反应堆中子注量率相对分布测量装置中多通道放大甄别器研制

赵艳辉1，刘丽艳2，黄 顺3，刘才学4，踪训成4，赵修良2，＊

（1.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001；3.衡阳师范学院 物理与电子信息科学系，湖南 衡阳 421008；4.中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

反应堆中子注量率相对分布测量装置中多通道放大甄别器研制

赵艳辉1，刘丽艳2，黄 顺3，刘才学4，踪训成4，赵修良2，＊

（1.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001；3.衡阳师范学院 物理与电子信息科学系，湖南 衡阳 421008；4.中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

为了测量反应堆内中子注量率分布，保证反应堆内活化55Mn-58Ni合金探测片γ计数测量的可靠性，本文研制了中子注量率分布测量装置中9通道放大甄别器。多通道放大甄别器性能指标测试与应用测试结果表明：每个通道放大器增益1～21连续可调、甄别器阈值独立连续可调，具有最大计数率高、灵敏度高、稳定性好、系统抗串扰能力强等优点；放大器增益长期稳定性≤1%，甄别器最小输入脉冲宽度≥0.1μs，甄别器最大计数率≤4×106s-1，能用于实时长期稳定测量反应堆内中子注量率分布。

中子注量率；放大甄别器；放大器增益；最小输入脉冲宽度；最大计数率

反应堆中子注量率分布测量是验证反应堆物理设计的重要手段，对反应堆中子注量率空间分布、最大允许功率的确定、核燃料管理、反应堆内功率的监控、反应堆安全运行有重要的意义［1］。堆芯中子注量率测量方法主要有移动式微型裂变室测量法、固定式自给能钒（铑）中子探测器测量法和气动球活化测量法等［2］，本工作属于活化法的范畴。通过测量堆内受照活化探测片的γ计数，测量堆内中子注量率在空间的相对分布情况，需研制多通道放大甄别器，对探测器输出信号进一步放大和成形、并甄别成形为TTL信号。

在多路放大甄别器研制方面，中国科学院高能物理研究所研制了用于中微子测量的多路放大甄别器［3］，中国科学技术大学技术物理系研制了用于ATLAS探测器最外层的μ子探测器中的放大器成形甄别器ASD［4］。法国欧洲同步辐射中心研制的16通道放大甄别器集成电路可用来作为充气探测器的二进制参数读出器［5］。瑞士日内瓦欧洲核子研究中心研制的超快、低功耗、先进的放大甄别器NINO专用集成电路可用于开发多隙抗板探测器（MRPC）的好的定时特性，8路放大甄别器分别具有不同的输入信号、小于1ns达峰时间的快放大器和通过阈值矫正测量输入电荷的特点［6］。本文欲设计的多通道放大甄别器可用于堆内中子注量率相对分布测量系统，需满足：1）对9路探测器输出信号同时进行放大、成形、甄别成TTL电平；2）每个通道放大器增益1～21连续可调、甄别器阈值独立连续可调；3）最大计数率高、灵敏度高；4）稳定性好；5）抗串扰能力强等要求。

1 反应堆中子注量率相对分布测量装置

1.1 系统原理

采用55Mn-58Ni合金材料作为探测片，按照试验程序以一定规则布置在反应堆燃料元件间的水隙内，反应堆达临界后开始计时，探测片在堆内辐照一段时间后取出并放在多通道测量装置上。采用多通道测量装置采集和控制反应堆内多通道NaI探测器输出信号，多通道活化探测片的γ计数在研制的计算机测量软件MNFDAS界面上以曲线及数据表格形式实时显示，结合反应堆内中子注量率相对分布计算公式，可达到测量反应堆中子注量率相对分布的目的。

1.2 多通道测量装置

多通道测量装置主要组成框图如图1所示。

图1 多通道测量装置框图Fig.1 Block diagram of multi-channel measurement device

将装置各组成部分连接，调节高压电源输出至NaI探测器工作高压；再调节放大甄别器的阈值、增益电位器。将反应堆活化探测片放在NaI探测器灵敏区下方，根据设定工作参数，在软件界面可得到γ计数，计数率的大小反映了活化片所在堆芯位置处的中子注量率大小。

2 多通道放大甄别器

2.1 放大甄别器原理

放大甄别器为自行研制，为单NIM插宽，对NaI探测器输出信号进行放大、成形并甄别成TTL信号。单通道放大甄别器由放大器和甄别器组成，其中放大器由一级反相端放大电路、三级同相端放大电路、二级RC积分滤波成形电路、极-零相消电路等组成，其组成框图如图2所示，电路原理分别如图3、4所示。

图2 单通道放大甄别器框图Fig.2 Block diagram of amplifier-discriminator for single channel

图3 放大器电路原理Fig.3 Block diagram of amplifier circuit

图4 甄别器电路原理Fig.4 Block diagram of discriminator

输出信号依次经过第一级同相端放大电路、第一级RC积分滤波成形电路、第二级同相端放大电路和第二级RC积分滤波成形电路，再送入第三级同相端可调放大电路。第一级反相端放大电路可对探头输出信号进行放大并使其转变为正信号，其放大倍数取决于R2、R3；极-零相消电路用于消除脉冲信号的下冲；第一级同相端放大电路的放大倍数取决于R7、R8；RC积分滤波成形电路用于获得较佳的脉冲宽度和较好的信噪比；第二级同相端放大电路的放大倍数取决于R10、R11；第三级同相端可调放大电路的放大倍数取决于R13、R20，改变第三级同相端的增益电位器R20，可达到改变放大器增益的目的。

甄别器电路采用集成电压比较器LM710，具有电路简单、调整方便、稳定性好、灵敏度高、速度快等特点。从放大器输出的信号，送入LM710的反相端；LM710的同相端通过R15、R16、阈值电位器R21接外接电源，改变甄别器的阈值电位器R21，可得到不同的甄别阈值。若反相端的输入信号大于甄别器的甄别阈值，LM710输出一负的TTL信号，再送入反相器74LS04，得到一正的TTL信号，即为放大甄别器的输出。

2.2 多通道放大甄别器主要技术指标

对各通道放大甄别器进行了性能指标测量［78］，测试设备为：1）函数信号发生器1台，型号为TFG6040DDS；2）精密脉冲产生器1台，型号为FH1013A；3）示波器1台，型号为Tektronix TDS220；4）数字频率计1台，型号为SG3320。测量条件为：测量前先将可调电位器R19调至中间值100Ω。

测试得到的多路放大甄别器的主要技术指标为：1）放大器增益，1～21倍连续可调；2）放大器增益的长期稳定性，≤1%；3）放大器积分非线性，≤2%；4）单级放大器输入极性，负；5）放大器总的输入极性，正；6）甄别器最小输入脉冲宽度，≥0.1μs；7）甄别器灵敏度，≤0.2V；8）甄别器最大计数率，≤4×106s-1；9）甄别器分辨时间，≤1.1μs；10）甄别器积分非线性，≤5%；11）甄别器稳定度，≤10mV；12）甄别器输出电阻，110Ω≤R0≤120Ω。其相关技术指标满足多通道测量装置的需求。

2.3 多通道放大甄别器串扰现象及减少串扰的措施

串扰是指多通道测量系统中某一通道有信号时，常会对系统中的其他通道产生干扰信号。若串扰信号叠加到真信号上，即会对测量产生影响［9］。

在电路设计过程中，有助于减少串扰影响的措施有：1）加强电源滤波，减少电源的波动，对一些关键器件应参照器件手册中提供的方法进行滤波；2）地电阻应尽量小；3）不同通道的电源和地线应隔开；4）充分考虑电路板的布局，尽量减少电路板的分布电感和分布电容；5）注意信号的匹配，防止出现反射。

3 应用测试

3.1 精密脉冲产生器输出信号测试

精密脉冲产生器输出信号测试框图如图5所示。Tektronix AFG310精密脉冲产生器连接至集线器通道3，集线器连接至工控机PCI插槽内的PTMC12数据采集卡上。脉冲产生器输入信号选择幅度为2V（偏移量1V）的方波。分别调节脉冲产生器的频率为100、1 000、10 000Hz，打开MNFDAS界面，设置采集单元时间1s，采集单元数量1 000，预热后每隔1s进行计数。测试结果列于表1。

图5 精密脉冲产生器输出信号测试框图Fig.5 Block diagram of test for output signal from precision pulse generator

表1 精密脉冲产生器输出信号测试结果Table 1 Test result of output signal from precision pulse generator

3.2 多通道测量系统输出信号测试

为了确定NaI探测器的工作高压，连接装置各设备，仪器至少预热2h，选取甄别阈压，采取定时计数方式，定时时间选取10s，采用104Bq量级60Co源测量坪曲线，根据测试数据绘制坪曲线。根据坪曲线形状，可选取NaI探测器的合适工作高压。

测试试验中采用104Bq量级60Co放射源；探测器1输出信号连接至1路放大甄别器；调节高压电源1为＋850V，调节9路放大甄别器增益电位器为5圈、阈值电位器为3圈；打开MNFDAS界面，设置采集单元时间为1s，采集单元数量为3 700；系统预热2h后，分别改变探测器1输出信号至2、3、…、9路放大甄别器，并分别记录每通道每隔1s计数。测试数据示于图6，其相对标准偏差列于表2。

图6 多通道测量系统输出信号测试结果Fig.6 Test result of output signal of multi-channel measurement device

表2 各通道应用测试相对标准偏差Table 2 Relative standard deviation in application test of each channel

4 结论

性能指标测试与应用测试结果表明：多通道放大甄别器能对9路探测器输出信号同时进行放大、成形、甄别成TTL电平；每个通道放大器增益1～21连续可调、甄别器阈值独立连续可调，具有最大计数率高、灵敏度高、稳定性好、系统抗串扰能力强等优点；放大器增益长期稳定性≤1%，甄别器最小输入脉冲宽度≥0.1μs，甄别器最大计数率≤4×106s-1。多通道放大甄别器满足某新型反应堆实时长期稳定测量反应堆内中子注量率分布的要求，且该成果可推广应用于其他反应堆中子注量率分布测量，综合技术指标优于国内同类产品。

［1］ 郑福裕.压水堆核电厂运行物理导论［M］.北京：原子能出版社，2009.

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DU Xiaoguang，WANG Mingtao，WANG Mingzhu，et al.Introduction to the movable in-core neutron flux instrumentation system［J］.China Nuclear Power，2010，3（4）：367-373（in Chinese）.

［3］ 王佩良.用于中微子测量的多路放大甄别器的研制［C］∥中国电子学会核电子学与核探测技术分会.北京：电子学会工作委员会，2000：71-73.

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LI Feng，ZHANG Yuehua，JIANG Xiao，et al.16-channel nTOF ATD［J］.Nuclear Electronics＆Detection Technology，2008，28（4）：767-769（in Chinese）.

Development of Multi-channel Amplifier-discriminator Based on Measurement System of Neutron Fluence Rate Relative Distribution in Reactor

ZHAO Yan-hui1，LIU Li-yan2，HUANG Shun3，LIU Cai-xue4，ZONG Xun-cheng4，ZHAO Xiu-liang2，＊
（1.School of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang421001，China；2.School of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang421001，China；3.Department of Physics and Information Science，Hengyang Normal College，Hengyang421008，China；4.Nuclear Power Institute of China，Chengdu610041，China）

For the measurement of neutron fluence rate in reactor and reliable assurance ofγcount measurement of activated55Mn-58Ni alloy irradiated foils in reactor，9-channel amplifier-discriminator was developed.The main technical parameter test and application test show that the gain of each channel amplifier-discriminator is continuously adjustable from 1to 21，the threshold of each discriminator circuit is continuously adjustable，the maximum count rate and sensitivity of discriminator circuit are high，and the system has stable property and excellent anti-interference.Inconclusion，relevant technical parameters can guarantee the real-time and long-term stable measurement of neutron fluence rate relative distribution in reactor，with the technical parameters that gain stability of amplifier is less than 1%，the minimum input pulse width of discriminator circuit is greater than 0.1μs，and the maximum count rate of discriminator is less than 4×106s-1.

neutron fluence rate；amplifier-discriminator；gain of amplifier；minimum input pulse width；maximum count rate

TL37

A

1000-6931（2014）02-0347-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0347

2013-10-16；

2013-12-05

中国核动力研究设计院委托项目资助；湖南省科技厅计划项目资助（2011GK3198）；衡阳市科技计划项目资助（2012KG73）

赵艳辉（1974—），女，湖南湘潭人，实验师，从事电工电子技术与核仪器开发研究

＊通信作者：赵修良，Email：zhaoxiul＠163.com