專利名稱：金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路，適用于氡及其子體衰變過程中輻射α粒子的能量測量。
背景技術：
放射性元素(如氡及其子體)在衰變過程中會輻射α粒子，目前國內外常通過測量輻射α粒子的能量來探測其母體的濃度。常用的α粒子探測器有光電倍增管和金硅面壘型半導體探測器兩種。光電倍增管可探測紫外輻射、可見光和紅外輻射。采用光電倍增管進行光電轉換， 需要選擇適當的閃爍體(比如ais等)，閃爍體的材料及閃爍室結構不同，將導致對射線的靈敏度不同，此外體積較大、測量時要求嚴格避光限制了光電倍增管的應用領域。金硅面壘型半導體探測器是在N型硅的一面鍍一層很薄的金，引出導線與探測器外殼連接作負極，在另一面鍍一層鎳，并用導線引出接正極。當外加電壓時，金硅面壘型探測器的輸出脈沖幅度正比于入射帶電粒子的能量。金硅面壘型探測器主要用來探測α粒子和質子，除具有特別高的能量分辨率外，還具有體積小、工作電壓低、線性響應好、脈沖上升時間快、容易做成各種不同形狀等優點。由于金硅面壘型探測器在探測α粒子領域的優勢，其工程應用日趨增多。然而金硅面壘型探測器的輸出噪聲與α分辨率較為接近(如靈敏直徑為50mm的金硅面壘型探測器，其輸出噪聲及α分辨率分別為50keV和55keV)，并且氡及其子體衰變過程中輻射的 α粒子絕對能量較小。金硅面壘型探測器的傳統電荷放大裝置的能量響應帶寬較窄、靈敏度低較低，導致放大器輸出無法準確反應輻射能量；此外，金硅面壘型探測器為射線敏感元件，電荷放大器電路參數設計、PCB布局及結構設計不當均會造成電荷放大裝置的輸出不穩定。尤其在電荷放大裝置近距離范圍內接打移動電話時，將使電荷放大裝置輸出紊亂。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有噪聲低、響應靈敏度高、轉換速度快、 防電磁干擾、調試簡單、輸出數字信號、穩定性高的金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路。本發明解決其技術問題所采用的技術方案
本發明由前置放大器、三級反相比例放大器和輸出電平與TTL電平兼容的比較器組
成；
所述前置放大器的輸入端通過同軸電纜與所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端相連接，所述前置放大器的輸出端經所述三級反相比例放大器接所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸入端，所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸出端接計算機的相應輸入端。作為本發明的限定，所述前置放大器的輸入端通過同軸電纜與所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端相連接，所述前置放大器的輸出端經所述三級反相比例放大器接所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸入端，所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸出端接計算機的相應輸入端。所述前置放大器由晶體管T1-T4、電阻R1-R7、電容C1-C7組成；所述晶體管Tl和 T2組成復合管，所述晶體管Tl的基極經電容Cl接所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端正極，所述晶體管T2的發射極接地，所述晶體管Tl和T2的集電極接晶體管T3的發射極， VCl點依次經電阻R7、電阻R1、電阻R2接地，電阻Rl和R2的節點接晶體管T3的基極，電阻 R4接在電阻R7和Rl的節點與晶體管T3的集電極之間，晶體管T3的集電極接晶體管T4的基極，晶體管T4的發射極經電阻R6接地，電阻R5接在電阻R7和Rl的節點與晶體管T4的集電極之間，電阻R3與電容C2并聯后接在晶體管T4的發射極與晶體管Tl的基極之間，電容C3-C7為濾波電容。所述三級反相比例放大器的第一級由運算放大器U1A、電阻R8-R14、電容C8-C13 組成，所述運算放大器UlA的反相輸入端2腳依次經電阻R8、電容C8接所述晶體管T4的集電極，電阻R9與電容C9并聯后接在運算放大器UlA的同相輸入端3腳與地之間，運算放大器UlA的輸出端1腳經電阻R12接地，電阻RlO與電容C12并聯后接在運算放大器UlA的輸出端1腳與反相輸入端2腳之間，電阻R14與電容C13并聯后接在運算放大器UlA的輸出端1腳與第一級反相比例放大器的輸出端01點之間，運算放大器UlA的電源端正極8腳經電阻Rll接VC2點，運算放大器UlA的電源端負極4腳經電阻R13接VC3點，電容ClO-Cll 為濾波電容；
所述三級反相比例放大器的第二級由運算放大器U1B、電阻R15-R18、電容C14組成；運算放大器UlB的反相輸入端6腳經電阻R15接所述第一級反相比例放大器的輸出端01點， 運算放大器UlB的同相輸入端3腳經電阻R16接地，運算放大器UlB的輸出端7腳經電阻 R18接地，電阻R17與電容C14并聯后接在運算放大器UlB的輸出端7腳與其反相輸入端6 腳之間，運算放大器UlB的電源端分別接所述VC2點和VC3點；
所述三級反相比例放大器的第三級由運算放大器U2、電阻R19-R21、電容C15-C21、電感L1-L2組成；運算放大器U2的反相輸入端2腳經電阻R19接所述運算放大器UlB的輸出端7腳，運算放大器U2的同相輸入端3腳經電阻R20接地，電阻R21與電容C21并聯后接在運算放大器U2的輸出端1腳與其反相輸入端2腳之間，電感Ll接在+12V與運算放大器 U2的電源端正極8腳之間，電感Ll與電阻Rll的節點為VC2點，電感L2接在-12V與運算放大器U2的電源端負極4腳之間，電感L2與電阻R13的節點為VC3點，電容C15-C20為濾波電容。所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器由TTL比較器U3、電感L3、電位器WRl、電容C22-CM組成；所述TTL比較器的反相輸入端3腳接電位器WRl的動臂，電位器WRl與電感L3串聯后接在+5V與地之間，TTL比較器的同相輸入端2腳接所述運算放大器U2的輸出端1腳，TTL比較器的電源端正極1腳接電感L3與電位器WRl的節點，TTL比較器U3的 4-6腳接地，TTL比較器U3的輸出端7腳接所述計算機的相應輸入端，電容C22-CM為濾波電容。本發明的有益效果是具有噪聲低，響應靈敏度高、轉換速度快、防電磁干擾、調試
5簡單、輸出數字信號、穩定性高及成本低等特點。本發明適用于地震預報、地質和水文地質勘探、尋找地下水源、環境保護等工作場合，對氡及其子體衰變過程中輻射α粒子的能量進行測量。
圖1為本發明的原理框圖； 圖2為本發明的電路原理圖。
具體實施例方式由圖1一2所示的實施例可知，它由前置放大器、三級反相比例放大器和輸出電平與TTL電平兼容的比較器組成；
所述前置放大器的輸入端通過同軸電纜與所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端相連接，所述前置放大器的輸出端經所述三級反相比例放大器接所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸入端，所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸出端接計算機的相應輸入端。所述前置放大器由晶體管Τ1-Τ4、電阻R1-R7、電容C1-C7組成；所述晶體管Tl和 Τ2組成復合管，所述晶體管Tl的基極經電容Cl接所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端正極，所述晶體管Τ2的發射極接地，所述晶體管Tl和Τ2的集電極接晶體管Τ3的發射極， VCl點依次經電阻R7、電阻R1、電阻R2接地，電阻Rl和R2的節點接晶體管Τ3的基極，電阻 R4接在電阻R7和Rl的節點與晶體管Τ3的集電極之間，晶體管Τ3的集電極接晶體管Τ4的基極，晶體管Τ4的發射極經電阻R6接地，電阻R5接在電阻R7和Rl的節點與晶體管Τ4的集電極之間，電阻R3與電容C2并聯后接在晶體管Τ4的發射極與晶體管Tl的基極之間，電容C3-C7為濾波電容。所述三級反相比例放大器的第一級由運算放大器U1A、電阻R8-R14、電容C8-C13 組成，所述運算放大器UlA的反相輸入端2腳依次經電阻R8、電容C8接所述晶體管Τ4的集電極，電阻R9與電容C9并聯后接在運算放大器UlA的同相輸入端3腳與地之間，運算放大器UlA的輸出端1腳經電阻R12接地，電阻RlO與電容C12并聯后接在運算放大器UlA的輸出端1腳與反相輸入端2腳之間，電阻R14與電容C13并聯后接在運算放大器UlA的輸出端1腳與第一級反相比例放大器的輸出端01點之間，運算放大器UlA的電源端正極8腳經電阻Rll接VC2點，運算放大器UlA的電源端負極4腳經電阻R13接VC3點，電容ClO-Cll 為濾波電容；
所述三級反相比例放大器的第二級由運算放大器U1B、電阻R15-R18、電容C14組成；運算放大器UlB的反相輸入端6腳經電阻R15接所述第一級反相比例放大器的輸出端01點， 運算放大器UlB的同相輸入端3腳經電阻R16接地，運算放大器UlB的輸出端7腳經電阻 R18接地，電阻R17與電容C14并聯后接在運算放大器UlB的輸出端7腳與其反相輸入端6 腳之間，運算放大器UlB的電源端分別接所述VC2點和VC3點；
所述三級反相比例放大器的第三級由運算放大器U2、電阻R19-R21、電容C15-C21、電感L1-L2組成；運算放大器U2的反相輸入端2腳經電阻R19接所述運算放大器UlB的輸出端7腳，運算放大器U2的同相輸入端3腳經電阻R20接地，電阻R21與電容C21并聯后接在運算放大器U2的輸出端1腳與其反相輸入端2腳之間，電感Ll接在+12V與運算放大器 U2的電源端正極8腳之間，電感Ll與電阻Rll的節點為VC2點，電感L2接在-12V與運算放大器U2的電源端負極4腳之間，電感L2與電阻R13的節點為VC3點，電容C15-C20為濾波電容。所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器由TTL比較器U3、電感L3、電位器WR1、電容C22-CM組成；所述TTL比較器的反相輸入端3腳接電位器WRl的動臂，電位器WRl與電感L3串聯后接在+5V與地之間，TTL比較器的同相輸入端2腳接所述運算放大器U2的輸出端1腳，TTL比較器的電源端正極1腳接電感L3與電位器WRl的節點，TTL比較器U3的 4-6腳接地，TTL比較器U3的輸出端7腳接所述計算機的相應輸入端，電容C22-CM為濾波電容。在本實施例中，U1A、U1B、U2的型號為NE5532，U3的型號為MAX913。如圖2所示，金硅面壘型探測器正極的輸出信號通過耦合電容Cl送到前置放大器，Tl和T2組成的復合管增加放大倍數的同時可提高輸入阻抗，信號經晶體管T3和T4，在 T4集電極輸出一個放大的負脈沖信號送往三級反相比例放大器進行整形放大。R3和C2構成電壓并聯負反饋，以穩定輸出電壓。如輸出波形不太理想，可適當調節R3電阻值和C2電容值。前置放大電路的輸出為迭加在干擾噪聲上的30 SOmV的脈沖，三級反相比例放大電器由共模抑制比高、噪聲電壓小、單位增益帶寬較寬的集成運放電路NE5532 (U1A、U1B 和U2)組成。三級反相比例放大器將有效信號放大到1 4V之間，并把負脈沖變換為正脈沖，送到輸出電平與TTL電平兼容的比較器。 輸出電平與TTL電平兼容的比較電電器的U3具有超快速、失調電壓低及功耗低的特點，其輸出電平與TTL電平兼容，輸出信號送至計算機的計數器。電源電路中的各濾波電容濾掉電源中的諧波成份，完成了無功補償，避免電源引起信號的串擾，提高裝置的穩定性。為了防電磁干擾，采用同軸電纜進行信號傳輸，長度小于8mm，減少了傳輸衰減。另外，留有帶屏蔽的標準接口與其他電路相連接。
權利要求
1.一種金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路，其特征在于其由前置放大器、三級反相比例放大器和輸出電平與TTL電平兼容的比較器組成；所述前置放大器的輸入端通過同軸電纜與所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端相連接，所述前置放大器的輸出端經所述三級反相比例放大器接所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸入端，所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸出端接計算機的相應輸入端。
2.根據權利要求1所述的金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路，其特征在于所述前置放大器由晶體管T1-T4、電阻R1-R7、電容C1-C7組成；所述晶體管Tl和T2組成復合管，所述晶體管Tl的基極經電容Cl接所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端正極，所述晶體管T2的發射極接地，所述晶體管Tl和T2的集電極接晶體管T3的發射極，VCl點依次經電阻R7、電阻R1、電阻R2接地，電阻Rl和R2的節點接晶體管T3的基極，電阻R4接在電阻R7和Rl的節點與晶體管T3的集電極之間，晶體管T3的集電極接晶體管T4的基極， 晶體管T4的發射極經電阻R6接地，電阻R5接在電阻R7和Rl的節點與晶體管T4的集電極之間，電阻R3與電容C2并聯后接在晶體管T4的發射極與晶體管Tl的基極之間，電容 C3-C7為濾波電容。
3.根據權利要求2所述的金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路，其特征在于所述三級反相比例放大器的第一級由運算放大器U1A、電阻R8-R14、電容C8-C13組成，所述運算放大器UlA的反相輸入端2腳依次經電阻R8、電容C8接所述晶體管T4的集電極，電阻R9與電容C9并聯后接在運算放大器UlA的同相輸入端3腳與地之間，運算放大器UlA 的輸出端1腳經電阻R12接地，電阻RlO與電容C12并聯后接在運算放大器UlA的輸出端1 腳與反相輸入端2腳之間，電阻R14與電容C13并聯后接在運算放大器UlA的輸出端1腳與第一級反相比例放大器的輸出端01點之間，運算放大器UlA的電源端正極8腳經電阻Rll 接VC2點，運算放大器UlA的電源端負極4腳經電阻R13接VC3點，電容ClO-Cll為濾波電容；所述三級反相比例放大器的第二級由運算放大器U1B、電阻R15-R18、電容C14組成；運算放大器UlB的反相輸入端6腳經電阻R15接所述第一級反相比例放大器的輸出端01點， 運算放大器UlB的同相輸入端3腳經電阻R16接地，運算放大器UlB的輸出端7腳經電阻 R18接地，電阻R17與電容C14并聯后接在運算放大器UlB的輸出端7腳與其反相輸入端6 腳之間，運算放大器UlB的電源端分別接所述VC2點和VC3點；所述三級反相比例放大器的第三級由運算放大器U2、電阻R19-R21、電容C15-C21、電感L1-L2組成；運算放大器U2的反相輸入端2腳經電阻R19接所述運算放大器UlB的輸出端7腳，運算放大器U2的同相輸入端3腳經電阻R20接地，電阻R21與電容C21并聯后接在運算放大器U2的輸出端1腳與其反相輸入端2腳之間，電感Ll接在+12V與運算放大器 U2的電源端正極8腳之間，電感Ll與電阻Rll的節點為VC2點，電感L2接在-12V與運算放大器U2的電源端負極4腳之間，電感L2與電阻R13的節點為VC3點，電容C15-C20為濾波電容。
4.根據權利要求3所述的金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路，其特征在于所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器由TTL比較器U3、電感L3、電位器WR1、電容 C22-C24組成；所述TTL比較器的反相輸入端3腳接電位器WRl的動臂，電位器WRl與電感L3串聯后接在+5V與地之間，TTL比較器的同相輸入端2腳接所述運算放大器U2的輸出端 1腳，TTL比較器的電源端正極1腳接電感L3與電位器WRl的節點，TTL比較器U3的4_6腳接地，TTL比較器U3的輸出端7腳接所述計算機的相應輸入端，電容C22-CM為濾波電容。
全文摘要
本發明涉及一種金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大電路，適用于地震預報、地質和水文地質勘探、尋找地下水源、環境保護等工作場合，對氡及其子體衰變過程中輻射α粒子的能量進行測量。本發明由前置放大器、三級反相比例放大器和輸出電平與TTL電平兼容的比較器組成；所述前置放大器的輸入端通過同軸電纜與所述金硅面壘型半導體探測器的輸出端相連接，所述前置放大器的輸出端經所述三級反相比例放大器接所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸入端，所述輸出電平與TTL電平兼容的比較器的輸出端接計算機的相應輸入端。本發明的有益效果是具有噪聲低，響應靈敏度高、轉換速度快、防電磁干擾、調試簡單、輸出數字信號、穩定性高及成本低等特點。
文檔編號G01T1/24GK102253402SQ20111013867
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月26日 優先權日2011年5月26日
發明者卜凡亮, 尹軍祖, 張陽, 洪衛軍, 秦靜 申請人:尹軍祖, 張陽, 洪衛軍