張偉 呂懷振

摘 要：文章介紹了一種在工業(yè)在線分析儀中BGO探測器的應(yīng)用，并給出了相關(guān)應(yīng)用條件以及部分周圍電路的設(shè)計原理。工業(yè)在線分析儀在生產(chǎn)工藝控制、檢測等各方面具有重要意義，實時分析主要產(chǎn)品參數(shù)和工業(yè)指標(biāo)，具有分析時間短，分析精度高等特點。因此，設(shè)計一款滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求的BGO探測器是非常有必要的。探測器主要包含BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大器、高壓模塊以及溫控器五部分。其中BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大器為探測器的主體設(shè)計部分，整套裝置放置于密閉的金屬筒內(nèi)，使其具有很好的抗干擾及磁場能力。高壓模塊以及溫控器為外圍電路設(shè)計，滿足探測器的應(yīng)用環(huán)境要求，保證其在最佳性能條件下工作。

關(guān)鍵詞：BGO探測器;在線分析儀;電路設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.022

1 引言

BGO晶體具有良好的光學(xué)性能，由于其優(yōu)良特點，已廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、測井等領(lǐng)域;使用它測試γ射線時，由于溫度對其影響很大，使其在不同溫度時能量分辨率是不相同的，同時其發(fā)光效率是隨溫度變化不斷變化的，導(dǎo)致相對脈沖幅度發(fā)生變化，峰位飄移，從而影響儀器測量精度，因此BGO探測器須在穩(wěn)定合適溫度下工作;另外，探測器的高壓電源也是影響其性能的重要因素，高壓電源輸出的穩(wěn)定性直接影響其脈沖輸出幅度，而脈沖幅度不穩(wěn)定會影響儀器能量分辨率，因此高壓電源穩(wěn)定性是非常重要的。

2 BGO探測器設(shè)計組成

BGO探測器主要包含BGO晶體、光電倍增管、分壓前置放大電路、高壓電源以及溫控器5部分。在測量現(xiàn)場長期運(yùn)行過程中，分壓前置放大電路、高壓電源以及溫控器溫度控制的穩(wěn)定性是影響探測器穩(wěn)定正常工作的重要影響因素。BGO探測器組成如框圖1所示。

2.1 BGO晶體

BGO是一種純的本征晶體，分子式為Bi4Ge3O12，符號為BGO。BGO閃爍衰減時間為0.3us，最強(qiáng)發(fā)射波長480nm，與NaI（TI）相仿。BGO是不潮解的穩(wěn)定晶體，因此不需要防潮解密封外包裝。BGO晶體閃爍衰減時間短，余暉小，化學(xué)性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度好，而且阻止本領(lǐng)高，特別適合于高能γ輻射探測的場合。

2.2 光電倍增管與分壓器

2.2.1 光電倍增管

光電倍增管選用日本濱松公司生產(chǎn)的R877型光電倍增管，光譜響應(yīng)范圍300nm～650nm，峰值響應(yīng)為420nm，工作溫度范圍-30℃～50℃，工作高壓范圍0V～1500V，電流典型增益為4.2×105。

2.2.2 分壓器

為使光電倍增管工作，要在陰極（K）和陽極（P）之間加上500V～1500V左右的高電壓，同時供給光電倍增管倍增級不同的加速電極，加上各種電位的電壓是必須的。而隨著入射光通量增大，流過陽極及各倍增級的電流增大時，會引起分配給各倍增級的電壓有很大變化，導(dǎo)致各電極間電壓下降，這種現(xiàn)象在末極倍增級和陽極間最為顯著。這導(dǎo)致總的電子倍增率上升，而陽極電子收集率降低，產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，影響光電倍增管輸出線性。為了取得最大輸出線性，我們一般從三個方面進(jìn)行提升;一是提高分壓器電流，一般陽極輸出電流的實用最大值為分壓器電流的1/20～1/50，想要輸出線性必須保持在1%以內(nèi)，則最大輸出必須控制在1/100以下;二是在最后幾級倍增極接上去耦電容，補(bǔ)充光電倍增管電荷，抑制末極倍增極和陽極的電壓下降，而大大改善輸出線性;三是改變分壓器最后數(shù)級以及前幾級電壓分配比，一般在電子密度高的最后2～4級采用比標(biāo)準(zhǔn)電壓分配高的電壓，使電極間有高的電荷強(qiáng)度克服空間電荷影響，一般采用從前級到后級極間電壓逐步升高的所謂“傾斜分壓器”回路，但這種設(shè)計必須注意光電倍增管極間的耐壓問題。原理圖如圖2所示：

2.3 前置放大器

核輻射測量中，探測器輸出的信號往往比較小，需要加以放大再進(jìn)行測量，這就需要用到前置放大器。前置放大器的主要作用有兩種作用：一是提高系統(tǒng)的信噪比。在探測器與放大器連接處存在分布電容CS，而CS越小，則系統(tǒng)的信噪比越高，反之，信噪比越低。減小CS的一個主要措施就是將放大器盡量靠近探測器以減小連接導(dǎo)線造成的分布電容。前置放大器的體積小，緊靠探測器并與探測器構(gòu)成一個整體（稱探頭），這樣就減小了CS，提高了信噪比;二是減小信號經(jīng)電纜傳送時外界干擾的影響。前置放大器與探測器一起通常有良好的屏蔽，可以抑制外界干擾。前置放大器輸出信號沿電纜傳送過程中受到干擾時，由于信號已經(jīng)經(jīng)過放大，干擾信號的影響相對減小。從噪聲和干擾對有用信號的影響來說，在一般情況下，干擾的影響總可降至次要地位。

在能譜測量系統(tǒng)中，前置放大器按輸出信號所保留的信息特點，大致可分為兩類，一類是積分型放大器，包含電壓靈敏前置放大器和電荷靈敏前置放大器;另一類是電流型放大器，亦即電流靈敏前置放大器。文章主要給出電流靈敏前置放大器的設(shè)計原理，如圖3所示。

電流靈敏前置放大器與其它類型相比，其優(yōu)點是輸出信號波形與探測器輸出電流信號的波形保持一致。

2.4 溫度控制系統(tǒng)

在使用BGO探測器進(jìn)行γ能譜測量時，受溫度影響，會導(dǎo)致熒光轉(zhuǎn)化效率不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致探測器分辨率的改變。因此，探測器需要在合適固定的溫度環(huán)境下工作?？紤]到工業(yè)應(yīng)用的可操作性，我們將使用溫度范圍控制在0℃～50℃。我們在此范圍內(nèi)進(jìn)行了一次實驗，找出我們需要的最佳工作溫度。下表為通過實驗得出的相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過表1，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高，137Cs分辨率不斷變差，相同時間內(nèi)137Cs的總計數(shù)也在不斷降低，因此，對于BGO晶體來說，一定范圍內(nèi)溫度越低，其性能越好。考慮現(xiàn)場可操作性，我們選擇20℃為其工作溫度環(huán)境。該環(huán)境下，其性能指標(biāo)滿足我們的需求，并且容易在現(xiàn)場惡劣的環(huán)境中實現(xiàn)。

2.5 高壓電源控制系統(tǒng)

高壓電源的輸出穩(wěn)定性直接影響探測器信號脈沖輸出幅度，而脈沖輸出幅度的不穩(wěn)定會導(dǎo)致道址的不斷偏移，影響探測器分辨率，因此我們選用的高壓電源穩(wěn)定性很重要。另外，除了輸出穩(wěn)定性，電源紋波干擾也是非常重要的一方面。由于探測器輸出信號脈沖幅度很小，若高壓電源紋波干擾過大，會導(dǎo)致探測器信號的信噪比下降，造成能量分辨率變差，從而影響整個分析儀裝置測量精度，影響現(xiàn)場生產(chǎn)。因此我們在選擇高壓電源時，要充分考慮各方面的要求。

2.6 137Cs分辨率測試

能量分辨率表征核輻射探測器分辨相近能量γ峰的本領(lǐng)，是探測器的一項重要指標(biāo)。是我們了解探測器性能時最直觀的參數(shù)。如圖4所示，我們給出了BGO探測器137Cs的測試譜型，并計算出其分辨率。

如圖4所示，為BGO探測器137Cs的測試譜型，計算其分辨率為11.2%，完全滿足探測器設(shè)計指標(biāo)。

3 總結(jié)

BGO探測器探測技術(shù)具有快速、穩(wěn)定、精確、非接觸性測量的特點，非常適合于工業(yè)惡劣環(huán)境下的測量。論文給出了一種成熟的BGO探測器設(shè)計原理，已成功應(yīng)用于多種工業(yè)在線分析儀等儀器。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，證明其設(shè)計指標(biāo)完全滿足生產(chǎn)需要，驗證了方案的可行性。

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項目：丹東市科技計劃項目（17106）

遼寧省“百千萬人才工程”資助項目（遼百千萬立項【2015】9號）

作者簡介：張偉（1980-），男，黑龍江密山人，本科，教授研究員級高級工程師，主要從事同位素在線檢測儀表的研發(fā)工作。