張偉 呂懷振

摘 要：文章介紹了一種在工業(yè)在線分析儀中BGO探測(cè)器的應(yīng)用，并給出了相關(guān)應(yīng)用條件以及部分周圍電路的設(shè)計(jì)原理。工業(yè)在線分析儀在生產(chǎn)工藝控制、檢測(cè)等各方面具有重要意義，實(shí)時(shí)分析主要產(chǎn)品參數(shù)和工業(yè)指標(biāo)，具有分析時(shí)間短，分析精度高等特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一款滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求的BGO探測(cè)器是非常有必要的。探測(cè)器主要包含BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大器、高壓模塊以及溫控器五部分。其中BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大器為探測(cè)器的主體設(shè)計(jì)部分，整套裝置放置于密閉的金屬筒內(nèi)，使其具有很好的抗干擾及磁場(chǎng)能力。高壓模塊以及溫控器為外圍電路設(shè)計(jì)，滿足探測(cè)器的應(yīng)用環(huán)境要求，保證其在最佳性能條件下工作。

關(guān)鍵詞：BGO探測(cè)器;在線分析儀;電路設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.022

1 引言

BGO晶體具有良好的光學(xué)性能，由于其優(yōu)良特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、測(cè)井等領(lǐng)域;使用它測(cè)試γ射線時(shí)，由于溫度對(duì)其影響很大，使其在不同溫度時(shí)能量分辨率是不相同的，同時(shí)其發(fā)光效率是隨溫度變化不斷變化的，導(dǎo)致相對(duì)脈沖幅度發(fā)生變化，峰位飄移，從而影響儀器測(cè)量精度，因此BGO探測(cè)器須在穩(wěn)定合適溫度下工作;另外，探測(cè)器的高壓電源也是影響其性能的重要因素，高壓電源輸出的穩(wěn)定性直接影響其脈沖輸出幅度，而脈沖幅度不穩(wěn)定會(huì)影響儀器能量分辨率，因此高壓電源穩(wěn)定性是非常重要的。

2 BGO探測(cè)器設(shè)計(jì)組成

BGO探測(cè)器主要包含BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大電路、高壓電源以及溫控器5部分。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，分壓前置放大電路、高壓電源以及溫控器溫度控制的穩(wěn)定性是影響探測(cè)器穩(wěn)定正常工作的重要影響因素。BGO探測(cè)器組成如框圖1所示。

2.1 BGO晶體

BGO是一種純的本征晶體，分子式為Bi4Ge3O12，符號(hào)為BGO。BGO閃爍衰減時(shí)間為0.3us，最強(qiáng)發(fā)射波長(zhǎng)480nm，與NaI（TI）相仿。BGO是不潮解的穩(wěn)定晶體，因此不需要防潮解密封外包裝。BGO晶體閃爍衰減時(shí)間短，余暉小，化學(xué)性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度好，而且阻止本領(lǐng)高，特別適合于高能γ輻射探測(cè)的場(chǎng)合。

2.2 光電倍增管與分壓器

2.2.1 光電倍增管

光電倍增管選用日本濱松公司生產(chǎn)的R877型光電倍增管，光譜響應(yīng)范圍300nm～650nm，峰值響應(yīng)為420nm，工作溫度范圍-30℃～50℃，工作高壓范圍0V～1500V，電流典型增益為4.2×105。

2.2.2 分壓器

為使光電倍增管工作，要在陰極（K）和陽(yáng)極（P）之間加上500V～1500V左右的高電壓，同時(shí)供給光電倍增管倍增級(jí)不同的加速電極，加上各種電位的電壓是必須的。而隨著入射光通量增大，流過陽(yáng)極及各倍增級(jí)的電流增大時(shí)，會(huì)引起分配給各倍增級(jí)的電壓有很大變化，導(dǎo)致各電極間電壓下降，這種現(xiàn)象在末極倍增級(jí)和陽(yáng)極間最為顯著。這導(dǎo)致總的電子倍增率上升，而陽(yáng)極電子收集率降低，產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，影響光電倍增管輸出線性。為了取得最大輸出線性，我們一般從三個(gè)方面進(jìn)行提升;一是提高分壓器電流，一般陽(yáng)極輸出電流的實(shí)用最大值為分壓器電流的1/20～1/50，想要輸出線性必須保持在1%以內(nèi)，則最大輸出必須控制在1/100以下;二是在最后幾級(jí)倍增極接上去耦電容，補(bǔ)充光電倍增管電荷，抑制末極倍增極和陽(yáng)極的電壓下降，而大大改善輸出線性;三是改變分壓器最后數(shù)級(jí)以及前幾級(jí)電壓分配比，一般在電子密度高的最后2～4級(jí)采用比標(biāo)準(zhǔn)電壓分配高的電壓，使電極間有高的電荷強(qiáng)度克服空間電荷影響，一般采用從前級(jí)到后級(jí)極間電壓逐步升高的所謂“傾斜分壓器”回路，但這種設(shè)計(jì)必須注意光電倍增管極間的耐壓?jiǎn)栴}。原理圖如圖2所示：

2.3 前置放大器

核輻射測(cè)量中，探測(cè)器輸出的信號(hào)往往比較小，需要加以放大再進(jìn)行測(cè)量，這就需要用到前置放大器。前置放大器的主要作用有兩種作用：一是提高系統(tǒng)的信噪比。在探測(cè)器與放大器連接處存在分布電容CS，而CS越小，則系統(tǒng)的信噪比越高，反之，信噪比越低。減小CS的一個(gè)主要措施就是將放大器盡量靠近探測(cè)器以減小連接導(dǎo)線造成的分布電容。前置放大器的體積小，緊靠探測(cè)器并與探測(cè)器構(gòu)成一個(gè)整體（稱探頭），這樣就減小了CS，提高了信噪比;二是減小信號(hào)經(jīng)電纜傳送時(shí)外界干擾的影響。前置放大器與探測(cè)器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制外界干擾。前置放大器輸出信號(hào)沿電纜傳送過程中受到干擾時(shí)，由于信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過放大，干擾信號(hào)的影響相對(duì)減小。從噪聲和干擾對(duì)有用信號(hào)的影響來說，在一般情況下，干擾的影響總可降至次要地位。

在能譜測(cè)量系統(tǒng)中，前置放大器按輸出信號(hào)所保留的信息特點(diǎn)，大致可分為兩類，一類是積分型放大器，包含電壓靈敏前置放大器和電荷靈敏前置放大器;另一類是電流型放大器，亦即電流靈敏前置放大器。文章主要給出電流靈敏前置放大器的設(shè)計(jì)原理，如圖3所示。

電流靈敏前置放大器與其它類型相比，其優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)波形與探測(cè)器輸出電流信號(hào)的波形保持一致。

2.4 溫度控制系統(tǒng)

在使用BGO探測(cè)器進(jìn)行γ能譜測(cè)量時(shí)，受溫度影響，會(huì)導(dǎo)致熒光轉(zhuǎn)化效率不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致探測(cè)器分辨率的改變。因此，探測(cè)器需要在合適固定的溫度環(huán)境下工作?？紤]到工業(yè)應(yīng)用的可操作性，我們將使用溫度范圍控制在0℃～50℃。我們?cè)诖朔秶鷥?nèi)進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，找出我們需要的最佳工作溫度。下表為通過實(shí)驗(yàn)得出的相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過表1，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高，137Cs分辨率不斷變差，相同時(shí)間內(nèi)137Cs的總計(jì)數(shù)也在不斷降低，因此，對(duì)于BGO晶體來說，一定范圍內(nèi)溫度越低，其性能越好。考慮現(xiàn)場(chǎng)可操作性，我們選擇20℃為其工作溫度環(huán)境。該環(huán)境下，其性能指標(biāo)滿足我們的需求，并且容易在現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

2.5 高壓電源控制系統(tǒng)

高壓電源的輸出穩(wěn)定性直接影響探測(cè)器信號(hào)脈沖輸出幅度，而脈沖輸出幅度的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致道址的不斷偏移，影響探測(cè)器分辨率，因此我們選用的高壓電源穩(wěn)定性很重要。另外，除了輸出穩(wěn)定性，電源紋波干擾也是非常重要的一方面。由于探測(cè)器輸出信號(hào)脈沖幅度很小，若高壓電源紋波干擾過大，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器信號(hào)的信噪比下降，造成能量分辨率變差，從而影響整個(gè)分析儀裝置測(cè)量精度，影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。因此我們?cè)谶x擇高壓電源時(shí)，要充分考慮各方面的要求。

2.6 137Cs分辨率測(cè)試

能量分辨率表征核輻射探測(cè)器分辨相近能量γ峰的本領(lǐng)，是探測(cè)器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。是我們了解探測(cè)器性能時(shí)最直觀的參數(shù)。如圖4所示，我們給出了BGO探測(cè)器137Cs的測(cè)試譜型，并計(jì)算出其分辨率。

如圖4所示，為BGO探測(cè)器137Cs的測(cè)試譜型，計(jì)算其分辨率為11.2%，完全滿足探測(cè)器設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 總結(jié)

BGO探測(cè)器探測(cè)技術(shù)具有快速、穩(wěn)定、精確、非接觸性測(cè)量的特點(diǎn)，非常適合于工業(yè)惡劣環(huán)境下的測(cè)量。論文給出了一種成熟的BGO探測(cè)器設(shè)計(jì)原理，已成功應(yīng)用于多種工業(yè)在線分析儀等儀器。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，證明其設(shè)計(jì)指標(biāo)完全滿足生產(chǎn)需要，驗(yàn)證了方案的可行性。

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作者簡(jiǎn)介：張偉（1980-），男，黑龍江密山人，本科，教授研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事同位素在線檢測(cè)儀表的研發(fā)工作。