基于分線器核信息共享平臺的研究與應(yīng)用

酈文忠,劉希民,李智仁,曹利國

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川樂山614007)

1 引 言

核輻射實驗具有一些特殊性:核輻射不易被人們直接感知,且核輻射對人體有輻照傷害;實驗時還需要考慮不同輻射源的互相影響;放射源、探測器的購置費用高,等等.由于輻射探測實驗的特殊性,傳統(tǒng)的實驗方式是多人1組、1室多組,由于每組配有1套探測設(shè)備和1個放射源,從而使實驗成本昂貴,室內(nèi)輻射劑量大,組間實驗結(jié)果影響大.由于每種探測設(shè)備的套數(shù)相對于實驗人員來說少,使得實驗人員得到的實踐機會少,達不到很好的實踐效果.本著更安全、更經(jīng)濟、追求良好教學(xué)效果的原則,我們提出基于分線器的W G-1核信息共享器基礎(chǔ)上的實驗運行方式——實驗室內(nèi)只需1個放射源、1套探測器,探測器產(chǎn)生的信號經(jīng)過核信息共享器,一分多路到各個實驗組進行實驗.

2 核信息共享器研制目標及關(guān)鍵技術(shù)

在設(shè)計實驗室運行方式時,要求用1套探測設(shè)備得到核信號,然后將其輸出到16個測量組使用;要求各測量組收到的核信息一致,信號要獨立接收、互不干擾;傳輸距離可達到100 m或更遠;可以測量α,β,γ,X等核信息,方便地傳送測量的信號;外型上要求其作為FH0001型國際通用核信息電源支架的插件.

為此,設(shè)計了核輻射探測實驗中基于WG-1核信號共享器的連接方式(如圖1)和各組接收到核信息后,組內(nèi)的儀器組成(框圖如圖2).

圖1 核輻射探測實驗的核信息共享器連接方式示意圖

圖2 接收到WG-1核信息共享器的信號后,組內(nèi)的儀器組成框圖

由于實驗各組與WG-1核信號共享器的距離較遠,所以共享器研究的重點是解決長線傳輸時的反射波問題.核信息長距離傳送方式在總量強度測量儀、單道γ譜儀中已使用過,如傳送600 m測井儀已經(jīng)在生產(chǎn)中用了多年[1-2].對總量強度測量儀來說,由于其只關(guān)心脈沖的個數(shù)而不關(guān)心脈沖的幅度和寬度,所以反射波引起的信號幅度變化在抗幅度過載和抗計數(shù)率過載電路的配合下,對結(jié)果是沒有影響的.對單道γ能譜儀來說,在野外測量時由于可以將道寬調(diào)得很寬,反射波疊加在真實信號上引起了信號幅度變化,但仍然沒超過道寬范圍,并且各道的甄別閾尚能控制雜波,所以單道能譜儀測量也可以克服反射波問題[3].而多道測量對脈沖的幅度及波形要求極為嚴格,即要求到達各個測量小組的脈沖幅度分布要保持一致,確保測量到的核信息脈沖真實,不變形,使得測量信號真實代表被測量元素的信息.

圖3是61K輕型γ測井儀輸送電路,接有約50 m同軸電纜后,終端波形的前沿出現(xiàn)振蕩波形現(xiàn)象,特別提出的是,這種終端波形將會產(chǎn)生偽能峰,干擾測量結(jié)果.經(jīng)分析得知與電纜的分布參量(L,C)有關(guān),為進一步研究此現(xiàn)象,更換了不同直徑的同軸電纜進行實驗,通過研究得知:基本波形皆相同,但隨同軸電纜直徑變化,振蕩波幅度頻率有相應(yīng)的變化,直徑越大,影響越小.由實驗知各種線纜都有很強的反射波.

圖3 γ測井儀輸送電路

核信息的電脈沖近似微分脈沖,前后沿不對稱,前沿快,近似矩形脈沖前沿,后沿慢,近似鐘形脈沖的后沿,是非周期性隨機信號,通過分析單個脈沖的頻譜函數(shù)可以給傳輸方案提供理論依據(jù)[4].經(jīng)分析可知,核信息脈沖前后沿都含有極豐富的高次諧波,其幅度、相位都在不斷變化.而電纜具有電感特性,電纜之間具有分布電容,即具有L和C特性,信號中某一個頻率的諧波與電纜的分布LC產(chǎn)生了諧振,形成反射波,所以電纜阻抗不匹配必定會導(dǎo)致傳送脈沖產(chǎn)生反射波.

對固定頻率正弦波中的反射波問題一般采用電纜阻抗與電路輸入、輸出阻抗匹配的方法解決,但對脈沖前后沿多頻、多幅諧振波信號,能達到良好阻抗匹配難度較大.經(jīng)過分析和實驗驗證,在傳送電路與傳輸線之間加100～1 000Ω的電阻(如圖4中的 R3+W)可以將脈沖波中的高次諧波與傳輸線分布LC等產(chǎn)生諧振的條件破壞掉,消除反射波,使終端得到與輸入端相同的脈沖波形.但是電纜增長,信號幅度會有衰減,可以通過調(diào)節(jié)W達到調(diào)整遠近距離點得到等幅度脈沖信號,保證了各個測量小組測量的結(jié)果一致.

為了能夠?qū)⑿畔⒈Ｕ鎮(zhèn)鬏數(shù)礁餍〗M,采用輸出端直流電平為零的互補射極輸出器組合,并設(shè)計了一拖四的方案,輸入信號輸入到第一級射極輸出器,然后第一級推動4個并行第二級射極輸出器,每個第二級再推動4個并行第三級射極輸出器,共有16個射極輸出器輸出給各自不同的測量小組.

圖4 消除駐波電路

在WG-1核信號共享器驅(qū)動電路中使用的三極管與其偏置電阻和射極電阻等組成了互補跟隨電流放大器,由于三極管參量不對稱,在電路中調(diào)節(jié)偏置電阻使得輸出為零,電路中其他電阻和電解電容都是去耦電路.射極輸出器的輸出幅度僅為輸入幅度的0.9～0.95.由于共享器電路采用了三級射極輸出器,電流明顯放大了,負載能力提高了.在研制過程中,將單電源互補射極輸出器改換成雙電源互補射極輸出器后,電纜終波形更有改善,能適應(yīng)正負脈沖,而且動態(tài)范圍提高到2 500～5 000倍,完全達到了預(yù)定目標.

3 性能測試

線性輸出是對核信息網(wǎng)絡(luò)共享器的一個基本要求,為此通過實驗共獲取24組數(shù)據(jù),并作圖分析.由于在-50～50 m V范圍內(nèi)取了較多的數(shù)據(jù),所以圖5該區(qū)間有點重合現(xiàn)象.由圖5可知,核信息共享器對正負脈沖的輸入都有很好的線性輸出,從而實現(xiàn)了信號的保真?zhèn)鬏?

圖5 核信息網(wǎng)絡(luò)共享器線性分析圖

為了驗證核信息共享器的實際使用效果,首先比較了電纜終端的脈沖與始端輸入脈沖的差異情況,結(jié)果表明,除幅度有差異外,其他參量完全相同,脈沖幅度分布一致性得到了保證.又利用同一電纜、同套探測設(shè)備和相同的放射源(銫-137或镅-241)對共享器的16個輸出端口分別測試,他們的特征峰位嚴格一致.

4 結(jié)束語

按照以上的設(shè)計思路,研制了樣機,并在實驗中使用,運行了4年,從未出現(xiàn)故障.這充分證明了設(shè)計思路是可靠的,核信息共享器的運行具有實用性和穩(wěn)定性.W G-1核信息共享器的成功研制使得實驗室內(nèi)1個核信息探頭信號能同時輸出給多個測量臺享用,核信息脈沖傳輸距離可達100 m或更遠,使得實驗室運行成本、組間影響和人員輻照損傷降到最低.W G-1核信息共享器的運行模式同樣可以用于其他電子信號的共享,特別是在探測用信號源有限、信號源或信號探測器較為昂貴、維護成本高等情況下,從而節(jié)約各種信號源、探測儀器的重復(fù)投資.

[1] 邱曉林,方國明,許鵬,等.基于脈沖波形采樣技術(shù)的核輻射多參數(shù)測量系統(tǒng)[J].核技術(shù),2007,30(9):785-788.

[2] 楚澤涵,徐凌堂,尹慶文,等.遠探測反射波聲波測井方法實驗研究進展[J].測井技術(shù),2005,33(2):98-102.

[3] 李智仁.核物探儀器技術(shù)[D].北京:中國核工業(yè)總公司地質(zhì)局,1993:75-76.

[4] 姚久民,田廣志,祝玉華.用頻譜分析法研究弦振蕩實驗[J].物理實驗,2009,20(12):30-34.