硅半導體γ 劑量率監測儀研發及應用

徐少一，李 偉，劉 翔

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

國內廣泛應用γ 劑量率儀表采用氣體探測器，由于氣體探測器存在體積較大、抗干擾能力較差等不易滿足特殊環境條件監測要求等不足，其應用范圍受到了較大限制。國內部分堆型在主蒸汽管線上和通風管道內布置了在線γ 劑量率監測儀表，要求具備體積小、抗干擾能力強、響應時間快、性能穩定等特點[1]。硅半導體γ 劑量率監測儀表具有上述特點，可以滿足核電站工程應用的實際需求，但目前硅半導體輻射探測器技術被國外儀器公司所壟斷，采購成本高、周期長，且無法提供直接的工廠售后服務，在設備供貨、運行維護過程中受到較大限制。為消除現有氣體探測器在工程應用領域技術上的短板，實現硅半導體γ 劑量率儀表實際工程化應用，需針對性研發一種硅半導體γ 劑量率監測儀。

1 總體設計

在線硅半導體輻射探測器及監測儀表系統組成如圖1 所示，包括探測單元、就地處理顯示單元(Local Process Display Unit,LPDU)、接線箱3 部分。

圖1 硅半導體輻射探測器及監測儀表系統組成

探測單元是儀器的核心部分，探測單元主要由探測器信號處理模塊、硅半導體探測器陣列、數據轉換模塊，溫度傳感器和自檢模塊等組成，探測器選用硅半導體Si-PIN(Silicon Positive Intrinsic Negative)低壓探測器（PD-Photodiode 探測器），具有良好的角響應、能量響應和寬量程等技術特性。

LPDU 是儀表信號處理和存儲的部件，具備對前端探測單元提供工作電壓，接收和處理來自于探測單元的初始信號等功能，同時用于和上位機（數據采集站）的通信及儀表測量數據的顯示與儲存。

接線箱是儀表外部電源輸入和儀表信號輸出的接口裝置，主要包括220 V 外部電源輸入、開關量信號、模擬量信號、數字量信號（RS485）的輸入/輸出接口。儀表主要技術參數如表1 所示。

表1 儀表主要技術參數

2 儀表硬件設計

根據硅半導體γ 劑量率監測儀表現場使用的要求及儀表內部功能的劃分，其硬件設計由3 部分組成，分別為探測單元、就地處理單元和接線箱，各部件相互聯系并實現各自的設計功能[3]。

2.1 探測單元結構及基本功能

探測單元是儀器的核心部分，探測單元主要由電源轉換電路、PD 探測器陣列、探測器信號處理電路、數據轉換模塊、自檢模塊、溫度傳感器等組成，通過電纜與LPDU 進行數據傳輸。探測單元內部結構如圖2 所示，信號處理電路和探測器能量補償片等放置在探測單元腔體上層，溫度傳感器信號轉換模塊放置在探測單元腔體下層。其中低量程部分由多個高靈敏度PD 探測器等間距分布在探測器圓形端面的外周對稱方位上。

圖2 探測單元內部結構圖

探測器信號處理電路對γ 輻射信號進行I/V（電流/電壓）變換、放大、甄別、整形為電壓脈沖信號。電壓脈沖信號送入信號轉換模塊進行差分信號轉換。信號轉換模塊轉換后的差分信號通過電纜傳送至LPDU。探測單元內置溫度傳感器，傳感器信號通過電纜接口傳送到LPDU。探測器主要技術參數如表2 所示。

表2 探測器主要技術參數

探測單元內置自檢LED 燈，LED 燈收到現場可編程門陣列（Field Programmable Array，FPGA）[4]的自檢指令后發出自檢信號，對探測單元前放電路進行自檢。

2.1.1 探測器信號處理電路

探測器信號處理電路主要由PD 探測器陣列電路、電荷靈敏前置放大器電路、比較器電路、自檢電路等組成，其結構如圖3 所示。

圖3 探測器信號處理電路流程圖

2.1.2 PD 探測器陳列電路設計

低量程探測組由若干個PD 探測器組成，分為兩組，一組為主探測組，另外一組為備用探測器組。每組探測器使用獨立的信號處理電路。兩組探測器同時工作，低量程信號處理電路通過低量程信號轉換模塊連到探測單元接口，通過電纜把數據信息輸出到LPDU。當LPDU 檢測到低量程探測組的主探測器組出現異常時，FPGA 自動使用備用探測器組的劑量數據。

高量程探測部分由一個高劑量PD 探測器組成。高量程信號處理電路通過高量程信號轉換模塊連到探測單元接口，通過電纜把數據信息輸出到LPDU。當LPDU 檢測到探測單元的區域劑量水平達到高量程探測器的劑量值時，FPGA 內的劑量算法則進行相應的切換調整。

信號處理電路由電荷靈敏前置放大電路與比較器電路兩個單元組成，用于處理γ 輻射信號經PD 探測器作用后輸出的電流信號。

2.1.3 電荷靈敏前置放大器電路設計

電荷靈敏前置放大器由第一級I/V(電流/電壓)變換和第二級信號放大組成。I/V 變換方法是將待測量的微弱電流信號，轉換并放大為一個幅值較大的電壓信號，測量轉換得到的電壓信號從而獲得待測微弱電流信號大小。

2.1.4 比較器電路設計

比較器電路設計采用了遲滯比較器結構，避免在閾值電壓附近范圍內的毛刺信號引起信號的反轉，增加了輸出脈沖信號的穩定性。

2.1.5 PD 探測器的自檢電路

為了檢查探測單元電子學線路運行狀態，在探測單元的電荷靈敏前置放大器電路前端，分別設置了高、低量程電子學線路狀態測試電路，每個靈敏前置放大電路均配置了獨立的自檢測試LED。測試電路由LPDU 控制，LPDU 通過電纜向探測單元發出自檢信號，此電信號驅動探測單元內部的自檢LED 發光，高低量程PD 探測器接收到光照后觸發電子學線路產生模擬計數，傳輸至LPDU 完成自檢。

2.2 LPDU 組成及功能

LPDU 主要包括電源模塊、FPGA 模塊、顯示模塊、模擬量/數字量信號輸出、繼電器與傳感器輸入等模塊，如圖4 所示[5]。

圖4 LPDU 結構

探測器前放電路完成對PD 探測器的信號采集后，主放和甄別器電路完成信號的甄別和整形，通過探測器電纜送入LPDU 的FPGA 進行劑量率換算。換算后的劑量率數據通過RS485[6]總線送到系統顯示模塊進行顯示。對顯示單元反饋的控制命令進行響應，完成對系統電源管理與I/O（Input/Output）控制等。FPGA 可通過RS485 命令對探測器提供電源、偏置電壓、閾值、光電測試信號、輸入溫度傳感器信號和振動傳感器信號等進行監測與上傳，處理電路如圖5 所示。

2.3 接線箱設計方案

接線箱外殼材質為不銹鋼，接線箱側面有和上位機通信用的DB9（D 型9 針串行通信接口）插頭和110 V/230 V電源插座。接線箱提供與用戶接線的連接點，LPDU 的所有接口先連接到接線箱，再由接線箱與外部的接口連接。其功能包括：5 路單刀雙擲繼電器開關量輸出、3 路RS485隔離串行輸出、3 路4 mA～20 mA 模擬輸出。

3 軟件功能設計

硅半導體輻射監測儀軟件主要用于對LPDU 和探測單元進行數據管理、與上位機通信、實時顯示各種監測數據和狀態和通信管理等功能。

軟件主要功能模塊如圖6 所示，硅半導體輻射監測儀軟件主要功能如下：

圖6 軟件功能模塊圖

（1）實時監測模塊：用于對測量數據和測量狀態實時監測，并對溫度和振動輸入進行算法補償與控制，當監測數據超過報警閾值，發出聲光報警信號；

（2）維護模塊：退出測量狀態，進入維護模式，顯示儀器的各種狀態和數據，儀表儀器維修和故障定位；

（3）旁路模塊：工作旁路模式，開關量輸出被禁止；

（4）參數模塊：對監測探頭、就地處理顯示模塊的各種設備參數和運行參數進行修改；

（5）自檢模塊：完成對設備的各種故障狀態的實時檢查；

（6）日志模塊：日志模塊記錄了對儀器的各種操作、測量數據、報警數據和報警事件，對于測量數據具備秒、分、時、天的歷史趨勢查詢功能。

4 儀表設計創新

基于國內同類型輻射劑量率儀表應用的經驗反饋并結合儀表在核設施應用中的一些實際需求，在研發過程中進行了如下設計創新。

（1）溫度補償機制

采用了溫度補償機制，實時對探測器工作參數進行修正，降低環境溫度對儀表測量準確性的影響[7]，有效提升儀表測量精確度。

根據PD 探測器的物理特性，隨著探測器環境工作溫度的升高，PD 探測器漏電流與偏置電壓均會發生改變。漏電流增加會導致探測器本底噪音增加，偏置電壓降低會導致探測器輸出信號幅度降低。探測單元內置了溫度傳感器用于對PD 探測器進行溫度補償。溫度傳感器通過電纜把傳感器信號輸出到LPDU，當LPDU 監測到探測單元溫度升高時，通過溫度補償算法對PD 探測器的噪聲閾值與偏置電壓進行調整。

為了減小環境溫度升高對探測器輸出信號的影響，根據PD 探測器的溫度響應曲線，對低量程探測器的偏置電壓和甄別閾值進行補償修正，如圖7 所示。

圖7 探測器溫度補償曲線

（2）抗干擾耐輻照

探測器與就地處理單元之間信號傳輸采用耐高輻照的RS485 通信芯片（傳統為非耐高輻照的CPU 芯片，小于設計要求500 Gy）[8]，以差分信號方式進行信號傳輸，既滿足了探測器一端信號處理的需求，也解決了探測器耐高輻照和遠距離傳輸的問題，有效提升了硅半導體探測器儀表的應用范圍，如圖8 所示。

圖8 探測器RS485 通訊芯片電路設計圖

探測單元檢測到的γ 輻射信號通過PD 探測器陣列信號處理電路轉換成脈沖信號。脈沖信號接入RS485（型號為RSTD（H）541S485H）芯片的信號輸入引腳DI。把RS485 芯片信號接收引腳接入電源電壓VCC，禁止其接收功能。RS485 芯片內置差分轉換模塊通過電纜的AB 總線和LPDU 的AB 總線引腳進行差分信號連接。LPDU 的RS485 芯片輸出引腳DE 接地，禁止其信號輸出功能。脈沖信號輸出引腳RO 接入FPGA 計數管腳，FPGA 內置計數模塊對探測器組件輸入輻射脈沖信號進行計數與算法處理。

（3）陣列式探測器

目前制造工藝水平還無法生產大尺寸低噪聲的硅半導體探測元器件，通過采用探測器陣列并設置特殊材料和結構的補償部件，在提高探測器效率的同時使其具備良好的輻射計量特性[9]。

PD 探測器陣列由8 個低量程PD 探測器和1 個高量程PD 探測器組成，結構布置如圖2 所示，其中低量程部分由8 個高靈敏度PD 探測器等間距分布在探測器圓形端面的外周8 個方位上。8 個PD 探測器的陽極接地，每4 個PD 探測器的陰級并接在一起，并且兩兩間隔分成主備兩組，同時工作。低量程信號處理電路通過低量程信號轉換模塊連到探測單元接口，通過電纜把數據信息輸出LPDU（如圖9 所示）。當LPDU 檢測到低量程探測組的主探測器組出現異常時，FPGA 自動使用備用探測器組的劑量數據。高量程探測器使用一個低靈敏度PD 探測器，位置設計在探測器圓形端面的中心。

圖9 PD 探測器陣列電路設計圖

5 儀表特性比較和工程應用分析

傳統的氣體探測器如電離室探測器尺寸質量大，不易在小空間和管道內使用，靈敏度相對較低，信號容易受到干擾，探測器高電壓條件下工作對絕緣有特殊要求，且探測器容易漏氣，不宜在潮濕環境條件下使用。因此，其使用場景受到了較大限制。而硅半導體輻射探測器具有尺寸小、靈敏度高、抗干擾性能強、低壓電工作、受潮濕環境影響相對較小等優點。硅半導體輻射探測器相對于電離室探測器，探測器耐事故條件下高輻照能力相對較弱，儀表設計需求量極少。本國產化硅半導體輻射探測器具備500 Gy 的耐輻照性能，可以滿足核設施非事故條件下機組運行中劑量率監測的要求。因此，硅半導體輻射探測器儀表在核設施測量應用中具有更廣泛的應用場景。硅半導體探測器儀表與國內常見氣體電離室儀表主要參數對比如表3[10-13]所示。

表3 主要參數對比表

在核電站選擇具有復雜輻射場且劑量率水平具有代表性的工藝管閥房間（5 μGy/h～40 μGy/h），環境溫度30℃左右，將檢定后的硅半導體輻射探測器和電離室探測器儀表隨意選擇5 個位置進行測量對比，測量結果如表4 所示。

表4 兩種類型儀表現場測量對比表

根據測量數據分析，兩種儀表類型之間在復雜的輻射環境現場測量結果一致性良好，相對誤差均在-15%～+15%之內。

進一步對國內主要堆型（如VVER/M310/華龍一號等）現有γ 劑量率監測儀表設計輸入的綜合分析[1,13-15]，包括儀表量程、測量誤差、能量響應、尺寸、接口和功能要求等，適用性分析結果如表5 所示。

表5 設計輸入與硅半導體儀表參數和功能適用性分析

通過儀表參數、固有優缺點及現場測量對比分析，以及不同堆型機組適用性分析，表明硅半導體輻射探測器監測儀表相比電離室儀表具備更為廣泛的應用范圍，在國內各電站相關系統設備監測中具有良好的應用前景。

6 結論

在線硅半導體γ 劑量率監測儀的自主設計研發可以消除國內工程應用領域的技術短板，實現硅半導體γ 劑量率監測儀的國產化，其技術參數和性能滿足各類堆型設計和運行監測的要求，應用前景良好。