x射线能级探测电路设计

奎Ｈ Ｉ墼
堕 堑 ＋ 壁坌 墨ｌ 圭 皇 Ｉ 墼 堕
图 １ Ｘ射 线 源 能级 探 测 电路 结 构 图
３ １ 高压 电源部分 ．
２ 电路 设 计 的要 求
测量 自然 Ｘ射线 强度 的方法 是 记录 同一点 处不 同
探测器的高压电源电路主要包括脉冲信号发生电 路 、 电 回路 、 充 控制 电路 三部分 。如 图 ２ 示 。 所
第一作者简介： 赵
妮 ， ， ８ 年生 ， 女 １６ ９ 研究生 ， 现在 西安石 油大学光 电油气测井与检测教 育部 重点实验室 主要进行 ｘ 射线 砂体识别 的研究 的课
题 。邮编 ：１０ ５ ７ ０６
２１ ０ ０年
第２卷 ５
第２ 期
赵
妮： ｘ射线能级探测 电路设计
３ ２ 前 置放 大 电路 部分 ．
ｘ射线
探测 Ｘ射线 ， 线经 过探 测器后 产 生 电压 脉 冲 ， 射 输入 处 理测量 线路 后 ， 录 Ｘ射 线 强 度 的计 数 。射 线 在 Ｎ Ｉ 记 ａ 晶体 管 中被转 换成 电脉 冲 ， 冲数 目的多少 ， 映射 线 脉 反
Ｔ
ＮＩ体 ａ 晶
新
哥
强度的大小 ， 即脉冲数 目越多， 射线 的强度越大。为了 能够记 录出反映不 同能级 的放射性强度 ， 脉冲电信号 则需 要传 输到计 数 器 的测量 电路 中 ＿２。 ｌ 、 Ｊ
察 的 量 的仪 器 。 本 文 主要 研 究 的是 Ｘ 线探 测技 术 ， 述 了 Ｘ射 线 能 级 探 测 的 发 展 ， 设 计 、 射 论 并 阐述 了相 关 的 电路 。设 计
电路 中包括 了输入级 、 线性放 大电路、 冲幅度分析 电路等 。高压 电源为探测 器提 供 高电压 ， Ｘ 线能级探 测有很 大 脉 对 射
Ｕｓ
一
＋
Ｕｌ
３ 设计方案 。ｊ
ＶＯ
射线探测可分为探测器 、 测量线路和 电源三部 分。探测器是核心部分 ， 目前应用最广泛的探测器是
ｘ
图 ２ 探测器的高压电源模 块电路
探测器需要千伏高压直流 电压将非可电光光信号
闪烁计数器 ， 闪烁计数器主要 由 Ｎ Ｉ ａ 晶体和光电倍增
管组成 。一般 Ｘ射 线探 测 电路 包 括 闪烁 探 测 器 、 置 前
转换成电信号并且放大 ， 形成电脉冲信号。本文选用 变压器设计供电电路， 通过变压器把 ｌ ２Ｖ的输入电压
转 变成 输 出的 １８０Ｖ直流 电压 。 ０
放大级 、 主放大 、 幅度分析等 。 设计结构图如图１ 所示。
在 Ｘ射线 探测 中 ， 探测 器 的输 出信号 往往 比较 小 ，
输 出信号需要放大才能进行传输和检测 ， 因而探测器
需 要 进行 放 大处 理 。
探测 器 和放 大器 之 间存 在 分 布 电 容 ， 布 电容 愈 分
大， 信噪 比就愈低 。前 置放 大电路 的主要作用是 提高 系统的信噪比、 对微弱信号进行放大及减小外界 干扰 的影 响 。因此将 前 置 放 大 尽 量靠 近探 测 器 ， 以减 少 探
石 油 仪 器 Ｐ Ｔ ０ Ｅ Ｍ ＩＳＲ Ｍ Ｎ Ｓ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ｎ Ｔ Ｕ Ｅ Ｔ
２１ 年 ０ ０１ ４月
・
开发设 计 ・
Ｘ
射线能级探测 电路设 计
赵 妮
（ 西安 石油大学 光 电油气测 井与检测教 育部重点实验室 陕 西 西安 ）
摘
要： ｘ射 线 主 要 是 通 过 探 测 器接 受 并 且 处理 的 。Ｘ 线 探 测 器是 用 来接 收 Ｘ 线 ， 射 射 并把 它 转 化 成 为 可 测 量 或 可观
是把被测得 的模拟量转变成计算机可 以接受 的数字 量， 即完成对脉 冲幅度 的甄别。工作过程是： 获取核谱
信号（ 采样 脉 冲峰值 ），Ｄ Ａ Ｃ将 脉 冲转 换成 与 幅度成 正 比的数字 量 ， 以数 字 量 作 为存 储 器 的 道址 码 记 录脉 再 冲数 ， 存储 于存 储器 中的 各 道计 数 即表 征 了脉 冲按 幅
每级 电路 内部 均 采用 深度 负反馈 以保 证放 大倍 数
稳定和 良好的线性度 ； 主放大器 内部采用直接耦合方 式， 考虑 到需 要消 除放 大 器 幅 度 过 载并 克 服 零 点 漂移 的问题 ， 在第一级放大和第二级放大电路之 问采用电 阻 Ｒ 连接实现直流耦 合 ， ２ 在第二级 和第 三级放大电 路之 间采 用 电容 Ｃ 连 接 ， 行 交 流耦 合 ； 时 ， ３ 进 同 在第
度大 小 的分布 情况 ， 然后 再 进 行数 据 处 理 。本 系 统 以
处理后 ， 就可得到射线的能谱 。本设计整体电路简单 、
成本 较低 、 实用 性 强 ， 以达 到预期 的效果 。 可
参 考 文 献
［ ］ 张礼 维 ， １ 汉泽西 ． Ｌ Ｃ Ｓ核测井仪器 ［ ． 西： Ｍ］ 陕 西安电子科
数很 难 确定 的。在 本 设 计 中 ， 置 放 大 电路 采 用 积 分 前 电路 和微 分 电路组 成 。前置 放 大 电路 采 用积分 电路 图 和 微分 电路 ， 别如 图 ３和 图 ４所 示 。 分
图 ４ 前 置 放 大 电 路 的微 分 电 路
３ ３ 主放 大器 的设 计 ．
譬一： ： －
’一’
一４ Ｃ４ ： Ｈ
ＣＨ４
： ： ： ： ：
： ．
ＣＨ２ ２０ ｍＶ － ０ ＩＨ４ １ Ｖ ： Ｍ ０ ｕｓ １０
： ： ｊ ¨Ｈ ａ
ｉ
ＣＨ２
１Ｏ ， Ｅ ｍ＂ ： ／
３ｒ ５ ｎＶ
（） ｌ Ｖ １０ ｚ 号放 大波形图 ａ ｍ ，０Ｈ 信
前置放大电路可以把脉 冲信号检测 出来 ， 但其输 出 的脉 冲 幅度 和波 形并 不 适 合 后 续 检测 电路 的要 求 ， 故而对脉冲信号还需进一步放大和成形 ， 并且必须要 严格保持探测器输出的有用信息 （ 如辐射的能量信息 和时间信息 ）尽可能减少它们 的失真。在本设计中就 ， 由主放大电路来完成这部分工作。主放大电路原理 图
能量 的射线 强度 ， 而获 得 该 点 得 能谱 。射 线在 探 测 从 器 中被转换 成 电脉 冲 。
脉冲数 目的多少 ， 反映射线强度 的大小ｌ 。因此 ， ２ ｊ 放射性测井仪器实质上是一个计数 电路 。为了能分别 测 出不 同幅度 的脉 冲 数 ， 而得 出不 同能 量 的 Ｘ射 线 从 能谱 ， 探测 电路 中还使用了多道脉冲幅度分析器电路 。
级 的输 人阻抗相 匹配 ， 从而可 改善 高计数率 工作 时的基
线漂移。主放大电路每一级放大波形如图 ６ 所示。
ＨＥ ＡＳＵＲＥ
ＣＨ１
Ｐ—ｋ ｋＰ
１ Ｖ ｍ
ＣＨ２ Ｐ Ｐ ｋ． ｋ １ ｍＶ ８９
¨Ｉ¨ ¨Ｉ ｆ … 。 Ｉ ¨ ｌ。 ｌ ： ‘ ¨‘
射线探测是接收穿透混合 物质后射线的强度。 本文 采用 碘化 钠 晶体和光 电倍 增 管组成 的 闪烁探 测器
Ｘ
电源可 分为 高压 电源 和 低压 电源 两 部 分 ， 电倍 增 管 光 由高压 电源 提供 电压 ， Ｘ射线 测 量 电路 电 源部 分 则 而 由低压 电源 提供 电压 。结构 图如 图 １ 示 。 所
２０ ０５
Ｆ ８２的资 源非 常丰富 ， ２１ 在本 系统 中只用到 Ａ Ｄ、 ／ 中 断、 定时器 、 串行通信接 口等几部分。
［ ］ 朱启 英 ， ３ 尹悦生 ． 井专用仪 器 ［ ． 京 ： 测 Ｍ１ 北 ／ 油上 业 … 仁
版 社 ，９ ３ １９
［］ 杨荣礼 ， ４ 陆介 明 ． 测井仪器 ［ ． Ｍ］ 北京 ： 石油工 业 出版 社 ，
级 的 Ｘ 射 源 ， 而通 过不 同介 质对 不 同能 级 的 吸 收 放 从
［ ］ Ｔ ｘｓＩｓ ｕ ｎｓｌｃ ＭＳ ２ Ｆ ８ Ｆｘｄ—ｐｉ ｉｔｌ ６ ｅａ ｎｔ ｍｅｔ ｎ ． ３０ ２ ｉ ｒ Ｆ １ ２ ｅ ｏ ｔｄｇ ａ ｎ ｉ
ｐｏｅｓｒＤ ／ Ｌ ．ｈ ｐ ／ ｗ ｗ．ｃ— ｏ ｒｃｓ ｌ Ｂ Ｏ ｔ ：／ ｗ ｉ ｏ ｊ ｔ ｎ— ｌ ｅ ｃ／Ｏ ／ ｉ ．ｎ ｌ Ｌ ｎ
技 大 学 出 版礼 ，９ ６ １９
Ｄ ＰＴ ３０ ２ １ Ｓ ＭＳ２Ｆ ８２为设计 核心替 代 Ａ Ｄ转换 电路 、 ／ 控 制电路 、 储 器 、 址 寄存 器 、 据运 算 器等 部 分。 存 地 数
［］ 丁次 乾 ．矿场 地 球 物理 ｌ ．山东 ： 油 大学 出版 社 ， ２ Ｍ］ 石
ｄ ｔｓ ｅ ｔ ｍ ｓ ０ ２ ２． ｄｆ２０ ９ — ０ ａ ａ ｈ ｅ／ｔ ３２ ｆ ８１ ｐ ． ０ ５
如图 ５ 示。 所
主放大器设计 主要采用三级串联负反馈来实现。 如 图 ５所 示第 一级 放 大 器 与第 二 级放 大 器 、 二 级 放 第
大器 与第 三 极 放 大 器 之 问 通 过 Ｒ Ｃ滤 波 器 实 现 连接 。
每一级的放大倍数约为 １ 倍 ， ０ 共放大 １ ０ 倍。 ０ ０
测 器输 出端 到放大 器 输 入 端 之 间分 布 电容 的影 响 ， 减
少外界干扰 ， 提高系统的信噪比。 前置放大器按输 出信号保 留的信息特点 ， 大致可 分为积分型放大器和电流型放大器。由于辐射探测器 探测到的信号具有随机性 ， 在选择较大放大倍数 ， 幅值 大 的信号会失真 ， 若选择小的放大倍数 ， 幅值小 的脉 冲 信号达不到比较电压无法被检测到 ， 因此前置放大倍
¨ ¨：Ｉｊ ｛。 Ｉ¨ 、
量
－ 一
０一 暑～ ： ｊ 一 一 ｌ ～． ０ 一一 ｊ
’ － Ｉ ｉ － ｉ ＿。 。 ÷ｊ， 。。 － ・ ｚｒ 三 一 －ｅ， ＿ － －． ． ｋ ｍ ｌ ￣ ； 、
－ － 一 一 一 ・ 一 － － －
的 作 用 ， 此本 文 同时 也研 究 了高 压 电 源部 分 。 因
关 键 词： ｘ射 线 探 测 ； 数 器 ； 测 器 ；电路 设 计 计 探
中图法分类号 ： 文献标 识 ： Ｂ文章编号 ：１０ ．１４ ２ １）２０ １．３ ０ ４９ ３ （０ ０ —０６０ １
１ Ｘ射 线 探 测 技 术
１ ０ ９８
４ 结束语
［］ ５
Ｘ
峰 ， 强 ． Ｍ ３０ ２ １ 理 与开 发 ［ ． 康 ： 吕 Ｔ Ｓ ２ Ｆ ８ ２原 Ｍ］ 北 电 子 工业 出版 社 ，０ ６ ２０
射线 能 级 探 测 主 要 测 量 不 同 能 量 的 射 线 的 强
度 ， 于研 究 Ｘ 线穿 透物质 的 衰减特 性 ， 且可 以确 用 射 并 定 混合 物质 各成 分 的分 布 情况 ， 文采 用 多 个 不 同 能 本
一
、
二级 输 出端 ， 加 一 Ｒ 各 Ｃ积 分 网络 ， 现 低 通 滤 波 实
功能 ， 衰减 高频 噪 声 。 由于 微 分 电路 和 积 分 电路 分 可
图 ３ 前 置 放 大 电 路 的 积 分 电路
别决定 了通频信号 的下限频率 和上 限频率 ， 因此当选 择微分时间常数等于积分时间常数时可获得最佳信噪
图 ５ 主放 大 电 路 原 理
石
油
仪
器
２１ 年 ０ ０１ ４月
Ｐ Ｔ ０ Ｅ Ｍ ＩＳＲ Ｍ Ｎ Ｓ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ｎ Ｔ Ｕ Ｅ Ｔ
比。第三级 放大 电路作为 主放大电路 的输 出级 ， 其输 在 入端并 联 电阻 ３ｃ 与 Ｒ 组成 匹配 滤波 网路 ， 输 出 ，２ ３ 与
（） ｔ ｒ １Ｈ ｂ ａ ， ０ ｚ信号放大波形 图
图 ６ 放 大 输 出 波形
３ ４ 多道 分析 电路 ．
脉冲幅度分析处理后送单 片机计数 ， 计数 的大小体现
了不 同能 量 的 Ｘ射线 的强 度 。然后送 入微机 进行 统计
多道分 析器 是 核谱 测 量 中的关 键 部 件 ， 的作 用 它