一种基于CsI探测器袖珍式剂量仪的研制

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随着国家经济和社会的快速发展,GDP的急速增长,环境的恶化和能源的枯竭成已为社会关注的焦点,核能作为一种新的清洁能源,可缓解能源和环境压力。我国计划到2020年核电装机容量达7000万千瓦以上,核电发电量在全国总发电量的百分比将超过4%。与此同时,辐射监测是很重要的一个环节,以防核辐射对人体的伤害和对环境的污染。由于国内的核仪器产品不能完全满足人们的需求。很多核仪器仍然依靠进口,所以研制出高性能的核仪器,并将核仪器国产化,具有很重要的意义。γ射线检测作为一种辐射监测技术,并且在科研、核医学、工业、农业、地质勘探等领域得到了广泛应用。γ辐射检测仪是一种最有效、使用最方便的专业检测仪器,而闪烁探测器则常用于微弱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射线检测方式。过去几十年里,NaI(Tl)和传统光电倍增管耦合的检测方式得到了广泛的开发和利用。随着核辐射探测技术的发展, CsI(Tl)晶体由于很多独特的优点得到了青睐。近年来,大面积的硅光电二极管不断被生产厂家推出,这些新型的硅光电二极管有较高的量子效率(~70%),灵敏面积达到平方厘米的量级。所以将硅光电二极管与CsI(Tl)耦合而成的探测器具有广泛应用前景。基于以上诸多因素,本文展开对基于硅PIN光电二极管和CsI(Tl)晶体的闪烁γ辐射仪的研究。该γ辐射检测仪。由探测器、前置放大器、脉冲线性放大器、甄别器、中央控制处理单元和电源供应模块等部分构成。探测器由光敏面大小为10×10mm2的硅PIN光电二极管(滨松S3590-08)和1010mm3CsI(Tl)闪烁晶体组成,当闪烁体在γ辐射激发下发放出的荧光时,光电二极管γ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,该电路的功能是将探测器输出的电荷收集起来,并将之转换为电压信号输出。电荷灵敏放大电路选用了低噪声集成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的构成器件,达到了噪声的要求。此时探头输出的脉冲信号的幅度和波形并不适合于后续分析电路的要求,为了得到最佳信噪比和提供给脉冲幅度分析电路所要求的脉冲形状,必须对脉冲信号进行处理。为了使脉冲信号获得更好的信噪比,并且使信号波形更接近高斯波形,我们设计了极零相消电路和RC滤波整形电路。之后由电压比较器MAX987构成的甄别器转换为数字信号。然后,数字信号送给AVR微控制器ATmega-8作计数处理,实现计数的时间调整、键盘输入控制、报警蜂鸣器报警、液晶显示器驱动等。仪器使用两节7号电池供电,由电源管理模块将电源变换到所需要的电压值。另外,为了使硅PIN光电二极管很好的运行,发挥其性能,需要一个24V的偏置电压。使用的是TPS61040升压型DC-DC转换器,可将+5V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。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。并且仪器拥有体积小、重量轻、携带方便等优点。
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