He-3 中子探測(cè)器前放設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

劉世梁 羅程遠(yuǎn) 藍(lán)志鵬

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 江西省南昌市 330013）

1 引言

如圖1 所示，He-3 正比計(jì)數(shù)管屬于氣體探測(cè)器，可以說(shuō)是目前應(yīng)用最廣泛的中子探測(cè)器。相比于常見(jiàn)的BF正比計(jì)數(shù)管，He-3 正比計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率更高、位置分辨更好以及抗輻射性能也較強(qiáng)。

圖1：He-3 正比計(jì)數(shù)管

結(jié)構(gòu)形式通常以在具有中心絲作為陽(yáng)極的金屬圓筒容器，內(nèi)部充入工作氣體。工作原理是根據(jù)中子與He-3 核反應(yīng)的原理。

Q 為核反應(yīng)過(guò)程所釋放的反應(yīng)能。

當(dāng)不帶電的中子進(jìn)入He-3 正比計(jì)數(shù)管時(shí)，由He-3（n，p）T 核反應(yīng)產(chǎn)生了兩種帶電離子，分別是質(zhì)子和氚核，經(jīng)氣體放大后，產(chǎn)生了由不同能量和強(qiáng)度的中子影響的不同的電流信號(hào)，并由外部測(cè)量電子的儀器設(shè)備所記錄。測(cè)量中子需要較高的反應(yīng)截面，由于He-3 對(duì)熱中子和超熱中子具有很高的反應(yīng)截面（5400b），而且He-3 正比計(jì)數(shù)管能工作在較低工作電壓條件下（900 ～1500V），將He-3 氣體充填到較高的氣壓，因此綜上所述 He-3 正比計(jì)數(shù)管是高效中子探測(cè)器的良好選擇。

為滿(mǎn)足實(shí)際工作要求，設(shè)計(jì)完成的He-3 正比計(jì)數(shù)管要實(shí)現(xiàn)：能量分辨率（FWHM）：≤15%；工作溫度40℃～120℃；工作電壓：900 ～1500V；坪長(zhǎng)：≥200 ～700V；最大坪斜：1%～3%/100V。

2 前放電路設(shè)計(jì)

He-3 中子探測(cè)器的前放電路是信號(hào)輸出的第一級(jí)電路，具有兩個(gè)重要的作用，一是將He-3 正比計(jì)數(shù)管的輸出小信號(hào)放大成形到后級(jí)定標(biāo)器或數(shù)字定標(biāo)器可采集的范圍內(nèi)；其二是起到阻抗匹配作用，并盡量在第一級(jí)電路中把噪聲抑制在可接受的范圍內(nèi)，避免后級(jí)電路繼續(xù)放大信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈噪聲干擾。

入射到He-3 正比計(jì)數(shù)管的中子經(jīng)過(guò)管內(nèi)正比區(qū)的氣體放大效應(yīng)，根據(jù)照射中子的能量和數(shù)量，會(huì)在He-3 正比計(jì)數(shù)管的輸出端產(chǎn)生不同幅度的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流放大電路對(duì)信號(hào)放大，后續(xù)電路可記錄被探測(cè)中子的相關(guān)信息。He-3正比計(jì)數(shù)管輸出的是負(fù)脈沖形式的電流信號(hào)，且電流值為nA 級(jí)，因此需要在緊靠探測(cè)器輸出端接一個(gè)電流靈敏前置放大器；再對(duì)電流前置放大器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行成形放大與基線(xiàn)恢復(fù)等處理，得到便于處理的正脈沖信號(hào)。極性變換電路也是成形放大電路的一部分，其主要功能是對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)一步放大，同時(shí)把負(fù)脈沖信號(hào)反相放大為正脈沖信號(hào)，便于后續(xù)電子學(xué)線(xiàn)路處理。電流靈敏前置放大、成形放大和極性變換電路如圖2 所示。

圖2：電流靈敏前置放大、成形放大和極性變換電路

在前放電路中，系統(tǒng)的噪聲性能不僅包括了元器件本身產(chǎn)生的大大小小的噪聲，還包括了它對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的影響程度。一個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能可用噪聲系數(shù)來(lái)衡量,噪聲系數(shù)表達(dá)式[為：

其中噪聲系數(shù)就是輸入信噪比與輸出信噪比的比值，單位為分貝(dB）。在一般設(shè)計(jì)實(shí)例中，通常采用多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)的方式以求達(dá)到高增益，因此對(duì)于一個(gè)n 級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器，其總噪聲系數(shù)為：

由式（3）可知，高增益放大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)往往與第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)關(guān)系最為密切，與后級(jí)放大器的噪聲系數(shù)關(guān)系不明顯，所以在設(shè)計(jì)中考慮第一級(jí)的輸入電路，通常選用低噪聲器件，最大程度降低輸入噪聲。在He-3 正比計(jì)數(shù)管設(shè)計(jì)中，噪聲系數(shù)是首要考慮的指標(biāo)，一個(gè)合格的前放電路不僅具有優(yōu)良的信號(hào)放大增益特性，還更應(yīng)該具有優(yōu)異的抗噪性能，保證He-3 中子探測(cè)器測(cè)量的準(zhǔn)確與穩(wěn)定，元器件的選用是設(shè)計(jì)的核心之一。

運(yùn)放選用ADI（亞德諾）的OP37G 型號(hào)，OP37 可提供與OP27 一樣的高性能，最大的特點(diǎn)就是低噪聲。OP37 不僅具有OP07 的低失調(diào)電壓和漂移特性，而且速度更高、噪聲更低。失調(diào)電壓低至25 μV，最大漂移為0.6 μV/°C，因而該器件是He-3 正比計(jì)數(shù)管前放的理想之選。極低噪聲（10Hz 時(shí)en=3.5nV/Hz）、低1/f 噪聲轉(zhuǎn)折頻率（2.7Hz）以及高增益（180 萬(wàn)），能夠使低電平信號(hào)得到精確的高增益放大。利用偏置電流消除電路，OP37 可實(shí)現(xiàn)±10nA 的低輸入偏置電流和7nA 的失調(diào)電流。

電壓比較器選用ST( 意法半導(dǎo)體) 的LM111/211，LM111 和LM211 和器件是單一高速電壓比較器。這些器件可在廣泛的電源電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，其輸出電平與大多數(shù)TTL和MOS 電路兼容。這些比較器能夠在50mA 時(shí)開(kāi)關(guān)電壓高達(dá)50V。所有的輸入和輸出都可以與系統(tǒng)地面隔離。輸出可以驅(qū)動(dòng)以地、VCC+或VCC-為基準(zhǔn)的負(fù)載。可提供偏移平衡和頻閃功能，而且輸出可以用線(xiàn)或連接。如果頻閃為低電平，則輸出處于關(guān)閉狀態(tài)，與差分輸入無(wú)關(guān)。

232 通信芯片選用TI(德州儀器)的MAX232 型號(hào)，MAX232 器件是一個(gè)雙驅(qū)動(dòng)/接收器，包括一個(gè)電容式電壓發(fā)生器，從一個(gè)5V 電源提供TIA/EIA-232-F 電壓電平。每個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F 輸入轉(zhuǎn)換為5V TTL/CMOS 電平。這些接收器的典型閾值為1.3V，典型滯后為0.5V，并可接受±30V 的輸入。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換為T(mén)IA/EIA-232-F 電平。

單片機(jī)選用STC(宏晶)的STC8F2K16S2，這種型號(hào)的單片機(jī)不需要外部晶振和外部復(fù)位，最大的優(yōu)點(diǎn)是低功耗、高可靠性以及較強(qiáng)的抗干擾能力，在相同的工作頻率下，STC8 系列單片機(jī)比傳統(tǒng)的8051 約快12 倍，能在短時(shí)間內(nèi)依次按順序執(zhí)行完全部的指令。

選型完成對(duì)前放PCB 電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖3：前放電路PCB 設(shè)計(jì)圖

3 性能測(cè)試

對(duì)He-3 中子探測(cè)器正常工作時(shí)進(jìn)行整體測(cè)試，如表1所示。

表1：He-3 正比計(jì)數(shù)管參數(shù)

3.1 中子源能譜分辨率測(cè)量測(cè)試

取標(biāo)準(zhǔn)中子源镅鋰源，用He-3 中子探測(cè)器進(jìn)行中子能譜測(cè)試，結(jié)果如圖4、表2 所示。

表2：He-3 中子探測(cè)器工作參數(shù)

由表2 可知He-3 中子探測(cè)器的能量分辨率、n/γ 甄別能力以及工作坪長(zhǎng)滿(mǎn)足要求；由圖4 可知He-3 中子探測(cè)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)镅鋰中子源能譜正常。

圖4：镅鋰中子能譜圖

3.2 探測(cè)器溫度測(cè)試

首先將待測(cè)He-3 中子探測(cè)器及配套工作電路放置于加熱箱內(nèi)，在加熱箱外部固定位置放置中子源及慢化裝置。開(kāi)機(jī)預(yù)熱10min，并給加熱箱設(shè)置升溫及保溫曲線(xiàn)。如圖5所示。

圖5：實(shí)驗(yàn)用高低溫交變?cè)囼?yàn)箱

加熱溫度從室溫開(kāi)始，依次升溫至40 ℃，60 ℃，80℃，100℃，120℃五個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)。溫度升到測(cè)試點(diǎn)后先保溫10 分鐘，在開(kāi)始測(cè)量。每個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)試三組中子計(jì)數(shù)（每組3 分鐘）及一組中子譜圖數(shù)據(jù)（5 分鐘）。待該溫度測(cè)試點(diǎn)完成測(cè)試后繼續(xù)升溫至下一個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)。

從圖6 可以看出He-3 中子探測(cè)器工作在40℃，60℃，80℃，100℃，120℃五個(gè)溫度時(shí)特征峰的峰位基本保持在170～210 道址之間，隨著溫度的提升，特征峰峰位有小幅度的增加。在特定溫度300s 內(nèi)基本變化不大，說(shuō)明He-3 中子探測(cè)器的熱穩(wěn)定性良好，可以正常工作在40℃～120℃之間。

圖6：中子特征峰峰位隨溫度變化圖

3.3 中子計(jì)數(shù)穩(wěn)定性測(cè)試

固定源、慢化及He-3 探測(cè)器測(cè)試位置，數(shù)字多道測(cè)量三組中子計(jì)數(shù)（閾值300mV），每組5min。測(cè)試結(jié)果如下：

由圖7 可知全能峰峰位正常，He-3 探測(cè)器工作情況良好；由表3 可知He-3 探測(cè)器在每組中子計(jì)數(shù)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，計(jì)數(shù)偏差小于±1%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7：He-3 中子探測(cè)器中子計(jì)數(shù)測(cè)試圖

表3：He-3 正比計(jì)數(shù)管中子計(jì)數(shù)測(cè)試記錄表

4 結(jié)論

本文完成了He-3 中子探測(cè)器的前放電路的設(shè)計(jì)及測(cè)試工作，實(shí)驗(yàn)通過(guò)了中子能譜分辨率測(cè)試、溫度范圍測(cè)試以及中子計(jì)數(shù)穩(wěn)定性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此He-3 中子探測(cè)器能量分辨率等各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)前標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿(mǎn)足正常的工作科研要求條件，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。