張勝1,2 趙金龍1 胡立群1 陳曄斌1 盛秀麗1

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ITER軟X射線檢測系統(tǒng)及其電磁兼容設(shè)計

張勝趙金龍胡立群陳曄斌盛秀麗

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031） 2（中國科學技術(shù)大學 合肥 230026）

國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆是世界上在建的最大的磁約束聚變裝置托克馬克裝置，通過對其中軟X射線的測量，可實現(xiàn)等離子體輻射對鋸齒、色骨模等磁流體現(xiàn)象的物理研究和成像反演。軟X射線診斷系統(tǒng)就是用來檢測軟X射線的設(shè)備。由于熱核聚變時惡劣電磁環(huán)境及遠距離傳輸，在設(shè)計信號檢測系統(tǒng)時必須進行電磁兼容設(shè)計，以降低系統(tǒng)噪聲、提高檢測精度。本文中使用的檢測電路采用差分結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，重點研究檢測電路的實現(xiàn)及其電磁兼容設(shè)計。從電磁抗干擾的三要素出發(fā)，結(jié)合實驗測試，針對電磁干擾的特殊性，討論了濾波電路設(shè)計、印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)走線、電磁屏蔽及信號接地在系統(tǒng)中實現(xiàn)。本文采用32通道板卡集成設(shè)計；信號增益提高至10V?A；放大器帶寬達到120 kHz。通過測試結(jié)果可以看出，信號噪聲降至8 mV。通過優(yōu)化設(shè)計提高了檢測電路的集成度和放大電路的增益及帶寬，同時降低了檢測電路的噪聲。

軟X射線檢測，電磁兼容，低通濾波器，PCB抗干擾

國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)是由7個國家和地區(qū)（中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度）共同合作的國際項目，它是目前國際上在建的最大環(huán)形磁約束核聚變裝置。其目的是驗證磁約束聚變裝置商業(yè)化的可行性。軟X射線診斷系統(tǒng)是托卡馬克裝置上必不可少的診斷系統(tǒng)，通過對軟X射線的測量，可實現(xiàn)等離子體輻射對鋸齒、色骨模等磁流體(Magnetic Hydrodynamics, MHD)現(xiàn)象的物理研究和成像反演。檢測軟X射線一般使用光電二極管陣列，實現(xiàn)光-電信號轉(zhuǎn)換。根據(jù)ITER檢測X射線的要求，探測器輸出的電流信號最小為nA級信號，因此放大器的設(shè)計難度很大。由于核輻射屏蔽造成探測器和放大器間的距離長達15 m，前放輸出的信號到采集有20多米，信號在大距離傳輸很容易受到電磁干擾，造成畸變。

目前先進超導托卡馬克實驗裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)中的軟X射線診斷系統(tǒng)放大電路參數(shù)為：增益10V?A；帶寬100 kHz；噪聲10 mV。但對于nA級信號，就很難從噪聲中提取出來；并且系統(tǒng)以核儀器插件標準(Nuclear Instrument Module, NIM)機箱為載體，每塊電路板集成9道信號檢測電路，集成度低，信號傳輸容易受到干擾，不利于系統(tǒng)電磁防護，很難滿足ITER檢測的需求。本方案設(shè)計的目的在于提高電路增益10V?A的同時提高系統(tǒng)集成度。由于ITER的電磁環(huán)境復雜，如何提高電路的抗干擾能力、降低噪音是本設(shè)計的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟X射線診斷系統(tǒng)采用PIN (Positive Intrinsic Negative)光電二極管的Centronic 5T系列探測器，該探測器由35個光電二極管組成，將接收到的X光轉(zhuǎn)換成電流信號，再通過屏蔽電纜送至放大電路。由于ITER要求待采樣的軟X射線能量段很低，造成探測器產(chǎn)生的電流很弱，而系統(tǒng)又處于復雜的電磁環(huán)境中，為了便于信號采集與傳輸，需將電流信號放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 軟X射線檢測系統(tǒng)框圖

2 電路方案

2.1 探測器性能分析

探測器的特性對小信號的檢測是很重要的。噪聲是探測器的一個重要參數(shù)，主要有兩種形式：

1)暗電流的散粒噪聲，是由于光子到達統(tǒng)計率不確定性造成的，其大小可以用式(1)表示：

式中：為均方根(Root Mean Square, RMS)噪聲電流；是電子充電；為光電二極管產(chǎn)生的電流信號；是測量噪聲的帶寬。

2) 噪音就是約翰遜噪，是光電二極管工作時由于內(nèi)阻而產(chǎn)生的熱噪音，其大小可以用式(2)表示：

2.2 偏壓對光電二極管的影響

光電二極管的偏壓對探測器本身的影響比較大，主要表現(xiàn)為兩個方面：1) 適當?shù)钠珘嚎梢越档投O管的結(jié)電容，提高其響應(yīng)速度；2) 偏壓會造成二極管的暗電流增大，從而影響信號的真實性。

本設(shè)計中選用的探測器陣列是由Centronic公司的大面積的探測器。由35個光電二極管組成，其面積為12 mm×2 mm。在實驗室對探測的暗電流進行了間接測試，測試中選用的放大器增益為10V?A，采用32路集成的放大電路，光源為Mini-X X-ray Tube。分別測試了偏壓為0 V、2 V、3V時不同通道的放大器輸出電壓，其結(jié)果如圖2所示。通過測試結(jié)果看出，不加偏壓時各通道一致性很好，但是響應(yīng)度低；加3 V偏壓時，由于暗電流增大，造成不同通道之間的檢測差異增大；加2 V偏壓時，除個別通道外其他通道的一致性變化不大，響應(yīng)速度提高。在使用前需要進行偏壓測試，偏差比較大的通道應(yīng)避免使用，防止檢測的數(shù)據(jù)失真。因此在系統(tǒng)設(shè)計時取2 V偏壓。

圖2 不同偏壓下前放信號輸出電壓

2.3 信號放大電路設(shè)計

在對比電阻取樣電流放大器、跨阻型電流放大器、差分電流放大器等方案的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)采用改進的差分電流放大器方案。其電路框圖如圖3所示。該方案克服了共陰（陽）極探測器接法時負端信號均分弊端的同時，又能很好地抑制共模干擾。電路的增益可以通過電阻調(diào)節(jié)，對電路進行相位補償，同時也能調(diào)節(jié)放大電路帶寬。

圖3 I-V差分放大電路

3 電磁兼容設(shè)計

軟X診斷在ITER環(huán)境下工作，其電磁環(huán)境復雜。因此在設(shè)計時必須考慮電路電磁防護。電磁防護主要包括兩個方面：一是電磁屏蔽；二是電路抗干擾設(shè)計。本系統(tǒng)設(shè)計中，主要通過干擾濾波、印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)布線、屏蔽、接地等方式對系統(tǒng)進行電磁防護設(shè)計。

3.1 濾波

3.1.1 電源電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)濾波器

由于核屏蔽層造成ITER診斷系統(tǒng)放置較遠，探測器供電電源由前級放大器機箱遠程供給；在終端進行直流-直流(Direct current, DC-DC)穩(wěn)壓濾波。由于電源線傳輸距離遠，電磁干擾很容易傳入設(shè)備。為提高電源質(zhì)量，采用如圖4所示噪聲濾波電路。

圖4 EMI電源濾波器

圖4中和是共模扼流圈，抑制共模噪聲；和是用來抑制差模干擾的三端電容器；、、、是抑制差模干擾的鐵氧體磁珠；()和()兩個諧振頻率不同的電容并聯(lián)，一方面在降低電源網(wǎng)絡(luò)噪聲，另一方面抑制負載變化引起的電壓波動。

濾波電路元器件的選型要綜合考慮電源噪聲的頻譜特性。共模扼流圈選的是BNX025H01，其插入損耗在50 kHz?1 GHz內(nèi)最小35 dB，能很好地抑制差模干擾。鐵氧體磁珠BLM21PG331SN1主要用來電流濾波，抑制高頻干擾。

在實驗室中搭建了測試電路，來檢測改善后電路的性能。圖5(a)為電源在濾波前測得的噪聲的幅值及噪聲的頻譜，圖5(b)為加入電源濾波器后電源的噪聲及頻譜分布。在濾波前，電源噪聲幅值達到了50 mV，噪聲頻譜主要分布在8?16 MHz；經(jīng)過濾波器濾波使電源噪聲降到5 mV左右。經(jīng)過實驗測試對比，濾波效果還是比較顯著的。

3.1.2 信號濾波

ITER電磁環(huán)境復雜，為了降低噪聲，需對信號進行濾波。由于無源濾波器件容易受負載的影響，并且前放的輸出信號為差分信號，傳輸距離遠。故采用全差分有源濾波器，電路如圖 6所示。

圖5 EMI濾波前(a)和濾波后(b)電源噪聲

圖6 全差分有源濾波器

其傳遞函數(shù)為：

(4)

(5)

式中：為濾波器通帶增益；為截止頻率；為頻率比例因子；為品質(zhì)因數(shù)。

由于本系統(tǒng)待檢測信號的頻率低于100 kHz，在設(shè)計濾波器時，其截止頻率設(shè)為200 kHz。通過理論計算并借助仿真軟件(Cadence)，設(shè)定濾波器的帶寬=100 kHz、=2、=0.86。為了得到電路的幅頻特性曲線，使用Cadence進行仿真，得到了放大器輸出信號的幅頻特性曲線（圖7）。由仿真結(jié)果可以看出，放大器的帶寬為120 kHz。

圖7 放大器帶寬

圖8為放大器輸出經(jīng)濾波前后的對比測試，探測器處于密閉暗盒中，可以近似認為放大器輸出為噪聲信號。探測器與前放用20 m長的屏蔽雙絞線連接。圖8(a)為濾波前的噪聲信號及其頻譜分布，幅值約為15 mV，有很多高頻干擾；圖8(b)為濾波后的噪聲信號及其頻譜分布，幅值在8 mV左右。通過輸出信號的頻譜特性可以看出100 kHz以上噪聲明顯被抑制。

3.2 PCB電磁兼容設(shè)計

3.2.1 旁路、去耦和儲能

旁路電容的作用是產(chǎn)生一個交流分路，從而吸收高頻分量，降低器件的EMI分量。去耦電容主要是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關(guān)噪聲在板上的傳播并抑制噪聲對其他芯片的干擾。去耦電容距離芯片引腳越近，其補充電流的環(huán)路面積就越小，則電路輻射就會很小。因此每個集成電路的電源引腳旁都需要加一個0.1 μF的去耦電容。儲能電容可為芯片提供所需要的電能，并且將電流變化局限在較小回路內(nèi)，從而減小輻射。在PCB布線時，應(yīng)遵循流經(jīng)、順序、就近、共地原則。

圖8 濾波前(a)和濾波后(b)信號噪聲

3.2.2 PCB抗干擾設(shè)計

在PCB設(shè)計中，使用PXI (PCI extensions for Instrumentation)機箱對放大電路進行集成，每塊板集成32道信號，提高了系統(tǒng)的集成度。由于電路板的高度集成，器件集成密度大，為了降低電路的射頻發(fā)射、提高系統(tǒng)的性能、控制信號線阻抗、減小接地阻抗，該電路采用8層板設(shè)計：4個信號層、兩個地層、兩個電源層。板層設(shè)置如圖9所示，2層、3層主要走電流信號，1層、4層走高電壓信號。PCB布線時通過蛇形線控制差分信號線，使其阻抗相等。

圖9 PCB板層設(shè)置

3.2.3 放大器輸入保護

為了保證-轉(zhuǎn)換精度，必須選擇低偏置電流的運放，為了充分利用這些器件，需要注意布線和電路的裝配，特別是PCB板上的漏電流。在信號輸入管腳采用環(huán)繞輸入保護環(huán)可以顯著削弱漏電流的影響，同時也可以屏蔽干擾。

3.3 屏蔽、接地

屏蔽和接地是抑制電磁干擾的有效措施。要取得良好的效果，必須將屏蔽體合理接地。

1) 屏蔽是利用屏蔽體阻止或衰減電磁波的傳輸，是抑制輻射干擾的有效辦法。為了滿足電磁兼容要求，需選用導電性能良好、高磁導率的材料。在診斷系統(tǒng)中，各個模塊比較分散，要想實現(xiàn)啞鈴模式屏蔽不太現(xiàn)實。只能通過分段屏蔽，對探測器、信號傳輸線和信號處理電路等關(guān)鍵部件進行單獨屏蔽，然后通過合理的接地方式達到系統(tǒng)抗干擾目的。

2) 接地基于三個目的：一是減少多個回路電流通過公共阻抗產(chǎn)生壓差；二是縮減信號回路感應(yīng)磁場噪聲的感應(yīng)面積；三是消除地電位差對信號回路的不利影響。其接法有三種基本形式：浮地、單點接地和多點接地。由于浮地接法很容易產(chǎn)生靜電累積及引入干擾信號；多點接地適用于高頻電路(>10MHz)，故不適用于本系統(tǒng)；單點接地能夠消除公共阻抗耦合及低頻地環(huán)路，在0?1 MHz內(nèi)干擾很小，適合本系統(tǒng)。單點接地又分為串聯(lián)單點接地（圖10(a)）和并聯(lián)單點接地（圖10(b)）。串聯(lián)單點接地：共用地線串聯(lián)一點接地，布線方便，但當電路中（各部分）電流較大或公共阻抗較大時，各部分間的地電位差較大，容易形成共地干擾，對于弱信號檢測，不能使用這種接地方式。并聯(lián)單點接地：獨立地線并聯(lián)一點接地，這種接地方式各電路的地電位只與本電路的地電流及地線阻抗有關(guān)，不會產(chǎn)生公共阻抗干擾，非常適用于低頻電路。綜合考慮，本系統(tǒng)采用并聯(lián)單點接地方式。

圖10 串聯(lián)(a)和并聯(lián)(b)單點接地

3.3.1 屏蔽線的選擇

ITER實驗中，待檢測信號與檢測系統(tǒng)之間相距較遠，系統(tǒng)與系統(tǒng)間信號傳遞主要靠傳輸線來完成，選擇傳輸線變得尤為重要。常用的屏蔽線纜有：屏蔽雙絞線和同軸電纜。在實驗室中分別對20 m長的同軸電纜和屏蔽雙絞線進行測試，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 傳輸線隨頻率對信號的衰減

通過對比兩種線對信號傳輸衰減與頻率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，屏蔽雙絞線呈現(xiàn)低通特性，頻率的拐點與傳輸線的長度有關(guān)。屏蔽雙絞線在0?200 kHz內(nèi)使用非常有效。主要是因為在高頻下特性阻抗不均勻及由此造成的波形反射。放大電路信號為差分形式，故采用屏蔽雙絞線傳輸信號。噪聲電流在屏蔽層里流動，消除了公共阻抗的耦合干擾。

3.3.2 系統(tǒng)接地

系統(tǒng)接地包括數(shù)據(jù)線的屏蔽層接地、探測器屏蔽盒的接地、電路板屏蔽箱的接地。圖12為系統(tǒng)接地示意圖。探測器、放大器電路都有自己獨立的屏蔽體，信號傳輸線分為三段：cable 1段的屏蔽層前端與探測器屏蔽盒相連，另一端通過導線連接到放大器機箱外殼（信號地）；cable 2段的屏蔽層在放大器的輸入端與信號地相連；cable 3段連接放大器與采集系統(tǒng)，信號為差分傳輸，為了防止形成地回路，屏蔽層在采集端接地。整套系統(tǒng)放大器機箱和采集機箱并聯(lián)單點接地，防止地回路阻抗引起干擾。

4 測試結(jié)果

按照上述的設(shè)計方案，在EAST上進行實驗測試，通過對比采集的炮號數(shù)據(jù)：47610中本方案與原有方案波形如圖13所示，通過比較可以看出本方案信號的干擾明顯被降低，驗證了本設(shè)計的有效性。

圖13 EAST測試波形圖

5 結(jié)語

通過對軟X射線檢測放大系統(tǒng)采取屏蔽、接地等防護措施及PCB布線等，有效地抑制了電磁干擾、地噪聲干擾、高頻噪聲干擾。使系統(tǒng)信號干擾降至8 mV，放大電路的增益提高到10V?A；采集通道采用32路集成設(shè)計，滿足了軟X射線診斷系統(tǒng)對采集通道數(shù)量的要求。該系統(tǒng)在EAST上測試運行穩(wěn)定、干擾小。實驗結(jié)果表明，電磁防護措施合理，且效果顯著。

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ITER detection system of soft X-ray and electro-magnetic compatibility design

ZHANG ShengZHAO JinlongHU LiqunCHEN YebinSHENG Xiuli

1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) 2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: The primary diagnostic role of radial X-ray camera (RXC) includes measuring low (,) magnetohydrodynamic modes, sawteeth and disruption precursors, H-mode, edge-localized modes, and L-H transition. Purpose:According to the soft X-ray weak signal detection requirements of international thermonuclear experimental reactor (ITER) tokamak, considering the harsh electro-magnetic environment and long distance transmission of signal, some appropriate electromagnetic protection measurements must be took in the design of soft X-ray diagnosis system in order to suppress circuit noise. Methods:In this thesis, a differential circuit structure has been designed to accomplish current-to-voltage conversion, and studying the electro-magnetic compatibility is the point. Results:Associated with experimental test and complied with three factors of electro-magnetic interference, the paper has discussed the application of shielding, grounding, filtering, and printed circuit board (PCB) layout methods in circuit, and completed the circuit requirements of system miniaturization, high parameters with quantity of 32 channels per PCB board, gain of 10V?A, width of 120 kHz, and noise of 8 mV. Conclusion:The effective detection of weak current signal and steady performance are proved by test results. The effect of electromagnetic protective measurements adopted is reasonable and obvious.

Soft X-ray detection, Electromagnetic compatibility, Low-pass filter, PCB anti-interference

TU856，TL62

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.080401

國家自然科學基金(No.11261140328)、等離子體物理領(lǐng)域前瞻性課題(No.JSPS-NRF-NSFCA3)資助

張勝, 男，1980年出生，2009年于合肥工業(yè)大學獲碩士學位，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域為小信號檢測及電磁兼容設(shè)計

陳曄斌，E-mail: chenyebin@ipp.ac.cn

2017-01-20，

2017-04-11

National Natural Science Foundation of China (No.11261140328), Plasma Physics Prospective Subjects (No.JSPS-NRF-NSFCA3)

ZHANG Sheng, male, born in1980, graduated from HeFei University of Technology with a master’s degree in 2009, doctoral student,focusing on weak signal detection and electromagnetic compatibility design

CHEN Yebin, E-mail: chenyebin@ipp.ac.cn

2017-01-20, accepted date: 2017-04-11