兼具触发功能和波形测量的闪烁探测系统

刘君红,宋朝晖，2,谭新建，2,李 刚,张 侃,卢 毅

(1.西北核技术研究所,西安710024; 2.强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)

兼具触发功能和波形测量的闪烁探测系统

刘君红1,宋朝晖1，2,谭新建1，2,李 刚1,张 侃1,卢 毅1

(1.西北核技术研究所,西安710024; 2.强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)

利用无源低通滤波和无源衰减器技术，研制了一种兼具触发功能和波形测量的闪烁探测系统。该系统有效避免了宇宙射线及暗噪声对探测系统触发功能的影响，克服了由于阻抗失配造成的时域反射对探测器波形测量带来的干扰，解决了脉冲辐射场波形测量中单套闪烁探测系统无法同时实现触发和脉冲波形无畸变测量的技术难题。实验结果表明，该系统既能确保触发功能的可靠性，又能实现脉冲波形测量的准确性，有效提高了系统效能。同时，利用该系统对宇宙射线的响应特征，可实现对系统工作状态的实时监测。

闪烁探测系统；触发功能；波形测量；信号衰减器；低通滤波器

signal attenuator;low-pass filter

由光电倍增管配合闪烁体构成的闪烁探测器是脉冲辐射场波形测量中应用最广的一类探测系统[1-5]。当脉冲辐射进入闪烁体时，闪烁体中的原子受激产生荧光，利用光收集部件将荧光收集照射到光电倍增管光阴极表面，光子在光阴极上打出光电子，光电子在各倍增极上倍增，被阳极收集输出电流信号。通过测量、分析电信号的波形特征，可对脉冲辐射波形的类别、强度、能量等参数进行诊断。该过程被称为波形测量。

在对脉冲辐射源产生的单个辐射脉冲，或多个具有时间和物理因果关系的辐射类型相同或不同的辐射脉冲进行测量时，不仅需要测量出每个辐射脉冲的时间特性，而且需要测量出各相关脉冲在时间上的相对关系，这些时间关联关系，对分析相关辐射脉冲及其发展过程、研究它们之间的内在规律是十分重要的[6]。为获得各相关辐射脉冲的时间关联关系，可应用闪烁探测器选取某个辐射脉冲波形前沿幅度作为触发信号，该信号经过传输系统到达触发同步机记录端，经相应的电子学处理后，触发其他辐射脉冲波形的电子学记录系统，由此将各相关辐射脉冲的特征时刻统一在时间坐标上，完成各辐射脉冲间的时间特性关联。为统一时间关联关系而设计的闪烁探测器被称为触发功能探测器。

对脉冲辐射场测量时，触发功能探测器和脉冲辐射波形探测器分别置于设计好的测点对目标量进行测量。各探测器具有独立的测试空间和测量目标，探测器的设计、调试要求明确，功能划分清晰。而在某些测量中，由于受实验要求和操作空间的限制，探测系统的布放数量有限。此时，使用尽量少的探测系统完成尽量多的测量和实验功能，是解决复杂信号多参数同时测量的关键。本文介绍的闪烁探测系统，可在脉冲辐射场波形测量中由单套探测系统同时实现触发和对脉冲波形的测量诊断。

1 探测系统兼顾两种功能面临的问题

对低强度脉冲辐射测量时，使用闪烁探测系统同时实现触发功能和波形测量有一定困难。两种功能的闪烁探测系统独立使用时，对各自的应用要求不同。对用于波形测量的闪烁探测器，要求其输出信号无畸变、波形光滑、统计起伏小、数据准确可靠。因此，设计探测器时应尽可能选择大体积闪烁体，并与灵敏度低、信噪比高、线性动态范围大的光电倍增管构成探测系统；而对用于触发功能的探测系统，要求其输出信号幅度大、触发精确、触发可靠性强、抗干扰能力好，同时，由于触发点通常选择在脉冲波形的起始端，此时，脉冲辐射粒子通量密度低，因此，必须选择高灵敏度光电倍增管与闪烁体配合构成探测系统。

具有触发功能的高灵敏度闪烁探测器，在对低强度脉冲辐射测量时，由于总粒子数有限，到达探测器的粒子数目比较少，统计起伏对探测器输出波形的影响较为严重。为了保证波形质量，通常采用增大探测器的有效受照面积以增加接收到的粒子数。但由于宇宙射线无处不在，高能宇宙射线很容易在大体积的闪烁体中沉积能量，从而产生大幅度的干扰信号，造成触发系统的误动作，影响触发系统的可靠性。

图1是9815B型光电倍增管配合大体积ST401闪烁体构成的高灵敏闪烁探测器对宇宙射线实时响应的典型波形。由图可见，探测器响应宇宙射线输出的信号幅度可达十几伏，并且信号随机产生。这些随机产生的大幅度信号很容易造成触发系统的误动作。

图1 宇宙射线实测波形Fig.1Measured waveform of cosmic rays

为了消除光电倍增管暗脉冲或宇宙射线脉冲等随机信号的干扰，根据干扰信号与目标信号频谱特征的不同，设计了专用的滤波电路。由于使用同一个探测器，滤波技术的应用会对另一路的波形测量带来严重影响，突出表现为因阻抗失配和微分电路而导致的波形畸变。

为观察滤波对测量波形的影响，在实验室使用脉冲信号发生器模拟了一个与待测波形信号特征相似的电压信号驱动LED发光，由光电倍增管响应这个光信号后分别输入示波器的ch1、ch2信道，模拟实验框图如图2(a)所示。当连接到ch2信道的传输通路不接低通反相单元时，测量到的两路输出信号的特征相同，如图2(b)所示，图中ch1信道输出对应1号波形，ch2信道输出对应2号波形。而在ch2信道传输通路加上低通反相单元后，从所测波形可观察到ch1输出波形幅度发生变化，脉冲后沿有过冲，如图2(c)所示。

(a)Block diagram of simulating test

(b)Waveforms without LPF inverter unit

(c)Waveforms with LPF inverter unit

由图2可见，一套探测系统若要同时实现可靠触发功能和无畸变波形测量，必须解决暗脉冲及宇宙射线对探测器正确触发动作的干扰，及阻抗失配和微分电路引发的另一路测量波形畸变等问题。

2 系统设计及结构功能

兼具两种功能的闪烁探测系统设计主要考虑3个方面：

1)由于触发功能探测器的灵敏度比波形测量探测器的灵敏度高1个量级以上，在设计兼顾两种功能的探测系统时，选择了高增益的光电倍增管配合闪烁体构成高灵敏度探测器，但需对光电倍增管的供电分压器进行调整，适当降低探测器灵敏度，并根据触发功能的触发阈值范围，适当提高触发阈值，从而兼顾全波形探测器的灵敏度应用需求。

2)为适应触发功能而选用的高灵敏度光电倍增管，与保证波形测量功能而应用的大体积闪烁体配合，提高了探测器响应宇宙射线的效率，因此，需要实时监测探测器对宇宙射线的响应，分析监测波形的频率特征，并根据对宇宙射线及待测波形的信号特征分析，选取低通滤波导通、截止频带及反相带通频率等参数，设计制作低通反相单元，以确保触发功能的可靠性。

3)低通滤波反相单元的加入使得波形测量分路的信号发生畸变，因此，在实现触发功能的信号端，加入由无源宽带衰减器和低噪声放大器构成的阻抗匹配单元，利用无源宽带衰减器对正、负向信号都衰减，回波损耗小的性能，可有效避免由阻抗失配造成的时域反射对波形测量的不利影响，再利用低噪声放大器放大信号幅度，确保触发功能的高阈值触发。

设计的兼具触发功能和波形测量的闪烁探测系统结构如图3所示。

图3 兼具触发功能和波形测量的闪烁探测系统结构图Fig.3Block diagram of the new scintillation detection system with functions of triggering and waveforms measurement

待测辐射脉冲波形由闪烁探测器进行光电转换后输出电流信号，高压电源为闪烁探测器的光电倍增管分压器提供稳定直流工作电压，确保光电倍增管稳定可靠工作。电流信号经过射频同轴电缆传输至功分器实行分路，根据信号分配比例可以制作成等分或不等分的分配关系，功分器的输入、输出阻抗为50 Ω。由功分器分配后的信号一路作为触发信号，实现触发功能，另一路实现对待测波形的测量。

触发信号的传输及记录系统包括阻抗匹配单元、低通反相单元、触发记录单元。其中，阻抗匹配单元包括同轴功率衰减器和低噪声放大器，可保证电流信号分路后的两路信号在传输过程中阻抗匹配，不影响各自的测量。低通反相单元包括低通滤波器和反相器，功能是通过低通滤波器将待测波形与探测器自身的暗脉冲及宇宙射线产生的干扰波形选择性分开，在触发脉冲信号通过的同时，阻隔暗脉冲及宇宙射线可能造成的误动作，以确保触发可靠性。低通滤波器的截止频率由待测波形的频带特征决定，可通过Altium Designer软件模拟电路最佳滤波效果，将低通设计为一阶或多阶形式的滤波器。光电倍增管输出的待测波形信号极性为负，通过反相器将负信号转换为正信号，以满足后端精密同步机正极性触发阈值设置的要求。触发记录单元由精密同步机记录通道及示波器记录信道构成，并与信号分路器输出端相连，可实现多路触发同步信号输出和特征时刻的时间关联记录。

波形测量分路信号的传输及记录系统包括幅度调整单元和波形记录单元。幅度调整单元由多个并联的衰减器或放大器构成，波形记录单元完成对幅度调整后的无畸变信号的数据记录及保存。

利用高灵敏度大体积闪烁探测器对宇宙射线实时响应的特点，可将波形测量记录单元的示波器触发方式由外触发模式转换为自触发模式，以实现对闪烁探测器工作状态的实时监测功能。这样，在闪烁探测器被工程化安装于密封环境中时，通过实时监测功能，可简易有效地判断其工作状态是否处于正常。

3 测试考核与应用

首先，对低通反相单元确保触发功能的可靠性进行考核。

图4为设计的低通滤波器的原理图。其中，电感L与电容C的选取满足下列关系：

(1)

其中，Z0为传输特性阻抗；fc为低通滤波器-3 dB的截止频率。运用集成脉冲变压器及其辅助电路构成反相器，实现探测器输出波形由负极性变换为正极性，以满足精密触发同步机输入正信号的要求。

图4 低通滤波器原理图Fig.4Schematic of the low-pass filter

对低通反相单元性能进行72 h连续实时监测。监测方法为：闪烁探测器加电正常工作，实时响应空间宇宙射线，其信号输出端连接低通反相单元后，接入监测示波器信道，示波器触发方式选定为单次自触发，触发阈值设置为3 V。监测结果表明，在72 h监测时段内，示波器无动作，低通反相单元有效避免了闪烁探测器的误触发。

其次，对阻抗匹配单元的性能进行实验验证。阻抗匹配单元和低通反相单元在信号传输通路上的连接顺序如图5所示。

图5 验证实验框图Fig.5Diagram of the testing experiment

由脉冲信号发生器模拟待测信号波形特征输出一个模拟电信号，该信号经分路后分别被记录到示波器的ch1、ch3信道。在ch3信道传输通路上不接和接上阻抗匹配单元及低通反相单元两种情况下，记录模拟待测波形的ch1通道输出波形特征，如表1所列。

表1 信号特征比较Tab.1Comparison of signal characteristics

由表1可见，各特征值间的相对偏差均小于3%，说明阻抗匹配单元的应用能够确保ch1信道波形无畸变。

本文设计的闪烁探测系统已成功实现相关特征时刻的触发关联功能，获得了完整的待测波形数据，如图6所示。其中，ch1信道记录的波形是本文设计的闪烁探测系统对待测波形的测量结果，对应图6中的1号波形，ch2信道记录的波形是相邻测试位置独立测量待测波形的闪烁探测器获得的测量结果，对应图6中的2号波形。数据处理表明，两个波形的积分面积之差小于3%，说明波形数据在不确定度范围内是一致的。

图6 应用实例Fig.6Application examples

4 结论

成功研制了一种兼顾触发功能及波形测量的闪烁探测系统。该系统在测量技术方面，实现了由单套闪烁探测系统同时完成两项测试目标的任务；在测量方法方面，有效提高了探测系统效能；在工程实施中，既节省测量空间又节约了宝贵的传输系统资源。该系统对优化脉冲辐射场测量系统、提升复杂环境下的脉冲辐射场测量技术水平具有重要意义。同时，该探测系统还具有可靠实时监测自身运行状态的功能，具有一定的推广应用价值。

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A Scintillation Detection System with Functions of Triggering and Waveforms Measurement

LIU Jun-hong1,SONG Zhao-hui1，2,TAN Xin-jian1，2, LI Gang1,ZHANG Kan1,LU Yi1

(1.Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China; 2.State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Xi’an710024,China)

A set of scintillation detection system with pulse triggering and waveforms measurement is developed. The system adopts passive low pass filter and signal attenuator technologies, it avoids the effects of interference pulses from cosmic rays and dark noises on triggering, and overcomes the influence of time domain reflection caused by impedance mismatch on waveform distortion. The results indicate that the system does not only ensure high reliability of triggering, but also gets enough accuracy of waveforms measurement.

scintillation detection system;triggering function;waveforms measurement;

2016-07-18；

2016-10-26

国家自然科学基金资助项目(11575146；11205122)

刘君红(1975- )，女，河南汝南人，实验师，本科，主要从事核电子学相关技术研究。

E-mail:liujunhong@nint.ac.cn

TL812

A

2095-6223(2016)041205(5)