测控专业核辐射仪器实验.docx

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测控专业核辐射仪器实验

一、实验要求：

1、每次实验前必须先预习，并上交预习报告；

2、实验过程当中必须按照老师要求的步骤来做；

3、实验完成后必须上交实验报告，要求在第十七周周五前把报告交给带课实验老师。

二、实验安排

分组：

所有学生分为5组（分别为1、2、3、4、5，每组不超过15人）

实验：

实验有三个（分别为A、B、C）

时间：

第十四、十五、十六周，具体见下表

地点：

信工楼105核电子实验室

时间

实验

组号

地点

备注

5月23日

19：

00-21：

信工楼105

5月24日

19：

00-21：

信工楼105

5月25日

19：

00-21：

信工楼105

5月26日

19：

00-21：

信工楼105

5月27日

19：

00-21：

信工楼105

5月30日

19：

00-21：

信工楼105

5月31日

19：

00-21：

信工楼105

6月1日

19：

00-21：

信工楼105

6月2日

19：

00-21：

信工楼105

6月3日

19：

00-21：

信工楼105

6月6日

19：

00-21：

信工楼105

6月7日

19：

00-21：

信工楼105

6月8日

19：

00-21：

信工楼105

6月9日

19：

00-21：

信工楼105

6月10日

19：

00-21：

信工楼105

实验A闪烁探测器

一、实验目的

1.掌握闪烁探测器的结构、组成及工作原理；

2.了解闪烁探测器的输出脉冲波形；

3.了解高压变化及入射射线能量的变化对闪烁探测器输出波形的影响；

4.了解闪烁探测器的工作坪曲线。

二、实验内容

1.按照电路图3连接好仪器（开始先放大器可不接）；

2.按要求组装闪烁探测器，并测量闪烁探测器输出波形的幅度和宽度，将测量结果记下；

3.变换测量条件（改变输入高压），观察输出波形变化情况；

4.接入放大器插件，观察输出脉冲波形变化情况。

三、实验原理

闪烁探测器（图1）是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。

一般由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。

在闪烁体周围包以反射物质（有一面透光），这样能使光子集中向光电倍增管方向射去。

光电倍增管是一个真空器件。

它由光阴极、若干个打拿极和一个阳极组成。

光阴极前有一个玻璃或者石英制成的窗，整个器件外壳为玻璃，各电极由针脚引出。

通过高压电源和分压电阻，使阳极的各打拿级间建立从高到低的电位分布。

闪烁光子入射到光阴极上时，由于光电效应会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上，产生3-6个二次电子，这些二次电子在以后各打拿极上又发生同样的倍增过程，直到最后在阳极上可直接收到104-109个电子。

所以人们把这种器件称为光电倍增管。

大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。

通常闪烁体透光一面由玻璃封装，如果它与光电倍增管窗之间存在空气层就会使闪烁光子反射回闪烁体，因此，在其间充以折射系数和玻璃差不多的硅油，就能使光子损失大大减少。

实用上常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器都安装在一个暗盒中，统称探头。

探头中有时在光电倍增管周围包以磁屏蔽作用的铍莫合金，防止环境中磁场透入管子中去。

电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异，常用的有高（低）压电源、线性放大器、单道或多道脉冲幅度分析器，有时也可包括门电路、定时电路、符合电路、定标器、计数率仪以及其它辅助电子学单元（例如示波器、脉冲发生器），还有国产NIM系统标准插件，可方便而灵活搭配。

1、闪烁探测器的工作过程：

（1）辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光；

（2）荧光光子被收集到光电倍增管（PMT）的光阴极，通过光电效应打出光电子；

（3）光电子在光电倍增管里运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号

图1闪烁探测器结构示意图

2、闪烁体

闪烁体按其化学性质可分为两大类：

一类是无机晶体闪烁体。

通常是含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体，常用的有NaI（Tl）单晶体、CsI（Tl）单晶体、ZnS（Ag）多晶体等。

另一类是有机闪烁体。

它们都是环碳氢化合物，例如蒽、萘、对联三苯、甲苯等。

本次实验用的NaI（Tl）晶体密度较大，而且高原子序数的碘（Z=53）占重量的85%，所以对γ射线探测效率特别高，同时相对发光效率大。

NaI（Tl）晶体的缺点是容易潮解，所以一般都密封在金属盒中。

国产NaI（Tl）晶体种类很多。

有大尺寸的测γ射线的晶体，也有几毫米厚的薄晶体，主要用于测量低能γ射线和X射线。

3、光的收集与光导

光学收集系统包括反射层、耦合层、光导等。

它可使闪烁体的光能够均匀、有效地收集在光电倍增管的光阴极上。

（1）反射层的作用是把闪烁体中向四周发射的光有效地收集到光阴极上。

一般用作反射层的材料有：

氧化镁、二氧化钛、铝箔、镀铝塑料薄膜等。

（2）由于闪烁体与光阴极接触的界面中存在着空气，为了尽量减少光线在交界面上发生全反射，以利于将光子大部分收集到光阴极上去，需要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”，其作用是有效地把光传给光电倍增管的光阴极，减少光在闪烁体与光阴极窗界面的全反射。

光学耦合剂的材料有硅油、硅脂、甘油等。

（3）光导的作用是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极。

4、电子倍增器件

（1）基本原理和构造

图2为光电倍增管的工作原理图。

从闪烁体出来的光子通过光导向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光电子。

光电子经电子学输入系统加速、聚焦后射向第一“打拿极”。

每个光电子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向第二打拿极，再经倍增射向第三打拿极，直到最后一个打拿极。

所以，最后射向阳极的电子数是很多的。

阳极把所有电子收集起来，转变成电信号输出。

图2光电倍增管工作原理图

（2）分压器

光电倍增管中各电极的电位由外加电阻分压器抽头供给。

一般，维持阴极和第一打拿极之间适当高的电场很重要，它有利于提高信噪比。

中间的打拿极采用均匀分压器，其电压绝对值大小可根据需要的放大倍数来调节。

由于在最末几级打拿极中的电流已相当大，一般使用非均匀分压器使最末二、三级打拿极之间有较高的电压，以避免空间电荷效应。

同时，为了避免在最后几个打拿极上，因脉冲电流过大使极间电压下降，一般在分压电阻上并联旁路电容。

（3）主要指标

光电倍增管是将光信号转变为电信号，并将电信号加以放大的器件。

它的主要指标包括：

光电转换特性、电子倍增特性、噪声或暗电流、时间特性等。

（4）光电倍增管的暗电流与本底脉冲（暗噪声）

当光电倍增管无光照射时，所产生的阳极电流称为“暗电流”。

阳极暗电流是在一定电压下或在达到一定的阳极光照灵敏度所需的总电压下测定。

通常在10-6-10-10A数量级。

引起暗电流的主要原因有：

热发射、欧姆漏电、残余气体电离、场致发射、切伦科夫光子、玻璃管壳放电和玻璃荧光、光阴极曝光等。

四、实验设备与电路原理图

1、实验设备

1.数字型脉冲示波器1台；

2.0-1500V高压电源插件；

3.万用表一只；

4.NaI晶体探头一只；

5.γ射线源（137Cs或60Co）；

6.放大器插件一个；

7.NIM机箱一台。

2、电路原理图（图3）

图3闪烁体探测器器件连接图

五、实验步聚

1.将完好的元件按电路图3将仪器连接起来；

2.电路连接好后，接通高压电源，逐渐调至600V，然后分别在探头前放上137Cs源或60Co源，用示波器观测闪烁器的输出波形，并记下波形的幅度和宽度；

3.改变137Cs源或60Co源到探测器的距离，观察波形改变情况；

4.分别将高压升高和降低（每次50V）400V，测量其波形变化情况，并记下相应的波形幅度和宽度，将测试结果记录；

5.接入放大器，调节放大倍数，观察波形变化情况，并与上面的波形做对比；

6.关闭电源，拔下探头。

六、实验报告编写要求

1.绘制137Cs或60Co放射源的输出波形并注明各测量条件（能量、距离变化）；

2.记录不同高压下，测得137Cs或60Co放射源的输出脉冲幅度和宽度，说明输出脉冲幅度和射线能量以及与不同高压间的关系，并画出相关曲线；

3.画出闪烁体探测器的工作坪曲线。

七、实验思考题

1.试述正确使用闪烁探测器的措施？

2.详述闪烁探测器输出脉冲波形的影响因素有哪些？

实验B线性放大器

一、实验目的

1.了解线性放大器在核辐射测量仪器中的作用；

2.掌握线性放大器的基本构成及工作过程、调试方法；

3.认识线性放大器各主要工作点的输出波形及变化。

图1极-零相消电路

二、实验内容

观察线性放大器各个节点波形的变化，熟悉不同微分时间、积分时间和放大倍数的调节（包括粗调和细调）、了解极-零相消和基线恢复电路的结构和作用及输入与输出波形的关系。

三、实验原理

线性放大器主要由极-零相消电路，极性转换电路，可调放大节，积分电路，基线恢复电路组成。

线性脉冲放大器的主要任务是对探测器的输出小信号进行线性放大和脉冲成形，以满足后继分析测量电路的需要。

1、极零相消电路

在几级相串联的系统中，将前级传递函数的极（零）点和后级的零（极）点相消，从而改善输出波形的方法称为极-零相消。

图2极性转换电路

如图1所示，该电路由电位器RW1来调节极-零电阻的阻值，通过调节，使得下式中的τ1等于输入信号的时间常数τi，从而消除输出信号的下冲。

2、极性转换电路

极性转换电路主要用于改变输入信号的极性。

3、可调放大节

可调放大节为负反馈放大节，通过调节电位器RW2的阻值来调节放大节的放大倍数。

对于负反馈放大节的放大倍数计算可用下面的公式计算。

图3可调放大节电路

并联反馈：

串联反馈：

4、积分电路

积分电路为多级积分成形，其作用是将信号成形为准高斯波形。

实验电路板上有3级积分电路。

图4所示为2级有源积分滤波电路，其后再接一级无源积分滤波电路。

经过3次积分后可输出准高斯波形脉冲信号。

5、基线恢复电路

图5所示为一无源CDD基线恢复电路。

当输入脉冲计数率很高的时候，由于耦合电容的充放电使得输出信号的基线产生偏移。

为了使输出信号的基线恢复到原来的位置，引入了基线恢复电路，通过它可使输出信号的基线恢复到原来的位置上。

图4有源积分滤波电路

图5基线恢复电路

四、实验设备

线性放大器实验板、直流稳压电源、信号发生器、数字示波器、工具箱。

五、实验步骤

1.按照实验原理图（图6）对照实验电路板，熟悉调节的元器件和观察点位置；

2.将电路板接上直流稳压电源，在输入端接上信号发生器；

3.接通电源，按实验内容要求操作，用信号发生器在输入端输入一个小方波信号（100mV），选择合适的频率，用数字示波器对各工作点进行输入观察；

4.调节电位器RW1使得输出波形没有下冲；

5.把双向开关K3打置不同的方向，看P3点输出有什么变化，并记录波形，P4前的电阻选择不同的大小观察输出波形的变化，改变各可变电容C1、C2、C3、C4观察其对P2、P3、P4等主要输出点的输出波形的影响。

六、实验报告编写要求

1.画出各观测点的波形图，并写出其脉冲幅度与宽度；

2.计算出线性放大器的放大倍数。

七、实验思考题

1.说明各输出端测得的波形变化原因？

图6线性放大器电路图

实验CA/D转换电路

一、实验目的

1.了解MCA实验板的电路结构和工作原理；

2.掌握A/D转换的过程及原理，学会计算转换结果；

3.熟悉LED管的解法和保护电路的设计。

二、实验原理

幅度分析是指测量信号幅度的分布，即按信号幅度大小进行分类计数。

用于幅度分析的模数变换器是核电子学的重要内容。

A/D转换就是将脉冲幅度变换成数字量，即按脉冲幅度大小进行分类编码，然后分别记入存贮器相应的各个地址单元中，其工作原理如图1。

图1幅度-数字变换示意图

实验用MCA电路板的A/D转换器为逐次比较型模数变换器，与线性放电型模数变换器比较，它有变换速度快，易于做成集成电路芯片、功耗低和价格便宜等优点。

用逐次比较方法进行模数变换域叠加单道分析器方法类似。

在叠加单道分析器组成的多道分析器中，输入信号Vi同时送到各个单道分析器中，Vi与各个单道分析器的阈电平进行比较，当幅度Vi处在某个单道阈电平范围内时就直接变换成相应的数字量。

这种方法在比较过程中，只要进行一次比较久可以得到全部结果，又称为并行变换方法。

显然，并行变换方法是速度最快的变换方法。

但是在高道数时难于实现。

如果用12个二进制标准电平组成4096个标准电平，每一次比较为一个标准电平，逐次进行比较，可构成4096道逐次比较型模数变换器。

这种方法称为逐次比较法或串行变换方法。

逐次比较型模数变换器利用二进制的标准电平与输入信号做比较。

第一次比较时，取标准电平为满量程的一半；若标准电平小于信号幅度，则标准电平保存下来，进行第二次比较。

第二次比较的标准电平为上次标准加满量程的四分之一标准电平，若小于信号幅度，第二次标准电平通用保存下来（若标准电平大于信号幅度则不保存），进行第三次比较，依此类推，直到所有标准电平取出来比较完全才结束。

图2给出了12位逐次比较型模数变换器的原理框图。

图212位逐次比较型模数变换器原理框图

1、A/D模数变换器

实验用A/D模数变换器有2种，分别是AD1674和AD574，它们的内部结构相差不大。

AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片。

该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。

与原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。

（1）AD1674/AD574的基本特点和参数

∙带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器；

∙采样频率为100kHz；

∙转换时间为10μs；

∙具有±1/2LSB的积分非线性（INL）以及12位无漏码的差分非线性（DNL）；

∙满量程校准误差为0.125%；

∙内有+10V基准电源，也可使用外部基准源；

∙四种单极或双极电压输入范围分别为±5V，±10V，0V~10V和0V~20V；

∙数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口；

∙内部带有防静电保护装置（ESD），放电耐压值可达4000V；

∙采用双电源供电：

模拟部分为±12V/±15V,数字部分为+5V；

∙采用28脚密封陶瓷DIP或SOIC封装形式。

∙功耗低，仅为385mW。

（2）内部结构及引脚说明

图3所示为AD1674的内部结构框图，图4所示为其引脚排列。

AD1674的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口四种类型。

图3AD1674的内部结构框图

图4AD1674引脚排列

①逻辑控制端口

12/8：

数据输出位选择输入端。

当该端输入为低时，数据输出为双8位字节；当该端输入为高时，数据输出为单12位字节。

CS：

片选信号输入端，低电平有效。

R/C：

读/转换状态输入端。

在完全控制模式下，输入为高时为读状态；输入为低时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。

CE：

操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。

A0：

位寻址/短周期转换选择输入端。

在转换开始时，若A0为低，则进行12位数据转换；若A0为高，则进行周期更短的8位数据转换；当R/C=1且12/8=0时，若A0为低，则在高8位（DB4～DB11）作数据输出；若A0为高，则在DB0～DB3和DB8～DB11作数据输出，而DB4～DB7置零。

STS：

转换状态输出端。

输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。

②并行数据输出端口

DB11～DB0：

数字量输出。

在12位输出格式下，DB11-DB8输出数据的高4位；在8位输出格式下，A0为低时也可输出数据的高4位。

③模拟信号输入端口

10VIN：

10V范围输入端，包括0V～10V单极输入或±5V双极输入；

20VIN：

20V范围输入端，包括0V～20V单极输入或±10V双极输入；

应当注意的是：

如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。

④供电电源端口

REFIN：

基准电压输入端，在10V基准电源上接50Ω电阻后连于此端。

REFOUT：

+10V基准电压输出端。

BIPOFF：

双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过50Ω电阻与REFOUT端相连；在单极输入时接模拟地。

VCC：

+12V/+15V模拟供电输入。

VEE：

-12V/-15V模拟供电输入。

VLOGIC：

+5V逻辑供电输入。

AGND/DGND：

模拟/数字接地端。

表1AD1674控制逻辑真值表

R/C

12/8

执行操作

无操作

启动12位数据转换

启动8位数据转换

允许12位并行输出

允许高8位并行输出

允许低4位并行输出

图5HC245引脚排列

2、驱动器

虽然A/D转换器的数据输出端口都有一定的带负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。

实验MCA电路板在AD1674数据输出端口后面加上了驱动器HC245。

HC245又称总线驱动器，是典型的TTL型三态缓冲门电路。

也可以使用74HC244等其他电路，74HC244比74HC245多了锁存器。

DIR：

为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。

2~9脚：

“A”信号输入输出端，A0=B0……A7=B7，A0与B0是一组，如果DIR=“1”，OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。

如果DIR=“0”，OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。

11~18脚：

“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样。

OE：

使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。

GND：

电源地。

VCC：

电源正极。

三、实验内容及步骤

实验MCA板主要由AD1674（574）和几个驱动电路及LED显示组成，AD1674对串口信号进行转换。

由于AD转换采用的是12位模拟数字的转换器AD1674，在理论上可以实现4096道多道能谱仪，但是为了提高它的精度将四道合并成一道，实际上实现的是1024道的多道能谱仪。

其中有两根输出线空着，转换输出经驱动点亮LED，亮的代表高电平1，暗的代表低电平0，十位的高低电平组成的二进制数就是对应的转换值。

其计算公式为：

1.按照电路原理图对照实验电路板，熟悉实验板的元器件和观察点的位置；

2.将直流稳压电源及串行口线接上，先检查A/D转换工作是否正常；

3.将双掷开关K1打到DC时利用内部单稳态触发，手动按钮PB可以复位，调节RW1，用万用表查看P2点的电压，查看LED的变化情况，并做记录；

4.将K1打到AC，对于AD574模数变换器，调信号发生器使得输出f为2~5k，幅度分别为5120mV、2560mV、1280mV、200mV的矩形脉冲，将信号发生器接入输入端。

对于AD1674模数变换器，用串口线跟峰值保持器相连接，调信号发生器使得输出f为2~5k，幅度分别为5120mV、2560mV、1280mV、200mV的三角脉冲，将信号发生器接入峰值保持器的输入端；

5.观察LED的显示，并做记录，对比它与理论的输入电压值的差别；

四、实验设备

直流稳压电源、MCA实验电路板、信号发生器、峰值保持器、万用表、工具箱、示波器。

五、电路板原理图（图6）

六、实验思考题

实验板上输入的六线的串口信号，其中OK、CON、DT，假如后面接的不是LED，而是将输出值送入PC机中，试简述这些信号线是如何配合工作的？

图6A/D转换电路

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