（等离子体物理专业论文）ht7激光汤姆逊散射系统信号处理的改进.pdf

摘篮 摘要 在托卡马克等离予体的诊断中，利用激光汤姆逊散射测量等离子体温度的准 确性和权威性已经得到了认可。 激光汤姆逊散射诊断系统经过改进和提高，已经能测量到散射信号，得到等 离子体电子温度。但是还存在一些技术难题，特别是散射信号十分微弱，干扰信 号和电路本身的噪声对散射信号的测量影响非常大，放大电路设计困难。提高信 噪比，设计合适的放大电路，是激光汤姆逊散射信号处理的关键。 本文首先对激光汤姆逊散射系统做了整体描述，然后分析了实验过程中可能 存在的干扰和电路的噪声。选择了硅雪崩二极管探测器，它对散射信号有较高的 灵敏度和增益。运算放大器和跨导电阻把通过探测器的光信号转变为电压信号。 实验电路中用一个t 型网络来代替反馈大电阻，减小了寄生电容，提高了放大倍 数和减小电路的时间常数。通过选择大带宽，高放大倍数的放大器对信号进行后 续处理。 放大电路分为两级，前置放大电路和中继放大电路。前置放大电路主要对散 射信号进行放大，达到需要的增益，提高信噪比，中继放大电路是对信号的进一 步放大和调整，以便采集需求。为了减小外界的干扰和噪声，电路对屏蔽技术和 接地技术进行了精心设计和处理。 对电路进行了改进，给出了在实验过程中得到的一些实验测试数据。结果表 明改进后的电路性能更好，能满足实验要求。 关键词：前置放大电路；h t 7 托卡马克：汤姆逊散射；电路噪声 a b s t r a c t s h il i n g w e i ( p l a s m ap h y s i c s ) d i r e c t e db yl i n gb i l la n dz h a oj u n y u i t i so fi m p o r t a n c et om e a s u r ep l a s m ap a r a m e t e rs u c ha se l e c t r o nt e m p e r a t u r ei n t h ei n v e s t i g a t i o no ft o k a m a kp l a s m ap h y s i c s t h e a c c u r a c yo fu t i l i z i n gt h o m s o n s c a t t e r i n gt e c h n i q u et oo b t a i ne l e c t r o nt e m p e r a t u r eh a sb e e nd e m o n s t r a t e d i ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n td i a g n o s t i c si np l a s m ad e v i c e s o nh t 7t o k a m a k ，t h et h o m s o ns c a t t e r i n gd i a g n o s t i ch a sb e e nb u i l ta n di n s t a l l e d t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r eh a sb e e no b t a i n e dt h r o u g hm e a s u r i n gt h es c a t t e r i n gl i g h t b u tt h e r ee x i s ts o m ed i f f i c u l t i e ss u c ha sv e r yw e a ks c a t t e r i n g l i g h t a n dt h e i n t e r f e r e n c eo fd i f f e r e n tt y p e so fn o i s e s ot oi m p r o v et h es i g n a lt on o i s er a t i oa n d d e s i g nt h ea m p l i f i c a t i o nc i r c u i ti sac h a l l e n g e f i r s ti nt h et h e s i s ，t h ew h o l es y s t e mo ft h el a s e rt h o m s o ns c a t t e r i n gi sd e s c r i b e d t h e nt h ea u t h o ra n a l y z e st h ei n t e r f e r e n c ea n dn o i s et h a tc o u l db ee x i s t e di nt h e e x p e r i m e n t a t i o n t h ea v a l a n c h ep h o t o d i o d ei sc h o s e nt od e t e c tt h es c a t t e r i n gl i g h td u e t 0i t sh i g hs e n s i t i v i t ya n di n t e r n a lg a i n ac h o s e na m p l i f i e ri s a p p l i e dt or e a l i z et h e f i r s t s t a g ea m p l i f i c a t i o n at e en e t w o r ki su t i l i z e dt or e p l a c et h ef e e d b a c kr e s i s t o r t h ew h o l ec i r c u i tc o n s i s t so ft h ep r e a m p l i f i e ra n dc o n d i t i o na m p l i f i e r t h em a i n f u n c t i o no fp r e a m p l i f i e ri st oa m p l i f yt h es c a t t e r i n gs i g n a l s ，p r o v i d et h eg a i na n dt o i m p r o v et h er a t i oo fs i g n a lt on o i s e t h ec o n d i t i o na m p l i f i e ri st oc o n d i t i o nt h es i g n a l s s oa st om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ea n a l o g - t o d i g i tc o n v e r t e r c o u n t e r m e a s u r e ss u c h a ss h i e l d i n ga n dg r o u n d i n ga r ea p p l i e dt or e d u c et h ei n t e r f e r e n c ea n dn o i s e d e m o n s t r a t i o no ft h ei m p r o v e dp e r f o r m a n c eb yu s eo fl a s e rd i o d es i m u l a t i n g t h o m s o ns c a t t e r i n gl i g h ti sr e p o r t e d i nt h el a s tc h a p t e ro ft h i st h e s i s ，s o m ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h o m s o ns c a t t e r i n g m e a s u r e m e n t sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：h t - 7t o k a m a k ；t h o m s o ns c a t t e r i n g ；p r e a mp l i f i e r i i 中国科学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文h t - 7 激光汤姆逊散 射系统信号处理的改进，是本人在导师指导下，在中国科学院合肥物 质科学研究院攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据 本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字： 日期：2 0 0 7 5 2 0 第蒂引j j 1 1 核聚变的意义和现状 第一章引言 随着不可再生资源的不断消耗以及人们在认识世界、改造世界的科学实践中 对自然认识的不断深入，在寻找替代能源的征程中，人们已经掌握了安全利用核 裂变获取能量的方法。但是，核裂变反应方式在原料生产、储运以及核废料处理 等许多环节存在环境污染、成本高等问题，不利于可持续发展。相比之下，可控 核聚变以其反应物在地球上具有丰富的蕴藏以及对环境污染小等优点，是解决未 来能源问题的主要发展方向。经过半个世纪的艰苦探索，可控核聚变研究已经取 得了令人瞩目的重要进展。 可控核聚变研究主要有两条途径【l 捌：惯性约束聚变和磁约束聚变。惯性约 束聚变i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) 利用强激光束集中照射聚变靶材料，使其 在瞬间获得足够的能量，并在来不及飞散之前发生聚变，因此也称为激光聚变。 磁约束聚变m c f ( m a g n e t i cc o n f i n e m e n tf u s i o n ) 利用带电粒子在磁场中做拉莫回 旋运动的特点，用环形磁场将等离子体约束在一定的空间内，具有低密度长时间 燃烧的特点。磁约束核聚变装置主要有托卡马克、仿星器和磁镜等，并在这些实 验装置中开展了了丰富多彩的等离子体物理实验。所获得的等离子体参数不断提 高，有的已经达到了点火温度。 磁约束核聚变研究以托卡马克【3 】装置为主流。托卡马克的概念是在2 0 世纪 5 0 年代中期由苏联科学家提出，托卡马克( t o 队m a k ) 在俄语里是由“环形”、 “磁”、“真空”和“线圈”儿个词组合而成。它依靠等离子体电流和环形线圈产 生的强磁场将高温等离子体约束在环形容器里，依此米实现聚变反应。在追求等 离子体高温、高密度和高约束模式的不懈努力中，托卡马克近年来取得突破性进 展，实现了聚变功率输出和科学意义上的“能量自持”。一个以“点火和自持燃 烧”为研究目标的国际热核实验堆( 即i t e r 计划) 已经完成工程设计，为降低 造价和压缩规模而提出的替代方案( r c i t e r ) 也已经出台【4 l 。 h t 7 激光汤姆逊敞射系统信吁处理的改进 1 2h t 一7 超导托卡马克概述 h t - 7 超导托卡马克属于中型超导托卡马克，具有圆形戳而，典型运行参数 如下： 内真空室小半经r ： o 3 6m 等离子体大半径r ： 1 2 2m 等离子体小半经a ： o 2 7m 纵向磁场强度b 。： 1 2 2 5t 等离子体电流i p ： 1 0 0 2 5 0k a 中心弦平均密度：0 5 6 5x10 1 9m 。 等离子体电子温度： 1 0 0e v 5k e v 自从1 9 9 5 年首次实现等离子体放电以来，放电状态不断得到改善，等离子体 参数不断提高。 1 3h t - 7 激光汤姆逊散射测量等离子体电子温度 在众多等离子体诊断方法中，激光汤姆逊散射是公认的最准确的测量方法， 因为它基于基本的物理定义而不作任何假设。短波激光汤姆逊散射( 非相干散射) 可以测量电子温度、电子密度、磁场、有效电荷数等参数的空间、时间分布；长 波汤姆逊散射( 相干散射) 可以测量等离子体离子温度和等离子体的某些集体效 应( 超热涨落和不稳定性) 。利用非相干汤姆逊散射测量等离子体电子温度和电 子密度的时空分布是各大装置都在重点发展的一项常规诊断，本论文以后提到的 激光汤姆逊散射特指这种情况。激光汤姆逊散射诊断的发展水平体现着一个托卡 马克装置的诊断能力和诊断的可靠性p 】。 1 4 激光汤姆逊散射发展状况 1 9 6 9 年，英国物理学家e v a s 发表了一篇关于激光汤姆逊散射的总结性报 告【6 1 ，此后汤姆逊散射技术在各大托卡马克装置上迅速发展起来。最广泛使用的 实验安排是9 0 。汤姆逊散射( d i i i d 、j 6 0 和c m o d ) 。其典型代表为d i i i d 上 的汤姆逊散射装置和j 6 0 上的汤姆逊散射装置。 d i i i d 汤姆逊散射系统【7 1 采用了8 个频率为2 0h z 的n d ：y a g 激光器。8 个 2 激光器同时交替工作，其工作频率为i6 0h z 。8 个激光器的布置示意目如下 矮毫幂零嚣。i 于3 ：9 2 5 图1 2d i l l d 汤姆逊散射装置中文替使用的八个激光器的壹装皤 d il l - d 汤姆逊散射系统有三个测量区：中心区( 6 遒) 、! k 诊断区( 3 0 道) 和偏滤器区( 8 道) ，共4 4 个空间测量点。赘套系统可测等离子体电子温度的 范围是1 0 e v - - 2 0k e v ，可测等离子体密度范围是2 x 1 0 1 8 i n 3 2 1 0 ”m 3 ， 空间分辨率是i3c m 。d i l l d 托卡马克上的汤姆逊散射系统工作流程和测量区域 分亦如同i3 和图14 。 堕l 3 d i l l d 汤姆逊散射工作流程盥幽i4d i l l d 汤姆逊敏射涮蕾医 j t 6 0 u 上的红宝石激光散射仪肿安排了卒问6 0 道，穿间分辨翠是0 8c m ， 测温范匿是2 0 0e v i5k e v 。用光柬台成器( b e a m c o m b i n e r ) 把两个红宝石激 光器发出的光束按时间顺序连续的沿同一光路发出以实现多脉冲快连续的测 暑。其装置结构见图15 。为了提高时间分辨率j t - 6 0 也发展了 套n d ：y a g 激光汤姆逊散射系统”1 图i6 培出了其示憨图。 h t - 7 e # m m tr u n 月m 国i5j t _ 6 0 u 红宝石融光汤姆逊散射 除了传统的9 0 汤姆逊散射技术外 图l6j t - 6 0 u n d ：y a g 擞光溺姆逊散射 有很多具有独具特色的散射技术在不同 装置上得到了发展。j e t 上发展了l i d a r 散射技术，有效地避开了困扰汤姆逊 数射的杂散光问题；l h d 根据装置特点发展了一套小角度散射诊断系统：随着 成像技术的发展，一些装置采用c c d 或i c c d 作为散射信号的探测器件发展形 成了邢技术1 21 ”。实现了高空间分辨率的测量。 第j ：章h t 7n d ：y a g 激光汤姆逊散射系统 2 1 散射原理 第二章h t 7n d ：y a g 激光汤姆逊散射系统 由经典电磁辐射理论可知【1 4 】，当作加速运动的带电粒子能量远大于其辐射光 予的能量时，即m c 2 h f ，其辐射过程可用经典电磁理论处理，作加速运动的 电荷会产生电磁辐射，散射就是带电粒子在外界屯磁场作用下的再辐射。 等离子体中的电子在强激光作用下产生受迫振荡，再辐射出散射波。汤姆逊 散射功率谱密度函数表示为： = 右- 以缸a f 2 s ( c o ) r o 为电子经典半径；只为激光功率；以为等离子体电子密度；a l 为散射长度：a f 2 为接收立体角；s ( ) 为动力学形状因子。 当满足条件k 兄， l 时，称之为非相干汤姆逊散射。此时，激光波长远小于 等离子体德拜长度，即激光作用范围很小，在散射特征长度范围内，它只能感受 到电子的无规则热运动，而感受不到电子整体随离子的运动，凼而散射谱只能反 映电子无规则的热运动，可以利用散射谱的分布测量等离子体电子温度，在对散 射信号强度进行绝对标定和测量后可以计算出电子密度。 假定：( 1 ) 在散射体积v 中平均地含有n 个电子和n z 个电荷为z 的离子， 除了入射波的电磁场外，不考虑其它的外加电磁场。( 2 ) 等离子中电子的热运动 速度，以及入射波电磁场驱使的电子运动的速度远小于光速，即相对论效应可以 口 忽略。( 3 ) 忽略量子效应，即所得的结果只有在入射波长九 o 1 爿及非相对论 等离子体的情况下才是成立的。( 4 ) 忽略正离子的效应，冈为散射功率与散射粒 子质量的平方成反比，而离子的质量比电子大的多，它对散射的贡献可忽略。( 5 ) 入射波的频率比所有等离子体的特征频率火的多，因而可认为等离子体对入射波 而言是透明的，等离予体的吸收和衍射效应可忽略。( 6 ) 入射波的功率不够大， h 7 锨m 女* 统* 。j n 月 m 以至它对等离子体的干扰可以忽略这就饕求生 ( ( 丝三) “即 m m 与 13x 1 0 ( 兰) ：j 式中，p 。和a 分别为八射渡的功车及横截面积。( 7 ) 等 h c 离子体充分电离，中性粒子对散射功率的贡献是可以忽略的。这时可以利用单电 子肘a 射电磁渡的散射来计算等离子体内的多电子体系对a 射电磁渡的散射，所 不同的是要考虑1 i 同电子所产生的散射波之间的相位关系。 在等离f 体温度比较低的情况下町忽略相对论效应其功率谱的形状园r 为： 跗) - 去毒” c m 8 s i 。：蛆 其中 为入射激光的波长，“散射谱波长与入射渡长差 ( 2 2 ) 对较高等离子体温度测量，功率谱形状因子为( 考虑相对论修正) 6 i ： s m 。砸罚寺而两7 i a 2 + 蒜卜 _ 赫 ( 2 _ ” 其中，知为入射激光波长，舡9 0 。，k 为波尔兹曼常数，m 为散射谱波长与激光 波长之羞- l 为电于温度，c 为真空中光速，n 为静止电子质量。电子温度更高 时动力学形状因子将作新的修正【l7 i 。图21 为高斯分布的动力学形状吲子和相 对论修正后的动力学形状因子。从中可咀看出等离子体电子温度较低时，二者 没有明显盼变化：当电于温度较高时散射谱峰值会向短波方向移动从而偏离 高斯分布。 恻2 i 动山学形状囤f 的相对论仕正 # l i t - 7n d ；y a gm 光* * m ”* 22 汤姆叠 散射谚断系统简介 h t - 7n d ：y a g 激光汤姆逊散射诠断系统主要用米测量等离子体- 心电子温 度空间分辨率为1 0m m 左有。激光器多脉冲工作时可以测量等离子体中心电 子温度的时间演化，时间分辨率为1 0 0m s ：在该系统的基础上增加空间测量点 后，可测量等离子电子温度的径向空间分布。该系统采用传统的9 0 实验安排， 主要包括以下几个系统：1 ) n d ：y a g 激光系统：2 ) 入射光路及散射真空段部 分：3 ) 散射信号收集系统：4 ) 信号放大处理电路系统5 j 信号采集处理系统： 6 ) 标定系统。装置结构示意图如下： 同2 1h 7 n d ：y a g 撒光汤姆逊放射系统示意罔 入射激光在光学元件上的反射散射以及等离子体本身的折射等产生的杂 散光会对散射信号产生严重的干扰，= 七要采取以下措施降低杂散光。l ；激光出 射窗口以布儒斯特角放置。2 在出射布儒斯特冒侧面安装牛角形状光吸食嚣， 光吸食器结构图参见图2 2 。光吸食器的作用是将这部分反射光全部吸收。3 散 射信号收集窗口对面的装置内壁作发黑处理。 罔2 2 光吸食器结构罔 h t 7 激光汤姆逊敝射系统信吁处理的改进 2 2n d ：y a g 激光系统 激光器的参数如下： 激光能量( 1 0 6 4 n m ) 脉冲宽度 发散度 工作频率 2 3 散射信号的收集 2 j 5 9 n s 0 4 5 m r a d 1 0 h z 由于汤姆逊散射截面非常小( 6 = 8 x1 0 五6 c m 2 ) ，散射能量总值只有入射能量的 1 0 以5 左右，还要进行多道分谱测量，这就增加了它的难度和复杂性。在当前的技 术条件下，激光器输出功率很难有大幅度的提高，因此，如何有效降低散射信号 在收集和传输过程中的损失显得非常重要。 在汤姆逊散射实验中，用透镜组成像收集散射信号并利用光纤进行信号传 输。成像透镜组将一段等离子体柱成像到光纤束的端面，等离子体柱与光纤端面 为共轭物像关系，其横向放大率和光纤束端面尺寸决定了系统的空间分辨率。 由于汤姆逊散射信号极为微弱，如何最大限度地降低光纤对散射信号的吸收 是一个很重要的问题。石英光纤中的一个吸收源是氢氧根( o h 3 ，o h 在0 9 5g m 的吸收峰是实验中最关心的。采用高纯石英光纤( n a = 0 2 2 ) ，表2 1 给出了其主 要参数。在使用的0 7l a m 1 0 6 4i n n 范围内没有较大的吸收峰( 见图2 3 ) 。 表2 1 高纯石英光纤主要参数 罔2 3 光纤透过率曲线 8 量纺一encmjl 第：章h t 7n d ：y a g 激庀汤姆逊散射系统 2 4 分光谱仪与干涉滤光片 h t - 7 采用五道t 涉滤光片把散射信号分为五个不同的频段，其透过曲线见 图2 4 。干涉滤光片不仅要求有较高的透过率，而且要求其对反射频段有很高的 反射率( 9 9 以上) ，以便于级连使用干涉滤光片。滤光片级联的先后顺序应按 照如下原则进行：对于通带外反射率较高的滤光片应置于谱仪前级，依次排放。 网为窄带滤光片具有频率漂移的性质，所以，窄带滤光片做成小频率漂移、而相 应反射率较低的指标，并将它置于谱仪后级。在目前的实验中，因为实际散射信 号很小，所以，我们考虑的主要因素是，将具有较高透过率且宽谱能够较好测量 温度的主要几片滤光片置于前级。 7 0 07 5 08 0 0 8 5 0 9 0 09 5 01 0 0 01 0 5 01 1 0 0 w a v e l e n g t l v n m 2 4 干涉滤光片透过曲线 根据干涉滤光片的特点，h t - 7 激光汤姆逊散射分光谱侧1 8 1 采用级联式结构 其结构图2 5 如下： 滋7。搓= k 】1 诫l f2 一 竺麟 # 弓一1p 4 一。- - h 坠 * 5 刊戳銎 ，一 hr h 2 5 探测器和放大电路 图2 5 谱仪结构图 关于探测器和放大电路在后面的章节会有详细的描述。 9 墨，8c冉筝一广#c要 h t 7 激光汤姆逊散射系统信j 处理的改进 2 6c a m a c 数据采集系统 h t - 7 上的激光汤姆逊散射诊断用c a m a c 系统采集和处理信号【1 9 】。该系统 由c a m a c 机箱、c a m a c 采集模件和数据采集控制软件组成。c a m a c 本身是 模块化系统，其功能单元制成标准插件插入c a m a c 机箱，组合成仪器装置。 汤姆逊散射采集系统中c a m a c 连接了雪崩二极管后的放大电路和p c 计算机。 其工作单元是l e c r o y 公司生产的2 2 5 0 l 模件，机箱控制器是d s p t 公司生产的 6 0 0 2 模件，还有一个门信号产生模件也放置在一个工作栈上。工作模件2 2 5 0 l 接收来自放大电路的电信号，将它们转换成数字信号存入缓存器中。机箱控制器 6 0 0 2 执行c a m a c 命令，在工作模件和计算机之间发挥桥梁作用。门信号产生 模件使2 2 5 0 l 产生门信号，控制开始和结束采集的时间。下图是c a m a c 系统 各组件的位置平面图。 图2 6 数据采集部分各组件的位置框图 2 2 5 0 l 模件是一个电荷积分的模数转换器( a d c ) 。2 2 5 0 l 模件有1 2 个信号 输入道，这1 2 道输入信号互相独立，相当于1 2 个单独的a d c 。 2 2 5 0 l 的工作流程如下： ( 1 )门打开，模拟信号被输入到2 2 5 0 l 的积分电容巾。 ( 2 ) 在9g s 内，一个模拟量q 转换成9 b i t 的数字量n 。转换关系q = a n + b 。 ( 3 ) l 郎内，数字量n 被送入缓存中。 ( 4 ) 等待c a m a c 命令，读出这个机器字。 这里应该注意的是： ( 1 ) 2 2 5 0 l 接收信号并处理它，有个时间匹配问题，a l j n 量信号必须在门开的 时间内到达输入口。信号宽度不应超过门宽。 ( 2 ) 缓存中的数据只接受c a m a c 发米的读数命令。 l o 第：章h t - 7n d ：y a g 激j i 巴汤姆逊散射系统 2 2 5 0 l 的模数转换关系：q = a n + b q 一输入的电荷量，单位：p c a 斜率，2 2 5 0 l 的指标是o 5p c c o u n t b 系统剩余电荷景，2 2 5 0 l 的指标是 0 1 0p c 图2 7q 和n 的关系 ( 3 ) 2 2 5 0 l 的数据输入和数据输出分开进行，并不同步。因为模件本身的缓存 器中有存储数据的能力，可以连续存放3 2 次模数转换的结果。只要缓存 空间未被占满，都可以接受模数转换后的数据。 2 2 5 0 l 的工作指标： ( 1 ) 对输入信号的电压要求。在输入信号的电压值为0 0 8v 之间，2 2 5 0 l 工作在线性范围，模拟信号可以线性的转换成数字信号。因此，输入信号 的幅值不能超出一lv ，而且必须是负信号输入。 ( 2 ) 对输入信号有满量程规定。当输入信号达到2 4 8p c 时，a d c 工作在满量 程状态。当输入信号大于2 4 8p c ，模数转换后数据会溢出。数据溢出的标 志时，9 b i t 的机器字的高5 位全为“l ”。 ( 3 ) 信号的输入阻抗是5 0 q 。 ( 4 ) 2 2 5 0 l 的采集门宽内部可调，其宽度在1 0n s - - 一2 0 0l l s 范围内，6 0 0m v 的 电压信号可以触开采集门。门的上升沿和下降沿均为2n s 。一个门控信号 控制1 2 道a d c 同时动作。 ( 5 ) 模数转换指标。2 2 5 0 l 的特色之一就是快速转换。一个模拟信号转换成一 个机器字，用时9 邶，传入缓存中用时l 归。另外，一个机器字时9 b i t ， 缓存中可以存放3 2 个机器字，只有当3 2 个缓存器空间全部占满时，才会 发生数据丢失的可能。 2 7 国际上其它装置上汤姆逊散射信号处理方法 由于散射信号十分微弱，在信号处理方面主要包括探测器件的选择和运算放 大器的选择，放大电路的设计和背景光等噪声的去除，数据的采集和处理。 ， 、 一 一 一 一 。 一 。一 ， 一 h t 7 激光汤姆逊散射系统佑i j 处理的改进 2 7 1 n s t x 汤姆逊散射系统的信号处理1 2 0 i 图2 8n s t x 汤姆逊散射系统的信号处理电路 探测器是e g & g 的c 3 0 9 5 6 e 类型的a p d 。 前级放大电路( 图2 8 ) 是为了适应多目标而设计的。前级放大电路是直接 对电流进行放大。电路有两个输出：一个慢输出，是测量通过等离子体背景光和 标定的直流光：一个快输出，测量等离子体被扣除背景光后的脉冲散射光。在前 置放大器的反馈网络中用了r c 低通滤波电路，有效滤除高频信号中没有被延迟 信号。 2 7 2 d i i i d 汤姆逊散射系统信号处理1 2 1 i d i i i d 探测器件也是s i a p d ，放大电路的第一级运算放大器是5 1 4 7 ，后面 的几个放大器都是c d c 4 0 4 。下图是探测器的电路图，它是先用取样电阻的方法 先把电流转换成电压，然后对电压再进行放大。 a t l 一 a 一 焉函一一 ：一v ： 一 少“ 未r = 图2 1 0d d 汤姆逊散射系统信号处理图2 1 l 背景光和信号的采集 后面的放大器是为了进一步提高信号的放大倍数，如果系统需要可以通过跳 线来改变增益。脉冲输出端口使用了一个延迟线技术，输出结果是没有延迟的信 号减去被延迟后的信号。延迟线输出后的可变电阻是用来调节偏置电压。图2 1 l 1 2 第：章h t - 7n d ：y a g 融) 匕汤姆砸散射系统 是分别采集背景光和信号的时序图。 2 7 3 延迟线技术0 2 2 i 等离子体的背景光一直被认为是微弱的汤姆逊散射光误差来源。通过延迟线 技术，可以使背景光的测量在散射光前几百纳秒处测量，并可被扣除。电路的原 理图如下所示： i ：一!r ： h 。_ “f q _ _ ”；“m m - _ r ! l ：，- 、 图2 1 2 延迟线技术示意图 用光电倍增管作为光探测器。设输出函数为f ( t ) ，信号宽度为a t ，a t 为2 5 n s 。 背景光看作是二_ 个有一定斜率并缓慢变化的连续信号，持续时间为散射脉冲光宽 度的几倍。光电倍增管的输出信号被分成两部分，一部分信号被延迟c = 3at 后和另一个信号通过一高带宽放大器进行运算，放大器的输出是f ( t ) - f ( t + t ) ， 它是有两个不同极性的脉冲，本底和背景光的斜率有关。这个低频背景成分可以 有模拟控制器消除。通过可控门宽a d c 只采集一个脉冲信号就可以得到所要的脉 冲信号，这样背景光和脉冲散射光时间间隔很小，背景在不发生很大变化时就被 扣除。 h t - 7 激光汤姆逊散射系统信i j 处理的改进 第三章散射信号处理电路分析 h t 7 汤姆逊散射系统中，信号处理电路系统是关键的一环，其性能的好坏 直接影响数据处理的可靠性。它的作用是探测经过传输的微弱散射光信号，并放 大，再生成原传输信号。 在实验处理电路中，首先需要将光信号转换成电信号，即对光进行解调，这 个过程是由光电探测器( 光电二极管或者雪崩二极管) 来完成的。光电探测器把 光信号转换成电流信号送入前置放大器。前置放大器的噪声对整个放大器的输出 噪声影响非常大，因此，应该精心设计和制作低噪声放大器。前置放大器的作用 是提供足够的增益。 光信号处理电路最主要的性能指标是前置放大电路的灵敏度，关键问题是如 何降低输入端的噪声、提高接收灵敏度。灵敏度主要取决于光电探测器的响应度 以及检测器和放大器引入的噪声，因此噪声的分析也是本章重点讨论的问题。 3 1 光电检测器【2 3 l 光电探测器主要是对光进行接收，然后把光信号转换成电信号，这类探测器 主要有光电二极管和雪崩光电二极管，下面分别介绍。 3 1 1 光电二极管 1 工作原理 光电二极管( p d ) 是一个工作在反向偏压的p n 结二极管，它的工作原理可 以用光电效应来解释。当p n 结上加有反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷 区电场的方向棚同，外电场势垒加强。由于光电二极管加反向电压，空间电荷区 里载流子基本上耗尽了，这个区域称为耗尽区。 当光束入射到p n 结上，且光子能量 ，大于半导体材料的禁带宽度疋时，价 带- j ：的电子可以吸收光子而跃迁到导带，结果产：生个电子一空穴对。如粜光生 的电子一空穴对在耗尽区里产生，那么在电场的作用下，电子将向n 区漂移。而 1 4 第二母散穿寸价处理电路分析 窄穴将向p 区漂移。从而形成光电流。当入射光功率变化时，光生电流也随之线 性变化，从而把光信号转换成电流传号。 2 光电二极管的波长响应 由光电效应的条件可知，对任何一种材料制作的光电二极管。都有上截止波 长，定义为 五：娑：半 ( 3 - 1 ) 九= 一= 一 lj lj 1 e ge g 式中e ，的单位是电子伏特( e v ) 。 3 光电转换效率 o 7 u ，1 1 1 】1 】 1 7 长f t _ 图3 1 几种材料的光电二极管的响应度 工程上常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。光电二极管的量子效率 表示入射光子能够转换成光电流的概率。当入射功率中含有大量光子时、量子效 率可用转换成光电流的光子数与入射的总光子数的比来表示。入射功率和光生电 流的转换关系也可直接用响应度来表示。 4 响应速度 光电二极管的另一重要参数是它的响应速度。响应速度常用响应时间( 上升 时间和下降时间) 来表示。 3 1 2 雪崩光电极管 1 - 工作原理 与光电二极管不同，雪崩光电二极管( a p d ) 在结构设计上已考虑到使它能承 受高的反向偏压，从而在p n 结内部形成一个高电场区。光生的电子或空穴经过 高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与品格碰撞，使晶体 巾的原予电离，从而激发m 新的电子空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰 1 5 耵7 激光汤姆逊敝射系统俯吁处理的改进 撞电离产生的电子空穴对称为二次电子空穴对。新产生的电子和窄穴在高场区 中运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子 迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应，a p d 就是利用雪崩倍增效 应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。 2 a p d 的平均增益过程 雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程，每一个初始的光生的电子一空穴对在 什么位置产生，它们在什么位置发生碰撞电离，总共激发出多少二次电子一空穴 对，这些都是随机的。往往用平均雪崩增益g 来表示a p d 的倍增的大小。 3 a p d 的过剩噪声 雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程必将引入随机噪声。 3 2 放大器及其电路的噪声【2 4 1 散射信号接收电路不是对任何微弱的信号都能正确接收的。这是因为信号的 传输、检测及放大的过程中总会受到一些无用的干扰，并不可避免地引进一些噪 声。电磁干扰来自自然环境、空间的无线龟波及周围的电气设备。电磁干扰对接 收电路的危害，可以通过屏蔽等方法减弱以防止。但随机噪声是接收系统内部产 生的，是信号在检测、放大的过程中引进的，只能通过电路的设计和工艺尽量减 小它，却不能完全消除它。由于噪声的存在，限制了接收电路接收弱信号的能力。 尽管放大器的增益可以做得足够大，但在弱信号被放大的同时，噪声也被放大了， 当接收信号太弱时，必定会被噪声所淹没。 3 2 1 电路中的噪声 t ，n ( “) 0 n 八，、1 l 介_ 一 v vv vv v v v v v vv r 图3 2 噪声电压( 电流) 波形 放大电路中的噪声是放大电路中各元器件( 包括管子、电阻等) 内部载流子 1 6 第二吊散射信l j 处理电路分析 运动的不规则所造成的，主要是山电路中的电阻热噪声和b j t ( 或f e t ) 内部噪 声所形成，它实际上是杂乱的无规则的变化电压v 或电流，如图3 2 所示。 1 噪声的种类及性质 ( 1 ) 电阻的热噪声 任何电阻或者导体即使不与电源接通，它的两端仍有电压，这是由于导体中 构成传导电流的自由电子随机的热运动而引起的，因此，某一瞬时向一个方向运 动的电子有可能比向另一个方向运动的电子数目多，也就是说，在任何时刻通过 导体每个截面的电子数目的代数和不是等于零的。这一电流流经电路就产生一个 正比于电路电阻的电压，称为热噪声电压。 理论和实践都证明，一个阻值为r ( 辅的电阻( 或b j t 的体电阻、f e t 的沟 道电阻) 末接入电路时，在频带宽度b 内所产生的热噪声电压的均方值为 砰= 4 灯r b ( 3 2 ) 热噪声电压本身是一个非周期变化的函数，它的频率范围是很宽的。圪随频 带的增加而增加。所以宽频放大电路受噪声的影响比窄频大，这也是限制宽频带 放大电路增益的j ：要原因。 由于放大电路各处都存在电阻，因此放大电路到处都会产生热噪声。放大电 路的输入电阻对输i 山端的噪声起着主要作用，因为它的噪声电压将逐级放人。因 此，一个放大电路的频带较宽时，要求它的输入电阻低，才能使热噪声电压限制 在一定的范围之内。 ( 2 ) 散粒噪声 通常所说的b j t 中的电流，只是一个半均值，实际上通过发射结注入到基区 的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而引起发射极电流或者集电极电流有一+ 个无规则的波动，产生散粒噪声。散粒噪声电流为 l = 硒 ( 3 3 ) 1 7 h t 7 激光汤姆逊散射系统衍l j 处理的改进 ( 3 ) 闪烁噪声( i f ) b j t 产生闪烁噪声的原因现在还不十分清楚，但是被设想为载流予在晶体表 面的产生和复合所引起，因此与半导体材料本身及工艺水平有关。这种噪声与频 率成反比，所以也叫i f 噪声。在低频时，管子的噪声主要由它决定。 2 减小噪声的措施 ( 1 ) 选用低噪声的器件 在电子电路中，元件的内部噪声起着重要的作用，因此要选用低噪声的元器 件。在器件方面宜采用低噪声的f e t 代替b j t ；选用低噪声集成运放；同时应避 免用高阻值电阻，为减小电阻的1 f 噪声常选用绕线式电阻，其次是金属膜电阻。 ( 2 ) 选用合适的放大电路。 ( 3 ) 加滤波环节或加入负反馈电路 放大电路中频带越宽，噪声越大。而有用信号的频率往往在一定范围内，故 可以在电路中加入滤波环节去掉噪声：当有用信号为直流或者缓慢变化的信号 时，可在电路中加入负反馈来抑制噪声。 除了在硬件电路采取措施外，有时候还用计算机软件的数据处理方法减小噪 声的影响。 3 2 2 电路中的干扰与抑制 干扰是外界凶素对放大电路中各部分的影响所造成的。一般米说，干扰主要 是外界电磁场，接地线不合理和整流电源纹波等原因造成的，即当放大电路输入 端输入信号电压h = o 时，输出端可能出现交流干扰电压。 1 杂散电磁场干扰和抑制办法 电路工作环境般有许多电磁干扰源，它们所产生电磁波和尖峰脉冲，可以 第二带散射f i 川处卿电路分析 通过接线电容( 电场) 耦合、电感( 磁场) 耦合，或交流电源线等进入放大电路， 引入干扰电压。对于一个高增益的放人电路来说，j 要第一级引进一点微弱的干 扰电压，经过各级放大，放大电路的输出端就有一个较大的干扰电压。 干扰源 图3 3由静电感应造成的干扰 上图3 3 表示由静电感应造成干扰的原理图。干扰源和放大电路的输入电路 ( 或者某些重要元件) 之间存在杂散电容c ，构成了干扰电流的回路。此干扰电 流在放大电路输入电阻冗上产生干扰电压。可见放大电路输入电阻越大或者杂散 电容c 越大，干扰电压也越大。 对杂散电磁场的干扰可以采取下列抑制方法： ( 1 ) 合理布局 从放大电路的结构布线来说，电源变压器要尽量远离第一级输入电路，更应 远离放大电路。在安装变压器时要选择它们的安装位置，使之不易对放大电路产 生严重的干扰。 此外，放大电路的布线要合理，放大电路的输入线与输出线，交流电源线要 分开走线，不要平行走线。输入走线越长，越易接受干扰。放大电路要尽量远离 干扰源。 ( 2 ) 屏蔽 为了减小外界干扰，可采用屏蔽措施，屏蔽有静电屏蔽和磁场群敝两种。肼 蔽的结构一般可用铜、铝等金属薄板材料制成，它可以将干扰源或者受干扰的元 件用屏蔽罩屏蔽起来，并将它妥善接地，特别是多级放大电路的第一级更加重要。 如第一级的输入线采用具有金属套的屏蔽线，屏蔽线的外套要选一点接地。在抗 1 9 ! ! 堕舅j ! ! 巴塑姆避丝型墨终侨吁处艘的改进 干扰要求较高时，可以把放大电路的前级或者整个放大电路都屏蔽起来。静电屏 蔽采用导电率高的材料，磁屏蔽用具有高磁导率的磁性材料，如坡莫合金或者铁 等。 静电屏蔽的原理是屏蔽罩接地后，干扰电流经屏蔽外层短路入地。而干扰源 不经过放大电路的输入电阻足，因此，屏蔽的妥菩接地是十分莺要的，否则不但 不能减小干扰，反而会使干扰增大。 2 由于接地点安排不正确而引起的干扰 在多级放大电路中，如果接地点安排不当，就会造成严重的干扰。如在同一 电阻设备中的放大电路由前置差分放大级和功率级所组成，功率级的输出电流是 比较大的，此电流通过导线产生的压降，与电源电压一起，作用于前置级，一起 骚动，甚至产生振荡。还因负载电流流回电源时，造成机壳( 地) 与电源负端之 间的电压波动，而当前置放大电路的输入端接到这个不稳定的“地”上，会引起 更严重的干扰。如将各级的共同端都直接接到直流源负载的共地点，则可以克服 上述弊端，如下图3 4 所示。在某些场合下，也采用r c 去耦电路。它使强信号 放大级与弱信号放大级的交流通路彼此隔离，以防止干扰或者低频自激。在要求 比较严或条件恶劣的情况下，也可以采用精密稳压电源对弱信号放大级单独供 审。 图3 4 接地正确的多级放大电路图3 5r c 去耦电路 3 由于电子设备的共同端没有正确连接而形成的干扰 当两台电子设备相连时，共同端没有正确地连接在一起。电子设备中的电源 变压器原副边之问的漏电作用会产生一感应电压。如果测试仪器的共i 剐端没有和 放人电路的共同端连在一起，则即使仪器的输入电压为零，但变压器感应电压却 第二母散射信j 处理电路分析 加到了放大电路的输入端而产生干扰电压。因此电子设备连接时，必须把它们的 共同端连接在一起，这样才不致使感应电压加到放人电路的输入端。同时将变压 器原副边之间加一屏蔽层并把它接地，这样可以减少十扰源。 4 电源的干扰 一般放大电路的直流电源是用5 0 h z 的交流电经整流、滤波、稳压后得到的， 如果滤波不良，整流电源输出的电压就有5 0 h z 或l o o h z 的交流电压使集电极电 流发生波动而产生干扰电压。特别是第一级，由于电源产生的干扰电压将被以后 各级放大而使输出产生较大的干扰电压。对这种原因所产生的干扰电压可以采用 稳压电源供电，并在稳压电路的输入端和输出端加一足够大的电解电容或者钽电 容的滤波电路。对于运算放大器，为防止直流电源的干扰，可在电源引脚和地端 之问加一钽电容( 一般为1 0 3 0 f ) 防止低频干扰，加一独石电容( 0 0 l 0 1 ，) 防止高频干扰。 5 由于交流电源串入的干扰 交流电网的负载突然发生改变，在负载突变处交流电源线