国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)是由7个国家和地区（中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度）共同合作的国际项目，它是目前国际上在建的最大环形磁约束核聚变装置^[1-2]。其目的是验证磁约束聚变装置商业化的可行性。软X射线诊断系统是托卡马克装置上必不可少的诊断系统，通过对软X射线的测量，可实现等离子体辐射对锯齿、色骨模等磁流体(Magnetic Hydrodynamics, MHD)现象的物理研究和成像反演^[3]。检测软X射线一般使用光电二极管阵列，实现光-电信号转换。根据ITER检测X射线的要求，探测器输出的电流信号最小为nA级信号，因此放大器的设计难度很大。由于核辐射屏蔽造成探测器和放大器间的距离长达15 m，前放输出的信号到采集有20多米，信号在大距离传输很容易受到电磁干扰，造成畸变。

目前先进超导托卡马克实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)中的软X射线诊断系统放大电路参数为：增益10⁶V·A^-1；带宽100 kHz；噪声10 mV。但对于nA级信号，就很难从噪声中提取出来；并且系统以核仪器插件标准(Nuclear Instrument Module, NIM)机箱为载体，每块电路板集成9道信号检测电路，集成度低，信号传输容易受到干扰，不利于系统电磁防护，很难满足ITER检测的需求^[4]。本方案设计的目的在于提高电路增益10⁷V·A^-1的同时提高系统集成度。由于ITER的电磁环境复杂，如何提高电路的抗干扰能力、降低噪音是本设计的关键。

软X射线诊断系统采用PIN (Positive Intrinsic Negative)光电二极管的Centronic 5T系列探测器，该探测器由35个光电二极管组成，将接收到的X光转换成电流信号，再通过屏蔽电缆送至放大电路。由于ITER要求待采样的软X射线能量段很低，造成探测器产生的电流很弱，而系统又处于复杂的电磁环境中，为了便于信号采集与传输，需将电流信号放大并转换为电压信号。其系统结构框图如图 1所示。

图 1

图 1 软X射线检测系统框图 Figure 1 Soft X-ray detection system diagram.

探测器的特性对小信号的检测是很重要的。噪声是探测器的一个重要参数，主要有两种形式：

1) 暗电流的散粒噪声^[5]，是由于光子到达统计率不确定性造成的，其大小可以用式(1) 表示：

式中：I_dark为均方根(Root Mean Square, RMS)噪声电流；e是电子充电；i_dark为光电二极管产生的电流信号；B是测量噪声的带宽。

2) 噪音就是约翰逊噪^[5]，是光电二极管工作时由于内阻而产生的热噪音，其大小可以用式(2) 表示：

式中：${I_{{R_{{\rm{sh}}}}}}$是约翰逊噪音产生的电流噪声，A；k是波兹曼常数；T是光电二极管的绝对温度；R_sh是二极管的等效内阻，Ω。约翰逊噪声在光电二极管感光时是主要噪声，而散粒噪声在转换成电流信号时起主导作用。

光电二极管的偏压对探测器本身的影响比较大，主要表现为两个方面：1) 适当的偏压可以降低二极管的结电容，提高其响应速度；2) 偏压会造成二极管的暗电流增大，从而影响信号的真实性。

本设计中选用的探测器阵列是由Centronic公司的大面积的探测器。由35个光电二极管组成，其面积为12 mm×2 mm。在实验室对探测的暗电流进行了间接测试，测试中选用的放大器增益为10⁷V·A^-1，采用32路集成的放大电路，光源为Mini-X X-ray Tube。分别测试了偏压为0 V、2 V、3V时不同通道的放大器输出电压，其结果如图 2所示。通过测试结果看出，不加偏压时各通道一致性很好，但是响应度低；加3 V偏压时，由于暗电流增大，造成不同通道之间的检测差异增大；加2 V偏压时，除个别通道外其他通道的一致性变化不大，响应速度提高。在使用前需要进行偏压测试，偏差比较大的通道应避免使用，防止检测的数据失真。因此在系统设计时取2 V偏压。

图 2

图 2 不同偏压下前放信号输出电压 Figure 2 Signal from amplifier at different bias voltage.

在对比电阻取样电流放大器、跨阻型电流放大器、差分电流放大器等方案的基础上，该系统采用改进的差分电流放大器方案^[6-7]。其电路框图如图 3所示。该方案克服了共阴（阳）极探测器接法时负端信号均分弊端的同时，又能很好地抑制共模干扰。电路的增益可以通过电阻R_f调节，C_f对电路进行相位补偿，同时也能调节放大电路带宽。

图 3

图 3 I-V差分放大电路 Figure 3 I-V differential amplifying circuit.

软X诊断在ITER环境下工作，其电磁环境复杂。因此在设计时必须考虑电路电磁防护。电磁防护主要包括两个方面：一是电磁屏蔽；二是电路抗干扰设计。本系统设计中，主要通过干扰滤波、印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)布线、屏蔽、接地等方式对系统进行电磁防护设计^[8]。

由于核屏蔽层造成ITER诊断系统放置较远，探测器供电电源由前级放大器机箱远程供给；在终端进行直流-直流(Direct current, DC-DC)稳压滤波。由于电源线传输距离远，电磁干扰很容易传入设备。为提高电源质量，采用如图 4所示噪声滤波电路。

图 4

图 4 EMI电源滤波器 Figure 4 EMI filter of power supply.

图 4中L₁和L₂是共模扼流圈，抑制共模噪声；L₁和L₅是用来抑制差模干扰的三端电容器；L₂、L₃、L₄、L₆是抑制差模干扰的铁氧体磁珠；C₁(C₂)和C₃(C₄)两个谐振频率不同的电容并联，一方面在降低电源网络噪声，另一方面抑制负载变化引起的电压波动。

滤波电路元器件的选型要综合考虑电源噪声的频谱特性。共模扼流圈选的是BNX025H01，其插入损耗在50 kHz-1 GHz内最小35 dB^[9]，能很好地抑制差模干扰。铁氧体磁珠BLM21PG331SN1主要用来电流滤波，抑制高频干扰^[9]。

在实验室中搭建了测试电路，来检测改善后电路的性能。图 5(a)为电源在滤波前测得的噪声的幅值及噪声的频谱，图 5(b)为加入电源滤波器后电源的噪声及频谱分布。在滤波前，电源噪声幅值达到了50 mV，噪声频谱主要分布在8-16 MHz；经过滤波器滤波使电源噪声降到5 mV左右。经过实验测试对比，滤波效果还是比较显著的。

图 5

图 5 EMI滤波前(a)和滤波后(b)电源噪声 Figure 5 Power supply noise before (a) and after (b) EMI filter.

ITER电磁环境复杂，为了降低噪声，需对信号进行滤波。由于无源滤波器件容易受负载的影响，并且前放的输出信号为差分信号，传输距离远。故采用全差分有源滤波器^[10]，电路如图 6所示。

图 6

图 6 全差分有源滤波器 Figure 6 Difference active filter.

其传递函数为：

式中：K为滤波器通带增益；f_c为截止频率；F_fs为频率比例因子；Q为品质因数。

由于本系统待检测信号的频率低于100 kHz，在设计滤波器时，其截止频率设为200 kHz。通过理论计算并借助仿真软件(Cadence)，设定滤波器的带宽f_c=100 kHz、K=2、Q=0.86。为了得到电路的幅频特性曲线，使用Cadence进行仿真，得到了放大器输出信号的幅频特性曲线（图 7）。由仿真结果可以看出，放大器的带宽为120 kHz。

图 7

图 7 放大器带宽 Figure 7 Band width of the amplifier.

图 8为放大器输出经滤波前后的对比测试，探测器处于密闭暗盒中，可以近似认为放大器输出为噪声信号。探测器与前放用20 m长的屏蔽双绞线连接。图 8(a)为滤波前的噪声信号及其频谱分布，幅值约为15 mV，有很多高频干扰；图 8(b)为滤波后的噪声信号及其频谱分布，幅值在8 mV左右。通过输出信号的频谱特性可以看出100 kHz以上噪声明显被抑制。

图 8

图 8 滤波前(a)和滤波后(b)信号噪声 Figure 8 Signal noise test without (a) and with (b) two-stage low pass filter.

旁路电容的作用是产生一个交流分路，从而吸收高频分量，降低器件的EMI分量。去耦电容主要是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播并抑制噪声对其他芯片的干扰。去耦电容距离芯片引脚越近，其补充电流的环路面积就越小，则电路辐射就会很小。因此每个集成电路的电源引脚旁都需要加一个0.1 μF的去耦电容。储能电容可为芯片提供所需要的电能，并且将电流变化局限在较小回路内，从而减小辐射^[11]。在PCB布线时，应遵循流经、顺序、就近、共地原则。

在PCB设计中，使用PXI (PCI extensions for Instrumentation)机箱对放大电路进行集成，每块板集成32道信号，提高了系统的集成度。由于电路板的高度集成，器件集成密度大，为了降低电路的射频发射、提高系统的性能、控制信号线阻抗、减小接地阻抗，该电路采用8层板设计：4个信号层、两个地层、两个电源层。板层设置如图 9所示，2层、3层主要走电流信号，1层、4层走高电压信号。PCB布线时通过蛇形线控制差分信号线，使其阻抗相等。

图 9

图 9 PCB板层设置 Figure 9 PCB layer set.

为了保证I-V转换精度，必须选择低偏置电流的运放，为了充分利用这些器件，需要注意布线和电路的装配，特别是PCB板上的漏电流。在信号输入管脚采用环绕输入保护环可以显著削弱漏电流的影响，同时也可以屏蔽干扰。

屏蔽和接地是抑制电磁干扰的有效措施。要取得良好的效果，必须将屏蔽体合理接地。

1) 屏蔽是利用屏蔽体阻止或衰减电磁波的传输，是抑制辐射干扰的有效办法。为了满足电磁兼容要求，需选用导电性能良好、高磁导率的材料。在诊断系统中，各个模块比较分散，要想实现哑铃模式屏蔽不太现实。只能通过分段屏蔽，对探测器、信号传输线和信号处理电路等关键部件进行单独屏蔽，然后通过合理的接地方式达到系统抗干扰目的。

2) 接地基于三个目的：一是减少多个回路电流通过公共阻抗产生压差；二是缩减信号回路感应磁场噪声的感应面积；三是消除地电位差对信号回路的不利影响。其接法有三种基本形式：浮地、单点接地和多点接地。由于浮地接法很容易产生静电累积及引入干扰信号；多点接地适用于高频电路(f > 10MHz)，故不适用于本系统；单点接地能够消除公共阻抗耦合及低频地环路，在0-1 MHz内干扰很小，适合本系统。单点接地又分为串联单点接地（图 10(a)）和并联单点接地^[12]（图 10(b)）。串联单点接地：共用地线串联一点接地，布线方便，但当电路中（各部分）电流较大或公共阻抗较大时，各部分间的地电位差较大，容易形成共地干扰，对于弱信号检测，不能使用这种接地方式。并联单点接地：独立地线并联一点接地，这种接地方式各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不会产生公共阻抗干扰，非常适用于低频电路。综合考虑，本系统采用并联单点接地方式。

图 10

图 10 串联(a)和并联(b)单点接地 Figure 10 Series (a) and parallel (b) single-point grounding.

ITER实验中，待检测信号与检测系统之间相距较远，系统与系统间信号传递主要靠传输线来完成，选择传输线变得尤为重要。常用的屏蔽线缆有：屏蔽双绞线和同轴电缆。在实验室中分别对20 m长的同轴电缆和屏蔽双绞线进行测试，其结果如图 11所示。

图 11

图 11 传输线随频率对信号的衰减 Figure 11 Signal impacted by different cable at different frequencies.

通过对比两种线对信号传输衰减与频率的关系发现，屏蔽双绞线呈现低通特性，频率的拐点与传输线的长度有关。屏蔽双绞线在0-200 kHz内使用非常有效。主要是因为在高频下特性阻抗不均匀及由此造成的波形反射。放大电路信号为差分形式，故采用屏蔽双绞线传输信号。噪声电流在屏蔽层里流动，消除了公共阻抗的耦合干扰。

系统接地包括数据线的屏蔽层接地、探测器屏蔽盒的接地、电路板屏蔽箱的接地。图 12为系统接地示意图。探测器、放大器电路都有自己独立的屏蔽体，信号传输线分为三段：cable 1段的屏蔽层前端与探测器屏蔽盒相连，另一端通过导线连接到放大器机箱外壳（信号地）；cable 2段的屏蔽层在放大器的输入端与信号地相连；cable 3段连接放大器与采集系统，信号为差分传输，为了防止形成地回路，屏蔽层在采集端接地。整套系统放大器机箱和采集机箱并联单点接地，防止地回路阻抗引起干扰。

图 12

图 12 系统接地示意图 Figure 12 Ground connecting system.

按照上述的设计方案，在EAST上进行实验测试，通过对比采集的炮号数据：47610中本方案与原有方案波形如图 13所示，通过比较可以看出本方案信号的干扰明显被降低，验证了本设计的有效性。

图 13

图 13 EAST测试波形图 Figure 13 Signal test on EAST.

通过对软X射线检测放大系统采取屏蔽、接地等防护措施及PCB布线等，有效地抑制了电磁干扰、地噪声干扰、高频噪声干扰。使系统信号干扰降至8 mV，放大电路的增益提高到10⁷V·A^-1；采集通道采用32路集成设计，满足了软X射线诊断系统对采集通道数量的要求。该系统在EAST上测试运行稳定、干扰小。实验结果表明，电磁防护措施合理，且效果显著。