第28卷第2期2008年3月
核电子学与探测技术
NuclearElectronics&DetectionTechnology
VoL28No.2
2008
March
硅PIN光电二极管探测系统的研究
张
燕,曾光宇,洪志刚
(中北大学,信息工程系,山西太原030051)
摘要:本文主要研究了基于PIN光电二极管与Csl(T1)晶体的7射线辐射探测器,给出了电流放大型和电压放大型的原理图以及剃板图,并对其性能做了简单分析。
关键词:PIN光电二极管CsI(11)晶体7射线
电荷灵敏前置放大器
中图分类号:TU文献标识码:A文章编号:0258-0934(2008)02-0391-03
随着原子核科学的发展,越来越需要对核辐射和原子核所携带的信息进行测量和分析研
(T1)晶体将7射线激发产生的荧光传递给光电二极管(s3590型),从而完成高能量的7光子转变为可为光电二极管接受的低能量的荧光(可见光),完成光电能的转换,向后级电路输出
究。通常,人们采用各种核辐射探测器来接收和传递信息,并把它转换成电信号,进而用计算
机来处理和研究这些信号。虽然近年来,核辐
相应的电子信号;虚线框(2)为核电子学测量系
统,一般的电子学测量系统包括模拟信号获取或处理,模数变换以及数据量的获取和处理等三部分,由于本课题研究的重点为前置放大器,因此我们对此做了相应的简化,前置放大器主要将光电二极管的电压(或电流)信号加以放大,以满足信号传输的需要,以计算机为核心的处理系统是信号的主处理系统,对预放大后的信号进行分析和处理。
射探测器的发展种类较多,但就小型化的个人
剂量仪器来说,目前国内的研究和开发相对滞
后,在核电站、核矿山等辐射环境下采用的个人
剂量仪器许多是于国外进口。
本文主要对采用CsI闪烁晶体和PIN硅光电二极管耦合作为7射线的接收探头的技术进行研究,并论证该技术的可行性,为日后的小型化核辐射探测系统的研究做准备。
1
PIN光电二极管探测器的结构
射瞧
1.1探测系统
核信息测量系统通常由核辐射探测器和核
电子学测量系统两部分组成。我们拟采用的测量系统如图l所示,其虚线框(1)为闪烁体和光电二极管耦合组成的核辐射探测器,用于接收{i7Cs放射源发出的7射线,闪烁体采用CsI
图1核信息测量系统
以计算机为核心的信号处理系统内部一般
应具有几个功能模块(如图2所示)。
1.2
PIN型硅光电二极管(s3s90)
实验中主要以滨松公司(HAMAMAT.
收穑日期:2006-06-09
作者简介:张燕,女,(1981.4一),山西运城人,中北大学信息与通信学院(信息工程系)2004级在读硕士研究生,研究专业:信号与信息处理
SU)生产的H4083型电荷灵敏放大器的性能参数作为主要参考,这种电荷放大器可以作为
391
万方数据
图2信号处理系统
¥3590型光电二极管的专用前置放大器,其输入级采用了低噪声的H汀场效应管,输入输出为反极性,放大方式为电荷放大,电荷增益
22mv/MeV,噪声为550e/邢HM,功耗
150roW,输入电压士12V。由滨松公司生产的¥3590系列PIN光电二极管是一种大光敏面光电器件,如图3所示:
图3S3590系列光电二极臂
1.3探测传感器
在测量7射线时,需要在光敏二极管前加
一CsI(T1)晶体,CsI(T1)晶体的荧光光谱和
光敏二极管的吸收光谱比较匹配,而且光产额较高。这样闪烁晶体和光探测器的组合比较有
利于实现对7射线能谱的测量。实验中使用的
CsI(T1)晶体为lo×10×10mm的正方体,PIN光敏二极管是10×10mm,CsI晶体用
Teflon膜包裹,提高光的收集效率,闪烁晶体
和光敏二极管之间用硅油耦合。
2前置放大器的设计
前置放大器又称为预放大器,它的体积较小,放置在探测器附近,前置放大器的输入与探测器相配合,甚至有时前置放大器紧靠着探测器,组装在一个结构中而成为一个探头,其输出端再经过高频电缆与主放大器相连。前置电荷
配’塑警登氅慧鬣氅。,
放大器主要作用有二个:一是与换能器阻抗匹
下面主要介绍一下电流前置放大器和电压
前置放大器。
2.1电流前置放大器
电流灵敏前置放大器是一种对输入电流响
392
万
方数据应较快的放大器,也可称快前置放大器;电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直接进行放大,电流通过电容c,;它通常是一个并联反馈电流放大器,此时输出电压和输出电流都
与输入电流成正比;这类前置放大器输入阻抗较小,但时间响应较好,常用作快速放大器。与
合适的R,并联,可以用于时间、能谱和计数的
测量,它在一些文献中也叫做电荷灵敏放大器。
nlU
图4电流放大型原理图
2.2电压前置放大器
图5电压放大型原理图
电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于能谱测量分析系统;电流灵敏前置放大器主要用于时间测量系统。
2.3
PCB电路印刷板
我们采用电路辅助设计工具Protel99se软
件在windows平台进行电路原理图以及PCB
板的制作,下分别是电流型、电压型的PCB板图。
……图6电流型PCB板
…
图7电压型PCB板…
一
3性能分析
3.1系统测试
X100aV
意抑制噪声和干扰。例如,可通过屏蔽、隔离、接地、滤波、稳压等。
4结束语
具体的测试过程还有待于进一步调试和改
进,利用更低噪声场效应管输入运算放大器和
其他性能优良并在应用前通过一定测试手段进
一步精选的器件对电路工艺加以改进,以获取
。,,、
更高信噪比和更好响应特性的前置放大器将是
行之有效的。
图8系统测试波形图
参考文献:
[1]王芝英.核电子技术原理Em].北京:原子能出版
在进行调试时,需要不断改变反馈电阻R,
社,1989.
[2]复旦大学、清华大学、北京大学合编.原子核物理
的阻值大小来观察其信号脉冲的波形情况。由图8可见,波形存在大量的毛刺,这表明噪声的影响很大,波形的信号不能够满足测量7射线能谱的要求,需进一步采取降低噪声的措施。
3.2系统噪声分析
在核电子学中,主要的噪声有三类:散粒噪声(如探测器漏电流的噪声,场效应管栅极漏电流的噪声),热噪声(如场效应管的沟道热噪声,电阻原件的热噪声)和低频噪声(如场效应管闪烁噪声),特别是前二类,对幅度分析和时间测量影响较大。由于核辐射的特殊性,得到的核
实验方法[M].北京:原子能出版社.
[3]张志勇,刘正山,等.硅光电二极管与电荷灵敏前
置放大器在中微子实验中的设计应用研究[J].核电子学与探测技术,2002.22(3),136-138.
[4]孟烈,等.采用硅光电二极管的闪烁计数器的设计
与实践[C].第7届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集,1994.
[5]任雪光,宁传刚,等.硅PIN光敏二极管探测x、射
线的性能及应用口].核电子学与探测技术,2003.
23(1)。30-32.
[6]Gra|璐chE,e协LSiliconPIN
highresolutionnuclearIn2st
photo
detectorsin
辐射信号非常弱,极易受到噪声和干扰而无法
准确获取其脉冲信号,因此在实际测量时应注
spectroscopy[J].Nucl
311l529.
nmMethods,1992,A
ResearchofthesiliconPINdiodedetectingsystem
ZHANGYah,ZENGGuang-yu,HDNGZKi-gang
(NorthUniversityofChina,Taiyuan030051)
Abstract:ThepapermainlyresearchT-raysnucleardetectorbasedthenpresentschematicdiagramandboardanalyzeitsperformance.
on
thePINdiodeandCsI(T1)crystal,
diagram
of
eta-rent
amplifierandvoltage
amplifier.Inthe
end,
Keywords:PINdiode,CsI(T1)crystal,7-rays,charge-sensitivepreamplifer
393
万方数据
硅PIN光电二极管探测系统的研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张燕, 曾光宇, 洪志刚, ZHANG Yan, ZENG Guang-yu, HONG Zhi-gang中北大学,信息工程系,山西太原,030051核电子学与探测技术
NUCLEAR ELECTRONICS & DETECTION TECHNOLOGY2008,28(2)3次
参考文献(6条)
1. 王芝英 核电子技术原理 1989
2. 复旦大学;清华大学;北京大学 原子核物理实验方法
3. 张志勇;刘正山 硅光电二极管与电荷灵敏前置放大器在中微子实验中的设计应用研究[期刊论文]-核电子学与探测技术 2002(03)
4. 孟烈 采用硅光电二极管的闪烁计数器的设计与实践 1994
5. 任雪光;宁传刚 硅PIN光敏二极管探测X、射线的性能及应用[期刊论文]-核电子学与探测技术 2003(01)6. Gramsch E Silicon PIN photo detectors in high resolution nuclear spectroscopy 1992
本文读者也读过(4条)
1. 贾牧霖. 葛良全. 曾国强. 肖明. 张帮. JIA Mu-lin. GE Liang-quan. ZENG Guo-qiang. XIAO Ming. ZHANG Bang 一款基于硅光电二极管的数字γ辐射仪设计[期刊论文]-核电子学与探测技术2008,28(6)
2. 张志勇. 刘正山. 程昶. 李金. 刘延. 石峰. 王子敬 硅光电二极管与电荷灵敏前置放大器在中微子实验中的设计应用研究[期刊论文]-核电子学与探测技术2002,22(2)
3. 宁宝俊. 张太平. 张录. 田大宇 紫外和蓝光区域硅PIN光电二极管[期刊论文]-半导体学报2002,23(2)4. 张燕. 曾光宇. 洪志刚 硅PIN光电二极管探测系统的研究[期刊论文]-电脑开发与应用2007,20(2)
引证文献(3条)
1. 赵鹏芳. 张志杰. 王代华 基于光电二极管的光信号采集系统的研究[期刊论文]-传感器世界 2011(10)2. 何海鸿. 冯军帅. 李松柏. 赵亮 LED低成本太阳方位探测技术[期刊论文]-太阳能 2011(21)
3. 丁传鹏. 周泉. 陆逢阳. 王宝续. 常玉春 穿通增强型硅光电晶体管的结构及参数优化[期刊论文]-吉林大学学报(信息科学版) 2013(1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hdzxytcjs200802043.aspx
第28卷第2期2008年3月
核电子学与探测技术
NuclearElectronics&DetectionTechnology
VoL28No.2
2008
March
硅PIN光电二极管探测系统的研究
张
燕,曾光宇,洪志刚
(中北大学,信息工程系,山西太原030051)
摘要:本文主要研究了基于PIN光电二极管与Csl(T1)晶体的7射线辐射探测器,给出了电流放大型和电压放大型的原理图以及剃板图,并对其性能做了简单分析。
关键词:PIN光电二极管CsI(11)晶体7射线
电荷灵敏前置放大器
中图分类号:TU文献标识码:A文章编号:0258-0934(2008)02-0391-03
随着原子核科学的发展,越来越需要对核辐射和原子核所携带的信息进行测量和分析研
(T1)晶体将7射线激发产生的荧光传递给光电二极管(s3590型),从而完成高能量的7光子转变为可为光电二极管接受的低能量的荧光(可见光),完成光电能的转换,向后级电路输出
究。通常,人们采用各种核辐射探测器来接收和传递信息,并把它转换成电信号,进而用计算
机来处理和研究这些信号。虽然近年来,核辐
相应的电子信号;虚线框(2)为核电子学测量系
统,一般的电子学测量系统包括模拟信号获取或处理,模数变换以及数据量的获取和处理等三部分,由于本课题研究的重点为前置放大器,因此我们对此做了相应的简化,前置放大器主要将光电二极管的电压(或电流)信号加以放大,以满足信号传输的需要,以计算机为核心的处理系统是信号的主处理系统,对预放大后的信号进行分析和处理。
射探测器的发展种类较多,但就小型化的个人
剂量仪器来说,目前国内的研究和开发相对滞
后,在核电站、核矿山等辐射环境下采用的个人
剂量仪器许多是于国外进口。
本文主要对采用CsI闪烁晶体和PIN硅光电二极管耦合作为7射线的接收探头的技术进行研究,并论证该技术的可行性,为日后的小型化核辐射探测系统的研究做准备。
1
PIN光电二极管探测器的结构
射瞧
1.1探测系统
核信息测量系统通常由核辐射探测器和核
电子学测量系统两部分组成。我们拟采用的测量系统如图l所示,其虚线框(1)为闪烁体和光电二极管耦合组成的核辐射探测器,用于接收{i7Cs放射源发出的7射线,闪烁体采用CsI
图1核信息测量系统
以计算机为核心的信号处理系统内部一般
应具有几个功能模块(如图2所示)。
1.2
PIN型硅光电二极管(s3s90)
实验中主要以滨松公司(HAMAMAT.
收穑日期:2006-06-09
作者简介:张燕,女,(1981.4一),山西运城人,中北大学信息与通信学院(信息工程系)2004级在读硕士研究生,研究专业:信号与信息处理
SU)生产的H4083型电荷灵敏放大器的性能参数作为主要参考,这种电荷放大器可以作为
391
万方数据
图2信号处理系统
¥3590型光电二极管的专用前置放大器,其输入级采用了低噪声的H汀场效应管,输入输出为反极性,放大方式为电荷放大,电荷增益
22mv/MeV,噪声为550e/邢HM,功耗
150roW,输入电压士12V。由滨松公司生产的¥3590系列PIN光电二极管是一种大光敏面光电器件,如图3所示:
图3S3590系列光电二极臂
1.3探测传感器
在测量7射线时,需要在光敏二极管前加
一CsI(T1)晶体,CsI(T1)晶体的荧光光谱和
光敏二极管的吸收光谱比较匹配,而且光产额较高。这样闪烁晶体和光探测器的组合比较有
利于实现对7射线能谱的测量。实验中使用的
CsI(T1)晶体为lo×10×10mm的正方体,PIN光敏二极管是10×10mm,CsI晶体用
Teflon膜包裹,提高光的收集效率,闪烁晶体
和光敏二极管之间用硅油耦合。
2前置放大器的设计
前置放大器又称为预放大器,它的体积较小,放置在探测器附近,前置放大器的输入与探测器相配合,甚至有时前置放大器紧靠着探测器,组装在一个结构中而成为一个探头,其输出端再经过高频电缆与主放大器相连。前置电荷
配’塑警登氅慧鬣氅。,
放大器主要作用有二个:一是与换能器阻抗匹
下面主要介绍一下电流前置放大器和电压
前置放大器。
2.1电流前置放大器
电流灵敏前置放大器是一种对输入电流响
392
万
方数据应较快的放大器,也可称快前置放大器;电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直接进行放大,电流通过电容c,;它通常是一个并联反馈电流放大器,此时输出电压和输出电流都
与输入电流成正比;这类前置放大器输入阻抗较小,但时间响应较好,常用作快速放大器。与
合适的R,并联,可以用于时间、能谱和计数的
测量,它在一些文献中也叫做电荷灵敏放大器。
nlU
图4电流放大型原理图
2.2电压前置放大器
图5电压放大型原理图
电荷灵敏和电压灵敏前置放大器主要用于能谱测量分析系统;电流灵敏前置放大器主要用于时间测量系统。
2.3
PCB电路印刷板
我们采用电路辅助设计工具Protel99se软
件在windows平台进行电路原理图以及PCB
板的制作,下分别是电流型、电压型的PCB板图。
……图6电流型PCB板
…
图7电压型PCB板…
一
3性能分析
3.1系统测试
X100aV
意抑制噪声和干扰。例如,可通过屏蔽、隔离、接地、滤波、稳压等。
4结束语
具体的测试过程还有待于进一步调试和改
进,利用更低噪声场效应管输入运算放大器和
其他性能优良并在应用前通过一定测试手段进
一步精选的器件对电路工艺加以改进,以获取
。,,、
更高信噪比和更好响应特性的前置放大器将是
行之有效的。
图8系统测试波形图
参考文献:
[1]王芝英.核电子技术原理Em].北京:原子能出版
在进行调试时,需要不断改变反馈电阻R,
社,1989.
[2]复旦大学、清华大学、北京大学合编.原子核物理
的阻值大小来观察其信号脉冲的波形情况。由图8可见,波形存在大量的毛刺,这表明噪声的影响很大,波形的信号不能够满足测量7射线能谱的要求,需进一步采取降低噪声的措施。
3.2系统噪声分析
在核电子学中,主要的噪声有三类:散粒噪声(如探测器漏电流的噪声,场效应管栅极漏电流的噪声),热噪声(如场效应管的沟道热噪声,电阻原件的热噪声)和低频噪声(如场效应管闪烁噪声),特别是前二类,对幅度分析和时间测量影响较大。由于核辐射的特殊性,得到的核
实验方法[M].北京:原子能出版社.
[3]张志勇,刘正山,等.硅光电二极管与电荷灵敏前
置放大器在中微子实验中的设计应用研究[J].核电子学与探测技术,2002.22(3),136-138.
[4]孟烈,等.采用硅光电二极管的闪烁计数器的设计
与实践[C].第7届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集,1994.
[5]任雪光,宁传刚,等.硅PIN光敏二极管探测x、射
线的性能及应用口].核电子学与探测技术,2003.
23(1)。30-32.
[6]Gra|璐chE,e协LSiliconPIN
highresolutionnuclearIn2st
photo
detectorsin
辐射信号非常弱,极易受到噪声和干扰而无法
准确获取其脉冲信号,因此在实际测量时应注
spectroscopy[J].Nucl
311l529.
nmMethods,1992,A
ResearchofthesiliconPINdiodedetectingsystem
ZHANGYah,ZENGGuang-yu,HDNGZKi-gang
(NorthUniversityofChina,Taiyuan030051)
Abstract:ThepapermainlyresearchT-raysnucleardetectorbasedthenpresentschematicdiagramandboardanalyzeitsperformance.
on
thePINdiodeandCsI(T1)crystal,
diagram
of
eta-rent
amplifierandvoltage
amplifier.Inthe
end,
Keywords:PINdiode,CsI(T1)crystal,7-rays,charge-sensitivepreamplifer
393
万方数据
硅PIN光电二极管探测系统的研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张燕, 曾光宇, 洪志刚, ZHANG Yan, ZENG Guang-yu, HONG Zhi-gang中北大学,信息工程系,山西太原,030051核电子学与探测技术
NUCLEAR ELECTRONICS & DETECTION TECHNOLOGY2008,28(2)3次
参考文献(6条)
1. 王芝英 核电子技术原理 1989
2. 复旦大学;清华大学;北京大学 原子核物理实验方法
3. 张志勇;刘正山 硅光电二极管与电荷灵敏前置放大器在中微子实验中的设计应用研究[期刊论文]-核电子学与探测技术 2002(03)
4. 孟烈 采用硅光电二极管的闪烁计数器的设计与实践 1994
5. 任雪光;宁传刚 硅PIN光敏二极管探测X、射线的性能及应用[期刊论文]-核电子学与探测技术 2003(01)6. Gramsch E Silicon PIN photo detectors in high resolution nuclear spectroscopy 1992
本文读者也读过(4条)
1. 贾牧霖. 葛良全. 曾国强. 肖明. 张帮. JIA Mu-lin. GE Liang-quan. ZENG Guo-qiang. XIAO Ming. ZHANG Bang 一款基于硅光电二极管的数字γ辐射仪设计[期刊论文]-核电子学与探测技术2008,28(6)
2. 张志勇. 刘正山. 程昶. 李金. 刘延. 石峰. 王子敬 硅光电二极管与电荷灵敏前置放大器在中微子实验中的设计应用研究[期刊论文]-核电子学与探测技术2002,22(2)
3. 宁宝俊. 张太平. 张录. 田大宇 紫外和蓝光区域硅PIN光电二极管[期刊论文]-半导体学报2002,23(2)4. 张燕. 曾光宇. 洪志刚 硅PIN光电二极管探测系统的研究[期刊论文]-电脑开发与应用2007,20(2)
引证文献(3条)
1. 赵鹏芳. 张志杰. 王代华 基于光电二极管的光信号采集系统的研究[期刊论文]-传感器世界 2011(10)2. 何海鸿. 冯军帅. 李松柏. 赵亮 LED低成本太阳方位探测技术[期刊论文]-太阳能 2011(21)
3. 丁传鹏. 周泉. 陆逢阳. 王宝续. 常玉春 穿通增强型硅光电晶体管的结构及参数优化[期刊论文]-吉林大学学报(信息科学版) 2013(1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hdzxytcjs200802043.aspx