一種前放分離式中子測量系統設計與測試

梁晶 (海軍裝備部， 山西 太原， 030000)

馮曉波， 安艷龍， 劉建忠 (中國輻射防護研究院， 山西 太原， 030006)

輻射監測儀器由探測器和電子學電路組成，其中的電子元器件尤其是結構較復雜的集成電路芯片的耐輻照性能較差，暴露在強輻射環境中會對電子元器件造成永久性損傷，導致電子學電路性能下降，輻射監測儀器無法正常工作。

某些核設施在運行過程中會產生高強度的中子及γ射線，針對此類強輻射場的監測，本文設計了一款探測器組件與放大器組件分離設計的中子測量系統，將探測器、慢化體、屏蔽體集成為探測組件，通過連接器、同軸電纜與耐輻照性能較差的電子學電路遠距離連接，實現對強中子輻射場的測量。

1 設備組成

前放分離式中子測量系統由探測器組件、放大器盒、同軸電纜及連接器組成。其中，探測器組件主要由中子探測器、慢化體及屏蔽體組成；放大器盒主要由金屬殼體、電路板、連接器等組成；同軸電纜連接探測器輸出端與放大電路輸入端，長度為20 m。

系統由就地處理箱進行供電，并將測試數據傳輸至就地處理箱進行顯示，系統工作流程如圖1所示。

2 技術難點

系統前置放大器輸入端等效電路如圖2所示。其中，忽略了探測器阻抗和放大器輸入阻抗(一般均很大)；CA,i為前置放大器輸入電容，CS為引線分布電容，CD為探測電容。這三個電容并聯在一起為電流源iD(t)的負載電容：

Ci=CD+CS+CA,i

(1)

放大器輸入端的電壓信號應為：

圖1 前放分離式中子測量系統工作流程

(2)

本文中，中子探測器信號輸出端與前置放大器之間的引線長度為20 m，這樣增大了引線分布電容，降低了信號幅度，導致信噪比變低；另外延長引線也會增大外界電磁干擾的影響。

圖2 放大器輸入端等效電路圖

3 技術設計

通過上述分析可知，中子測量分離式設計的核心是提高信噪比與電磁屏蔽，主要從以下幾個方面進行設計：

(1) 探測器選擇。探測器選用BF3正比計數器，中子與BF3計數器反應Q值高，產生的脈沖幅度接近30 mV[2]，對γ輻射及噪聲的脈沖甄別效果好，有利于提高電路的信噪比。此外， BF3計數器由于無法充太高氣壓導致探測效率較低，高劑量場下脈沖不易堆積重疊，可以使中子探頭達到更高的探測上限，符合本文的設計需求。

(2) 引線選擇。探測器與前置放大器之間的引線選用RG58屏蔽電纜，電阻為50 Ω，電容為100 pF/m，RG58電纜采用φ0.12 mm×96根鍍錫銅絲+非自粘鋁箔雙層屏蔽的方式，可極大地減小電磁干擾的影響。

(3) 前置放大器設計。核探測器的輸出脈沖為高斯脈沖，類似于矩形脈沖，放大器對類似矩形脈沖的響應與放大器的帶寬有關。脈沖寬度越窄, 信號的幅度譜截止帶寬2π/τ的值越大，信號的帶寬越寬, 則要求放大器的帶寬越寬，否則矩形脈沖將會被展寬,輸出幅值將會下降, 信號的形狀將得不到保持[3]。

(4) 放大電路噪聲主要來自運算放大器本身和與之匹配的電阻的噪聲，主要包括熱噪聲、電壓噪聲、電流噪聲等，噪聲主要受放大電路增益影響，同時放大器的電流噪聲和電壓噪聲與信號的頻率相關，頻率越高器件噪聲越大[3]。

本文在選擇前置放大電路運算放大器芯片時，在滿足帶寬要求的前提下，綜合考慮了高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲等因素，同時電路中盡可能選用低寄生參數的元器件以及增加濾波電路，盡可能減小電路噪聲干擾，提高信噪比。

(5)電磁兼容性設計。系統采用標準的接地裝置進行可靠接地，所有的屏蔽線、電路板及探測器的地線均與外殼可靠連接。電路全部密閉于一個金屬殼體中，與外界隔離，通訊連接器、探測器連接器與通訊電纜都具有很好的屏蔽性。

殼體內部采用簡潔的走線方式，信號線、電源線(DC12 V)、高壓線(提供BF3正比計數器工作電壓)彼此分開并各自屏蔽。在電路板設計階段，采用多種布線措施提高電路板級電磁兼容性，如：單點接地、覆銅、擴大高速信號線與其它線路的間距等。

4 試驗驗證

前放分離式中子測量系統主要的技術指標有坪曲線、相對固有誤差、能量響應等，針對這些指標進行試驗驗證。

(1) 坪曲線測試。

坪曲線主要反映儀器記錄的脈沖數與探測器高壓的關系，通過調節高壓模塊的輸出電壓，測試不同探測器高壓時儀器記錄的脈沖數。

將探測器組件緊貼Am-Be中子源，中子源中子發射率約1×107n/s，放大器盒及就地處理箱遠離中子源，調節高壓模塊輸出，記錄不同高壓對應的儀器計數，繪制關系曲線如圖3所示。

由圖3可見，前放分離式中子測量系統坪曲線良好，坪區范圍為1 750～1 950 V，將工作高壓定為1 900 V。

圖3 前放分離式中子測量系統坪曲線

(2) 相對固有誤差。

相對固有誤差主要驗證系統的測量精度。系統在中國輻射防護研究院放射性計量站中子實驗室進行了測試，結果列于表1。

由表1可見，前放分離式中子測量系統相對固有誤差最大為8.6%，滿足國家標準±20%的要求。

表1 前放分離式中子測量系統相對固有誤差測試結果

(3)能量響應測試。

由于中子能量范圍很寬，不同能量的中子注量劑量轉化系數差異很大，中子測量系統對不同能量的中子響應差距很大，因此需要對能量響應指標進行測試。

系統在中國輻射防護研究院放射性計量站進行了測試，分別測試系統對Am-Be源與252Cf源的響應，測試結果列于表2。

由表2可見，本中子測量系統Am-Be源與252Cf源能量響應之差為9%，性能良好。

表2 前放分離式中子測量系統能量響應測試結果

5 總結

某些核設施部分區域中子輻射較強，常規的探測系統由于電子元件耐輻照性能較差，在此類環境下無法正常或長時間使用。

本文設計了一款分離式的中子探測系統，將探測器組件與耐輻照性能較差的電子學電路分離，通過20 m同軸線纜相連，實現對此類區域的測量。

該系統在中國輻射防護研究院放射性計量站進行了試驗驗證，測試結果相對固有誤差最大為8.6%，對Am-Be源與252Cf源相對響應之差為9%，性能良好，滿足設計要求。