中子闪烁探测器前端电子学的抗饱和改进

　　为了研究ICF实验聚变燃料离子温度和燃料密度,将在某大型激光原型上建造一个拥有960个闪烁探测器的大阵列中子探测器[1-4]。目前已经建立了一个16通道探测器与电子学原型系统,其结构框图如图1所示。

　　宇宙线测试和电子学测试表明各个插件都能够达到所要求的性能指标,但是,在某大型激光原型上进行的实验中发现,在中子之前到达的X射线和γ射线在光电倍增管(PMT)中产生的脉冲信号过大,导致电子学系统的接收电路和放大电路饱和,影响到需要测量的次级中子信号,当中子在PMT中产生的脉冲信号到达时,电路仍未能恢复正常工作,直接影响了对次级中子的测量。因此,我们需要对电子学系统的接收电路进行抗饱和改进,使X射线和γ射线产生的脉冲信号不再对中子信号的探测与测量产生影响。

　　1　大脉冲对信号接收电路的影响

　　1.1　ICF实验信号的特征

　　ICF内爆产生的X射线、γ射线和各种能量范围的中子[5]都能在PMT中产生电脉冲信号[6]。其中X射线、γ射线由于数量较多,在PMT中产生的信号幅度可能高达-50 V,信号脉冲宽度可能达到数十ns;初级中子尽管产额高,会在PMT中产生几十V的脉冲信号,但是由于初级中子在次级中子之后几百ns才到达,故而不会对次级中子的测量产生影响,可以不用考虑;而次级中子在某大型激光原型装置上进行的ICF实验中产额很低,平均每个PMT探测到的次级中子数量不到1个[7],次级中子在PMT中产生的信号为幅度-10 mV~-1 V,宽度约4 ns,上升时间约1.5 ns的短快脉冲。由于X射线、γ射线产生的信号与次级中子产生的信号相差极其悬殊,而且大脉冲信号在次级中子信号之前到达,因此,信号接收电路需要对大脉冲进行处理,以尽量降低其对次级中子信号的影响。

　　1.2　对信号接收电路的要求

　　某大型激光原型装置上进行的ICF实验中,γ射线与感兴趣中子到达中子探测器阵列的时间如表1所示[8].

　　由表1可以看出,γ射线与高能次级中子在光电倍增管中产生的信号之间有约240 ns的时间间隔,为了能正确地探测与测量次级中子产生的小幅度快脉冲,前端电子学的信号接收电路需要在这240 ns的时间内对幅度达数十V、宽度数十ns的大脉冲进行处理。在此期间,信号接收电路不但要接受大幅度信号入射的考验,还要在次级中子信号到达之前将基线恢复到零,减小次级中子信号所受到的干扰。

　　2　电路改进与仿真

　　2.1　电路改进分析

　　首先分析一下改进前的前端电子学信号接收电路,如图2所示[9]。可以看出,信号接收电路对输入信号作了传输匹配和交流耦合,并加入了保护二极管电路,其作用是为了防止输入信号过大使前置放大器电路饱和。这种设计的缺点在于:保护二极管在输入信号过大的导通状态下呈电阻特性,会发生瞬间过载,使前置放大器电路进入饱和;呈电阻特性的二极管与传输匹配电阻并联,使输入阻抗与传输电缆失配,产生反射;当输入信号非常大时,保护二极管也会饱和,电路的退饱和需要一个比较长的过程。在ICF实验中,X射线、γ射线在PMT中产生的大脉冲信号将上述缺点全部体现出来,输出信号必然发生错误。在这种情况下,射线所产生的大幅度脉冲使得输入信号基线需要较长时间才能回零,这必然影响了次级中子产生的信号波形,使得测量不准确,严重时会把次级中子信号湮没。