兼具觸發(fā)功能和波形測量的閃爍探測系統(tǒng)

劉君紅,宋朝暉，2,譚新建，2,李 剛,張 侃,盧 毅

(1.西北核技術研究所,西安710024; 2.強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室,西安710024)

兼具觸發(fā)功能和波形測量的閃爍探測系統(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.西北核技術研究所,西安710024; 2.強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室,西安710024)

利用無源低通濾波和無源衰減器技術，研制了一種兼具觸發(fā)功能和波形測量的閃爍探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效避免了宇宙射線及暗噪聲對探測系統(tǒng)觸發(fā)功能的影響，克服了由于阻抗失配造成的時域反射對探測器波形測量帶來的干擾，解決了脈沖輻射場波形測量中單套閃爍探測系統(tǒng)無法同時實現(xiàn)觸發(fā)和脈沖波形無畸變測量的技術難題。實驗結果表明，該系統(tǒng)既能確保觸發(fā)功能的可靠性，又能實現(xiàn)脈沖波形測量的準確性，有效提高了系統(tǒng)效能。同時，利用該系統(tǒng)對宇宙射線的響應特征，可實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。

閃爍探測系統(tǒng)；觸發(fā)功能；波形測量；信號衰減器；低通濾波器

signal attenuator;low-pass filter

由光電倍增管配合閃爍體構成的閃爍探測器是脈沖輻射場波形測量中應用最廣的一類探測系統(tǒng)[1-5]。當脈沖輻射進入閃爍體時，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，被陽極收集輸出電流信號。通過測量、分析電信號的波形特征，可對脈沖輻射波形的類別、強度、能量等參數(shù)進行診斷。該過程被稱為波形測量。

在對脈沖輻射源產(chǎn)生的單個輻射脈沖，或多個具有時間和物理因果關系的輻射類型相同或不同的輻射脈沖進行測量時，不僅需要測量出每個輻射脈沖的時間特性，而且需要測量出各相關脈沖在時間上的相對關系，這些時間關聯(lián)關系，對分析相關輻射脈沖及其發(fā)展過程、研究它們之間的內(nèi)在規(guī)律是十分重要的[6]。為獲得各相關輻射脈沖的時間關聯(lián)關系，可應用閃爍探測器選取某個輻射脈沖波形前沿幅度作為觸發(fā)信號，該信號經(jīng)過傳輸系統(tǒng)到達觸發(fā)同步機記錄端，經(jīng)相應的電子學處理后，觸發(fā)其他輻射脈沖波形的電子學記錄系統(tǒng)，由此將各相關輻射脈沖的特征時刻統(tǒng)一在時間坐標上，完成各輻射脈沖間的時間特性關聯(lián)。為統(tǒng)一時間關聯(lián)關系而設計的閃爍探測器被稱為觸發(fā)功能探測器。

對脈沖輻射場測量時，觸發(fā)功能探測器和脈沖輻射波形探測器分別置于設計好的測點對目標量進行測量。各探測器具有獨立的測試空間和測量目標，探測器的設計、調(diào)試要求明確，功能劃分清晰。而在某些測量中，由于受實驗要求和操作空間的限制，探測系統(tǒng)的布放數(shù)量有限。此時，使用盡量少的探測系統(tǒng)完成盡量多的測量和實驗功能，是解決復雜信號多參數(shù)同時測量的關鍵。本文介紹的閃爍探測系統(tǒng)，可在脈沖輻射場波形測量中由單套探測系統(tǒng)同時實現(xiàn)觸發(fā)和對脈沖波形的測量診斷。

1 探測系統(tǒng)兼顧兩種功能面臨的問題

對低強度脈沖輻射測量時，使用閃爍探測系統(tǒng)同時實現(xiàn)觸發(fā)功能和波形測量有一定困難。兩種功能的閃爍探測系統(tǒng)獨立使用時，對各自的應用要求不同。對用于波形測量的閃爍探測器，要求其輸出信號無畸變、波形光滑、統(tǒng)計起伏小、數(shù)據(jù)準確可靠。因此，設計探測器時應盡可能選擇大體積閃爍體，并與靈敏度低、信噪比高、線性動態(tài)范圍大的光電倍增管構成探測系統(tǒng)；而對用于觸發(fā)功能的探測系統(tǒng)，要求其輸出信號幅度大、觸發(fā)精確、觸發(fā)可靠性強、抗干擾能力好，同時，由于觸發(fā)點通常選擇在脈沖波形的起始端，此時，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成探測系統(tǒng)。

具有觸發(fā)功能的高靈敏度閃爍探測器，在對低強度脈沖輻射測量時，由于總粒子數(shù)有限，到達探測器的粒子數(shù)目比較少，統(tǒng)計起伏對探測器輸出波形的影響較為嚴重。為了保證波形質量，通常采用增大探測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，造成觸發(fā)系統(tǒng)的誤動作，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閃爍體構成的高靈敏閃爍探測器對宇宙射線實時響應的典型波形。由圖可見，探測器響應宇宙射線輸出的信號幅度可達十幾伏，并且信號隨機產(chǎn)生。這些隨機產(chǎn)生的大幅度信號很容易造成觸發(fā)系統(tǒng)的誤動作。

圖1 宇宙射線實測波形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信號的干擾，根據(jù)干擾信號與目標信號頻譜特征的不同，設計了專用的濾波電路。由于使用同一個探測器，濾波技術的應用會對另一路的波形測量帶來嚴重影響，突出表現(xiàn)為因阻抗失配和微分電路而導致的波形畸變。

為觀察濾波對測量波形的影響，在實驗室使用脈沖信號發(fā)生器模擬了一個與待測波形信號特征相似的電壓信號驅動LED發(fā)光，由光電倍增管響應這個光信號后分別輸入示波器的ch1、ch2信道，模擬實驗框圖如圖2(a)所示。當連接到ch2信道的傳輸通路不接低通反相單元時，測量到的兩路輸出信號的特征相同，如圖2(b)所示，圖中ch1信道輸出對應1號波形，ch2信道輸出對應2號波形。而在ch2信道傳輸通路加上低通反相單元后，從所測波形可觀察到ch1輸出波形幅度發(fā)生變化，脈沖后沿有過沖，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，一套探測系統(tǒng)若要同時實現(xiàn)可靠觸發(fā)功能和無畸變波形測量，必須解決暗脈沖及宇宙射線對探測器正確觸發(fā)動作的干擾，及阻抗失配和微分電路引發(fā)的另一路測量波形畸變等問題。

2 系統(tǒng)設計及結構功能

兼具兩種功能的閃爍探測系統(tǒng)設計主要考慮3個方面：

1)由于觸發(fā)功能探測器的靈敏度比波形測量探測器的靈敏度高1個量級以上，在設計兼顧兩種功能的探測系統(tǒng)時，選擇了高增益的光電倍增管配合閃爍體構成高靈敏度探測器，但需對光電倍增管的供電分壓器進行調(diào)整，適當降低探測器靈敏度，并根據(jù)觸發(fā)功能的觸發(fā)閾值范圍，適當提高觸發(fā)閾值，從而兼顧全波形探測器的靈敏度應用需求。

2)為適應觸發(fā)功能而選用的高靈敏度光電倍增管，與保證波形測量功能而應用的大體積閃爍體配合，提高了探測器響應宇宙射線的效率，因此，需要實時監(jiān)測探測器對宇宙射線的響應，分析監(jiān)測波形的頻率特征，并根據(jù)對宇宙射線及待測波形的信號特征分析，選取低通濾波導通、截止頻帶及反相帶通頻率等參數(shù)，設計制作低通反相單元，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量分路的信號發(fā)生畸變，因此，在實現(xiàn)觸發(fā)功能的信號端，加入由無源寬帶衰減器和低噪聲放大器構成的阻抗匹配單元，利用無源寬帶衰減器對正、負向信號都衰減，回波損耗小的性能，可有效避免由阻抗失配造成的時域反射對波形測量的不利影響，再利用低噪聲放大器放大信號幅度，確保觸發(fā)功能的高閾值觸發(fā)。

設計的兼具觸發(fā)功能和波形測量的閃爍探測系統(tǒng)結構如圖3所示。

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

待測輻射脈沖波形由閃爍探測器進行光電轉換后輸出電流信號，高壓電源為閃爍探測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。電流信號經(jīng)過射頻同軸電纜傳輸至功分器實行分路，根據(jù)信號分配比例可以制作成等分或不等分的分配關系，功分器的輸入、輸出阻抗為50 Ω。由功分器分配后的信號一路作為觸發(fā)信號，實現(xiàn)觸發(fā)功能，另一路實現(xiàn)對待測波形的測量。

觸發(fā)信號的傳輸及記錄系統(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，可保證電流信號分路后的兩路信號在傳輸過程中阻抗匹配，不影響各自的測量。低通反相單元包括低通濾波器和反相器，功能是通過低通濾波器將待測波形與探測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，在觸發(fā)脈沖信號通過的同時，阻隔暗脈沖及宇宙射線可能造成的誤動作，以確保觸發(fā)可靠性。低通濾波器的截止頻率由待測波形的頻帶特征決定，可通過Altium Designer軟件模擬電路最佳濾波效果，將低通設計為一階或多階形式的濾波器。光電倍增管輸出的待測波形信號極性為負，通過反相器將負信號轉換為正信號，以滿足后端精密同步機正極性觸發(fā)閾值設置的要求。觸發(fā)記錄單元由精密同步機記錄通道及示波器記錄信道構成，并與信號分路器輸出端相連，可實現(xiàn)多路觸發(fā)同步信號輸出和特征時刻的時間關聯(lián)記錄。

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

利用高靈敏度大體積閃爍探測器對宇宙射線實時響應的特點，可將波形測量記錄單元的示波器觸發(fā)方式由外觸發(fā)模式轉換為自觸發(fā)模式，以實現(xiàn)對閃爍探測器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測功能。這樣，在閃爍探測器被工程化安裝于密封環(huán)境中時，通過實時監(jiān)測功能，可簡易有效地判斷其工作狀態(tài)是否處于正常。

3 測試考核與應用

首先，對低通反相單元確保觸發(fā)功能的可靠性進行考核。

圖4為設計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。運用集成脈沖變壓器及其輔助電路構成反相器，實現(xiàn)探測器輸出波形由負極性變換為正極性，以滿足精密觸發(fā)同步機輸入正信號的要求。

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

對低通反相單元性能進行72 h連續(xù)實時監(jiān)測。監(jiān)測方法為：閃爍探測器加電正常工作，實時響應空間宇宙射線，其信號輸出端連接低通反相單元后，接入監(jiān)測示波器信道，示波器觸發(fā)方式選定為單次自觸發(fā)，觸發(fā)閾值設置為3 V。監(jiān)測結果表明，在72 h監(jiān)測時段內(nèi)，示波器無動作，低通反相單元有效避免了閃爍探測器的誤觸發(fā)。

其次，對阻抗匹配單元的性能進行實驗驗證。阻抗匹配單元和低通反相單元在信號傳輸通路上的連接順序如圖5所示。

圖5 驗證實驗框圖Fig.5Diagram of the testing experiment

由脈沖信號發(fā)生器模擬待測信號波形特征輸出一個模擬電信號，該信號經(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，記錄模擬待測波形的ch1通道輸出波形特征，如表1所列。

表1 信號特征比較Tab.1Comparison of signal characteristics

由表1可見，各特征值間的相對偏差均小于3%，說明阻抗匹配單元的應用能夠確保ch1信道波形無畸變。

本文設計的閃爍探測系統(tǒng)已成功實現(xiàn)相關特征時刻的觸發(fā)關聯(lián)功能，獲得了完整的待測波形數(shù)據(jù)，如圖6所示。其中，ch1信道記錄的波形是本文設計的閃爍探測系統(tǒng)對待測波形的測量結果，對應圖6中的1號波形，ch2信道記錄的波形是相鄰測試位置獨立測量待測波形的閃爍探測器獲得的測量結果，對應圖6中的2號波形。數(shù)據(jù)處理表明，兩個波形的積分面積之差小于3%，說明波形數(shù)據(jù)在不確定度范圍內(nèi)是一致的。

圖6 應用實例Fig.6Application examples

4 結論

成功研制了一種兼顧觸發(fā)功能及波形測量的閃爍探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在測量技術方面，實現(xiàn)了由單套閃爍探測系統(tǒng)同時完成兩項測試目標的任務；在測量方法方面，有效提高了探測系統(tǒng)效能；在工程實施中，既節(jié)省測量空間又節(jié)約了寶貴的傳輸系統(tǒng)資源。該系統(tǒng)對優(yōu)化脈沖輻射場測量系統(tǒng)、提升復雜環(huán)境下的脈沖輻射場測量技術水平具有重要意義。同時，該探測系統(tǒng)還具有可靠實時監(jiān)測自身運行狀態(tài)的功能，具有一定的推廣應用價值。

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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

國家自然科學基金資助項目(11575146；11205122)

劉君紅(1975- )，女，河南汝南人，實驗師，本科，主要從事核電子學相關技術研究。

E-mail:liujunhong@nint.ac.cn

TL812

A

2095-6223(2016)041205(5)