屏栅电离室、闪烁探 测器、半导体攘测器等。其中脉冲憩离燮积羼撩电离室熬灵敏体积一般都b 较 大但能量分辨率较差，闪烁探测器的灵敏体积较小，能量分辨率相对半导体探 测器也较差。半导钵搽溅嚣由于毒l 造工艺靛限到，其嚣敏区一艘跑较小，侄由 于平均电离能低，故这类探测器的能量分辨率最高。常用核辐射半导体探测器 有金硅黼垒墅深诵器、钝讫离子注入硅淼溺器、高缝锗探灞嚣、平两硅光敏二 极管探测器等。高纯镶探测爨工作溉度为7 7 k ，故霈要在制冷装置的配合才能正 常工作，而上述其他半导体探测器则可工作于常温下。用于测氡的半导体探测 器有金疆蟊垒裂攘测器、镱化亵予注入醚掭测嚣稳乎甏硅光敏二极嚣擐测器， 其中后者的能缀分辨率较前两者要差，一般用于0 【总鬣测量。这类探测器出于 瑟敏体积小，一般将萁萋予夕 翔高压电场豹氡气觳榘室中来探溺氧弱予俸 第1 章前言 p o 一2 1 8 、p o 一2 1 4 、p o 一2 1 2 和p o 一2 1 6 。它们在便携式氡测量仪器中得到广泛的应 用。 2 电荷灵敏放大器 目前电荷灵敏放大器主要由高性能运算放大器或成品电荷灵敏放大器为核 心构成。这种电路构成方式有两种，一种是“j e f t ( 结型场效应管) + 集成运 放”或“j e f t + 成品电荷灵敏放大器”，另一种是完全采用集成运放来构成电荷 灵敏放大器。前种模式的电荷灵敏级采用一支j e f t 管进行阻抗变换，后级采用 性能比较高的运放或成品电荷灵敏放大器，采用这种方式好处一是可以在必要 的时候将j e f t 管与探测器一起置于冷区中，从而降低j e f t 管的噪声，二是可 以根据探测器结电容的不同选择不同栅源电容的j e f t ，从而达到降低前放噪声 的目的，三是可以根据仪器具体的要求采用不同的运放和j e f t 。成品电荷灵敏 放大器具有代表性的型号是a m p t e k 公司生产的a 2 5 0 、a 2 2 5 、a 2 3 0 型等。图卜2 为a m p t e k 公司生产的a 2 5 0 型电荷灵敏放 大器。 完全采用集成运放来构成电荷灵敏放 大器也被广泛的应用着。这种电路结构简 单调试方便，但是对运放的性能要求非常 高，一般根据特定的用途来设计相应的电 路，一旦电路成型，更改的灵活性不大， 它往往用于大批量生产的仪器中。 图卜2a 2 5 0 型电荷灵敏放大器 3 主放大器 目前主放大器也由集成运放或专用的成型放大器构成。在要求不高的场合， 一般采用高性能的集成运放来构成主放，构成形式一般是同相和反相放大器。 这类运放一般是宽带、高频、高上升速率、低噪声的器件，它们的一l o d b 带宽 一般在2 0 3 0 m h z 以上，上升速率有的甚至达到1 0 0 0 v 1 1s 以上。当然，如此 高性能的运放在许多应用场合是可以用于电荷灵敏级的。a m p t e k 公司生产的 a 2 7 5 和a 2 0 6 就是具有代表性的专用成型放大器。以a 2 7 5 为例，它的上升速率 是l o o g us ，等效噪声输入电压是4n v h z 。 4 脉冲峰值保持器 脉冲峰值保持目前的主流电路由运放、模拟开关、保持电容、复位电路组 成，完成对脉冲的过峰检测和峰值保持。由这些分立元件构成的峰值保持器由 于应用元件不同而性能各异。国外成品脉冲峰值保持器具有代表性的型号是 p h 3 0 0 ，它的主要技术指标为功耗3 6 m w ，输出上升速率3 0 r us ，卜- 降斜率 1 uv us ，线性度0 0 1 ，门控响应时间4 0 n s ，复位时间 1 ，刚 堡) 旦：上堕一土堕( 3 9 ) 一 、 3 ， 成都理上大学磷学位论文 塞式3 - 9 期，要掩嘉羧彦陵发懿秘辩稔定瞧，裁必绥撵裹反续漾发磊t f ， 凌予鞠c ，鞠差不夫，反镄系数f 静壤毽篦较夸，袋以牙环增蓝也必缀横大 右能有较好的鲶爨睡凄稳定幢。 3 2 。4 蠓拳及黎移特性 在搽测器魄缆缀娥的燔掇下，魄赫放大嚣瓣嗓声寒垂予搽溅器、放大器蛉 输入级和电阻。电荷放大器的零点漂移主骚是由于输入级的羞动晶体管的失调 滚丞弱炎谖毫滚弓l 起瓣，在输入缀采建续熬秘敷痤管懿情援一f ，烈输入镳鬟奄 流很小，放大器的失调电压成为引起零点飘移鲶主要原因。翻3 7 魑食有噪声 鞠零戳鹣电荷藏大器蠡鼋等效魄路，蘩串瓴跫等效输入嗓声毫藤，拶。是等效 耱入失溺电医。 图3 - 7 带嫌声和零飘豹彀旖放穴器的等效电路 擞开竣天恕荮q 及零联电压吼嬲，单狱分嫒噪声瓯产生的噤声羧懑邀愿殴 u 。j 瞧 c 。+ c ，+ 0 ) + 媛+ a o ) 。g ，l u 。j 。l 砖，+ g ，) 卟8 + 鲣鼍笋- i - 黟。 7 汛，u ， ( 3 - 1 0 ) ( 3 一 1 ) 反馈电容g 一定辩，g 霸q 越，j 、，输凄曝声甄越小。阊祥瑷撇开输入电 蓊嗓声电篷拶。荸独分褥毫萄放大器熬零飘毫愿f ： 啥l + 丝篆斧 洛搦 零飘的变化总是缓慢的，因此可以认为式( 3 - 2 ) 中的m 一0 ，j i l i | ： 1 1 4 第3 章探测器总成设汁与实现 卟( 1 + 学， ( 3 1 3 ) 为了减少电荷放大器的零飘，必须减少q 和g c ，也就是要提高输入电阻和 电缆绝缘电阻，同时要增大g ，即减少反馈电阻群。 除此之外，由于电荷放大器是电容反馈，探测器偏压的波纹和电源的波纹 很容易通过杂散电容耦合到输入端，c ，越小，杂散电容对放大器的影响也就越 灵敏。所以要有良好的屏蔽和电源退耦。 3 2 4 配合硅半导体探测器的电荷灵敏前置放大器的设计原则 钝化离子注入硅( p i p s ) 探测器和金硅面垒型探测器都是硅探测器。这两 种探测器由于制各工艺不同它们的电特性和核辐射特性各有不同，但就平均电 离能而言，在硅中当温度为7 7 k 均大约为3 8 e v 。这两种探测器的灵敏区实际 上是另一种形式的p n 结。工作时，p - n 结上加反向电压，即p 型处加负电压， n 型处加正电压。偏压越高，耗尽层越厚，灵敏区越宽，探测器等效电容越小， 探测器的漏电流就越大。当粒子入射到灵敏区时，通过与半导体材料的相互作 用，很快损失掉能量，这些能量使电子由禁带被激发到导带上，于是产生了电 予一空穴对。在电场的作用下，电子和空穴分别向两极飘移，在输出回路中形 成信号。探测器的表面对光透明，应避光使用。本研究中选用的是击2 6 的金硅 面垒型探测器，它的能量分辨率是2 5 k e y ( a i n 一2 4 1 源5 4 8 6 m e va 粒子半宽高) ， 噪声为1 9 k e v 。 在脉冲探测器中，每个探测事例约为1 0 1 0 1 0 4 5 c ，在直流仪器中，约为 1 旷7 1 0 a ；电流持续时间范围低于1 0 n s ；信号的上升时间为5 n s 左右。由 此可见，探测器输出的是一种强度弱而且上升时间与持续时间都很短的高频脉 冲信号，所以配合这类探测器的放大器要求输入阻抗高，响应速度快，开环增 益大和频带宽并且要有很低的噪声。针对这种探测器的特性与对电荷灵敏放大 器的模型分析，可见应遵循以下设计原则来设计相应的电荷灵敏放大器。 1 在输入级应采用低噪声器件，减少输入总电容( 包括探测器等效电容、 电缆电容和器件输入电容) 可以有效的降低噪声。 2 上升时间要尽可能小，以便能真实的反映探测器的输出信号。 3 尽可能的提高放大器开环增益以减小放大器的测量误差、提高输出幅度 的稳定性。 4 缩短探测器电缆，减少电缆电容和电缆电阻，适当提高探测器的偏置电 压，减少探测器输出电容。这样有利于减少电荷放大器的噪声和提高上限截止 频率。当然，过分的提高探测器偏置电压会增大探测器的漏电流，从而使放大 成都理i ：大学硕士学位论文 器的噪声有较大的提裔。敖穰压强颓根摇实际清况通过试验采选定。 5 采用低噪声结烈场效应管或者低噪声结型场效应管工艺的运放作为电 萤灵敏放大嚣瓣竣入级，这撑可以峰低噪声著毒效鹣搀制零飘。遥当熬溅小反 馈电阻来增大直流反馈强度，稳定直流工作点并抑制零飘。 3 3 电萄荑皱前置赦大器的实瑗与性麓测试 3 3 1 三种毫赫灵敏放大器的原璞与调试 图3 - 8 为第一种电荷灵敏放大器( 以下称电路1 ) 的电路原理图，它幽两部 分缀成：第一部分是嘏蒋灵敏级，蝰电荷镲号转换为瞧压幅度输出，并实现电 荷炙敏放大的功熊。这一级由低噤声高频络型场效成管2 n 4 4 1 6 以源极输出器 方式与低噪声、较宽频带的运放m ( n r , 5 5 3 4 ) 构成，具有输入阻抗高、噪声低、 稍瘢驽等特焱。第二部分是敖大输凄级，瘸溢送一步敖大毫麓赫滓，囱运效 u 2 ( n e 5 5 3 4 ) 构成，具脊转换速度快、电压增益高等特点。整个电路采用十1 2 v 供嗽。 来自搽溯器酶意号赢接藕台农输入端s i n上。偏压h v 通过阻容 、_in(c1 c 2 、r 1 、c 3 、c 4 ) 滤波和负载电阻r 2 加到探测嚣上。测试信号则从测试端 t e si n 竣入，r 3 纛c 5 将溪试臻号茨抉毫羼痿号转换为毫荧繁弩。q l 翡壤辍、 源极、u 1 的反向输入端、输出端及电阻1 4 构成直流闭环。v r 用于调熬这个 闭环的静态工作点，调蹩v r 使u l 的同棚输入端电位一旦高予反向输入端电 位，翔u 1 的两个输入端的电位炱为基本一致，毫荷灵敏缀使避入了蠹瀛黼环， 工作在闭环稳态。i h 作为级问反馈电阻，对于直流稳态来说，使电路的静态工 终点褥殴保持稳定，弼黠奄受反镀逛骞c 7 上瓣电黎攫供泻敷途径。 电荷灵敏级进入闭环稳态后，调整v r 改变r 5 上的电压，从而使q 1 的 满极电流易按照f 。= 百v r 5 的蕊律变纯，嘏据q l 鹣如转移特性鞠线选 强合逶懿i d ，一般镬焚瞧毵予锪秘瀑电浚f 。由予毫爨工 挈在透琴稳森，在 调熬毛时，场效应管的掇澡电联也按f o = i 删( 1 一谗) ( 舱v 雒) 得到了满足。在实际：c 作中，每只场效应铃的转移特性曲线最好事先测定，以 绦涯它l 工佟在合适戆黪态工馋患上。 1 6 第3 章探溅器总戒设计与霞现 电荷灵敏级的输出信号经过c r 。r c ( c i o 、r 7 、r 8 、c 1 1 ) 滤波成形后送 入由u 2 激反籀输入敖大器形式籀戏瀚放大输 l 级，c 1 2 是穗位补偿电窖，以 防止电路产生自激振荡。u 2 同相输入端的平衡电阻由r 6 来担任，它按 r 6 = r 9 r l l 来选取，在u 2 的输入引脚之闻接入一个较反馈电阻r l l 小的多 ( 1 t 1 0 ) 静电阻r 1 0 煲| j 可使嗓声增益降低虱一令数俊上班保持稳定，面无需改 变信号增菔。这里，在理想状态下，信号增焱sg 型，噪声增黼 r 9 ng ：l + m l ( m o + n 9 ) 。 一 硪0 r 9 图3 啕是第二种电荷灵敏前放的旗本电路( 以下称电路2 ) 。它的电荷灵敏 级和放大输如级完全采用j f e t 输入的离性能双运放a d 8 0 6 6 构成，工作电压为 9 ￥。毫蘩灵敏缀采麓基零邀蕊灵敏敷大器豹搀簸形式，e 5 隽积分邀容，襄4 为起直流殷馈作用和放电作用的电阻。整个电路结构简洁，调试简单。它输出 的信号经谶级r c c r 滤波成形后进入放大输出级，这一级电路与电路1 相同， 在l 鞋：不秀赘述。电路采弼圭9 v 供电。 圈3 一l o 为第三释恕蘅灵敏前放的基本电路( 黻下称电路3 ) ，它也是由邀搿 灵敏级和电压放大级组成。电荷灵敏级由两只低噪声高频结型场效应管2 n 4 4 1 6 以共源放大器的方式与邂放u 1 ( n e 5 5 3 4 ) 构成。第：部分是电压放大级，它把脉 净送一步簸大，它与上瓣令逮黯相藏，交运敖u 2 ( n e 5 5 3 4 ) 鞫残。电路采嗣+ t 2 v 供电。与电路l 不同的怒q 1 、q 2 构成了共源放大器，其中q 1 以恒流源的方式 作为q 2 的负载从而提高了共源放大器的增益，以恒流源为负载的抉源放大器与 毫哭巧增藏瓣运藏n e 5 5 3 4 宰连在裁趣遥遒孛极大憋提褰了整个畦隆酶开环趱 盏扶丽减小放大器酶测鬣误差。这种电荷灵敏放大器的的调试方法与电路l 繁 本相同。 1 7 袋邦理。大学磺学往论文 露3 - 8 繁一秘毫莓灵敏放大器爆瑾蛋 豳3 - 9 第二种电精灵敏放大器原理图 1 8 第3 章探测器总成设计与实现 3 3 。2 主要器钵戆选撵 图3 - 1 0 第三种电荷灵敏放大器原理闰 1 电路l 、3 输入鬻的选择 麓舂镛莲豹探溺器满毫浚，常溢下在1 0 4 量缀，奄客接避耍泌。穰毙之下， 探测器对整个电路的噪声贡献是比价小的。翦置放大器的噪声很大一部分来自 于输入级j f e t 的噪声，要降低这方面的噪声水平，关键是要有优质的j f e t 作 为电荷输入级。要求j f e t 有大的跨导，高的输入阻抗，低的栅源电容，较宽的 频带。在j f e t 中，3 d j 7 、3 d j 9 、蕊4 4 1 6 、2 s k l 4 7 、2 s k l 5 2 、2 n 4 4 1 6 等都为低 啜声，室频带豹结型场效应篱。试验发现它靛均揍为电蕊灵敏放大器的输入 级。在电路1 和电路3 中最终选用的憝2 n 4 4 1 6 型结烈场篱，它的栅源电容为 2 2 p f ，转移跨导为6 m s ，具有良好的噪声特性。 2 ，运放的选择 电藉灵敏级酶运羧娶采爝低臻声豹j f e t 跨导型遮藏。然瑟低噪声款j 疆t 跨导墼运羧链往其有较大鹣输入敷客，这秘运教只适合用予毫输出惑蜜的探铡 器，对予金建器垒这探测器撵 莲竣出彀容的攘测瀑，在使用这类运鼓对如不仔 纲选择往往不铡予获 导受好熬售嗓比，因此在实际设计中，必须在众多的j f e t 跨导运赦中摄中选择。试验发现，集成运放影响电萄灵敏级最熏要的技术指标 有：竣入阻摭、转换速率、输入等效噪声电压、开环增益和带宽。试验发现： 1 9 成都理j 二大学硕士学位论文 警j e f t 运拔兹共模赣入毫客，l 、予3 p f ，转换速率大予1 5 0 v s ，等效噪声输入 魄压小于l 鼬 形石r 歼环增益大于1 0 0 d b 融，便麓较好的满足甄气能谱测艇的 l - z 要求。在放射性测量中，往往有些高熊射线，雀掇测器中产黛阮被研究的脉 冲幅度大几馈的脉冲，使得放大嚣产生幅度过载。为了克服这一理象，选择运 澈时可以采溺r a i l t o r a i l 功能酌运放或者提高放大电路的供电电压。 而在电路1 和电路3 中，由于前缴的j f e t 具有很高的输入阻抗和高频特性， 羧黠螽缀遥羧鹣往缝( 礤声性能狳努) 要求不裹。魄路1 、3 孛选溺熬n e 5 5 3 4 的主要性能指标如表3 一l 所示。 表3 - in e 5 5 3 4 的接术主要攒檬 r i n ( k q )s r ( v ps ) v 啪，。( n v h 嚣l 2 )a m v 礤v )g 潞瓣 z ) 1 0 01 34 1 0 01 0 在电路2 中，由于究全采用逡放来构成电荷灵敏级，对运放提出了较高的 要求，这羹逸霜懿是其骞r a i l - t o - r a i l 凌戆戆a d 8 0 6 6 ，它戆主要技术攒耩熬 袭3 2 所示，可见其性能远高予前放l 、3 所用运放的。它是s o p 一8 封装的双运 放，故可以将电路的体积做的很小。 表弘2a d 8 0 6 6 的童要技术指标 lr i n ( g qs r ( v # v 。，s ( n v h z l 2 )o p e n l o o p3 d b b a n d w i d t h ( j 掰z ) | | p f )s )g a i n ( d m l1 0 0 0 1 1 4 。5 1 8 071 1 41 1 5 3 反镄泡客、毫黧豹选择 在前放电路中c ，过d , 贝j j 反馈深度偏小，输出幅度稳定性交坏，反之电容过 大，剩蜈声貔丈，龟萄变换增蕊援套，漶嚣者都会影豌能量分辫攀，通道试验 谯设计中选翔i p f 的商蕊陶瓷零温度系数魂容作为旋馈电容。反馈电阻怒热噪 声的主要来源，反馈电阻越小，它贡献的热噪声就越大，但反馈电阻越大，盥 溅爱续深痰簸越小使惫焚放大器瓣稳定瞧交差著且零飘增大，鼹跌毫骧馕蘩在 邀二者之通中过试验折中选择。这里选用的是1 0 0 m 的金属膜电阻。 3 。3 。3 曝声控翱 为了傈诞毫路的可露性和低噪声，媳路叛酶设谈。工艺也是蘸要一环。豫了考 疼捌元俘布鼹合理，分布均匀终，露件闷涟线要尽爨攮，电源线尽量远离镥号线， 2 0 第3 章探测嚣慧裁设计与蜜域 商压馈电支路与放大电路部分分开这些常规的捂施外，还要对电路投上的地线 做了认真仔细舱设计。为了尽豢的减少噪声翻于我，在布线时电源线、离压线、 繁号绫要尽露筑短显绶瑟楚开凝蒜。电蕊灵敏缀每放大羧窭缀要经蘧# 爱l c 滤波 溆鼹分开供毫。在敷设遗线时，在电路板瓣电源部分与后缀电路部分震行大面积 敷锎地，商在电荷灵敏级一倒则不实行大筒积地且与大颟积地保持一定距离， j f 瓣懿滚掇羧缝线霜线式蟪线鸯丈嚣积戆秘连。拢终，鼹辑有 蠡入、浚掇、嵩 聪线实行良好接地，将它们分羽就近与嗽路板的地线糯连接。由偏置电篷弓f 超的 探测器反向漏电流也是探测器一前置放大嚣系统的噪声来源之一，在不影响分辨 率的情况下，适当减小探测器偏簧电压，增大搛测器偏攫电阻都是行之奇效的措 蘸，这墼搽测豢蘩垂送嚣麓7 0 v ，绱基彀辍2 0 m ，实蒺l 探溺器瀑毫滚 l o n a 。 3 3 4 性能测试 1 毫霹燹获瑗蓝 当搽溅器将正魄予鸯| 线鬣e 的一定静电耱董q 输入戮电荷灵敏放大耩辩，