在線同位素分離器束測裝置中弱電流測量系統(tǒng)

馬瑞剛 崔保群 馬鷹俊 黃青華 唐 兵 陳立華

（中國原子能科學研究院 北京 102413）

在線同位素分離器(Beijing Radioactive Isotope Separator Online, BRISOL)是中國原子能科學研究院串列升級工程項目，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、強度在106?1011Particles·s?1的放射性核束。BRISOL 束測裝置中拾取的信號是在10?13?10?4A內(nèi)的電流信號，現(xiàn)場環(huán)境中的強電磁干擾、地線干擾會造成較大的測量誤差。弱電流放大器可以解決這些問題[1]。BRISOL束測裝置具有使用弱電流放大器數(shù)量眾多（達80多臺）、分布范圍零散的特點，國外產(chǎn)品測量精度高，但性價比差；國內(nèi)的標準產(chǎn)品少，且在噪聲水平、測量精度、最小量程、外型尺寸等方面無法滿足BRISOL束測裝置的需求。根據(jù)BRISOL束測裝置的特點，研制滿足要求的弱電流放大器，構(gòu)成BRISOL束測裝置中弱電流測量系統(tǒng)。

1 弱電流測量系統(tǒng)組成

因BRISOL在調(diào)試束流時，需要在束流線的不同位置監(jiān)測束流，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量束流的指標。該設(shè)備的束流測量裝置組成如圖1所示。F筒和四分板拾取的是慢變化弱電流信號，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，頻率小于1 kHz。束測裝置分布在靶源段、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內(nèi)。地電位的束測裝置按照束流線走向分散安裝，放大器的輸出信號在PLC組成的控制系統(tǒng)中進行監(jiān)測。

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

2 弱電流測量難點

在實際測量電流時(圖2)，電流表有輸入阻抗，電流源有輸出阻抗，電流表測量的電流是Ia=IsRs/(Rs+Ra)?？梢姡娏鞅淼妮斎胱杩购碗娏髟吹妮敵鲎杩苟紩斐蓽y量的誤差，連接電纜產(chǎn)生的低水平電流噪聲影響測量靈敏度。連接電纜能俘獲外部電流噪聲，連接電纜具有寄生電容，這些因素都會影響電流測量的準確性[2]。因此，弱電流放大器可以解決上述問題。

圖2 電流測量圖Fig.2 Current measurement principle diagram.

3 設(shè)計要求和方案選擇

3.1 設(shè)計要求

電流放大器的測量范圍是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)計保護線路，防止放大器出現(xiàn)故障時，加速器幾百千伏高壓進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的特點要求電流放大器設(shè)計必須尺寸小，便于維護和集成安裝，以上諸多的因素都會增加電流放大器的設(shè)計難度。

3.2 方案選擇

常見的弱電流測量方法有電流-電壓測量和電流-頻率測量。電流-電壓測量方法可分為對數(shù)放大測量、積分測量和跨導放大測量。對數(shù)放大電路由放大器和晶體管構(gòu)成的反饋網(wǎng)路組成，具有動態(tài)范圍寬，省去了量程切換電路，但被測信號的帶寬范圍窄，晶體管的特性限制了電流測量的下限。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間內(nèi)積分的平均值，因此動態(tài)響應(yīng)差，但具有精度高和零點漂移小等優(yōu)勢。I/F放大器是通過對積分放大器的充放回路改進構(gòu)成，具有積分電路的優(yōu)點，頻率信號便于遠距離傳輸且抗干擾能力強，但通常由分立元件組成，穩(wěn)定性差且電路復雜。跨導放大器具有響應(yīng)速度快、量程范圍可調(diào)等特點，通過合理選擇運算放大器，設(shè)計完善的電路，采取嚴格的制作工藝，其零點漂移、輸入阻抗均能滿足要求。

跨導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]。通過比較，設(shè)計的電流前置放大器基本構(gòu)成如圖4所示，包括保護電路、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。輸入采用二級保護線路，防止放大器輸入過流損壞和高壓進入放大器。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量范圍。反饋式放大電路實現(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)動能力且增加短路保護功能。

圖3 跨導式放大電路Fig.3 Transconductance amplifier.

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

4 外界噪聲對放大器的影響

外界的電磁干擾、測量線之間的摩擦、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，上述這些都會影響測量的靈敏度，因此在低水平測量時，建議設(shè)計滿足我們應(yīng)用要求的小帶寬跨導放大器。

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，可以通過限制低水平電流測量的帶寬，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)是由于導體和絕緣體發(fā)生摩擦，導線產(chǎn)生電荷。使用低噪聲同軸線且電流放大器遠離振動源可以減少這種影響。

4.3 污染

污染產(chǎn)生電化學效應(yīng)。如果出現(xiàn)，離子化學在兩導體間產(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，它會影響低水平電流測量。通過清潔線路板、減少潮濕等措施減少污染的影響。

5 線路設(shè)計和集成

由于測量信號通路與其附近的電壓源間的寄生電阻造成了漏電流，此電流易引起零點漂移。采用專用電路設(shè)計軟件繪制弱電流放大器電路，通過PLC控制實現(xiàn)零點校準和放大器刻度，省去了復雜的硬件調(diào)零電路，這是此放大器特色之一。通過對I/V變換放大電路的輸入采用保護線接地設(shè)計、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?)的常開觸點(Normally open contact, NO)貼封繼電器實現(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，放大器控制箱可以控制10個模塊，其優(yōu)點是便于維護，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等因素造成的測量誤差，采用上述措施保證了放大器的抗干擾能力和測量精度[5]。

根據(jù)現(xiàn)場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，通過編程實現(xiàn)自動量程、手動量程、零點校準、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)進行標定，且在惡劣的實驗環(huán)境下進行測試和改進，滿足了設(shè)計要求。

6 放大器技術(shù)指標

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，環(huán)境溫度變化3 °C，輸出零點7h溫漂是0.7 mV，對應(yīng)的電流溫漂是0.07 pA，滿足束測裝置的測量要求。

表1 分辨率和零點偏移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裝置已經(jīng)使用弱電流放大器，可以測量0.1 pA最小流強。在加速器離子源打火放電時，它能夠穩(wěn)定可靠地工作，充分證明在設(shè)計時加入的各種保護措施的有效性。

該放大器是根據(jù)加速器固有特征（例如：束流線長、強電磁干擾等）進行設(shè)計的，測量的準確性和最小分辨率已經(jīng)達到了國外同類產(chǎn)品的水平，它的價格僅是國外產(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外4臺放大器的尺寸，模塊化的設(shè)計便于維護。

弱電流放大器的零點隨環(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，放大器可以最低測量到0.01 pA，這些需要完善和改進。

8 結(jié)語

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

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