Материал: Разработка блока детектирования дозиметра гамма-излучения

Разработка блока детектирования дозиметра гамма-излучения

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

Разработать блок детектирования дозиметра g-излучения 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 20I50 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.

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. Схема питания делителя ФЭУ

. Преобразователь тока анода ФЭУ в напряжение

. Преобразователь напряжения в частоту

. Одновибратор

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Параметры R7400U-01

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Перечень элементов

ВВЕДЕНИЕ

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 l = 4100Å. 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..16,5В, 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.

. 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 10В («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 =

Äëÿ ëèíåéíîé ïåðåäà÷è âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â âûõîäíóþ ÷àñòîòó çàäàäèì òîê «ïîëíîé øêàëû» 1 ìÀ, òîãäà 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 +5В через резистор R₂₁ = 5,1 кОм.

4. Îäíîâèáðàòîð

Òàê êàê íà âûõîäå AD654 ïîëó÷àåòñÿ ìåàíäð, à íóæíà äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà ~ 1,5 ìêñ, òî äëÿ ïîëó÷åíèÿ íóæíîãî ðåçóëüòàòà èñïîëüçóåì îäíîâèáðàòîð. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà îäíîâèáðàòîðà íà ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòàõ 2È-ÍÅ ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 5.

Ðåçèñòîð R₂₂ è Ñ₆ åìêîñòü ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé äèôôåðåíöèðóþùóþ öåïü, êîòîðàÿ ñëóæèò äëÿ óêîðà÷èâàíèÿ âõîäíîãî èìïóëüñà. Èç ðÿäà íîìèíàëîâ âûáåðåì Ñ₆ =1000 ïÔ è R₂₂ = 100 Îì (t = Ñ₆ R₂₂ = 0,1 ìêñ).

Îäíîâèáðàòîð ïîñòðîåí íà òðåõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòàõ 2È-ÍÅ (ìèêðîñõåìà ÊÐ555ËÀ3). Äâà ýëåìåíòà 2È-ÍÅ ÿâëÿþòñÿ îäíîâèáðàòîðîì, à ïîñëåäíèé, òðåòèé, èñïîëüçóåòñÿ êàê áóôåð äëÿ ïåðåäà÷è ñèãíàëà íà ëèíèþ ñâÿçè ñ âîëíîâûì ñîïðîòèâëåíèåì 50 Îì (ñîãëàñóþùèé ðåçèñòîð R₂₄ = 49,9 Îì) /5/.

Ðèñ. 5 - ïðèíöèïèàëüíàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà îäíîâèáðàòîðà íà ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòàõ 2È-ÍÅ

Ïî òåõíè÷åñêîìó çàäàíèþ äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà îäíîâèáðàòîðà äîëæíà áûòü » 1,5 ìêñ. Èñïîëüçóÿ ôîðìóëó t = R C ln2, ïîëó÷àåì: Ñ₇ = 1000 ïÔ è R₂₃ = 2,15 êÎì.

ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ

 äàííîì äèïëîìíîì ïðîåêòå áûë ðàçðàáîòàí áëîê äåòåêòèðîâàíèÿ äîçèìåòðà ãàììà-èçëó÷åíèÿ. Áûë âûáðàí õîðîøèé ìàëîãàáàðèòíûé ÿïîíñêèé ÔÝÓ è ñîîòâåòñòâóþùèé ñöèíòèëëÿòîð NaJ (Tl). ÔÝÓ ðàáîòàåò â òîêîâîì ðåæèìå. Äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ òîêà â ÷àñòîòó ïîòðåáîâàëîñü: íà ÎÓ DA1 (ìèêðîñõåìà LMC6001) ïðåîáðàçîâàòü òîê â íàïðÿæåíèå è çàòåì íàïðÿæåíèå ïðåîáðàçîâàòü â ÷àñòîòó, èñïîëüçóÿ ìèêðîñõåìó AD654 (íà âûõîäå ìåàíäð). Äëÿ íîðìàëèçàöèè âûõîäíîãî ñèãíàëà áûë èñïîëüçîâàí îäíîâèáðàòîð ñ óêîðà÷èâàþùåé âõîäíîé öåïüþ.

Âûïîëíåííûé äèïëîìíûé ïðîåêò ñîîòâåòñòâóåò çàäàíèþ íà ïðîåêòèðîâàíèå.

ÁÈÁËÈÎÃÐÀÔÈ×ÅÑÊÈÉ ÑÏÈÑÎÊ

1. Öèòîâè÷ À.Ï. ßäåðíàÿ ýëåêòðîíèêà: Ó÷åá. Ïîñîáèå äëÿ âóçîâ. - Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1984. - 408 ñ. èë.

2.      Åãîðîâ Þ.À. Ñöèíòèëëÿöèîííûé ìåòîä ñïåêòðîìåòðèè ãàìà-èçëó÷åíèÿ è áûñòðûõ íåéòðîíîâ. Ì.: Ãîñàòîìèçäàò, 1963ã. - 306 ñ.

3.      www.hamamatsu.com

.        www.tracopower.com

.        Øìèäò Õ. Èçìåðèòåëüíàÿ ýëåêòðîíèêà â ÿäåðíîé ôèçèêå: Ïåð. ñ íåì. - Ì.: Ìèð, 1989.- 190ñ., èë.

ÏÐÈËÎÆÅÍÈÅ À

Òàáëèöà À1

Ôîòîýëåêòðîííûé óìíîæèòåëü R7400U-01

ÏÐÈËÎÆÅÍÈÅ Á

Ïåðå÷åíü ýëåìåíòîâ

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru