徐少一，李 偉，劉 翔

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

國內(nèi)廣泛應(yīng)用γ 劑量率儀表采用氣體探測器，由于氣體探測器存在體積較大、抗干擾能力較差等不易滿足特殊環(huán)境條件監(jiān)測要求等不足，其應(yīng)用范圍受到了較大限制。國內(nèi)部分堆型在主蒸汽管線上和通風(fēng)管道內(nèi)布置了在線γ 劑量率監(jiān)測儀表，要求具備體積小、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)時間快、性能穩(wěn)定等特點[1]。硅半導(dǎo)體γ 劑量率監(jiān)測儀表具有上述特點，可以滿足核電站工程應(yīng)用的實際需求，但目前硅半導(dǎo)體輻射探測器技術(shù)被國外儀器公司所壟斷，采購成本高、周期長，且無法提供直接的工廠售后服務(wù)，在設(shè)備供貨、運行維護(hù)過程中受到較大限制。為消除現(xiàn)有氣體探測器在工程應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)上的短板，實現(xiàn)硅半導(dǎo)體γ 劑量率儀表實際工程化應(yīng)用，需針對性研發(fā)一種硅半導(dǎo)體γ 劑量率監(jiān)測儀。

1 總體設(shè)計

在線硅半導(dǎo)體輻射探測器及監(jiān)測儀表系統(tǒng)組成如圖1 所示，包括探測單元、就地處理顯示單元(Local Process Display Unit,LPDU)、接線箱3 部分。

圖1 硅半導(dǎo)體輻射探測器及監(jiān)測儀表系統(tǒng)組成

探測單元是儀器的核心部分，探測單元主要由探測器信號處理模塊、硅半導(dǎo)體探測器陣列、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，溫度傳感器和自檢模塊等組成，探測器選用硅半導(dǎo)體Si-PIN(Silicon Positive Intrinsic Negative)低壓探測器（PD-Photodiode 探測器），具有良好的角響應(yīng)、能量響應(yīng)和寬量程等技術(shù)特性。

LPDU 是儀表信號處理和存儲的部件，具備對前端探測單元提供工作電壓，接收和處理來自于探測單元的初始信號等功能，同時用于和上位機(jī)（數(shù)據(jù)采集站）的通信及儀表測量數(shù)據(jù)的顯示與儲存。

接線箱是儀表外部電源輸入和儀表信號輸出的接口裝置，主要包括220 V 外部電源輸入、開關(guān)量信號、模擬量信號、數(shù)字量信號（RS485）的輸入/輸出接口。儀表主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 儀表主要技術(shù)參數(shù)

2 儀表硬件設(shè)計

根據(jù)硅半導(dǎo)體γ 劑量率監(jiān)測儀表現(xiàn)場使用的要求及儀表內(nèi)部功能的劃分，其硬件設(shè)計由3 部分組成，分別為探測單元、就地處理單元和接線箱，各部件相互聯(lián)系并實現(xiàn)各自的設(shè)計功能[3]。

2.1 探測單元結(jié)構(gòu)及基本功能

探測單元是儀器的核心部分，探測單元主要由電源轉(zhuǎn)換電路、PD 探測器陣列、探測器信號處理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、自檢模塊、溫度傳感器等組成，通過電纜與LPDU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。探測單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示，信號處理電路和探測器能量補(bǔ)償片等放置在探測單元腔體上層，溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換模塊放置在探測單元腔體下層。其中低量程部分由多個高靈敏度PD 探測器等間距分布在探測器圓形端面的外周對稱方位上。

圖2 探測單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

探測器信號處理電路對γ 輻射信號進(jìn)行I/V（電流/電壓）變換、放大、甄別、整形為電壓脈沖信號。電壓脈沖信號送入信號轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行差分信號轉(zhuǎn)換。信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的差分信號通過電纜傳送至LPDU。探測單元內(nèi)置溫度傳感器，傳感器信號通過電纜接口傳送到LPDU。探測器主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 探測器主要技術(shù)參數(shù)

探測單元內(nèi)置自檢LED 燈，LED 燈收到現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Array，F(xiàn)PGA）[4]的自檢指令后發(fā)出自檢信號，對探測單元前放電路進(jìn)行自檢。

2.1.1 探測器信號處理電路

探測器信號處理電路主要由PD 探測器陣列電路、電荷靈敏前置放大器電路、比較器電路、自檢電路等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 探測器信號處理電路流程圖

2.1.2 PD 探測器陳列電路設(shè)計

低量程探測組由若干個PD 探測器組成，分為兩組，一組為主探測組，另外一組為備用探測器組。每組探測器使用獨立的信號處理電路。兩組探測器同時工作，低量程信號處理電路通過低量程信號轉(zhuǎn)換模塊連到探測單元接口，通過電纜把數(shù)據(jù)信息輸出到LPDU。當(dāng)LPDU 檢測到低量程探測組的主探測器組出現(xiàn)異常時，F(xiàn)PGA 自動使用備用探測器組的劑量數(shù)據(jù)。

高量程探測部分由一個高劑量PD 探測器組成。高量程信號處理電路通過高量程信號轉(zhuǎn)換模塊連到探測單元接口，通過電纜把數(shù)據(jù)信息輸出到LPDU。當(dāng)LPDU 檢測到探測單元的區(qū)域劑量水平達(dá)到高量程探測器的劑量值時，F(xiàn)PGA 內(nèi)的劑量算法則進(jìn)行相應(yīng)的切換調(diào)整。

信號處理電路由電荷靈敏前置放大電路與比較器電路兩個單元組成，用于處理γ 輻射信號經(jīng)PD 探測器作用后輸出的電流信號。

2.1.3 電荷靈敏前置放大器電路設(shè)計

電荷靈敏前置放大器由第一級I/V(電流/電壓)變換和第二級信號放大組成。I/V 變換方法是將待測量的微弱電流信號，轉(zhuǎn)換并放大為一個幅值較大的電壓信號，測量轉(zhuǎn)換得到的電壓信號從而獲得待測微弱電流信號大小。

2.1.4 比較器電路設(shè)計

比較器電路設(shè)計采用了遲滯比較器結(jié)構(gòu)，避免在閾值電壓附近范圍內(nèi)的毛刺信號引起信號的反轉(zhuǎn)，增加了輸出脈沖信號的穩(wěn)定性。

2.1.5 PD 探測器的自檢電路

為了檢查探測單元電子學(xué)線路運行狀態(tài)，在探測單元的電荷靈敏前置放大器電路前端，分別設(shè)置了高、低量程電子學(xué)線路狀態(tài)測試電路，每個靈敏前置放大電路均配置了獨立的自檢測試LED。測試電路由LPDU 控制，LPDU 通過電纜向探測單元發(fā)出自檢信號，此電信號驅(qū)動探測單元內(nèi)部的自檢LED 發(fā)光，高低量程PD 探測器接收到光照后觸發(fā)電子學(xué)線路產(chǎn)生模擬計數(shù)，傳輸至LPDU 完成自檢。

2.2 LPDU 組成及功能

LPDU 主要包括電源模塊、FPGA 模塊、顯示模塊、模擬量/數(shù)字量信號輸出、繼電器與傳感器輸入等模塊，如圖4 所示[5]。

圖4 LPDU 結(jié)構(gòu)

探測器前放電路完成對PD 探測器的信號采集后，主放和甄別器電路完成信號的甄別和整形，通過探測器電纜送入LPDU 的FPGA 進(jìn)行劑量率換算。換算后的劑量率數(shù)據(jù)通過RS485[6]總線送到系統(tǒng)顯示模塊進(jìn)行顯示。對顯示單元反饋的控制命令進(jìn)行響應(yīng)，完成對系統(tǒng)電源管理與I/O（Input/Output）控制等。FPGA 可通過RS485 命令對探測器提供電源、偏置電壓、閾值、光電測試信號、輸入溫度傳感器信號和振動傳感器信號等進(jìn)行監(jiān)測與上傳，處理電路如圖5 所示。

2.3 接線箱設(shè)計方案

接線箱外殼材質(zhì)為不銹鋼，接線箱側(cè)面有和上位機(jī)通信用的DB9（D 型9 針串行通信接口）插頭和110 V/230 V電源插座。接線箱提供與用戶接線的連接點，LPDU 的所有接口先連接到接線箱，再由接線箱與外部的接口連接。其功能包括：5 路單刀雙擲繼電器開關(guān)量輸出、3 路RS485隔離串行輸出、3 路4 mA～20 mA 模擬輸出。

3 軟件功能設(shè)計

硅半導(dǎo)體輻射監(jiān)測儀軟件主要用于對LPDU 和探測單元進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、與上位機(jī)通信、實時顯示各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)和通信管理等功能。

軟件主要功能模塊如圖6 所示，硅半導(dǎo)體輻射監(jiān)測儀軟件主要功能如下：

圖6 軟件功能模塊圖

（1）實時監(jiān)測模塊：用于對測量數(shù)據(jù)和測量狀態(tài)實時監(jiān)測，并對溫度和振動輸入進(jìn)行算法補(bǔ)償與控制，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警閾值，發(fā)出聲光報警信號；

（2）維護(hù)模塊：退出測量狀態(tài)，進(jìn)入維護(hù)模式，顯示儀器的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)，儀表儀器維修和故障定位；

（3）旁路模塊：工作旁路模式，開關(guān)量輸出被禁止；

（4）參數(shù)模塊：對監(jiān)測探頭、就地處理顯示模塊的各種設(shè)備參數(shù)和運行參數(shù)進(jìn)行修改；

（5）自檢模塊：完成對設(shè)備的各種故障狀態(tài)的實時檢查；

（6）日志模塊：日志模塊記錄了對儀器的各種操作、測量數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)和報警事件，對于測量數(shù)據(jù)具備秒、分、時、天的歷史趨勢查詢功能。

4 儀表設(shè)計創(chuàng)新

基于國內(nèi)同類型輻射劑量率儀表應(yīng)用的經(jīng)驗反饋并結(jié)合儀表在核設(shè)施應(yīng)用中的一些實際需求，在研發(fā)過程中進(jìn)行了如下設(shè)計創(chuàng)新。

（1）溫度補(bǔ)償機(jī)制

采用了溫度補(bǔ)償機(jī)制，實時對探測器工作參數(shù)進(jìn)行修正，降低環(huán)境溫度對儀表測量準(zhǔn)確性的影響[7]，有效提升儀表測量精確度。

根據(jù)PD 探測器的物理特性，隨著探測器環(huán)境工作溫度的升高，PD 探測器漏電流與偏置電壓均會發(fā)生改變。漏電流增加會導(dǎo)致探測器本底噪音增加，偏置電壓降低會導(dǎo)致探測器輸出信號幅度降低。探測單元內(nèi)置了溫度傳感器用于對PD 探測器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度傳感器通過電纜把傳感器信號輸出到LPDU，當(dāng)LPDU 監(jiān)測到探測單元溫度升高時，通過溫度補(bǔ)償算法對PD 探測器的噪聲閾值與偏置電壓進(jìn)行調(diào)整。

為了減小環(huán)境溫度升高對探測器輸出信號的影響，根據(jù)PD 探測器的溫度響應(yīng)曲線，對低量程探測器的偏置電壓和甄別閾值進(jìn)行補(bǔ)償修正，如圖7 所示。

圖7 探測器溫度補(bǔ)償曲線

（2）抗干擾耐輻照

探測器與就地處理單元之間信號傳輸采用耐高輻照的RS485 通信芯片（傳統(tǒng)為非耐高輻照的CPU 芯片，小于設(shè)計要求500 Gy）[8]，以差分信號方式進(jìn)行信號傳輸，既滿足了探測器一端信號處理的需求，也解決了探測器耐高輻照和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，有效提升了硅半導(dǎo)體探測器儀表的應(yīng)用范圍，如圖8 所示。

圖8 探測器RS485 通訊芯片電路設(shè)計圖

探測單元檢測到的γ 輻射信號通過PD 探測器陣列信號處理電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號。脈沖信號接入RS485（型號為RSTD（H）541S485H）芯片的信號輸入引腳DI。把RS485 芯片信號接收引腳接入電源電壓VCC，禁止其接收功能。RS485 芯片內(nèi)置差分轉(zhuǎn)換模塊通過電纜的AB 總線和LPDU 的AB 總線引腳進(jìn)行差分信號連接。LPDU 的RS485 芯片輸出引腳DE 接地，禁止其信號輸出功能。脈沖信號輸出引腳RO 接入FPGA 計數(shù)管腳，F(xiàn)PGA 內(nèi)置計數(shù)模塊對探測器組件輸入輻射脈沖信號進(jìn)行計數(shù)與算法處理。

（3）陣列式探測器

目前制造工藝水平還無法生產(chǎn)大尺寸低噪聲的硅半導(dǎo)體探測元器件，通過采用探測器陣列并設(shè)置特殊材料和結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償部件，在提高探測器效率的同時使其具備良好的輻射計量特性[9]。

PD 探測器陣列由8 個低量程PD 探測器和1 個高量程PD 探測器組成，結(jié)構(gòu)布置如圖2 所示，其中低量程部分由8 個高靈敏度PD 探測器等間距分布在探測器圓形端面的外周8 個方位上。8 個PD 探測器的陽極接地，每4 個PD 探測器的陰級并接在一起，并且兩兩間隔分成主備兩組，同時工作。低量程信號處理電路通過低量程信號轉(zhuǎn)換模塊連到探測單元接口，通過電纜把數(shù)據(jù)信息輸出LPDU（如圖9 所示）。當(dāng)LPDU 檢測到低量程探測組的主探測器組出現(xiàn)異常時，F(xiàn)PGA 自動使用備用探測器組的劑量數(shù)據(jù)。高量程探測器使用一個低靈敏度PD 探測器，位置設(shè)計在探測器圓形端面的中心。

圖9 PD 探測器陣列電路設(shè)計圖

5 儀表特性比較和工程應(yīng)用分析

傳統(tǒng)的氣體探測器如電離室探測器尺寸質(zhì)量大，不易在小空間和管道內(nèi)使用，靈敏度相對較低，信號容易受到干擾，探測器高電壓條件下工作對絕緣有特殊要求，且探測器容易漏氣，不宜在潮濕環(huán)境條件下使用。因此，其使用場景受到了較大限制。而硅半導(dǎo)體輻射探測器具有尺寸小、靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、低壓電工作、受潮濕環(huán)境影響相對較小等優(yōu)點。硅半導(dǎo)體輻射探測器相對于電離室探測器，探測器耐事故條件下高輻照能力相對較弱，儀表設(shè)計需求量極少。本國產(chǎn)化硅半導(dǎo)體輻射探測器具備500 Gy 的耐輻照性能，可以滿足核設(shè)施非事故條件下機(jī)組運行中劑量率監(jiān)測的要求。因此，硅半導(dǎo)體輻射探測器儀表在核設(shè)施測量應(yīng)用中具有更廣泛的應(yīng)用場景。硅半導(dǎo)體探測器儀表與國內(nèi)常見氣體電離室儀表主要參數(shù)對比如表3[10-13]所示。

表3 主要參數(shù)對比表

在核電站選擇具有復(fù)雜輻射場且劑量率水平具有代表性的工藝管閥房間（5 μGy/h～40 μGy/h），環(huán)境溫度30℃左右，將檢定后的硅半導(dǎo)體輻射探測器和電離室探測器儀表隨意選擇5 個位置進(jìn)行測量對比，測量結(jié)果如表4 所示。

表4 兩種類型儀表現(xiàn)場測量對比表

根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析，兩種儀表類型之間在復(fù)雜的輻射環(huán)境現(xiàn)場測量結(jié)果一致性良好，相對誤差均在-15%～+15%之內(nèi)。

進(jìn)一步對國內(nèi)主要堆型（如VVER/M310/華龍一號等）現(xiàn)有γ 劑量率監(jiān)測儀表設(shè)計輸入的綜合分析[1,13-15]，包括儀表量程、測量誤差、能量響應(yīng)、尺寸、接口和功能要求等，適用性分析結(jié)果如表5 所示。

表5 設(shè)計輸入與硅半導(dǎo)體儀表參數(shù)和功能適用性分析

通過儀表參數(shù)、固有優(yōu)缺點及現(xiàn)場測量對比分析，以及不同堆型機(jī)組適用性分析，表明硅半導(dǎo)體輻射探測器監(jiān)測儀表相比電離室儀表具備更為廣泛的應(yīng)用范圍，在國內(nèi)各電站相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用前景。

6 結(jié)論

在線硅半導(dǎo)體γ 劑量率監(jiān)測儀的自主設(shè)計研發(fā)可以消除國內(nèi)工程應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)短板，實現(xiàn)硅半導(dǎo)體γ 劑量率監(jiān)測儀的國產(chǎn)化，其技術(shù)參數(shù)和性能滿足各類堆型設(shè)計和運行監(jiān)測的要求，應(yīng)用前景良好。