專利名稱：四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型核輻射探測(cè)器裝置，即四元并行方式碲鋅鎘探測(cè)器該探測(cè)器比現(xiàn)有的探測(cè)器可測(cè)面積、探測(cè)效率高，探測(cè)時(shí)間短，為多元并行探測(cè)器的發(fā)展提供了一種可行性方案，使得該探測(cè)器向大體積方向發(fā)展，使核安全領(lǐng)域的探測(cè)技術(shù)更加成熟和全面。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)外核輻射探測(cè)器可以大致分為氣體探測(cè)器，閃爍探測(cè)器以及半導(dǎo)體探測(cè)器三大類。但由于半導(dǎo)體化合物材料的優(yōu)越性，如激發(fā)一對(duì)電子-空穴對(duì)所需的平均能量比較低，且能量的分辨率比較高，所以大家都把研究的目標(biāo)聚焦在半導(dǎo)體材料的探測(cè)器， 而碲鋅鎘作為一種優(yōu)異的半導(dǎo)體化合物材料在目前的研究中也得到越來(lái)越多的重視。由于碲鋅鎘材料具有很高的電阻率，使其具有較低的漏電流，因此在小功率，小型化電路或集成電路型電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，但現(xiàn)在一些大型的電路中需要用到大探測(cè)面積碲鋅鎘探測(cè)器，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)生長(zhǎng)大單晶鋅鎘材料來(lái)實(shí)現(xiàn)大探測(cè)面積探測(cè)器，然而獲取大單晶探測(cè)器級(jí)碲鋅鎘材料工藝難度大，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求高，制備成本高。我們提出通過(guò)將多個(gè)單一的碲鋅鎘探測(cè)器通過(guò)并行的方式合成，也能達(dá)到增大探測(cè)面積的目的。本發(fā)明通過(guò)四元并行的結(jié)構(gòu)來(lái)增大探測(cè)面積，設(shè)計(jì)合適的讀出電路得到適合研究的能譜。既能克服當(dāng)前生長(zhǎng)大體積的碲鋅鎘單晶困難，又能解決單個(gè)探測(cè)器體積小，探測(cè)效率低，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，具有偏置電壓低，能量分辨率好，可在室溫下工作的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)裝置。本裝置可廣泛應(yīng)用于核安全領(lǐng)域。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)器裝置，包括四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器，其特征于每個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器分別經(jīng)過(guò)一個(gè)前置放大器再經(jīng)過(guò)一個(gè)差分放大器和一個(gè)主放大器，然后一起連接一個(gè)加法電路，最后該加法電路連接到一個(gè)多道能譜儀和數(shù)字示波器，四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器測(cè)得的信號(hào)，經(jīng)放大后由多道能譜儀和數(shù)字式波器進(jìn)行處理。所述前置放大器和差分放大器的結(jié)構(gòu)
a.在信號(hào)輸入部分，正偏壓與接地端之間連接電阻Rl和電容Cl，負(fù)載R2加在探測(cè)器 Dl上，在Dl和場(chǎng)效應(yīng)管Ql的柵極之間接電容C2，在Dl的信號(hào)端和Cl間接電阻R6。b.取場(chǎng)效應(yīng)管Ql作為放大器的輸入級(jí)，信號(hào)輸入到Ql的柵極，在Ql的漏極和直流電壓Ec間接電阻R10，在Ql的源極與接地端之間接R18，在R18兩端并聯(lián)電容C11，再將漏極的信號(hào)輸入到差分放大器UlA的正向輸入端，該正向輸入端與Ec間串聯(lián)電阻RlO和 R34，在RlO和地端接并聯(lián)連接的C6和C10，在反向輸入端與Ec和接地端間分別接R22和 R26，在似6兩端并聯(lián)C22，UlA的輸出端接到UlB的正向輸入端，在UlB的反向輸入端與地端之間接Rll和C26，UlB的輸出端接電阻R38，在R38與UlB的反向輸入端之間接一個(gè)反饋電阻R30，在UlA的輸出端與Ql的柵極間接電阻R12，在R12兩端并聯(lián)電容C18，構(gòu)成泄放電路。所述加法電路結(jié)構(gòu)四個(gè)碲鋅鎘核輻射探測(cè)器A、B、C、D的信號(hào)輸出端分別串聯(lián)電阻R1、R2、R3、R4接到一個(gè)放大器El的正向輸入端，在放大器El的反向輸入端與接地端接一個(gè)電阻R8，在放大器El的直流電壓端接電阻R5，在直流電壓段與接地端之間接一固定電容Cl，在Cl兩端并聯(lián)電容C2，在負(fù)電源端接電阻R9，在負(fù)電源端與接地端之間接固定電容 C3，在固定電容C3兩端并聯(lián)電容C4，在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻R6，在放大器El輸出端與反向輸入端之間接一個(gè)電阻R7。上述的多道能譜儀采用ORTEC-PCI-池多通道能譜儀，數(shù)字示波器采用數(shù)字式示波器Tds3012B，將主放大器與數(shù)字式示波器連接，并記錄其輸出波形圖。該探測(cè)器比傳統(tǒng)的單元探測(cè)器探測(cè)面積大，探測(cè)效率高，探測(cè)時(shí)間短，適用于便攜式核輻射探測(cè)譜儀，可廣泛應(yīng)用于核廢料監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測(cè)以及機(jī)場(chǎng)港口鐵路貨物等的反射性檢測(cè)。


圖1四元并行CZT探測(cè)器電路結(jié)構(gòu)框圖。圖2為CZT探測(cè)器前置放大電路和差分放大器的電路原理圖。圖3四元并行探測(cè)器的加法電路原理圖。圖4為前置放大器對(duì)應(yīng)于CZT探測(cè)器在137Cs輻射下的輸出響應(yīng)曲線圖。圖5為模擬信號(hào)對(duì)主放的調(diào)試結(jié)果曲線圖，其中(a)模擬信號(hào)輸入(b)模擬信號(hào)極零相消(c)模擬信號(hào)成形濾波(d)模擬信號(hào)成形后微調(diào)。圖6為在137Cs輻射下探測(cè)器在1250V偏壓時(shí)的輸出波形圖其中(a)兩路探測(cè)信號(hào)相加后的輸出(b)四路探測(cè)信號(hào)相加后的輸出。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖敘述于下。實(shí)施例一參見(jiàn)圖1，本四元并行碲鋅鎘核輻射裝置包括四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器1，每個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器1分別經(jīng)過(guò)一個(gè)前置放大器2再經(jīng)過(guò)一個(gè)差分放大器3和一個(gè)主放大器4， 然后一起連接一個(gè)加法電路5，最后該加法電路5連接到一個(gè)多道能譜儀6和數(shù)字示波器 7，四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器1測(cè)得的信號(hào)，經(jīng)放大后由多道能譜儀6和數(shù)字式波器7進(jìn)行處理。實(shí)施例二參見(jiàn)圖2和圖3，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于所述的前置放大器2和差分放大器3的結(jié)構(gòu)
a.在信號(hào)輸入部分，正偏壓與接地端之間連接電阻Rl和電容Cl，負(fù)載R2加在探測(cè)器 Dl上，在Dl和場(chǎng)效應(yīng)管Ql的柵極之間接電容C2，在Dl的信號(hào)端和Cl間接電阻R6。b.取場(chǎng)效應(yīng)管Ql作為放大器的輸入級(jí)，信號(hào)輸入到Ql的柵極，在Ql的漏極和直流電壓Ec間接電阻R10，在Ql的源極與接地端之間接R18，在R18兩端并聯(lián)電容C11，再將漏極的信號(hào)輸入到差分放大器UlA的正向輸入端，該正向輸入端與Ec間串聯(lián)電阻RlO和 R34，在RlO和地端接并聯(lián)連接的C6和C10，在反向輸入端與Ec和接地端間分別接R22和 R26，在似6兩端并聯(lián)C22，UlA的輸出端接到UlB的正向輸入端，在UlB的反向輸入端與地端之間接Rll和C26，UlB的輸出端接電阻R38，在R38與UlB的反向輸入端之間接一個(gè)反饋電阻R30，在UlA的輸出端與Ql的柵極間接電阻R12，在R12兩端并聯(lián)電容C18，構(gòu)成泄放電路。實(shí)施例三本四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)器裝置包括多通道能譜儀 (0RTEC-PCI-8k)、數(shù)字式示波器(Tds3012B)、Frisch 結(jié)構(gòu) CZT 器件(10 X 10 X 5mm3)、放射源 Cs137 (16uCi)等。將前置放大器與數(shù)字式示波器連接，并記錄其輸出波形圖(如附圖)。本實(shí)驗(yàn)使用美國(guó) Advanced Messurement Technology (ORTEC)公司的 Model419 的模擬信號(hào)發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行調(diào)試。從圖中可以得到，輸出的響應(yīng)電壓為130mV，上升時(shí)間為900ns，持續(xù)時(shí)間為 O.aiis，等效噪聲均方根電壓6mV左右，它的信噪比為22:1。各種性能均好于未經(jīng)過(guò)前置放大器處理時(shí)的性能。實(shí)例實(shí)驗(yàn)1
以實(shí)施例三的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖5為輸出波形圖。模擬信號(hào)發(fā)生器模擬輸出的信號(hào)(圖5 (a))為Ims的38mV的衰減電壓信號(hào)，直接輸入主放成形電路，能譜圖比較雜亂，無(wú)法獲取我們想要的信息。經(jīng)過(guò)極零相消后輸出的信號(hào)如圖5 (b)為8us，148mV。，能譜圖較(a)有明顯的好轉(zhuǎn)，比較光滑，信號(hào)也進(jìn)行了一定的放大。通過(guò)極零相消電路和濾波成形電路后所得到的成形信號(hào)如圖5(c)，得到的高斯分布的信號(hào)持續(xù)時(shí)間為6us，信號(hào)幅度為420mV，信號(hào)的上升時(shí)間為2. 68us，噪聲影響更小。如圖5(d)微調(diào)后使得信號(hào)幅度和成形時(shí)間都適中，起到了微調(diào)的作用。實(shí)例實(shí)驗(yàn)2
利用本實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)的碲鋅鎘的晶體，電阻率為9 X 101 ° Ω cm，切割出尺寸為 10X10X5cm3晶片制備二元和四元并行碲鋅鎘探測(cè)器，測(cè)試條件為偏壓-1250V，溫度23°C， 源與探測(cè)器的距離100cm，輻射源為137Cs(662keV)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電源供應(yīng)為士5V，電流在正電壓處為0. 01A,負(fù)電壓處為0. 01mA。用Tds3012B數(shù)字示波顯示器。二元并行信號(hào)持續(xù)時(shí)間10us，峰值電壓260mV，信噪比大于15:1。信號(hào)波形維持時(shí)間下降延時(shí)間變長(zhǎng)，如圖6 (a)。四元并行信號(hào)持續(xù)時(shí)間12us，峰值電壓270mV，信噪比為27:1。經(jīng)放大器處理后的輸出波形更接近于準(zhǔn)高斯分布，如圖6 (b)。四元并行使得測(cè)試的結(jié)果優(yōu)于一元及二元，所以在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)過(guò)程中有及其深遠(yuǎn)的意義。
權(quán)利要求
1.一種四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)器裝置，包括四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器(1 )，其特征在于每個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器(1)分別經(jīng)過(guò)一個(gè)前置放大器(2)再經(jīng)過(guò)一個(gè)差分放大器(3)和一個(gè)主放大器(4)，然后一起連接一個(gè)加法電路(5)，最后該加法電路(5)連接到一個(gè)多道能譜儀 (6)和數(shù)字示波器(7)，四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器(1)測(cè)得的信號(hào)，經(jīng)放大后由多道能譜儀(6)和數(shù)字式波器(7)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)器裝置，其特征在于所述前置放大器(2)和差分放大器(3)的結(jié)構(gòu)a.在信號(hào)輸入部分，正偏壓與接地端之間連接電阻Rl和電容Cl，負(fù)載R2加在探測(cè)器 Dl上，在Dl和場(chǎng)效應(yīng)管Ql的柵極之間接電容C2，在Dl的信號(hào)端和Cl間接電阻R6。
3.b.取場(chǎng)效應(yīng)管Ql作為放大器的輸入級(jí)，信號(hào)輸入到Ql的柵極，在Ql的漏極和直流電壓Ec間接電阻R10，在Ql的源極與接地端之間接R18，在R18兩端并聯(lián)電容C11，再將漏極的信號(hào)輸入到差分放大器UlA的正向輸入端，該正向輸入端與Ec間串聯(lián)電阻RlO和R34， 在RlO和地端接并聯(lián)連接的C6和C10，在反向輸入端與Ec和接地端間分別接R22和R26， 在似6兩端并聯(lián)C22，UlA的輸出端接到UlB的正向輸入端，在UlB的反向輸入端與地端之間接Rll和C26，U1B的輸出端接電阻R38，在R38與UlB的反向輸入端之間接一個(gè)反饋電阻 R30，在UlA的輸出端與Ql的柵極間接電阻R12，在R12兩端并聯(lián)電容C18，構(gòu)成泄放電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)裝置，其特征在于所述加法電路 (5)結(jié)構(gòu)四個(gè)碲鋅鎘核輻射探測(cè)器A、B、C、D的信號(hào)輸出端分別串聯(lián)電阻R1、R2、R3、R4接到一個(gè)放大器El的正向輸入端，在放大器El的反向輸入端與接地端接一個(gè)電阻R8，在放大器El的直流電壓端接電阻R5，在直流電壓段與接地端之間接一固定電容Cl，在Cl兩端并聯(lián)電容C2，在負(fù)電源端接電阻R9，在負(fù)電源端與接地端之間接固定電容C3，在固定電容C3 兩端并聯(lián)電容C4，在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻R6，在放大器El輸出端與反向輸入端之間接一個(gè)電阻R7。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)器裝置，其特征在于所述的多道能譜儀(6)采用ORTEC-PCI-池多通道能譜儀，數(shù)字示波器(7)采用數(shù)字式示波器Tds3012B， 將主放大器(4)與數(shù)字示波器(7)連接，并記錄其輸出波形圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四元并行碲鋅鎘核輻射探測(cè)器裝置,它包括四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器，每個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器分別經(jīng)過(guò)一個(gè)前置放大器再經(jīng)過(guò)一個(gè)差分放大器和一個(gè)主放大器，然后一起連接一個(gè)加法電路，最后該加法電路連接到一個(gè)多道能譜儀和數(shù)字示波器，四個(gè)碲鋅鎘探測(cè)器測(cè)得的信號(hào)，經(jīng)放大后由多道能譜儀和數(shù)字式波器進(jìn)行處理。該探測(cè)器比傳統(tǒng)的單元探測(cè)器探測(cè)面積大，探測(cè)效率高，探測(cè)時(shí)間短，適用于便攜式核輻射探測(cè)譜儀，可廣泛應(yīng)用于核廢料監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測(cè)以及機(jī)場(chǎng)港口鐵路貨物等的反射性檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01T1/24GK102323609SQ20111025371
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者張繼軍, 施朱斌, 梁小燕, 梁巍, 畢美, 沈萍, 王君楠, 王林軍, 閔嘉華 申請(qǐng)人:上海大學(xué)