閃爍探測器線路板可靠性設計

李 波，李 濤，李晏敏，歐陽艷晶，馬烈華，丁明軍，艾 杰，馬景芳

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

閃爍探測器是一種將閃爍體（對電離輻射敏感的元件）直接或通過光導與光敏器件（一個或多個光電倍增管）光耦合組成的核輻射探測器[1]。由于閃爍探測器具有探測效率高、光輸出性能好、衰減時間短、時間響應快等特點，廣泛用于X、γ射線和中子的探測[2,3]。

通常，閃爍探測器由閃爍體、光導、光電倍增管以及線路板4個部分組成，原理結構如圖1所示[4,5]。其工作過程可分為6個相互聯(lián)系的步驟：（1）射線進入到閃爍體中與閃爍體相互作用，使閃爍體的原子、分子電離和激發(fā)；（2）被電離、激發(fā)的原子和分子退激時，一部分電離激發(fā)能量以光輻射的形式釋放出來，形成閃爍；（3）閃爍光的一部分被收集到光電倍增管的光陰極上；（4）光子被光陰極吸收后發(fā)射出光電子；（5）光電子在光電倍增管中倍增，倍增的電子束在陽極上被收集，產生輸出信號；（6）線路板對倍增管陽極輸出的微小電信號進行放大和監(jiān)測。由于閃爍探測器中的光電倍增管屬于高壓真空器件，自激放電現象無法完全避免，為了避免光電倍增管自激造成線路板損壞和探測器故障，必需對線路板進行可靠性設計。

圖1 閃爍探測器原理結構圖

線路板由高壓電源、高壓分壓器、信號處理電路以及低壓電源4部分組成，其中高壓電源產生上千伏直流高壓（總直流高壓），直流高壓經分壓電路后形成一定比值的直流電壓給光電倍增管各級供電，總直流高壓和光電倍增管各級直流電壓均可調節(jié)。信號處理電路的主要功能是放大和檢測光電倍增管陽極輸出的微小電信號，低壓電源為信號處理電路和高壓電源供電。由于線路板各部分之間以及各部分與光電倍增管之間的走線不可避免，且既有高壓部分，也有低壓部分，因此線路板的結構布局和工藝設計至關重要。

1 線路板可靠性設計

1.1 保護設計

1.1.1 線路板信號輸入端保護電路設計

光電倍增管屬于高壓真空器件，在長時間工作下自激放電不可避免。倍增管自激時，陽極將輸出上千伏高壓脈沖信號，該高壓脈沖進入線路板經電容器耦合后直接進入電流型運算放大器輸入端，經運算放大器輸入端與地之間形成放電回路。由于電流型運算放大器輸入端阻抗較低，放電時電流很大，造成運算放大器芯片內部輸入端燒蝕損壞。為了防止光電倍增管自激造成線路板運算放大器損壞，因此需要在線路板輸入端增加保護設計。

倍增管及線路板輸入端等效電路原理如圖2所示。其中-VH輸出電壓-1000～-2000 V可調；R4、C5、C6為π型濾波電路；C1～C3和R1～R3組成分壓電路，分別為倍增管陰極、微通道板輸入端以及微通道板輸出端供電；C4、R5、R6為線路板輸入端耦合電路；U1為電流型運算放大器；SW1為閉合型開關，用于模擬倍增管自激放電產生高壓脈沖；Rs、ESD為保護電路。

圖2 倍增管及線路板輸入端等效電路

（1）為了限制倍增管自激時放電回路電流，在倍增管陽極輸出端與線路板輸入端串接一個大電阻（Rs為大阻值電阻器，沒有保護二極管）。由于大電阻Rs與匹配電阻R5分壓，導致倍增管正常工作時進入運算放大器U1同向輸入端3腳的電壓信號特別小，經線路板放大輸出后幅度很小（約幾十毫伏），此時相當于線路板沒有對信號進行放大。為了增大輸出電壓幅值就需要提高運算放大器的放大倍數，而電流型運放放大倍數太高會很容易造成放大器自激振蕩，不能正常工作。

（2）在線路板放大器輸入端并接瞬態(tài)電壓抑制二極管（ESD為瞬態(tài)電壓抑制二極管，Rs短路）。利用瞬態(tài)電壓抑制二極管的高壓抑制特性，將倍增光自激時產生的上千伏高壓脈沖鉗位在-15 V以下，從而保護線路板運算放大器。由于瞬態(tài)抑制二極管結電容較大，相當于在二極管兩端并接1個電容器，倍增管正常工作時輸出脈沖信號（信號幅度很小，脈沖前沿很快），首先對二極管進行充電，進入運算放大器輸入端脈沖信號前沿變緩，波形失真。

（3）在線路板放大器輸入端并接靜電防護二極管（ESD為靜電防護二極管，RS短路）。靜電防護二極管同樣具有高壓抑制特性，且二極管結電容小，不會使波形失真。但靜電防護二極管功率較小，很容易造成過功率損壞，雖然有效保護了線路板運算放大器，但自身卻損壞，閃爍探測器仍不能正常工作。

（4）在線路板放大器輸入端并接快速二極管（ESD為快速二極管，RS短路）。由于倍增管正常工作時陽極輸出脈沖電壓只有幾十毫伏，利用快速二極管正向導通特性（大于0.7 V時導通）能夠將高壓脈沖釋放到大地上，保護后端電路，但快速二極管結電容也較大，會使波形發(fā)生失真。

通過以上分析可知，光電倍增管陽極輸出信號具有以下特點：（1）負極性電脈沖信號；（2）電壓幅度約幾十毫伏；（3）脈沖信號前沿快（約幾十納秒）。為了適應光電倍增管陽極輸出信號特點，不影響倍增管陽極輸出信號特性，要求保護電路同時具備以下特點和能力：（1）時間響應速度快；（2）電路結電容小；（3）功率大。最終采用小阻值（約10 Ω）的高壓脈沖電阻器RS和防靜電二極管ESD組成保護電路，當光電倍增管自激，陽極出現高電壓信號時，靜電防護二極管瞬間擊穿導通，形成放電通道泄放能量，避免高壓信號進入線路板信號處理電路，從而保護線路板。高壓脈沖電阻器用于限制保護回路中電流，增加保護電路功率，保護靜電防護二極管。

1.1.2 電源輸入、輸出端保護電路設計

（1）輸入信號保護。電源輸入端保護電路如圖3所示，主要由雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS、無極限電容器C、整流二極管D及可恢復熱敏電阻F1組成，主要功能有過壓保護、過流保護、電壓反接保護以及對外輻射保護。過壓保護是指當輸入電壓大于二極管TVS擊穿電壓時，二極管將輸入電壓鉗位并穩(wěn)定在擊穿電壓，防止輸入電壓過高造成后端元器件損傷。過流保護是指當線路板內部發(fā)生元器件損傷造成輸入電流增大或短路時，可恢復熱敏電阻F1發(fā)熱，內部膨脹后斷開連接，避免長時間電流增大造成其他元器件損壞，待故障處理后熱敏電阻F1恢復正常連接。電壓反接保護是指輸入端串接二極管D。對外輻射保護由可恢復熱敏電阻F1和電容器C組成RC濾波電路，防止線路板對外部設備造成干擾。

圖3 電源輸入端保護電路

（2）輸出信號保護。由于輸出主信號具有脈沖前沿快（約幾十納秒）、脈沖寬度窄等特點，為了不影響主信號性能的同時又能有效保護線路板，采用結電容約20 pF的防靜電二極管并接在輸出主信號兩端對主信號端口進行保護，另外選用瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressors，TVS）并接在監(jiān)測信號兩端對監(jiān)測端口進行保護。

1.2 模塊化設計

閃爍探測器線路板根據高壓、低壓的特點分別由獨立的高壓電路板和低壓電路板兩個模塊組成，需將高壓、低壓分開，避免電磁干擾。其中，高壓電路板主要將高壓模塊、高壓調節(jié)電阻、π型濾波電路、高壓分壓器等與高壓有關的分立元器件集成在一起，低壓電路板主要將線路板保護電路、信號放大電路、信號監(jiān)測電路等低壓分立元器件集成在一起，減少了各分立器件之間的走線，便于線路板的質量控制和裝配，實現了探測器線路板的模塊化、通用化設計，提高了線路板可靠性。

1.3 集中走線及設計

采用化分立為整體集中走線設計思路，實現各模塊之間的電氣連接。分別對高壓、低壓電路板進行結構布局、布線設計，將線路板15個輸入、輸出信號及檢測點按照連接關系集中在線路板兩邊，采用J63A系列超微型矩形連接器實現高壓電路板與低壓電路板及探測器外殼之間的電氣連接。電路板安裝方便，生產可達性好，且便于信號監(jiān)測。

線路板設計上采用以下措施提高電磁干擾能力：（1）電源層與信號層分開走線；（2）相鄰兩層垂直走線；（3）線路板內部應有完整的地平面；（4）信號線盡量從兩個完整地平面之間走；（5）與頂層和底層相鄰層應為地平面層，使信號形成最小回路；（6）采用單點接地，避免形成地回路；（7）運算放大器輸入端遠離DC/DC，避免高頻信號耦合；（8）分區(qū)設計，使溫度敏感器件遠離發(fā)熱元器件；（9）合理布局盡量減少元器件之間走線距離。通過以上設計成功通過了環(huán)境適應性和電磁兼容性試驗考核。

2 信號輸入端保護電路仿真及實驗驗證

2.1 仿真分析

采用Pspice仿真軟件仿真分析信號輸入端保護電路的高壓抑制特性（保護效果）和時間響應，其中高壓抑制特性仿真是在保護電路輸入端（光電倍增管陽極輸出端）注入幅度為±2 kV，頻率為20 MHz高電壓交流信號，觀測保護電路輸出端電壓波形，如圖4所示。結果表明，保護電路可以將±2 kV以內的瞬態(tài)尖峰電壓信號抑制在-0.7 V和6.8 V以內。

圖4 高壓抑制效果仿真波形

時間特性仿真是在保護電路輸入端注入幅值為16 mV，脈沖寬度為3 μs的準方波信號，該信號經保護電路和信號處理電路放大后輸出，輸入輸出波形如圖5所示。可以看出，增加保護電路后，輸出信號的前后沿未見變緩，輸出波形與注入信號基本重合，信號處理電路時間響應基本不變。

圖5 時間特性仿真波形

2.2 實驗驗證

電路原理如圖2所示，模擬光電倍增管自激放電對保護電路進行驗證，采用高壓模塊、倍增管分壓器、開關等器件組成放電回路，模擬倍增管自激放電，調節(jié)高壓模塊輸出電壓，對保護電路性能進行測試。利用P6015A高壓探頭（變比1000∶1）監(jiān)測保護電路輸入、輸出波形，當高壓模塊輸出-1600 V時，圖2中A點放電波形如圖6所示，可以看出最大脈沖幅度為-1600 V，波形底寬約為6 μs。該放電波形進入保護電路，圖2中B點保護電路輸出波形如圖7所示，可以看出電壓波形幅度為11.1 V，有效地抑制了高壓脈沖。

圖6 模擬自激放電保護電路輸入波形

圖7 模擬自激放電保護電路輸出波形

實際工作中，人為的使倍增管自激對保護電路進行驗證，提高光電倍增管的工作電壓至3000 V以上（正常工作1500 V左右），使其自激放電，100多次自激放電后，線路板信號處理電路工作正常。可見線路板輸入端增加保護電路能有效地抑制光電倍增管自激時產生的高壓脈沖，避免高壓脈沖造成線路板損壞，保護線路板，從而提高探測器的可靠性。

采用信號發(fā)生器在線路板輸入端注入負極線脈沖信號對線路板輸出信號的時間響應特性進行驗證，線路板對負極性輸入信號進行導向和放大后輸出正極性脈沖，輸入輸出電壓波形如圖8所示。可以看出，輸入信號前沿和后沿很快，幅值為-28.4 mV，脈沖寬度為1.5 μs。當輸入信號進入線路板時，線路板立即有電壓信號輸出，輸入輸出波形之間延時較短，時間響應特性較好，且輸出波形未發(fā)生畸變（電壓幅值3.1 V，脈沖寬度1.5 μs，波形前、后沿約50 ns正極性脈沖信號）。因此，保護電路時間響應特性滿足要求。

圖8 輸入輸出電壓波形

3 結 論

本文根據閃爍探測器的工作原理和實際使用特點對閃爍探測器線路板保護電路進行了分析與設計，通過模擬仿真和實驗驗證，線路板各項技術指標與功能均滿足設計要求，并取得了以下3個方面的效果：（1）線路板輸入、輸出端加保護電路，避免因閃爍探測器高壓真空器件自激造成線路板損壞，有效地保護了線路板，提高了閃爍探測器的可靠性；（2）模塊化設計理念，將高壓、低壓分開，避免電磁干擾；（3）采用化分立為整體集中走線設計思路，優(yōu)化線路板結構布局、布線，使探測器模通用化、標準化，生產可達性好、便于裝配和維修，為近一步小型化打下基礎。