Учебная работа. Разработка блока детектирования дозиметра гамма-излучения

Учебная работа. Разработка блока детектирования дозиметра гамма-излучения

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

Создать блок детектирования дозиметра -излучения со последующими параметрами:

· сцинтиллятор NaJ(Tl) — размеры кристалла и тип ФЭУ избрать без помощи других;

· схема включения ФЭУ с делителем;

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

· напряжение питания ФЭУ обязано регулироваться в границах 10% от номинального значения;

· ток анода ФЭУ конвертировать в последовательность обычных импульсов пропорциональной току частоты;

· питание блока детектирования и счетные импульсы регистрации излучения подавать по общей соосной полосы связи с базисным блоком (волновое сопротивление 50 Ом);

· спектр конфигурации напряжения питания 9 … 14 В;

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

СОДЕРЖАНИЕ

• 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. Характеристики R7400U-01
• ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Список частей

ВВЕДЕНИЕ

Принцип деяния разных типов сенсоров излучений основан на физических явлениях, возникающих при содействии ионизирующих излучений (ИИ) с веществом /1/. На регистрации фотонов, испускаемых возбужденными атомами и молекулами, основаны сцинтилляционные сенсоры. Фотоны, возникающие в сцинтилляторах, имеют, как правило, сравнимо слабенькую интенсивность. Потому для их регистрации используют чувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Свойство сцинтилляторов и пригодность их для тех либо других целей характеризуются последующими величинами: световыходом и зависимостью его от энергии частиц, временем высвечивания и диапазоном свечения. При выбирании сцинтиллятора главный чертой является величина световыхода и зависимость световыхода от энергии частиц. Познание диапазона свечения сцинтиллятора нужно для правильного выбора ФЭУ.

Диапазон излучения кристаллов NaJ (T1) имеет среднюю длину волны = 4100Е. Диапазон поглощения NaJ (T1) лежит в ультрафиолетовой области, практически не перекрывается со диапазоном свечения, так что кристаллы йодистого натрия владеют высочайшей прозрачностью к собственному излучению /2/.

При работе с кристаллами NaJ (T1) следует соблюдать ряд предосторожностей. Кристаллы йодистого натрия гигроскопичны и стремительно мутнеют при действии воды даже на воздухе. Потому в целях защиты от воды кристаллы нужно помещать в герметичные контейнеры либо покрывать пленкой вазелинового масла.

Сцинтиллятор NaI (Tl) выпускается в герметичной упаковке, которая защищает кристалл от взаимодействия с наружной средой. Потому есть обычные размеры рабочей поверхности. Из всего контраста размеров был избран кристалл с поперечником 10 мм.

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

Рис. 1 — Спектральная черта фотокатода и зависимость усиления от напряжения питания ФЭУ

Структурная схема и вид ФЭУ с делителем представлена на рис. 2.

а) б)

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

1. Схема питания делителя ФЭУ

Для питания ФЭУ выберем компактный DC/DC-converter конторы Traco Power: MHV12-1.0K2000N /4/. Данный высоковольтный блок запитывается неизменным напряжением 10,8..16,5В, имеет возможность установки высочайшего напряжения отрицательной полярности в спектре от 0 до 1000 В, наибольший выходной ток 2 мА.

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

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

2. Преобразователь тока анода ФЭУ в напряжение

Принципная электронная схема преобразователя тока анода в напряжение представлена на рис.3.

Рис. 3 — Принципная электронная схема преобразователя тока анода в напряжение

С4 = 3,3 пФ служит для выравнивания флуктуаций тока ФЭУ. Резистор R16 = 49,9 Ом и диодик 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).

Очень допустимый анодный ток составляет 13 мкА. Наибольшее выходное напряжение преобразователя не обязано превосходить 10В («полная» шкала для следующего преобразования в частоту). Из перечисленного выше следует: R17 = 10В/13мкА = 769 кОм. Из ряда номиналов выберем 768 кОм.

фотоэлектронный умножитель преобразователь излучение

3. Преобразователь напряжения в частоту

Принципная электронная схема преобразователя напряжения в частоту представлена на рис. 3.

Рис. 4 — принципная электронная схема преобразователя напряжения в частоту

В процессе проектирования при анализе характеристик интегральных схем для построения преобразователя выбрана микросхема AD654 (конторы Analog Devices). Она состоит из входного усилителя и частотного преобразователя, который в ответ на вытекающий ток от входного усилителя сформировывает выходной сигнал — меандр. Для данного типа включения, как на рис. 4 (обычное подключение для входного напряжения положительной полярности), основное соотношение смотрится последующим образом:

Fвых =

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 наиболее четкой опции подстроечный резистор R18 = 2,2 кОм. Пусть полная шкала 500 кГц, тогда С5 = 200 пФ. Из ряда номиналов выберем С5 = 220 пФ.

Таковым образом, очень допустимому анодному току 20 мкА (меньше данного 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. Одновибратор

Потому что на выходе AD654 выходит меандр, а нужна продолжительность импульса ~ 1,5 мкс, то для получения подходящего результата используем одновибратор. Принципная электронная 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 3-х логических элементах 2И-НЕ (микросхема КР555ЛА3). Два элемента 2И-НЕ являются одновибратором, а крайний, 3-ий, употребляется как буфер для передачи сигнала на линию связи с волновым сопротивлением 50 Ом (согласующий резистор R24 = 49,9 Ом) /5/.

Рис. 5 — принципная электронная схема одновибратора на логических элементах 2И-НЕ

По техническому заданию продолжительность импульса одновибратора обязана 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 избран неплохой компактный японский ФЭУ и соответственный сцинтиллятор NaJ (Tl). ФЭУ работает в токовом режиме. Для преобразования тока в частоту потребовалось: на ОУ DA1 (микросхема LMC6001) конвертировать ток в напряжение и потом напряжение конвертировать в частоту, используя микросхему AD654 (на выходе меандр). Для нормализации выходного сигнала был применен 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 способ спектрометрии гама-излучения и стремительных нейтронов. М.: Госатомиздат, 1963г. — 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

Параметр

Черта

Рабочий поперечник фотокатода

9,4 мм

Материал фотокатода

Мультищелочной

Область спектральной чувствительности

300 850 нм

Максимум спектральной чувствительности

400 нм

Световая чувствительность фотокатода

150 мкА/лм

Рабочее напряжение питания

250 1000 В

Темновой ток

не наиболее 4 нА

Рабочий спектр температур

30 .. + 50 оС

Наибольший ток анода

13 мкА

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Список частей

Обозначение

Наименование

количество

Примечание

Конденсаторы

С1…С3

0,01 мкФ

3

В делителе Е5770

С4

CL 0805 CG 3,3 пФ 10 % 25 В

1

С5

CL 0805 CG 220 пФ 10 % 25 В

1

С6…С8

CL 0805 CG 1000 пФ 10 % 25 В

3

С9…С11

KG 10000 мкФ 20 % 50 В

3

Микросхемы

DA1

LMC6001

1

DA2

AD654

1

DA3

TEN 3-1212

1

DA4

PHV 12-2.0 K 2500 N

1

DA5

TEN 3-1211

1

DD1

КР555ЛА3

1

Резисторы

R1..R8

330 кОм

8

В делителе Е5770

R9

160 кОм

1

R10, R11

C2-29В-0,125-100 кОм 0,1%

2

R16, R24

C2-29В-0,125-49,9 Ом 0,1%

2

R17

C2-29В-0,125-768 кОм 0,1%

1

R18, R26

СП5-2ВБ — 0,5 — 2,2 кОм

2

Подстроечный

R19

C2-29В-0,125-9,1 кОм 0,1%

1

R20, R22

C2-29В-0,125-100 Ом 0,1%

2

R21

C2-29В-0,125-5,1 кОм 0,1%

1

R23

C2-29В-0,125-2,15 кОм 0,1%

1

R25

C2-29В-0,125-2,4 кОм 0,1%

2

Диоды

VD1

1N4002

1

VD2…VD6

КД514

5

Электровакуумный устройство

VL1

R7400U-01

1

Подпись

Дата

Разработал

Евдокимов

Лит.

Лист

Листов

Проверил

Ведьманов

1

1

Н. контроль

Новиков

Утвердил

]]>