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单球多计数器中子剂量率仪电子学系统设计 梁福田 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学技术大学 近代物理系 2010年8月17日 内容纲要 探测器发展现状 单球/多球计数器(探测器) 单球多位置灵敏计数器(探测器) 位置灵敏测量原理 需求分析 设计方案 电子学系统 软件系统 原型机展示 总结与展望 探测器发展现状 中子辐射场特点 能量范围----跨度大（热中子～20MeV） 中子注量对剂量的转换因子----两个量级 中子剂量巡测仪 单慢化体(单球)单计数器 测量快捷，使用方便 热中子灵敏，适用能量范围有限 (﹏) 剂量能量响应不佳 多球中子谱仪（BBS） 一系列直径不同的慢化体球 响应更多能量范围的中子辐射场 ╯﹏╰ 设备复杂 测量过程繁琐 广泛用于现场辐射防护测量有一定困难 单球多位置灵敏计数器 日本，Toyokawa，1995 单慢化球+位置灵敏计数器 设计思路： 3根位置灵敏计数器两两垂直安放在慢化球内 慢化球-------------------------多壳层区域（5区域） 位置灵敏计数器-------------中子响应位置分布 各壳层区域的中子响应事例即少道数据（5个数字） 反演计算所需要的防护量 位置灵敏测量原理 需求分析 3对计数器输出信号的测量 幅度测量 事例的时间符合判选 数据的实时处理与显示 远程控制 有线/无线网络，保证操作人员远离中子辐射场 电源管理 电荷灵敏放大器工作电源 计数器工作高压 其他电源开销及管理 设计方案----整体结构 设计方案----电子学系统 设计方案----电源 设计方案----软件系统 设计方案----软件系统 原型机展示 总结与展望 6路信号的符合判选及幅度测量 探头及采集系统整体的供电 单球多计数器中子剂量系统的数据采集与处理 电子学测试得到较好结果 设备简单，方便易用 更多的中子辐照现场测试将不断完善系统功能 FTLiang@mail.ustc.edu.cn 由电荷分配法及相关工作，得到响应位置与电荷灵敏放大器输出电压峰值的关系。（K为经验常数） 体积：35cmX35cmX20cm 重量：7kg 续航：4小时以上 中子注量对剂量的转换因子随能量变化较大----两个量级 用于未知能谱的中子辐射场中，常常导致较大的误差，甚至会造成人员超剂量事故。 对中子的监测项目不仅是中子周围剂量当量，还包括中子注量及其平均能量等。 如果能获取能谱信息，再求剂量，就可以改善能量响应不理想的问题。 探测器为球形，在球形慢化体中心位置，能得到较好的角响应。 将慢化球的体积增大，则测量的能量上限提高，带来的问题却是对低能段中子的测量结果偏低。为了补足，有设计给出多球模式。 仪器的准备和搬运麻烦，测量需要依次进行，中心位置的对准，整个操作过程繁琐，广泛应用于现场辐射防护测量有一定难度。 根据这种不同慢化层厚度能够较好响应不同能量中子的特性，又有提出了单球多位置灵敏计数器的方案。 将慢化球按照等分或不等分划分为多个壳层区域，目前的方案都是分成5个区域。 位置灵敏计数器给出的中子响应位置分布，可以反映出中子经过的慢化层厚度等信息，从而统计各壳层区域的中子响应事例数，并通过相应的反演计算，推算出相关的防护量。这里各壳层的中子响应事例数是反演计算的关键，在行业内称为少道数据，电子学的测量目标就是给出该数据。 要求得少道数据，就需要知道计数器位置灵敏的原理，以进行后继测量。 He3正比计数器，当有中子击中时，实际上发生He3+n-T+p，然后在阳极丝上有了电荷响应并向两端传送。 到达两端的电荷由电荷灵敏放大器将其变为电压量。 -- 所以电子学测量的任务转化为测量成对的信号峰值。 至此，我们可以列出电子学设计的需求 事例的时间符合判选是为保证测量得到的峰值为同一事例的数据，这样才能计算得到正确的位置信息。 为了设备的独立性，电子学部分除解决自身的电源问题外，还要给电荷灵敏放大器提供工作电源，给计数器提供工作高压。 根据这些需求，我们确定了如下的设计方案。 虚线框内为探头部分，实线框内为电子学部分，两者通过电源线与信号线相连接。 电子学系统主要分为数据采集系统（主要的设计），低功耗的控制主机，以及电源管理部分。 计数器信号由数据采集卡进行寻峰与事例符合判选，通过PCI总线传至上位机，由软件系统进行位置分布统计，并计算少道数据。 控制主机主要完成系统的实时控制及数据的统计与保存，通过其自身的网络功能，实现远程控制。 电源管理为系统整体提供可靠的电源供给。 数据采集卡主要采用数字信号处理技术完成其任务，计数器信号进行必要的信号调理后，由高速ADC进行数字化。 之后的符合判选寻峰等功能都通过FPGA的数字信号处理逻辑实现。