Разработка блока детектирования дозиметра гамма-излучения

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

Разработать блок детектирования дозиметраизлучения со следующими параметрами:

· сцинтиллятор NaJ (Tl) — размеры кристалла и тип ФЭУ выбрать самостоятельно;

· схема включения ФЭУ с делителем;

· питание ФЭУ — внешнее в виде переменного сигнала (частота 2050 кГц);

· напряжение питания ФЭУ должно регулироваться в пределах 10% от номинального значения;

· ток анода ФЭУ преобразовать в последовательность стандартных импульсов пропорциональной току частоты;

· питание блока детектирования и счетные импульсы регистрации излучения подавать по общей коаксиальной линии связи с базовым блоком (волновое сопротивление 50 Ом);

· диапазон изменения напряжения питания 9 … 14 В;

· амплитуда счетных импульсов на линии связи до 2,5 В при длительности около 1,5 мкс.

• ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Схема питания делителя ФЭУ
• 2. Преобразователь тока анода ФЭУ в напряжение
• 3. Преобразователь напряжения в частоту
• 4. Одновибратор
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
• ПРИЛОЖЕНИЕ А. Параметры R7400U-01
• ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Перечень элементов

Принцип действия различных типов детекторов излучений основан на физических явлениях, возникающих при взаимодействии ионизирующих излучений (ИИ) с веществом /1/. На регистрации фотонов, испускаемых возбужденными атомами и молекулами, основаны сцинтилляционные детекторы. Фотоны, возникающие в сцинтилляторах, имеют, как правило, сравнительно слабую интенсивность. Поэтому для их регистрации применяют чувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Качество сцинтилляторов и пригодность их для тех или иных целей характеризуются следующими величинами: световыходом и зависимостью его от энергии частиц, временем высвечивания и спектром свечения. При выборе сцинтиллятора основной характеристикой является величина световыхода и зависимость световыхода от энергии частиц. Знание спектра свечения сцинтиллятора необходимо для правильного выбора ФЭУ.

Спектр излучения кристаллов NaJ (T1) имеет среднюю длину волны = 4100Е. Спектр поглощения NaJ (T1) лежит в ультрафиолетовой области, почти не перекрывается со спектром свечения, так что кристаллы йодистого натрия обладают высокой прозрачностью к собственному излучению /2/.

При работе с кристаллами NaJ (T1) следует соблюдать ряд предосторожностей. Кристаллы йодистого натрия гигроскопичны и быстро мутнеют при воздействии влаги даже на воздухе. Поэтому в целях защиты от влаги кристаллы необходимо помещать в герметичные контейнеры или покрывать пленкой вазелинового масла.

Сцинтиллятор NaI (Tl) выпускается в герметичной упаковке, которая защищает кристалл от взаимодействия с внешней средой. Поэтому есть стандартные размеры рабочей поверхности. Из всего разнообразия размеров был выбран кристалл с диаметром 10 мм.

Возьмем малогабаритный ФЭУ японской фирмы Hamamatsu модели R7400U-01 с штатным резистивным делителем Е5770 /3/. Спектральная характеристика фотокатода и зависимость усиления от напряжения питания ФЭУ представлена на рис. 1.

Рис. 1 — Спектральная характеристика фотокатода и зависимость усиления от напряжения питания ФЭУ Структурная схема и общий вид ФЭУ с делителем представлена на рис. 2.

а) б) Рис. 2 ФЭУ R7400U-01 с штатным резистивным делителем Е5770: а) внешний вид; б) структурная схема

1. Схема питания делителя ФЭУ

Для питания ФЭУ выберем малогабаритный DC/DC-converter фирмы Traco Power: MHV12−1.0K2000N /4/. Данный высоковольтный блок запитывается постоянным напряжением 10,8.16,5 В, имеет возможность установки высокого напряжения отрицательной полярности в диапазоне от 0 до 1000 В, максимальный выходной ток 2 мА.

Выберем напряжение питания ФЭУ 800 В. Номиналы резисторов штатного делителя: R₁ =…= R₈ = 330 кОм и R₉ = 160 кОм. Кроме того сопротивления последних каскадов дополнительно шунтируются блокирующими емкостями С₁ = С₂ = С₃ = 0,01 мкФ в этом случае электронный ток, протекающий через ФЭУ, большей частью замыкается через блокирующую емкость и не изменяет ток делителя.

По ТЗ питание ФЭУ внешнее в виде переменного сигнала с частотой от 20 до 50 кГц (пусть амплитуда будет 12В), а питание MHV12−1.0K2000N осуществляется постоянным напряжением. Для выпрямления используем мостовую схему.

2. Преобразователь тока анода ФЭУ в напряжение

Принципиальная электрическая схема преобразователя тока анода в напряжение представлена на рис. 3.

Рис. 3 — Принципиальная электрическая схема преобразователя тока анода в напряжение

С4 = 3,3 пФ служит для сглаживания флуктуаций тока ФЭУ. Резистор R₁₆ = 49,9 Ом и диод VD1 (1N4002) служат для входной защиты схемы (ограничитель тока).

В качестве ОУ DA1 возьмем микросхему National Semiconductor LMC6001 (питание однополярное от 4,5 до +16 В, входной ток утечки 2 пА).

Максимально допустимый анодный ток составляет 13 мкА. Максимальное выходное напряжение преобразователя не должно превышать 10 В («полная» шкала для последующего преобразования в частоту). Из вышеперечисленного следует: R₁₇ = 10В/13мкА = 769 кОм. Из ряда номиналов выберем 768 кОм.

фотоэлектронный умножитель преобразователь излучение

3. Преобразователь напряжения в частоту

Принципиальная электрическая схема преобразователя напряжения в частоту представлена на рис. 3.

Рис. 4 — принципиальная электрическая схема преобразователя напряжения в частоту

В процессе проектирования при анализе параметров интегральных схем для построения преобразователя выбрана микросхема AD654 (фирмы Analog Devices). Она состоит из входного усилителя и высокочастотного преобразователя, который в ответ на вытекающий ток от входного усилителя формирует выходной сигнал — меандр. Для данного типа включения, как на рис. 4 (стандартное подключение для входного напряжения положительной полярности), основное соотношение выглядит следующим образом:

F_вых =

Для линейной передачи входного напряжения в выходную частоту зададим ток «полной шкалы» 1 мА, тогда R₁₈ + R₁₉ = 10 кОм. Из ряда номиналов выберем R₁₉ = 9,1кОм и для более точной настройки подстроечный резистор R₁₈ = 2,2 кОм. Пусть полная шкала 500 кГц, тогда С₅ = 200 пФ. Из ряда номиналов выберем С₅ = 220 пФ.

Таким образом, максимально допустимому анодному току 20 мкА (меньше заданного тока делителя в 100 раз) соответствует частота 500 кГц на выходе микросхемы AD654. Выход микросхемы представляет собой открытый коллектор. Запитаем его напряжением +5 В через резистор R₂₁ = 5,1 кОм.

4. Одновибратор

Так как на выходе AD654 получается меандр, а нужна длительность импульса ~ 1,5 мкс, то для получения нужного результата используем одновибратор. Принципиальная электрическая схема одновибратора на логических элементах 2И-НЕ представлена на рис. 5.

Резистор R₂₂ и С₆ емкость представляют собой дифференцирующую цепь, которая служит для укорачивания входного импульса. Из ряда номиналов выберем С₆ =1000 пФ и R₂₂ = 100 Ом (= С₆ R₂₂ = 0,1 мкс).

Одновибратор построен на трех логических элементах 2И-НЕ (микросхема КР555ЛА3). Два элемента 2И-НЕ являются одновибратором, а последний, третий, используется как буфер для передачи сигнала на линию связи с волновым сопротивлением 50 Ом (согласующий резистор R₂₄ = 49,9 Ом) /5/.

Рис. 5 — принципиальная электрическая схема одновибратора на логических элементах 2И-НЕ

По техническому заданию длительность импульса одновибратора должна быть 1,5 мкс. Используя формулу = R C ln2, получаем: С₇ = 1000 пФ и R₂₃ = 2,15 кОм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном дипломном проекте был разработан блок детектирования дозиметра гамма-излучения. Был выбран хороший малогабаритный японский ФЭУ и соответствующий сцинтиллятор NaJ (Tl). ФЭУ работает в токовом режиме. Для преобразования тока в частоту потребовалось: на ОУ DA1 (микросхема LMC6001) преобразовать ток в напряжение и затем напряжение преобразовать в частоту, используя микросхему AD654 (на выходе меандр). Для нормализации выходного сигнала был использован одновибратор с укорачивающей входной цепью.

Выполненный дипломный проект соответствует заданию на проектирование.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Цитович А. П. Ядерная электроника: Учеб. Пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 408 с. ил.

2. Егоров Ю. А. Сцинтилляционный метод спектрометрии гама-излучения и быстрых нейтронов. М.: Госатомиздат, 1963 г. — 306 с.

3. www.hamamatsu.com

4. www.tracopower.com

5. Шмидт Х. Измерительная электроника в ядерной физике: Пер. с нем. — М.: Мир, 1989. 190с., ил.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица А1

Фотоэлектронный умножитель R7400U-01

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Перечень элементов