電荷積分基線補償譜儀放大器-

1、第35卷第3期原子能科學(xué)技術(shù)Vol.35,No.32001年5月Atomic Energy Science and Technology May2001電荷積分基線補償譜儀放大器烏如恭桑,郭麗,田華陽(中國原子能科學(xué)研究院核技術(shù)與計算機應(yīng)用研究所,北京102413摘要:研究建立了電荷積分基線補償法,并應(yīng)用于譜儀放大器中,有效地補償了峰位隨計數(shù)率的漂移。在X射線熒光分析應(yīng)用中,當譜儀通過的計數(shù)率為200012000s21時,銀峰的漂移降低到011%以內(nèi)。關(guān)鍵詞:電荷積分;基線補償;峰位;漂移中圖分類號:TN722文獻標識碼:A在核譜儀系統(tǒng)中,計數(shù)率變化引起峰位漂移是一種普遍現(xiàn)象。產(chǎn)生這種漂移的原

2、因主要來自射線探測器和脈沖放大器兩方面。為最大限度地減小譜儀放大器對峰位隨計數(shù)率漂移的貢獻,人們已采取各種技術(shù)措施,其中包括基線恢復(fù)技術(shù)和門控積分技術(shù)?；€恢復(fù)技術(shù)的著眼點在于使放大器輸出脈沖的基線能夠在每個脈沖到來之前盡早恢復(fù)到設(shè)定的基線電平上,從而對每個輸入脈沖都有基線電平相同的輸出脈沖。基線恢復(fù)技術(shù)的作用通常與放大器的微積分時間常數(shù)有關(guān)。當計數(shù)率一定時,時間常數(shù)愈小,基線恢復(fù)愈好。但時間常數(shù)小,彈道虧損現(xiàn)象嚴重,這將損害峰位的穩(wěn)定性。門控積分技術(shù)就是針對彈道虧損現(xiàn)象而發(fā)展起來的。這種技術(shù)的理論基礎(chǔ)在于放大器輸出脈沖的面積與探測器入射射線的能量或釋放的電荷量成正比。因此,在帶有基線恢復(fù)電路

3、的譜儀放大器的基礎(chǔ)上再增加一門控積分電路,使其輸出脈沖的幅度與其輸入脈沖的面積成正比,從而構(gòu)成一臺帶有門控積分器的譜儀放大器。在探測器對譜儀計數(shù)率穩(wěn)定性的不利影響可忽略不計的場合,這種放大器可在很寬的計數(shù)率范圍內(nèi)保持良好特性。然而,這種譜儀放大器的電路較復(fù)雜,成本也高,也不能克服探測器本身對峰位隨計數(shù)率漂移的貢獻。因此,在工業(yè)用譜儀系統(tǒng)中,一般不宜采用這種譜儀放大器。目前,在工業(yè)用譜儀系統(tǒng)中,從成本和可靠性角度出發(fā)多采用電路較簡單、成本低和高可靠性的譜儀放大器。為保證整個系統(tǒng)的計數(shù)率穩(wěn)定性,通常采用軟件校正或手動調(diào)節(jié)的辦法。軟件校正的范圍和精度有限,不能滿足日益提高的精度要求。手動調(diào)節(jié)既麻煩又

4、費時,還會引入人為因素。收稿日期:1999212221;修回日期:2000208210作者簡介:烏如恭桑(1941,男,達斡爾族,內(nèi)蒙古莫旗人,副研究員,核電子學(xué)專業(yè)本課題研究尋求一種新方法來改進譜儀放大器,使譜儀系統(tǒng)的計數(shù)率穩(wěn)定性有顯著提高,同時又要保持電路的簡單、低成本和高可靠性,使其適用于工業(yè)儀器儀表中。1工作原理電荷積分基線補償型譜儀放大器的電路原理示于圖1。來自探測器和前置放大器的脈沖信號經(jīng)輸入級和放大級的微分成形、極零補償和放大后分為兩路。一路經(jīng)有源濾波成形級變?yōu)闇矢咚剐筒ㄐ?然后經(jīng)電容C1和電阻R1變?yōu)殡p極性脈沖,最后經(jīng)由輸出級A1輸出。輸出波形的負向部分由正向壓降較小的快速肖特

5、基二極管箝位,以適應(yīng)集成化ADC 單極性輸入的要求。雙極性成形的目的在于消除前幾級電路對輸出級基線穩(wěn)定性的損害和保持較好的基線恢復(fù)特性。由放大級輸出的第二路信號輸入到電荷積分基線補償單元。該單元輸入脈沖的面積與入射到探測器的射線能量或其釋放的電荷量成正比。這個脈沖信號被該單元積分后輸出的直流電平將和射線的能量與計數(shù)率的乘積成正比。電荷積分基線補償單元輸出的直流電平輸入到輸出級A1的同相輸入端。因此,輸出級A1 輸出的基線電平由電荷積分基線補償單元來決定,即由射線的能量與計數(shù)率的乘積來決定。圖1CIAE4599電荷積分基線補償譜儀放大器框圖Fig.1Block diagram of CIAE45

6、99s pectroscopy amplifierwith charge integration baseline compensator對裝有普通譜儀放大器的譜儀系統(tǒng),當計數(shù)率變化范圍相同時,射線的能量越高,峰位的下降量越大;當射線的能量一定時,計數(shù)率越高,峰位的下降量也越大。當采用電荷積分基線補償型譜儀放大器后,對能量和計數(shù)率兩方面都提供了補償,譜儀的峰位可達到很高的穩(wěn)定性,同時還能保持良好的線性。圖1中的電荷積分基線補償單元帶有3個可調(diào)電位器。電位器VR1用于調(diào)節(jié)輸入閾,以便抑制噪聲;電位器VR2用于調(diào)節(jié)補償量,以便取得最佳補償效果;電位器VR3用于調(diào)節(jié)該單元的零點,從而設(shè)定輸出級A1的

7、靜態(tài)輸出電平。與通常的基線恢復(fù)和門控積分方法相比,電荷積分基線補償方法的補償量可根據(jù)具體情況進行調(diào)節(jié),可欠補償,也可過補償。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié),易達到最佳補償效果。正由于這個特點,當探測器本身對譜儀的計數(shù)率穩(wěn)定性造成不良影響時,通過適當調(diào)節(jié)電位器VR2,可得到令人滿意的補償效果。152第3期烏如恭桑等:電荷積分基線補償譜儀放大器圖2X 熒光分析系統(tǒng)框圖Fig.2Block diagram of X 2fluorescence analysis system2實驗結(jié)果為檢驗CIAE4599譜儀放大器在改善譜儀系統(tǒng)峰位的計數(shù)率穩(wěn)定性方面的效果,選擇了圖2所示的氣體探測器X 熒光譜儀系統(tǒng)。其中,放射源是

8、活度為111×107Bq 的241Am ;探測器為高氣壓薄窗正比計數(shù)管,加高壓約1100V ;前置放大器為常用電阻反饋式電荷靈敏放大器。實驗所用樣品有純金、純銀和純銅及含有金、銀和銅的合金。在合金中,金占3715%,銀占25139%,銅占36192%。每種樣品又分為大樣和小樣兩種規(guī)格。實驗結(jié)果列于表1。表1用CIAE4599測得峰位隨計數(shù)率漂移的實驗結(jié)果T able 1R esults of experiment of peak 2drifts due to change of count rate using model CIAE4599樣品計數(shù)率/s -1峰位/道樣品計數(shù)率/s

9、-1峰位/道小樣純銀3530162149金150*銅3130111195銅157*合金銀320175合金銀320148金除了檢驗CIAE4599之外,還選用目前在國內(nèi)外最先進的譜儀放大器進行了對比實驗。對比用的譜儀放大器是國產(chǎn)CIAE313和進口OR TEC673。為適應(yīng)高計數(shù)率,這2臺譜儀放大器都采用了非常復(fù)雜的門控基線恢復(fù)技術(shù),后者還有門控積分輸出。為便于對比,選擇了相同的輸出脈沖成形時間(1s 、相同的測量時間(100s 和大致相同的計數(shù)率范圍。對每種樣品,連續(xù)測量3次,以3次測量結(jié)果的平均值作為標準數(shù)據(jù)。表2和表3列出了3種型號的譜儀放大器在同一臺X 熒光譜儀中所產(chǎn)生的峰位隨計數(shù)率漂移

10、的對比結(jié)果。表2用不同譜儀放大器對純樣品測得的峰位隨計數(shù)率漂移的對比T able 2Comparison of peak 2drifts due to change of count rates with pure samplesusing different types of spectroscopy amplif iers樣品計數(shù)率/s -1峰位漂移/道CIAE4599CIAE313ORTEC673銀252原子能科學(xué)技術(shù)第35卷表3用不同譜儀放大器對合金樣品測得的峰位隨計數(shù)率漂移的對比T able 3Comparison of peak 2drifts due to change of c

11、ount rates with alloy samplesusing different types of spectroscopy amplif iers 合金樣品計數(shù)率/s -1峰位漂移/道CIAE4599CIAE313ORTEC673銀注:1所測合金樣品的總計數(shù)率從表中所列數(shù)據(jù)可看出:采用電荷積分基線補償方法的CIAE4599在改善氣體探測器X 熒光譜儀峰位的計數(shù)率穩(wěn)定性方面的效果是很明顯的,尤其對純樣品或在高能區(qū),效果更為顯著。以對純銀峰位為例,CIAE4599的漂移與對照用的譜儀放大器相比降低約一個量級。采用電荷積分基線補償方法的譜儀放大器在其他類型的譜儀系統(tǒng)中的效果有待進一步檢驗。

12、在建立電荷積分基線補償法和在CIAE4599性能測試的過程中得到了中國原子能科學(xué)研究院核技術(shù)與計算機應(yīng)用研究所同位素儀表廠的大力支持,他們提供了實驗場地、譜儀系統(tǒng)和實驗用的各類樣品,并派專人協(xié)助測量。在對比實驗時,高德喜同志提供了CIAE313型譜儀放大器。在此向他們表示衷心感謝。參考文獻:1梁祺愷1FH42041型譜儀放大器J 1原子能科學(xué)技術(shù),1985,(4:4284331A Spectroscopy Amplif ierWith Charge Integration B aseline CompensatorE Wu 2ru 2gong 2sang ,GUO Li ,TIAN Hua 2

13、yangAbstract :A charge integration baseline compensation method has been established and applied to the design of the spectroscopy amplifier ,and the peak drifts of spectrums due to the change of count rates are efficiently decreased.In the application of X 2fluorescence analysis ,the drifts of the peak of silver are red