阅读说明：本技术 一种用于测氚电离室的大动态范围电流转换电路及方法 (Large-dynamic-range current conversion circuit and method for tritium measurement ionization chamber ) 是由 林奎成 付军 秦驰 王中成 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于测氚电离室的大动态范围电流转换电路及方法,该电路包括依次连接的电离室、跨阻放大电路、ADC电路、微处理器和信号输出端,以及与微处理器和跨阻放大电路连接的跨阻切换电路；所述方法包括电离室输出电流信号；跨阻放大电路进行I-V转换；ADC电路将电压信号转换为数字信号,并将数字信号输出到微处理器中；微处理器将接收到的数字信号转换为数字电流值,同时微处理器控制跨阻切换电路切换接入跨阻放大电路中的跨阻；信号输出端输出经微处理器进行数字化滤波、降低信号噪声处理后得到的数字电流值。通过上述方案,本发明达到了实现了现有电离室电流信号处理需求的目的,具有很高的实用价值和推广价值。(The invention discloses a large dynamic range current conversion circuit and a method for measuring a tritium ionization chamber, wherein the circuit comprises the ionization chamber, a transimpedance amplification circuit, an ADC (analog to digital converter) circuit, a microprocessor, a signal output end and a transimpedance switching circuit, wherein the ionization chamber, the transimpedance amplification circuit, the ADC circuit, the microprocessor and the signal output end are sequentially connected; the method includes ionizing a chamber output current signal; the trans-impedance amplifying circuit performs I-V conversion; the ADC circuit converts the voltage signal into a digital signal and outputs the digital signal to the microprocessor; the microprocessor converts the received digital signal into a digital current value, and controls the transimpedance switching circuit to switch into the transimpedance in the transimpedance amplifying circuit; the signal output end outputs a digital current value obtained by carrying out digital filtering and signal noise reduction processing by the microprocessor. Through the scheme, the invention achieves the purpose of meeting the current signal processing requirement of the existing ionization chamber, and has very high practical value and popularization value.)

一种用于测氚电离室的大动态范围电流转换电路及方法

技术领域

本发明属于电子学技术领域，具体地讲，是涉及一种用于测氚电离室的大 动态范围电流转换电路及方法。

背景技术

电离室通常用于测量γ、β等电离辐射射线的强度。电离室产生电流的大小 通常正比于电离辐射的强度。氚测量仪中的电离室产生电流的强度通常在1fA 到100nA之间，对应的电离室电流转换电路的动态范围要求很高，同时灵敏度 的要求也很高，而且由于电流下线很低，所产生的信号容易受到电磁干扰等外 界因素影响，所以电流转换电路需要有很好的抗噪声能力。

传统的电离室电流信号处理方法中，为了实现大动态范围测量，通常采用 多级放大的方法。由于多级放大器将引入噪声，且前级噪声容易被后级放大， 导致其测量下线受限，往往仅能做到100fA量级，直接影响了氚测量仪的测量 下限和测量灵敏度。因而很难通过多级放大方法同时实现大动态范围和下限微 弱电路转换的测量，因此，如何解决现有技术中存在的问题是本领域技术人员 亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测氚电离室的大动态范围电流转换电路及 方法，主要解决现有技术中存在的传统的电离室信号处理方法很难通过多级放 大方法同时实现大动态范围和电流转换测量的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于测氚电离室的大动态范围电流转换电路，包括用于产生微弱电流 信号的电离室，用于接收电离室产生的电流的跨阻放大电路，与跨阻放大电路 连接且具有高精度的ADC电路，与ADC电路连接的微处理器，与微处理器连 接并将信号返回跨阻放大电路的跨阻切换电路，以及与微处理器连接的信号输 出端；所述跨阻切换电路包括输出端与微处理器连接的放大器ADA4530-1ARZ 芯片，串联后一端与ADA4530-1ARZ芯片负输入端连接、另一端与 ADA4530-1ARZ芯片输出端连接的继电器K1和高阻值电阻R11，一端同时与继 电器K1和ADA4530-1ARZ芯片负输入端连接、另一端与ADA4530-1ARZ芯片 输出端连接的高阻值电阻R8，其中，ADA4530-1ARZ芯片正输入端接地、输出 端与跨阻放大电路连接。

进一步地，所述电离室输出的电流跨越7个数量级，其中，通过微处理器 控制跨阻放大电路中的高阻值电阻R11实现量程的切换。

进一步地，所述跨阻放大电路为电流电压转换电路。

具体地，所述ADC电路采用24位模数转换芯片ADS1255，其中，ADC电 路用于采集跨阻放大电路转换出的电压信号。

一种用于测氚电离室的大动态范围电流转换电路的方法，包括如下步骤：

(S1)电离室输出10fA到100nA之间的电流信号；

(S2)跨阻放大电路将电离室输出的电流信号转换为电压信号；

(S3)ADC电路将电压信号转换为数字信号，并将数字信号输出到微处理 器中；

(S4)微处理器将接收到的数字信号转换为数字电流值，同时微处理器控 制跨阻切换电路切换接入跨阻放大电路中的跨阻；

(S5)信号输出端输出经微处理器进行数字化滤波、降低信号噪声处理后 得到的数字电流值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过跨阻放大电路对电离室产生的电流进行电流-电压转换，转换后 的电压被ADC电路转换为数字信号，数字信号经微处理器转化为数字电流值， 同时微处理器进行数字化滤波和降低信号噪声处理后通过信号输出端数字电流 值，并且微处理器同时控制跨阻切换电路接入跨阻放大电路中的跨阻，从而电 离室输出电流的量程切换。本发明所提出用于电离室信号处理的大动态范围电 流转换电路及转换方法能够自动实现10fA～100nA级的电流测量，能够满足现 有电离室电流信号处理需求，实用性更强。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

图2为本发明的工作流程图。

图3为本发明的跨阻切换和放大电路原理图。

图4为本发明的ADC电路原理图。

图5为本发明电路与TYNE 7045型氚测量仪的对电流转换电路结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但 不限于下列实施例。

实施例

如图1至图5所示，一种用于测氚电离室的大动态范围电流转换电路，包 括用于产生微弱电流信号的电离室，用于接收电离室产生的电流的跨阻放大电 路，与跨阻放大电路连接且具有高精度的ADC电路，与ADC电路连接的微处 理器，与微处理器连接并将信号返回跨阻放大电路的跨阻切换电路，以及与微 处理器连接的信号输出端。

与电离室连接并用于接收电离室产生的电流信号的跨阻放大电路是电流-电 压转换电路(如图3所示)，其工作效果直接影响前置放大电路对弱电流的探测 下限和灵敏度。本发明实现10fA量级电流信号的放大，故所选用的运算放大器 U5的偏置电流要求小于10fA。本发明采用Analog Devices公司生产的 ADA4530-1ARZ型极低输入偏置电流运算放大器作为I-V转换芯片，其主要技 术指标为典型输入偏置电流为1fA，最大输入偏置电流±20fA，输入阻抗大于 100TΩ，电流噪声密度0.07fA√Hz，输入失调电压50μV。

跨阻放大电路输出的电压信号连接到高精度模数转换电路ADC电路输入端， ADC电路将电压信号采样转换为数字信号，采样的精度要求保证在10μV以下。 本发明选用Texas Instruments生产的24位模数转换芯片ADS1255IDBR，实现 I-V转换电路输出电压信号的采集。ADS1255的主要技术参数为ADC采集位数 为24位，最大非线性误差±0.001％，最大采样速率30kSPS。为了优化ADS1255 性能，设计提供了2.5V的外部电压基准，该电压基准由Analog Devices生产的 超低噪声高精度2.5V基准电压芯片ADR4525产生，ADR4525输出噪声小于1.25 μVp-p，温度系数小于2ppm/℃，输出电流可达±10mA。

ADC输出的电压数字信号传递给微处理器，在微处理器中执行数字滤波以 及电流计算，并反馈控制继电器切换跨阻。具体的操作步骤为：首先接收ADC 输出的数字信号，进行编码转换为十进制电压值V0，读取当前继电器状态寄存 器，对应选择电压值与实际电流值的转换公式，然后计算实际电流值I1。其次 序贯存储ADC电压值，并构建带宽为10Hz的数字低通滤波器，对电流值I1进 行滤波，得到滤波之后的电压值I2。最后预设两个电压阈值T1、T2(T1>T2)， 用于判断继电器是否需要切换。当继电器处于断开状态(此时是低量程段电流 转换)，如果I2>T1，则继电器导通；当继电器处于导通状态，如果I2<T2，则 继电器断开。

其中，微处理器还要控制跨阻切换电路切换接入跨阻放大电路中的跨阻， 从而实现对电离室输出电流跨越的7个数量级进行切换，继电器K1常开，利用 微处理器MCU控制其开关。初始状态输入I_in电流通过阻值10GΩ的高阻值电 阻R8转换为输出电压V_o，如公式(1)所示，

V_o＝I_in·R₂ (1)

当输出电压达到一定阈值之后，微处理器MCU控制继电器K1闭合，高阻 的阻值变为R8、R11的并联值，输出电压如公式(2)所示，达到切换量程的目 的。

在选择继电器时，其绝缘电阻应至少比高阻R8大两个数量级(≥1TΩ)， 以防止产生较大的漏电流。

实验验证：利用本发明提出的电离室电流转换电路对体积为0.5L的拉丝电 离室测氚信号进行了试验，并采用加拿大TYNE Engineering公司生产的7045 型氚测量仪与本专利设计的电流转换电路结果进行对比。实验中将拉丝电离室 排出气口与TYNE 7045型氚测量仪的进气口连接，并置于含氚空气环境中。实 验中氚浓度变化范围为5×10⁵Bq/m³到6×10⁶Bq/m³之间。两款测量仪所得到 的响应曲线如图5所示，图中两条响应曲线的变化趋势以及绝对测量值均十分 接近，TYNE 7045型氚测量仪响应滞后约10s，主要是因为它连接到了本发明的 氚浓度在线监测仪的后端。实验表明本发明的氚浓度在线监测仪在低浓度范围 内测量效果与TYNE 7045型氚测量仪相当。

电离室内氚浓度与电离室输出电流之间的关系为：电离室内氚发射的β射 线所生产的离子对数目直接正比于辐射的能量和强度，当忽略电离室壁辐射能 量沉积，则电离室饱和电流I与氚浓度C的关系如公式(3)所示：

其中，E表示氚衰变沉积的平均能量，值为5.7keV；V_e表示电离室的有效 体积，单位为m³；e表示电子电荷，值为1.6×10^-19C；W表示平均电离功，空 气中近似为33.7eV。

当输入氚浓度为5×10⁵Bq/m³时，体积为0.5L的电离室饱和输出电流按照 公式(4)计算为6.8fA。

计算过程：

则证明本专利提出的电流转换电路能够达到10fA测量下限。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但 凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化， 均应属于本发明的保护范围之内。