硅半导体γ 剂量率监测仪研发及应用

徐少一，李 伟，刘 翔

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

0 引言

国内广泛应用γ 剂量率仪表采用气体探测器，由于气体探测器存在体积较大、抗干扰能力较差等不易满足特殊环境条件监测要求等不足，其应用范围受到了较大限制。国内部分堆型在主蒸汽管线上和通风管道内布置了在线γ 剂量率监测仪表，要求具备体积小、抗干扰能力强、响应时间快、性能稳定等特点[1]。硅半导体γ 剂量率监测仪表具有上述特点，可以满足核电站工程应用的实际需求，但目前硅半导体辐射探测器技术被国外仪器公司所垄断，采购成本高、周期长，且无法提供直接的工厂售后服务，在设备供货、运行维护过程中受到较大限制。为消除现有气体探测器在工程应用领域技术上的短板，实现硅半导体γ 剂量率仪表实际工程化应用，需针对性研发一种硅半导体γ 剂量率监测仪。

1 总体设计

在线硅半导体辐射探测器及监测仪表系统组成如图1 所示，包括探测单元、就地处理显示单元(Local Process Display Unit,LPDU)、接线箱3 部分。

图1 硅半导体辐射探测器及监测仪表系统组成

探测单元是仪器的核心部分，探测单元主要由探测器信号处理模块、硅半导体探测器阵列、数据转换模块，温度传感器和自检模块等组成，探测器选用硅半导体Si-PIN(Silicon Positive Intrinsic Negative)低压探测器（PD-Photodiode 探测器），具有良好的角响应、能量响应和宽量程等技术特性。

LPDU 是仪表信号处理和存储的部件，具备对前端探测单元提供工作电压，接收和处理来自于探测单元的初始信号等功能，同时用于和上位机（数据采集站）的通信及仪表测量数据的显示与储存。

接线箱是仪表外部电源输入和仪表信号输出的接口装置，主要包括220 V 外部电源输入、开关量信号、模拟量信号、数字量信号（RS485）的输入/输出接口。仪表主要技术参数如表1 所示。

表1 仪表主要技术参数

2 仪表硬件设计

根据硅半导体γ 剂量率监测仪表现场使用的要求及仪表内部功能的划分，其硬件设计由3 部分组成，分别为探测单元、就地处理单元和接线箱，各部件相互联系并实现各自的设计功能[3]。

2.1 探测单元结构及基本功能

探测单元是仪器的核心部分，探测单元主要由电源转换电路、PD 探测器阵列、探测器信号处理电路、数据转换模块、自检模块、温度传感器等组成，通过电缆与LPDU 进行数据传输。探测单元内部结构如图2 所示，信号处理电路和探测器能量补偿片等放置在探测单元腔体上层，温度传感器信号转换模块放置在探测单元腔体下层。其中低量程部分由多个高灵敏度PD 探测器等间距分布在探测器圆形端面的外周对称方位上。

图2 探测单元内部结构图

探测器信号处理电路对γ 辐射信号进行I/V（电流/电压）变换、放大、甄别、整形为电压脉冲信号。电压脉冲信号送入信号转换模块进行差分信号转换。信号转换模块转换后的差分信号通过电缆传送至LPDU。探测单元内置温度传感器，传感器信号通过电缆接口传送到LPDU。探测器主要技术参数如表2 所示。

表2 探测器主要技术参数

探测单元内置自检LED 灯，LED 灯收到现场可编程门阵列（Field Programmable Array，FPGA）[4]的自检指令后发出自检信号，对探测单元前放电路进行自检。

2.1.1 探测器信号处理电路

探测器信号处理电路主要由PD 探测器阵列电路、电荷灵敏前置放大器电路、比较器电路、自检电路等组成，其结构如图3 所示。

图3 探测器信号处理电路流程图

2.1.2 PD 探测器陈列电路设计

低量程探测组由若干个PD 探测器组成，分为两组，一组为主探测组，另外一组为备用探测器组。每组探测器使用独立的信号处理电路。两组探测器同时工作，低量程信号处理电路通过低量程信号转换模块连到探测单元接口，通过电缆把数据信息输出到LPDU。当LPDU 检测到低量程探测组的主探测器组出现异常时，FPGA 自动使用备用探测器组的剂量数据。

高量程探测部分由一个高剂量PD 探测器组成。高量程信号处理电路通过高量程信号转换模块连到探测单元接口，通过电缆把数据信息输出到LPDU。当LPDU 检测到探测单元的区域剂量水平达到高量程探测器的剂量值时，FPGA 内的剂量算法则进行相应的切换调整。

信号处理电路由电荷灵敏前置放大电路与比较器电路两个单元组成，用于处理γ 辐射信号经PD 探测器作用后输出的电流信号。

2.1.3 电荷灵敏前置放大器电路设计

电荷灵敏前置放大器由第一级I/V(电流/电压)变换和第二级信号放大组成。I/V 变换方法是将待测量的微弱电流信号，转换并放大为一个幅值较大的电压信号，测量转换得到的电压信号从而获得待测微弱电流信号大小。

2.1.4 比较器电路设计

比较器电路设计采用了迟滞比较器结构，避免在阈值电压附近范围内的毛刺信号引起信号的反转，增加了输出脉冲信号的稳定性。

2.1.5 PD 探测器的自检电路

为了检查探测单元电子学线路运行状态，在探测单元的电荷灵敏前置放大器电路前端，分别设置了高、低量程电子学线路状态测试电路，每个灵敏前置放大电路均配置了独立的自检测试LED。测试电路由LPDU 控制，LPDU 通过电缆向探测单元发出自检信号，此电信号驱动探测单元内部的自检LED 发光，高低量程PD 探测器接收到光照后触发电子学线路产生模拟计数，传输至LPDU 完成自检。

2.2 LPDU 组成及功能

LPDU 主要包括电源模块、FPGA 模块、显示模块、模拟量/数字量信号输出、继电器与传感器输入等模块，如图4 所示[5]。

图4 LPDU 结构

探测器前放电路完成对PD 探测器的信号采集后，主放和甄别器电路完成信号的甄别和整形，通过探测器电缆送入LPDU 的FPGA 进行剂量率换算。换算后的剂量率数据通过RS485[6]总线送到系统显示模块进行显示。对显示单元反馈的控制命令进行响应，完成对系统电源管理与I/O（Input/Output）控制等。FPGA 可通过RS485 命令对探测器提供电源、偏置电压、阈值、光电测试信号、输入温度传感器信号和振动传感器信号等进行监测与上传，处理电路如图5 所示。

2.3 接线箱设计方案

接线箱外壳材质为不锈钢，接线箱侧面有和上位机通信用的DB9（D 型9 针串行通信接口）插头和110 V/230 V电源插座。接线箱提供与用户接线的连接点，LPDU 的所有接口先连接到接线箱，再由接线箱与外部的接口连接。其功能包括：5 路单刀双掷继电器开关量输出、3 路RS485隔离串行输出、3 路4 mA～20 mA 模拟输出。

3 软件功能设计

硅半导体辐射监测仪软件主要用于对LPDU 和探测单元进行数据管理、与上位机通信、实时显示各种监测数据和状态和通信管理等功能。

软件主要功能模块如图6 所示，硅半导体辐射监测仪软件主要功能如下：

图6 软件功能模块图

（1）实时监测模块：用于对测量数据和测量状态实时监测，并对温度和振动输入进行算法补偿与控制，当监测数据超过报警阈值，发出声光报警信号；

（2）维护模块：退出测量状态，进入维护模式，显示仪器的各种状态和数据，仪表仪器维修和故障定位；

（3）旁路模块：工作旁路模式，开关量输出被禁止；

（4）参数模块：对监测探头、就地处理显示模块的各种设备参数和运行参数进行修改；

（5）自检模块：完成对设备的各种故障状态的实时检查；

（6）日志模块：日志模块记录了对仪器的各种操作、测量数据、报警数据和报警事件，对于测量数据具备秒、分、时、天的历史趋势查询功能。

4 仪表设计创新

基于国内同类型辐射剂量率仪表应用的经验反馈并结合仪表在核设施应用中的一些实际需求，在研发过程中进行了如下设计创新。

（1）温度补偿机制

采用了温度补偿机制，实时对探测器工作参数进行修正，降低环境温度对仪表测量准确性的影响[7]，有效提升仪表测量精确度。

根据PD 探测器的物理特性，随着探测器环境工作温度的升高，PD 探测器漏电流与偏置电压均会发生改变。漏电流增加会导致探测器本底噪音增加，偏置电压降低会导致探测器输出信号幅度降低。探测单元内置了温度传感器用于对PD 探测器进行温度补偿。温度传感器通过电缆把传感器信号输出到LPDU，当LPDU 监测到探测单元温度升高时，通过温度补偿算法对PD 探测器的噪声阈值与偏置电压进行调整。

为了减小环境温度升高对探测器输出信号的影响，根据PD 探测器的温度响应曲线，对低量程探测器的偏置电压和甄别阈值进行补偿修正，如图7 所示。

图7 探测器温度补偿曲线

（2）抗干扰耐辐照

探测器与就地处理单元之间信号传输采用耐高辐照的RS485 通信芯片（传统为非耐高辐照的CPU 芯片，小于设计要求500 Gy）[8]，以差分信号方式进行信号传输，既满足了探测器一端信号处理的需求，也解决了探测器耐高辐照和远距离传输的问题，有效提升了硅半导体探测器仪表的应用范围，如图8 所示。

图8 探测器RS485 通讯芯片电路设计图

探测单元检测到的γ 辐射信号通过PD 探测器阵列信号处理电路转换成脉冲信号。脉冲信号接入RS485（型号为RSTD（H）541S485H）芯片的信号输入引脚DI。把RS485 芯片信号接收引脚接入电源电压VCC，禁止其接收功能。RS485 芯片内置差分转换模块通过电缆的AB 总线和LPDU 的AB 总线引脚进行差分信号连接。LPDU 的RS485 芯片输出引脚DE 接地，禁止其信号输出功能。脉冲信号输出引脚RO 接入FPGA 计数管脚，FPGA 内置计数模块对探测器组件输入辐射脉冲信号进行计数与算法处理。

（3）阵列式探测器

目前制造工艺水平还无法生产大尺寸低噪声的硅半导体探测元器件，通过采用探测器阵列并设置特殊材料和结构的补偿部件，在提高探测器效率的同时使其具备良好的辐射计量特性[9]。

PD 探测器阵列由8 个低量程PD 探测器和1 个高量程PD 探测器组成，结构布置如图2 所示，其中低量程部分由8 个高灵敏度PD 探测器等间距分布在探测器圆形端面的外周8 个方位上。8 个PD 探测器的阳极接地，每4 个PD 探测器的阴级并接在一起，并且两两间隔分成主备两组，同时工作。低量程信号处理电路通过低量程信号转换模块连到探测单元接口，通过电缆把数据信息输出LPDU（如图9 所示）。当LPDU 检测到低量程探测组的主探测器组出现异常时，FPGA 自动使用备用探测器组的剂量数据。高量程探测器使用一个低灵敏度PD 探测器，位置设计在探测器圆形端面的中心。

图9 PD 探测器阵列电路设计图

5 仪表特性比较和工程应用分析

传统的气体探测器如电离室探测器尺寸质量大，不易在小空间和管道内使用，灵敏度相对较低，信号容易受到干扰，探测器高电压条件下工作对绝缘有特殊要求，且探测器容易漏气，不宜在潮湿环境条件下使用。因此，其使用场景受到了较大限制。而硅半导体辐射探测器具有尺寸小、灵敏度高、抗干扰性能强、低压电工作、受潮湿环境影响相对较小等优点。硅半导体辐射探测器相对于电离室探测器，探测器耐事故条件下高辐照能力相对较弱，仪表设计需求量极少。本国产化硅半导体辐射探测器具备500 Gy 的耐辐照性能，可以满足核设施非事故条件下机组运行中剂量率监测的要求。因此，硅半导体辐射探测器仪表在核设施测量应用中具有更广泛的应用场景。硅半导体探测器仪表与国内常见气体电离室仪表主要参数对比如表3[10-13]所示。

表3 主要参数对比表

在核电站选择具有复杂辐射场且剂量率水平具有代表性的工艺管阀房间（5 μGy/h～40 μGy/h），环境温度30℃左右，将检定后的硅半导体辐射探测器和电离室探测器仪表随意选择5 个位置进行测量对比，测量结果如表4 所示。

表4 两种类型仪表现场测量对比表

根据测量数据分析，两种仪表类型之间在复杂的辐射环境现场测量结果一致性良好，相对误差均在-15%～+15%之内。

进一步对国内主要堆型（如VVER/M310/华龙一号等）现有γ 剂量率监测仪表设计输入的综合分析[1,13-15]，包括仪表量程、测量误差、能量响应、尺寸、接口和功能要求等，适用性分析结果如表5 所示。

表5 设计输入与硅半导体仪表参数和功能适用性分析

通过仪表参数、固有优缺点及现场测量对比分析，以及不同堆型机组适用性分析，表明硅半导体辐射探测器监测仪表相比电离室仪表具备更为广泛的应用范围，在国内各电站相关系统设备监测中具有良好的应用前景。

6 结论

在线硅半导体γ 剂量率监测仪的自主设计研发可以消除国内工程应用领域的技术短板，实现硅半导体γ 剂量率监测仪的国产化，其技术参数和性能满足各类堆型设计和运行监测的要求，应用前景良好。