辐射探测系统及其使用的前端放大器的制作方法

本实用新型涉及辐射探测技术，具体涉及一种例如用于质子治疗的辐射探测系统及该系统使用的前端放大器。

背景技术：

在例如用于质子治疗等设备的加速度供束及输运过程中，会不可避免的产生中子和光子辐射，为此，在加速器束流管道的适当位置需要配置一定数量的束流损失探测器（Beam Loss Monitor，BLM），BLM将核信号转换成电信号供后续核电子学系统例如主放大器等进行滤波成型、放大比较处理；而BLM须外加高压才能正常工作。

空气电离室作为一种常用的BLM器件，具有结构简单、性能可靠、成本低等优点，适合大量地布置在加速器及束流线附近用于瞬发辐射的监测。然而，空气电离室因工作在大气压下，工作气压低，输出电流信号十分微弱，大约在10^-17~10^-15A的皮安量级范围。因此，需要通过前置放大器放大后，再传输到系统控制室内的二次电子学仪器进行信号处理，例如送到主放大器进行滤波成型、放大比较处理。

皮安量级的信号对于前置放大器的设计要求很高，目前测量多采用商用的静电计，但商用静电计具有价格高、体积偏大等缺点。如果采用商用静电计作为前端放大设备，将大大提供整套系统的制造成本，不适合用作为BLM的前端放大器。

技术实现要素：

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种用于辐射探测系统的前端放大器，其包括：放大电路，其包含初级放大子电路和反馈子电路，所述初级放大子电路的输入端连接所述辐射探测系统的电离室的输出端，所述初级放大子电路用于对来自所述电离室的输出端的输入电流进行积分并放大，所述初级放大子电路与所述反馈子电路组成反馈放大环路以减小电流噪声并保持增益稳定；以及输出电路，其包含增益切换子电路和末级放大子电路，所述末级放大子电路用于对所述放大电路的输出进行二次放大并输出，所述增益切换子电路连接于所述放大电路的输出和所述末级放大子电路之间，用于调节所述放大电路的增益。

进一步地，所述初级放大子电路包括连接的结型场效应管和第一运算放大器，其中所述结型场效应管的栅极连接所述电离室的输出端，所述结型场效应管的漏极连接所述第一运算放大器的负输入端，所述结型场效应管的源极连接一端接地的第八电阻，所述第一运算放大器的正输入端耦接电源；所述反馈子电路包括并联的反馈电容和反馈电阻，所述反馈子电路的一端连接所述结型场效应管的栅极，另一端连接所述第一运算放大器的输出端。

进一步地，所述放大电路还包括滤波子电路，所述滤波子电路包括并联的去耦电容和滤波电阻，所述滤波子电路的一端连接所述第一运算放大器的正输入端，另一端接地。

进一步地，所述放大电路还包括第十一可变电阻，其一端连接所述第一运算放大器的正输入端，另一端接所述电源。

进一步地，所述放大电路还包括第九电阻，其一端连接所述第一运算放大器的负输入端，另一端连接所述结型场效应管的漏极，且所述漏极耦接所述电源。

进一步地，所述末级放大子电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的正输入端通过第十五电容连接所述放大电路的输出，所述第二运算放大器的负输入端经由输出反馈电阻连接所述第二运算放大器的输出端。

进一步地，所述增益切换子电路包括第十六可变电阻和第二十可变电阻；所述第十六可变电阻的第一固定端连接所述放大电路的输出，第二固定端接地，滑动端连接所述第二运算放大器的正输入端；所述第二十可变电阻的第一固定端耦接所述电源，第二固定端接地，滑动端连接所述第二运算放大器的正输入端。

根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供一种辐射探测系统，包括气体电离室，其特征在于，还包括如前所述的前端放大器，所述气体电离室的输出端直接连接至所述前端放大器的输入端。

进一步地，所述前端放大器设置于所述气体电离室的后部控件中，所述后部控件不靠近所述电离室中气体被电离的位置。

进一步地，所述前端放大器和所述气体电离室集成于一体，并放置在所述辐射探测系统的外壁。

本实用新型的有益效果：通过设计放大电路对输入电流进行积分并放大，并在输出电路设计增益切换子电路，调节放大电路的增益，使整体的前端放大器能适应不同范围的输入，而在输出电路设计的末级放大子电路可以增大整个前端放大器的动态范围，以减小负载对前端放大器的影响；从而，在应用于不同性能的电离室时，辐射探测系统可以很方便地调节电路各种参数，使整个系统的等效噪声和分辨率达到最优。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的前端放大器的结构示意图；

图2为本实用新型一实施方式的气体电离室对应的电路示意图；

图3为本实用新型一实施方式的前端放大器的具体结构示意图；

图4为本实用新型一实施方式的前端放大器中放大电路的电路示意图；

图5为本实用新型一实施方式的前端放大器中输出电路的电路示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型一实施方式提供的辐射探测系统包括电性连接的前端放大器10和气体电离室20，其中，前端放大器10包括电性连接的放大电路100和输出电路200。图2示出了气体电离室20的一种等效电路图。一种实施例中，气体电离室20的输出端直接连接至前端放大器10的输入端。另一种实施例中，在前置放大器的具体制作和安装时，充分考虑了信号的特点，将前置放大器10整体模块放入气体电离室20的后部控件中，减少外界电磁干扰对放大器的影响。后部控件位在不靠近电离室20中气体被电离的位置。又一种实施例中，为尽量减少阳极电流的泄露，可以将前置放大器和电离室集成在一体，放置在束流损失探测器BLM的外壁中，这样也同时减少了外界对前置放大器的干扰。

如图3所示，放大电路100包含初级放大子电路101和反馈子电路103。初级放大子电路101的输入端连接气体电离室20的输出端，用于对来自气体电离室20的输出端的输入电流进行积分并放大。初级放大子电路101与反馈子电路103组成反馈放大环路以减小电流噪声并保持增益稳定。

图4示出了本实用新型一个实施例中放大电路100的电路图。如图4所示，初级放大子电路101包括相连接的结型场效应管Q2和第一运算放大器U1。结型场效应管Q2的栅极连接气体电离室20的输出端，漏极连接第一运算放大器U1的负输入端，源极连接第八电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地；第一运算放大器U1的正输入端耦接电源VCC。反馈子电路103包括并联的反馈电容C4和反馈电阻R6。反馈子电路103的一端连接结型场效应管Q2的栅极，另一端连接第一运算放大器U1的输出端。

一种具体实现中，结型场效应管Q2采用摩托罗拉（Motorola）公司生产的2N4416结型场效应管，其具有很高的输入阻抗和更低的噪声系数，因此非常适用于高灵敏的前端放大器；第一运算放大器U1采用带宽为300MHz高速宽带运算放大器MAX477，放大电路100由2N4416与MAX477组成，这样在电离室脉冲信号频率比较高的情况下也能满足适用于相关要求。对于关键的阻容反馈网络（即反馈子电路103），可以选择高稳定性的电容和电阻，以减少因为温度带来的信号漂移。反馈电阻可采用玻璃管进行真空封装。

仍如图3和图4所示，放大电路100还包括滤波子电路105。滤波子电路105包括并联的去耦电容C8和滤波电阻R10。滤波子电路105的一端连接第一运算放大器U1的正输入端，另一端接地。图4所示中，放大电路100还包括第十一可变电阻R11，其一端连接第一运算放大器U1的正输入端，另一端接电源VCC。放大电路100还包括第九电阻R9，电阻R9的一端连接第一运算放大器U1的负输入端，另一端连接结型场效应管Q2的漏极，且该漏极耦接电源VCC。

通过图3和图4的描述可知，放大电路整体结构上采用类似跨阻放大器的形式，对输入电流进行积分并放大，由于气体电离室20的输出信号极其微弱，放大电路100采用由2N4416与MAX477组成的静电级运算放大器，避免输入偏置电流过大，从而影响输入信号。同时，结型场效应管Q2MAX477输出信号经过反馈电容C4与第一运算放大器U1 2N4416组成反馈放大环路，反馈子电路103也提供了2N4416的静态工作点，反馈电阻R6为反馈电容C4提供了泄放电回路以免反馈电容C4上的电压过高。

为了增大整个前置放大器10的动态范围，同时为了避免信号因经过耦合电容C5带来的过冲，在放大电路100放大之后，本实用新型实施方式还设计了输出电路200，对信号进行了极-零补偿消除过冲，并于其中增加了增益选择功能，通过选择不同的增益系数，以使前置放大器10能适应不同范围的输入信号。同时，在输出电路200中还采用了运算放大器以减小负载对前置放大器10的影响，从而使前置放大器10有尽可能的负载驱动能力。

仍如图3所示，输出电路200包括增益切换子电路201和末级放大子电路203。末级放大子电路203用于对放大电路100的输出进行二次放大并输出，增益切换子电路201连接于放大电路100的输出和末级放大子电路203之间，用于调节放大电路100的增益。

图5示出了本实用新型一个实施例中输出电路200的电路图。如图5所示，末级放大子电路203包括第二运算放大器U3，第二运算放大器U3的正输入端通过第十五电容C15连接放大电路100的输出，第二运算放大器U3的负输入端经由输出反馈电阻R21连接第二运算放大器U3的输出端。增益切换子电路201包括第十六可变电阻R16和第二十可变电阻R20。电阻R16的第一固定端连接放大电路100的输出，第二固定端接地，滑动端电连接第二运算放大器U3的正输入端；电阻R20的第一固定端耦接电源VCC，第二固定端接地，滑动端连接第二运算放大器U3的正输入端。一种具体实现中，第二运算放大器U3也同样采用带宽为300MHz高速宽带运算放大器MAX477。

由上可知，本实用新型实施方式提供的前置放大器采用了结型场效应管和高速宽带运算放大器组成电荷灵敏放大前端，第一级由超微弱电流放大运放（对应U1和Q2）和玻璃封电阻组成反馈电流放大结构，以达到减小电流噪声并保持增益稳定的目的；进行第一级放大（即放大电路）后，对信号进行极-零补偿，信号经过极-零补偿线路后，进入同相放大器进行放大，由于前置放大器与主放大器之间可能会有比较远的距离，因此在采用了同相放大电路作为驱动级，然后输出给主放大器。其中，第二级的输出电路采用了特殊的设计，包含增益可变切换电路，其使整体电路的放大范围可以涵盖例如6个数量级，同时还采用低失真功率运放管（即U3）提高放大模块的带载能力。可见，本实用新型实施方式提供的前置放大器根据运放的频率响应特性，采用精心设计的反馈线路，提高了放大环节的稳定性，提高了整个前置放大器的驱动能力。在具体研制时，根据核电子学线路的特点，仔细考虑了元件的摆放位置和线路走向，保证了整个系统的电气性能。与目前商用的前放模块相比，本实用新型前置放大器具有成本低、结构简单可靠等特点。当探测器采用不同性能的电离室时，可以很方便地调节电路各种参数，以匹配前端探测器，使整个系统的等效噪声和分辨率达到最优。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。