劉君紅,宋朝暉，2,譚新建，2,李 剛,張 侃,盧 毅

(1.西北核技術(shù)研究所,西安710024; 2.強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

兼具觸發(fā)功能和波形測(cè)量的閃爍探測(cè)系統(tǒng)

劉君紅1,宋朝暉1，2,譚新建1，2,李 剛1,張 侃1,盧 毅1

(1.西北核技術(shù)研究所,西安710024; 2.強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

利用無(wú)源低通濾波和無(wú)源衰減器技術(shù)，研制了一種兼具觸發(fā)功能和波形測(cè)量的閃爍探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效避免了宇宙射線及暗噪聲對(duì)探測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)功能的影響，克服了由于阻抗失配造成的時(shí)域反射對(duì)探測(cè)器波形測(cè)量帶來(lái)的干擾，解決了脈沖輻射場(chǎng)波形測(cè)量中單套閃爍探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和脈沖波形無(wú)畸變測(cè)量的技術(shù)難題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)既能確保觸發(fā)功能的可靠性，又能實(shí)現(xiàn)脈沖波形測(cè)量的準(zhǔn)確性，有效提高了系統(tǒng)效能。同時(shí)，利用該系統(tǒng)對(duì)宇宙射線的響應(yīng)特征，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

閃爍探測(cè)系統(tǒng)；觸發(fā)功能；波形測(cè)量；信號(hào)衰減器；低通濾波器

signal attenuator;low-pass filter

由光電倍增管配合閃爍體構(gòu)成的閃爍探測(cè)器是脈沖輻射場(chǎng)波形測(cè)量中應(yīng)用最廣的一類探測(cè)系統(tǒng)[1-5]。當(dāng)脈沖輻射進(jìn)入閃爍體時(shí)，閃爍體中的原子受激產(chǎn)生熒光，利用光收集部件將熒光收集照射到光電倍增管光陰極表面，光子在光陰極上打出光電子，光電子在各倍增極上倍增，被陽(yáng)極收集輸出電流信號(hào)。通過(guò)測(cè)量、分析電信號(hào)的波形特征，可對(duì)脈沖輻射波形的類別、強(qiáng)度、能量等參數(shù)進(jìn)行診斷。該過(guò)程被稱為波形測(cè)量。

在對(duì)脈沖輻射源產(chǎn)生的單個(gè)輻射脈沖，或多個(gè)具有時(shí)間和物理因果關(guān)系的輻射類型相同或不同的輻射脈沖進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不僅需要測(cè)量出每個(gè)輻射脈沖的時(shí)間特性，而且需要測(cè)量出各相關(guān)脈沖在時(shí)間上的相對(duì)關(guān)系，這些時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)分析相關(guān)輻射脈沖及其發(fā)展過(guò)程、研究它們之間的內(nèi)在規(guī)律是十分重要的[6]。為獲得各相關(guān)輻射脈沖的時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，可應(yīng)用閃爍探測(cè)器選取某個(gè)輻射脈沖波形前沿幅度作為觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸系統(tǒng)到達(dá)觸發(fā)同步機(jī)記錄端，經(jīng)相應(yīng)的電子學(xué)處理后，觸發(fā)其他輻射脈沖波形的電子學(xué)記錄系統(tǒng)，由此將各相關(guān)輻射脈沖的特征時(shí)刻統(tǒng)一在時(shí)間坐標(biāo)上，完成各輻射脈沖間的時(shí)間特性關(guān)聯(lián)。為統(tǒng)一時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系而設(shè)計(jì)的閃爍探測(cè)器被稱為觸發(fā)功能探測(cè)器。

對(duì)脈沖輻射場(chǎng)測(cè)量時(shí)，觸發(fā)功能探測(cè)器和脈沖輻射波形探測(cè)器分別置于設(shè)計(jì)好的測(cè)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)量進(jìn)行測(cè)量。各探測(cè)器具有獨(dú)立的測(cè)試空間和測(cè)量目標(biāo)，探測(cè)器的設(shè)計(jì)、調(diào)試要求明確，功能劃分清晰。而在某些測(cè)量中，由于受實(shí)驗(yàn)要求和操作空間的限制，探測(cè)系統(tǒng)的布放數(shù)量有限。此時(shí)，使用盡量少的探測(cè)系統(tǒng)完成盡量多的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)功能，是解決復(fù)雜信號(hào)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的關(guān)鍵。本文介紹的閃爍探測(cè)系統(tǒng)，可在脈沖輻射場(chǎng)波形測(cè)量中由單套探測(cè)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和對(duì)脈沖波形的測(cè)量診斷。

1 探測(cè)系統(tǒng)兼顧兩種功能面臨的問(wèn)題

對(duì)低強(qiáng)度脈沖輻射測(cè)量時(shí)，使用閃爍探測(cè)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能和波形測(cè)量有一定困難。兩種功能的閃爍探測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立使用時(shí)，對(duì)各自的應(yīng)用要求不同。對(duì)用于波形測(cè)量的閃爍探測(cè)器，要求其輸出信號(hào)無(wú)畸變、波形光滑、統(tǒng)計(jì)起伏小、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。因此，設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)應(yīng)盡可能選擇大體積閃爍體，并與靈敏度低、信噪比高、線性動(dòng)態(tài)范圍大的光電倍增管構(gòu)成探測(cè)系統(tǒng)；而對(duì)用于觸發(fā)功能的探測(cè)系統(tǒng)，要求其輸出信號(hào)幅度大、觸發(fā)精確、觸發(fā)可靠性強(qiáng)、抗干擾能力好，同時(shí)，由于觸發(fā)點(diǎn)通常選擇在脈沖波形的起始端，此時(shí)，脈沖輻射粒子通量密度低，因此，必須選擇高靈敏度光電倍增管與閃爍體配合構(gòu)成探測(cè)系統(tǒng)。

具有觸發(fā)功能的高靈敏度閃爍探測(cè)器，在對(duì)低強(qiáng)度脈沖輻射測(cè)量時(shí)，由于總粒子數(shù)有限，到達(dá)探測(cè)器的粒子數(shù)目比較少，統(tǒng)計(jì)起伏對(duì)探測(cè)器輸出波形的影響較為嚴(yán)重。為了保證波形質(zhì)量，通常采用增大探測(cè)器的有效受照面積以增加接收到的粒子數(shù)。但由于宇宙射線無(wú)處不在，高能宇宙射線很容易在大體積的閃爍體中沉積能量，從而產(chǎn)生大幅度的干擾信號(hào)，造成觸發(fā)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，影響觸發(fā)系統(tǒng)的可靠性。

圖1是9815B型光電倍增管配合大體積ST401閃爍體構(gòu)成的高靈敏閃爍探測(cè)器對(duì)宇宙射線實(shí)時(shí)響應(yīng)的典型波形。由圖可見(jiàn)，探測(cè)器響應(yīng)宇宙射線輸出的信號(hào)幅度可達(dá)十幾伏，并且信號(hào)隨機(jī)產(chǎn)生。這些隨機(jī)產(chǎn)生的大幅度信號(hào)很容易造成觸發(fā)系統(tǒng)的誤動(dòng)作。

圖1 宇宙射線實(shí)測(cè)波形Fig.1Measured waveform of cosmic rays

為了消除光電倍增管暗脈沖或宇宙射線脈沖等隨機(jī)信號(hào)的干擾，根據(jù)干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)頻譜特征的不同，設(shè)計(jì)了專用的濾波電路。由于使用同一個(gè)探測(cè)器，濾波技術(shù)的應(yīng)用會(huì)對(duì)另一路的波形測(cè)量帶來(lái)嚴(yán)重影響，突出表現(xiàn)為因阻抗失配和微分電路而導(dǎo)致的波形畸變。

為觀察濾波對(duì)測(cè)量波形的影響，在實(shí)驗(yàn)室使用脈沖信號(hào)發(fā)生器模擬了一個(gè)與待測(cè)波形信號(hào)特征相似的電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，由光電倍增管響應(yīng)這個(gè)光信號(hào)后分別輸入示波器的ch1、ch2信道，模擬實(shí)驗(yàn)框圖如圖2(a)所示。當(dāng)連接到ch2信道的傳輸通路不接低通反相單元時(shí)，測(cè)量到的兩路輸出信號(hào)的特征相同，如圖2(b)所示，圖中ch1信道輸出對(duì)應(yīng)1號(hào)波形，ch2信道輸出對(duì)應(yīng)2號(hào)波形。而在ch2信道傳輸通路加上低通反相單元后，從所測(cè)波形可觀察到ch1輸出波形幅度發(fā)生變化，脈沖后沿有過(guò)沖，如圖2(c)所示。

(a)Block diagram of simulating test

(b)Waveforms without LPF inverter unit

(c)Waveforms with LPF inverter unit

由圖2可見(jiàn)，一套探測(cè)系統(tǒng)若要同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠觸發(fā)功能和無(wú)畸變波形測(cè)量，必須解決暗脈沖及宇宙射線對(duì)探測(cè)器正確觸發(fā)動(dòng)作的干擾，及阻抗失配和微分電路引發(fā)的另一路測(cè)量波形畸變等問(wèn)題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)功能

兼具兩種功能的閃爍探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮3個(gè)方面：

1)由于觸發(fā)功能探測(cè)器的靈敏度比波形測(cè)量探測(cè)器的靈敏度高1個(gè)量級(jí)以上，在設(shè)計(jì)兼顧兩種功能的探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，選擇了高增益的光電倍增管配合閃爍體構(gòu)成高靈敏度探測(cè)器，但需對(duì)光電倍增管的供電分壓器進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)降低探測(cè)器靈敏度，并根據(jù)觸發(fā)功能的觸發(fā)閾值范圍，適當(dāng)提高觸發(fā)閾值，從而兼顧全波形探測(cè)器的靈敏度應(yīng)用需求。

2)為適應(yīng)觸發(fā)功能而選用的高靈敏度光電倍增管，與保證波形測(cè)量功能而應(yīng)用的大體積閃爍體配合，提高了探測(cè)器響應(yīng)宇宙射線的效率，因此，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)器對(duì)宇宙射線的響應(yīng)，分析監(jiān)測(cè)波形的頻率特征，并根據(jù)對(duì)宇宙射線及待測(cè)波形的信號(hào)特征分析，選取低通濾波導(dǎo)通、截止頻帶及反相帶通頻率等參數(shù)，設(shè)計(jì)制作低通反相單元，以確保觸發(fā)功能的可靠性。

3)低通濾波反相單元的加入使得波形測(cè)量分路的信號(hào)發(fā)生畸變，因此，在實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能的信號(hào)端，加入由無(wú)源寬帶衰減器和低噪聲放大器構(gòu)成的阻抗匹配單元，利用無(wú)源寬帶衰減器對(duì)正、負(fù)向信號(hào)都衰減，回波損耗小的性能，可有效避免由阻抗失配造成的時(shí)域反射對(duì)波形測(cè)量的不利影響，再利用低噪聲放大器放大信號(hào)幅度，確保觸發(fā)功能的高閾值觸發(fā)。

設(shè)計(jì)的兼具觸發(fā)功能和波形測(cè)量的閃爍探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兼具觸發(fā)功能和波形測(cè)量的閃爍探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3Block diagram of the new scintillation detection system with functions of triggering and waveforms measurement

待測(cè)輻射脈沖波形由閃爍探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出電流信號(hào)，高壓電源為閃爍探測(cè)器的光電倍增管分壓器提供穩(wěn)定直流工作電壓，確保光電倍增管穩(wěn)定可靠工作。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻同軸電纜傳輸至功分器實(shí)行分路，根據(jù)信號(hào)分配比例可以制作成等分或不等分的分配關(guān)系，功分器的輸入、輸出阻抗為50 Ω。由功分器分配后的信號(hào)一路作為觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能，另一路實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)波形的測(cè)量。

觸發(fā)信號(hào)的傳輸及記錄系統(tǒng)包括阻抗匹配單元、低通反相單元、觸發(fā)記錄單元。其中，阻抗匹配單元包括同軸功率衰減器和低噪聲放大器，可保證電流信號(hào)分路后的兩路信號(hào)在傳輸過(guò)程中阻抗匹配，不影響各自的測(cè)量。低通反相單元包括低通濾波器和反相器，功能是通過(guò)低通濾波器將待測(cè)波形與探測(cè)器自身的暗脈沖及宇宙射線產(chǎn)生的干擾波形選擇性分開(kāi)，在觸發(fā)脈沖信號(hào)通過(guò)的同時(shí)，阻隔暗脈沖及宇宙射線可能造成的誤動(dòng)作，以確保觸發(fā)可靠性。低通濾波器的截止頻率由待測(cè)波形的頻帶特征決定，可通過(guò)Altium Designer軟件模擬電路最佳濾波效果，將低通設(shè)計(jì)為一階或多階形式的濾波器。光電倍增管輸出的待測(cè)波形信號(hào)極性為負(fù)，通過(guò)反相器將負(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為正信號(hào)，以滿足后端精密同步機(jī)正極性觸發(fā)閾值設(shè)置的要求。觸發(fā)記錄單元由精密同步機(jī)記錄通道及示波器記錄信道構(gòu)成，并與信號(hào)分路器輸出端相連，可實(shí)現(xiàn)多路觸發(fā)同步信號(hào)輸出和特征時(shí)刻的時(shí)間關(guān)聯(lián)記錄。

波形測(cè)量分路信號(hào)的傳輸及記錄系統(tǒng)包括幅度調(diào)整單元和波形記錄單元。幅度調(diào)整單元由多個(gè)并聯(lián)的衰減器或放大器構(gòu)成，波形記錄單元完成對(duì)幅度調(diào)整后的無(wú)畸變信號(hào)的數(shù)據(jù)記錄及保存。

利用高靈敏度大體積閃爍探測(cè)器對(duì)宇宙射線實(shí)時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)，可將波形測(cè)量記錄單元的示波器觸發(fā)方式由外觸發(fā)模式轉(zhuǎn)換為自觸發(fā)模式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)閃爍探測(cè)器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。這樣，在閃爍探測(cè)器被工程化安裝于密封環(huán)境中時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，可簡(jiǎn)易有效地判斷其工作狀態(tài)是否處于正常。

3 測(cè)試考核與應(yīng)用

首先，對(duì)低通反相單元確保觸發(fā)功能的可靠性進(jìn)行考核。

圖4為設(shè)計(jì)的低通濾波器的原理圖。其中，電感L與電容C的選取滿足下列關(guān)系：

(1)

其中，Z0為傳輸特性阻抗；fc為低通濾波器-3 dB的截止頻率。運(yùn)用集成脈沖變壓器及其輔助電路構(gòu)成反相器，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器輸出波形由負(fù)極性變換為正極性，以滿足精密觸發(fā)同步機(jī)輸入正信號(hào)的要求。

圖4 低通濾波器原理圖Fig.4Schematic of the low-pass filter

對(duì)低通反相單元性能進(jìn)行72 h連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方法為：閃爍探測(cè)器加電正常工作，實(shí)時(shí)響應(yīng)空間宇宙射線，其信號(hào)輸出端連接低通反相單元后，接入監(jiān)測(cè)示波器信道，示波器觸發(fā)方式選定為單次自觸發(fā)，觸發(fā)閾值設(shè)置為3 V。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在72 h監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，示波器無(wú)動(dòng)作，低通反相單元有效避免了閃爍探測(cè)器的誤觸發(fā)。

其次，對(duì)阻抗匹配單元的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。阻抗匹配單元和低通反相單元在信號(hào)傳輸通路上的連接順序如圖5所示。

圖5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)框圖Fig.5Diagram of the testing experiment

由脈沖信號(hào)發(fā)生器模擬待測(cè)信號(hào)波形特征輸出一個(gè)模擬電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)分路后分別被記錄到示波器的ch1、ch3信道。在ch3信道傳輸通路上不接和接上阻抗匹配單元及低通反相單元兩種情況下，記錄模擬待測(cè)波形的ch1通道輸出波形特征，如表1所列。

表1 信號(hào)特征比較Tab.1Comparison of signal characteristics

由表1可見(jiàn)，各特征值間的相對(duì)偏差均小于3%，說(shuō)明阻抗匹配單元的應(yīng)用能夠確保ch1信道波形無(wú)畸變。

本文設(shè)計(jì)的閃爍探測(cè)系統(tǒng)已成功實(shí)現(xiàn)相關(guān)特征時(shí)刻的觸發(fā)關(guān)聯(lián)功能，獲得了完整的待測(cè)波形數(shù)據(jù)，如圖6所示。其中，ch1信道記錄的波形是本文設(shè)計(jì)的閃爍探測(cè)系統(tǒng)對(duì)待測(cè)波形的測(cè)量結(jié)果，對(duì)應(yīng)圖6中的1號(hào)波形，ch2信道記錄的波形是相鄰測(cè)試位置獨(dú)立測(cè)量待測(cè)波形的閃爍探測(cè)器獲得的測(cè)量結(jié)果，對(duì)應(yīng)圖6中的2號(hào)波形。數(shù)據(jù)處理表明，兩個(gè)波形的積分面積之差小于3%，說(shuō)明波形數(shù)據(jù)在不確定度范圍內(nèi)是一致的。

圖6 應(yīng)用實(shí)例Fig.6Application examples

4 結(jié)論

成功研制了一種兼顧觸發(fā)功能及波形測(cè)量的閃爍探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在測(cè)量技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)了由單套閃爍探測(cè)系統(tǒng)同時(shí)完成兩項(xiàng)測(cè)試目標(biāo)的任務(wù)；在測(cè)量方法方面，有效提高了探測(cè)系統(tǒng)效能；在工程實(shí)施中，既節(jié)省測(cè)量空間又節(jié)約了寶貴的傳輸系統(tǒng)資源。該系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化脈沖輻射場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)、提升復(fù)雜環(huán)境下的脈沖輻射場(chǎng)測(cè)量技術(shù)水平具有重要意義。同時(shí)，該探測(cè)系統(tǒng)還具有可靠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身運(yùn)行狀態(tài)的功能，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11575146；11205122)

劉君紅(1975- )，女，河南汝南人，實(shí)驗(yàn)師，本科，主要從事核電子學(xué)相關(guān)技術(shù)研究。

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2095-6223(2016)041205(5)