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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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，R
6、aA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
7、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=0.2710-10 Ci/L=0.27em
8、） 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
9、 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21097156mm3 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
10、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
11、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. 610-19库仑为电子电荷量。2. 电路中1C11为Cf，如不考
12、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ft下冲的后沿近似为： t这种反向突起
13、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
14、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
15、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
