一種用于脈沖中子源測量系統(tǒng)的電流靈敏前置放大器的研制

中國核動力研究設(shè)計院 胡 海 王璨輝 付國恩 張 楊 尚 靜 王 飛

一種用于脈沖中子源測量系統(tǒng)的電流靈敏前置放大器的研制

中國核動力研究設(shè)計院 胡 海 王璨輝 付國恩 張 楊 尚 靜 王 飛

簡要介紹了一種與3He中子探測器相匹配用于脈沖中子源測量系統(tǒng)的電流靈敏前置放大器。該放大器能夠適用于高計數(shù)率情況下中子通量密度的測量，具有輸出信號上升時間快、噪聲低、體積小、穩(wěn)定性好和功耗低等特點。

電流靈敏前置放大器 ；3He中子探測器；中子通量密度測量

1 引言

脈沖中子源測量系統(tǒng)是反應(yīng)堆物理實驗的重要參數(shù)測量系統(tǒng)，其主要功能是在次臨界狀態(tài)下測量反應(yīng)堆的控制棒價值及停堆深度。由于系統(tǒng)中3He中子探測器輸出的信號幅度較小，大約在2-3mV左右，所以需要將信號通過一個前置放大器進(jìn)行預(yù)先放大再進(jìn)行下一步處理。系統(tǒng)中前置放大器緊靠探測器，二者用同軸屏蔽電纜連接，并組裝在一個結(jié)構(gòu)中，前放輸出端再經(jīng)過高頻電纜與后面的主放大器相連。探測器直流高壓電源由NIM高壓電源插件提供，經(jīng)過前置放大器高壓插座引入探測器。

2 設(shè)計思路

對應(yīng)于不同類型的探測器將有不同的前置放大器與之匹配, 根據(jù)探測器輸出信號成形方式的特點分類, 前置放大器可分為電壓靈敏、電流靈敏和電荷靈敏三大類。一般的電壓靈敏和電荷靈敏前置放大器在能譜測量中對電流信號起了積分作用，所以上升時間緩慢，而且有較長的后沿，也易產(chǎn)生堆積，不利于較高計數(shù)率的測量。且電荷靈敏前置放大器引入了反饋電容, 信號幅度主要由反饋電容起作用，若反饋電容大則噪聲大，而反饋電容過小則反饋深度相應(yīng)較小，又會使輸出幅度穩(wěn)定性變壞。

脈沖中子源測量系統(tǒng)對時間分辨要求較高，屬于高計數(shù)率的測量系統(tǒng)，要求采用對輸入信號響應(yīng)快的前置放大器，且系統(tǒng)使用了3He中子正比計數(shù)管探測器，所以綜合上述情況我們采用電流靈敏前置放大器。

由于3He中子探測器的電流脈沖寬度Tw由電子收集時間T-和正離子收集時間T+組成，T-為μs量級，T+為ms量級。探測器輸出回路時間常數(shù)RC〈〈探測器電流脈沖寬度Tw，探測器輸出回路輸出電壓信號寬度和上升時間都很小，對高計數(shù)的情況有利。而電流靈敏前置放大器輸出電壓理想表達(dá)式為：

由式(1)得出：在理想情況下，電流靈敏前置放大器輸出電壓與探測器電流Id( t )成正比。反饋電阻Rf 影響電流靈敏前置放大器的輸出電壓幅度，通過調(diào)節(jié)其大小使電流靈敏前置放大器輸出電壓幅度達(dá)100mV級，以利于信號傳輸。

3 電路結(jié)構(gòu)與原理

前置放大器電路由兩級組成。第一級是放大級，為電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，第二級為電壓跟隨。組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，電路原理圖如圖2所示。

圖1 前置放大器組成結(jié)構(gòu)框圖

圖2 前置放大器電路原理圖

圖2 中R1為探測器高壓偏置電阻，C1為隔直交流耦合的高壓電容。R2為與電纜串聯(lián)匹配的前放輸入電阻，與反饋電阻R5、運算放大器U1組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，作為電路放大級。而放大級的輸出阻抗一般較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中,

這個時候就需要電壓跟隨。電阻R6、R7和運算放大器U2組成電壓跟隨網(wǎng)絡(luò)，輸入阻抗高而輸出阻抗低，起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。R8為前放輸出電阻。由于中子探測器高壓與信號需由一根傳輸線傳輸，傳輸線須采用耐高壓型同軸屏蔽電纜。

4 噪聲控制

噪聲大小是前置放大器最重要的指標(biāo)之一, 如何降低噪聲,提高信噪比，這是研制前放時最需要關(guān)注的問題。為降低噪聲, 改善前放性能, 我們主要從以下幾方面采取了措施。

4.1 元器件選擇

中子探測器對整個前放噪聲貢獻(xiàn)是很小的，前放噪聲很大一部分取決于輸入級FET的噪聲，所以需要采用低噪聲的FET跨導(dǎo)運放，同時要求高輸入阻抗、低輸入電容和小漏源電流。然而低噪聲FET跨導(dǎo)運放往往具有更大的帶寬和輸入電容, 這不利于獲得更好的信噪比。因此在實際的設(shè)計中，必須在眾多的跨導(dǎo)運算放大器中進(jìn)行噪聲和帶寬的折中選擇。再加上綜合考慮電源、轉(zhuǎn)換速率、輸出特性等因素，最終選擇了單電源集成運放CA3130E作為放大級芯片，單電源集成運放CA3140E作為電壓跟隨級芯片。

同時，反饋電阻R5也是產(chǎn)生噪聲的主要因素之一，為了降低噪聲，應(yīng)該降低R5，然而為了獲得足夠的輸出增益，R5又必須足夠大。設(shè)計時考慮到前置放大器輸出電壓幅度需達(dá)到100 mV 量級，同時兼顧噪聲影響，R5采用15 kΩ電阻。

另外，在高壓輸入端選用10MΩ偏置電阻和4700 pF/3000V的耐高壓電容。集成運放采用2.2μF極性電容和0.1μF電容進(jìn)行濾波。為了使輸入和輸出端與電纜進(jìn)行匹配，選取了51Ω的電阻。

4.2 PCB工藝設(shè)計

為了保證前放的可靠性和低噪聲，PCB的設(shè)計工藝也是很重要的一環(huán)。我們遵循了以下原則：輸入級的元件不要過擠；元件從輸入至輸出順序排列，分布均勻，連線盡量短；電源線盡量遠(yuǎn)離信號線；高壓饋電支路與電路其他部分分開。除了這些常規(guī)措施，還對PCB上的地線做了仔細(xì)設(shè)計，采用大面積敷銅，但不全板敷銅的方式，在PCB的電源部分與后級電路部分實行大面積敷銅地, 而在輸入級和與之相連的器件一側(cè)則不大面積敷銅，并與大面積地保持一定距離，用較寬地線與大面積地相連。同時，所有輸入、輸出、高壓連接器實行就近良好接地。同時，由于電路是小電流放大，容易受到外界的干擾，因此，PCB屏蔽封裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。這些工藝設(shè)計，對降低前放的噪聲取得了明顯的效果。

5 結(jié)束語

利用脈沖信號發(fā)生器作為輸入信號源，設(shè)定信號大小及上升下降波形寬度，按實際組裝要求選擇連接電纜長度0.2m，測試得到電流靈敏前置放大器的輸出信號幅度為35.8mV，輸入電阻為53.5Ω，輸出電阻為9.8Ω，上升時間為68ns，下降時間為159ns。此電流靈敏前置放大器已經(jīng)作為脈沖中子源測量系統(tǒng)的組成部分在中國核動力研究設(shè)計院的零功率物理實驗裝置上進(jìn)行了試驗，并取得了滿意的效果。通過自行研制這種電流靈敏前置放大器,使我們在研制開發(fā)小型、高集成度電流前放方面做了十分有意義的探索和實踐。

[1]丁洪林.核輻射探測器[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,2010.

[2]格倫F.諾爾(美).輻射探測與測量[M].原子能出版社,1988.

[3]王經(jīng)瑾.核電子學(xué)[M].原子能出版社,1985.

[4]謝紅.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,2006.

The Development of A Current Sensitive Preamplif i er Used for Pulse Neutron Source Measurement System

HU Hai,WANG Can-hui,FU Guo-en,ZHANG Yang,SHANG Jing, WANG Fei

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China)

A currentsensitive preampli fi er for the 3He neutron detector usedfor pulse neutron source measurement system is introduced in this paper. This preampli fi er is propitious to neutron fl ux density measurement ata highcounting rate,it features fast rise time of output pulse,low noise ,small dimensions,excellent stability and low cost.

Currentsensitive preampli fi er,3He neutron detector,Neutron fl ux density measurement

胡海（1983—），男，2011年畢業(yè)于俄羅斯下諾夫哥羅德國立技術(shù)大學(xué)核能與技術(shù)物理專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事核反應(yīng)堆故障監(jiān)測與診斷技術(shù)研究與設(shè)備研發(fā)工作。

王璨輝（1979—），男，2005年畢業(yè)于南華大學(xué)核科學(xué)與核技術(shù)專業(yè)，碩士，副研究員，現(xiàn)從事反應(yīng)堆硼濃度監(jiān)測技術(shù)研究與設(shè)備研發(fā)工作。