一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统技术方案

本发明专利技术属于核物理试验应用领域以及信号采集与测控技术领域，具体涉及一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统。为了解决传统的基于人工观测输出波形来保护高纯锗探测器这一方式效率低响应慢的问题，通过从硬件方面设计改进了基于Pt100的温度测量电路、信号采集电路、高压控制电路，从软件方面设计了串口读写模式、高深度均值滤波算法。结果表明：此设计利用多级放大有效的抑制了本底噪声，分通道标定阈值降低引线电阻影响相对误差不超过0.5％；可调增益放大器与串口可以根据不同使用场景随时修改阈值，提升了抗干扰能力和设备的通用性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统


[0001]本专利技术属于核物理试验应用领域以及信号采集与测控
，具体涉及一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统。

技术介绍

[0002]高纯锗探测器是目前核谱学实验中测量γ射线最常用的探测设备，能量分辨率比NaI好几十倍。HPGe探测器是由一块掺杂的锗晶体(N型或P型)及电子学部件构成。
[0003]在使用中，锗晶体、前置放大器输入级的场效应管和电荷灵敏级的反馈元件必须放置在液态氮中冷却6～8小时，温度低于
‑
170℃时才能施加高压，否则巨大的漏电流会立刻损坏场效应管，所以为了保护探测器，需要时刻关注探测器中锗晶体的温度，当温度超过
‑
163℃时切断高压。
[0004]传统的方法是利用示波器监视探测器主放输出波形，如果发现几伏反向击穿脉冲或基线上有不规则脉冲跳动，则说明漏电流较大引起了局部击穿，需要立即切断高压。利用示波器观察反向击穿脉冲再通过手动关闭高压这一过程，需要实验人员实时观察并作出较快的反应，而往往这一过程时间较长从而造成场效应管损坏。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统，以解决现有技术中，发现几伏反向击穿脉冲或基线上有不规则脉冲跳动后，利用示波器观察反向击穿脉冲再通过手动关闭高压这一过程，需要实验人员实时观察并作出较快的反应，而往往这一过程时间较长从而造成场效应管损坏的问题。
[0006]为达上述目的，本专利技术提出技术方案如下：r/>[0007]一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统，包括高纯锗探测器、高压模块控制器和高压模块；高压模块连接高纯锗探测器；高纯锗探测器的腔体内设有热敏电阻Pt100，热敏电阻Pt100接入高压模块控制器的输入端口；高压模块控制器的输出端口与高压模块的高压控制接口相连。
[0008]优选的，高压模块控制器输入端口、八路模拟开关、四个与门、惠斯通电桥、微弱信号放大电路、ADC、FPGA、内存芯片、串口转USB芯片、MINI USB、光耦、可控继电器和菲尼克斯端子；
[0009]微弱信号放大电路包括仪用放大器电路和电压跟随器，仪用放大器电路连接电压跟随器；
[0010]输入端口连接高纯锗探测器中的Pt100，八路模拟开关连接输入端口，八路模拟开关连接惠斯通电桥，惠斯通电桥连接仪用放大器电路，电压跟随器连接ADC，ADC与FPGA相连，FPGA分别通过四个与门连接八路模拟开关，内存芯片连接FPGA，FPGA通过串口转USB芯片与MINI USB相连，FPGA连接光耦，光耦连接可控继电器，可控继电器的输出端连接菲尼克斯端子。
[0011]优选的，所述输入端口为单芯LEMO头。
[0012]优选的，惠斯通电桥包括电阻R1、电阻R2、调零电阻R3、电阻R4和电源；
[0013]热敏电阻Pt100通过LEMO头接到八路模拟开关上，阻值为511Ω的电阻R4一端连接八路模拟开关的通道输出接口，另一端连接节点A，等效为：阻值为511Ω的电阻R4一端连接节点A，另一端连接热敏电阻Pt100，Pt100的另一端接地；
[0014]调零电阻R3一端连接节点A，另一端连接节点B；
[0015]电源连接节点B；
[0016]电阻R1一端连接节点B，另一端连接节点C；
[0017]电阻R2一端连接节点C，另一端接地；
[0018]仪用放大器电路(25)连接节点A和C。
[0019]优选的，调零电阻R3的可调数值区间为0到1000Ω。
[0020]优选的，电阻R1、电阻R2和电阻R4的阻值为511Ω。
[0021]优选的，电源为5V。
[0022]优选的，仪用放大器电路包括初级放大电路、射极跟随器电路和二级放大电路；初级放大电路输入端连接惠斯通电桥，初级放大电路输出端连接射极跟随器电路输入端，射极跟随器输出端电路连接二级放大电路输入端，二级放大电路输出端连接电压跟随器。
[0023]优选的，高压模块为具有高压接通和断开控制接口的高压模块。
[0024]本专利技术的有益之处在于：
[0025]利用Pt100热敏电阻设计实现了对高纯锗探测器的温度实时监测与保护；
[0026]设计了可调零的惠斯通平衡电桥，确保Pt100接入前电桥输出为0；
[0027]利用可控继电器实现断电保护功能；
[0028]设计由多级电路组成的微弱信号放大器，将本底噪声尽可能的降低。
附图说明
[0029]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0030]图1为探测器结构、高压模块引连接及控制方案示意图；
[0031]图2为HPGe高压控制器整体硬件结构示意图；
[0032]图3为可调零的惠斯通电桥示意图；
[0033]图4为初级放大电路示意图；
[0034]图5为射极跟随器示意图；
[0035]图6为二级放大电路示意图；
[0036]图7为模数转换电路示意图；
[0037]图8为光耦继电器示意图；
[0038]图9为FPGA逻辑示意图；
[0039]图10为阈值设置指令格式示意图；
[0040]图11为利用FIFO实现的均值滤波算法示意图。
[0041]图中，1为高纯锗探测器；2为高压模块控制器；3为高压模块；
[0042]21为输入端口；22为八路模拟开关；23为与门；24为惠斯通电桥；25为仪用放大器
电路；26为电压跟随器；27为ADC；28为FPGA；29为内存芯片；20为串口转USB芯片；211为MINI USB；212为光耦；213为可控继电器；214为菲尼克斯端子。
具体实施方式
[0043]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本专利技术提供进一步的详细说明。除非另有指明，本专利技术所采用的所有技术术语与本专利技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本专利技术所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。
[0045]实施例1：
[0046]请参阅图1所示，本专利技术提供一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统，在核谱科学实验中常用高纯锗探测器测量γ射线，高纯锗探测器1是由一块掺杂的锗晶体(N型或P型)及电子学部件构成。在使用中，锗晶体、前置放大器输入级的场效应管和电荷灵敏级的反馈元件必须放置在液态氮中，温度低于
‑
163℃时才能施加高压，否则巨大的漏电流会立刻损坏场效应管。随着测控技术的发展旨在设计一款可以实时采集探测器内温度信息并做出判断能自动对高压的通断进行控制的保护系统。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统，其特征在于，包括高纯锗探测器(1)、高压模块控制器(2)和高压模块(3)；高压模块(3)连接高纯锗探测器(1)；高纯锗探测器(1)的腔体内设有热敏电阻Pt100，热敏电阻Pt100接入高压模块控制器(2)的输入端口；高压模块控制器(2)的输出端口与高压模块(3)的高压控制接口相连。2.如权利要求1所述的一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统，其特征在于，高压模块控制器(2)输入端口(21)、八路模拟开关(22)、四个与门(23)、惠斯通电桥(24)、微弱信号放大电路、ADC(27)、FPGA(28)、内存芯片(29)、串口转USB芯片(20)、MINI USB(211)、光耦(212)、可控继电器(213)和菲尼克斯端子(214)；微弱信号放大电路包括仪用放大器电路(25)和电压跟随器(26)，仪用放大器电路(25)连接电压跟随器(26)；输入端口(21)连接高纯锗探测器(1)中的Pt100，八路模拟开关(22)连接输入端口(21)，八路模拟开关(22)连接惠斯通电桥(24)，惠斯通电桥(24)连接仪用放大器电路(25)，电压跟随器(26)连接ADC(27)，ADC(27)与FPGA(28)相连，FPGA(28)分别通过四个与门(23)连接八路模拟开关(22)，内存芯片(29)连接FPGA(28)，FPGA(28)通过串口转USB芯片(20)与MINIUSB(211)相连，FPGA(28)连接光耦(212)，光耦(212)连接可控继电器(213)，可控继电器(213)的输出端连接菲尼克斯端子(214)。3.如权利要求2所述的一种基于Pt100的高纯锗探测器保护系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：张惊蛰，李文凯，马林波，张博，肖金凤，刘美洋，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：