溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀前端讀出電子學電路

陳彥麗，譚新建，2，盧 毅，宋朝暉，2，易義成，渠紅光

（1.西北核技術研究所，西安710024；2.強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西安710024）

目前常用的碘化鈉（NaI：Tl）γ譜儀能量分辨率差，高純鍺（HPGe）γ譜儀需液氮制冷且易受中子損傷，碲鋅鎘（CZT）γ譜儀則受晶體尺寸限制，探測效率低［1－3］。溴化鑭 （LaBr3：Ce）譜儀是一種新型 γ譜儀，具有良好的綜合性能和廣泛的應用前景［4－6］，因此，研制溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀具有重要意義。

γ譜儀系統的能量分辨率主要取決于探測器和前端讀出電子學電路，二者的設計都非常關鍵。目前，國內外報道的溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀對137Cs 662keVγ峰的能量分辨率一般在2.8%～4%［2，7－10］，基于本文研制的前端讀出電子學電路的溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀對此γ峰的能量分辨率為2.7%，且性能穩定。

1 設計方案和系統組成

能譜測量的方法主要有2種：一種是傳統的核電子學方法，采用前置放大－譜儀放大－多道的技術路線，前置放大電路輸出的信號與探測器入射粒子能量成正比，但前置放大電路輸出信號不便于直接測量，需要通過譜儀放大電路對信號進行預處理，然后統計譜儀放大器輸出信號的幅度信息并進行能量刻度，從而獲得能譜曲線。另一種是脈沖波形數字化方法，直接記錄探測器輸出信號波形，通過數據處理，獲得需要的物理信息。

傳統核電子學方法對數字電路的要求不高，成本低、功耗低，功能單一、電路簡單。脈沖波形數字化方法可以獲得豐富的物理信息，但電路復雜、功耗大、成本高。針對實際需求，本文中采用傳統核電子學方法設計γ譜儀系統的前端讀出電子學電路。溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀系統由探測器、前端讀出電子學電路、數字多道分析器及數據處理軟件組成，組成框圖如圖1所示。

圖1 溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀系統組成框圖Fig.1Block diagram of LaBr3：Ceγspectrometer system

2 電路設計

溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀系統的前端讀出電子學電路主要包括電壓靈敏前置放大電路、譜儀放大電路和供電電源3部分。電壓靈敏前置放大電路將探測器輸出的電流信號轉換成電壓信號，通過積分放大獲得輸出信號幅度與探測器入射粒子能量間的正比關系；譜儀放大電路可對前置放大器輸出的信號進行極零相消、濾波、成形及放大；供電電源主要是給探測器和電路提供低噪聲的高、低壓電源。

2.1 電壓靈敏前置放大電路

由于溴化鑭（LaBr3：Ce）探測器輸出信號幅度較大，故選擇了積分型電壓靈敏前置放大電路結構進行積分和電壓跟隨。為了獲得較高信噪比，同時使系統小型化，將溴化鑭（LaBr3：Ce）探測器和電壓靈敏前置放大電路集成在一起，設計的電路原理如圖2所示。其中，高壓濾波電路由R01，C01，R02，C02組成，通過2次RC低通濾波，濾除高頻噪聲，減小低頻噪聲信號幅度。R1，C2和運放OPA820組成RC積分和電壓跟隨電路，積分時間常數由Ci和R1決定。Ci＝C2＋CD＋CS，其中，CD為探測器極間電容；CS為探測器和放大器之間的分布電容；C2為積分電容，其值較大，所以CD和CS的影響可以忽略。耦合匹配電路由C1，C3和R2組成。探測器輸出信號通過C1交流耦合到運器輸入端；因為R1電阻較大，導致放大器輸入信號本身有一個較大的直流偏置，通過C3交流耦合，使基線恢復到零，使后端電路能正常工作。電壓靈敏前置放大器的傳遞函數為

其中，K1＝R2／Ci；τ0＝R1Ci

測試電路是由R0和C0組成。使用測試電路時，探測器不工作，信號源給出脈寬較寬的方波信號Vp，通過10pF的小電容C0可以產生一個沖擊電流，模擬探測器輸出的電流信號［11］。

圖2 電壓靈敏前置放大電路設計原理框圖Fig.2Shematic of voltage sensitive pre－amplifier circuit

2.3 譜儀放大電路

在能譜測量系統中，為獲得較高的能量分辨率且滿足后端數字多道分析器對輸入信號幅度要求，在電壓靈敏前置放大電路和數字多道分析器之間連接譜儀放大器，對信號進行處理。譜儀放大電路主要由極零相消電路、Sallen－Key濾波成形電路及反相放大電路組成，原理框圖如圖3所示。

圖3 譜儀放大電路設計原理框圖Fig.3Schematic of spectroscopy amplifier circuit

極零相消電路采用一級RC微分電路，可將較寬的指數衰減脈沖變成窄脈沖，減少信號堆疊，同時，可使極點和零點相消，消除過沖。極零相消電路的傳遞函數 H2（s）為

當極零相消時，τ0＝τ1，極零相消后輸出為

為了獲得最佳信噪比，將電壓靈敏前置放大電路輸出的脈沖信號極零相消后濾波成形為高斯波形，使信號的頂部變得較平，便于后端數據采集。Sallen－Key濾波成形電路設計使用低通濾波電路，綜合考慮信噪比和計數率，設置成形時間約為0.5us。為了獲得低頻區域的平坦特性，并且使波形失真較小，選用了具有巴特沃茲特性的4次Sallen－Key低通濾波電路［12］。

反相放大電路的主要功能是將信號反相并進一步放大，然后通過交流耦合實現基線恢復到零。

2.4 供電電源

供電電源好壞直接影響電路的噪聲水平，從而影響γ譜儀系統的能量分辨率。前端電子學部分的供電電源主要包括高壓電源和低壓電源，外部僅提供12V電壓。高壓電源為探測器提供的－1 000V高壓，是由天津東文高壓電源廠生產的可調高壓模塊產生，該模塊需要＋5V的電源供電。電壓靈敏前置放大電路和譜儀放大電路均需要±5V電壓。設計的電源轉換框圖如圖4所示。首先通過DC／DC轉換將外部12V電壓轉換為±7V，然后使用TI公司的超低噪聲、高PSRR、低壓降線性穩壓芯片TPS7A91和TPS7A33將±7V轉換到±5V，提供給各個模塊。

圖4 電源轉換框圖Fig.4Block diagram of power conversion

3 電路仿真

電路設計完成之后，通常使用仿真軟件進行仿真，驗證理想情況下電路的功能能否實現。文中使用CANDENCE 16.6中自帶的PSPICE軟件對設計的電壓靈敏前置放大電路和譜儀放大電路進行仿真，仿真結果結果分別如圖5和圖6所示。由圖5可見，電壓靈敏前置放大電路輸出的積分脈沖信號底寬約200us，經過極零相消之后脈沖底寬約4us。由圖6可見，輸出的高斯脈沖信號底寬約5us，信號頂部變得比較平滑。此外，對譜儀放大器的幅頻特性和相頻特性的仿真表明，－3dB帶寬約300kHz，相位在穩定區間?？傊?，電路仿真結果表明，設計的電路在理想情況下可以實現設計目標。

圖5 電壓靈敏前置放大器和極零相消電路仿真結果Fig.5Simulation results of voltage sensitive pre－amplifier and pole－zero cancellation circuits

圖6 譜儀放大電路仿真結果Fig.6Simulation results of spectroscopy amplifier circuit

4 電路板設計與制作

電路板設計與制作是實現電路低噪聲、高穩定性的重要環節。電路板設計的關鍵是元器件的選擇和電路布局、布線的合理安排。

元器件選用單位增益穩定的低噪聲放大器OPA820和貼片封裝的低溫漂、高精度電阻，放大器旁路電容選擇0.1uF和10uF電容并聯。電壓靈敏前置放大電路與探測器集成在一起，通過同軸電纜連到譜儀放大電路。為了減少寄生電容和寄生電感影響，放大器輸入、輸出信號管腳下方的電源和地挖空，信號線盡可能短。譜儀放大電路是多級放大器級聯，采用6層板設計，有專用的電源和地層，為信號提供最短的地和電源回路，降低寄生電容，提高電路穩定性。研制的電壓靈敏前置放大器和譜儀放大器實物如圖7所示。

圖7 前端讀出電子學電路實物圖片Fig.7Pictures of front－end readout electronics circuits

5 實驗驗證

5.1 時域測試

為了驗證電壓靈敏前置放大電路和主放大電路設計合理性，將溴化鑭（LaBr3：Ce）探測器和前端讀出電子學電路聯調，使用示波器觀察輸出。圖8給出了實測的電壓靈敏前置放大電路輸出信號波形，圖9是實測的譜儀放大電路輸出高斯脈沖信號?？梢钥闯?，圖8和圖9分別與圖5（a）和圖6的電路仿真結果一致。

圖8 實測的電壓靈敏前置放大電路輸出信號波形Fig.8Measured output waveforms of voltage sensitive pre－amplifier circuit

圖9 實測的譜儀放大電路輸出高斯脈沖信號Fig.9Measured output Gaussian pulse waveform of spectroscopy amplifier circuit

5.2 性能測試

將研制的前端讀出電子學電路與溴化鑭（LaBr3：Ce）探測器及數字多道分析器結合，組成γ譜儀系統，對137Cs的γ能譜進行測試，測試結果如圖10所示。由圖10可知，該譜儀系統對137Cs 662keVγ峰的能量分辨率為2.7%，能譜在系統運行4h后展寬較小，系統穩定性較好，表明前端讀出電子學電路增益比較穩定，線性度較好。

圖10 溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀聯調測量結果Fig.10Measurement result of the LaBr3：Ce γspectrometer

6 結論

基于傳統的核電子學方法，設計研制了溴化鑭（LaBr3：Ce）γ譜儀前端讀出電子學電路，開展了137Csγ峰能譜測試，獲得了較好的能量分辨率。該譜儀系統具有耐輻照、成本低、體積小及攜帶方便的特點，可用于n－γ混合場的γ射線測量。