陳 煉 梁福田 王寶琛 金 革

基于球譜儀的中子劑量率儀設(shè)計(jì)

陳 煉 梁福田 王寶琛 金 革

（核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

研制了一套基于球譜儀的中子劑量率儀。采用單個(gè)慢化球及位置靈敏計(jì)數(shù)器的探測結(jié)構(gòu)，通過單次測量即可計(jì)算出中子劑量等信息。在基于電荷分配法的讀出電路中，通過對電荷靈敏放大器及濾波成型電路的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使探測器系統(tǒng)的平均位置分辨達(dá)到6mm。利用硬件尋峰等數(shù)字信號處理技術(shù)，使數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的最高計(jì)數(shù)率達(dá)到200 k·s?1，滿足劑量率儀實(shí)時(shí)性的要求。

中子劑量率儀，位置靈敏計(jì)數(shù)器，電荷分配法，數(shù)字脈沖處理

20世紀(jì)60年代，Bramblett等[1]提出了利用多球系統(tǒng)測量中子能譜的方法。多球譜儀由一系列中心放置熱中子探測器的不同直徑慢化球組成，慢化球的最小直徑增量為12.7mm。根據(jù)測量計(jì)數(shù)和能譜響應(yīng)函數(shù)，就可以通過解譜算法求解出中子能譜。由于中子能量響應(yīng)峰值與慢化球直徑之間并沒有線性對應(yīng)關(guān)系[2]，因此在不同輻射場中使用時(shí)，需要的慢化球數(shù)量及大小也不盡相同，這使得多球譜儀使用起來十分不便。

Toyokawa[3]發(fā)展了基于位置靈敏計(jì)數(shù)器的單球中子譜儀。該譜儀通過位置靈敏探測器將一個(gè)慢化球分成不同的計(jì)數(shù)區(qū)，僅需一次測量就可以獲得與BSS譜儀近似的能譜結(jié)果，大大簡化了譜儀的使用復(fù)雜度。由于基于球型能譜儀的中子劑量率儀具有近似各向同性的能量響應(yīng)及較寬的能量測量范圍，其給出的劑量當(dāng)量值也更為可信，因而在中子輻射防護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。

在能譜型中子劑量率儀中，通過測量慢化球不同位置處的中子注量，求解出輻射場的中子能譜，再利用注量劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)就可以計(jì)算出中子周圍劑量當(dāng)量，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度依賴于能量區(qū)間的劃分和幾何模型的精確描述。為此我們設(shè)計(jì)了基于單球中子譜儀的能譜型中子劑量率儀系統(tǒng)，利用高位置分辨實(shí)現(xiàn)對慢化球的準(zhǔn)確區(qū)域劃分，以使中子劑量的測量更為準(zhǔn)確。

1 基于球譜儀的中子劑量率儀結(jié)構(gòu)

基于球譜儀的中子劑量率儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中子劑量率儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spectrometric neutron dosimeter.

中子劑量率儀由探測器系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。其中探測器系統(tǒng)采用直徑30cm的聚乙烯球作為慢化體，并按互相垂直的方式將三根位置靈敏計(jì)數(shù)器安裝在慢化球內(nèi)，計(jì)數(shù)器相互間的軸心間距為7mm。計(jì)數(shù)器的有效長度為250mm，外徑為12.7mm，管壁材料為304不銹鋼。計(jì)數(shù)氣體為He-3，氣壓為8×105Pa。電子學(xué)系統(tǒng)包括電荷靈敏放大器及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)等。

2 電荷分配法原理

電荷分配法原理如圖2所示。其中Cb為探測器的隔直電容，Cf、Rf為反饋電容與反饋電阻。

反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子經(jīng)電離、倍增后被兩端的陽極絲收集。根據(jù)電荷分配原理，兩端收集的電荷與入射點(diǎn)到兩端的電阻成反比。這些電荷經(jīng)電荷靈敏放大器放大后，輸出一定幅度的電壓信號，則中子入射位置與兩端輸出電壓信號關(guān)系可表示為：

式中，L為探測器的有效長度；x為中子入射點(diǎn)位置；R為探測器陽極絲的總電阻；r1、r2為入射點(diǎn)到陽極絲兩端的電阻；q1、q2為陽極絲兩端收集到的電荷；V1、V2為前端電路輸出電壓信號的幅度。考慮在非理想情況下，電荷靈敏放大器的輸入阻抗、隔直電容的等效阻抗以及連接線纜等都會(huì)對電荷分配造成影響，假設(shè)這些因素帶來的額外阻抗為ε，則此時(shí)兩端輸出電壓的關(guān)系為：

即兩端輸出電壓與中子入射位置仍具有線性關(guān)系，但會(huì)受到ε的影響。ε越大，兩者線性關(guān)系的斜率就越小，即位置分辨的動(dòng)態(tài)范圍就越小；而R越大，ε所帶來的影響就越小。為獲得較好的位置分辨，在選擇探測器時(shí)，陽極絲應(yīng)具有較高的電阻率；而當(dāng)探測器選定時(shí)，則應(yīng)優(yōu)化前端電子學(xué)尤其是電荷靈敏放大器的設(shè)計(jì)。

3 電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電荷靈敏放大器設(shè)計(jì)

電荷靈敏放大器原理如圖3所示，其中Cd、Cs、Cin分別為探測器的結(jié)電容、分布電容和放大器的輸入電容，A0為放大器的開環(huán)增益。

圖3 電荷靈敏放大器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of charge-sensitive amplifier.

當(dāng)探測器輸出電荷Qin時(shí)，在放大器輸入端形成的電壓信號Uin可表示為：

當(dāng)(1+A0)Cf＞＞Cd+Cb+Cs+Cin滿足時(shí)，放大器輸出信號幅度為：

其反饋系數(shù)為：

在電荷靈敏前放中，隔直電容Cb會(huì)帶入電荷平衡效應(yīng)，從而影響探測器位置分辨的動(dòng)態(tài)范圍，Cb越小影響越明顯[5]；Cb選擇過大，則會(huì)使反饋系數(shù)變小。反饋電容Cf決定了電荷放大的靈敏度，其容值越穩(wěn)定，則輸出信號的幅度也能保持恒定，同時(shí)小容值的Cf能獲得更大的輸出信號幅度；但Cf選擇過小，則反饋系數(shù)就越小，電路的穩(wěn)定性就會(huì)變差。反饋電容Cf通過反饋電阻Rf進(jìn)行放電，同時(shí)放電的時(shí)間常數(shù)也決定了系統(tǒng)的最大計(jì)數(shù)率。為減小彈道虧損的影響，Rf應(yīng)選擇較大的電阻，但Rf越大，放電時(shí)間常數(shù)就越大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的最大計(jì)數(shù)率變低。放大器的開環(huán)增益決定了電路的工作狀態(tài)，運(yùn)放的輸入阻抗越大、增益帶寬積越寬，電路的穩(wěn)定性就越好。

綜合考慮信噪比、反饋深度、最大計(jì)數(shù)率等因素，我們選擇了100pF的隔直電容、1pF的反饋電容、10M?的反饋電阻以及帶寬為1.6GHz的OPA657實(shí)現(xiàn)電荷靈敏放大器設(shè)計(jì)。

3.2 濾波成形電路設(shè)計(jì)

從電荷靈敏放大器輸出的信號通?；祀s著較多的噪聲，因此需要通過濾波成形電路來提高信噪比。根據(jù)最佳濾波原理，可以先用白化濾波器將噪聲變?yōu)榘自肼?，再利用匹配濾波器獲得最佳信噪比。由于在實(shí)際電路中白化濾波器后的匹配濾波基本是無法實(shí)現(xiàn)的，因此濾波成型電路采用設(shè)計(jì)如圖4所示，使用CR高通濾波器來實(shí)現(xiàn)白化，并使用有源濾波器實(shí)現(xiàn)多級RC積分電路來近似匹配濾波器。該電路時(shí)間常數(shù)選擇為1μs，在獲得較好的信噪比的同時(shí)，輸出波形也接近于高斯波形，方便幅度分析使用。

圖4 濾波成型電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of filter and shaping circuit.

3.3 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了及時(shí)了解中子周圍劑量當(dāng)量的變化，需要中子劑量率儀能實(shí)時(shí)給出中子能譜、總注量及總劑量等相應(yīng)信息。而基于傳統(tǒng)多道模式的采集系統(tǒng)由于死時(shí)間較長，使系統(tǒng)計(jì)數(shù)率受到限制，為此我們設(shè)計(jì)了基于FPGA (Field Programmable Gate Array)的高計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，以滿足劑量率儀數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性的要求。

數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。由濾波成形電路輸出的信號，經(jīng)主放放大后由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter, ADC)進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)直接送入FPGA。當(dāng)中子擊中位置靈敏探測器時(shí)，會(huì)在探測器兩端同時(shí)產(chǎn)生信號，因此通過時(shí)間符合邏輯就可以將偶然觸發(fā)的單端信號剔除。在完成事例選擇后，利用快速硬件尋峰算法找出對應(yīng)的兩個(gè)信號峰值，并計(jì)算出粒子入射位置。然后根據(jù)事先確定的區(qū)域劃分方法，對不同區(qū)域的粒子入射數(shù)做統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)完成的數(shù)據(jù)由USB總線傳輸至上位機(jī)，利用解譜算法求解出中子能譜，進(jìn)而給出中子劑量等信息。利用FPGA內(nèi)部的硬件資源，使信號處理過程與信號采集同步完成，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)并不產(chǎn)生額外的死時(shí)間，從而保證了劑量率儀實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)系統(tǒng)還通過FPGA控制高壓模塊，為探測器提供工作電壓。

圖5 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Block diagram of data acquisition system.

4 電子學(xué)性能測試

4.1 計(jì)數(shù)率測試

使用Agilent 33250A型信號發(fā)生器進(jìn)行計(jì)數(shù)率測試。測試結(jié)果表明，在成型濾波電路的時(shí)間常數(shù)選擇為1μs時(shí)，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以達(dá)到200 k·s?1的最高計(jì)數(shù)率。由于電荷靈敏放大器的放電時(shí)間常數(shù)為10μs，探測器的最大計(jì)數(shù)率小于100 k·s?1，因此系統(tǒng)完全能滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取的需求。

4.2 一致性和信噪比測試

我們使用信號發(fā)生器對電子學(xué)系統(tǒng)的一致性和信噪比進(jìn)行了測試。由信號發(fā)生器輸出固定幅度的方波經(jīng)電容微分后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定幅值的電流脈沖作為測試信號，同時(shí)輸入兩個(gè)前置放大器后，由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)采集兩路信號峰值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。測試結(jié)果如圖6所示，經(jīng)高斯擬合后兩通道峰值位置分別為7110和7073道，其相對偏差為0.5%，半高寬分別為46.61和37.56，計(jì)算得到信噪比分別為51.11dB、52.94dB。

圖6 固定輸入下雙通道輸出幅度譜Fig.6 Amplitude spectra of two channels with fixed input.

4.3 位置分辨測試

我們使用一臺小型加速器中子源對系統(tǒng)進(jìn)行了位置分辨率測試。測試時(shí)，14MeV的中子束通過100mm厚的聚乙烯慢化至熱中子能區(qū)。He-3探測器放置在兩塊包裹鎘套的含硼聚乙烯及鉛磚屏蔽體之后。兩塊屏蔽體之間留有約1mm的縫隙。測量時(shí)縫隙距離He-3管的左端距離分別為15mm、35mm、60mm、90mm、125mm、160mm、190mm、215mm及235mm。測量結(jié)果如圖7所示，在探測器的有效長度內(nèi)，中子入射位置與測量結(jié)果具有較好的線性度。探測器中心的位置分辨達(dá)到了3.5mm，由于電荷平衡等效應(yīng)的影響，兩端的位置分辨慢慢變差，其平均分辨為6.1mm，能滿足對應(yīng)BBS譜儀最小12.7mm增量的區(qū)域劃分需求。

圖7 位置分辨測試結(jié)果 (a) 相對位置-計(jì)數(shù)分布圖，(b)中子入射位置與相對位置關(guān)系圖，(c) 相對位置分辨示意圖Fig.7 Test result of position resolution. (a) Relative position and counter, (b) Incident position and relative position, (c) Incident position and position resolution

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于位置靈敏探測器的能譜型中子劑量率儀。通過優(yōu)化電荷靈敏放大器及濾波成型電路的參數(shù)選擇，使系統(tǒng)具有較高的信噪比及較好的位置分辨。測試的結(jié)果表明電荷靈敏放大器具有超過50dB的信噪比，且不同通道間的一致性差異小于0.5%。位置靈敏探測器的位置分辨具有較好的線性度，平均分辨達(dá)到6.1mm，滿足了中子劑量計(jì)算中對慢化球空間分區(qū)最小12.7mm增量的需求。而基于FPGA的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以達(dá)到200K的最高計(jì)數(shù)率，也滿足了劑量率儀數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性的需求。

1 Bramblett R L, Ewing R I, Bonner T W. A new type of neutron spectrometer[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1960, 9(1): 1-12

2 Mares V, Schraube G, Schraube H, et al. Calculated neutron response of a Bonner sphere spectrometer with3He counter[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1991, 307: 398-412

3 Toyokawa H, Uritani A, Mori C, et al. Neutron spectrometer with position-sensitive proportional counters[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1996, 381: 481-487

4 Thomas D J, Alevra A V. Bonner sphere spectrometers-a critical review[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2002, 476: 12-20

5 黃土琛, 宮輝, 邵貝貝. 位置靈敏3He管中子探測器前端電子學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 52(12): 1731-1735

HUANG Tuchen, GONG Hui, SHAO Beibei. Design of the front-end electronics for linear position-sensitive3He neutron detector[J]. Journal of Tsinghua University (Natural Science Edition), 2012, 52(12): 1731-1735

CLC TL82

Design of the neutron dosimeter based on neutron sphere spectrometer

CHEN Lian LIANG Futian WANG Baochen JIN Ge
(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: In neutron radiation protection applications, the spectrometric neutron dosimeter has almost isotropic response and can cover the energy from thermal to GeV neutrons, and the radiation filed information such as neutron spectrum and neutron dose can be calculated more accurately. Purpose: A spectrometric neutron dosimeter which has high precision and high counting rate is developed. Methods: By optimizing the parameters of the readout circuit, the position resolution of the detector system is improved and the geometric division of the spherical moderate is more accurate. Using digital pulse processing technology, the dead-time of the system is reduced. Results: The position resolution of the neutron dosimeter has good linearity, and the average resolution is about 6 mm. The high counting rate of the data acquisition system is 200 k·s?1. Conclusion: We developed a neutron dosimeter based on neutron sphere spectrometer which has high position resolution and high counting rate. The performance of the dosimeter is expected to be improved for further optimization design after the test in the radiation field.

Neutron dosimeter, Position-sensitive counter, Charge division, Digital pulse processing

TL82

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010402

項(xiàng)目(No.11375179)資助

陳煉，男，1980年出生，2012年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位

金革，E-mail: goldjin@ustc.edu.cn

2014-09-04，

2014-10-30