洪 兵 李桃生,2 張志勇 顏 強(qiáng) 王成龍 董 良 蘇 折

1（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001）

2（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 合肥 230000）

3（北京瑞迪泰克技術(shù)有限公司 北京 100093）

單球多計(jì)數(shù)器中子劑量儀的電子學(xué)系統(tǒng)研制

洪 兵1李桃生1,2張志勇3顏 強(qiáng)1王成龍1董 良1蘇 折1

1（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001）

2（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 合肥 230000）

3（北京瑞迪泰克技術(shù)有限公司 北京 100093）

針對(duì)新型單球多計(jì)數(shù)器高能中子探頭，本文介紹一種滿足該探頭信號(hào)處理要求的核電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該電子學(xué)系統(tǒng)由放大電路、濾波成形電路、幅度甄別電路、多路脈沖計(jì)數(shù)器、功能控制電路和電源管理等部分組成，能夠滿足新型中子劑量（率）儀的功能要求，實(shí)現(xiàn)該新型中子劑量（率）儀的信號(hào)采集、劑量（率）計(jì)算等功能。

中子探測器，放大電路，復(fù)雜可編程邏輯器件，MSP430單片機(jī)

1 電源管理電路設(shè)計(jì)

電源管理電路是利用電池提供多種電源電壓分別為探測器、放大電路和控制電路等供電。電源包括為單片機(jī)與復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)供電的+3.3 V、為液晶顯示和放大電路供電的±5 V。它們分別為3He正比計(jì)數(shù)管和BF3正比計(jì)數(shù)管提供偏壓+850 V和+1 800 V的高壓電源，6個(gè)BF3正比計(jì)數(shù)管為同一型號(hào)采用一個(gè)高壓電源模塊為其提供偏壓。出于便攜式的考慮，利用電池作為總的供電電源，因此需要DC-DC模塊作電源電壓調(diào)整以及升壓處理。其電源電路的原理圖如圖3所示。

圖3 電源管理電路示意圖Fig.3 Scheme of power management circuit.

2 放大電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所用的兩種探測器均為氣體探測器，考慮到設(shè)計(jì)簡便性以及一致性，各個(gè)探測器的放大電路采用統(tǒng)一的電路結(jié)構(gòu)，圖4為其中一組放大電路原理示意圖。

圖4 放大電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of amplifier circuit.

前置放大器部分采用意大利學(xué)者Pullia和Zocca提出的自動(dòng)相消補(bǔ)償、時(shí)間常數(shù)可調(diào)的電荷靈敏前放電路形式[4]，其電路結(jié)構(gòu)如圖4中的前置放大器部分所示。此電路結(jié)構(gòu)主要有兩點(diǎn)好處：第一，使前置放大器輸出的DC基電平自動(dòng)調(diào)整為零；第二，電荷靈敏放大電路在不改變反饋電容Cf和反饋電阻Rf大小的情況下，通過調(diào)節(jié)R1和R2的比值來減小衰減時(shí)間常數(shù)，并且不會(huì)改變電荷放大增益1/Cf，這樣可以有效的替代極零電路功能，簡化設(shè)計(jì)。方案中采用帶結(jié)場效應(yīng)管(junction-fet, JFET)的低噪聲運(yùn)放OPA656作為第一級(jí)運(yùn)放，用低失調(diào)電壓的運(yùn)放OP4177作為第二級(jí)運(yùn)放。

為獲得更好的信噪比，在前置放大器之后再接入一級(jí)濾波成形電路。本文采用一級(jí)2階S-k低通濾波電路作為準(zhǔn)高斯濾波成形電路[5]，該濾波電路采用部分正反饋，具有很高的品質(zhì)因子，可以用較少的濾波成形級(jí)數(shù)得到準(zhǔn)高斯波形，其電路圖如圖4中的S-k濾波部分，其傳遞函數(shù)如式(1)所示：

為使S-k濾波器穩(wěn)定工作，則需要滿足S2R3R4C3C4+(R4C4+R3C4-R3C3R5/R6)S+1＞0的條件，否則會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。通過前置放大器和濾波成形電路后的脈沖信號(hào)為幅度在幾百mV大小的正電壓脈沖，為了符合后續(xù)處理要求，需要在濾波成形電路之后接一個(gè)電壓放大器，將信號(hào)放大到足夠大的幅度以適應(yīng)后面的電路處理，如圖4中主放大電路所示。電壓放大器采用與濾波電路相同的運(yùn)放，可通過調(diào)節(jié)R7和R8的比值來改變放大比例，其電壓增益為1+R7/R8。

3 幅度甄別器設(shè)計(jì)

在放大器輸出的脈沖電壓信號(hào)中有噪聲成分，同時(shí)也伴隨有γ光子產(chǎn)生的信號(hào)，因此n-γ脈沖信號(hào)幅度甄別的好壞直接影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而對(duì)于BF3正比計(jì)數(shù)管、3He正比計(jì)數(shù)管而言，無論是噪聲還是γ產(chǎn)生的脈沖，它們的幅度明顯比中子產(chǎn)生的脈沖幅度小，因此借助于簡單的脈沖幅度甄別線路，通過設(shè)置甄別閾值的方法可以將噪聲和γ產(chǎn)生的脈沖信號(hào)甄別掉。本文利用運(yùn)算放大器構(gòu)建的交流耦合的施密特觸發(fā)器作為甄別器可以很好地滿足要求。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個(gè)臨界電壓且形成一個(gè)滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)，噪聲干擾電路的正常工作。其輸出信號(hào)為運(yùn)算放大器飽和時(shí)的電壓值，VRef為其甄別電壓值，具體大小要根據(jù)實(shí)際條件測量來確定。幅度甄別電路如圖5所示。

圖5 幅度甄別器電路Fig.5 Circuit diagram of amplitude discriminator.

4 7路脈沖計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

由探頭結(jié)構(gòu)和劑量評(píng)價(jià)方法可知[2,6]，要獲得該探頭的7個(gè)探測器的脈沖計(jì)數(shù)，就必須對(duì)7個(gè)通道脈沖信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。考慮到便攜式的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)7通道脈沖計(jì)數(shù)器用于計(jì)算7個(gè)通道脈沖信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果的鎖存由后面的單片機(jī)系統(tǒng)控制，即由單片機(jī)獲取其信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)[7]。

本文設(shè)計(jì)的7通道脈沖計(jì)數(shù)器采用Altera公司生產(chǎn)的MAXII低功耗系列型號(hào)為EPM570T100C5N的CPLD芯片，應(yīng)用Verilog HDL語言的EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。該7通道脈沖計(jì)數(shù)器由7組32位計(jì)數(shù)器、7組32位鎖存器、一組8選1數(shù)據(jù)選擇器以及數(shù)據(jù)輸出模塊等功能模塊組成，各個(gè)功能模塊是利用Verilog HDL語言所設(shè)計(jì)，最后采用原理圖設(shè)計(jì)方式將各個(gè)功能模塊按原理圖(圖6)的形式組合起來形成7路脈沖計(jì)數(shù)器。它可通過每個(gè)通道的32位計(jì)數(shù)器計(jì)錄脈沖個(gè)數(shù)，并將32位的計(jì)數(shù)結(jié)果鎖存在鎖存器中，利用一個(gè)8選1的數(shù)據(jù)選擇器功能模塊選擇其中任一通道中鎖存器的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)傳輸給輸出功能模塊，然后由輸出功能模塊將計(jì)數(shù)結(jié)果傳輸給單片機(jī)控制系統(tǒng)。

圖6 7通道脈沖計(jì)數(shù)器Fig.6 Schematic of seven-channel pulse counter.

5 儀器控制處理電路設(shè)計(jì)

中子劑量儀最終獲取的應(yīng)該是劑量（率），而實(shí)際測量得到的為計(jì)數(shù)，兩者需要按照已知的劑量評(píng)價(jià)方法來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換[6]，并將劑量結(jié)果顯示給操作人員；當(dāng)所測場合的劑量（率）超過設(shè)定的閾值，儀器發(fā)出聲光警報(bào)；將所測的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并傳輸給PC機(jī)供記錄和分析等。這些功能實(shí)際是通過單片機(jī)控制系統(tǒng)完成的，它由MSP430單片機(jī)、上機(jī)通信模塊、液晶顯示模塊和報(bào)警蜂鳴器等部分組成，其原理如圖7所示。該方案采用的處理器芯片是由德州儀器公司生產(chǎn)的MSP430系列超低功耗單片機(jī)中的MSP430F5419[8]。

圖7 單片機(jī)控制電路Fig.7 Microcomputer control circuit.

MSP430單片機(jī)的I/O口的分配與配置是通過軟件來設(shè)置完成的，本文采用基于C語言的IAR嵌入式平臺(tái)編寫程序。如圖7所示，P3、P4口用作7通道脈沖計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)接收端口，P7.4、P7.5、P7.6和P7.7位用作7通道脈沖計(jì)數(shù)器的信號(hào)控制端口，其他I/O如圖7中來配置。單片機(jī)按照預(yù)設(shè)的程序控制7通道脈沖計(jì)數(shù)器，定時(shí)打開其計(jì)數(shù)器通道，獲取各個(gè)通道的計(jì)數(shù)，而定時(shí)工作由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來完成。根據(jù)獲取的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)、時(shí)間信息以及已知的劑量評(píng)價(jià)方法[9]，利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部的處理器，按照已設(shè)定的公式計(jì)算劑量率。液晶顯示模塊用來顯示測量結(jié)果以及控制菜單，并與控制鍵盤一起組成人機(jī)接口讓操作人員對(duì)中子劑量儀進(jìn)行控制操作。測量結(jié)果以及設(shè)置的參數(shù)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器EEPOM，通過RS232接口將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中供記錄和分析；當(dāng)測量的劑量率超過設(shè)定的閾值，本儀器會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)；同時(shí)還設(shè)置了時(shí)間顯示以及電源欠壓報(bào)警功能，如果電源電壓低于設(shè)定的值，此時(shí)代表儀器處于不正常工作狀態(tài)，需要對(duì)電池充電或更換電池。

6 電路測試與分析

針對(duì)放大電路方案實(shí)際制作PCB電路板(圖8)，并在天然本底條件下和Am-Be中子源環(huán)境下對(duì)放大電路進(jìn)行實(shí)際測試，通過長時(shí)間測量所得到的結(jié)果來判斷該電路穩(wěn)定計(jì)數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。圖9為實(shí)際捕獲的中子信號(hào)波形圖，其中線①代表前置放大器的輸出，線②代表幅度甄別器輸出波形。

根據(jù)電荷前置放大器的輸出信號(hào)幅度公式為：

式中，Wp為粒子的入射能量；M為氣體放大倍數(shù)；e為電子電荷；We為產(chǎn)生一對(duì)電子-粒子對(duì)所需的平均能量。在本設(shè)計(jì)中反饋電容為1 pF；對(duì)于3He正比計(jì)數(shù)器(SP9)，其工作電壓為850 V，M為20，We為35 eV，Wp為756 keV，則其輸出的信號(hào)幅度大概為70 mV；對(duì)于BeF3正比計(jì)數(shù)器，工作電壓為1 800 V，M一般取10-40，Wp為2.792 MeV或2.31MeV；則其輸出的信號(hào)最大幅度為610 mV。這與圖9中的中子信號(hào)波形圖的數(shù)據(jù)相符。

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的模擬信號(hào)，對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行相關(guān)性能的測試，給出了如下電路的主要性能指標(biāo)（測試信號(hào)為Vpp=100 mV的三角波）：

(1) 前置放大器的變換增益為1.3×1012V·C-1，前置放大器的輸出信號(hào)上升時(shí)間約為20 ns，放大電路本身噪聲小于10 mV，放大電路工作電壓為±5 V，工作電流為16 mA。

圖8 放大電路PCB板Fig.8 PCB of amplifier circuit.

圖9 天然本底下捕捉的中子波形圖(a) 3He計(jì)數(shù)管捕捉波形圖，(b) BF3計(jì)數(shù)管捕捉波形圖Fig.9 Waveforms of signal with Neutron. (a) Waveform of signal with 3He counter, (b) Waveform of signal with BF3 counter

(2) 計(jì)數(shù)率：對(duì)放大電路實(shí)際測試中信號(hào)的頻率達(dá)到100 kHz時(shí)，仍然有完整的負(fù)脈沖輸出，此時(shí)仍能正常工作；對(duì)7脈沖計(jì)數(shù)器實(shí)際測量中輸入方波信號(hào)測試當(dāng)頻率達(dá)到1 MHz時(shí)，仍能完整計(jì)數(shù)。

(3) 功耗測試：高壓電源模塊為天津森泰爾技術(shù)有限公司所生產(chǎn)，其功耗約為150 mW，以CPLD為核心的7通道脈沖計(jì)數(shù)器和以MSP430為單片機(jī)的儀控電路的功耗約為80 mW。

7 結(jié)語

根據(jù)二元慢化型中子劑量儀探頭結(jié)構(gòu)以及劑量估算方法的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一套由電源管理、放大電路、7通道脈沖計(jì)數(shù)器以及基于MSP430單片機(jī)的控制電路組成的電子學(xué)系統(tǒng)，該電子學(xué)系統(tǒng)符合該儀器的設(shè)計(jì)要求，能夠完成信號(hào)采集、劑量（率）計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸、儀表控制等功能，但需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)減小實(shí)際電路的體積大小以及功耗要求。

1 李桃生. 中子輻射防護(hù)監(jiān)測儀表的發(fā)展?fàn)頪J]. 輻射防護(hù)通訊, 2003, 23(2): 16-20 LI Taosheng. Status of neutron monitoring meters for radiation protection purpose[J]. Radiation Protection Bulletin, 2003, 23(2): 16-20

2 Leake J W. Spherical dose equivalent neutron detector type 0075 A recommendation for change in sensitivity[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1989, 178: 287-288

3 樂智希, 李桃生, 焦南杰, 等. 二元慢化型高能中子劑量探測的影響因素研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2010，44(S0): 467-471 YUE Zhixi, LI Taosheng, JIAO Nanjie, et al. Study on influence of dual-moderated type dose detectors for high-energy neutrons[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(S0): 467-471

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9 王之英, 樓濱喬，朱俊杰，等. 核電子技術(shù)原理[M]. 北京: 原子能出版社, 1989 WANG Zhiying, LOU Binqiao, ZHU Junjie, et al. The principle of nuclear electronics[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1989

CLCTL821

Design of the electronics system of neutron dosimeter of a single sphere with multi-counters

HONG Bing1LI Taosheng1,2ZHANG Zhiyong3YAN Qiang1WANG Chenglong1DONG Liang1SU Zhe1
1(Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
2(Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230000, China)
3(Beijing RadiTec Co., Beijing 100093, China)

Background: A single sphere moderator and high sensitivity multi-counter (SMMC) is designed for portable neutron dosimeter.Purpose:In order to use the SMMC for practical application, the design of the electronics system is required to satisfy the requirement of the signal processing of SMMC.MethodsThe system was mainly composed of the amplifier circuits, nuclear pulse shaped circuit, pulse amplitude discriminate circuits, instrument control circuit and power management circuit. Each of these components was designed and implemented for experimental evaluation.Results:Experimental results show that this electronic system could work stably and satisfy the design requirements.Conclusion:The electronics system could satisfy the function requirements of the new neutron dosimeter. The main functions of signal acquisition and amplifying, pulse discrimination, counting, instrument control, etc. were realized by the system.

Neutron detector, Amplification circuit, Complex Programmable Logic Device (CPLD), MSP430 microcontroller

TL821

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110401

針對(duì)早期雷姆儀和目前已經(jīng)應(yīng)用的多慢化體型中子劑量儀、單球計(jì)數(shù)分區(qū)型劑量儀等對(duì)高能中子能量響應(yīng)不理想以及估算方法較復(fù)雜等缺點(diǎn)[1-2]，設(shè)計(jì)了一套二元慢化型高能中子劑量儀探頭[3]，使上述問題得到了補(bǔ)償，該探頭由聚乙烯作為慢化體，1個(gè)3He正比計(jì)數(shù)管(型號(hào)SP9)和6個(gè)BF3正比計(jì)數(shù)器(型號(hào)7.6EB70/13M)，提高高能中子響應(yīng)的鉛層組成，利用3He計(jì)數(shù)器與6個(gè)BF3計(jì)數(shù)器的注量響應(yīng)之比確定與能量成單調(diào)關(guān)系的參數(shù)，通過參數(shù)確定中子能量，最后求得周圍劑量當(dāng)量的修正因子，修正周圍劑量當(dāng)量的能量響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為使該探頭實(shí)用化，需要設(shè)計(jì)一套與之相應(yīng)的電子學(xué)信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)上述7個(gè)中子探測器輸出的脈沖信號(hào)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，因此必須配置設(shè)計(jì)由7路放大電路、濾波成形與幅度甄別電路組成的信號(hào)放大處理電路。為了同時(shí)獲得該7路脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，需設(shè)計(jì)一個(gè)7通道脈沖計(jì)數(shù)電路對(duì)該探頭的7路脈沖計(jì)數(shù)?？紤]對(duì)儀器便攜性的要求，采用一個(gè)低功耗單片機(jī)作為儀器的控制處理單元，來完成對(duì)7通道脈沖計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)采集、劑量計(jì)算、人機(jī)界面顯示及上機(jī)通信等功能。本電子學(xué)系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 中子劑量儀探頭結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.1 Scheme of the neutron dosimeter.

圖2 電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2 Scheme of the electronics system.

洪兵，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于南華大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

李桃生，E-mail: taoshengli4465@sina.com

2014-02-21，

2014-05-13