用于ADS次臨界反應(yīng)堆Keff測量微電流放大器的設(shè)計(jì)

1、用于ADS次臨界反應(yīng)堆Keff測量微電流放大器的設(shè)計(jì)第28卷第12期2005年12月核技術(shù)NUCLEARTECHNIQUESVo1.28,No.12December20o5用于ADS次臨界反應(yīng)堆ff測量微電流放大器的設(shè)計(jì)于濤史永謙2羅璋琳2歐炳才秦歡1(南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院衡陽421001)2(中國原子能科學(xué)研究院北京102413)摘要設(shè)計(jì)了一種基于噪聲分析方法,利用反應(yīng)堆堆芯中子漲落特性測量加速器驅(qū)動(dòng)潔凈核能系統(tǒng)(Acceleratordrivensystem,ADS)次臨界反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)參數(shù)的微電流放大器,并且根據(jù)需要設(shè)計(jì)了微電流源,運(yùn)用Protel實(shí)時(shí)電路仿真工具對放大器進(jìn)行仿真調(diào)試,使其

2、達(dá)到設(shè)計(jì)要求.關(guān)鍵詞噪聲分析法,加速器驅(qū)動(dòng)潔凈核能系統(tǒng)(ADS),次臨界反應(yīng)堆,微電流放大器中圖分類號TL8,TN72ADS(Acceleratordrivensystem,即加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng))是致力于嬗變放射性核廢物,有效利用核資源及產(chǎn)出核能量的裝置,已被列入"國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目"(973計(jì)劃).該系統(tǒng)包括中能強(qiáng)流質(zhì)子加速器,外源中子產(chǎn)生器和次臨界堆.噪聲分析法【2,3】測量反應(yīng)堆次臨界的ff,就是把電離室輸出的直流電流上的電流起伏分離出來,再進(jìn)行頻譜分析,由頻譜與ff的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆的在線監(jiān)測和控制.研究表明,ADS系統(tǒng)電離室出來的信號頻率是100Hz

3、到10Hz其至更低,且從次臨界反應(yīng)堆堆芯測量電離室出來的電流為1O_=luA的微弱噪聲信號.在實(shí)驗(yàn)室條件下對1OL1o.nA低頻微弱噪聲信號進(jìn)行放大,從設(shè)計(jì)與調(diào)試上有相當(dāng)?shù)睦щy,所以我們使用現(xiàn)有的成熟電路設(shè)計(jì)軟件Protel設(shè)計(jì)了用于微電流放大器的微電流源,并利用其對微電流放大器的功能進(jìn)行了仿真調(diào)試.1反應(yīng)堆核噪聲分析對微電流放大器的要求堆噪聲分析,首先要將堆內(nèi)中子信號轉(zhuǎn)換為電信號,然后再進(jìn)行分析處理,.通過探測器中產(chǎn)生的(n,a)或(n,f)等核反應(yīng),由a粒子或裂變碎片電離探測器內(nèi)的氣體收集帶電離子,給出平均直流電流(或電壓),在平均直流上分析其信號.堆內(nèi)中子噪聲信號很微弱,如果外來噪聲信號

4、進(jìn)入測量系統(tǒng),將干擾被測量的噪聲.因此注意屏蔽,防止電干擾是很重要的.有時(shí)為了提高測量系統(tǒng)的抗干擾能力,要讓信號先經(jīng)過放大器放大,再由長電纜(501o0m)輸送到記錄系統(tǒng).整個(gè)信號采集分析系統(tǒng)(包括探頭,電纜,放大器和記錄分析儀)都有頻率響應(yīng)問題.對一座次臨界實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆進(jìn)行核噪聲分析時(shí),分析的頻率范圍由測量目的所決定.如對瞬發(fā)中子特性有興趣,就分析高頻;如對緩發(fā)中子特性有興趣就分析低頻.整個(gè)核噪聲分析的頻率范圍可由傳遞函數(shù)估計(jì).以用鈾.235為燃料的輕水慢化零功率堆為例,傳遞函數(shù)有7個(gè)時(shí)間常數(shù),1個(gè)是瞬發(fā)中子,6個(gè)是緩發(fā)中子先行核衰變時(shí)間常數(shù),_=1,2,3,4,5,6,其中最小值=0.012

5、s,6組的平均值=0.077s.設(shè)=10s,緩發(fā)臨界時(shí)瞬發(fā)中子時(shí)間常數(shù)=A(/1:中子代時(shí)間;.:緩發(fā)中子份額),則核噪聲分析的頻率范圍._l廠2可以估計(jì)出:蘭t00s,2砉蘭.oo2S-l-般說,整個(gè)測量分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性應(yīng)該在隨機(jī)中子場中(例如反應(yīng)堆熱中子場中)或用強(qiáng)丫源進(jìn)行模擬測定.核噪聲分析所涉及的僅僅是低頻問題,儀器的頻率響應(yīng)特性要求容易滿足.且根據(jù)973項(xiàng)目組2003年會討論結(jié)果,ADS系統(tǒng)電離室出來的信號頻國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的研究內(nèi)容之一,課題號G1999022602第一作者:于濤,男,1972年出生,2005年于中國原子能科學(xué)研究院核能科學(xué)與工程專業(yè)獲得博士學(xué)位,哥4教授

6、收稿日期:2004-12.17,修回日期:2005-05-09核技術(shù)第28卷率是100Hz到10Hz其至更低.所以要對對10一10A低頻微弱噪聲信號進(jìn)行放大.2放大器電路設(shè)計(jì)由于電離室里輸出的是平均電流,是幅值信息,所以用電荷靈敏形式的放大電路,其典型接法4如圖1所示,改進(jìn)后如圖2所示.理論上廝越大,放大倍數(shù)越大,上升時(shí)間也由島,決定.但如果廝是高阻的話,將產(chǎn)生較大的對地的分布電容,這樣將會影響電路的上升時(shí)間.有資料表明4】:在高靈敏度時(shí)常用10Q高阻,這時(shí)lpf的分布電容就可以造成3s的上升時(shí)間.所以為了避免用高阻,又要確保較大的放大倍數(shù)和響應(yīng)速度,要對電路進(jìn)行改進(jìn).提高響應(yīng)速度的方法是引入

7、反饋.另外,T型網(wǎng)絡(luò)可使較小的反饋電阻獲得較高的靈敏度】.同時(shí),由于盛的存在可消除放大器輸入端電容對電路的影響.所以在設(shè)計(jì)中,前級放大采用這樣的電路.這時(shí)的輸入輸出關(guān)系為(當(dāng)放大倍數(shù)A與頻率無關(guān)時(shí)):酬圖2改進(jìn)后的典型電路Fig.2Reformedtypicalcurrentamplifier圖3LMC6001低頻微電流放大調(diào)試電路(1)Fig?3Lowfrequencymicro.currentamplifierbyLMC6001本設(shè)計(jì)中,島取10Q,l取1kQ,R2取10.Q,這樣,前級放大倍數(shù)有10m量級.再加上后級電路,即可對信號進(jìn)行有效的放大.總的電路如圖3所示.本電路的前級放大芯片

8、LMC6001和后級放大芯片CA3140之間采用電容耦合,cl為隔直電容.通過5來調(diào)節(jié)CA3140部分的放大倍數(shù),6為調(diào)零電阻器,a,G,Clo均為濾波電容.總的傳輸關(guān)系為:(一+×憊圖1電流放大器典型電路Fig.1Atypicalcurrentamplifier3微電流源設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)好之后,如何去驗(yàn)證它是否符合我們的設(shè)計(jì)要求,這是一個(gè)難點(diǎn),也是重點(diǎn)所在.因?yàn)槌穗婋x室一般電流發(fā)生器不可能產(chǎn)生1曠H一10A這么小的電流,所以要開發(fā)一個(gè)微電流放大器產(chǎn)生器,其基本思想是電壓轉(zhuǎn)換成電流,設(shè)計(jì)原理見圖4.傳輸特性為:Io=Ul/Ro(Rl;R23=R4).理論上,一定時(shí),只要足夠大,就可獲得

9、很小的電流.但太大也是不切實(shí)際的.要取得10',10A的電流,還得降低上的壓降U1.所以電路改進(jìn)如圖5所示.&圖4微電流源基本設(shè)計(jì)Fig.4Basicdesignofamicrocurrentsource第12期于濤等:用于ADS次I臨界反應(yīng)堆測量微電流放大器的設(shè)計(jì)圖5改進(jìn)微電流源電路Fig.5Reformeddesignofamicro?current當(dāng)在電路的輸入端輸入±1V的正弦波時(shí),輸出電容上的電流為±1pA的正弦波;當(dāng)輸入為±O.1V的正弦波時(shí),輸出為±O.1pA的正弦波;頻率即為輸入脈沖的頻率,測得電路的通頻帶為O.1

10、到1200Hz.4erotel61聯(lián)合仿真調(diào)試運(yùn)行結(jié)果將所設(shè)計(jì)的微電流放大器與所設(shè)計(jì)的專用微電流源聯(lián)合仿真調(diào)試電路圖如圖6所示.4.1電路放大倍數(shù)的測量輸入1OpA,25Hz的信號測電路的放大倍數(shù),輸出電壓峰值V=19.4/2V=9.7V,故放大倍數(shù)A=(V/R)/I=(9.7+1)+10pA=9.7×10¨(倍).4.2參數(shù)測量分別取頻率為O.83,1.6,10,25,135,198Hz對電路進(jìn)行仿真.其結(jié)果如表1所示.可知通頻帶為1.6_-135Hz,如圖7所示.圖6Protrl聯(lián)合仿真調(diào)試電路圖Fig.6FinalcircuitdiagramdebuggedbyPro

11、teltool表1電路參數(shù)測量結(jié)果Table1Measureofparametersoftheelectroniccircuit950核技術(shù)第28卷5結(jié)論fHz圖7放大器的頻率響應(yīng)Fig.7Frequencyresponsecurve23(1)我們成功地設(shè)計(jì)了微電流放大器的微電流.源,通過仿真調(diào)試取得了較好的效果;(2)對微電流放大器的通頻帶進(jìn)行了修改,通過仿真調(diào)試取得了較好的效果;(3)從調(diào)試的結(jié)果來看,所設(shè)計(jì)的放大器能對反應(yīng)堆內(nèi)電離室中子統(tǒng)計(jì)漲落所產(chǎn)生的.噪聲信號進(jìn)行獲取與放大,并且時(shí)間響應(yīng)為毫秒量級;(4)對于相當(dāng)?shù)偷碾娏鞯姆糯?因?qū)嶒?yàn)條件所限,目前有相當(dāng)大的困難.下一步是在實(shí)驗(yàn)室條件下

12、克服困難,進(jìn)行真實(shí)的測量研究.參考文獻(xiàn)61丁大釗.未來核能利用的方案探討加速器驅(qū)動(dòng)放射性潔凈核能系統(tǒng).加速器驅(qū)動(dòng)放射性潔凈核能系統(tǒng)概念研究文集.北京:原子能出版社,2000.327DINGDazhao.ANewOptionforExploitageofFutureNuclearEnergAcceleratorDrivenRadioactiveClearNuclearPowerSystem.Beijing:AtomicEnergyPress.2oo0.327胡大璞,鄭福裕.核反應(yīng)堆物理實(shí)驗(yàn)方法.北京:原子能出版社,1988,221296HUDapu,ZHENGFuyu.NclearReactor

13、PhysicsExperimentMethod.Beijing:AtomicEnergyPress.1988.221_296MufiozCohosJL,PerezR,Valentineeta1.AStochasticTransportTheoryofNeutronPhotonCoupledFields:NeutronandPhotonCountingStatisticsinNuclearAssemblies,2000,AnnalsofNuclearEnergy2710871114于濤,史永謙,羅璋琳,等.核電子學(xué)與探測技術(shù),2003,23(6):529531YUTao,SHIYongqian,

14、LUOZhanglin,eta1.NuclearElectronics&DetectionTechnology,2003,23(6):529-531童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第3版.北京:高教出版社,2001.351355TONGShibai.FundamentalsofAnalogueElectronicTechnology.3ed.Beijing:HigherEducationPress.2001.351355謝淑如,鄭光欽,楊渝生.ProtelPCB99SE電路板設(shè)計(jì)第3版.北京:清華大學(xué)出版社.2002.275342XIEShuru,ZHENGGuangqin,YANG

15、Yusheng.ProtelPCB99SECircuitDesign.3ed.Beijing:TsinghuaUniversityPress.2002.275-342Arapidmicro-currentamplifierusedtomeasuretheffofthesub-criticalreactorofacceleratordrivensystemYUTaoSHIYongqianLUOZhangfinOUBingcaiQINHuanl(SchoolofNuclearScienceandTechnology,NanhuaUniversity,Hengyang42jo0j.China)2(ChinaInstituteAr0,ljcEnergy,BeOing102413,China)AbstractInthispaperarapidmicro?currentamplifierusedtomeasurethegarofthesub?criticalreactorofacceleratordrivensystem(ADS)wasintroduced,whichiSbasedonthenoiseanalysismethodusedinthestoch