专利名称：金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路，适用于氡及其子体衰变过程中辐射α粒子的能量测量。
背景技术：
放射性元素(如氡及其子体)在衰变过程中会辐射α粒子，目前国内外常通过测量辐射α粒子的能量来探测其母体的浓度。常用的α粒子探测器有光电倍增管和金硅面垒型半导体探测器两种。光电倍增管可探测紫外辐射、可见光和红外辐射。采用光电倍增管进行光电转换， 需要选择适当的闪烁体(比如ais等)，闪烁体的材料及闪烁室结构不同，将导致对射线的灵敏度不同，此外体积较大、测量时要求严格避光限制了光电倍增管的应用领域。金硅面垒型半导体探测器是在N型硅的一面镀一层很薄的金，引出导线与探测器外壳连接作负极，在另一面镀一层镍，并用导线引出接正极。当外加电压时，金硅面垒型探测器的输出脉冲幅度正比于入射带电粒子的能量。金硅面垒型探测器主要用来探测α粒子和质子，除具有特别高的能量分辨率外，还具有体积小、工作电压低、线性响应好、脉冲上升时间快、容易做成各种不同形状等优点。由于金硅面垒型探测器在探测α粒子领域的优势，其工程应用日趋增多。然而金硅面垒型探测器的输出噪声与α分辨率较为接近(如灵敏直径为50mm的金硅面垒型探测器，其输出噪声及α分辨率分别为50keV和55keV)，并且氡及其子体衰变过程中辐射的 α粒子绝对能量较小。金硅面垒型探测器的传统电荷放大装置的能量响应带宽较窄、灵敏度低较低，导致放大器输出无法准确反应辐射能量；此外，金硅面垒型探测器为射线敏感元件，电荷放大器电路参数设计、PCB布局及结构设计不当均会造成电荷放大装置的输出不稳定。尤其在电荷放大装置近距离范围内接打移动电话时，将使电荷放大装置输出紊乱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有噪声低、响应灵敏度高、转换速度快、 防电磁干扰、调试简单、输出数字信号、稳定性高的金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路。本发明解决其技术问题所采用的技术方案
本发明由前置放大器、三级反相比例放大器和输出电平与TTL电平兼容的比较器组
成；
所述前置放大器的输入端通过同轴电缆与所述金硅面垒型半导体探测器的输出端相连接，所述前置放大器的输出端经所述三级反相比例放大器接所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输入端，所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输出端接计算机的相应输入端。作为本发明的限定，所述前置放大器的输入端通过同轴电缆与所述金硅面垒型半导体探测器的输出端相连接，所述前置放大器的输出端经所述三级反相比例放大器接所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输入端，所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输出端接计算机的相应输入端。所述前置放大器由晶体管T1-T4、电阻R1-R7、电容C1-C7组成；所述晶体管Tl和 T2组成复合管，所述晶体管Tl的基极经电容Cl接所述金硅面垒型半导体探测器的输出端正极，所述晶体管T2的发射极接地，所述晶体管Tl和T2的集电极接晶体管T3的发射极， VCl点依次经电阻R7、电阻R1、电阻R2接地，电阻Rl和R2的节点接晶体管T3的基极，电阻 R4接在电阻R7和Rl的节点与晶体管T3的集电极之间，晶体管T3的集电极接晶体管T4的基极，晶体管T4的发射极经电阻R6接地，电阻R5接在电阻R7和Rl的节点与晶体管T4的集电极之间，电阻R3与电容C2并联后接在晶体管T4的发射极与晶体管Tl的基极之间，电容C3-C7为滤波电容。所述三级反相比例放大器的第一级由运算放大器U1A、电阻R8-R14、电容C8-C13 组成，所述运算放大器UlA的反相输入端2脚依次经电阻R8、电容C8接所述晶体管T4的集电极，电阻R9与电容C9并联后接在运算放大器UlA的同相输入端3脚与地之间，运算放大器UlA的输出端1脚经电阻R12接地，电阻RlO与电容C12并联后接在运算放大器UlA的输出端1脚与反相输入端2脚之间，电阻R14与电容C13并联后接在运算放大器UlA的输出端1脚与第一级反相比例放大器的输出端01点之间，运算放大器UlA的电源端正极8脚经电阻Rll接VC2点，运算放大器UlA的电源端负极4脚经电阻R13接VC3点，电容ClO-Cll 为滤波电容；
所述三级反相比例放大器的第二级由运算放大器U1B、电阻R15-R18、电容C14组成；运算放大器UlB的反相输入端6脚经电阻R15接所述第一级反相比例放大器的输出端01点， 运算放大器UlB的同相输入端3脚经电阻R16接地，运算放大器UlB的输出端7脚经电阻 R18接地，电阻R17与电容C14并联后接在运算放大器UlB的输出端7脚与其反相输入端6 脚之间，运算放大器UlB的电源端分别接所述VC2点和VC3点；
所述三级反相比例放大器的第三级由运算放大器U2、电阻R19-R21、电容C15-C21、电感L1-L2组成；运算放大器U2的反相输入端2脚经电阻R19接所述运算放大器UlB的输出端7脚，运算放大器U2的同相输入端3脚经电阻R20接地，电阻R21与电容C21并联后接在运算放大器U2的输出端1脚与其反相输入端2脚之间，电感Ll接在+12V与运算放大器 U2的电源端正极8脚之间，电感Ll与电阻Rll的节点为VC2点，电感L2接在-12V与运算放大器U2的电源端负极4脚之间，电感L2与电阻R13的节点为VC3点，电容C15-C20为滤波电容。所述输出电平与TTL电平兼容的比较器由TTL比较器U3、电感L3、电位器WRl、电容C22-CM组成；所述TTL比较器的反相输入端3脚接电位器WRl的动臂，电位器WRl与电感L3串联后接在+5V与地之间，TTL比较器的同相输入端2脚接所述运算放大器U2的输出端1脚，TTL比较器的电源端正极1脚接电感L3与电位器WRl的节点，TTL比较器U3的 4-6脚接地，TTL比较器U3的输出端7脚接所述计算机的相应输入端，电容C22-CM为滤波电容。本发明的有益效果是具有噪声低，响应灵敏度高、转换速度快、防电磁干扰、调试
5简单、输出数字信号、稳定性高及成本低等特点。本发明适用于地震预报、地质和水文地质勘探、寻找地下水源、环境保护等工作场合，对氡及其子体衰变过程中辐射α粒子的能量进行测量。
图1为本发明的原理框图； 图2为本发明的电路原理图。
具体实施例方式由图1一2所示的实施例可知，它由前置放大器、三级反相比例放大器和输出电平与TTL电平兼容的比较器组成；
所述前置放大器的输入端通过同轴电缆与所述金硅面垒型半导体探测器的输出端相连接，所述前置放大器的输出端经所述三级反相比例放大器接所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输入端，所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输出端接计算机的相应输入端。所述前置放大器由晶体管Τ1-Τ4、电阻R1-R7、电容C1-C7组成；所述晶体管Tl和 Τ2组成复合管，所述晶体管Tl的基极经电容Cl接所述金硅面垒型半导体探测器的输出端正极，所述晶体管Τ2的发射极接地，所述晶体管Tl和Τ2的集电极接晶体管Τ3的发射极， VCl点依次经电阻R7、电阻R1、电阻R2接地，电阻Rl和R2的节点接晶体管Τ3的基极，电阻 R4接在电阻R7和Rl的节点与晶体管Τ3的集电极之间，晶体管Τ3的集电极接晶体管Τ4的基极，晶体管Τ4的发射极经电阻R6接地，电阻R5接在电阻R7和Rl的节点与晶体管Τ4的集电极之间，电阻R3与电容C2并联后接在晶体管Τ4的发射极与晶体管Tl的基极之间，电容C3-C7为滤波电容。所述三级反相比例放大器的第一级由运算放大器U1A、电阻R8-R14、电容C8-C13 组成，所述运算放大器UlA的反相输入端2脚依次经电阻R8、电容C8接所述晶体管Τ4的集电极，电阻R9与电容C9并联后接在运算放大器UlA的同相输入端3脚与地之间，运算放大器UlA的输出端1脚经电阻R12接地，电阻RlO与电容C12并联后接在运算放大器UlA的输出端1脚与反相输入端2脚之间，电阻R14与电容C13并联后接在运算放大器UlA的输出端1脚与第一级反相比例放大器的输出端01点之间，运算放大器UlA的电源端正极8脚经电阻Rll接VC2点，运算放大器UlA的电源端负极4脚经电阻R13接VC3点，电容ClO-Cll 为滤波电容；
所述三级反相比例放大器的第二级由运算放大器U1B、电阻R15-R18、电容C14组成；运算放大器UlB的反相输入端6脚经电阻R15接所述第一级反相比例放大器的输出端01点， 运算放大器UlB的同相输入端3脚经电阻R16接地，运算放大器UlB的输出端7脚经电阻 R18接地，电阻R17与电容C14并联后接在运算放大器UlB的输出端7脚与其反相输入端6 脚之间，运算放大器UlB的电源端分别接所述VC2点和VC3点；
所述三级反相比例放大器的第三级由运算放大器U2、电阻R19-R21、电容C15-C21、电感L1-L2组成；运算放大器U2的反相输入端2脚经电阻R19接所述运算放大器UlB的输出端7脚，运算放大器U2的同相输入端3脚经电阻R20接地，电阻R21与电容C21并联后接在运算放大器U2的输出端1脚与其反相输入端2脚之间，电感Ll接在+12V与运算放大器 U2的电源端正极8脚之间，电感Ll与电阻Rll的节点为VC2点，电感L2接在-12V与运算放大器U2的电源端负极4脚之间，电感L2与电阻R13的节点为VC3点，电容C15-C20为滤波电容。所述输出电平与TTL电平兼容的比较器由TTL比较器U3、电感L3、电位器WR1、电容C22-CM组成；所述TTL比较器的反相输入端3脚接电位器WRl的动臂，电位器WRl与电感L3串联后接在+5V与地之间，TTL比较器的同相输入端2脚接所述运算放大器U2的输出端1脚，TTL比较器的电源端正极1脚接电感L3与电位器WRl的节点，TTL比较器U3的 4-6脚接地，TTL比较器U3的输出端7脚接所述计算机的相应输入端，电容C22-CM为滤波电容。在本实施例中，U1A、U1B、U2的型号为NE5532，U3的型号为MAX913。如图2所示，金硅面垒型探测器正极的输出信号通过耦合电容Cl送到前置放大器，Tl和T2组成的复合管增加放大倍数的同时可提高输入阻抗，信号经晶体管T3和T4，在 T4集电极输出一个放大的负脉冲信号送往三级反相比例放大器进行整形放大。R3和C2构成电压并联负反馈，以稳定输出电压。如输出波形不太理想，可适当调节R3电阻值和C2电容值。前置放大电路的输出为迭加在干扰噪声上的30 SOmV的脉冲，三级反相比例放大电器由共模抑制比高、噪声电压小、单位增益带宽较宽的集成运放电路NE5532 (U1A、U1B 和U2)组成。三级反相比例放大器将有效信号放大到1 4V之间，并把负脉冲变换为正脉冲，送到输出电平与TTL电平兼容的比较器。 输出电平与TTL电平兼容的比较电电器的U3具有超快速、失调电压低及功耗低的特点，其输出电平与TTL电平兼容，输出信号送至计算机的计数器。电源电路中的各滤波电容滤掉电源中的谐波成份，完成了无功补偿，避免电源引起信号的串扰，提高装置的稳定性。为了防电磁干扰，采用同轴电缆进行信号传输，长度小于8mm，减少了传输衰减。另外，留有带屏蔽的标准接口与其他电路相连接。
权利要求
1.一种金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路，其特征在于其由前置放大器、三级反相比例放大器和输出电平与TTL电平兼容的比较器组成；所述前置放大器的输入端通过同轴电缆与所述金硅面垒型半导体探测器的输出端相连接，所述前置放大器的输出端经所述三级反相比例放大器接所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输入端，所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输出端接计算机的相应输入端。
2.根据权利要求1所述的金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路，其特征在于所述前置放大器由晶体管T1-T4、电阻R1-R7、电容C1-C7组成；所述晶体管Tl和T2组成复合管，所述晶体管Tl的基极经电容Cl接所述金硅面垒型半导体探测器的输出端正极，所述晶体管T2的发射极接地，所述晶体管Tl和T2的集电极接晶体管T3的发射极，VCl点依次经电阻R7、电阻R1、电阻R2接地，电阻Rl和R2的节点接晶体管T3的基极，电阻R4接在电阻R7和Rl的节点与晶体管T3的集电极之间，晶体管T3的集电极接晶体管T4的基极， 晶体管T4的发射极经电阻R6接地，电阻R5接在电阻R7和Rl的节点与晶体管T4的集电极之间，电阻R3与电容C2并联后接在晶体管T4的发射极与晶体管Tl的基极之间，电容 C3-C7为滤波电容。
3.根据权利要求2所述的金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路，其特征在于所述三级反相比例放大器的第一级由运算放大器U1A、电阻R8-R14、电容C8-C13组成，所述运算放大器UlA的反相输入端2脚依次经电阻R8、电容C8接所述晶体管T4的集电极，电阻R9与电容C9并联后接在运算放大器UlA的同相输入端3脚与地之间，运算放大器UlA 的输出端1脚经电阻R12接地，电阻RlO与电容C12并联后接在运算放大器UlA的输出端1 脚与反相输入端2脚之间，电阻R14与电容C13并联后接在运算放大器UlA的输出端1脚与第一级反相比例放大器的输出端01点之间，运算放大器UlA的电源端正极8脚经电阻Rll 接VC2点，运算放大器UlA的电源端负极4脚经电阻R13接VC3点，电容ClO-Cll为滤波电容；所述三级反相比例放大器的第二级由运算放大器U1B、电阻R15-R18、电容C14组成；运算放大器UlB的反相输入端6脚经电阻R15接所述第一级反相比例放大器的输出端01点， 运算放大器UlB的同相输入端3脚经电阻R16接地，运算放大器UlB的输出端7脚经电阻 R18接地，电阻R17与电容C14并联后接在运算放大器UlB的输出端7脚与其反相输入端6 脚之间，运算放大器UlB的电源端分别接所述VC2点和VC3点；所述三级反相比例放大器的第三级由运算放大器U2、电阻R19-R21、电容C15-C21、电感L1-L2组成；运算放大器U2的反相输入端2脚经电阻R19接所述运算放大器UlB的输出端7脚，运算放大器U2的同相输入端3脚经电阻R20接地，电阻R21与电容C21并联后接在运算放大器U2的输出端1脚与其反相输入端2脚之间，电感Ll接在+12V与运算放大器 U2的电源端正极8脚之间，电感Ll与电阻Rll的节点为VC2点，电感L2接在-12V与运算放大器U2的电源端负极4脚之间，电感L2与电阻R13的节点为VC3点，电容C15-C20为滤波电容。
4.根据权利要求3所述的金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路，其特征在于所述输出电平与TTL电平兼容的比较器由TTL比较器U3、电感L3、电位器WR1、电容 C22-C24组成；所述TTL比较器的反相输入端3脚接电位器WRl的动臂，电位器WRl与电感L3串联后接在+5V与地之间，TTL比较器的同相输入端2脚接所述运算放大器U2的输出端 1脚，TTL比较器的电源端正极1脚接电感L3与电位器WRl的节点，TTL比较器U3的4_6脚接地，TTL比较器U3的输出端7脚接所述计算机的相应输入端，电容C22-CM为滤波电容。
全文摘要
本发明涉及一种金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大电路，适用于地震预报、地质和水文地质勘探、寻找地下水源、环境保护等工作场合，对氡及其子体衰变过程中辐射α粒子的能量进行测量。本发明由前置放大器、三级反相比例放大器和输出电平与TTL电平兼容的比较器组成；所述前置放大器的输入端通过同轴电缆与所述金硅面垒型半导体探测器的输出端相连接，所述前置放大器的输出端经所述三级反相比例放大器接所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输入端，所述输出电平与TTL电平兼容的比较器的输出端接计算机的相应输入端。本发明的有益效果是具有噪声低，响应灵敏度高、转换速度快、防电磁干扰、调试简单、输出数字信号、稳定性高及成本低等特点。
文档编号G01T1/24GK102253402SQ20111013867
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者卜凡亮, 尹军祖, 张阳, 洪卫军, 秦静 申请人:尹军祖, 张阳, 洪卫军