基于分线器核信息共享平台的研究与应用

郦文忠,刘希民,李智仁,曹利国

(成都理工大学工程技术学院,四川乐山614007)

1 引 言

核辐射实验具有一些特殊性:核辐射不易被人们直接感知,且核辐射对人体有辐照伤害;实验时还需要考虑不同辐射源的互相影响;放射源、探测器的购置费用高,等等.由于辐射探测实验的特殊性,传统的实验方式是多人1组、1室多组,由于每组配有1套探测设备和1个放射源,从而使实验成本昂贵,室内辐射剂量大,组间实验结果影响大.由于每种探测设备的套数相对于实验人员来说少,使得实验人员得到的实践机会少,达不到很好的实践效果.本着更安全、更经济、追求良好教学效果的原则,我们提出基于分线器的W G-1核信息共享器基础上的实验运行方式——实验室内只需1个放射源、1套探测器,探测器产生的信号经过核信息共享器,一分多路到各个实验组进行实验.

2 核信息共享器研制目标及关键技术

在设计实验室运行方式时,要求用1套探测设备得到核信号,然后将其输出到16个测量组使用;要求各测量组收到的核信息一致,信号要独立接收、互不干扰;传输距离可达到100 m或更远;可以测量α,β,γ,X等核信息,方便地传送测量的信号;外型上要求其作为FH0001型国际通用核信息电源支架的插件.

为此,设计了核辐射探测实验中基于WG-1核信号共享器的连接方式(如图1)和各组接收到核信息后,组内的仪器组成(框图如图2).

图1 核辐射探测实验的核信息共享器连接方式示意图

图2 接收到WG-1核信息共享器的信号后,组内的仪器组成框图

由于实验各组与WG-1核信号共享器的距离较远,所以共享器研究的重点是解决长线传输时的反射波问题.核信息长距离传送方式在总量强度测量仪、单道γ谱仪中已使用过,如传送600 m测井仪已经在生产中用了多年[1-2].对总量强度测量仪来说,由于其只关心脉冲的个数而不关心脉冲的幅度和宽度,所以反射波引起的信号幅度变化在抗幅度过载和抗计数率过载电路的配合下,对结果是没有影响的.对单道γ能谱仪来说,在野外测量时由于可以将道宽调得很宽,反射波叠加在真实信号上引起了信号幅度变化,但仍然没超过道宽范围,并且各道的甄别阈尚能控制杂波,所以单道能谱仪测量也可以克服反射波问题[3].而多道测量对脉冲的幅度及波形要求极为严格,即要求到达各个测量小组的脉冲幅度分布要保持一致,确保测量到的核信息脉冲真实,不变形,使得测量信号真实代表被测量元素的信息.

图3是61K轻型γ测井仪输送电路,接有约50 m同轴电缆后,终端波形的前沿出现振荡波形现象,特别提出的是,这种终端波形将会产生伪能峰,干扰测量结果.经分析得知与电缆的分布参量(L,C)有关,为进一步研究此现象,更换了不同直径的同轴电缆进行实验,通过研究得知:基本波形皆相同,但随同轴电缆直径变化,振荡波幅度频率有相应的变化,直径越大,影响越小.由实验知各种线缆都有很强的反射波.

图3 γ测井仪输送电路

核信息的电脉冲近似微分脉冲,前后沿不对称,前沿快,近似矩形脉冲前沿,后沿慢,近似钟形脉冲的后沿,是非周期性随机信号,通过分析单个脉冲的频谱函数可以给传输方案提供理论依据[4].经分析可知,核信息脉冲前后沿都含有极丰富的高次谐波,其幅度、相位都在不断变化.而电缆具有电感特性,电缆之间具有分布电容,即具有L和C特性,信号中某一个频率的谐波与电缆的分布LC产生了谐振,形成反射波,所以电缆阻抗不匹配必定会导致传送脉冲产生反射波.

对固定频率正弦波中的反射波问题一般采用电缆阻抗与电路输入、输出阻抗匹配的方法解决,但对脉冲前后沿多频、多幅谐振波信号,能达到良好阻抗匹配难度较大.经过分析和实验验证,在传送电路与传输线之间加100～1 000Ω的电阻(如图4中的 R3+W)可以将脉冲波中的高次谐波与传输线分布LC等产生谐振的条件破坏掉,消除反射波,使终端得到与输入端相同的脉冲波形.但是电缆增长,信号幅度会有衰减,可以通过调节W达到调整远近距离点得到等幅度脉冲信号,保证了各个测量小组测量的结果一致.

为了能够将信息保真传输到各小组,采用输出端直流电平为零的互补射极输出器组合,并设计了一拖四的方案,输入信号输入到第一级射极输出器,然后第一级推动4个并行第二级射极输出器,每个第二级再推动4个并行第三级射极输出器,共有16个射极输出器输出给各自不同的测量小组.

图4 消除驻波电路

在WG-1核信号共享器驱动电路中使用的三极管与其偏置电阻和射极电阻等组成了互补跟随电流放大器,由于三极管参量不对称,在电路中调节偏置电阻使得输出为零,电路中其他电阻和电解电容都是去耦电路.射极输出器的输出幅度仅为输入幅度的0.9～0.95.由于共享器电路采用了三级射极输出器,电流明显放大了,负载能力提高了.在研制过程中,将单电源互补射极输出器改换成双电源互补射极输出器后,电缆终波形更有改善,能适应正负脉冲,而且动态范围提高到2 500～5 000倍,完全达到了预定目标.

3 性能测试

线性输出是对核信息网络共享器的一个基本要求,为此通过实验共获取24组数据,并作图分析.由于在-50～50 m V范围内取了较多的数据,所以图5该区间有点重合现象.由图5可知,核信息共享器对正负脉冲的输入都有很好的线性输出,从而实现了信号的保真传输.

图5 核信息网络共享器线性分析图

为了验证核信息共享器的实际使用效果,首先比较了电缆终端的脉冲与始端输入脉冲的差异情况,结果表明,除幅度有差异外,其他参量完全相同,脉冲幅度分布一致性得到了保证.又利用同一电缆、同套探测设备和相同的放射源(铯-137或镅-241)对共享器的16个输出端口分别测试,他们的特征峰位严格一致.

4 结束语

按照以上的设计思路,研制了样机,并在实验中使用,运行了4年,从未出现故障.这充分证明了设计思路是可靠的,核信息共享器的运行具有实用性和稳定性.W G-1核信息共享器的成功研制使得实验室内1个核信息探头信号能同时输出给多个测量台享用,核信息脉冲传输距离可达100 m或更远,使得实验室运行成本、组间影响和人员辐照损伤降到最低.W G-1核信息共享器的运行模式同样可以用于其他电子信号的共享,特别是在探测用信号源有限、信号源或信号探测器较为昂贵、维护成本高等情况下,从而节约各种信号源、探测仪器的重复投资.

[1] 邱晓林,方国明,许鹏,等.基于脉冲波形采样技术的核辐射多参数测量系统[J].核技术,2007,30(9):785-788.

[2] 楚泽涵,徐凌堂,尹庆文,等.远探测反射波声波测井方法实验研究进展[J].测井技术,2005,33(2):98-102.

[3] 李智仁.核物探仪器技术[D].北京:中国核工业总公司地质局,1993:75-76.

[4] 姚久民,田广志,祝玉华.用频谱分析法研究弦振荡实验[J].物理实验,2009,20(12):30-34.