一种前放分离式中子测量系统设计与测试

2022-07-20梁晶海军装备部山西太原030000

辐射防护通讯 2022年2期

梁晶 (海军装备部，山西太原， 030000)

冯晓波，安艳龙，刘建忠 (中国辐射防护研究院，山西太原， 030006)

辐射监测仪器由探测器和电子学电路组成，其中的电子元器件尤其是结构较复杂的集成电路芯片的耐辐照性能较差，暴露在强辐射环境中会对电子元器件造成永久性损伤，导致电子学电路性能下降，辐射监测仪器无法正常工作。

某些核设施在运行过程中会产生高强度的中子及γ射线，针对此类强辐射场的监测，本文设计了一款探测器组件与放大器组件分离设计的中子测量系统，将探测器、慢化体、屏蔽体集成为探测组件，通过连接器、同轴电缆与耐辐照性能较差的电子学电路远距离连接，实现对强中子辐射场的测量。

1 设备组成

前放分离式中子测量系统由探测器组件、放大器盒、同轴电缆及连接器组成。其中，探测器组件主要由中子探测器、慢化体及屏蔽体组成；放大器盒主要由金属壳体、电路板、连接器等组成；同轴电缆连接探测器输出端与放大电路输入端，长度为20 m。

系统由就地处理箱进行供电，并将测试数据传输至就地处理箱进行显示，系统工作流程如图1所示。

2 技术难点

系统前置放大器输入端等效电路如图2所示。其中，忽略了探测器阻抗和放大器输入阻抗(一般均很大)；CA,i为前置放大器输入电容，CS为引线分布电容，CD为探测电容。这三个电容并联在一起为电流源iD(t)的负载电容：

Ci=CD+CS+CA,i

(1)

放大器输入端的电压信号应为：

图1 前放分离式中子测量系统工作流程

(2)

本文中，中子探测器信号输出端与前置放大器之间的引线长度为20 m，这样增大了引线分布电容，降低了信号幅度，导致信噪比变低；另外延长引线也会增大外界电磁干扰的影响。

图2 放大器输入端等效电路图

3 技术设计

通过上述分析可知，中子测量分离式设计的核心是提高信噪比与电磁屏蔽，主要从以下几个方面进行设计：

(1) 探测器选择。探测器选用BF3正比计数器，中子与BF3计数器反应Q值高，产生的脉冲幅度接近30 mV[2]，对γ辐射及噪声的脉冲甄别效果好，有利于提高电路的信噪比。此外， BF3计数器由于无法充太高气压导致探测效率较低，高剂量场下脉冲不易堆积重叠，可以使中子探头达到更高的探测上限，符合本文的设计需求。

(2) 引线选择。探测器与前置放大器之间的引线选用RG58屏蔽电缆，电阻为50 Ω，电容为100 pF/m，RG58电缆采用φ0.12 mm×96根镀锡铜丝+非自粘铝箔双层屏蔽的方式，可极大地减小电磁干扰的影响。

(3) 前置放大器设计。核探测器的输出脉冲为高斯脉冲，类似于矩形脉冲，放大器对类似矩形脉冲的响应与放大器的带宽有关。脉冲宽度越窄, 信号的幅度谱截止带宽2π/τ的值越大，信号的带宽越宽, 则要求放大器的带宽越宽，否则矩形脉冲将会被展宽,输出幅值将会下降, 信号的形状将得不到保持[3]。

(4) 放大电路噪声主要来自运算放大器本身和与之匹配的电阻的噪声，主要包括热噪声、电压噪声、电流噪声等，噪声主要受放大电路增益影响，同时放大器的电流噪声和电压噪声与信号的频率相关，频率越高器件噪声越大[3]。

本文在选择前置放大电路运算放大器芯片时，在满足带宽要求的前提下，综合考虑了高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声等因素，同时电路中尽可能选用低寄生参数的元器件以及增加滤波电路，尽可能减小电路噪声干扰，提高信噪比。

(5)电磁兼容性设计。系统采用标准的接地装置进行可靠接地，所有的屏蔽线、电路板及探测器的地线均与外壳可靠连接。电路全部密闭于一个金属壳体中，与外界隔离，通讯连接器、探测器连接器与通讯电缆都具有很好的屏蔽性。

壳体内部采用简洁的走线方式，信号线、电源线(DC12 V)、高压线(提供BF3正比计数器工作电压)彼此分开并各自屏蔽。在电路板设计阶段，采用多种布线措施提高电路板级电磁兼容性，如：单点接地、覆铜、扩大高速信号线与其它线路的间距等。