Схемы делителей напряжения фэу

Построение высоковольтных схем электропитания ФЭУ

Основные проблемы построения каналов измерения ионизирующих излучений на основе сцинтилляционных детекторов с ФЭУ в качестве фотоэлектрических преобразователей связаны со стабильностью их характеристик. Причины, вызывающие эту нестабильность многочисленны:

— деградация и изменение характеристик сцинтилляторов при колебаниях температуры;

— изменение коэффициента усиления ФЭУ при изменении температуры;

— нестабильность питающих напряжений;

— снижение чувствительности фотокатода под воздействием больших разовых доз излучения, и из-за эффекта накопления [15].

Одной из основных причин вариации коэффициента усиления ФЭУ является нестабильность напряжений на его динодах. Она во многом определяется схемой питания. Известны следующие схемы питания динодов ФЭУ:

— от высокоомного делителя напряжения;

— от цепи последовательно включённых стабилитронов;

— от активного делителя напряжения, состоящего из высокоомного резистивного делителя и повторителей на биполярных или полевых транзисторах;

— от последовательно включённых источников напряжения, представляющих собой ступени умножителя напряжения.

Рассмотрим достоинства и недостатки каждой из них.

Высокоомные делители напряжения – одно из наиболее распространённых решений. Схема этого варианта представлена на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 – Электропитание динодов ФЭУ от высокоомного делителя

Резисторы делителя выбирают так, чтобы ток делителя на порядок превышал суммарный ток динодов и анода. Нарушение этого требования может привести вариациям напряжения на динодах при изменении интенсивности счёта и, как следствие, к нестабильности коэффициента усиления и нелинейности световой характеристики ФЭУ.

При высокой амплитуде импульсов изменение падений напряжения на резисторах делителя из-за увеличения тока динодов всё же остаётся значительным. Снизить эту зависимость можно уменьшением сопротивления делителя. Однако это приводит к значительному росту потребляемой мощности от высоковольтного источника и росту температуры ФЭУ при расположении такого делителя вблизи цоколя ФЭУ (что широко применяется на практике). Частично проблема преодолевается за счёт уменьшения динамического сопротивления делителя шунтированием его резисторов конденсаторами. В нашем случае при многоканальной детекторной системе проблема роста температуры ФЭУ обостряется и может привести к существенному увеличению уровня шумов ФЭУ, изменениям коэффициента усиления и, даже, эффективности сцинтилляторов.

Применение схемы электропитания с использованием высоковольтных стабилитронов решает вопрос стабильности напряжения при существенном снижении потребляемого тока. Обычно достаточно 1,5-2-х кратного превышения тока стабилитронов по отношению к току последнего динода. Основная сложность при использовании такой схемы состоит в ограниченной номенклатуре высоковольтных стабилитронов, существенном разбросе напряжений стабилизации, а, главное, в ограниченных возможностях изменения напряжение на динодах с целью оптимизации режима работы ФЭУ.

Применение активных делителей напряжения – относительно хороший вариант питания динодов, т.к. возможно существенное снижение тока делителя (на 1-2 порядка), и, при этом, выходное сопротивление делителя напряжения оказывается малым за счёт низкого выходного сопротивления повторителей [15]. Схема устройства электропитания с активным делителем представлена на рисунке 5.19. Повторители напряжения построены на составных биполярных транзисторах, что позволяет на два порядка уменьшить ток делителя по сравнения с классическим решением, представленным на рисунке 5.18. Но достигается это применением резисторов делителя с номинальными значениями сопротивлений в десятки Мом, что затрудняет обеспечение высокой стабильности коэффициентов деления высокоомного делителя.

Рисунок 5.19 – Активный делитель на составных биполярных транзисторах,

V – базовое напряжение, коэффициенты показывают кратность напряжения

Причиной изменения коэффициентов деления являются токи утечки, связанные с загрязнениями и влиянием влаги. Кроме того, для данной схемы характерна повышенная чувствительность к броскам напряжения, приводящая к отказам делителя, а также выделение существенной мощности на транзисторах при больших импульсах тока ФЭУ.

Несколько улучшить ситуацию позволяют конденсаторы, шунтирующие последние эмиттерные повторители каскадов.

В последнее время для питания динодов ФЭУ всё большее распространение получает схема Кокрофта-Валтона, изображённая на рисунке 5.20 [16].

Рисунок 5.20 – Схема электропитания ФЭУ по схеме Кокрофта-Валтона

Диноды в этом случае питаются от ступеней умножителя напряжения. Эта схема до некоторой степени эквивалентна схеме с делителем напряжения, резисторы которого шунтированы конденсаторами, однако время восстановления напряжения после перегрузки оказывается очень малым из-за низкого выходного сопротивления каждой ступени умножителя. Схема потребляет минимальный ток, определяемый лишь токами утечки. Напряжения на ступенях умножителя слабо зависят от изменений токов утечки, а надёжность таких устройств существенно выше надёжности устройств с активными делителями, прежде всего, за счёт малой мощности рассеиваемой диодами умножителя при максимальных импульсах тока ФЭУ.

Недостатки этого способа питания состоят в невозможности тонкого управления режимами, т.к. напряжения всех динодов будут кратны напряжению одной ступени умножения. Поэтому при использовании таких схем питания к ФЭУ предъявляются более жёсткие требования по допустимому разбросу характеристик.

В некоторой степени преодолеть этот недостаток можно, используя комбинированную схему, в которой для подгонки напряжений используются резисторные делители (R11- R12 на рисунке 3.20). Дополнительным недостатком такого решения можно считать и невозможность использования готовых высоковольтных встраиваемых источников питания.

Организацию источников питания для детекторов с фотоэлектронным умножителем рассмотрим на примере блока детектирования альфа излучения с кристаллическим сцинтиллятором ZnS(Аg) и фотоэлектронным умножителем ФЭУ-148 (рисунок 2).

Особенность схемы питания ФЭУ практически исключает возможность размещения высоковольтного источника вне блока детектирования. Питание фотоэлектронного умножителя блока детектирования осуществляется по схеме Кокрофта-Валтона, т.е. динодные напряжения формируются ступенями умножения напряжения. Преимущество такого способа питания состоит в низком выходном сопротивлении ступеней динодного питания, что повышает его стабильность при высокой загрузке. Для улучшения условия сбора электронов с фотокатода напряжение между ним и фокусирующим электродом выбрано равным 80% от напряжения ступени умножения, а напряжение между фокусирующим электродом и первым динодом в 1,2 раза превышает его. Это перераспределение достигается введением резистивного делителя R11, R12, питающимся напряжением сразу двух последних ступеней умножения (VD2-VD6, C8, C9, C20, C21). Данное решение вполне оправдано, т.к. токи модулятора и первого динода чрезвычайно малы, поэтому даже при высокой загрузке модуляции напряжения на электродах практически не будет. Напряжение между последним динодом и анодом для данного фотоэлектронного умножителя должно быть уменьшено по сравнению с другими динодными напряжениями, что потребовало подключения первой ступени умножения к отводу вторичной обмотки трансформатора.

Высоковольтный умножитель питается от вторичной обмотки трансформаторного двухтактного преобразователя напряжения. Схема сравнения на операционном усилителе D1 сравнивает часть выходного напряжения (делитель R4, R14-R17) с опорным напряжением, величина которого регулируется резистором R2. Выходной сигнал регулирует постоянную составляющую напряжения на базах выходных транзисторов и тем самым величину тока преобразователя. Поскольку напряжение обратной связи снимается с 8-го динода, то именно оно и стабилизируется. Это способствует некоторой стабилизации коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя, за счёт частичной расфокусировкидинодного тракта умножения при возрастании напряжения питания ФЭУ, по отношению к номинальному напряжению, для которого и осуществлялась регулировка. Причиной подобной вариации высоковольтного напряжения является изменение загрузки фотоэлектронного умножителя. При возрастании загрузки обратная связь стремится сохранить напряжение на 8-ом диноде, в то время как ток динодов близких к катоду остаётся малым, и напряжение на соответствующих секциях умножителя возрастает. Не последнюю роль в этом играет форма коммутационных импульсов преобразователя с небольшим перерегулированием. Конденсатор С34 улучшает динамические характеристики цепи стабилизации напряжения. Резистор R13 создаёт небольшую нагрузку для умножителя, что улучшает динамические характеристики при малых загрузках ФЭУ (ускоряется процесс снижения высокого напряжения после резкого сброса загрузки).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Стабильный источник высокого напряжения для питания ФЭУ

Применение фотоэлектронного умножителя — это очень простой способ получить высочайшую чувствительность фотоприемника, вплоть до регистрации единичных фотонов при прекрасном быстродействии. А учитывая массу ФЭУ, выпущенных в СССР и до сих пор лежащих на складах, это еще и относительно недорого (современные «фирменные» ФЭУ все-таки неприлично дороги для любительского применения). Но для питания фотоэлектронного умножителя нужен источник напряжения в 1-3 киловольта, и притом очень стабильный.

Дело в том, что чувствительность ФЭУ зависит от анодного напряжения экспоненциально и очень резко: она увеличивается в 10 раз при увеличении напряжения на 80-300 В, в зависимости от типа ФЭУ. И если нужно обеспечить стабильность усиления на уровне процента, для некоторых ФЭУ необходимо, чтобы напряжение не менялось больше, чем на 0,1-0,3 В!

В данной статье я привожу схему источника высокого напряжения для ФЭУ, который хорошо зарекомендовал себя в лабораторных условиях. Он обеспечивает выходное напряжение от нескольких сотен до 1500 В при выходном токе до 1 мА и стабильности не хуже 0,2 В за час при неизменном потребляемом токе после прогрева. Несложная переделка увеличивает верхний предел напряжения до 3 кВ, правда, ценой меньшей стабильности.

Схема

Основой источника является двухтактный инвертор, работающий на трансформатор для CCFL-ламп. Инвертор выполнен на основе отечественной микросхемы для ЭПРА — КФ1211ЕУ1. Равных этой микросхеме мне в продаже найти не удалось: она может управлять затворами полевых транзисторов непосредственно и для работы ей нужно лишь два внешних элемента (времязадающие резистор и конденсатор), при этом она штатно работает от 5 В и стоит недорого. К сожалению, НПО «Дельта» давно не производит эту микросхему, но она до сих пор есть в продаже и добыть ее не составляет труда. Никаких средств регулирования коэффициента заполнения у этой микросхемы нет, но нам это не нужно — регулирование выходного напряжения осуществляется изменением напряжения питания выходного каскада инвертора. Ключевым элементом является сдвоенный n-МОП-транзистор VT1 типа IRF7341. Резисторы R2 и R3 ограничивают броски тока при перезарядке емкостей затворов.

Инвертор работает на частоте 40 кГц. Опытным путем установлено, что на этой частоте примененный трансформатор работает лучше всего и имеет наилучший КПД. Частота эта задается цепочкой R1C1.

Трансформатор я использовал из серии TMS91429CT, имеющий две одинаковые первичные и две одинаковые изолированные друг от друга вторичные обмотки. Это дает возможность исключить умножитель напряжения с большими потерями, заменив его двумя однотактными выпрямителями, выходные напряжения которых складываются, образуя не совсем обычный на вид, но по сути такой же двухтактный выпрямитель. Нарисованная на схеме конфигурация работает с данным трансформатором несколько лучше, чем классическая «с отводом от середины». Если нужны более высокие напряжения, в каждой из «половинок» можно собрать удвоитель.

Резистор R8 и конденсатор C9 образуют фильтр, уменьшающий пульсации высокого напряжения. Резистор R10 снижает опасность смертельного поражения электрическим током: несмотря на то, что сила постоянного тока, вырабатываемого данным источником, не представляет никакой серьезной опасности, энергия, запасаемая в конденсаторе C9 вполне достаточна для того, чтобы убить, и ограничение пикового тока его разряда до

60 мА при максимальном напряжении эту возможность снижает (при кратковременном — сотые доли секунды — воздействии такой ток обычно не является смертельным). Вместе с тем, при токе 1 мА на этом резисторе падает 22 В, что, скорее всего, недопустимо. Поэтому если нужны токи больше сотни микроампер, его придется убрать, но в этом случае — помнить, что выходное напряжение источника — смертельно опасно. С резистором R10, впрочем, тоже, но опасность не столь высока.

Выходное напряжение, поделенное делителем R7R9 в 500 раз, подается на вход усилителя ошибки на ОУ DA1.2. На второй его вход подается опорное напряжение (через повторитель на DA1.1), которое задает выходное напряжение, которое в соответствии с коэффициентом деления делителя R7R9 будет в 500 раз больше (например, при опорном напряжении 3 В выходное составит 1,5 кВ). Коэффициент усиления усилителя ошибки подобран экспериментально. Его увеличение повышает точность стабилизации, но снижает устойчивость. Конденсатор C8 компенсирует задержку в петле обратной связи и обеспечивает устойчивость регулирования. Соотношение коэффициента усиления усилителя ошибки и постоянной времени цепи R6C8 — вопрос компромисса между точностью поддержания выходного напряжения и временем его установления.

Выходное напряжение усилителя ошибки подается на регулирующий элемент — p-МОП транзистор VT2. Транзистор полностью закрыт, когда напряжение на выходе DA1.2 близко к напряжению питания (то есть если высокое напряжение сильно превышает заданное), и полностью открывается при снижении его до нуля (при сильно заниженном высоком напряжении), что обеспечивает его поддержание на уровне несколько выше опорного напряжения, помноженного на коэффициент деления. Далеко не все МОП-транзисторы хорошо работают в линейном режиме, и указанный на схеме делает это вполне приемлемо. Резистор R4 предотвращает неустойчивость ОУ при работе на емкостную нагрузку, которой является затвор транзистора.

В качестве источника опорного напряжения может быть использован многооборотный потенциометр, питающийся от стабилизированного источника напряжения, но при повышенных требованиях к стабильности его может оказаться недостаточно, так как даже самые лучшие из таких переменных резисторов в той или иной степени «шумят», хаотически меняя сопротивление в небольших пределах, даже если ручку регулировки не трогают. Для ее повышения желательно ограничить диапазон плавной перестройки до 100-200 В и ввести переключатель для дискретной грубой установки напряжения. Другой вариант — сделать цифровой ИОН на основе какого-нибудь ЦАП.

Данная схема выдает высокое напряжение положительного знака. Для питания ФЭУ удобно использовать отрицательное напряжение питания с заземленным анодом. Для этого схему придется скорректировать — во-первых, изменив полярности диодов в высоковольтной части. Во-вторых, придется ввести в схему еще один операционный усилитель. Вместо делителя R9R7 у нас появляется инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления минус 1/500 на ОУ DA2, и резисторы R9 и R7 оказываются в его цепи ООС.

Чтобы получить 3 киловольта, придется заменить выпрямители во вторичных цепях на удвоители напряжения и увеличить R9 до 100 МОм. Стабильность при этом ухудшится примерно в те же два раза.

Компоненты и монтаж

В низковольтных и слаботочных цепях можно использовать конденсаторы и резисторы типоразмера 0805 или даже 0603. Конденсатор C2 — танталовый. Конденсатор С4 — пленочный, так как через него протекает заметный импульсный ток и керамический SMD конденсатор здесь будет греться и быстро выйдет из строя.

Со стороны высокого напряжения необходимо монтировать все цепи переменного тока настолько короткими соединениями, насколько возможно, так как иначе они сильно излучают (однако, не забывая соблюдать изоляционные зазоры). Диоды набраны каждый из двух последовательно соединенных диодов на 1000 В. В связи с отсутствием в магазинах быстрых диодов на 1000 В в SMD-исполнении применены выводные диоды HER1008, установленные по два последовательно. Для уменьшения длины выводов они загнуты под корпус диода и обрезаны, и таким образом, диод переделан в SMD. При этом анод одного диода в паре спаивается с катодом второго непосредственно и максимально близко к выходу вывода из корпуса, а не через печатный проводник. Конденсаторы С6 и С7 также набраны из четырех конденсаторов 0,015 мкФ х 1000 В типоразмера 1812, соединенных последовательно-параллельно и спаянных «этажеркой» друг на друге. Конденсатор C9 произвольного типа — я использовал батарею из отечественных К15-4, для надежности залитую компаундом.

Резистор R8 — типоразмера 2512. R10 набран из десяти таких резисторов, соединенных последовательно на отдельной маленькой плате и залитых изоляционным компаундом. Аналогично можно поступить и с R9, либо применить резистор серии FHV-100. А совсем идеально поставить делитель фирмы Caddock серии THV10. От термостабильности данного резистора (а он нагревается проходящим через него током) зависит дрейф напряжения. Теплоизоляция его, увеличивая время установления стабильного напряжения, тем не менее, резко уменьшает его хаотичные колебания, поэтому настоятельно рекомендуется. Также при монтаже следует обратить внимание на возможные пути утечки, которые также резко снизят стабильность. На печатной плате следует предусмотреть прорези и окна, отделяющие высоковольтные цепи от низковольтных и между близко расположенными проводниками с резко различающимися потенциалами. И не жалейте спирта — малейшая влага, следы канифоли или палтцев — и напряжение будет скакать, как дикий мустанг. Само собой разумеется, что вся высоковольтная часть должна быть залита компаундом, так как иначе зазоры пришлось бы делать очень большими. А большие зазоры — это большая длина проводников и сильное излучение. При работе первоначального макета, где я использовал конденсаторы К78-1, выводные диоды со слегка укороченными выводами и зазоры, рекомендуемые при печатном монтаже на воздухе — на холостом ходу схема потребляла почти 200 мА при 1500 В, а неонка горела в 10 см от конструкции. Невозможно было даже посмотреть форму напряжения на первичных обмотках трансформатора — на щуп осциллографа наводилась помеха размахом под сотню вольт. Ни о каком практическом использовании столь сильно излучающей помехи схемы не могло идти речи. После перехода на SMD и максимально компактный монтаж (потребовавший заливки — на воздухе все тут же пробивается), потребляемый на холостом ходу ток упал до пары десятков миллиампер, а неоновая лампочка горела только вплотную к обмотке трансформатора. Разумеется, готовый прибор нужно поместить в металлический корпус, снабженный хорошим высоковольтным разъемом (например, типа LEMO).

Разводка печатной платы (свою не привожу, так как она оказалась не слишком удачной и в финальной конструкции покрылась, как плесенью, очагами навесного монтажа, исправляющего ошибки первоначального замысла) должна быть сделана с учетом того, что VT2 греется и отводит тепло через выводы (рассеиваемая мощность может достигать 2 Вт). VT1 остается при работе практически холодным. Кроме того, уделите внимание земле, особенно в окрестностях ключевых транзисторов. Последние вместе с DD1 удобно разместить под брюхом трансформатора, вокруг которого можно отделить земляной полигон зазором, соединив его с остальной землей в единственной точке около разъема питания.

И о заменах. Трансформатор может быть заменен практически любым аналогичным трансформатором с такой же конфигурацией обмоток (то есть две одинаковые первичные обмотки и две раздельные высоковольтные) и такой же габаритной мощностью, при этом может потребоваться подбор частоты коммутации и емкости конденсатора C4. Транзисторную сборку VT1 можно заменить на аналогичные отдельные n-МОП транзисторы с напряжением исток-сток не менее 20 В и током стока не менее 3 А, способные работать с 5 В на затворе. VT2 заменять нежелательно.

Источник

Поделиться с друзьями
Мощность и напряжение
Adblock
detector