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基于硅PIN光电二极管袖珍式γ辐射计的设计与实现

作　者: 贾牧霖
导　师: 葛良全
学　校: 成都理工大学
专　业: 核技术及应用
关键词: NaI(Tl)闪烁探测器硅PIN光电二极管辐射检测仪
分类号: TL812
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

γ射线检测作为一种标准性的技术,在科研、核医学、工业、地质勘探等领域得到了广泛应用。射线强度和射线能量信息对测量而言具有很重要的作用。γ辐射检测仪是一种最有效、使用最方便的专业检测仪器。闪烁探测器是常用于微弱γ射线检测的效率最高检测器件。由那些密度大、有效原子序数高,可吸收γ射线能量将之转换为可见光的“闪烁晶体”与光电倍增管等高效率“光电转换器件”耦合而成的探测器,是最经典和最直接的γ射线检测方式。但光电倍增管有几个严重的缺点:(1)体积大、质量重,由其构成的仪器显得过于笨重;(2)需要高电压和复杂的分压电路;(3)对温度变化、和电磁场敏感。在某些应用领域这些缺点是非常严重的问题。过去几十年里,一些可以替代传统光电倍增管的检测方式得到了广泛的研究和开发,特别是基于新型闪烁体和硅光电二极管的新型探测器得到广泛的研究。但将硅光电二极管作为传统闪烁材料——NaI(Tl)的光电转换器件方面的研究还很少见。基于以上诸多因素,展开对基于硅PIN光电二极管和NaI(Tl)晶体的闪烁探测的研究。在本研究中,设计了一款采用了一种新型闪烁探测器的γ辐射检测仪。该仪器所能探测射线能量范围较宽,从50keV至3MeV,由探测器、前置放大器、滤波整形电路、线性放大器、鉴别器、中央控制处理单元和电源供应模块等部分构成。首先,探测器由光敏面大小为10×10mm2硅PIN光电二极管(滨松S3590-08)和Φ30×25mm3 NaI(Tl)闪烁晶体组成。NaI(Tl)晶体具有最高的光产额,其发射光谱分布在320nm到540nm的波长范围,光谱峰位在415nm。S3590-08在在一光谱范围内的敏感较高。为克服两器件耦合面不匹配的缺点,特意设计了一款学名光锥的光导将两者耦合,改善了光电二极管到闪烁体耦合效率。当闪烁体在伽马辐射激发下发放出的荧光时,光电二极将这些光子转化为电脉冲信号。需要特别注意的是这个信号非常微弱,低能射线的输出信号幅度仅稍大于统计噪声,因此尽可能地减少电子噪音。这一点,在探测器后面的初级电路设计中尤为重要。一个经特别设计的电荷灵敏放大器(CSP)被用来作为与光电二极管的接口电路,该电路的功能将探测器输出的电荷收集起来,并将之转换为一个电压信号输出。为设计低噪声电荷灵敏放大器,选用了一个非常适合该应用的,低噪声集成CMOS运算放大芯片AD8606、一个极小容量电容和一个非常大阻值的精密电阻作为主要构成器件。从电荷灵敏放大器输出的信号仍然夹杂着噪音,且信号波形不规则。为减少噪音,并区分不同能量伽马射线,前放输出的信号随后由CR-RC滤波器整形为类高斯形脉冲信号;经两级线性放大,并由电压比较器MAX987构成的甄别器转换为数字信号;数字脉冲送给高性能、低功耗的AVR微控制器ATmega-8作计数处理,实现计数的时间调整、液晶显示器驱动、键盘输入控制、报警蜂鸣器控制等。该仪器的电源是由两节7#电池提供,由电源转换单元将电源变换到所需要的电压值。另外,硅PIN光电二极管要能很好的运行,发挥其性能,需要一个适当大小的偏置电压。本研究中,使用TPS61040升压型DC-DC转换器,将+5 V电源升至至+24伏电平。并采用了电子滤波器来减小电源纹波。本偏置电源具有功率低纹波,低功耗,低价格和高效率的特点。通过测试,该仪器可在较宽的辐射强度和能量范围内,在强电磁场环境下长时间稳定工作。并且仪器体积小、重量轻、携带方便。通过,本研究可以得出这样的结论:硅PIN光电二极管的NaI(Tl)闪烁探测器,能够胜任传统γ辐射检测仪器不能胜任的领域方面的检测工作。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章引言  10-13
  1.1 研究意义  10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 研究发展过程  11
    1.2.2 研究现状  11-12
  1.3 主要研究内容  12-13
第2章 γ射线检测的基础理论  13-25
  2.1 γ射线的主要来源  13-14
    2.1.1 铀系  13
    2.1.2 钍系  13
    2.1.3 锕铀系  13-14
    2.1.4 其他系列  14
  2.2 γ射线与物质相互作用原理  14-18
    2.2.1 光电效应  14-15
    2.2.2 康普顿效应  15-16
    2.2.3 电子对效应  16-17
    2.2.4 γ射线的吸收  17-18
  2.3 常用γ射线探测器介绍  18-25
    2.3.1 气体探测器  18-19
    2.3.2 半导体探测器  19
    2.3.3 闪烁探测器  19-23
    2.3.4 光电倍增管  23-25
第3章光电二极管  25-38
  3.1 光电二极管工作原理  25-27
    3.1.1 基本原理  25
    3.1.2 光电导效应  25
    3.1.3 光伏效应  25-26
    3.1.4 光电二极管结构及工作原理  26-27
  3.2 光电二极管的噪声  27-29
    3.2.1 热噪声  27-28
    3.2.2 散粒噪声  28
    3.2.3 产生—复合噪声  28-29
    3.2.4 1/f 噪声  29
  3.3 光电二极管的主要性能参数  29-33
    3.3.1 光照灵敏度  30
    3.3.2 光谱响应  30-31
    3.3.3 频率响应  31-32
    3.3.4 量子效率  32
    3.3.5 噪声等效功率  32-33
  3.4 硅光电二极管工作原理及特性  33-37
    3.4.1 PN 结型硅光电二极管  33-34
    3.4.2 硅PIN 光电二极管的原理和特性  34-36
    3.4.3 硅雪崩光电二极管（Si-APD）原理和特性  36-37
  3.5 硅光电二极管性能综合评价  37-38
第4章 γ探头设计与实现  38-47
  4.1 光电转换器件选择  39-41
    4.1.1 NaI(Tl)晶体发光的主要特点  39
    4.1.2 光电器件选择要求  39-40
    4.1.3 器件选择  40-41
  4.2 光收集器件  41-42
  4.3 前置放大器设计  42-47
    4.3.1 基本原理  43-44
    4.3.2 电路设计  44-47
第5章电子线路单元设计与实现  47-58
  5.1 主放大输出电路设计  47-48
  5.2 脉冲幅度甄别电路设计  48
  5.3 电源设计  48-54
    5.3.1 3V 转5V 电源设计  49-50
    5.3.2 24V 探测器偏置电路设计  50-53
    5.3.3 运放用正负2.5V 电源设计  53-54
  5.4 主控器及其他功能设计  54-58
    5.4.1 硬件设计  54-55
    5.4.2 软件设计  55-58
第6章系统测试  58-63
  6.1 系统测试参数  58-59
  6.2 仪器系统检测  59-63
结论  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-67
攻读硕士期间取得学术成果  67

基于硅PIN光电二极管袖珍式γ辐射计的设计与实现

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