反應(yīng)堆中子脈沖信號預(yù)處理系統(tǒng)研制

(中國核動力研究設(shè)計院，成都 610213)

0 引言

中子脈沖信號的預(yù)處理系統(tǒng)是針對反應(yīng)堆內(nèi)部中子探測器的輸出信號進行就地處理的一種裝置，用于中子脈沖信號的甄別、整形和放大。該系統(tǒng)的信號處理結(jié)果用于遠端核測設(shè)備[1]的中子脈沖計數(shù)的采集。中子脈沖信號的監(jiān)測是反應(yīng)堆首次物理啟動試驗[2]和運行期間獲取動態(tài)參數(shù)的重要方式，具體用于中子計數(shù)監(jiān)督和反應(yīng)堆臨界外推，這對于反應(yīng)堆安全運行必不可少。中子脈沖信號的預(yù)處理系統(tǒng)是核測設(shè)備中的中子脈沖信號監(jiān)測準確性的重要保障。

現(xiàn)有的中子脈沖信號預(yù)處理系統(tǒng)[3]僅包括前置放大器，而用于中子脈沖信號甄別的脈沖主放大器和用于中子探測器工作的高壓電源安裝在遠端核測設(shè)備中，中子脈沖信號在前置放大器與主放大器之間長距離傳輸容易受到噪聲干擾，造成中子脈沖信號采集的失真。另外，現(xiàn)有中子脈沖信號預(yù)處理系統(tǒng)[4]的控制參數(shù)設(shè)置是通過按鍵或者旋鈕的方式完成的，缺乏可維護性和參數(shù)的穩(wěn)定性。

隨著信息處理智能化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化設(shè)備向著集成化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。反應(yīng)堆核測設(shè)備作為重要的工業(yè)自動化設(shè)備，也需要跟隨歷時的潮流一起進步。因此，一種集成度和可靠性高、操作靈活以及更加智能的中子脈沖信號預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)運而生。

本文介紹一種集成前置放大器、脈沖主放大器和高壓電源為一體、具備智能調(diào)節(jié)控制參數(shù)的低噪聲反應(yīng)堆中子脈沖信號預(yù)處理系統(tǒng)。該設(shè)備具備降低中子脈沖信號在傳輸過程中的干擾，提高系統(tǒng)的可維護性和穩(wěn)定性等特性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該系統(tǒng)包括預(yù)處理裝置和調(diào)節(jié)控制箱兩個部分。預(yù)處理裝置結(jié)構(gòu)為一個便攜式機箱，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計方式，根據(jù)實現(xiàn)的功能不同，分為脈沖放大模塊、參數(shù)調(diào)節(jié)模塊、低壓電源模塊和高壓電源模塊。外部接口采用帶隔離的連接器與中子探測器、調(diào)節(jié)控制箱及遠程核測系統(tǒng)[5]進行數(shù)據(jù)交互。

預(yù)處理裝置的脈沖放大模塊把脈沖信號前置放大組件和主放大組件就近集成，實現(xiàn)脈沖信號的甄別、整形和放大等所有預(yù)處理功能，減少長距離傳輸脈沖信號造成的噪聲干擾；構(gòu)間建獨立的智能化參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，通過SPI總線接口接收調(diào)節(jié)控制箱的參數(shù)設(shè)置，并利用數(shù)字電位器實現(xiàn)無按鍵數(shù)字信號調(diào)節(jié)脈沖放大甄別閾和中子探測器工作高壓。調(diào)節(jié)控制箱接收遠程控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置命令，并存儲和轉(zhuǎn)換為SPI通訊格式的數(shù)據(jù)發(fā)送給參數(shù)調(diào)節(jié)模塊。中子脈沖信號預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 中子預(yù)處理裝置結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)硬件設(shè)計以集成化與智能化技術(shù)為基礎(chǔ)，形成了以下兩種關(guān)鍵技術(shù)：

1)中子脈沖信號的集成化預(yù)處理技術(shù)?；谥凶用}沖信號傳輸過程易受干擾的特點，采用脈沖前置放大器和主放大器集中就地配置的方法，實現(xiàn)脈沖信號甄別、整形和放大功能。脈沖放大模塊集成了前置放大組件和主放大組件，它們之間的信號傳輸在模塊內(nèi)部實現(xiàn)。前置放大組件接收中子探測器輸出的脈沖信號，經(jīng)過隔離、放大和緩沖電路后送入主放大組件；主放大組件經(jīng)過積分/微分脈沖放大、基線恢復(fù)、幅度甄別、整形和緩沖電路后輸入到遠端脈沖信號采集設(shè)備。

2)控制參數(shù)的智能化調(diào)節(jié)技術(shù)?；跀?shù)字電位器智能調(diào)節(jié)技術(shù)，參數(shù)調(diào)節(jié)模塊采用SPI總線[6]接口的形式與調(diào)節(jié)控制箱連接，實現(xiàn)遠程軟件設(shè)置控制參數(shù)的功能。參數(shù)調(diào)節(jié)模塊集成了SPI通訊接口[7-8]和數(shù)字電位器。SPI通訊接口經(jīng)過串口連接器接收遠程控制系統(tǒng)經(jīng)由調(diào)節(jié)控制箱轉(zhuǎn)換輸出的參數(shù)調(diào)節(jié)數(shù)字信號，并經(jīng)過隔離緩沖芯片后送入兩組數(shù)字電位器；兩組數(shù)字電位器通過遠程控制系統(tǒng)的編程把控制參數(shù)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過跟隨電路緩沖隔離后分別輸出給脈沖放大模塊和高壓電源模塊。

2.2 預(yù)處理裝置結(jié)構(gòu)

預(yù)處理裝置結(jié)構(gòu)采用模塊化和小型化設(shè)計技術(shù)，整體設(shè)計成一個具備輸入輸出接口的便攜式機箱，內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)不同功能分為四個相對獨立的模塊。箱內(nèi)部布置分為上下兩層，上層為脈沖放大模塊和參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，下層為低壓電源模塊和高壓電源模塊，每個模塊都有獨立的方形殼體保護，殼體表面都有相應(yīng)的連接器，模塊之間通過連接器之間的電纜進行信號連接。裝置箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 預(yù)處理裝置箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 脈沖放大模塊

脈沖放大模塊是中子脈沖信號預(yù)處理裝置的核心模塊，完成脈沖信號的集成化預(yù)處理。該模塊具體結(jié)構(gòu)分為前置放大組件和主放大組件。其中，前置放大組件集成于一個獨立屏蔽盒中，通過連接器安裝在主放大組件電路板之上，并通過連接器與其它模塊實現(xiàn)信號的輸入輸出，脈沖放大模塊原理框圖如圖3所示。

圖3 脈沖放大模塊原理框圖

前置放大組件通過多層屏蔽同軸電纜直接與中子探測器連接，中子脈沖信號經(jīng)過阻抗匹配與隔離電路保持信號的有效性，隨后利用兩級三極管放大電路進行信號的輸入保護，并通過微分整形后匹配阻抗輸出到主放大組件；同時，高壓電源模塊輸出的高壓信號經(jīng)過組件內(nèi)置的高壓濾波電路進行去噪處理，然后通過同軸電纜加載在中子探測器作為其工作電壓；放大電路的工作電源由低壓電源模塊供給；前置放大組件與主放大組件通過連接器直接對接，消除了電纜傳輸信號帶來的噪聲干擾。

主放大組件接收前置放大組件處理后的中子脈沖信號，這些信號經(jīng)過第一級放大電路，極零相消，放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路，再通過積分、調(diào)零、衰減和基線恢復(fù)等功能電路，最后通過甄別比較電路處理，整形輸出后傳輸?shù)竭h端信號采集設(shè)備；參數(shù)調(diào)節(jié)模塊和高壓電源模塊會通過主放大組件分別輸出高/低甄別閾和高壓鏡像模擬信號到遠端信號采集設(shè)備；組件內(nèi)部電路工作電源由低壓電源模塊供給；整個預(yù)處理裝置的所有輸出信號匯集在主放大組件輸出，通過輸出緩沖、隔離和驅(qū)動電路后輸出遠端采集設(shè)備，實現(xiàn)了信號傳輸?shù)募苫?/p>

2.4 參數(shù)調(diào)節(jié)模塊

參數(shù)調(diào)節(jié)模塊采用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)的方式控制參數(shù)調(diào)節(jié)，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動旋鈕調(diào)試方式，在裝置中設(shè)計為獨立的參數(shù)調(diào)節(jié)模塊。該模塊具體結(jié)構(gòu)分為SPI通訊接口組件和數(shù)控調(diào)節(jié)組件。兩部分組件集成在一塊電路板上，并通過外部殼體與其它模塊連接，參數(shù)調(diào)節(jié)模塊原理框圖如圖4所示。

圖4 參數(shù)調(diào)節(jié)模塊原理框圖

SPI通訊接口組件通過SPI總線協(xié)議與調(diào)節(jié)控制箱連接，實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離緩沖功能。整個過程如下：按照SPI總線協(xié)議規(guī)定，信號連接器接收調(diào)節(jié)控制箱輸入的6路數(shù)字信號，包括時鐘信號、輸入信號、輸出信號、高壓片選信號、甄別閾片選信號和準備信號；輸入的6路數(shù)字信號首先經(jīng)過降噪電路處理，保證數(shù)字電位器輸入信號的準確性，主要是利用電容、磁珠等器件的抑制信號線噪聲功能來實現(xiàn)；其后經(jīng)過隔離保護電路，確保外界誤插入電源時起保護作用，主要是利用開關(guān)二極管的限幅和保護功能來實現(xiàn)；再次經(jīng)過輸出緩沖電路，將遠程輸入的緩慢輸入信號轉(zhuǎn)變成清晰無抖動的輸出信號，并作為數(shù)字電位器的輸入信號，主要利用施密特觸發(fā)器的反相緩存器功能來實現(xiàn)。

數(shù)控調(diào)節(jié)組件通過兩片數(shù)字電位器芯片與SPI通訊接口組件相連，實現(xiàn)高壓和甄別閾的數(shù)字命令信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的遠程設(shè)置功能。整個過程如下：經(jīng)過SPI通訊接口組件的隔離緩沖處理后，6路數(shù)字信號分別送入兩片數(shù)字電位器芯片，當片選信號使能數(shù)字電位器芯片，輸入的24位數(shù)字信號通過編程的方式輸入到芯片內(nèi)的電位器寄存器中，用于設(shè)置片內(nèi)電位器觸點的位置，不同的觸點位置代表了不同的遠程設(shè)置，同時觸點位置信息會存儲在片內(nèi)存儲器中，用于裝置重新加電后加載觸點位置信息；根據(jù)片選信號的不同實現(xiàn)高壓和甄別閾兩類參數(shù)的轉(zhuǎn)換，第一個數(shù)字電位器輸出1路高壓模擬信號，第二個數(shù)字電位器輸出高甄別閾和低甄別閾模擬信號；3路模擬信號利用電壓跟隨器作為中間級，隔離輸入輸出信號的互相影響，跟隨電路輸出端通過接線端子分別輸出到高壓電源模塊控制端和脈沖放大模塊甄別閾輸入端；另外，數(shù)字電位器的工作電源由低壓電源模塊供給。

2.5 高壓電源模塊

高壓電模塊主要用于為中子探測器提供工作高壓，使探測器能夠輸出中子脈沖信號。高壓電源的輸入調(diào)節(jié)方式采用低電壓(0～5 V)控制，輸出高電壓(0～3000 V)直接通過脈沖放大模塊的前置放大組件加載在中子探測器上。相比傳統(tǒng)的高壓供電模式，高壓信號輸入到中子探測器的距離縮短為預(yù)處理機箱內(nèi)部短距離傳輸，解決了高壓信號傳輸在長距離傳輸中把噪聲引入脈沖前置放大的問題。

2.6 低壓電源模塊

低壓電源模塊為脈沖放大模塊、高壓電源模塊和參數(shù)調(diào)節(jié)模塊提供工作電源。低壓電源模塊通過DC-DC轉(zhuǎn)換器把預(yù)處理機箱輸入電源(直流+24 V)轉(zhuǎn)換為固定的直流電壓輸出，提供給機箱內(nèi)其他模塊使用，具體原理如圖5所示。模塊內(nèi)部集成了電源濾波器、DC-DC電源模塊和正負電壓調(diào)節(jié)器，分別實現(xiàn)了電源降噪、數(shù)值變換和極性變換功能。其中，隔離降噪功能減少了外部噪聲對高壓電源和脈沖放大器的影響。

圖5 低壓電源模塊原理框圖

2.7 調(diào)節(jié)控制箱

預(yù)處理裝置中的控制參數(shù)不能用手動按鍵或者旋鈕進行調(diào)節(jié)，只能通過臨時接入調(diào)節(jié)控制箱進行設(shè)置。該調(diào)節(jié)控制箱具備獨立輸入輸出接口，當需要調(diào)節(jié)中子探測器工作高壓或者脈沖放大器甄別閾時候，輸出接口與預(yù)處理裝置相接，輸入接口與遠程控制系統(tǒng)相接。調(diào)節(jié)控制箱能存儲遠程控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置命令，同時通過FPGA[9]的邏輯控制功能驅(qū)動SPI總線數(shù)據(jù)傳輸。它的具體工作原理如圖6所示。

圖6 調(diào)節(jié)控制箱原理框圖

2.8 硬件接口

裝置的硬件接口包括箱體接口、脈沖放大模塊接口、參數(shù)調(diào)節(jié)模塊接口、高壓電源模塊接口和低壓電源模塊接口。

預(yù)處理裝置箱體有3路輸入接口和5路輸出接口。輸入接口包括中子脈沖信號輸入接口、參數(shù)調(diào)節(jié)信號輸入接口和外部電源輸入接口。中子脈沖信號輸入接口與中子探測器相連，接收中子探測器輸出的脈沖信號；參數(shù)調(diào)節(jié)信號輸入接口與調(diào)節(jié)控制箱相連，接收參數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)字信號；箱外部電源輸入接口與外部低壓電源相連，接收外部電源供給。輸出接口包括2路中子脈沖信號輸出接口和3路模擬信號輸出接口。中子脈沖信號輸出接口與遠端脈沖信號采集設(shè)備連接，發(fā)送經(jīng)過甄別、整形和放大的高甄別閾和低甄別閾脈沖信號；模擬信號輸出接口與遠端模擬信號采集設(shè)備連接，發(fā)送脈沖放大模塊的高甄別閾和低甄別閾信號，以及高壓電源的鏡像信號。

脈沖放大模塊實現(xiàn)中子脈沖信號的預(yù)處理功能，包括5路輸入接口和5路輸出接口。輸入接口包括脈沖信號預(yù)處理接口、高甄別閾輸入接口、低甄別閾輸入接口、高壓電源輸入接口和低壓電壓輸入接口。輸出接口包括高甄別閾脈沖信號輸出接口、低甄別閾脈沖信號輸出接口、高壓電鏡像信號輸出接口、高甄別閾輸出接口、低甄別閾輸出接口。

參數(shù)調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)與調(diào)節(jié)控制箱的通訊，以及參數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號功能，包括2路輸入接口和2路輸出接口。輸入接口包括SPI通訊接口和低壓電源輸入接口；輸出接口包括高甄別閾輸出接口、低甄別閾輸出接口和高壓控制信號輸出接口。

高壓電源模塊包括2路輸入接口和2路輸出接口。輸入接口包括高壓控制信號輸入接口、低壓電源輸入接口；輸出接口包括高壓電源輸出接口和高壓鏡像(0～5V)信號輸出接口。

低壓電源模塊包括1路輸入接口和4路輸出接口。輸入接口為外部低壓電源提供給箱體的工作電源；輸出接口為內(nèi)部功能模塊提供低壓工作電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括遠程參數(shù)調(diào)節(jié)人機界面設(shè)計、調(diào)節(jié)控制程序設(shè)計、遠程信號采集系統(tǒng)人機界面設(shè)計。系統(tǒng)軟件構(gòu)架如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件構(gòu)架圖

遠程參數(shù)調(diào)節(jié)人機界面提供參數(shù)設(shè)置的人機接口界面，包括中子探測器工作高壓設(shè)置、脈沖放大器高甄別閾和低甄別閾設(shè)置。設(shè)置的命令以數(shù)字信號形式通過RS485通訊協(xié)議發(fā)送給調(diào)節(jié)控制程序。

調(diào)節(jié)控制程序包括RS485通訊收發(fā)控制模塊、邏輯控制與存儲模塊和SPI總線收發(fā)器模塊。RS485通訊收發(fā)控制模塊隔離緩沖遠程參數(shù)設(shè)置命令；再通過FPGA的邏輯控制功能把這些命令按照SPI串行通訊的方式發(fā)送給總線收發(fā)器；經(jīng)過總線收發(fā)器緩沖后的數(shù)據(jù)通過SPI通訊協(xié)議的格式發(fā)送給中子脈沖信號預(yù)處理裝置；最終通過數(shù)字電位器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可加載的模擬信號。

遠程信號采集系統(tǒng)人機界面顯示預(yù)處理裝置輸出的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為脈沖信號采集模塊和模擬信號采集模塊。脈沖信號采集模塊分為定時、定數(shù)和自動控制三種模式 ，分別采集高甄別閾和低甄別閾狀態(tài)下的中子計數(shù)率。模擬信號采集模塊定時采集和顯示中子探測器工作高壓、以及高低甄別閾。

4 試驗結(jié)果及分析

在中子脈沖預(yù)處理系統(tǒng)軟硬件集成及調(diào)試完成以后，將開展坪曲線和閾曲線獲取試驗，獲得中子探測器工作高壓和脈沖放大模塊的甄別閾。

4.1 坪曲線獲取試驗

4.1.1 試驗方法

1) 確定高甄別閾和低甄別閾為定值，并通過遠程參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置；

2) 遠程參數(shù)設(shè)置界面輸入高壓數(shù)值，由低到高，從有計數(shù)率開始記錄不同高壓時候的計數(shù)率；

3) 利用獲取的數(shù)據(jù)繪制平均計數(shù)率與高壓之間的關(guān)系曲線，得到中子探測器工作坪區(qū)，在坪區(qū)中選取合適點作為中子探測器工作高壓。

4.1.2 試驗結(jié)果

脈沖放大模塊的高甄別閾和低甄別閾定值分別設(shè)置為0.8 V和0.5 V，中子探測器的工作高壓從550 V調(diào)節(jié)到840 V，獲取的坪曲線獲取試驗數(shù)據(jù)見表1，坪曲線見圖8和圖9所示。

4.1.3 數(shù)據(jù)分析

當甄別閾為0.8 V時，工作高壓的坪區(qū)為740～840 V，坪長100 V，坪斜35.4%/100 V；當甄別閾為0.5 V時，工作高壓的坪區(qū)為700～800 V，坪長100 V，坪斜15%/100 V；綜合選擇高低甄閾對應(yīng)的坪區(qū)范圍，選擇中間節(jié)點760 V作為工作高壓。

表1 坪曲線獲取試驗數(shù)據(jù)

圖8 坪曲線(高甄別閾VH=0.8)

圖9 坪曲線(低甄別閾VL=0.5)

4.2 閾曲線獲取試驗

4.2.1 試驗方法

1) 把坪曲線獲取試驗確定的工作高壓作為定值，并通過遠程參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置；

2) 在遠程參數(shù)設(shè)置界面輸入甄別閾數(shù)值，由低到高，從有計數(shù)率開始記錄不同甄別閾時候的計數(shù)率；

3) 利用獲取的數(shù)據(jù)繪制平均計數(shù)率與甄別閾之間的關(guān)系曲線，選取曲線平坦區(qū)域的甄別閾點作為脈沖放大的甄別閾。

4.2.2 試驗數(shù)據(jù)

工作高壓由坪曲線試驗確定為760 V，獲取閾曲線，試驗數(shù)據(jù)見表2，閾曲線見圖10所示。

表2 閾曲線獲取試驗數(shù)據(jù)

圖10 閾曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有集成化與智能化特點的反應(yīng)堆中子脈沖信號預(yù)處理系統(tǒng)，解決已有系統(tǒng)信號傳輸干擾大和參數(shù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性差的問題。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于反應(yīng)堆中子脈沖信號的預(yù)處理以及相關(guān)工作參數(shù)的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)集成為預(yù)處理裝置和調(diào)節(jié)控制箱兩部分；預(yù)處理裝置基于模塊化的設(shè)計方法，包括脈沖放大模塊，參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，高壓電源模塊和低壓電源模塊，其中以脈沖放大模塊為核心，各模塊間相互配合，實現(xiàn)脈沖信號的隔離和放大、遠程命令模擬信號輸入以及高壓電源的加載；調(diào)節(jié)控制箱以FPGA芯片為核心，實現(xiàn)遠程命令數(shù)字信號存儲以及提供SPI總線接口控制。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效及便捷地獲取中子探測器工作高壓和脈沖放大甄別閾等關(guān)鍵參數(shù)，為核測設(shè)備的數(shù)采裝置獲取準確的計數(shù)率提供了重要的保障。該系統(tǒng)在許多核測量設(shè)備中均有很好的應(yīng)用，包括啟堆計數(shù)裝置、硼濃度測量裝置、集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[10]等。