微弱快脉冲大动态辐射探测系统的研制

渠红光 黑东炜 李斌康 田晓霞 王 晶 李海涛

微弱快脉冲大动态辐射探测系统的研制

渠红光 黑东炜 李斌康 田晓霞 王 晶 李海涛

（西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室 西安 710024）

介绍了一种辐射探测中微弱大动态脉冲信号获取方法，着重于在一定带宽下系统可测量下限的拓展探索研究。通过低噪声放大电路设计和大动态数字化传输技术研究，利用小电容受激产生小电流信号与激励成较好的线性关系实现了可测量下限的标定，可在系统带宽20MHz下，对0.8-680µA（峰值）范围内的小脉冲电流信号实现有效检测。最后，经辐射探测实验，准确获得了低于1µA的γ辐射脉冲信号。

辐射探测，低噪声，带宽，测量下限，数字化传输

在辐射场脉冲射线束诊断研究中，由于各种噪声干扰、探测器性能、传输线路以及记录设备性能的限制，在现有条件下，当前能够获取到的物理探测器脉冲信号电流下限只能达到百μA的量级。随着辐射探测器灵敏度的不断提高，对更微弱的脉冲物理信号的甄别能力也大幅提升，某些常用探测器（如GD40）的噪声电流（暗电流）甚至可低至nA量级，而现行的探测技术只记录到探测器的较高部分的测量范围，仅利用到了探测器的3-4个量级，即探测器（如光电探测器）可测量范围中较高的一段测量区域，未能充分利用到探测器的全部性能，而对高于几十nA至百μA这段探测器的有效测量范围内的信号数据，如图1所示，并未得到有效获取和记录。在综合性的脉冲射线束测量中，为覆盖较宽的探测范围不得不采用多个探测器进行量程搭接，增加信号传输线路，从而造成设备浪费和实验规模的庞大。

图1 探测器探测范围及各测量区间示意图Fig.1 Detection range and the measurement interval diagram.

本文在分析典型探测器性能的基础上开展快脉冲辐射宽带小信号放大技术研究，结合大动态高精度数字化采集和传输技术，对探测器的测量下限进行拓展，扩大系统线性测量范围，对于充分利用探测器的性能、探究更微弱物理现象和优化大型辐射探测实验中的结构布局具有重要意义。

1 信号调理放大单元

在微弱辐射探测系统中，由于探测器输出的信号较小，需加以放大输出再测量。由于探测器与信号调理系统连接处存在分布电容，并且分布电容越小，则整个系统的信噪比越大。而将此分布电容减小的一个主要措施就是将放大器尽量靠近探测器以减少其连接导线造成的分布电容。如果将整个信号调理电路直接与探测器相连接，系统会比较笨重，也不易于安装，并且可能受到辐射探测环境的影响，因此可将信号调理放大单元分为前置放大器和主放大器。前置放大器一般设计体积较小，紧靠或者与探测器成一体，这样就达到了降低分布电容，不影响电路的放大设计，提高信噪比。前置放大器通过高频电缆与主放大器进行连接，主放大器则可以灵活地安放在测量人员较为方便测试的位置，也可摆脱了现场条件的限制[1]。

前置放大器是探测器输出信号调理系统的核心部分，也是决定着微弱辐射脉冲探测系统测量下限的最关键部分，即使是多级放大，由弗里斯公式[2]知M级级联放大电路总的噪声系数F为：式中，K1、K2、KM为各级功率增益。由式(1)可知，级联放大系统中越是前级对总噪声系数的影响越大，第一级最大。在设计辐射微弱脉冲检测放大电路时，务必使第一级的噪声系数足够小，因此前置放大器的噪声性能决定着这个系统的噪声水平，是整个信号调理系统的最主要噪声来源，因此本文主要讲述该前放的具体设计，具体主放设计则可借鉴西北核技术研究所阮林波等[3]的具体相关工作。

由于要测量的是高速的瞬态电流脉冲信号，必须选择高带宽和低噪声的晶体管做前置放大电路的核心器件。为达到噪声匹配，把噪声影响控制降到最低，必须完成最佳源电阻的匹配。采用结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)或者金属-氧化物-半导体型场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor, MOSFET)的分立器件做前置放大器的核心。由于场效应管不存在杂乱运动的少子扩散引发的散粒噪声，可获得很好的噪声指标。另外，它具有较高的频率响应，具备较高电路的温度稳定性和抗干扰能力，特别是抗辐射能力强，适用于辐射探测的前置放大电路设计中[4]。但晶体管分立器件无法满足高增益高带宽的设计要求，所以在此情形下，本文采取了分立器件和低噪运算放大器组成的微弱宽带小脉冲电流信号前置放大电路设计方案，如图2所示。

图2 分立器件和运放组成的低噪前置放大器电路Fig.2 Low noise pre-amplifier circuit with discrete devices and operational amplifier.

图2 中设计采用了三极管Q1和集成运放U1组成的二级放大，系统采用双电源±5 V供电。第一级通过调节R1和R2使场效应管的漏源极电压Vds≈1.1V，栅源极电压Vgs≈-0.8 V，则可使场效应管的噪声最小，此时的第一级Q1增益约为两倍，低放大倍数一方面为保证系统带宽，另一方面起到信号的缓冲作用。U1作为第二级放大，选取低噪声宽带集成运算放大器LMH6629，在放大的同时把电流信号转换成电压信号，其中R3和C2组成负反馈泄放网络电路，R3的取值一般在kΩ-MΩ量级，C2为pF量级，C2不仅起到调整带宽的作用，还可稳定系统输出，但要牺牲一定的系统增益。R5和C8可扩展系统带宽。R4和C3组成一个上限为20MHz的低通滤波器，滤除不必要的高频噪声。Vbias为可调偏置，C1为实现探测器输出到放大器输入的耦合电容，起到隔直作用，一般较小，取nF量级，C4、C5、C6、C7为电源去耦电容，一般取µF量级。

按照图2所示电路，利用TINA仿真软件和软件可提供的模拟脉冲电流源，通过系统推荐和更改各种电路参数，在室温环境进行仿真，得到如图3的系统总噪声图和频率响应最优仿真结果。可以看出，系统−3dB带宽为20.91MHz，系统跨阻增益可达80dB。

图3 系统总噪声(a)和频率响应(b)仿真结果图Fig.3 Simulation results of total noise (a) and frequency response (b) .

为降低电磁干扰对前置放大器的影响，专门制作了全铜的电磁屏蔽盒，如图4所示。

图4 低噪前置放大器电磁屏蔽盒Fig.4 Electromagnetic shielding box for low noise preamplifier.

2 大动态高速数字化输出系统

在大动态强度变化的脉冲射线束测量中，通常采用同轴电缆作为信号传输媒介，但是由于其传输特性，快脉冲模拟信号会受信号传输线路带宽限制，使信号传输动态范围较小，信号发生畸变和衰减，图5为一个方波信号经1.3km的SYV-50-17同轴电缆传输前后信号变化情况[5]。

图5 方波快信号经1.3 km同轴电缆传输前后对比Fig.5 Contrast of input square signal and output signal after1.3-km coaxial cable transmission.

为消除这种由于长距离传输引起的信号变化，减少由于系统传输带宽变化而带来的影响，提高信号传输的动态范围，提高系统信号传输的抗干扰能力，开展前端大动态高精度数字传输技术，研制采样率400MHz，采样精度14bits，3个量级动态测量范围的高速数采系统，信号传输系统如图6所示。

图6 辐射探测信号传输系统Fig.6 Signal transmission system for radiation detection.

辐射探测器出来的信号经前置放大器进行必要的放大，然后经模拟调理电路，对不同幅度的信号进行不同的衰减，实现信号大动态范围的输入。然后经前端数字化系统进行A/D变换，把模拟信号转换为数字信号，经光纤传输至后端数据采集端，结合数据整合软件进行模拟信号的恢复和显示。由于传输的是数字信号，数据的准确性和可靠性受传输介质对其幅度和频率上的衰减影响很小，只要记录设备能够准确分辨出数字信号的高、低电平，数据所代表信息就不会失真。这在强电磁脉冲测试环境下的脉冲辐射场小信号测量应用具有重要的参考作用，可更加真实地反映探测到的信号信息。

设计了如图7所示大动态高速数据采集的系统原理图，系统包括模拟信号调理电路、A/D转换电路、采样时钟电路、全局时钟电路、高速并行数字信号处理存储传输及计算机接口等部分。

图7 大动态高速数据采集系统原理图Fig.7 Principle diagram of large dynamic high speed data acquisition system.

系统的核心器件是模拟/数字转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)，在选择A/D转换器件时，除了考虑采样率和量化位数以外，还要兼顾其外围电路接口是否方便、器件的功耗等问题。在该设计中，ADC采用TI的14位、400MSPS的ADS5474芯片。采用TI公司的THS4509超高速全差分放大器与其输入匹配。

高速并行数字信号处理部分以现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)为核心，主要完成A/D转换输出数据的接收、有效探测信号的甄别、数据的存储与输出等功能。由于通常高速ADC都是采用差分输出，ADC输出的高速差分信号直接输入到FPGA，而FPGA含有多个专用差分接收对，实现采样，通过FPGA内部静态随机存取存储器(Static Random Access Memory, SRAM)实现高速实时存储，解决了高速数据采集系统的存储问题。FPGA采用Altera公司的Stratix2系列EP2S60F484，其ADC的数据输出率最高为500Mbps，输出数据宽度为14位，一片EP2S60F484即可满足接收ADC输出数据和逻辑控制的需要[6]。

FPGA功能结构如图8所示，包括低压差分信号传输(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)降速转换模块、存储器、存储器写地址产生器、存储器读地址产生器、读写逻辑控制、计算机接口控制和采样时钟频率设置。

图8 FPGA功能设计结构流程框图Fig.8 FPGA function design structure diagram.

数据采集系统的最终目的是将采集数据送入计算机，借助计算机软件恢复出原始信号。计算机获取采集数据是通过ADLINK公司的PCI-7200高速数字采集卡实现，通过VB编程实现原始信号的波形恢复再现等功能。系统电路印刷制板如图9所示。

图9 400MHz、14 bits ADC 数据采集板Fig.9 Data acquisition board with 400 MHz, 14 bits ADC.

3 实验测试

3.1 测量下限及动态范围确定

通过调研发现，当前市场上的电流源基本是直流形式的电流源，即使是脉冲形式，速度和带宽指标较低，无法满足本文对源信号的要求。所以必须设计可调可度量的微弱辐射脉冲电流模拟源，进行系统可测量范围的准确标定。在实际测量中，利用将快速上升、缓慢下降的电压信号经过一个小电容（10pF或者1pF）的检验电容来近似获得冲击电流信号，脉冲电流信号的大小与输入激励电压信号幅度成正比。正是利用这个线性特点，可以根据在高电压输入时得到的电流值推算出低电压输入时的准确输出脉冲电流值。由于探测器可等效为一个电流源、一个大电阻和一个结电容电路可知[7]，为了模拟和探测器输出情况一致，在低噪前置放大器信号输入端前面加上一个大电阻和电容接地，通过更换大电阻和电容可以模拟多种类型的探测器。具体实现电路如图10所示。

图10 模拟电流源原理示意图Fig.10 Schematic diagram of simulation current source.

为验证电流输出与电压输入的线性关系，选用了输出快电压信号上升时间为5ns、脉宽为50ns的电压信号源。通过改变输入信号幅度，测试结果如图11所示。

图11 检验电容输入输出线性图Fig.11 Input and output linear of test capacitance.

由图11可以明显看出，利用小的检验电容，输入和输出保持良好的线性关系，验证了即可利用线性关系，在高电压输入时得到的电流值推算出低电压输入时的准确输出脉冲电流值。经过测试，该微弱辐射脉冲模拟源可以输出信号上升时间小于5ns、带宽可高于50MHz的小电流信号。

由于信号仅经过一个小的电容，检验电容的输出电流噪声极低，为测算所设计前置放大器的最低电流大小检测提供了很好的线性关系和较大的测量范围。

通过调节电压源信号输出信号大小，记录输出数据。换算到检验电容电流输出，与系统电压输出之间的对比关系如图12所示。信号源输入2-1700mV之间时，与前放输出近似保持线性关系。

由于放大器器件的原因，输出与输入只会在某一区间内保持线性关系，可以看出在输入电流大于606μA时放大器输出即饱和。由于在测量下限方向，低于38μA时输入端无法用记录设备检测出，如图7所示的未知区域，但是可利用图7中的部分线性关系，可推算出最低输入电流大小。对其输入电流Iin(μA)与电压输出Vout(mV)关系式拟合（线性误差小于5%）后，如式(2)所示：

式中，5.2mV≤Vout≤3 940 mV，当输出Vout为5.2mV时（即示波器可记录到的最低有效数值），Vin=0.8μA，即所设计前置放大器的最低检测电流为800nA，最大可测量电流606μA，测量线性动态范围57.6dB（758倍），系统增益6.5×103(V/A)。输出信号上升沿时间小于15ns，带宽20MHz。

图12 前放电流输入和电压输出对比图Fig.12 Comparison chart of input current and output voltage.

系统最低检测电流输入时前放输出测试结果如图13所示。

图13 系统最低检测电流时系统输出图Fig.13 Minimum detection current of system output.

3.2 微弱辐射脉冲探测系统测试应用实例

利用辐射探测器进行整个系统的测试，以检验其在微弱辐射脉冲测量中微弱信号检测的性能，系统测试采用了如图14所示的实验测试方法。

图14 微弱脉冲辐射探测系统测试框图Fig.14 Weak pulse radiation detection system test diagram.

所用辐射探测器为闪烁体探测器硅酸镥(Lu2SiO5, LSO)+光电倍增管(Photo Multiplier Tube, PMT)，数据对比监测示波器为Tektronix公司的DPO4104B数字示波器。探测器输出信号输出经一个三分的功率平均分配器，一路进入示波器CH1，用作整个测试系统的输入监测；一路进入低噪前置放大器的输入端（若探测器分路之后的信号相对于前放输入较大，可加高频线性衰减器进行衰减处理）；一路经一个30倍的线性主放大器，用作DG535的触发，产生用于ADC数据采集系统所需的相对稳定的触发信号。经前置放大器放大后输出的信号经一个二分，一路进入示波器CH2，用作前置放大器输出的监测（即为ADC输入的监测）；另外一路直接接ADC数据采集系统的输入端，经A/D变换成数字信号传输，最后传至计算机将数据恢复。

通过对PMT输出脉冲信号的分析，发现其在不同工作电压的信号输出不一致，基本随着工作电压的降低，导致倍增极极间电压的下降，电子在倍增的过程中放大倍数降低，使阳极收集的输出电子总数降低，进而输出信号幅值降低[8]。本着实验的需求，为得到较低范围的探测器输出电流，可通过降低探测器供电，利用信号调理放大单元和高速数据采集传输系统对微弱辐射脉冲信号进行验证测量。

图15为通过降低探测器供电高压，通过连续监测示波器输出，探测器在不同的输出电流情况下前置放大器输出监测示波器得到的数据波形图，CH1为探测器输出，CH2为经前放输出的波形图。

图15 探测器在不同电流输出情况下前放输出图(a) 60 μA，(b) 10 μA，(c) 5 μA，(d) 0.9 μAFig.15 Preamplifier output in different input current. (a) 60 μA, (b) 10 μA, (c) 5 μA, (d) 0.9 μA

从图15中可以看出，在探测器电流输出小于100μA时，探测器输出信号已经基本淹没在噪声之中，波形信息基本无法辨别，信噪比较低，直接用示波器已不能分辨采集得到有效测试数据，但是经过所研制的前放仍可有效测量到数据波形，有效地拓展了该辐射探测器的可测量范围。系统测量到了0.9μA的微弱辐射脉冲信号，如图15(d)所示。在示波器有效测量下，对前置放大器的输入和输出进行了放大倍数标定，系统的线性测量范围基本符合图12所示的关系。

在输入信号 10μA时，将数字传输恢复结果和输入信号进行对比，如图16所示。

图16 数字化前后对比图Fig.16 Comparison between digital and analog signals.

模拟信号经过此ADC系统转化为数字信号进行传输后，在后端可较好地恢复输入信号，在时间、幅值、波形基本形状上都能较好地真实反映输入模拟信号的特征性息。但是由于数据采集系统采样率400MHz·s−1较示波器采样率5GHz·s−1低，在时间采样精度上，相同时间间隔内采样点数少，所以会在某些波形形状上部分会有些差别。通过数字化传输消除了由于通过同轴电缆进行远程数据传输过程中有效数据的衰减和畸变，提高了系统传输过程中抗干扰噪声影响的能力，达到了预期的目标。

4 结语

通过搭建的辐射探测系统，对PMT+LSO闪烁体探测器的微弱γ信号测量，实现了所研制前置放大器和大动态前端数字化采集和传输系统在微弱辐射探测方面的应用和验证，获得了低于1μA的微弱辐射脉冲信号，通过实验测试和数据比对，系统具有较好的输入输出线性关系，利用前端大动态数字化系统转换传输后，信号保真度较高，后端可以较好地重建数字化前信号。通过该系统有效地实现了辐射探测系统可测量下限的拓展，扩大了探测器可利用测量范围，实现了辐射脉冲信号的数字化传输和有效恢复，为辐射脉冲信号的传输和记录提供了一种新方式。

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Design of weak fast pulse highly dynamic radiation signal detection system

QU Hongguang HEI Dongwei LI Binkang TIAN Xiaoxia WANG Jing LI Haitao
(State Key Lab of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

Background：The lower measure limit of radiation pulse detection is usually about hundred-µA lever due to various kinds of noise existed in electronic system. However, some detectors could get the small pulse signal at the lever of decade nA and keep the noise at the lever of nA. Therefore, the conventional detection system would not collect these weak signals.Purpose:This study aims to design and implement a radiation detection system to overcome lower limitation of detection and improve the linearity of measurement for large dynamic pulse signals.Methods:The detection system noise was analyzed to explore the lower measure limit in a wide system bandwidth range. Based on the design of low noise amplifier circuit and highly dynamic digital transmission system, it could confirm the low measure limit through the theories of a small capacitor’s output is in a linear correlation with input. Improvement was made according to experimental testing.Results:The system could process the weak pulse signals in the range of 0.8-680µA (peak) with 20MHz bandwidth. A γ-radiation pulse signal below 1µA with the LSO (Lu2SiO5)+PMT (photo multiplier tube) radiation detector was successfully obtained by experiment.Conclusion:The new radiation detection system constituted with low-noise broad-band amplifier and highly dynamic digital transmission system was useful in expanding the system measure range to improve the system detection efficiency.

Radiation detection, Low noise, Bandwidth, Low measure limit, Digital transmission

QU Hongguang, male, born in 1982, graduated and awarded a master’s degree from Northwest Institute of Nuclear Technology in 2009,

TL81

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120404

国家自然科学基金(No.11305129)资助

渠红光，男，1982年出生，2009年于西北核技术研究所获硕士学位，主要从事辐射探测相关技术研究

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305129)

mainly engaged in radiation detection technology research

2014-12-10，

2015-09-18

CLCTL81