一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置.pdf

本发明公开了一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置，包括有探测器、JFET型互阻快放大器、高速高增益电压放大器、有源滤波电压驱动器和示波器，软X射线或者光源被所述的探测器探测并产生电流信号，电流信号经过远距离信号传输进入JFET型互阻快放大器，经过第一级JFET型互阻快放大器后电流信号转换成了电压信号，电压信号再依次经过第二级高速高增益电压放大器和第三级有源滤波电压驱动器驱动，最终的输出信号远距离传输给示波器进行信号波形显示。本发明具备同时抗中子辐照及抗γ辐照的能力，使系统可在强核辐照环境下正常工作；在满足抗强核辐照环境下工作的基础上，具备高增益。

1.一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置，其特征在于：包括有探测器、JFET
型互阻快放大器、高速高增益电压放大器、有源滤波电压驱动器和示波器，软X射线或者光
源被所述的探测器探测并产生电流信号，电流信号经过远距离信号传输进入JFET型互阻快
放大器，经过第一级JFET型互阻快放大器后电流信号转换成了电压信号，电压信号再依次
经过第二级高速高增益电压放大器和第三级有源滤波电压驱动器驱动，最终的输出信号远
距离传输给示波器进行信号波形显示。
2.根据权利要求1所述的一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置，其特征在
于：模拟线性稳压芯片RHFL4913和模拟线性稳压芯片RHFL7913A给所述的JFET型互阻快放
大器、高速高增益电压放大器和有源滤波电压驱动器提供±6V电压。
3.根据权利要求1所述的一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置，其特征在
于：所述的JFET型互阻快放大器的型号为AD8066。

一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置

技术领域

本发明涉及强核辐照环境的信号放大器技术领域，尤其涉及一种适用于强核辐照
环境的高增益模拟放大装置。

背景技术

以国际热核聚变实验堆ITER为例，在DT(氘氚)反应阶段，累计4700小时的中子辐
照注量为1.6×10¹³n/cm²，γ累计辐照剂量为329Gy。考虑到ITER要求的安全因子Q＝8，则要
求该区域的电子学系统的耐辐照量为：中子辐照注量1.28×10¹⁴n/cm²，γ累计辐照剂量
2632Gy。另外，在某些特殊场合，例如裂变核电站堆芯核测及其他强辐照环境下，用于这些
领域的仪器通常都需要具备较强的抗辐照能力，目前市场上没有同时满足可抗中子辐照和
γ辐照的高增益(1×10⁷V/A)模拟放大器。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种适用于强核辐照环境的高增
益模拟放大装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置，包括有探测器、JFET型互阻快
放大器、高速高增益电压放大器、有源滤波电压驱动器和示波器，软X射线或者光源被所述
的探测器探测并产生电流信号，电流信号经过远距离信号传输进入JFET型互阻快放大器，
经过第一级JFET型互阻快放大器后电流信号转换成了电压信号，电压信号再依次经过第二
级高速高增益电压放大器和第三级有源滤波电压驱动器驱动，最终的输出信号远距离传输
给示波器进行信号波形显示。

所述的模拟线性稳压芯片RHFL4913和模拟线性稳压芯片RHFL7913A为JFET型互阻
快放大器、高速高增益电压放大器和有源滤波电压驱动器提供±6V电压。

所述的JFET型互阻快放大器的型号为AD8066。

通过多种核辐射防护措施及测试，使得该放大器可使用于强中子和强伽马混合辐
照的环境中。其中，耐伽马辐照剂量累计可以达到200Gy，耐中子辐照量累计可达到2×
10¹²n/cm²。

通过芯片选型，采用具耐强核辐照的核心芯片，包括集成运算放大器芯片和电源
芯片。根据前期对器件进行的大量抗辐照实验，筛选出的运放芯片比一般通用芯片耐核辐
照水平高出1至2个量级，选出的集成运算放大器AD8066及模拟线性稳压电源芯片
RHFL4913、RHFL7913A可通过强伽马和强中子辐照试验；与此同时，在电路设计中，采用了高
密度集成技术和电路叠层的方法，将几十路通道集成至一起，降低了单通道的受辐射面积，
从而减少了整体受辐照概率；在此基础上，通过放大器整体抗核辐射实验，找出易受辐射损
伤的电路，并进行单独抗辐照加固。

通过合理的电路设计，使得放大器的增益可高达1×10⁷V/A。

本发明的优点是：本发明具备同时抗中子辐照(10¹²n/cm²)及抗γ辐照的能力
(200Gy)，使系统可在强核辐照环境下正常工作；在满足抗强核辐照环境下工作的基础上，
具备高增益(1×10⁷V/A)。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本放大器电路原理图.

图3为γ辐照试验原理图。

图4第一组放大器输出差分信号幅度与伽马照射剂量变化图.

具体实施方式

如图1、2所示，一种适用于强核辐照环境的高增益模拟放大装置，包括有探测器1、
JFET型互阻快放大器2、高速高增益电压放大器3、有源滤波电压驱动器4和示波器5，软X射
线或者光源被所述的探测器1探测并产生电流信号，电流信号经过远距离信号传输进入
JFET型互阻快放大器2，经过第一级JFET型互阻快放大器2后电流信号转换成了电压信号，
电压信号再依次经过第二级高速高增益电压放大器3和第三级有源滤波电压驱动器4驱动，
最终的输出信号远距离传输给示波器5进行信号波形显示。

所述的模拟线性稳压芯片RHFL49137和模拟线性稳压芯片RHFL7913A6为JFET型互
阻快放大器、高速高增益电压放大器和有源滤波电压驱动器提供±6V电压。

所述的JFET型互阻快放大器2的型号为AD8066。

在电路设计中和测试实验中，发现并改进抗辐射的薄弱环节是产品综合抗辐照能
力的关键。其中经过测试的，电源模块是电路在伽马和中子辐照中最容易受到损伤部分，在
设计初期使用的普通电源芯片(例如LT1963A，LT3015)均只能耐受到100Gy伽马辐照或者
10¹¹n/cm²中子辐照，是提高电路整体抗辐射水平的制约环节。后期改进电路中采用了
RHFL4913和RHFL7913A替代LT1963A和LT3015使得电路的整体抗辐射能力得到大大提升。
RHFL4913和RHFL7913A是专门为高能物理实验以及其他强核辐照环境设计的芯片，其重离
子效应，单粒子锁定和单粒子翻转效应的抵抗能力可以达到中子超过2×10¹⁴/cm²，伽马超
过2×10¹⁴/cm²，累计辐照剂量也可以达到300Krad。

放大器在设计和电路布局中尽量减小电路辐照面积，并且通过叠层的方法，把重
要的芯片夹在叠层的内部，也可以阻挡入射方向的低能射线到达核心部件，减小粒子与核
心部件发生反应的概率。

前置放大器的抗伽马辐照试验原理图如图3所示，已进行过测试。

测试环境：

1、辐射源：钴-60

2、辐射源活度：8.5×10¹⁴Bq

3、样品点距源275cm，距台面高46cm，吸收剂量率0.5Gy/min

测试目的：

对放大器进行抗辐射测试，测试核心器件在辐射环境中性能参数的变化。

测试流程及内容：

测试分为3组，第一组和第二组为实验组，第三组为对照组，线路连接，核测试间
为辐照区域，系统的供电及信号检测通过35米电缆连接至辐照区域以外。借助PXI机箱和数
据采集卡对信号进行采集并检测。

第一组：1-15通道为信号，16通道为电源；第二组：1-16通道都为信号；第三组：
1-15通道为信号，16通道为电源。

吸收剂量为0.5Gy/min，分为三个时间段完成，100min、100min、200min，对应的
累计剂量为：50Gy、50Gy、100Gy，总的累计辐射量为：200Gy。

通过日光灯给探测器提供信号输入，为了保证在测量时输入的一致性，在整个
测试过程中光源的位置和探测器的位置需保持不变。

测试结果：

三组数据基本现象一致。以第一组数据为例，如图4所示，在升源、降源时放大器
信号会发生偏移，剂量在0Gy、50Gy、100Gy、200Gy时，可以看到此四点明显因降源而产生信
号的下降。在辐照过程中对比信号幅度没有随辐照剂量增加产生明显变化，把辐照开始和
辐照结束后的信号幅度对比也没有发现幅度增加或者减少。其次在辐照过程中，没有发现
干扰信号产生，前置放大器的输出信号比较正常。

伽马辐照实验的结论：

在γ源升起的时候，放大器输出信号的偏置会增大，约为200mV左右，γ源降下
时，偏置又会降回初始值。γ辐射测试结束后，在实验室对前放进行测试，第1组和第2组(辐
照)每通道的数据与第3组(没有辐照)每通道的数据基本一致，未发现辐照损伤现象。故基
本确定，信号偏置的变化可能来源于探测器对γ源的响应，使得前放的输入发生变化所致。

在200Gy的剂量以内，电路仍可正常工作。

除此之外，系统已在中国工程物理研究院进行了加速器氘氚反应强中子辐照测
试。

测试条件：

辐射源：氘氚14.8MeV

中子发射率:～5×10¹⁰n/s

辐射源与被测系统距离:120mm

被测系统所处位置中子通量:～2.2×10⁷n/cm²s

辐射时间:28小时，总中子通量超过2.23×10¹²n/cm²

测试结果：16通道前置放大器输出信号均未发生变化，从而初步推断探测器和前
置放大器在辐照中和收到辐照后，未产生缺陷性损伤。

通过前置放大器和探测器抗中子辐照和伽马辐照实验，可以得到本专利设计的前
置放大器可以耐受中子辐照总的中子通量为2.2×10¹²n/cm²，γ累计辐照剂量为200Gy，比
常规放大器耐辐照性能高出1到2个数量级。但仅靠电路自身的抗辐射性能仍不能满足ITER
强核辐照环境的要求，因此还需要通过结合外层核辐射屏蔽体的设计才能最终达到应用于
聚变堆的强核辐照环境需求。