ITER软X射线检测系统及其电磁兼容设计

张胜1,2 赵金龙1 胡立群1 陈晔斌1 盛秀丽1



ITER软X射线检测系统及其电磁兼容设计

张胜赵金龙胡立群陈晔斌盛秀丽

1（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031） 2（中国科学技术大学 合肥 230026）

国际热核聚变实验反应堆是世界上在建的最大的磁约束聚变装置托克马克装置，通过对其中软X射线的测量，可实现等离子体辐射对锯齿、色骨模等磁流体现象的物理研究和成像反演。软X射线诊断系统就是用来检测软X射线的设备。由于热核聚变时恶劣电磁环境及远距离传输，在设计信号检测系统时必须进行电磁兼容设计，以降低系统噪声、提高检测精度。本文中使用的检测电路采用差分结构实现电流信号到电压信号的转换，重点研究检测电路的实现及其电磁兼容设计。从电磁抗干扰的三要素出发，结合实验测试，针对电磁干扰的特殊性，讨论了滤波电路设计、印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)走线、电磁屏蔽及信号接地在系统中实现。本文采用32通道板卡集成设计；信号增益提高至10V∙A；放大器带宽达到120 kHz。通过测试结果可以看出，信号噪声降至8 mV。通过优化设计提高了检测电路的集成度和放大电路的增益及带宽，同时降低了检测电路的噪声。

软X射线检测，电磁兼容，低通滤波器，PCB抗干扰

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。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。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10V∙A；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。本方案设计的目的在于提高电路增益10V∙A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。

1 系统结构

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 软X射线检测系统框图

2 电路方案

2.1 探测器性能分析

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

2) 噪音就是约翰逊噪，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：

2.2 偏压对光电二极管的影响

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10V∙A，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 不同偏压下前放信号输出电压

2.3 信号放大电路设计

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。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调节，对电路进行相位补偿，同时也能调节放大电路带宽。

图3 I-V差分放大电路

3 电磁兼容设计

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。

3.1 滤波

3.1.1 电源电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)滤波器

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 EMI电源滤波器

图4中和是共模扼流圈，抑制共模噪声；和是用来抑制差模干扰的三端电容器；、、、是抑制差模干扰的铁氧体磁珠；()和()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，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。

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。

3.1.2 信号滤波

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，电路如图 6所示。

图5 EMI滤波前(a)和滤波后(b)电源噪声

图6 全差分有源滤波器

其传递函数为：

(4)

(5)

式中：为滤波器通带增益；为截止频率；为频率比例因子；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=100 kHz、=2、=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 放大器带宽

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。

3.2 PCB电磁兼容设计

3.2.1 旁路、去耦和储能

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。在PCB布线时，应遵循流经、顺序、就近、共地原则。

图8 滤波前(a)和滤波后(b)信号噪声

3.2.2 PCB抗干扰设计

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 PCB板层设置

3.2.3 放大器输入保护

为了保证-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。

3.3 屏蔽、接地

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(>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（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 串联(a)和并联(b)单点接地

3.3.1 屏蔽线的选择

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 传输线随频率对信号的衰减

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。

3.3.2 系统接地

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。

4 测试结果

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 EAST测试波形图

5 结语

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10V∙A；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。

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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

国家自然科学基金(No.11261140328)、等离子体物理领域前瞻性课题(No.JSPS-NRF-NSFCA3)资助

张胜, 男，1980年出生，2009年于合肥工业大学获硕士学位，现为博士研究生，研究领域为小信号检测及电磁兼容设计

陈晔斌，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