馬瑞剛 崔保群 馬鷹俊 黃青華 唐 兵 陳立華

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

在線同位素分離器(Beijing Radioactive Isotope Separator Online, BRISOL)是中國(guó)原子能科學(xué)研究院串列升級(jí)工程項(xiàng)目，該裝置具有高質(zhì)量分辨率，能夠提供一百余種能量在0.5?15 MeV·C?1、強(qiáng)度在106?1011Particles·s?1的放射性核束。BRISOL 束測(cè)裝置中拾取的信號(hào)是在10?13?10?4A內(nèi)的電流信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的強(qiáng)電磁干擾、地線干擾會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。弱電流放大器可以解決這些問(wèn)題[1]。BRISOL束測(cè)裝置具有使用弱電流放大器數(shù)量眾多（達(dá)80多臺(tái)）、分布范圍零散的特點(diǎn)，國(guó)外產(chǎn)品測(cè)量精度高，但性價(jià)比差；國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品少，且在噪聲水平、測(cè)量精度、最小量程、外型尺寸等方面無(wú)法滿足BRISOL束測(cè)裝置的需求。根據(jù)BRISOL束測(cè)裝置的特點(diǎn)，研制滿足要求的弱電流放大器，構(gòu)成BRISOL束測(cè)裝置中弱電流測(cè)量系統(tǒng)。

1 弱電流測(cè)量系統(tǒng)組成

因BRISOL在調(diào)試束流時(shí)，需要在束流線的不同位置監(jiān)測(cè)束流，所以F筒和四分板安裝到束線的關(guān)鍵位置，并在束線的特定位置放置發(fā)射度儀和束流剖面掃描儀測(cè)量束流的指標(biāo)。該設(shè)備的束流測(cè)量裝置組成如圖1所示。F筒和四分板拾取的是慢變化弱電流信號(hào)，頻率小于10 Hz；發(fā)射度儀、束流剖面掃描儀拾取的是快變化弱電流信號(hào)，頻率小于1 kHz。束測(cè)裝置分布在靶源段、第一分析段、轉(zhuǎn)換段、主分析段、爬升段和低能核素廳，靶源段和第一分析段有很強(qiáng)的放射性且處于高壓區(qū)域，因此電氣設(shè)備都集中放置到電源間的高壓平臺(tái)內(nèi)。地電位的束測(cè)裝置按照束流線走向分散安裝，放大器的輸出信號(hào)在PLC組成的控制系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 在線同位素分離器弱電流測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of weak current measurement system in BRISOL.

2 弱電流測(cè)量難點(diǎn)

在實(shí)際測(cè)量電流時(shí)(圖2)，電流表有輸入阻抗，電流源有輸出阻抗，電流表測(cè)量的電流是Ia=IsRs/(Rs+Ra)?？梢?jiàn)，電流表的輸入阻抗和電流源的輸出阻抗都會(huì)造成測(cè)量的誤差，連接電纜產(chǎn)生的低水平電流噪聲影響測(cè)量靈敏度。連接電纜能俘獲外部電流噪聲，連接電纜具有寄生電容，這些因素都會(huì)影響電流測(cè)量的準(zhǔn)確性[2]。因此，弱電流放大器可以解決上述問(wèn)題。

圖2 電流測(cè)量圖Fig.2 Current measurement principle diagram.

3 設(shè)計(jì)要求和方案選擇

3.1 設(shè)計(jì)要求

電流放大器的測(cè)量范圍是0.1 pA?100 μA，頻率DC?1 kHz，穩(wěn)定度為<0.01%/8 h，抗干擾能力，可靠性高。

輸入端設(shè)計(jì)保護(hù)線路，防止放大器出現(xiàn)故障時(shí)，加速器幾百千伏高壓進(jìn)入放大器造成二次損壞；在高壓區(qū)域，高壓打火產(chǎn)生的浪涌脈沖很容易造成放大器損壞，必須采取措施保證放大器穩(wěn)定可靠工作；加速器裝置束流線比較長(zhǎng)的特點(diǎn)要求電流放大器設(shè)計(jì)必須尺寸小，便于維護(hù)和集成安裝，以上諸多的因素都會(huì)增加電流放大器的設(shè)計(jì)難度。

3.2 方案選擇

常見(jiàn)的弱電流測(cè)量方法有電流-電壓測(cè)量和電流-頻率測(cè)量。電流-電壓測(cè)量方法可分為對(duì)數(shù)放大測(cè)量、積分測(cè)量和跨導(dǎo)放大測(cè)量。對(duì)數(shù)放大電路由放大器和晶體管構(gòu)成的反饋網(wǎng)路組成，具有動(dòng)態(tài)范圍寬，省去了量程切換電路，但被測(cè)信號(hào)的帶寬范圍窄，晶體管的特性限制了電流測(cè)量的下限。積分電路由放大器和反饋網(wǎng)路中的積分電容構(gòu)成，它的輸出電壓是某段時(shí)間內(nèi)積分的平均值，因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，但具有精度高和零點(diǎn)漂移小等優(yōu)勢(shì)。I/F放大器是通過(guò)對(duì)積分放大器的充放回路改進(jìn)構(gòu)成，具有積分電路的優(yōu)點(diǎn)，頻率信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸且抗干擾能力強(qiáng)，但通常由分立元件組成，穩(wěn)定性差且電路復(fù)雜?？鐚?dǎo)放大器具有響應(yīng)速度快、量程范圍可調(diào)等特點(diǎn)，通過(guò)合理選擇運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)完善的電路，采取嚴(yán)格的制作工藝，其零點(diǎn)漂移、輸入阻抗均能滿足要求。

跨導(dǎo)式放大電路通常有分流式放大電路和反饋式放大電路，如圖3所示。反饋式放大電路具有低的輸入阻抗和更低的輸出電壓偏差[3]。通過(guò)比較，設(shè)計(jì)的電流前置放大器基本構(gòu)成如圖4所示，包括保護(hù)電路、電流-電壓變換電路、二階低通濾波電路和射極跟隨電路組成。輸入采用二級(jí)保護(hù)線路，防止放大器輸入過(guò)流損壞和高壓進(jìn)入放大器。解決浪涌脈沖干擾的方法是在電流放大器的供電線路加裝瞬變抑制二級(jí)管，保證放大器的可靠性。使用繼電器組成的量程切換電路提高了電流放大器的測(cè)量范圍。反饋式放大電路實(shí)現(xiàn)I/V變換和濾波功能，二階低通濾波器提高了信噪比，末端射極跟隨器電路提高了弱電流放大器的輸出驅(qū)動(dòng)能力且增加短路保護(hù)功能。

圖3 跨導(dǎo)式放大電路Fig.3 Transconductance amplifier.

圖4 電流前置放大器原理框圖Fig.4 Current amplifier block diagram.

4 外界噪聲對(duì)放大器的影響

外界的電磁干擾、測(cè)量線之間的摩擦、地環(huán)干擾、污染（例如潮濕、灰塵等）可以降低絕緣體的絕緣電阻、漏電流、靜電耦合、壓電影響，上述這些都會(huì)影響測(cè)量的靈敏度，因此在低水平測(cè)量時(shí)，建議設(shè)計(jì)滿足我們應(yīng)用要求的小帶寬跨導(dǎo)放大器。

4.1 電磁干擾

由于從外部干擾源發(fā)射電磁輻射，EMI對(duì)電路產(chǎn)生了不希望的干擾。大多數(shù)EMI噪聲是電力線產(chǎn)生，可以通過(guò)限制低水平電流測(cè)量的帶寬，采用屏蔽措施解決EMI干擾，屏蔽效率要求是100%。

4.2 摩擦電

摩擦電效應(yīng)是由于導(dǎo)體和絕緣體發(fā)生摩擦，導(dǎo)線產(chǎn)生電荷。使用低噪聲同軸線且電流放大器遠(yuǎn)離振動(dòng)源可以減少這種影響。

4.3 污染

污染產(chǎn)生電化學(xué)效應(yīng)。如果出現(xiàn)，離子化學(xué)在兩導(dǎo)體間產(chǎn)生弱電池效益。污染（例如潮濕、灰塵等）可以降低絕緣體的絕緣電阻，它會(huì)影響低水平電流測(cè)量。通過(guò)清潔線路板、減少潮濕等措施減少污染的影響。

5 線路設(shè)計(jì)和集成

由于測(cè)量信號(hào)通路與其附近的電壓源間的寄生電阻造成了漏電流，此電流易引起零點(diǎn)漂移。采用專用電路設(shè)計(jì)軟件繪制弱電流放大器電路，通過(guò)PLC控制實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)校準(zhǔn)和放大器刻度，省去了復(fù)雜的硬件調(diào)零電路，這是此放大器特色之一。通過(guò)對(duì)I/V變換放大電路的輸入采用保護(hù)線接地設(shè)計(jì)、接地大面積覆銅、采用高質(zhì)量的絕緣材料等措施，提高放大器的抗干擾能力和測(cè)量精度[4]。為了縮小放大器尺寸，95%以上的器件選擇了高頻特性好的貼片元件，減小了器件間的電磁和射頻干擾，I/V放大器選用具有高輸入阻抗，低漏電流和輸出電壓偏移小和噪聲低的貼片封裝集成放大器，量程切換電路使用具有極高的絕緣電阻(>1014?)的常開(kāi)觸點(diǎn)(Normally open contact, NO)貼封繼電器實(shí)現(xiàn)放大增益變換。反饋網(wǎng)路中的電阻選用低溫漂(<10?4)，精度好于 1%的高阻值電阻，濾波電容選擇溫度系數(shù)極高的NPO貼片電容。

放大器采用模塊化的設(shè)計(jì)，放大器控制箱可以控制10個(gè)模塊，其優(yōu)點(diǎn)是便于維護(hù)，適合分布式放置。電流放大電路集成到鋁合金屏蔽盒內(nèi)，放大器輸入使用高質(zhì)量絕緣材料的 BNC連接器，電流放大器的直流供電、量程轉(zhuǎn)換和電流輸出信號(hào)選用屏蔽性非常好的LEMO多芯連接器。選用低紋波高穩(wěn)定度的線性電源保證放大器的精度，使用低噪聲屏蔽同軸線可以消除分布電容和振動(dòng)等因素造成的測(cè)量誤差，采用上述措施保證了放大器的抗干擾能力和測(cè)量精度[5]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求靈活配置弱電流放大器，例如：4路快放、4路慢放以及快慢放大器分別集成到一起，控制箱用于放大器的供電和量程切換。放大器的輸出和量程切換連接到可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，由PLC完成弱電流放大器的控制和顯示，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程、手動(dòng)量程、零點(diǎn)校準(zhǔn)、電流顯示等任務(wù)。弱電流放大器使用KEITHLEY 261 PICOAMPERE SOURCE和PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，且在惡劣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

6 放大器技術(shù)指標(biāo)

量程：1 nA，10 nA，100 nA，1 μA，10 μA，100 μA；輸出電壓：各量程輸出電壓0?10 V（滿量程）；帶寬：慢放大器 DC?10 Hz、快放大器DC?1kHz。

分辨率和零點(diǎn)偏移。從表1可知，1 nA量程的偏移為 0.2%，其余量程的偏移不高于 0.3‰。圖5是在1 nA量程時(shí)，環(huán)境溫度變化3 °C，輸出零點(diǎn)7h溫漂是0.7 mV，對(duì)應(yīng)的電流溫漂是0.07 pA，滿足束測(cè)裝置的測(cè)量要求。

表1 分辨率和零點(diǎn)偏移Table 1 Resolution and DC offset.

圖5 電流放大器溫漂圖Fig.5 Current amplifier temperature drift diagram.

7 討論

在線同位素分離器束測(cè)裝置已經(jīng)使用弱電流放大器，可以測(cè)量0.1 pA最小流強(qiáng)。在加速器離子源打火放電時(shí)，它能夠穩(wěn)定可靠地工作，充分證明在設(shè)計(jì)時(shí)加入的各種保護(hù)措施的有效性。

該放大器是根據(jù)加速器固有特征（例如：束流線長(zhǎng)、強(qiáng)電磁干擾等）進(jìn)行設(shè)計(jì)的，測(cè)量的準(zhǔn)確性和最小分辨率已經(jīng)達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，它的價(jià)格僅是國(guó)外產(chǎn)品的1/10，其尺寸比較緊湊，32路放大器的占用空間僅有國(guó)外4臺(tái)放大器的尺寸，模塊化的設(shè)計(jì)便于維護(hù)。

弱電流放大器的零點(diǎn)隨環(huán)境溫度產(chǎn)生漂移，如果內(nèi)部采取恒溫措施，控制系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換精度更高，放大器可以最低測(cè)量到0.01 pA，這些需要完善和改進(jìn)。

8 結(jié)語(yǔ)

在線同位素分離器裝置已成功使用該弱電流測(cè)量系統(tǒng)，在束流調(diào)試和束流參數(shù)測(cè)量方面帶來(lái)極大的方便，它具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高、便于集成、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在加速器領(lǐng)域值得推廣和采用。

1 Keithley J F. Low level measurements handbookprecision DC current measurements[M]. 6thedition.Keithley Instruments Inc, 2004: 139?155

2 李巖, 宋常青, 候躍新, 等. 提高微弱電流放大器性能的方法[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2007, 27(5): 978?981 LI Yan, SONG Changqing, HOU Yuexin,et al. Methods of improving performance of weak current integrated amplifier[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology,2007, 27(5): 978?981

3 林偉, 付昌偉. nA級(jí)電流檢測(cè)電路和抗干擾技術(shù)研究[J]. 微納電子技術(shù), 2008, 45(7): 419?422 LI Wei, FU Changwei. Research on nA level current measuring circuit and anti-jamming technology[J].Micronanoelectronic Technology, 2008, 45(7): 419?422

4 王晶, 李斌康, 阮林波, 等. 微弱電流高精度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2012, 24(8): 1975?1979 WANG Jing, LI Binkang, RUAN Linbo,et al. Automatic weak-current measurement system with high precision[J].High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(8):1975?1979

5 倪寧, 肖雪夫, 葛良全, 等. 微電流的I-V變換測(cè)量方法研究[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2013, 33(6): 665?669 NI Ning, XIAO Xuefu, GE Liangquan,et al. The Research onI-Vconvertor for low-level current measurement[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2013, 33(6): 665?669