反應(yīng)堆中子注量率相對分布測量裝置中多通道放大甄別器研制

趙艷輝1，劉麗艷2，黃 順3，劉才學4，蹤訓成4，趙修良2，＊

（1.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 核科學技術(shù)學院，湖南 衡陽 421001；3.衡陽師范學院 物理與電子信息科學系，湖南 衡陽 421008；4.中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

反應(yīng)堆中子注量率相對分布測量裝置中多通道放大甄別器研制

趙艷輝1，劉麗艷2，黃 順3，劉才學4，蹤訓成4，趙修良2，＊

（1.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 核科學技術(shù)學院，湖南 衡陽 421001；3.衡陽師范學院 物理與電子信息科學系，湖南 衡陽 421008；4.中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

為了測量反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率分布，保證反應(yīng)堆內(nèi)活化55Mn-58Ni合金探測片γ計數(shù)測量的可靠性，本文研制了中子注量率分布測量裝置中9通道放大甄別器。多通道放大甄別器性能指標測試與應(yīng)用測試結(jié)果表明：每個通道放大器增益1～21連續(xù)可調(diào)、甄別器閾值獨立連續(xù)可調(diào)，具有最大計數(shù)率高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、系統(tǒng)抗串擾能力強等優(yōu)點；放大器增益長期穩(wěn)定性≤1%，甄別器最小輸入脈沖寬度≥0.1μs，甄別器最大計數(shù)率≤4×106s-1，能用于實時長期穩(wěn)定測量反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率分布。

中子注量率；放大甄別器；放大器增益；最小輸入脈沖寬度；最大計數(shù)率

反應(yīng)堆中子注量率分布測量是驗證反應(yīng)堆物理設(shè)計的重要手段，對反應(yīng)堆中子注量率空間分布、最大允許功率的確定、核燃料管理、反應(yīng)堆內(nèi)功率的監(jiān)控、反應(yīng)堆安全運行有重要的意義［1］。堆芯中子注量率測量方法主要有移動式微型裂變室測量法、固定式自給能釩（銠）中子探測器測量法和氣動球活化測量法等［2］，本工作屬于活化法的范疇。通過測量堆內(nèi)受照活化探測片的γ計數(shù)，測量堆內(nèi)中子注量率在空間的相對分布情況，需研制多通道放大甄別器，對探測器輸出信號進一步放大和成形、并甄別成形為TTL信號。

在多路放大甄別器研制方面，中國科學院高能物理研究所研制了用于中微子測量的多路放大甄別器［3］，中國科學技術(shù)大學技術(shù)物理系研制了用于ATLAS探測器最外層的μ子探測器中的放大器成形甄別器ASD［4］。法國歐洲同步輻射中心研制的16通道放大甄別器集成電路可用來作為充氣探測器的二進制參數(shù)讀出器［5］。瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心研制的超快、低功耗、先進的放大甄別器NINO專用集成電路可用于開發(fā)多隙抗板探測器（MRPC）的好的定時特性，8路放大甄別器分別具有不同的輸入信號、小于1ns達峰時間的快放大器和通過閾值矯正測量輸入電荷的特點［6］。本文欲設(shè)計的多通道放大甄別器可用于堆內(nèi)中子注量率相對分布測量系統(tǒng)，需滿足：1）對9路探測器輸出信號同時進行放大、成形、甄別成TTL電平；2）每個通道放大器增益1～21連續(xù)可調(diào)、甄別器閾值獨立連續(xù)可調(diào)；3）最大計數(shù)率高、靈敏度高；4）穩(wěn)定性好；5）抗串擾能力強等要求。

1 反應(yīng)堆中子注量率相對分布測量裝置

1.1 系統(tǒng)原理

采用55Mn-58Ni合金材料作為探測片，按照試驗程序以一定規(guī)則布置在反應(yīng)堆燃料元件間的水隙內(nèi)，反應(yīng)堆達臨界后開始計時，探測片在堆內(nèi)輻照一段時間后取出并放在多通道測量裝置上。采用多通道測量裝置采集和控制反應(yīng)堆內(nèi)多通道NaI探測器輸出信號，多通道活化探測片的γ計數(shù)在研制的計算機測量軟件MNFDAS界面上以曲線及數(shù)據(jù)表格形式實時顯示，結(jié)合反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率相對分布計算公式，可達到測量反應(yīng)堆中子注量率相對分布的目的。

1.2 多通道測量裝置

多通道測量裝置主要組成框圖如圖1所示。

圖1 多通道測量裝置框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel measurement device

將裝置各組成部分連接，調(diào)節(jié)高壓電源輸出至NaI探測器工作高壓；再調(diào)節(jié)放大甄別器的閾值、增益電位器。將反應(yīng)堆活化探測片放在NaI探測器靈敏區(qū)下方，根據(jù)設(shè)定工作參數(shù)，在軟件界面可得到γ計數(shù)，計數(shù)率的大小反映了活化片所在堆芯位置處的中子注量率大小。

2 多通道放大甄別器

2.1 放大甄別器原理

放大甄別器為自行研制，為單NIM插寬，對NaI探測器輸出信號進行放大、成形并甄別成TTL信號。單通道放大甄別器由放大器和甄別器組成，其中放大器由一級反相端放大電路、三級同相端放大電路、二級RC積分濾波成形電路、極-零相消電路等組成，其組成框圖如圖2所示，電路原理分別如圖3、4所示。

圖2 單通道放大甄別器框圖Fig.2 Block diagram of amplifier-discriminator for single channel

圖3 放大器電路原理Fig.3 Block diagram of amplifier circuit

圖4 甄別器電路原理Fig.4 Block diagram of discriminator

輸出信號依次經(jīng)過第一級同相端放大電路、第一級RC積分濾波成形電路、第二級同相端放大電路和第二級RC積分濾波成形電路，再送入第三級同相端可調(diào)放大電路。第一級反相端放大電路可對探頭輸出信號進行放大并使其轉(zhuǎn)變?yōu)檎盘?，其放大倍?shù)取決于R2、R3；極-零相消電路用于消除脈沖信號的下沖；第一級同相端放大電路的放大倍數(shù)取決于R7、R8；RC積分濾波成形電路用于獲得較佳的脈沖寬度和較好的信噪比；第二級同相端放大電路的放大倍數(shù)取決于R10、R11；第三級同相端可調(diào)放大電路的放大倍數(shù)取決于R13、R20，改變第三級同相端的增益電位器R20，可達到改變放大器增益的目的。

甄別器電路采用集成電壓比較器LM710，具有電路簡單、調(diào)整方便、穩(wěn)定性好、靈敏度高、速度快等特點。從放大器輸出的信號，送入LM710的反相端；LM710的同相端通過R15、R16、閾值電位器R21接外接電源，改變甄別器的閾值電位器R21，可得到不同的甄別閾值。若反相端的輸入信號大于甄別器的甄別閾值，LM710輸出一負的TTL信號，再送入反相器74LS04，得到一正的TTL信號，即為放大甄別器的輸出。

2.2 多通道放大甄別器主要技術(shù)指標

對各通道放大甄別器進行了性能指標測量［78］，測試設(shè)備為：1）函數(shù)信號發(fā)生器1臺，型號為TFG6040DDS；2）精密脈沖產(chǎn)生器1臺，型號為FH1013A；3）示波器1臺，型號為Tektronix TDS220；4）數(shù)字頻率計1臺，型號為SG3320。測量條件為：測量前先將可調(diào)電位器R19調(diào)至中間值100Ω。

測試得到的多路放大甄別器的主要技術(shù)指標為：1）放大器增益，1～21倍連續(xù)可調(diào)；2）放大器增益的長期穩(wěn)定性，≤1%；3）放大器積分非線性，≤2%；4）單級放大器輸入極性，負；5）放大器總的輸入極性，正；6）甄別器最小輸入脈沖寬度，≥0.1μs；7）甄別器靈敏度，≤0.2V；8）甄別器最大計數(shù)率，≤4×106s-1；9）甄別器分辨時間，≤1.1μs；10）甄別器積分非線性，≤5%；11）甄別器穩(wěn)定度，≤10mV；12）甄別器輸出電阻，110Ω≤R0≤120Ω。其相關(guān)技術(shù)指標滿足多通道測量裝置的需求。

2.3 多通道放大甄別器串擾現(xiàn)象及減少串擾的措施

串擾是指多通道測量系統(tǒng)中某一通道有信號時，常會對系統(tǒng)中的其他通道產(chǎn)生干擾信號。若串擾信號疊加到真信號上，即會對測量產(chǎn)生影響［9］。

在電路設(shè)計過程中，有助于減少串擾影響的措施有：1）加強電源濾波，減少電源的波動，對一些關(guān)鍵器件應(yīng)參照器件手冊中提供的方法進行濾波；2）地電阻應(yīng)盡量小；3）不同通道的電源和地線應(yīng)隔開；4）充分考慮電路板的布局，盡量減少電路板的分布電感和分布電容；5）注意信號的匹配，防止出現(xiàn)反射。

3 應(yīng)用測試

3.1 精密脈沖產(chǎn)生器輸出信號測試

精密脈沖產(chǎn)生器輸出信號測試框圖如圖5所示。Tektronix AFG310精密脈沖產(chǎn)生器連接至集線器通道3，集線器連接至工控機PCI插槽內(nèi)的PTMC12數(shù)據(jù)采集卡上。脈沖產(chǎn)生器輸入信號選擇幅度為2V（偏移量1V）的方波。分別調(diào)節(jié)脈沖產(chǎn)生器的頻率為100、1 000、10 000Hz，打開MNFDAS界面，設(shè)置采集單元時間1s，采集單元數(shù)量1 000，預(yù)熱后每隔1s進行計數(shù)。測試結(jié)果列于表1。

圖5 精密脈沖產(chǎn)生器輸出信號測試框圖Fig.5 Block diagram of test for output signal from precision pulse generator

表1 精密脈沖產(chǎn)生器輸出信號測試結(jié)果Table 1 Test result of output signal from precision pulse generator

3.2 多通道測量系統(tǒng)輸出信號測試

為了確定NaI探測器的工作高壓，連接裝置各設(shè)備，儀器至少預(yù)熱2h，選取甄別閾壓，采取定時計數(shù)方式，定時時間選取10s，采用104Bq量級60Co源測量坪曲線，根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制坪曲線。根據(jù)坪曲線形狀，可選取NaI探測器的合適工作高壓。

測試試驗中采用104Bq量級60Co放射源；探測器1輸出信號連接至1路放大甄別器；調(diào)節(jié)高壓電源1為＋850V，調(diào)節(jié)9路放大甄別器增益電位器為5圈、閾值電位器為3圈；打開MNFDAS界面，設(shè)置采集單元時間為1s，采集單元數(shù)量為3 700；系統(tǒng)預(yù)熱2h后，分別改變探測器1輸出信號至2、3、…、9路放大甄別器，并分別記錄每通道每隔1s計數(shù)。測試數(shù)據(jù)示于圖6，其相對標準偏差列于表2。

圖6 多通道測量系統(tǒng)輸出信號測試結(jié)果Fig.6 Test result of output signal of multi-channel measurement device

表2 各通道應(yīng)用測試相對標準偏差Table 2 Relative standard deviation in application test of each channel

4 結(jié)論

性能指標測試與應(yīng)用測試結(jié)果表明：多通道放大甄別器能對9路探測器輸出信號同時進行放大、成形、甄別成TTL電平；每個通道放大器增益1～21連續(xù)可調(diào)、甄別器閾值獨立連續(xù)可調(diào)，具有最大計數(shù)率高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、系統(tǒng)抗串擾能力強等優(yōu)點；放大器增益長期穩(wěn)定性≤1%，甄別器最小輸入脈沖寬度≥0.1μs，甄別器最大計數(shù)率≤4×106s-1。多通道放大甄別器滿足某新型反應(yīng)堆實時長期穩(wěn)定測量反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率分布的要求，且該成果可推廣應(yīng)用于其他反應(yīng)堆中子注量率分布測量，綜合技術(shù)指標優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

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DU Xiaoguang，WANG Mingtao，WANG Mingzhu，et al.Introduction to the movable in-core neutron flux instrumentation system［J］.China Nuclear Power，2010，3（4）：367-373（in Chinese）.

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Development of Multi-channel Amplifier-discriminator Based on Measurement System of Neutron Fluence Rate Relative Distribution in Reactor

ZHAO Yan-hui1，LIU Li-yan2，HUANG Shun3，LIU Cai-xue4，ZONG Xun-cheng4，ZHAO Xiu-liang2，＊
（1.School of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang421001，China；2.School of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang421001，China；3.Department of Physics and Information Science，Hengyang Normal College，Hengyang421008，China；4.Nuclear Power Institute of China，Chengdu610041，China）

For the measurement of neutron fluence rate in reactor and reliable assurance ofγcount measurement of activated55Mn-58Ni alloy irradiated foils in reactor，9-channel amplifier-discriminator was developed.The main technical parameter test and application test show that the gain of each channel amplifier-discriminator is continuously adjustable from 1to 21，the threshold of each discriminator circuit is continuously adjustable，the maximum count rate and sensitivity of discriminator circuit are high，and the system has stable property and excellent anti-interference.Inconclusion，relevant technical parameters can guarantee the real-time and long-term stable measurement of neutron fluence rate relative distribution in reactor，with the technical parameters that gain stability of amplifier is less than 1%，the minimum input pulse width of discriminator circuit is greater than 0.1μs，and the maximum count rate of discriminator is less than 4×106s-1.

neutron fluence rate；amplifier-discriminator；gain of amplifier；minimum input pulse width；maximum count rate

TL37

A

1000-6931（2014）02-0347-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0347

2013-10-16；

2013-12-05

中國核動力研究設(shè)計院委托項目資助；湖南省科技廳計劃項目資助（2011GK3198）；衡陽市科技計劃項目資助（2012KG73）

趙艷輝（1974—），女，湖南湘潭人，實驗師，從事電工電子技術(shù)與核儀器開發(fā)研究

＊通信作者：趙修良，Email：zhaoxiul＠163.com