四路低本底αβ測量?jì)x電路設計

　　摘要：本文介紹了一種四路低本底αβ測量?jì)x的電路設計。在文中首先介紹了四路低本底αβ測量?jì)x的電路組成，并對其各組成部分的設計實(shí)現作了詳細介紹。設計的四路低本底αβ測量?jì)x體積小、功耗低、性能穩定可靠，可快速測量樣品。

　　引言

　　低本底αβ測量?jì)x作為生活飲用水、土壤、空氣、食品等環(huán)境樣品中總放射性測量的主要儀器，廣泛應用于應急監測和輻射衛生、環(huán)境保護、質(zhì)量監督檢驗等領(lǐng)域。四路低本底αβ測量?jì)x由四個(gè)獨立工作的探測單元組成，可以同時(shí)測量四個(gè)樣品，相對于單路測量?jì)x，省時(shí)高效^[1,2]。

　　為完成放射性測量與分析，四路低本底αβ測量?jì)x電路的基本要求如下：模擬放大電路要具有較大信噪比，實(shí)現探測器輸出的微弱信號放大;能同時(shí)放大多路信號，且不互相串擾;能實(shí)時(shí)對多路數字信號進(jìn)行反符合與計數，計數器位寬不小于16位;具有與計算機通信功能。該電路的穩定性、可靠性直接影響著(zhù)測量?jì)x的測量精度和長(cháng)時(shí)間穩定性，本文采用高性能放大器和比較器設計放大比較矩陣，基于可編程邏輯器件CPLD和STM32單片機，設計了一種四路低本底αβ測量?jì)x的電路，實(shí)現了高精度可靠測量。

　　電路設計

　　四路低本底αβ測量?jì)x電路工作原理是：將探頭單元(包含4路主探頭和2路反符合探頭，共6路信號)輸出的微弱模擬模擬信號進(jìn)行放大甄別，成形為數字脈沖，再經(jīng)反符合過(guò)濾本底信號后進(jìn)行計數，計數結果送到單片機處理和顯示等，最后通過(guò)計算機獲取測量數據，完成計算、顯示、打印報表等。其硬件組成如圖1所示，主要由6路探頭矩陣(4路主探頭和2路反符合探頭)、放大矩陣、比較器矩陣、可編程邏輯器件CPLD、MCU、RS232接口、高壓及高壓控制電路和低壓電源等部分組成。

　　探頭矩陣

　　探頭矩陣由四路主探頭和兩路反符合探頭組成，可同時(shí)對4個(gè)樣品進(jìn)行測量。探頭部分采用無(wú)跟隨器設計，只安裝分壓電阻電路，信號輸出和高壓輸入共用一根同軸電纜，減少了信號線(xiàn)、電源線(xiàn)和高壓線(xiàn)數量。后續處理電路實(shí)現探頭矩陣輸出微弱信號放大和處理等。

　　放大矩陣

　　放大矩陣實(shí)現對六路探頭送來(lái)的信號進(jìn)行提取、高壓噪聲去除、放大整形，以滿(mǎn)足后續比較電路的要求。

　　由于探頭(光電倍增管)輸出信號為微弱電流信號，因此放大電路采用電流-電壓變換方式，基本電路如圖2，一般Rf采用溫度系數較小的金屬膜電阻，溫度影響較大的碳膜電阻一般不宜采用。此外，一般用途的同軸電纜會(huì )因為受力而產(chǎn)生噪聲，所以選用低噪聲同軸電纜線(xiàn)。另外，測量微弱電流最好前置放大器使用FET型輸入法^[3]。

　　設計的放大矩陣由四路主放大電路和兩路反符合放大電路組成，單路放大比較電路由兩級放大組成，如圖3所示。

　　第一級放大器采用電荷靈敏放大電路，該電路具有良好的低噪聲性能，并且其輸出信號幅度基本不受探測器電容、放大器開(kāi)環(huán)時(shí)輸入電容和電壓增益等參數穩定性的影響。第一級放大器將光電倍增管輸出的微弱電流信號轉換成較大的電壓信號，其輸出一路直接到比較器1和比較器2，作為較大幅度信號(α和β高閾)輸出;另一路輸出到第二級放大器。

　　第二級放大器采用同相放大器結構，對信號二級放大后輸出到比較器3，作為較小信號(β低閾)輸出。放大芯片采用美國AD公司高速JFET輸入型放大器AD8066，工作電壓±12V。