本發(fā)明涉及強核輻照環(huán)境的信號放大器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于強核輻照環(huán)境的高增益模擬放大裝置。

背景技術(shù)：

以國際熱核聚變實驗堆ITER為例，在DT(氘氚)反應(yīng)階段，累計4700小時的中子輻照注量為1.6×10¹³n/cm²，γ累計輻照劑量為329Gy?？紤]到ITER要求的安全因子Q＝8，則要求該區(qū)域的電子學(xué)系統(tǒng)的耐輻照量為：中子輻照注量1.28×10¹⁴n/cm²，γ累計輻照劑量2632Gy。另外，在某些特殊場合，例如裂變核電站堆芯核測及其他強輻照環(huán)境下，用于這些領(lǐng)域的儀器通常都需要具備較強的抗輻照能力，目前市場上沒有同時滿足可抗中子輻照和γ輻照的高增益(1×10⁷V/A)模擬放大器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術(shù)的缺陷，提供一種適用于強核輻照環(huán)境的高增益模擬放大裝置。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種適用于強核輻照環(huán)境的高增益模擬放大裝置，包括有探測器、JFET型互阻快放大器、高速高增益電壓放大器、有源濾波電壓驅(qū)動器和示波器，軟X射線或者光源被所述的探測器探測并產(chǎn)生電流信號，電流信號經(jīng)過遠距離信號傳輸進入JFET型互阻快放大器，經(jīng)過第一級JFET型互阻快放大器后電流信號轉(zhuǎn)換成了電壓信號，電壓信號再依次經(jīng)過第二級高速高增益電壓放大器和第三級有源濾波電壓驅(qū)動器驅(qū)動，最終的輸出信號遠距離傳輸給示波器進行信號波形顯示。

所述的模擬線性穩(wěn)壓芯片RHFL4913和模擬線性穩(wěn)壓芯片RHFL7913A為JFET型互阻快放大器、高速高增益電壓放大器和有源濾波電壓驅(qū)動器提供±6V電壓。

所述的JFET型互阻快放大器的型號為AD8066。

通過多種核輻射防護措施及測試，使得該放大器可使用于強中子和強伽馬混合輻照的環(huán)境中。其中，耐伽馬輻照劑量累計可以達到200Gy，耐中子輻照量累計可達到2×10¹²n/cm²。

通過芯片選型，采用具耐強核輻照的核心芯片，包括集成運算放大器芯片和電源芯片。根據(jù)前期對器件進行的大量抗輻照實驗，篩選出的運放芯片比一般通用芯片耐核輻照水平高出1至2個量級，選出的集成運算放大器AD8066及模擬線性穩(wěn)壓電源芯片RHFL4913、RHFL7913A可通過強伽馬和強中子輻照試驗；與此同時，在電路設(shè)計中，采用了高密度集成技術(shù)和電路疊層的方法，將幾十路通道集成至一起，降低了單通道的受輻射面積，從而減少了整體受輻照概率；在此基礎(chǔ)上，通過放大器整體抗核輻射實驗，找出易受輻射損傷的電路，并進行單獨抗輻照加固。

通過合理的電路設(shè)計，使得放大器的增益可高達1×10⁷V/A。

本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明具備同時抗中子輻照(10¹²n/cm²)及抗γ輻照的能力(200Gy)，使系統(tǒng)可在強核輻照環(huán)境下正常工作；在滿足抗強核輻照環(huán)境下工作的基礎(chǔ)上，具備高增益(1×10⁷V/A)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本放大器電路原理圖.

圖3為γ輻照試驗原理圖。

圖4第一組放大器輸出差分信號幅度與伽馬照射劑量變化圖.

具體實施方式

如圖1、2所示，一種適用于強核輻照環(huán)境的高增益模擬放大裝置，包括有探測器1、JFET型互阻快放大器2、高速高增益電壓放大器3、有源濾波電壓驅(qū)動器4和示波器5，軟X射線或者光源被所述的探測器1探測并產(chǎn)生電流信號，電流信號經(jīng)過遠距離信號傳輸進入JFET型互阻快放大器2，經(jīng)過第一級JFET型互阻快放大器2后電流信號轉(zhuǎn)換成了電壓信號，電壓信號再依次經(jīng)過第二級高速高增益電壓放大器3和第三級有源濾波電壓驅(qū)動器4驅(qū)動，最終的輸出信號遠距離傳輸給示波器5進行信號波形顯示。

所述的模擬線性穩(wěn)壓芯片RHFL49137和模擬線性穩(wěn)壓芯片RHFL7913A6為JFET型互阻快放大器、高速高增益電壓放大器和有源濾波電壓驅(qū)動器提供±6V電壓。

所述的JFET型互阻快放大器2的型號為AD8066。

在電路設(shè)計中和測試實驗中，發(fā)現(xiàn)并改進抗輻射的薄弱環(huán)節(jié)是產(chǎn)品綜合抗輻照能力的關(guān)鍵。其中經(jīng)過測試的，電源模塊是電路在伽馬和中子輻照中最容易受到損傷部分，在設(shè)計初期使用的普通電源芯片(例如LT1963A，LT3015)均只能耐受到100Gy伽馬輻照或者10¹¹n/cm²中子輻照，是提高電路整體抗輻射水平的制約環(huán)節(jié)。后期改進電路中采用了RHFL4913和RHFL7913A替代LT1963A和LT3015使得電路的整體抗輻射能力得到大大提升。RHFL4913和RHFL7913A是專門為高能物理實驗以及其他強核輻照環(huán)境設(shè)計的芯片，其重離子效應(yīng)，單粒子鎖定和單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的抵抗能力可以達到中子超過2×10¹⁴/cm²，伽馬超過2×10¹⁴/cm²，累計輻照劑量也可以達到300Krad。

放大器在設(shè)計和電路布局中盡量減小電路輻照面積，并且通過疊層的方法，把重要的芯片夾在疊層的內(nèi)部，也可以阻擋入射方向的低能射線到達核心部件，減小粒子與核心部件發(fā)生反應(yīng)的概率。

前置放大器的抗伽馬輻照試驗原理圖如圖3所示，已進行過測試。

測試環(huán)境：

1、輻射源：鈷-60

2、輻射源活度：8.5×10¹⁴Bq

3、樣品點距源275cm，距臺面高46cm，吸收劑量率0.5Gy/min

測試目的：

對放大器進行抗輻射測試，測試核心器件在輻射環(huán)境中性能參數(shù)的變化。

測試流程及內(nèi)容：

測試分為3組，第一組和第二組為實驗組，第三組為對照組，線路連接，核測試間為輻照區(qū)域，系統(tǒng)的供電及信號檢測通過35米電纜連接至輻照區(qū)域以外。借助PXI機箱和數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采集并檢測。

第一組：1-15通道為信號，16通道為電源；第二組：1-16通道都為信號；第三組：1-15通道為信號，16通道為電源。

吸收劑量為0.5Gy/min，分為三個時間段完成，100min、100min、200min，對應(yīng)的累計劑量為：50Gy、50Gy、100Gy，總的累計輻射量為：200Gy。

通過日光燈給探測器提供信號輸入，為了保證在測量時輸入的一致性，在整個測試過程中光源的位置和探測器的位置需保持不變。

測試結(jié)果：

三組數(shù)據(jù)基本現(xiàn)象一致。以第一組數(shù)據(jù)為例，如圖4所示，在升源、降源時放大器信號會發(fā)生偏移，劑量在0Gy、50Gy、100Gy、200Gy時，可以看到此四點明顯因降源而產(chǎn)生信號的下降。在輻照過程中對比信號幅度沒有隨輻照劑量增加產(chǎn)生明顯變化，把輻照開始和輻照結(jié)束后的信號幅度對比也沒有發(fā)現(xiàn)幅度增加或者減少。其次在輻照過程中，沒有發(fā)現(xiàn)干擾信號產(chǎn)生，前置放大器的輸出信號比較正常。

伽馬輻照實驗的結(jié)論：

在γ源升起的時候，放大器輸出信號的偏置會增大，約為200mV左右，γ源降下時，偏置又會降回初始值。γ輻射測試結(jié)束后，在實驗室對前放進行測試，第1組和第2組(輻照)每通道的數(shù)據(jù)與第3組(沒有輻照)每通道的數(shù)據(jù)基本一致，未發(fā)現(xiàn)輻照損傷現(xiàn)象。故基本確定，信號偏置的變化可能來源于探測器對γ源的響應(yīng)，使得前放的輸入發(fā)生變化所致。

在200Gy的劑量以內(nèi)，電路仍可正常工作。

除此之外，系統(tǒng)已在中國工程物理研究院進行了加速器氘氚反應(yīng)強中子輻照測試。

測試條件：

輻射源：氘氚14.8MeV

中子發(fā)射率:～5×10¹⁰n/s

輻射源與被測系統(tǒng)距離:120mm

被測系統(tǒng)所處位置中子通量:～2.2×10⁷n/cm²s

輻射時間:28小時，總中子通量超過2.23×10¹²n/cm²

測試結(jié)果：16通道前置放大器輸出信號均未發(fā)生變化，從而初步推斷探測器和前置放大器在輻照中和收到輻照后，未產(chǎn)生缺陷性損傷。

通過前置放大器和探測器抗中子輻照和伽馬輻照實驗，可以得到本專利設(shè)計的前置放大器可以耐受中子輻照總的中子通量為2.2×10¹²n/cm²，γ累計輻照劑量為200Gy，比常規(guī)放大器耐輻照性能高出1到2個數(shù)量級。但僅靠電路自身的抗輻射性能仍不能滿足ITER強核輻照環(huán)境的要求，因此還需要通過結(jié)合外層核輻射屏蔽體的設(shè)計才能最終達到應(yīng)用于聚變堆的強核輻照環(huán)境需求。