閃爍探測(cè)器線路板可靠性設(shè)計(jì)

李 波，李 濤，李晏敏，歐陽(yáng)艷晶，馬烈華，丁明軍，艾 杰，馬景芳

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

0 引 言

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

通常，閃爍探測(cè)器由閃爍體、光導(dǎo)、光電倍增管以及線路板4個(gè)部分組成，原理結(jié)構(gòu)如圖1所示[4,5]。其工作過(guò)程可分為6個(gè)相互聯(lián)系的步驟：（1）射線進(jìn)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(shí)，一部分電離激發(fā)能量以光輻射的形式釋放出來(lái)，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(yáng)極上被收集，產(chǎn)生輸出信號(hào)；（6）線路板對(duì)倍增管陽(yáng)極輸出的微小電信號(hào)進(jìn)行放大和監(jiān)測(cè)。由于閃爍探測(cè)器中的光電倍增管屬于高壓真空器件，自激放電現(xiàn)象無(wú)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(cè)器故障，必需對(duì)線路板進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

圖1 閃爍探測(cè)器原理結(jié)構(gòu)圖

線路板由高壓電源、高壓分壓器、信號(hào)處理電路以及低壓電源4部分組成，其中高壓電源產(chǎn)生上千伏直流高壓（總直流高壓），直流高壓經(jīng)分壓電路后形成一定比值的直流電壓給光電倍增管各級(jí)供電，總直流高壓和光電倍增管各級(jí)直流電壓均可調(diào)節(jié)。信號(hào)處理電路的主要功能是放大和檢測(cè)光電倍增管陽(yáng)極輸出的微小電信號(hào)，低壓電源為信號(hào)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(jié)構(gòu)布局和工藝設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 線路板可靠性設(shè)計(jì)

1.1 保護(hù)設(shè)計(jì)

1.1.1 線路板信號(hào)輸入端保護(hù)電路設(shè)計(jì)

光電倍增管屬于高壓真空器件，在長(zhǎng)時(shí)間工作下自激放電不可避免。倍增管自激時(shí)，陽(yáng)極將輸出上千伏高壓脈沖信號(hào)，該高壓脈沖進(jìn)入線路板經(jīng)電容器耦合后直接進(jìn)入電流型運(yùn)算放大器輸入端，經(jīng)運(yùn)算放大器輸入端與地之間形成放電回路。由于電流型運(yùn)算放大器輸入端阻抗較低，放電時(shí)電流很大，造成運(yùn)算放大器芯片內(nèi)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(yùn)算放大器損壞，因此需要在線路板輸入端增加保護(hù)設(shè)計(jì)。

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(diào)；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(yùn)算放大器；SW1為閉合型開(kāi)關(guān)，用于模擬倍增管自激放電產(chǎn)生高壓脈沖；Rs、ESD為保護(hù)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(shí)放電回路電流，在倍增管陽(yáng)極輸出端與線路板輸入端串接一個(gè)大電阻（Rs為大阻值電阻器，沒(méi)有保護(hù)二極管）。由于大電阻Rs與匹配電阻R5分壓，導(dǎo)致倍增管正常工作時(shí)進(jìn)入運(yùn)算放大器U1同向輸入端3腳的電壓信號(hào)特別小，經(jīng)線路板放大輸出后幅度很小（約幾十毫伏），此時(shí)相當(dāng)于線路板沒(méi)有對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。為了增大輸出電壓幅值就需要提高運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，而電流型運(yùn)放放大倍數(shù)太高會(huì)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(shí)產(chǎn)生的上千伏高壓脈沖鉗位在-15 V以下，從而保護(hù)線路板運(yùn)算放大器。由于瞬態(tài)抑制二極管結(jié)電容較大，相當(dāng)于在二極管兩端并接1個(gè)電容器，倍增管正常工作時(shí)輸出脈沖信號(hào)（信號(hào)幅度很小，脈沖前沿很快），首先對(duì)二極管進(jìn)行充電，進(jìn)入運(yùn)算放大器輸入端脈沖信號(hào)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(hù)二極管（ESD為靜電防護(hù)二極管，RS短路）。靜電防護(hù)二極管同樣具有高壓抑制特性，且二極管結(jié)電容小，不會(huì)使波形失真。但靜電防護(hù)二極管功率較小，很容易造成過(guò)功率損壞，雖然有效保護(hù)了線路板運(yùn)算放大器，但自身卻損壞，閃爍探測(cè)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(shí)陽(yáng)極輸出脈沖電壓只有幾十毫伏，利用快速二極管正向?qū)ㄌ匦裕ù笥?.7 V時(shí)導(dǎo)通）能夠?qū)⒏邏好}沖釋放到大地上，保護(hù)后端電路，但快速二極管結(jié)電容也較大，會(huì)使波形發(fā)生失真。

通過(guò)以上分析可知，光電倍增管陽(yáng)極輸出信號(hào)具有以下特點(diǎn)：（1）負(fù)極性電脈沖信號(hào)；（2）電壓幅度約幾十毫伏；（3）脈沖信號(hào)前沿快（約幾十納秒）。為了適應(yīng)光電倍增管陽(yáng)極輸出信號(hào)特點(diǎn)，不影響倍增管陽(yáng)極輸出信號(hào)特性，要求保護(hù)電路同時(shí)具備以下特點(diǎn)和能力：（1）時(shí)間響應(yīng)速度快；（2）電路結(jié)電容?。唬?）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(hù)電路，當(dāng)光電倍增管自激，陽(yáng)極出現(xiàn)高電壓信號(hào)時(shí)，靜電防護(hù)二極管瞬間擊穿導(dǎo)通，形成放電通道泄放能量，避免高壓信號(hào)進(jìn)入線路板信號(hào)處理電路，從而保護(hù)線路板。高壓脈沖電阻器用于限制保護(hù)回路中電流，增加保護(hù)電路功率，保護(hù)靜電防護(hù)二極管。

1.1.2 電源輸入、輸出端保護(hù)電路設(shè)計(jì)

（1）輸入信號(hào)保護(hù)。電源輸入端保護(hù)電路如圖3所示，主要由雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS、無(wú)極限電容器C、整流二極管D及可恢復(fù)熱敏電阻F1組成，主要功能有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、電壓反接保護(hù)以及對(duì)外輻射保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)是指當(dāng)輸入電壓大于二極管TVS擊穿電壓時(shí)，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(guò)高造成后端元器件損傷。過(guò)流保護(hù)是指當(dāng)線路板內(nèi)部發(fā)生元器件損傷造成輸入電流增大或短路時(shí)，可恢復(fù)熱敏電阻F1發(fā)熱，內(nèi)部膨脹后斷開(kāi)連接，避免長(zhǎng)時(shí)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(fù)正常連接。電壓反接保護(hù)是指輸入端串接二極管D。對(duì)外輻射保護(hù)由可恢復(fù)熱敏電阻F1和電容器C組成RC濾波電路，防止線路板對(duì)外部設(shè)備造成干擾。

圖3 電源輸入端保護(hù)電路

（2）輸出信號(hào)保護(hù)。由于輸出主信號(hào)具有脈沖前沿快（約幾十納秒）、脈沖寬度窄等特點(diǎn)，為了不影響主信號(hào)性能的同時(shí)又能有效保護(hù)線路板，采用結(jié)電容約20 pF的防靜電二極管并接在輸出主信號(hào)兩端對(duì)主信號(hào)端口進(jìn)行保護(hù)，另外選用瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressors，TVS）并接在監(jiān)測(cè)信號(hào)兩端對(duì)監(jiān)測(cè)端口進(jìn)行保護(hù)。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)

閃爍探測(cè)器線路板根據(jù)高壓、低壓的特點(diǎn)分別由獨(dú)立的高壓電路板和低壓電路板兩個(gè)模塊組成，需將高壓、低壓分開(kāi)，避免電磁干擾。其中，高壓電路板主要將高壓模塊、高壓調(diào)節(jié)電阻、π型濾波電路、高壓分壓器等與高壓有關(guān)的分立元器件集成在一起，低壓電路板主要將線路板保護(hù)電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)監(jiān)測(cè)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(zhì)量控制和裝配，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器線路板的模塊化、通用化設(shè)計(jì)，提高了線路板可靠性。

1.3 集中走線及設(shè)計(jì)

采用化分立為整體集中走線設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的電氣連接。分別對(duì)高壓、低壓電路板進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局、布線設(shè)計(jì)，將線路板15個(gè)輸入、輸出信號(hào)及檢測(cè)點(diǎn)按照連接關(guān)系集中在線路板兩邊，采用J63A系列超微型矩形連接器實(shí)現(xiàn)高壓電路板與低壓電路板及探測(cè)器外殼之間的電氣連接。電路板安裝方便，生產(chǎn)可達(dá)性好，且便于信號(hào)監(jiān)測(cè)。

線路板設(shè)計(jì)上采用以下措施提高電磁干擾能力：（1）電源層與信號(hào)層分開(kāi)走線；（2）相鄰兩層垂直走線；（3）線路板內(nèi)部應(yīng)有完整的地平面；（4）信號(hào)線盡量從兩個(gè)完整地平面之間走；（5）與頂層和底層相鄰層應(yīng)為地平面層，使信號(hào)形成最小回路；（6）采用單點(diǎn)接地，避免形成地回路；（7）運(yùn)算放大器輸入端遠(yuǎn)離DC/DC，避免高頻信號(hào)耦合；（8）分區(qū)設(shè)計(jì)，使溫度敏感器件遠(yuǎn)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(guò)以上設(shè)計(jì)成功通過(guò)了環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性試驗(yàn)考核。

2 信號(hào)輸入端保護(hù)電路仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真分析

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

圖4 高壓抑制效果仿真波形

時(shí)間特性仿真是在保護(hù)電路輸入端注入幅值為16 mV，脈沖寬度為3 μs的準(zhǔn)方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)保護(hù)電路和信號(hào)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(hù)電路后，輸出信號(hào)的前后沿未見(jiàn)變緩，輸出波形與注入信號(hào)基本重合，信號(hào)處理電路時(shí)間響應(yīng)基本不變。

圖5 時(shí)間特性仿真波形

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電路原理如圖2所示，模擬光電倍增管自激放電對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行驗(yàn)證，采用高壓模塊、倍增管分壓器、開(kāi)關(guān)等器件組成放電回路，模擬倍增管自激放電，調(diào)節(jié)高壓模塊輸出電壓，對(duì)保護(hù)電路性能進(jìn)行測(cè)試。利用P6015A高壓探頭（變比1000∶1）監(jiān)測(cè)保護(hù)電路輸入、輸出波形，當(dāng)高壓模塊輸出-1600 V時(shí)，圖2中A點(diǎn)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(jìn)入保護(hù)電路，圖2中B點(diǎn)保護(hù)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(hù)電路輸入波形

圖7 模擬自激放電保護(hù)電路輸出波形

實(shí)際工作中，人為的使倍增管自激對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行驗(yàn)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(hào)處理電路工作正常。可見(jiàn)線路板輸入端增加保護(hù)電路能有效地抑制光電倍增管自激時(shí)產(chǎn)生的高壓脈沖，避免高壓脈沖造成線路板損壞，保護(hù)線路板，從而提高探測(cè)器的可靠性。

采用信號(hào)發(fā)生器在線路板輸入端注入負(fù)極線脈沖信號(hào)對(duì)線路板輸出信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行驗(yàn)證，線路板對(duì)負(fù)極性輸入信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)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(hào)前沿和后沿很快，幅值為-28.4 mV，脈沖寬度為1.5 μs。當(dāng)輸入信號(hào)進(jìn)入線路板時(shí)，線路板立即有電壓信號(hào)輸出，輸入輸出波形之間延時(shí)較短，時(shí)間響應(yīng)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(hào)）。因此，保護(hù)電路時(shí)間響應(yīng)特性滿足要求。

圖8 輸入輸出電壓波形

3 結(jié) 論

本文根據(jù)閃爍探測(cè)器的工作原理和實(shí)際使用特點(diǎn)對(duì)閃爍探測(cè)器線路板保護(hù)電路進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，線路板各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與功能均滿足設(shè)計(jì)要求，并取得了以下3個(gè)方面的效果：（1）線路板輸入、輸出端加保護(hù)電路，避免因閃爍探測(cè)器高壓真空器件自激造成線路板損壞，有效地保護(hù)了線路板，提高了閃爍探測(cè)器的可靠性；（2）模塊化設(shè)計(jì)理念，將高壓、低壓分開(kāi)，避免電磁干擾；（3）采用化分立為整體集中走線設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化線路板結(jié)構(gòu)布局、布線，使探測(cè)器模通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)可達(dá)性好、便于裝配和維修，為近一步小型化打下基礎(chǔ)。