闪烁探测器线路板可靠性设计

李 波，李 涛，李晏敏，欧阳艳晶，马烈华，丁明军，艾 杰，马景芳

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621900）

0 引 言

闪烁探测器是一种将闪烁体（对电离辐射敏感的元件）直接或通过光导与光敏器件（一个或多个光电倍增管）光耦合组成的核辐射探测器[1]。由于闪烁探测器具有探测效率高、光输出性能好、衰减时间短、时间响应快等特点，广泛用于X、γ射线和中子的探测[2,3]。

通常，闪烁探测器由闪烁体、光导、光电倍增管以及线路板4个部分组成，原理结构如图1所示[4,5]。其工作过程可分为6个相互联系的步骤：（1）射线进入到闪烁体中与闪烁体相互作用，使闪烁体的原子、分子电离和激发；（2）被电离、激发的原子和分子退激时，一部分电离激发能量以光辐射的形式释放出来，形成闪烁；（3）闪烁光的一部分被收集到光电倍增管的光阴极上；（4）光子被光阴极吸收后发射出光电子；（5）光电子在光电倍增管中倍增，倍增的电子束在阳极上被收集，产生输出信号；（6）线路板对倍增管阳极输出的微小电信号进行放大和监测。由于闪烁探测器中的光电倍增管属于高压真空器件，自激放电现象无法完全避免，为了避免光电倍增管自激造成线路板损坏和探测器故障，必需对线路板进行可靠性设计。

图1 闪烁探测器原理结构图

线路板由高压电源、高压分压器、信号处理电路以及低压电源4部分组成，其中高压电源产生上千伏直流高压（总直流高压），直流高压经分压电路后形成一定比值的直流电压给光电倍增管各级供电，总直流高压和光电倍增管各级直流电压均可调节。信号处理电路的主要功能是放大和检测光电倍增管阳极输出的微小电信号，低压电源为信号处理电路和高压电源供电。由于线路板各部分之间以及各部分与光电倍增管之间的走线不可避免，且既有高压部分，也有低压部分，因此线路板的结构布局和工艺设计至关重要。

1 线路板可靠性设计

1.1 保护设计

1.1.1 线路板信号输入端保护电路设计

光电倍增管属于高压真空器件，在长时间工作下自激放电不可避免。倍增管自激时，阳极将输出上千伏高压脉冲信号，该高压脉冲进入线路板经电容器耦合后直接进入电流型运算放大器输入端，经运算放大器输入端与地之间形成放电回路。由于电流型运算放大器输入端阻抗较低，放电时电流很大，造成运算放大器芯片内部输入端烧蚀损坏。为了防止光电倍增管自激造成线路板运算放大器损坏，因此需要在线路板输入端增加保护设计。

倍增管及线路板输入端等效电路原理如图2所示。其中-VH输出电压-1000～-2000 V可调；R4、C5、C6为π型滤波电路；C1～C3和R1～R3组成分压电路，分别为倍增管阴极、微通道板输入端以及微通道板输出端供电；C4、R5、R6为线路板输入端耦合电路；U1为电流型运算放大器；SW1为闭合型开关，用于模拟倍增管自激放电产生高压脉冲；Rs、ESD为保护电路。

图2 倍增管及线路板输入端等效电路

（1）为了限制倍增管自激时放电回路电流，在倍增管阳极输出端与线路板输入端串接一个大电阻（Rs为大阻值电阻器，没有保护二极管）。由于大电阻Rs与匹配电阻R5分压，导致倍增管正常工作时进入运算放大器U1同向输入端3脚的电压信号特别小，经线路板放大输出后幅度很小（约几十毫伏），此时相当于线路板没有对信号进行放大。为了增大输出电压幅值就需要提高运算放大器的放大倍数，而电流型运放放大倍数太高会很容易造成放大器自激振荡，不能正常工作。

（2）在线路板放大器输入端并接瞬态电压抑制二极管（ESD为瞬态电压抑制二极管，Rs短路）。利用瞬态电压抑制二极管的高压抑制特性，将倍增光自激时产生的上千伏高压脉冲钳位在-15 V以下，从而保护线路板运算放大器。由于瞬态抑制二极管结电容较大，相当于在二极管两端并接1个电容器，倍增管正常工作时输出脉冲信号（信号幅度很小，脉冲前沿很快），首先对二极管进行充电，进入运算放大器输入端脉冲信号前沿变缓，波形失真。

（3）在线路板放大器输入端并接静电防护二极管（ESD为静电防护二极管，RS短路）。静电防护二极管同样具有高压抑制特性，且二极管结电容小，不会使波形失真。但静电防护二极管功率较小，很容易造成过功率损坏，虽然有效保护了线路板运算放大器，但自身却损坏，闪烁探测器仍不能正常工作。

（4）在线路板放大器输入端并接快速二极管（ESD为快速二极管，RS短路）。由于倍增管正常工作时阳极输出脉冲电压只有几十毫伏，利用快速二极管正向导通特性（大于0.7 V时导通）能够将高压脉冲释放到大地上，保护后端电路，但快速二极管结电容也较大，会使波形发生失真。

通过以上分析可知，光电倍增管阳极输出信号具有以下特点：（1）负极性电脉冲信号；（2）电压幅度约几十毫伏；（3）脉冲信号前沿快（约几十纳秒）。为了适应光电倍增管阳极输出信号特点，不影响倍增管阳极输出信号特性，要求保护电路同时具备以下特点和能力：（1）时间响应速度快；（2）电路结电容小；（3）功率大。最终采用小阻值（约10 Ω）的高压脉冲电阻器RS和防静电二极管ESD组成保护电路，当光电倍增管自激，阳极出现高电压信号时，静电防护二极管瞬间击穿导通，形成放电通道泄放能量，避免高压信号进入线路板信号处理电路，从而保护线路板。高压脉冲电阻器用于限制保护回路中电流，增加保护电路功率，保护静电防护二极管。

1.1.2 电源输入、输出端保护电路设计

（1）输入信号保护。电源输入端保护电路如图3所示，主要由双向瞬态电压抑制二极管TVS、无极限电容器C、整流二极管D及可恢复热敏电阻F1组成，主要功能有过压保护、过流保护、电压反接保护以及对外辐射保护。过压保护是指当输入电压大于二极管TVS击穿电压时，二极管将输入电压钳位并稳定在击穿电压，防止输入电压过高造成后端元器件损伤。过流保护是指当线路板内部发生元器件损伤造成输入电流增大或短路时，可恢复热敏电阻F1发热，内部膨胀后断开连接，避免长时间电流增大造成其他元器件损坏，待故障处理后热敏电阻F1恢复正常连接。电压反接保护是指输入端串接二极管D。对外辐射保护由可恢复热敏电阻F1和电容器C组成RC滤波电路，防止线路板对外部设备造成干扰。

图3 电源输入端保护电路

（2）输出信号保护。由于输出主信号具有脉冲前沿快（约几十纳秒）、脉冲宽度窄等特点，为了不影响主信号性能的同时又能有效保护线路板，采用结电容约20 pF的防静电二极管并接在输出主信号两端对主信号端口进行保护，另外选用瞬变电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressors，TVS）并接在监测信号两端对监测端口进行保护。

1.2 模块化设计

闪烁探测器线路板根据高压、低压的特点分别由独立的高压电路板和低压电路板两个模块组成，需将高压、低压分开，避免电磁干扰。其中，高压电路板主要将高压模块、高压调节电阻、π型滤波电路、高压分压器等与高压有关的分立元器件集成在一起，低压电路板主要将线路板保护电路、信号放大电路、信号监测电路等低压分立元器件集成在一起，减少了各分立器件之间的走线，便于线路板的质量控制和装配，实现了探测器线路板的模块化、通用化设计，提高了线路板可靠性。

1.3 集中走线及设计

采用化分立为整体集中走线设计思路，实现各模块之间的电气连接。分别对高压、低压电路板进行结构布局、布线设计，将线路板15个输入、输出信号及检测点按照连接关系集中在线路板两边，采用J63A系列超微型矩形连接器实现高压电路板与低压电路板及探测器外壳之间的电气连接。电路板安装方便，生产可达性好，且便于信号监测。

线路板设计上采用以下措施提高电磁干扰能力：（1）电源层与信号层分开走线；（2）相邻两层垂直走线；（3）线路板内部应有完整的地平面；（4）信号线尽量从两个完整地平面之间走；（5）与顶层和底层相邻层应为地平面层，使信号形成最小回路；（6）采用单点接地，避免形成地回路；（7）运算放大器输入端远离DC/DC，避免高频信号耦合；（8）分区设计，使温度敏感器件远离发热元器件；（9）合理布局尽量减少元器件之间走线距离。通过以上设计成功通过了环境适应性和电磁兼容性试验考核。

2 信号输入端保护电路仿真及实验验证

2.1 仿真分析

采用Pspice仿真软件仿真分析信号输入端保护电路的高压抑制特性（保护效果）和时间响应，其中高压抑制特性仿真是在保护电路输入端（光电倍增管阳极输出端）注入幅度为±2 kV，频率为20 MHz高电压交流信号，观测保护电路输出端电压波形，如图4所示。结果表明，保护电路可以将±2 kV以内的瞬态尖峰电压信号抑制在-0.7 V和6.8 V以内。

图4 高压抑制效果仿真波形

时间特性仿真是在保护电路输入端注入幅值为16 mV，脉冲宽度为3 μs的准方波信号，该信号经保护电路和信号处理电路放大后输出，输入输出波形如图5所示。可以看出，增加保护电路后，输出信号的前后沿未见变缓，输出波形与注入信号基本重合，信号处理电路时间响应基本不变。

图5 时间特性仿真波形

2.2 实验验证

电路原理如图2所示，模拟光电倍增管自激放电对保护电路进行验证，采用高压模块、倍增管分压器、开关等器件组成放电回路，模拟倍增管自激放电，调节高压模块输出电压，对保护电路性能进行测试。利用P6015A高压探头（变比1000∶1）监测保护电路输入、输出波形，当高压模块输出-1600 V时，图2中A点放电波形如图6所示，可以看出最大脉冲幅度为-1600 V，波形底宽约为6 μs。该放电波形进入保护电路，图2中B点保护电路输出波形如图7所示，可以看出电压波形幅度为11.1 V，有效地抑制了高压脉冲。

图6 模拟自激放电保护电路输入波形

图7 模拟自激放电保护电路输出波形

实际工作中，人为的使倍增管自激对保护电路进行验证，提高光电倍增管的工作电压至3000 V以上（正常工作1500 V左右），使其自激放电，100多次自激放电后，线路板信号处理电路工作正常。可见线路板输入端增加保护电路能有效地抑制光电倍增管自激时产生的高压脉冲，避免高压脉冲造成线路板损坏，保护线路板，从而提高探测器的可靠性。

采用信号发生器在线路板输入端注入负极线脉冲信号对线路板输出信号的时间响应特性进行验证，线路板对负极性输入信号进行导向和放大后输出正极性脉冲，输入输出电压波形如图8所示。可以看出，输入信号前沿和后沿很快，幅值为-28.4 mV，脉冲宽度为1.5 μs。当输入信号进入线路板时，线路板立即有电压信号输出，输入输出波形之间延时较短，时间响应特性较好，且输出波形未发生畸变（电压幅值3.1 V，脉冲宽度1.5 μs，波形前、后沿约50 ns正极性脉冲信号）。因此，保护电路时间响应特性满足要求。

图8 输入输出电压波形

3 结 论

本文根据闪烁探测器的工作原理和实际使用特点对闪烁探测器线路板保护电路进行了分析与设计，通过模拟仿真和实验验证，线路板各项技术指标与功能均满足设计要求，并取得了以下3个方面的效果：（1）线路板输入、输出端加保护电路，避免因闪烁探测器高压真空器件自激造成线路板损坏，有效地保护了线路板，提高了闪烁探测器的可靠性；（2）模块化设计理念，将高压、低压分开，避免电磁干扰；（3）采用化分立为整体集中走线设计思路，优化线路板结构布局、布线，使探测器模通用化、标准化，生产可达性好、便于装配和维修，为近一步小型化打下基础。