He-3 中子探测器前放设计及性能测试

刘世梁 罗程远 蓝志鹏

（东华理工大学机械与电子工程学院 江西省南昌市 330013）

1 引言

如图1 所示，He-3 正比计数管属于气体探测器，可以说是目前应用最广泛的中子探测器。相比于常见的BF正比计数管，He-3 正比计数管的探测效率更高、位置分辨更好以及抗辐射性能也较强。

图1：He-3 正比计数管

结构形式通常以在具有中心丝作为阳极的金属圆筒容器，内部充入工作气体。工作原理是根据中子与He-3 核反应的原理。

Q 为核反应过程所释放的反应能。

当不带电的中子进入He-3 正比计数管时，由He-3（n，p）T 核反应产生了两种带电离子，分别是质子和氚核，经气体放大后，产生了由不同能量和强度的中子影响的不同的电流信号，并由外部测量电子的仪器设备所记录。测量中子需要较高的反应截面，由于He-3 对热中子和超热中子具有很高的反应截面（5400b），而且He-3 正比计数管能工作在较低工作电压条件下（900 ～1500V），将He-3 气体充填到较高的气压，因此综上所述 He-3 正比计数管是高效中子探测器的良好选择。

为满足实际工作要求，设计完成的He-3 正比计数管要实现：能量分辨率（FWHM）：≤15%；工作温度40℃～120℃；工作电压：900 ～1500V；坪长：≥200 ～700V；最大坪斜：1%～3%/100V。

2 前放电路设计

He-3 中子探测器的前放电路是信号输出的第一级电路，具有两个重要的作用，一是将He-3 正比计数管的输出小信号放大成形到后级定标器或数字定标器可采集的范围内；其二是起到阻抗匹配作用，并尽量在第一级电路中把噪声抑制在可接受的范围内，避免后级电路继续放大信号产生强烈噪声干扰。

入射到He-3 正比计数管的中子经过管内正比区的气体放大效应，根据照射中子的能量和数量，会在He-3 正比计数管的输出端产生不同幅度的电流信号，经过电流放大电路对信号放大，后续电路可记录被探测中子的相关信息。He-3正比计数管输出的是负脉冲形式的电流信号，且电流值为nA 级，因此需要在紧靠探测器输出端接一个电流灵敏前置放大器；再对电流前置放大器输出的脉冲信号进行成形放大与基线恢复等处理，得到便于处理的正脉冲信号。极性变换电路也是成形放大电路的一部分，其主要功能是对脉冲信号进一步放大，同时把负脉冲信号反相放大为正脉冲信号，便于后续电子学线路处理。电流灵敏前置放大、成形放大和极性变换电路如图2 所示。

图2：电流灵敏前置放大、成形放大和极性变换电路

在前放电路中，系统的噪声性能不仅包括了元器件本身产生的大大小小的噪声，还包括了它对系统信号的影响程度。一个系统的噪声性能可用噪声系数来衡量,噪声系数表达式[为：

其中噪声系数就是输入信噪比与输出信噪比的比值，单位为分贝(dB）。在一般设计实例中，通常采用多个放大器级联的方式以求达到高增益，因此对于一个n 级级联的放大器，其总噪声系数为：

由式（3）可知，高增益放大系统的噪声系数往往与第一级放大器的噪声系数关系最为密切，与后级放大器的噪声系数关系不明显，所以在设计中考虑第一级的输入电路，通常选用低噪声器件，最大程度降低输入噪声。在He-3 正比计数管设计中，噪声系数是首要考虑的指标，一个合格的前放电路不仅具有优良的信号放大增益特性，还更应该具有优异的抗噪性能，保证He-3 中子探测器测量的准确与稳定，元器件的选用是设计的核心之一。

运放选用ADI（亚德诺）的OP37G 型号，OP37 可提供与OP27 一样的高性能，最大的特点就是低噪声。OP37 不仅具有OP07 的低失调电压和漂移特性，而且速度更高、噪声更低。失调电压低至25 µV，最大漂移为0.6 µV/°C，因而该器件是He-3 正比计数管前放的理想之选。极低噪声（10Hz 时en=3.5nV/Hz）、低1/f 噪声转折频率（2.7Hz）以及高增益（180 万），能够使低电平信号得到精确的高增益放大。利用偏置电流消除电路，OP37 可实现±10nA 的低输入偏置电流和7nA 的失调电流。

电压比较器选用ST( 意法半导体) 的LM111/211，LM111 和LM211 和器件是单一高速电压比较器。这些器件可在广泛的电源电压范围内运作，其输出电平与大多数TTL和MOS 电路兼容。这些比较器能够在50mA 时开关电压高达50V。所有的输入和输出都可以与系统地面隔离。输出可以驱动以地、VCC+或VCC-为基准的负载。可提供偏移平衡和频闪功能，而且输出可以用线或连接。如果频闪为低电平，则输出处于关闭状态，与差分输入无关。

232 通信芯片选用TI(德州仪器)的MAX232 型号，MAX232 器件是一个双驱动/接收器，包括一个电容式电压发生器，从一个5V 电源提供TIA/EIA-232-F 电压电平。每个接收器将TIA/EIA-232-F 输入转换为5V TTL/CMOS 电平。这些接收器的典型阈值为1.3V，典型滞后为0.5V，并可接受±30V 的输入。每个驱动器将TTL/CMOS 输入电平转换为TIA/EIA-232-F 电平。

单片机选用STC(宏晶)的STC8F2K16S2，这种型号的单片机不需要外部晶振和外部复位，最大的优点是低功耗、高可靠性以及较强的抗干扰能力，在相同的工作频率下，STC8 系列单片机比传统的8051 约快12 倍，能在短时间内依次按顺序执行完全部的指令。

选型完成对前放PCB 电路板进行设计，如图3 所示。

图3：前放电路PCB 设计图

3 性能测试

对He-3 中子探测器正常工作时进行整体测试，如表1所示。

表1：He-3 正比计数管参数

3.1 中子源能谱分辨率测量测试

取标准中子源镅锂源，用He-3 中子探测器进行中子能谱测试，结果如图4、表2 所示。

表2：He-3 中子探测器工作参数

由表2 可知He-3 中子探测器的能量分辨率、n/γ 甄别能力以及工作坪长满足要求；由图4 可知He-3 中子探测器测试标准镅锂中子源能谱正常。

图4：镅锂中子能谱图

3.2 探测器温度测试

首先将待测He-3 中子探测器及配套工作电路放置于加热箱内，在加热箱外部固定位置放置中子源及慢化装置。开机预热10min，并给加热箱设置升温及保温曲线。如图5所示。

图5：实验用高低温交变试验箱

加热温度从室温开始，依次升温至40 ℃，60 ℃，80℃，100℃，120℃五个温度测试点。温度升到测试点后先保温10 分钟，在开始测量。每个温度测试点分别测试三组中子计数（每组3 分钟）及一组中子谱图数据（5 分钟）。待该温度测试点完成测试后继续升温至下一个温度测试点。

从图6 可以看出He-3 中子探测器工作在40℃，60℃，80℃，100℃，120℃五个温度时特征峰的峰位基本保持在170～210 道址之间，随着温度的提升，特征峰峰位有小幅度的增加。在特定温度300s 内基本变化不大，说明He-3 中子探测器的热稳定性良好，可以正常工作在40℃～120℃之间。

图6：中子特征峰峰位随温度变化图

3.3 中子计数稳定性测试

固定源、慢化及He-3 探测器测试位置，数字多道测量三组中子计数（阈值300mV），每组5min。测试结果如下：

由图7 可知全能峰峰位正常，He-3 探测器工作情况良好；由表3 可知He-3 探测器在每组中子计数测试结果稳定，计数偏差小于±1%，满足设计要求。

图7：He-3 中子探测器中子计数测试图

表3：He-3 正比计数管中子计数测试记录表

4 结论

本文完成了He-3 中子探测器的前放电路的设计及测试工作，实验通过了中子能谱分辨率测试、温度范围测试以及中子计数稳定性测试。实验结果表明此He-3 中子探测器能量分辨率等各项性能指标均达到设计前标准，能够满足正常的工作科研要求条件，符合设计预期。