溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀前端讀出電子學(xué)電路

陳彥麗，譚新建，2，盧 毅，宋朝暉，2，易義成，渠紅光

（1.西北核技術(shù)研究所，西安710024；2.強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024）

目前常用的碘化鈉（NaI：Tl）γ譜儀能量分辨率差，高純鍺（HPGe）γ譜儀需液氮制冷且易受中子損傷，碲鋅鎘（CZT）γ譜儀則受晶體尺寸限制，探測(cè)效率低［1－3］。溴化鑭 （LaBr3：Ce）譜儀是一種新型 γ譜儀，具有良好的綜合性能和廣泛的應(yīng)用前景［4－6］，因此，研制溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀具有重要意義。

γ譜儀系統(tǒng)的能量分辨率主要取決于探測(cè)器和前端讀出電子學(xué)電路，二者的設(shè)計(jì)都非常關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀對(duì)137Cs 662keVγ峰的能量分辨率一般在2.8%～4%［2，7－10］，基于本文研制的前端讀出電子學(xué)電路的溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀對(duì)此γ峰的能量分辨率為2.7%，且性能穩(wěn)定。

1 設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)組成

能譜測(cè)量的方法主要有2種：一種是傳統(tǒng)的核電子學(xué)方法，采用前置放大－譜儀放大－多道的技術(shù)路線，前置放大電路輸出的信號(hào)與探測(cè)器入射粒子能量成正比，但前置放大電路輸出信號(hào)不便于直接測(cè)量，需要通過譜儀放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后統(tǒng)計(jì)譜儀放大器輸出信號(hào)的幅度信息并進(jìn)行能量刻度，從而獲得能譜曲線。另一種是脈沖波形數(shù)字化方法，直接記錄探測(cè)器輸出信號(hào)波形，通過數(shù)據(jù)處理，獲得需要的物理信息。

傳統(tǒng)核電子學(xué)方法對(duì)數(shù)字電路的要求不高，成本低、功耗低，功能單一、電路簡(jiǎn)單。脈沖波形數(shù)字化方法可以獲得豐富的物理信息，但電路復(fù)雜、功耗大、成本高。針對(duì)實(shí)際需求，本文中采用傳統(tǒng)核電子學(xué)方法設(shè)計(jì)γ譜儀系統(tǒng)的前端讀出電子學(xué)電路。溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀系統(tǒng)由探測(cè)器、前端讀出電子學(xué)電路、數(shù)字多道分析器及數(shù)據(jù)處理軟件組成，組成框圖如圖1所示。

圖1 溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀系統(tǒng)組成框圖Fig.1Block diagram of LaBr3：Ceγspectrometer system

2 電路設(shè)計(jì)

溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀系統(tǒng)的前端讀出電子學(xué)電路主要包括電壓靈敏前置放大電路、譜儀放大電路和供電電源3部分。電壓靈敏前置放大電路將探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過積分放大獲得輸出信號(hào)幅度與探測(cè)器入射粒子能量間的正比關(guān)系；譜儀放大電路可對(duì)前置放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行極零相消、濾波、成形及放大；供電電源主要是給探測(cè)器和電路提供低噪聲的高、低壓電源。

2.1 電壓靈敏前置放大電路

由于溴化鑭（LaBr3：Ce）探測(cè)器輸出信號(hào)幅度較大，故選擇了積分型電壓靈敏前置放大電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行積分和電壓跟隨。為了獲得較高信噪比，同時(shí)使系統(tǒng)小型化，將溴化鑭（LaBr3：Ce）探測(cè)器和電壓靈敏前置放大電路集成在一起，設(shè)計(jì)的電路原理如圖2所示。其中，高壓濾波電路由R01，C01，R02，C02組成，通過2次RC低通濾波，濾除高頻噪聲，減小低頻噪聲信號(hào)幅度。R1，C2和運(yùn)放OPA820組成RC積分和電壓跟隨電路，積分時(shí)間常數(shù)由Ci和R1決定。Ci＝C2＋CD＋CS，其中，CD為探測(cè)器極間電容；CS為探測(cè)器和放大器之間的分布電容；C2為積分電容，其值較大，所以CD和CS的影響可以忽略。耦合匹配電路由C1，C3和R2組成。探測(cè)器輸出信號(hào)通過C1交流耦合到運(yùn)器輸入端；因?yàn)镽1電阻較大，導(dǎo)致放大器輸入信號(hào)本身有一個(gè)較大的直流偏置，通過C3交流耦合，使基線恢復(fù)到零，使后端電路能正常工作。電壓靈敏前置放大器的傳遞函數(shù)為

其中，K1＝R2／Ci；τ0＝R1Ci

測(cè)試電路是由R0和C0組成。使用測(cè)試電路時(shí)，探測(cè)器不工作，信號(hào)源給出脈寬較寬的方波信號(hào)Vp，通過10pF的小電容C0可以產(chǎn)生一個(gè)沖擊電流，模擬探測(cè)器輸出的電流信號(hào)［11］。

圖2 電壓靈敏前置放大電路設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2Shematic of voltage sensitive pre－amplifier circuit

2.3 譜儀放大電路

在能譜測(cè)量系統(tǒng)中，為獲得較高的能量分辨率且滿足后端數(shù)字多道分析器對(duì)輸入信號(hào)幅度要求，在電壓靈敏前置放大電路和數(shù)字多道分析器之間連接譜儀放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。譜儀放大電路主要由極零相消電路、Sallen－Key濾波成形電路及反相放大電路組成，原理框圖如圖3所示。

圖3 譜儀放大電路設(shè)計(jì)原理框圖Fig.3Schematic of spectroscopy amplifier circuit

極零相消電路采用一級(jí)RC微分電路，可將較寬的指數(shù)衰減脈沖變成窄脈沖，減少信號(hào)堆疊，同時(shí)，可使極點(diǎn)和零點(diǎn)相消，消除過沖。極零相消電路的傳遞函數(shù) H2（s）為

當(dāng)極零相消時(shí)，τ0＝τ1，極零相消后輸出為

為了獲得最佳信噪比，將電壓靈敏前置放大電路輸出的脈沖信號(hào)極零相消后濾波成形為高斯波形，使信號(hào)的頂部變得較平，便于后端數(shù)據(jù)采集。Sallen－Key濾波成形電路設(shè)計(jì)使用低通濾波電路，綜合考慮信噪比和計(jì)數(shù)率，設(shè)置成形時(shí)間約為0.5us。為了獲得低頻區(qū)域的平坦特性，并且使波形失真較小，選用了具有巴特沃茲特性的4次Sallen－Key低通濾波電路［12］。

反相放大電路的主要功能是將信號(hào)反相并進(jìn)一步放大，然后通過交流耦合實(shí)現(xiàn)基線恢復(fù)到零。

2.4 供電電源

供電電源好壞直接影響電路的噪聲水平，從而影響γ譜儀系統(tǒng)的能量分辨率。前端電子學(xué)部分的供電電源主要包括高壓電源和低壓電源，外部?jī)H提供12V電壓。高壓電源為探測(cè)器提供的－1 000V高壓，是由天津東文高壓電源廠生產(chǎn)的可調(diào)高壓模塊產(chǎn)生，該模塊需要＋5V的電源供電。電壓靈敏前置放大電路和譜儀放大電路均需要±5V電壓。設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換框圖如圖4所示。首先通過DC／DC轉(zhuǎn)換將外部12V電壓轉(zhuǎn)換為±7V，然后使用TI公司的超低噪聲、高PSRR、低壓降線性穩(wěn)壓芯片TPS7A91和TPS7A33將±7V轉(zhuǎn)換到±5V，提供給各個(gè)模塊。

圖4 電源轉(zhuǎn)換框圖Fig.4Block diagram of power conversion

3 電路仿真

電路設(shè)計(jì)完成之后，通常使用仿真軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證理想情況下電路的功能能否實(shí)現(xiàn)。文中使用CANDENCE 16.6中自帶的PSPICE軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電壓靈敏前置放大電路和譜儀放大電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果結(jié)果分別如圖5和圖6所示。由圖5可見，電壓靈敏前置放大電路輸出的積分脈沖信號(hào)底寬約200us，經(jīng)過極零相消之后脈沖底寬約4us。由圖6可見，輸出的高斯脈沖信號(hào)底寬約5us，信號(hào)頂部變得比較平滑。此外，對(duì)譜儀放大器的幅頻特性和相頻特性的仿真表明，－3dB帶寬約300kHz，相位在穩(wěn)定區(qū)間。總之，電路仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電路在理想情況下可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 電壓靈敏前置放大器和極零相消電路仿真結(jié)果Fig.5Simulation results of voltage sensitive pre－amplifier and pole－zero cancellation circuits

圖6 譜儀放大電路仿真結(jié)果Fig.6Simulation results of spectroscopy amplifier circuit

4 電路板設(shè)計(jì)與制作

電路板設(shè)計(jì)與制作是實(shí)現(xiàn)電路低噪聲、高穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是元器件的選擇和電路布局、布線的合理安排。

元器件選用單位增益穩(wěn)定的低噪聲放大器OPA820和貼片封裝的低溫漂、高精度電阻，放大器旁路電容選擇0.1uF和10uF電容并聯(lián)。電壓靈敏前置放大電路與探測(cè)器集成在一起，通過同軸電纜連到譜儀放大電路。為了減少寄生電容和寄生電感影響，放大器輸入、輸出信號(hào)管腳下方的電源和地挖空，信號(hào)線盡可能短。譜儀放大電路是多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，采用6層板設(shè)計(jì)，有專用的電源和地層，為信號(hào)提供最短的地和電源回路，降低寄生電容，提高電路穩(wěn)定性。研制的電壓靈敏前置放大器和譜儀放大器實(shí)物如圖7所示。

圖7 前端讀出電子學(xué)電路實(shí)物圖片F(xiàn)ig.7Pictures of front－end readout electronics circuits

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 時(shí)域測(cè)試

為了驗(yàn)證電壓靈敏前置放大電路和主放大電路設(shè)計(jì)合理性，將溴化鑭（LaBr3：Ce）探測(cè)器和前端讀出電子學(xué)電路聯(lián)調(diào)，使用示波器觀察輸出。圖8給出了實(shí)測(cè)的電壓靈敏前置放大電路輸出信號(hào)波形，圖9是實(shí)測(cè)的譜儀放大電路輸出高斯脈沖信號(hào)?？梢钥闯?，圖8和圖9分別與圖5（a）和圖6的電路仿真結(jié)果一致。

圖8 實(shí)測(cè)的電壓靈敏前置放大電路輸出信號(hào)波形Fig.8Measured output waveforms of voltage sensitive pre－amplifier circuit

圖9 實(shí)測(cè)的譜儀放大電路輸出高斯脈沖信號(hào)Fig.9Measured output Gaussian pulse waveform of spectroscopy amplifier circuit

5.2 性能測(cè)試

將研制的前端讀出電子學(xué)電路與溴化鑭（LaBr3：Ce）探測(cè)器及數(shù)字多道分析器結(jié)合，組成γ譜儀系統(tǒng)，對(duì)137Cs的γ能譜進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，該譜儀系統(tǒng)對(duì)137Cs 662keVγ峰的能量分辨率為2.7%，能譜在系統(tǒng)運(yùn)行4h后展寬較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，表明前端讀出電子學(xué)電路增益比較穩(wěn)定，線性度較好。

圖10 溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀聯(lián)調(diào)測(cè)量結(jié)果Fig.10Measurement result of the LaBr3：Ce γspectrometer

6 結(jié)論

基于傳統(tǒng)的核電子學(xué)方法，設(shè)計(jì)研制了溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀前端讀出電子學(xué)電路，開展了137Csγ峰能譜測(cè)試，獲得了較好的能量分辨率。該譜儀系統(tǒng)具有耐輻照、成本低、體積小及攜帶方便的特點(diǎn)，可用于n－γ混合場(chǎng)的γ射線測(cè)量。