Приборы и техника эксперименты 03. Универсальный времяанализирующий электронно-оптический преобразователь - Фельдман Г.Г.

Автор: Фельдман Г.Г.

Теги: электротехника физика экспериментальная физика журнал приборы и техника эксперимента физические измерения физические приборы

Год: 1987

Похожие

Техника физического эксперимента

Техника химического эксперимента Т.2

Техника химического эксперимента Т.1

Техника и методика химического эксперимента в школе Т.2

Текст

ISSN 0032'8162
ПРИБОРЫ и ТЕХНИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА
Универсальный времяанализирующий электронно-оптический преобразователь
К статье Фельдмана Г. Г. и др., стр. 205
3
МАЙ -ИЮНЬ .
I 9 8 7
ЖУРНАЛ «ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА» ПУБЛИКУЕТ
1. Обзоры по различным областям физических измерений.
2. Оригинальные сообщения, содержащие описания принципов действия, конст-
рукций, методов применения или анализа работы различных физических приборов,
а также методик исследования во всех областях экспериментальной физики.
3. Краткие содержания статей, депонированных в ВИНИТИ по представлению
редакции ПТЭ, и краткие содержания препринтов, которые могут быть получены
читателем по запросу, направленному в адрес организации, обязательно указывае-
мой в кратком содержании.
4. В разделе «Новые приборы» — краткую информацию о новых физических
приборах и материалах, используемых в приборостроении и лабораторной практике,
обязательно сопровождаемую адресом для запроса, по которому может быть полу-
чена полная информация.
5. Рекламные объявления о выпускаемых промышленностью новых физических
приборах.
ВНИМАНИЮ АВТОРОВ
Выполнение следующих условий совершенно обя-
зательно для публикации статьи в ПТЭ:
1. Предмет статьи должен иметь конкретные
применения к задачам экспериментальной физики,
о писанные и проиллюстрированные в статье.
2. Описываемый прибор или метод должен быть
осуществлен и испытан в эксперименте, показав-
шем преимущества по сравнению с опубликован-
ными ранее, и эти преимущества нужно четко ука-
зать в статье.
3. Статья должпа содержать описание прибора
или метода, достаточно полное для его воспроизве-
дения с учетом цитированных публикаций. Одна-
ко этого недостаточно для публикации статьи в
журнале. Для того чтобы помочь авторам в написа-
нии статей, удовлетворяющих требованиям редак-
ции, составлены «Рекомендации авторам по подго-
товке статей к печати», опубликованные в ПТЭ,
1984, № 1. Очередность публикации статей опреде-
ляется их готовностью к печати. Таким образом,
статьи, подготовленные авторами тщательно, в пол-
ном согласии с «Правилами оформления статей» и
«Рекомендациями...» и поэтому не вызывающие
вопросов редактора и пе нуждающиеся в доработ-
ке и правке, будут публиковаться рапьпте статей,
нуждающихся в исправлениях и уточнениях.
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ СТАТЕЙ
I. Обзор должен быть паписан достаточно под-
робно и ясно для понимания физиками любой спе-
циальности. Рекомендуется снабжать обзор сжа-
тым введением, разъясняющим основные задачи,
понятия и термины.
II. Статья должна быть достаточно полна и
подробна для обеспечения возможности воспроиз-
ведения читателем метода и прибора, осуществлен-
ного и испытаппого автором. Это требование относит-
ся также к депонируемым статьям или преприн-
там. краткие содержания которых публикуются в
ПТЭ. Краткое содержание статьи, депонируемой
по представлению ПТЭ, должно давать ясное пред-
ставление о цели работы, принципе метода ми
устройства прибора, технических характеристиках,
погрешностях измерений, возможностях и особенно-
стях его применения.
III. Краткая информация о новом приборе и
материале должпа содержать его наименование, ос-
новные технические и эксплуатационные характе-
ристики. Информация о приборе должна сопровож-
даться его фотографией в рабочем состоянии, ин-
формация о материале — только в том случае, если
фотография может дать наглядное представление
о его качествах. Допускается второй рисунок —
график или схема, характеризующие возможности
прибора. Необходимо публиковать адрес, по которо-
му следует обращаться за получением прибора или
дополнительной информации.
IV. Объем присылаемых для опубликования в
журнале материалов не должен превышать: обзо-
ры — 30 страниц, оригинальные статьи, краткие со-
держания депонируемых статей и препринтов —
6 страниц и 3 рисунков, краткая информацпя о но-
вых приборах —2 страниц и 2 рисунков (в преде-
лах одной полосы), рекламные объявления — 1,5
страниц и 1 рисунка; текст печатается на стандарт-
ной машинке через два интервала. Увеличение
объема публикаций возможно в меру необходимо-
сти выполнения правил I, II, III.
К депонируемым статьям пе относится ограни-
чение объема, указанное выше. Правила депони-
рования см. в «Инструкции о порядке депонирова-
ния рукописных работ по естественным, техниче-
ским и общественным наукам», М.: ВИНИТИ, 1977.
При условии выполнения требований «Инструк-
ции...» в редакции краткие содержания депонируе-
мых статей публикуются вне очереди.
V. Обзору, статье, краткому содержанию депо-
нированной статьи или препринта должно быть
предпослано краткое (10+15 строк) изложение их
сути (аппотация) с четким определением новизны
предмета и указанием его числовых характеристик
(погрешности, чувствительности и т. п.), в особен-
ности при описании приборов и методов, варианты
которых уже известны. Аннотация должна быть
предельно содержательной и попятной в отрыве от
статьи в связи с тем. что в каждом номере ПТЭ
публикуются аннотации статей, намечаемых к пе-
чати в следующих номерах.
VI. Редакция просит авторов следовать Доку-
менту ШР20 «Обозначения, единицы измерения и
терминология в физике» (1978) Международного
союза чистой и прикладной физики, напечатанно-
му в журнале «Успехи физических паук», 1979,
т. 129. № 2, с. 290—335, Международной системе
единиц — СИ.
VII. Чертежи, графики и схемы должны быть
четко выполнены в формате, обеспечивающем яс-
ность понимания всех деталей; па это следует об-
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА 3
W ЭКСПЕРИИЕНТА
ЖУРНАЛ ОСНОВАН В 1956 ГОДУ
ВЫХОДИТ 6 РАЗ В ГОД
МАЙ — ИЮНЬ
МОСКВА
СОДЕРЖАНИЕ
Многостоповыс системы статистического временного анализа Данилевич В. В., Новиков Е. В.. 7
случайных потоков сигналов (обзор)
Техника ядер кого эксперимента
Генератор импульсов тока электромагнита индукционного Багинский Б. Л., Макаревич В. И.,
ускорителя' Штейн М.М............ 22
Электронная пушка с энергией 100 кэВ Ишханов Б. С., Никольский М. 10., Ра-
китин С. П., Пискарев И. МШведу-
нов В. И........................ 24
Эксперименты но глубокому торможению моноэнергетического Горшков В. С., НагучевО.Ю..... 26
электронного пучка
Малогабаритный первичный преобразователь энергии и плот- Виноградов К. А., Губанов А. В.,
ности потока ускоренных электронов Тронь А. М...................... 28
Поверхностно-плазменный источник отрицательных ионов Деревянкин Г. Е., Дудников В. Г... 31
водорода
Телескоп пропорциональных камер для магнитного спектре- Попов В. ФЗацеркляный А . ЕНемашка-
метра СП-103 линейного ускорителя ЛУ-2ГэВ лоА.А., РанюкЮ.П., Чечетен-
ко В. Ф................ 35
Регистрация кластеров ионизации с помощью электролюми- Волков А. Д., Гребенюк В. МЗалиха-
несцентной дрейфовой камеры нов Б. '/К., Комиссаров Е. В., Сер-
дюк В. 3., Сидоркин В. В., Филимо-
нов II. С., Яни Я............... 38
Эффективность регистрации гамма-излучения шевронной Шилов А. Л., Ершов Л. С., Иванов В. Н.,
сборкой микроканальных пластин Ильченко А . В., Морговский Л. Я
Тютиков А . М................... 43
Сцинтилляционный годоскоп с рабочей площадью 50 X 50 см® Порог В. В., Васильченко В. Г., Деме-
па. основе годоскопическпх фотоумножителей хин А. В., Дронов В. В., Рыка-
лин В.И............... 46
Годоскопический модуль на малогабаритных фотоумножите- БельзерЛ.И., Грибушин А. М., /Кильцо-
лях ва Л. Я., Матвеева Е. Н., Пилипен-
ко Г. ДСинев И. Б...................................................................... 50
Одномерный позиционно-чувствительный детектор для рент- Заневский IO. ВМовчан С. А., Пешехо-
геповскпх исследований при сверхвысоких давлениях новВ.Д., Чан Дык Тхань, Александ-
ров И. В., Зисман А. И., Сти-
шов С. М....................... 53
Применение вычислительной техники в эксперименте
Аналоговая система ориентирования монокристаллической МещеровБ.Р., Туманов В. И..................... 56
мишени на электронном ускорителе
Метод регистрации множественности в годоскопическпх си- Пикитюк II. М............................... 59
стемах с большим числом каналов регистрации
© Издательство «Наука»,
«Приборы и техника эксперимента», 1987 г.
1
Учет искажений временных спектров, полученных многосто- Кезерашвили В. Я........................ 66
новыми преобразователями временных интервалов в циф-
ровой код параллельного действия
Метод согласования диапазонов изменения сигналов в борто- МагинИ.Д., Погрибной В Л 68
вых системах цифровой обработки
Управление информационными характеристиками фотоприем- Молодяков С. А........................... 71
пика на приборе с зарядовой связью в устройстве ввода
изображения в э.в.м.
Сопряжение цифрового вольтметра с микро-э.в.м. «Электро- Бобровский В. ВКомиссаров С Г Тито-
ника ДЗ-28» нов Ф. В.................. ’ . 75
Электроника и радиотехника
Быстродействующий параллельно-последовательный аналоге- Погосов А. К).................
цифровой преобразователь
Широкодиаиазонный преобразователь заряд — код Канцеров В. А ., СтригинВ.Б. 80
Цифровой формирователь временных интервалов для опти- Тур А . П..................
веских квантовых генераторов
Измерение времени установления быстродействующих ана- Данилов А. А., Погосов А. 10. Полонни-
логовых и цифроаналоговых преобразователей ков Д. Е............................86
Быстродействующий программируемый делитель частоты Поталуй В. II., Семанов Б А............ 90
Умножитель частоты высокой кратности Мисевра В. 11., Албегова 11. X.. Александ-
рова О. А., Жилин Ю. В.; ” ' Ковален-
। и ко Л. Г............................. 91
Программируемый генератор сигналов произвольной формы Канцеров В. А ., Першин А . С. Родио-
нов В. В., Чернятин В. К........................................................................ 93
] ьссксвольтный генератор напосекундпых импульсов с ГПН- Аксиненко В. ДГлаголева II СДемен-
500-0,(12/5 для питания стримерной камеры тьевЕ.А., Каминский II. И Матю-
шин А . Т., Матюшин В. Т., Нурго-
жинН. Н., Ряховский В. Я., Хусаи-
нов Е. К., Шевченко Э. А ....... 97
Генератор высоковольтных наносекупдных импульсов для Громова Л. А., Евлампиев С. Б., Коршу-
зацуска обостряющих мегавольтпых разрядников нов Г. С., Пичугина М. ТСвири-
дов IO. Ф.............................................................................. . . 99
Мощный напосекундный генератор серии импульсов И саков И. Ф., Логачев Е. 11Опеку-
нов М. С., Иеченкин С. А., Рем-
нев Г. Е., Усов Ю. II............ 101
Высоковольтный формирователь наносекундпых импульсов Капишников II. КМуратов В. МПа-
танов А . А..................................................................................... ЮЗ
Помехоустойчивый формирователь импульсов Малиновский Д. И...................... Ю7
Оптоэлектронный формирователь импульсов с повышенной МатынаВ.А., ТеребИ. А............. 108
нагрузочной способностью
Коммутатор мощных радиоимпульсов Петров Б. 11........................... Ю9
Коммутатор индуктивного накопителя энергии Гаврилов 11. М.......................... щ
Коммутатор тока для генераторов с индуктивным накопите- Ситенков 10. Л........................ ИЗ
лем энергии
Газоразрядный прерыватель тока с магнитным управлением АршА.М., Крижановский В. И., Кузь-
мичев А. II., Лапшин В. А., Рти-
щев В. М., Шендаков А . И...................................................................... 116
Управляемый обостряющий газонаполненный разрядник па Евлампиев С. Б., Коршунов Г. С., Свири-
2,5 МВ довЮ.Ф., Хмыров В. В.......... 118
Управляемый наносекупдный твердотельный разрядник мно- Коршунов Г. С., ПайгинВ. М.............. 122
гократного действия
Широкополосный регистратор формы однократных импульс- Хилъченко А . Д.......................... 124
пых сигналов
Адаптивный измеритель длительности импульсов П аляница Д. П., Латыпов А. А., Лещен-
ко С. А ....................................................................................... 129
Электрометрический усилитель на полевых транзисторах с Куксов А. Г............................. 132
р — «-переходом
Стробоскопический интегратор для регистрации сигналов ядер- Анферов В. П., Молчанов С. В....... 134
него резонанса
Измерение добротности резонатора спектрометра ядерного Садыков II. И........................... 135
акустического резонанса
Источник питания плазменного эмиттера с регулируемыми па- Мельников В. Б....................... 137
раметрами
Общая экспериментальная техника
Получение широкоапертурных пучков попов металлов Аксенов А. И., Бугаев С. П., Емелья-
нов В. А., Ерохин Г. П., Панко-
вецП.Г., Толопа А. М., Чесно-
ков С. М............... 139
2
О возможности применения ФЭУ-140 в импульсной спектро-
скопии плазмы
Определение светового выхода слабых сцинтилляций
Масс-спектрометрический источник для получения попов «не-
органических термонестабильных продуктов
Квадрупольпые линзы на основе выеокоэнергоемкнх радиаль-
но-намагниченных магнитов
Измерение напряженности импульсного магнитного поля в
намагничивающих устройствах
Блок регистрации сверхпроводящего квантового магнито-
метра
Автоматические весы для измерения магнитной восприим-
чивости при высокой температуре
Низковольтная фотоэлектронная система выделения ультра-
короткого импульса с любым порядковым номером в цуге
Прибор для регистрации распределения потоков частиц и фо-
тонов
Лазерный автоматический интерференционный рефрактометр
для исследования дисперсии газов
Схема стабилизации среднего уровня излучения Пе—Ne-ла-
зера
Универсальный емкостный спектрометр для измерения пара-
метров глубоких центров в полупроводниках и м.о.н.-
структурах
Быстродействующий измеритель емкости для спектрометров
глубоких уровней
Панорамный прибор для исследования процессов накопления
и релаксации электрических зарядов
Измерение параметров м.д.п.-структуры с компенсацией влия-
ния емкости диэлектрика
Определение динамической нелинейности полупроводникового
и комбинированных детекторов для вычислительной то-
мографии
Дифракционный вакуумный рентгенофотоэлектронный спект-
рометр
Артеев М. С., Сулакшин С. С......... 142
Манджуков If. Г., Манджукова Б. В. . . . 144
Малахов К. ВПятакин Л. II., Тихо-
нов В. МТуркина М. Я...... . 148
Кудрявцева С. И., Кудрявцев Л . И., Мель-
ников 10. Л...................... 151
Колотов О. С., Мусаев Т. IllПого-
жев В. А......................... 155
Дробин В. М., ЛоботкаП., Трофи-
мов В. Н......................... 158
Коновалов С. В., Сингер В. В., Радов-
ский И. 3., Клепинин В. Л........ 162
Демчук М. ИДмитриев С. М., Михай-
лов В. П., Прибыток Г. А ., Страш-
но А . В......................... 165
111ульженко Г. IIБашкеев А . А Кова-
ленко 10. В., Федотов М. Г....... 168
Мищенко 10. В....................... 171
Григоренко А . НДомнин II. В., Ми-
шин С. Л., Рудашевский Е. Г...... 175
Базлов Н. В., Вывенко О.Ф., Тульев А. В. 176
Пузин II. Б., Хорунжий А. И......... 181
Пронин В. П......................... 184
Чайковский В. М..................... 187
Туръянский А. Г., Коньков В. В., Фе-
досеева О. П..................... 189
Ковальчук М. В., Шилин Ю. 11., Дени-
сов А. Г., Гравшин К). М., Зель-
цер И. А., Ляпин В. М., Сенички-
на Р. С...........:................. 191
Лабораторная тесинка
Мишени для ядерно-физических исследований
Устройство для вакуумного лазерного осаждения пленок
Способ изготовления катода для низкофонового газоразряд-
ного счетчика
Программное управление шаговым двигателем с помощью
микро-э.в.м. «Электроника ДЗ-28»
Простая схема для управления четырехфазным шаговым дви-
гателем
Помехоустойчивый магнитометр Холла
Универсальный врем пана лизирующий электронно-оптический
преобразователь пикоеекундного диапазона
Применение супсркремннкона ЛН-702-4 для скоростной ком-
пьютерной фотографии
Жидкокристаллический внзуализатор инфракрасного излуче-
ния
Фокусирующие зеркала е основой из быстротвердеющей пе-
ны
Простая конструкция смотрового окна сосуда высокого дав-
ления
Модификация клапана насоса НЖР на давление до 3 кбар
Анализатор спектра акустических сигналов
Нагревательная камера к дифрактометру для исследования
монокристаллов
Установка для высоковольтных испытаний диэлектриков при
температурах 300 <- 1600 К
Высокотемпературная печь с автоэмиссионпым электронным
нагревом
Назарова Т. С., Марченко Л. А., Баби-
„ чев Е- 0............................. 196
Тимофеев 10. А........................ 197
1 лазов В. В., Глазов В. М., Фещенко И. А. 198
Кириллов С. В., Усин В. А............. 199
Ледерер В. В........................... 202
Иваненко А. II., Шпиринг К............ 203
Фельдман Г. Г., Брюхневич Г. И., Жилки-
на В. М., Ильина Т. А ., Лебедев В. Б.,
Симонов В. И., Сырцев В. Н. . . . 205
Алексеев М. Б., Артемов В. И.. Железно-
ва М. А ........................... 9Q8
Громов А. И., Жаркова Г. М., ' Трашке-
ев С. II........................... 210
Будагов IO. А., Йорданов А. Б., Ли-
тов Л .Б., Харжеев IO. И., Ценов Р. В. 211
Азарх М. 3., Капоровский Б. М., Прохо-
ренко О. А., Юрцев Н.П............. 212
Поландов И. II., Крюков А. В., Гулиш
О. К., Алёхина II. С............... 213
Семихин В. И...........................214
Леонтьев 11. Г., Фесенко Ё. Г. . . . . . 215
Бутенко В. А ,, Кабышев А. В., Касе-
нов Ф. К., Лопатин В. В., Чернен-
п к„° Н-П.............................. 216
Прибытков В. А., Матвеев О. И., Диб-
рова А. К.......................... 218
3
Использование микрокалькулятора «Электроника МК-64» для
управления электропечью
Ячейка для низкотемпературных измерений акустических
свойств кристаллов
Экономичный гелиевый стеклопластиковый криостат
Юнусов М. С., Абдурахманов Ю. 10.,
КимВ.М., Объедков Е. В...... 220
Антюхов А . М., Кутуков В. И........222
Шаповаленко В. В., Смирнов II. М... 223
Новые приборы
Универсальный гамма-спектрометр
Система обработки шумовых сигналов на базе микро-э.в.м.
«Электроника ДЗ-28»
Автоматизированная измерительная система контроля пара-
метров анализаторов спектра
Аппаратурный комплекс для исследования флуктуаций шу-
мового поля Земли
Автоматический измеритель амплитуд и фазовых сдвигов
радиоимпульсных сигналов
Цифровой измеритель больших сдвигов фазы
Быстродействующий селектор-преобразователь время — код
в стандарте КАМАК
Процессор быстрого преобразования Фурье
Универсальный преобразователь изображения ПИУ-2
Устройство обработки изображений в реальном масштабе
времени
Измерительный генератор ГИ-100
Сильноточный управляемый разрядник
Источник питания вторично-электронного умножителя
Многоканальный искровой разрядник
Сверхпроводящий магнитокалибровочный стенд
Трехкомпонентные преобразователи Холла
Вакуумные адсорбционные ловушки повышенной проводи-
мости для механических насосов
Стабилизированный источник питания сверхпроводящих маг-
нитных систем ИТ 150-2
Герметичные вводы вращения с уплотнением па основе маг-
нитной композиции
Анализатор спектральных характеристик акустической эмис-
сии «Спектр»
Гидравлический лабораторный компрессор до 15 кбар (ГКТЛ-
15000)
Оптико-электронное информационно-измерительное устрой-
ство
Спектральный вычислительный комплекс па базе спектрофо-
тометра «Speeord 751К» микро-э.в.м. «Электроника ДЗ-
28»
Модуль управления спектрофотометром «Speeord 75IR» в
стандарте КАМАК
Лазерный доплеровский измеритель скорости
Ершов О. Б., Иванов IO. А Яковлев В. А. 226
Гришин С. А., Мальцев М. Б.............. 226
Туз IO. М., Сергеев II. 10., Демчен-
ко 10. В., Донец В. Е., Кочергин А. Л.,
Левон В. Г., Миняйло А. Ф., Федив
В. В................................... 227
Вальков С. П., Васильев Э. Ф. Верши-
нин Е. Ф.. Г ромов Б. II., Дружин Г. И.,
Козлов В. И., Лаптев А. Д., Ор-
лов В. А................................ 228
Гойжевский В. А., Огороднийчук Л. Д.,
Дворский В. Я., Маглеванная И. И.,
Падун Н. И., Сорокин А. В., Шульке-
вич В. Ф., Дворникова Д. В.............. 229
Гульчак 10. Я., Голубев А. II., Кален-
дин В. В., Супьян В. Я., Троци-
шин II. В............................... 229
Данилевич В. В., Новиков Е. В........... 230
Корчев Д. В., Макогонов 10. Г., Пова-
ренка О. М., Черная Т.Н............ 231
Госъков II. И., Якунин А. Г.. Царегород-
цев М. А., Гуляев П. 10............ 231
Ядрынцев А. В., Сальников И. И., Ку-
таев 10. Ф......................... 232
Туз IO. М., Губарь В. И., Демченко IO. В.,
Донец В. Е., Крючатов С. Д., Миняй-
ло А. Ф.. Терех. В. В., Федив В. В. . 232
Калашников Н. К., Муратов В. М........ 233
Кондратьев В. II., Фасаков III. Р. . . . 234
Калашников II. К.. Муратов В. М. . . . 234
Пуринов В. Ф., КокавецЯ., Кукарни-
ков С. И., ЛачиновВ. М., Прей-
зендорф В. А., Сабаев А. А., Тищен-
ко В. В., Цеснак Л., \Рубин Н. />.| 235
Погодин В. И., Тихомиров Н. П., Ува-
ров А. А........................... 236
Дубинский В. А., Лавыгин В. А.......... 236
Кабдин II. II., Солёный В. II., Заводов-
ский В. Ф.......................... 237
Панфилов IO. В., Фролов А. И........... 238
Горбунов А. И., Лыков Ю.И., Овча-
рукВ.Н., |<?cmpu .... 239
Шурин Я. II., Яковлев И. И., Патрии Н. С. 240
Афанасьев Г. Ф., Лушников А. С., Тара-
сове. II........................... 241
Фридман Б. С., Храмов IO. В............ 242
Яковенко С. Е., Ржеусский В. В......... 242
Кришталь В. И., Милованов В. II.. Юну-
сов Н. Б., Загиров Р. Г., Фроло-
ва Г. И., Малышева Л. А., Страшин-
ский Ч. С............................ 243
4
Многоканальный автоматизированный регистратор для ис-
следований ио лазерному зондированию
Приборы для исследования электрохемилюминесценции жид-
костей
Универсальный радиометр инфракрасного диапазона
Быстродействующий привод оптических зеркал
Автоматизированный измеритель распределения электрофизи-
ческих параметров в активных слоях полупроводниковых
структур
Бык А. ГТ., Гончаров В. К., Захожий В. В
Кваченок В. Г., Старовойтов А. М.,
Ревинский В. В., Чернявский А. Ф. 244
Бых А. И., Кукоба А. В., Шитов В. М. 244
Александров В. НГершензон Е. М., Ка-
гане М. Л., Каррыева Н. Н., Серебря-
кова Н. А........................... 245
Виноградов Е. Г., Раженков Е. Т. . . . 246
Васьков О. С., Вилькоцкий В. А., Доманев-
ский Д. С., Малаховская В. Э. . . 246
Криостат для сверхпроводящих магнитов Литвинов В. К., Постол П. Н., Папая-
нин С. И., Дорошева О. В..... 247
Автоматизированная установка для градуировки низкотемпе» Туфлин ТО. А., Добрецов А. И., Ефи-
ратурных термометров сопротивления .нов В. Б................ 248
Безвакуумный криостат для оптических исследований Бузукашвили II. И., Карумидзе Г. С.,
Трахброт Б. М........... 249
С иг нальная информация
Аннотации статей, намечаемых к публикации в журнале ПТЭ........................... 250
Главный редактор Л. ГТ. Шальников]
Зам. главного редактора М. С. Xайкни
Ответственный секретарь В. К. Плотников
Редакционная коллегия:
Басиладзе С. Г., Богомолов Г. Д., Бровченко В. Г., Гольдин Л. Л., Гохберг Б. М.,
Григорьев А. М., Дна нов-Клоков В. II., \Козодаев М. С',|, Комяк II. И.,
Куценко А. В.. Лифшиц Т. М., Эдельман В. С., Юдин Л. II.
Зав. редакцией II. А. Дубинина
Адрес редакции: 103717, ГСП, Москва, К-62. Подсосенский пер., 21, комн. 1
Справки ио телефону 227-18-25 с 14 до 18 часов
Технический редактор Л. И. Глинкина
Сдано в набор 19.03.87 Подписано к печати 15.05.87 Т-05879 Формат бумаги 84x108*/,,
Высокая печать Усл. печ. л. 26,88 Усл. кр.-отт. 198,7 тыс. Уч.-изд. 29,3 Бум. л. 8,0 Тираж 7249 Зак. 280
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Наука»,
103717 ГСП, Москва, К-62, Подсосенский пер., 21
2-я типография издательства «Наука», 121099, Москва, Г-99, Шубинский пер., 6
5
УД К 531.761:539.107.5:621.374
ПТЭ № 3, 1987
МНОГОСТОПОВЫЕ СИСТЕМЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО
ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА СЛУЧАЙНЫХ ПОТОКОВ СИГНАЛОВ
(обзор)
ДАНИЛЕВИЧ В. В., НОВИКОВ Е. В.
Рассмотрены методы структурной организации многостоповых информационно-
измерительных систем статистического временного анализа случайных потоков
сигналов, позволяющих регистрировать несколько событий в каждой реализации
исследуемого потока. Предложена соответствующая классификационная схема, ис-
пользующая в качестве основного классификационного признака степень обобществ-
ления средств кодирования временных координат индивидуальных сигналов. При-
ведены характеристики существующих вариантов многостоповых времяизмеритель-
ных систем и оценена перспективность различных путей их дальнейшего совершен-
ствования.
1. ВВЕДЕНИЕ
Многоканальный статистический времен-
ной анализ случайных потоков сигналов час-
то используется при решении задач ядерной
физики и физики плазмы, физики твердого
тела и астрофизики, оптики и радиофизики.
В этих и других приложениях определению,
как правило, подлежит зависимость от времени
интенсивности нестационарного случайного
потока сигналов, «генетически» связанного с
некоторым управляющим потоком. Оценкой
неизвестной функции интенсивности служит
частота появления отдельных импульсов в
зависимости от их временного положения
относительно начала отсчета, задаваемого им-
пульсами управляющего потока [1 -н 5].
В настоящее время известно два основных
способа измерения интенсивности случайных
потоков такого типа [6]. По первому из них
анализатор для каждой реализации обрабаты-
ваемого потока кодирует положение па времен-
ной оси единственного, ближайшего к началу
отсчета события. Второй способ предполагает
измерение временных координат нескольких
событий (мпогостоповый режим регистрации)
за каждую реализацию потока. При этом
регистрация импульсов в рабочем диапазоне
анализа может осуществляться подряд либо
но какому-то другому закону.
В современной аппаратуре все большее
распространение получает многостоновый спо-
соб регистрации, имеющий существенные пре-
имущества но основным метрологическим ха-
рактеристикам перед одностоповым способом.
При его использовании существенно повыша-
ется точность измерений, более широким стано-
вится рабочий диапазон интенсивностей вход-
ных потоков-, результаты измерения меньше
зависят от вариации интенсивности, значитель-
но упрощается обработка распределений вре-
менных интервалов [3 -=~ 6].
В настоящей работе проводится сравни-
тельный анализ возможностей существующих
многостоповых времяизмерительных систем и
оценивается перспективность различных путей
их дальнейшего совершенствования. При этом в
качестве основного признака для классифи-
кации аппаратуры используется степень обоб-
ществления средств фиксации и кодирования
временных координат индивидуальных им-
пульсов исследуемых потоков.
В соответствии с выбранным признаком
все разнообразие многостоповых систем ста-
тистического анализа случайных потоков сиг-
налов разделено на три основные группы.
К первой из них отнесены системы, в которых
для извлечения информации о временных поло-
жениях импульсов исследуемого потока ис-
пользуется несколько (по числу сигналов
в реализации) одинаковых измерительных ка-
налов. Вторую группу составляют системы
с полностью обобщенными измерительными
средствами для всех обрабатываемых импуль-
сов потока. Регистрация очередного импульса
в них может быть выполнена только при усло-
вии завершения к моменту его появления оцен-
ки временного положения предыдущего собы-
тия. Промежуточное положение между систе-
мами, принадлежащими к упомянутым группам,
занимают временные анализаторы с час-
тичным совмещением измерительных средств
отдельных каналов преобразования. Их ха-
рактерной чертой является наличие несколь-
ких параллельно работающих устройств фик-
сации и промежуточного преобразования ин-
формации о временных положениях сигналов
случайного потока и общих для всех каналов
или для группы каналов оконечных измери-
тельных блоков.
Все перечисленные разновидности времен-
ных анализаторов могут при необходимости
оснащаться различными устройствами пред-
варительной фиксации и запоминания времен-
7
пых координат импульсов исследуемого пото-
ка, которые позволяют дополнительно рас-
ширить диапазон измеряемых интенсивностей.
Наличие такого устройства выбрано в каче-
стве второго основного признака для класси-
фикации систем статистического временного
анализа случайных потоков сигналов.
2. СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ МНОГОКАНАЛЬНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ВРЕМЯ — КОД
Очевидный способ организации многостопо-
вых временных анализаторов основывается на
расширении аппаратурных затрат и полной па-
раллелизации процессов переработки инфор-
мации о каждом входном сигнале. Миними-
зация погрешностей восстановления истинной
формы потока сигналов высокой интенсив-
ности базируется в этом случае па про-
странственном разделении последнего на не-
сколько вторичных потоков меньшей интен-
сивности, обработка которых уже возможна
имеющимися одноканальными преобразова-
телями время — код. Обычно все они запуска-
ются одновременно по старт-импульсу, зада-
ющему начало обрабатываемой реализации
потока, а останавливаются последовательно
по мере поступления стоп-импульсов, выде-
ляемых из входного потока в заданном диапа-
зоне анализа селектором входных сигналов и
подаваемых на соответствующие преобразо-
ватели с помощью распределителя импульсов.
Возможен также режим работы с последова-
тельным и повторным запуском преобразова-
телей |5, 7].
Основным достоинством рассматриваемого
метода является возможность получения очень
малого мертвого времени по стоп-каналу
(~10 нс), которое определяется главным об-
разом быстродействием схем формирования,
отбора и распределения стоп-импульсов. Вме-
сте с тем анализаторы с индивидуальными ко-
дирующими устройствами имеют и ряд недо-
статков, затрудняющих их практическое ис-
пользование, особенно в случаях необходи-
мости регистрации большого количества вре-
менных интервалов в диапазоне измерений.
В первую очередь это существенная конструктив-
ная сложность, высокая стоимость, низкая
надежность, а также значительные трудности
наладки и калибровки аппаратуры. Суммарная
погрешность такой времяизмерительной си-
стемы превышает погрешности ее отдельных
каналов.
В многоканальных многостоповых времен-
ных анализаторах в принципе может приме-
няться любой способ преобразования время —
код. На практике же наибольшее распростра-
нение получили системы счетно-импульсного
типа [8, 9], поскольку перечисленные выше
недостатки проявляются в них в наименьшей
степени. Однако и для этих приборов число им-
пульсов, обрабатываемых в рабочем диапазоне
измерений, не может превосходить несколь-
ких десятков. В типичных же случаях оно
составляет 4-4-8 при шаге квантования вре-
менной шкалы 5^5 нс [9].
Кроме счетно-импульсных анализаторов
определенное распространение в практике фи-
зического эксперимента получили многосто-
повые многоканальные системы на основе кон-
денсаторных временных экспандеров 110 -4- 121.
В экспандерах накопительные элементы каж-
дого канала параллельно заряжаются в тече-
ние преобразуемых временных интервалов с
одной скоростью, а после их окончания раз-
ряжаются с другой, меныпей скоростью. Вы-
ходной временной интервал каждого канала
определяется как время от старт- или стоп-
импульса до момента восстановления на его
накопительном элементе исходного уровня на-
пряжения. Измерение расширенных времен-
ных интервалов выполняется счетно-импульс-
ным способом.
Различные варианты устройств этого типа
близки между собой по параметрам. В качестве
примера приведем данные из работы [101.
В модуле КАМАК единичной ширины разме-
щено 6 преобразователей время — цифра. Диа-
пазон измеряемых интервалов 1-4-511 нс,
число градаций временной шкалы 512, предель-
ное разрешение 0,1 нс. Интегральная и диф-
ференциальная нелинейности отдельных преоб-
разователей составляют 0,17 и 3% соответ-
ственно, температурная нестабильность коэф-
фициента преобразования 0,03%/ °C, макси-
мальное время измерений ~25 мкс.
3. МНОГОСТОПОВЫЕ ВРЕМЕННЫЕ
АНАЛИЗАТОРЫ С ОБОБЩЕННЫМИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ СРЕДСТВАМИ
Из-за последовательного характера обработки
информации неискаженную регистрацию интен-
сивности потоков сигналов рассматриваемыми в
данном разделе системами можно обеспечить
лишь при использовании кодирующего устрой-
ства, мертвое время которого не превышает ми-
нимально возможный интервал следования им-
пульсов по стоп-входу. Кроме того, измеритель-
ный контур должен быть оснащен цифровым за-
поминающим устройством (ц.з.у.) необходимого
быстродействия с емкостью, равной максималь-
ному числу событий потока в диапазоне реги-
страции. На практике для реализации данной
методики статистического временного анализа
наибольшее распространение нашли времен-
ные селекторы [13-4-291 и счетно-импульсные
преобразователи время — код [30ч-45] (рис. 1).
8
Рис. 1. Классификация миогостоповых систем временного анализа с обобщенными измерительными средствами
3.1. Временные анализаторы-селекторы
Работа анализаторов-селекторов основана
на формировании прецизионной сетки времен-
ных отметок, разбивающих весь диапазон из-
мерений на элементарные временные интервалы
с последующим выделением (селектировапием)
попавших в каждый из этих интервалов им-
пульсов входного потока и суммированием
их за большое число реализаций исследуемого
процесса. Начало формирования канальной
сетки связано с начальной фазой процесса либо
задерживается относительно стартового им-
пульса на фиксированный промежуток вре-
мени. Временные отметки формируются с по-
мощью одновибраторов, линий задержек или
высокостабильных генераторов времязадающих
импульсов [46]. Последний способ задания
шкалы, аналогичный используемому в изме-
рителях временных интервалов прямого счета,
весьма прост и имеет очевидные преиму-
щества но точности и стабильности формиро-
вания границ каналов. Это обусловило его
исключительное применение в современных
разработках.
11о методу организации сбора данных се-
лекторные анализаторы делятся на системы
с последовательным и параллельным обзором
временной шкалы. В селекторах первого тппа
[13-5-161, часто называемых одноканальпы-
ми, в каждом цикле измерений формируется
единственный элементарный временной интер-
вал, положение которого последовательно пе-
рестраивается в пределах рабочего диапазона
анализа после регистрации некоторого числа
реализаций исследуемого процесса, достаточно-
го для достижения заданной статистической
точности измерений. Однокаиальпая структура
определяет предельную простоту рассматри-
ваемых устройств, что стимулирует их рас-
пространение, несмотря на низкую скорость
набора данных.
Анализаторы-селекторы с параллельным
обзором временной шкалы предусматривают
формирование полного набора элементарных
интервалов регистрации в течение каждой реа-
лизации исследуемого потока сигналов. В свою
очередь они могут быть разделены на устрой-
ства с совмещением и с разделением средств
счета и храпения числа событий.
Устройства первой группы [17 -ь 20] со-
держат в каждом временном канале индиви-
дуальный счетчик импульсов, данные в кото-
ром накапливаются в течение всего процесса
измерений. Эти системы обеспечивают в ходе
эксперимента постоянный контроль анали-
зируемого временного распределения. Тем не
мепее их область применения из-за больших
габаритов и потребляемой мощности ограни-
чивается случаями, когда требуемое число
каналов не превосходит 20 -5- 30.
Временные селекторы с раздельными сред-
9
Рис. 2. Структурная схема анализатора-селектора
с двумя попеременно работающими регистраторами
Рис. 3. Структурная схема многоканального анализа-
тора-селектора
ствами счета и хранения в простейшем случае
содержат одни общий для всех каналов счет-
чик импульсов, информация с которого пе-
реписывается в оконечное устройство накоп-
ления и хранения данных в паузах между
смежными интервалами регистрации [21, 22].
В таких системах можно получить практически
неограниченное число временных каналов при
невысокой сложности измерительного контура,
однако они обладают также и существенным
недостатком — наличием широких зон нечув-
ствительности вблизи границ временных ка-
налов.
От отмеченного недостатка свободны селек-
торные временные анализаторы с двумя попе-
ременно работающими регистраторами [23 -5-
-г- 26]. Они содержат отдельные для четных и не-
четных элементарных интервалов регистрации
счетчики импульсов Сч (рис. 2). Стартовым
сигналом запускается генератор таймерных им-
пульсов ГТИ, задающий положения границ
временных каналов. Таймерные импульсы пе-
реключают работающий в счетном режиме
триггер Тг, обеспечивающий поступление им-
пульсов в четном временном канале на счет-
чик Сч1, а в нечетном — на Сч2. Таймерными
импульсами переключается и устройство уп-
равления УУ, организующее обмен информа-
цией между счетчиками и памятью. При реги-
страции входного потока счетчиком Сч1 инфор-
мация из Сч2 переписывается в текущий г-й
нечетный канал цифрового запоминающего уст-
ройства ЦЗУ, после чего Сч2 обнуляется и в не-
го заносится накопленный в предыдущих циклах
измерения результат из (г + 2)-й ячейки памя-
ти. С приходом очередного таймерного импульса
счетчики меняются ролями, а обмен информацией
происходит с четными каналами ЦЗУ. Мини-
мальная ширина канала в рассмотренном ана-
лизаторе определяется скоростью обмена ин-
формацией с памятью, а мертвое время между
каналами — длительностью процессов пере-
ключения входов счетчиков. Построенный по
такой структурной схеме анализатор [25] имеет
34 временных канала с минимальной шириной
2,5 мкс и емкостью 10е импульсов. Разрешение
устройства по входу 10 нс, мертвое время
между каналами 15 нс.
Развитие интегральной схемотехники и соз-
дание скоростных схем памяти с произвольной
выборкой большой емкости возродило инте-
рес к временным селекторам, позволив в пол-
ной мере использовать их основное достоин-
ство — возможность обработки высокоинтен-
сивных стохастических потоков сигналов,
поступающих параллельно по нескольким ин-
формационным каналам. Так, для систем
регистрации информации с многопроволочных
дрейфовых камер разработан ряд многока-
нальных преобразователей время — цифра се-
лекторного типа, базирующихся на примене-
нии интегральных схем памяти с временем
записи 7 — 8 нс и отличающихся простотой функ-
циональной организации [27 29]. Обобщен-
ная структурная схема этих преобразователей
приведена на рис. 3. Устройство содержит
ряд схем памяти, адресуемых общим синхрон-
ным счетчиком. Импульсы времязадающего
генератора ВЗГ через синхронизатор Ск по-
стоянно поступают па счетный вход адресного
счетчика ЛСч, обеспечивая последовательное
сканирование отдельных запоминающих ячеек.
Поступающие по шинам данных импульсы фа-
зируются синхронизатором С2 относительно
сигналов ВЗГ и записываются в соответствии
с моментом поступления в текущие ячейки
отдельных схем памяти. Процесс записи пре-
рывается задержанным стартовым импульсом,
блокирующим через С\ входы адресного счет-
чика и схем памяти. Преобразователь работает
с обращенной временной шкалой, что позво-
ляет упростить его конструкцию, заменив ли-
нии задержки на стоповых входах устройства
задержкой стартового сигнала.
Описанный в работе [29] преобразователь
выполнен в модуле стандарта КАМАК единич-
ной ширины и содержит 16 измерительных
каналов. Минимальная ширина временного ка-
нала 7 нс, полный динамический диапазон из-
мерений 26, 2' или 28 временных каналов
10
3.2. Одноканальные многостоповые
временные анализаторы счетно-импульсного
типа
Анализаторы статистических распределений
временных интервалов па основе преобразо-
вателей время — код (н.в.к.) счетно-импульс-
ного типа получили едва ли не наибольшее
распространение в экспериментальной физике
и технике благодаря широкому динамическому
диапазону измерений и малому мертвому вре-
мени регистрации, простоте конструкции, высо-
кой надежности и низкой стоимости, высокой
однородности и стабильности временной шка-
лы. Основным ограничивающим фактором в
данном случае является относительно большое
разрешающее время, определяемое быстро-
действием существующей элементной базы.
В большинстве известных вариантов счетно-им-
пульсных преобразователей время— код шаг
квантования измеряемых интервалов состав-
ляет 5-4-20 нс [30 -н 34], хотя в отдельных
разработках его значение доведено до 1 н- 2 нс
[35, 36]. Время кодирования Тк в таких системах
определяется скоростью распространения пе-
реноса по разрядам кодирующего счетчика.
Одной из центральных проблем при раз-
работке многостоповых временных анализа-
торов счетно-импульсного типа является орга-
низация процесса считывания данных из ко-
дирующего счетчика в цифровое запоминающее
устройство. Можно выделить два различных
подхода к решению этой задачи. Первый под-
ход предполагает считывание данных с не-
прерывно работающего счетчика стоповыми сиг-
налами, сфазированными с импульсами время-
задающей последовательности. Если выпол-
няется условие 7’к < Тп и То — Тк Тяу (где
То — период времязадающих колебаний, 7’зу —
время записи информации в память), то дан-
ная задача решается весьма просто при помо-
щи многоступенчатых схем селекции сигналов
[37 -4- 401. Если Тк > Т’о, то работа и.в.к.
с непрерывным счетом может быть обеспечена
только при выполнении условия Тзу < Т„
путем введения в цепи считывания данных ком-
пенсирующих линий задержки [41, 42]. Струк-
турная схема такой системы показана на
рис. 4. С приходом старт-сигпала разрешается
поступление импульсов с времязадающего
генератора ВЗГ на счетчик С’ч; при этом схема
фазирования С<1\, синхронизируя старт-сиг-
нал относительно опорных импульсов, устра-
няет возможность поступления на счетчик не-
стандартного первого импульса формируемой
последовательности. Стоп-импульсы поступают
на схему СФ.2, выделяющую ближайшие сле-
дующие за ними импульсы опорного генератора,
которыми через схемы II выполняется выборка
Рис. 4. Структурная схема преобразователя время —
код счетно-импульсного типа с линиями задержки
в цепях считывания данных
информации из счетчика. Линии задержки
Л31 и ЛЗп по электрической длине подбира-
ются такими, чтобы импульсы считывания на
схемы В подавались по окончании переход-
ных процессов в соответствующих разрядах
счетчика. Если необходимо обеспечить одно-
временность появления информации во всех
разрядах, на выходах схем И устанавлива-
ются компенсирующие линии задержки.
К числу несомненных достоинств рассматрива-
емых преобразователей относятся, прежде всего,
высокое временное разрешение и малое мерт-
вое время регистрации, практически равные
одному периоду опорного генератора.
При отсутствии жестких требований к мерт-
вому времени в стоп-капале измерительный
контур временного анализатора можно реали-
зовать на основе п.в.к. с остановкой счета.
В этих системах стоп-импульсы прерывают
поступающую на кодирующий счетчик время-
задающую серию, а информация в ц.з.у. счи-
тывается после перехода счетчика в устано-
вившийся режим [36, 43 -г- 45]. Очевидно, что
в таких п.в.к. повышенные требования по
быстродействию предъявляются только к пер-
вым каскадам счетчика, а синхронизатор мо-
жет быть заменен простой схемой задержки.
Восстановление временной шкалы, т. е. ком-
пенсация потерянных за время записи инфор-
мации в ц.з.у. импульсов опорной последо-
вательности, очень просто выполняется путем
добавления к текущему содержимому счетчика
соответствующего цифрового кода. Исполь-
зование рассмотренной методики в преобразо-
вателе [361 позволило получить мертвое время
регистрации 0,6 мкс при разрешении ± 1 нс.
3.3. Буферизация цифровых данных
в счетно-импульсных временных анализаторах
Для достижения приемлемой статистиче-
ской точности измерений при проведении мно-
гоканального временного анализа требует-
11
Рис, 5. Структурная схема двухступенчатого буферно-
го запоминающего устройства
ся накопление больших объемов информации
(> 1М бит). Реализация быстродействующих
(с наносекундным циклом записи) цифровых
запоминающих устройств такой емкости пред-
ставляет значительные технические трудности.
Поэтому запоминающие устройства современ-
ных многоканальных временных анализаторов
обычно строятся по многоступенчатой схеме.
Основному относительно медленному запоми-
нающему устройству в них предшествует быстро-
действующее промежуточное (буферное) ц.з.у.
малой емкости (или несколько промежуточных
ц.з.у.), согласующее преобразователь время —
код с основной памятью системы.
В настоящее время известны три основ-
ных разновидности буферных запоминающих
устройств (б.з.у.), различающихся соотно-
шением скоростей и порядком записи и счи-
тывания информации [3]: разравнивающего, на-
копительного и синхронизирующего типов.
Разравнивающие б.з.у. применяются в тех
случаях, когда средняя скорость поступле-
ния данных по входу буферной памяти по
крайней мере пе выше скорости выборки ин-
формации в основное ц.з.у. системы. Если
скорость считывания меньше средней скорости
записи, то сократить потери данных возмож-
но лишь путем их предварительной группи-
ровки и передачи в основную память за один
цикл обмена в виде информационного слова
повышенной разрядности. Такие б.з.у. на-
зывают накопительными.
Для сокращения потерь информации при
обмене данными между асинхронно работа-
ющими устройствами применяются б.з.у.
синхронизирующего типа, которые хранят
данные в течение подготовки последующего
устройства к очередному циклу записи. Ско-
рости записи и считывания в них могут варь-
ироваться в широких пределах, оставаясь
близкими между собой, а емкость в ряде слу-
чаев ограничивается одпой запоминающей
ячейкой.
Быстродействие б.з.у. па регистрах со-
ставляет 50 -г- 100 МГц 13, 47]. Более полно
реализовать быстродействие элементной базы
и расширить информационную емкость позво-
ляет многоступенчатый способ организации
б.з.у. с несколькими уровнями расслоения
памяти. Наибольшее быстродействие и наи-
меньшую емкость имеет первая ступень, не-
посредственно связанная входами с измери-
тельной системой. С нее информация попере-
менно направляется на два или большее число
б.з.у. меньшего быстродействия и т. д.
На рис. 5 приведена структурная схема
многоступенчатого буферного запоминающего
устройства на 15 слов с быстродействием
100 МГц [48]. Устройство состоит из модуля
памяти на 1 слово с быстродействием 100 МГц
и двух следующих за ним б.з.у. [49] на сдвига-
ющих регистрах с быстродействием 50 МГц
и емкостью 7 слов каждое. Логическая схема
ЛС периодически подключает к выходу первой
ступени запоминания одно из б.з.у. второй
ступени. В режиме считывания два послед-
них б.з.у. могут работать независимо на
два медленных запоминающих устройства со
скоростью, в 2 раза меныпей, чем в случае
б.з.у. последовательного типа. Одновремен-
ный вывод данных по нескольким линиям
позволяет при заданных емкости памяти и
входной загрузке существенно уменьшить по-
тери информации и, наоборот, заданные потери
информации обеспечиваются б.з.у. меныпей
емкости. Это б.з.у. использовалось во время-
пролетных экспериментах на синхроцикло-
троне и позволило снизить потери счета до 0,1%
при среднестатистической частоте следования
данных до 1 МГц.
Более подробный анализ и классификация
методов построения быстродействующих бу-
ферных цифровых запоминающих устройств
приведены в работах [3, 46].
4. МНОГОСТОПОВЫЕ СИСТЕМЫ ВРЕМЕННОГО
АНАЛИЗА С ЧАСТИЧНЫМ СОВМЕЩЕНИЕМ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ОТДЕЛЬНЫХ
КАНАЛОВ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО
И РЕОБР АЗОВА НИЯ ИН ФОРМАЦИИ
Частичное совмещение измерительных
средств наиболее типично для многостоповых
временных анализаторов, выполненных па ос-
нове косвенных методов преобразования время—
код. В этих системах электронное оборудова-
ние может обобществляться на любом из имею-
щихся этапов аналогового и аналого-цифрового
преобразования информации. Кроме того, одни
и те же узлы могут использоваться па различ-
ных этапах измерения в режиме разделения
времени.
Эффективность различных способов час-
тичного обобществления измерительных
средств в системах временного анализа в зна-
чительной степени зависит от типа измерп-
12
Рис. 6. Классификация многостоповых систем временного анализа с частичным совмещением измерительных
средств. ЗЭЛ1 — запоминающая электронно-лучевая трубка
тельного контура. Поэтому представляется
целесообразным деление систем с частичным
совмещением измерительных средств на груп-
пы по способу преобразования время — код.
Соответствующая классификационная схема,
определяющая структуру материала настоящего
раздела, представлена на рис. 6. Она содер-
жит три основные ветви, охватывающие наи-
более распространенные варианты много-
стоповых статистических временных анализа-
торов с частичным совмещением узлов аналого-
вого и аналого-цифрового преобразования ин-
формации: с промежуточным преобразованием
время — амплитуда (заряд) [5, 50 — 62], но-
ниусные [52, 631 и комбинированные системы
[64-т- 721.
4.1. Миогостоповые преобразователи
время — амплитуда — код
Все многообразие многостоповых статисти-
ческих временных анализаторов с промежу-
точной трансформацией измеряемого парамет-
ра в напряжение можно разделить на две ос-
новные группы. Первая из них объединяет
многоканальные конденсаторные расширители
временных интервалов [50, 51], вторая — си-
стемы, выполненные на основе автономных
преобразователей время — амплитуда и ампли-
туда — код [52 н- 621.
Совершенствование аппаратуры, относя-
щейся к первой из выделенных групп, направ-
ленное на сокращение объема и повышение
физической плотности размещения средств из-
мерений, базируется, прежде всего, на отказе
от индивидуальных преобразователей время —
цифра на последнем этапе измерений. При этом
поступающие на вход системы интервалы рас-
тягиваются индивидуальными временными
экспандерами, а последние обслуживаются об-
щим преобразователем время — цифра. В за-
висимости от его типа, растянутые интервалы
измеряются последовательно друг за другом
[50], что требует организации во временных
экспандерах режима хранения информации,
либо параллельно [511, что возможно при при-
менении преобразователя время — цифра пря-
мого счета со считыванием информации без
его остановки. Использование первой из ука-
занных процедур [50] позволило разместить
в модуле КАМАК единичной ширины 16 пре-
образователей время — цифра, близких по
своим параметрам к рассматриваемым в [10],
и более чем вдвое повысить плотность упаков-
ки измерительных каналов.
В систему регистрации информации с
дрейфовых камер [511 входят выполненные в
виде модулей КАМАК единичной ширины 16-ка-
нальный временной экспандер и 9-разрядный
преобразователь время — код, способный ре-
гистрировать до 16 расширенных временных
интервалов. Совместно эти модули реализуют
вторую из рассмотренных выше процедур
временного анализа. Основные характеристики
13
экспандера: диапазон измеряемых интервалов
500 нс, коэффициент преобразования 20 ± 0,5;
интегральная и дифференциальная нелиней-
ность <. 0,4 и 3% (с 10% шкалы) соответствен-
но. Преобразователь время — код позволяет
измерять временные интервалы до 20 мкс при
мертвом времени в стоп-канале 35 нс. Следует
отметить, что в данном случае п.в.к. прак-
тически не увеличивает время регистрации
всей системы и оно определяется мертвым
временем одного экспандера. При последо-
вательном же опросе экспандеров время ре-
гистрации возрастает пропорционально их ко-
личеству, а точность измерений снижается из-за
утечек в течение этого времени заряда с на-
копительных элементов экспандеров.
Основным недостатком анализаторов рас-
сматриваемого типа является невысокая ста-
бильность и линейность временной шкалы
(особенно в субмикросекундном и наносекунд-
ном диапазонах) [6, 521. 'Грудную проблему
представляет для них борьба с рассогласова-
нием дрейфов порога и масштаба шкалы отдель-
ных каналов, которые дополнительно ухуд-
шают разрешение аппаратуры.
Перечисленные недостатки в значительно
меньшей степени свойственны многостоповым
анализаторам с обобщенным автономным пре-
образователем время — амплитуда типа стро-
бирования, которые входят во вторую из ра-
нее выделенных групп и строятся на основе
многоканальных схем выборки и хранения
[53-4-55].
В простейшем случае схема выборки и хра-
нения содержит линейный ключ и набор (го
числу регистрируемых стоп-импульсов) ана-
логовых запоминающих устройств (а.з.у.)
пиковых значений коротких импульсов. 1 а
информационный вход ключа подается сигнал
с генератора линейно изменяющегося напря-
жения, запускаемого старт-импульсом, а на
управляющий вход — надлежащим образом
сформированные стоп-импульсы. В резуль-
тате на его выходе формируется последова-
тельность коротких импульсов, амплитуды
которых пропорциональны регистрируемым
интервалам. Эти амплитуды фиксируются в
соответствующих ячейках а.з.у. и последова-
тельно преобразуются в цифровую форму при
помощи одного преобразователя напряжение —
код.
Подобные устройства имеют достаточно вы-
сокое разрешение (~ 100 пс), однако их мерт-
вое время ио стоп-каналу и особенно линейность
временной шкалы оставляют желать лучшего.
Для наиболее совершенных преобразователей
микросекупдпого и субмикросекундного диа-
пазонов эти параметры лежат на уровне 50 не,
5% соответственно. Ограничения в данном слу-
14
чае возникают главным образом на этапах
стробирования и фиксации мгновенных зна-
чений линейно изменяющегося напряжения
в схеме выборки и хранения.
Несколько лучшим быстродействием об-
ладают многостоповые преобразователи вре-
мя — амплитуда со следящими устройствами
выборки и хранения (у.в.х.) [56 -4- 591.
В этих устройствах линейно изменяющееся на-
пряжение с выхода генератора подается одно-
временно на все у.в.х. Последние синхронно
с поступлением импульсов на стоп-вход ана-
лизатора последовательно переводятся из ре-
жима слежения в режим хранения, фиксируя
мгновенные значения пилообразного напря-
жения, пропорциональные временным интер-
валам между старт-импульсом и соответст-
вующими стоп-импульсами. Сформированные
таким образом уровни квазипостояпного на-
пряжения преобразуются затем в цифровую
форму. В микросекупдном диапазоне среди
существующих многоканальных преобразова-
телей время — амплитуда — код (в.а.к.) типа
стробирования лучшие идентичность и ста-
бильность характеристик отдельных изме-
рительных каналов имеют устройства на осно-
ве следящих ячеек выборки и хранения замкну-
того типа. В частности, в устройстве [561 не-
однородность временной шкалы в диапазоне
0-4-1 мкс составляет 1%. Различие коэф-
фициентов передачи каналов (для четырех
каналов) при этом < 0,05%, разрешение 0,5 нс.
Однако в субмикросекундном и напосекундном
диапазонах эти преобразователи теряют свои
преимущества из-за инерционности исполь-
зуемых в запоминающих ячейках операцион-
ных усилителей и ключевых элементов.
В работе [581 представлены результаты
экспериментальных оценок применимости в мно-
гоканальных преобразователях в.а.к. сле-
дящих запоминающих устройств разомкнутого
типа. В качестве последних использовались
диодно-конденсаторные схемы, коммутиру-
емые при помощи быстродействующих токо-
вых переключателей. Согласование запоми-
нающих ячеек с генератором линейно нарастаю-
щего напряжения осуществлялось при помо-
щи многокаскадного эмпттерного повторителя.
Исследования показали, что при работе в
микросекупдном диапазоне применение в пре-
образователе время — амплитуда запоми-
нающих ячеек разомкнутого типа позволяет
получить при незначительном ухудшении ли-
нейности шкалы (~20%) по сравнению с
устройствами, использующими операцион-
ные усилители, почти на порядок лучшее
разрешающее время. Различие коэффициентов
преобразования в отдельных каналах (для че-
тырех каналов) при этом может быть <0,05%.
к
Рис. 7. Функциональная схема многоканального нремя-
амплитудного преобразователя с разомкнутыми запо-
минающими ячейками. Г1111 — генератор пилообраз-
ного напряжения, ВЭ — буферный элемент
Применение разомкнутых ячеек в устройст-
вах субмикросекундного диапазона (^100-j-
-4-200 нс) оказывается предпочтительнее замкну-
тых следящих схем как с точки зрения раз-
решения, так и в отношении нелинейности
шкалы. 13 исследованном преобразователе
в.а.к. с четырьмя каналами в диапазоне 3 -4-
-4-100 нс получено разрешение < 50 нс при не-
линейности и различии коэффициентов пре-
образования каналов <Д и 0,1% соответствен-
но. В устройствах же с запоминающими ячей-
ками замкнутого тина инерционность опера-
ционных усилителей не позволяет получить
разрешающее время и нелинейность шкалы
лучше 0,3 нс и 2% в эквивалентном диапазоне
измерений.
В аналогичном преобразователе, рассмот-
ренном в работе [591, ключи записи у.в.х. ис-
пользуются также и для считывания информа-
ции в амплитудно-цифровой преобразователь.
Параметры временной шкалы в данном устрой-
стве (рис. 7) задаются при помощи генератора
линейно изменяющегося напряжения, состоя-
щего из параллельного ключа Ял7, генератора
тока ГТ и накопительного конденсатора С\.
Формируемое им пилообразное напряжение пе-
редается через буферный элемент и нормально
открытые ключи Кл2, Кл4 -4- Кл7 на конденса-
торы С., -4- Съ. Входные стоп-импульсы посту-
пают на регистр сдвига ВгС, управляющий клю-
чами Кл4 : Кл7, выполненными на элементах
дополняющей м.о.и.-структуры. С приходом
стоп-сигнала соответствующий накопительный
конденсатор отключается от выхода Кл2 и на
нем фиксируется достигнутый к этому моменту
уровень напряжения, пропорциональный из-
меряемому временному интервалу. В конце диа-
пазона анализа поступление стоп-импульсов
блокируется и устройство переходит в режим
считывания. При этом Г ПН отключается от
выходного операционного усилителя ОУ, и к
Рис. 8. Структурная схема временного анализатора
на основе автономных преобразователей время —
амплитуда. P1I — распределитель импульсов
нему последовательно подключаются накопи-
тельные конденсаторы С2 -4- С5.
Этот преобразователь предназначен для сбо-
ра информации с системы дрейфовых камер
спектрометра МАРК и выполнен в виде модуля
КАМАК единичной ширины. Модуль содержит
16 идентичных каналов преобразования, каж-
дый из которых обеспечивает регистрацию до
4 стоп-импульсов. Диапазон преобразуемых
временных интервалов 0 -4- 550 не, время об-
работки информации об одном событии 3 мкс.
Общее количество модулей преобразования в
системе 33 (2112 событий). Общее разрешение
одного канала преобразования, оцененное сум-
марной среднеквадратичной погрешностью, 1 нс.
Температурный дрейф 0,3 нс/10 °C, максималь-
ная погрешность из-за утечки заряда 0,3%.
Достигнуть некоторого компромисса в от-
ношении разрешающего времени и степени иден-
тичности параметров функции преобразования
для различных стоп-импульсов позволяют си-
стемы временного анализа, выполненные на ос-
нове набора автономных преобразователей вре-
мя — амплитуда и обобщенного преобразова-
теля амплитуда — код [60, 61|.
В простейшем варианте такого анализатора
(рис. 8) сигналом Старт запускаются все п
преобразователей время — амплитуда 1117 А} -4-
-4- ПВАп. Стоп-импульсами соответствующие
конверторы переводятся в режим хранения до-
стигнутых уровней напряжений. Результаты
промежуточного преобразования кодируются
последовательно в темпе работы амплитудно-
цифрового преобразователя АЦП. информация
на который передается через аналоговый муль-
типлексор .1/. Возможен также последователь-
ный запуск измерительных каналов, при кото-
ром отдельные преобразователи время — ампли-
туда регистрируют последовательность смежных
временных интервалов [5, 7|.
Мертвое время регистрации по стоп-каналу
в простейших анализаторах с набором преобра-
зователей время — амплитуда определяется
15
быстродействием входных цепей формирования
и распределения импульсов и может быть сде-
лано весьма малым (~10 нс). Однако потенци-
альное разрешение метода время— амплитуда —
код оказывается в них далеко не реализованным
из-за значительных погрешностей хранения ин-
формации па накопительных конденсаторах
преобразователей время — амплитуда. Вместе
с тем рассматриваемая структура оказывается
весьма эффективной при создании многостопо-
вых анализаторов временных интервалов суб-
наносекундиого разрешения с относительно не-
большим динамическим диапазоном измерений
(100 500), предназначенных для работы в
небольшом диапазоне изменений температуры
окружающей среды. Разрешающее время в этом
случае можно довести до 100 не, а число стоп-им-
пульсов, регистрируемых в рабочем диапазоне
измерений, до 10.
Дополнительное улучшение метрологиче-
ских характеристик в анализаторах с автоном-
ными преобразователями время — амплитуда
достигается при использовании промежуточно-
го устройства хранения результатов первого
этапа измерений, исключающего составляющую
погрешности из-за утечки заряда с накопитель-
ных конденсаторов времяамплитудных конвер-
торов. Такая мера позволяет при эквивалент-
ных мертвом времени и числе измерительных
каналов в несколько раз расширить динамиче-
ский диапазон анализа, а также довести разре-
шающее время до 30 -г- 40 пс, и, наоборот, при
эквивалентных динамическом диапазоне и раз-
решающем времени — увеличить число ре-
гистрируемых стоп-импульсов.
4.2. Нониусные преобразователи
время — код
В многостоповых временных анализаторах
нониусного типа [63] стоп-импульсами запуска-
ются индивидуальные генераторы ударного воз-
буждения с периодами следования импульсов,
равными между собой и несколько отличающи-
мися от периода следования импульсов основ-
ного генератора, который включается старт-сиг-
палом. Количество периодов колебаний каждо-
го стопового генератора с момента включения до
момента совпадения его импульса с сигналом
опорной последовательности фиксируется своим
счетчиком импульсов и представляет цифровую
оценку соответствующего временного интерва-
ла. Из-за несовершенства фазируемых генерато-
ров точность таких устройств несколько хуже,
чем систем с временными экспандерами. По ос-
тальным характеристикам опп близки между
собой.
4.3. Обобществление измерительных средств
в комбинированных системах статистического
временного анализа
Временные анализаторы комбинированного
типа наиболее перспективны в плане улучше-
ния всего комплекса технических и метроло-
гических характеристик. Эти приборы полнее
всего отражают тенденции развития техники
статистического временного анализа: расшире-
ние рабочего диапазона; повышение быстро-
действия, разрешающей способности и точности
измерений.
Сущность комбинированного способа преоб-
разования время — код состоит в использовании
двухступенчатой процедуры оценки: вначале
регистрируемый временной интервал оценива-
ется грубо счетно-импульсным методом, а за-
тем при помощи дополнительных интерполяци-
онных блоков уточняются интервалы неопре-
деленности положения старт- и стоп-импульсов
относительно сигналов времязадающего гене-
ратора [64 ч- 72]. Вытекающая отсюда двухка-
нальная структура измерительного контура
анализатора открывает чрезвычайно широкие
возможности обобществления измерительного
оборудования. Причем эффективность различ-
ных приемов обобществления в данном случае
зачастую оказывается более высокой, чем в ра-
нее рассмотренных системах косвенного преоб-
разования время — код, поскольку динамиче-
ский диапазон измерении для интерполяцион-
ных блоков почти всегда может быть более уз-
ким. чем в одношкальных преобразователях.
Конкретные способы функциональной орга-
низации многостоповых комбинированных си-
стем временного анализа весьма разнообразны,
что обусловливается в первую очередь большим
числом методов интерполяционного преобра-
зования временных интервалов малой длитель-
ности. Развитие техники временного анализа
привело к созданию приборов, использующих
в интерполяционных блоках хронотроны [46,
731, расширители временных интервалов на
запоминающих электронно-лучевых трубках
[46, 741, нониусные устройства и преобразова-
тели время — амплитуда — код [64-4-67, 71,
72]. В этих приборах обобществляются как от-
дельные каналы грубого и (или) точного преоб-
разования, так и входящие в упомянутые кана-
лы измерительные средства.
Известен, в частности, многостоповый ком-
бинированный преобразователь время — код с
полностью обобщенными каналами грубого и
точного измерений [73]. Первый канал выпол-
нен на основе счетно-импульсного метода со
считыванием информации из кодирующего
счетчика без его остановки, а интерполяцион-
ный канал — на основе хронотропного метода
16
измерения. Разрешение устройства 1 нс, число
уровней квантования шкалы 218, мертвое вре-
мя по стоп-каналу <1300 нс.
Наиболее перспективным направлением явля-
ется разработка комбинированных систем ста-
тистического временного анализа на основе ин-
терполяционного метода преобразования в.а.к.
[3, (>|. К настоящему времени на основе нефази-
руемых опорных генераторов и линейных преоб-
разователей время — амплитуда созданы анали-
заторы с разрешающим временем 15 -н 100 пс и
верхним пределом диапазона измерений до 10 мс
[64, 66, 75, 761. Причем многие возможности ме-
тода до сих пор остаются далеко не реализован-
ными, так как сами преобразователи в.а.к. поз-
воляют получать разрешающее время порядка
единиц пикосекунд [3, 4, 61.
При создании подобных систем могут исполь-
зоваться самые различные методы буферизации
промежуточных результатов аналогового и циф-
рового преобразования в сочетании с методами
буферизации входного потока импульсов.
В частности, рассмотренный выше способ органи-
зации преобразователей в.а.к. на основе набора
конверторов позволяет создать достаточно про-
стые приборы, имеющие одновременно высокую
точность измерений и малое мертвое время по
стоп-каналу, так как интерполяционные преоб-
разователи работают в относительно узком ди-
намическом диапазоне. При частоте времяза-
дающего генератора 100 МГц и четырех — вось-
ми регистрируемых в диапазоне анализа интер-
валах можно, не применяя стабилизацию, по-
лучить разрешающее время преобразователя
100 -т- 200 пс.
Структурная схема комбинированного п.в.к.
[3, 67] с рассмотренной структурой интерполя-
ционного тракта и общей для всех регистриру-
емых интервалов схемой грубого измерения при-
ведена на рис. 9. Старт-сигнал, задающий на-
чало измеряемых временных интервалов, посту-
пает на информационный вход схемы селекции
интерполируемых интервалов ССИИУ, которая,
в зависимости от требуемой точности измерений,
может быть выполнена по двух- или трехсту-
пенчатой схеме [6], и запускает преобразова-
тель время — амплитуда ПБА^ Схема селекции
ССИИ1 выделяет из времязадающей последо-
вательности импульсов образцового генератора
второй (или третий) следующий за старт-сигна-
лом импульс, который останавливает преобра-
зователь ПВАг и открывает схему пропускания
СП, разрешая поступление времязадающих им-
пульсов на счетчик грубого измерения СГИ. На
выходе преобразователя ПВЛУ формируется им-
пульс, амплитуда которого пропорциональна
временному интервалу между старт-сигпалом и
импульсом, выделенным схемой ССИИ1. Эта
амплитуда запоминается в АЗУ, измеряется
Рис. 9. Структурная схема комбинированного пре-
образователя время — код с общей схемой грубого
измерения. ССГК — схема считывания грубого кода
АЦП и полученный код передается в арифме-
тическое устройство АУ.
Аналогичным образом при помощи распре-
делителя РИ, преобразователя ПВА., и схемы
селекции ССИИ., формируется и преобразуется
в амплитуду интервал неопределенности времен-
ного положения первого стоп-импульса отно-
сительно сигналов опорного генератора. Эта
амплитуда запоминается во второй ячейке АЗУ
до окончания интерполяционного преобра-
зования амплитуда —код, вызванного старт-сиг-
налом. По окончании этого процесса или (если
первое преобразование закончилось) сразу после
принятия ячейкой памяти информации с ПВЛ2
информация со второй ячейки аналогового запо-
минающего устройства поступает на АЦП, где
преобразовывается в двоичный код, который
передается в АУ. В последнем по результатам
грубого и точных измерений вычисляется циф-
ровой эквивалент анализируемого временного
интервала, который фиксируется далее в ЦЗУ.
Аналогично рассмотренному выше регистриру-
ется второй, третий и т. д. временные интер-
валы.
Испытания разработанного анализатора по-
казали, что даже без специальной системы ста-
билизации в нормальных условиях эксплуата-
ции можно получить разрешающее время систе-
мы 200 -т- 300 пс при числе регистрируемых со-
бытий в рабочем диапазоне измерений до 10.
Погрешность измерения за счет пеидентичности
характера температурных нестабильностей по-
рога преобразования отдельных преобразова-
телей время — амплитуда и ячеек аналогового
запоминающего устройства легко снижается до
уровня 100 пс и менее. Мертвое время по стоп-
капалу (40ч-50нс) определяется главным обра-
зом частотой образцового генератора (100 МГц)
2 птэ, № з
17
Рис. 10. Структурная схема комбинированного пре-
образователя время — код с параллельным аналого-
цифровым преобразователем в тракте интерполяции
и числом ступеней в схеме селекции ССИИ.,.
Дальнейшее снижение мертвого времени до
10 нс возможно за счет определенного усложне-
ния схемы при использовании индивидуальных
для каждого стоп-импульса схем селекции ин-
терполируемых интервалов.
Дальнейшее совершенствование комбиниро-
ванных временных анализаторов рассматривае-
мого класса связано с полным обобщением изме-
рительных средств стопового интерполяцион-
ного капала и использованием па втором этапе
интерполяции быстрых способов аналого-циф-
рового преобразования (параллельного и пораз-
рядного кодирования). Структура измеритель-
ного контура в подобных системах оказывает-
ся чрезвычайно простой, а число стон-импуль-
сов, регистрируемых в рабочем диапазоне ана-
лиза, может быть практически неограниченным.
В качестве примера на рис. 10 представлена
обобщенная структурная схема разработан-
ного авторами многостопового комбинирован-
ного преобразователя время — код, использую-
щего полное обобщение измерительных средств
для всех регистрируемых в рабочем диапазоне
анализа стоп-импульсов [77]. Канал грубого
измерения в этом устройстве аналогичен соот-
ветствующему каналу предыдущего преобразо-
вателя. В его состав входят времязадающий ге-
ператор ВЗГ с рабочей частотой 100 МГц, схе-
ма пропускания СП, счетчик грубого измерения
СГИ, схема считывания грубого кода ССГК и
цифровое запоминающее устройство регистро-
вого типа ЦЗУх па восемь 20-разрядпых слов.
Все эти устройства выполнены на микросхемах
серии К500. Канал интерполяции неопределен-
ности временных положений строб-импульсов
относительно опорных выполнен на основе двух-
ступенчатой схемы селекции интерполируемых
интервалов ССИ1Ц, преобразователя время —
амплитуда ПВАГ старт-стоппого типа и ампли-
тудно-цифрового преобразователя АЦ1Ц по схе-
мам, приведенным в работе [78]. Аналогичную
структуру имеет и стоповый канал интерполя-
ции. Он содержит схему селекции интервалов
неопределенности ССИИ.,, преобразователь вре-
мя — амплитуда 11В А 2 и аналого-цифровой пре-
образователь АЦ112. Выходные коды АЦП., на-
капливаются в цифровом запоминающем уст-
ройстве ЦЗУ2 емкостью восемь 6-разрядпых
слов и по окончании рабочего диапазона изме-
рений пересылаются в арифметическое устрой-
ство А У для стыковки с результатами первого
интерполяционного и грубого преобразований.
При использовании в рассматриваемом уст-
ройстве в качестве АЦП., интегрального пре-
образователя 1107ПВ1 1471 типовая величина
мертвого времени по стоп-каналу составила
50 нс, а разрешающее время на верхнем пределе
диапазона измерений, равном 10 мс, не превос-
ходило ~3-10~10 с. При отборе интегральных
микросхем 1107ПВ1 по быстродействию было
достигнуто мертвое время регистрации 40 нс.
Следует отметить, что мертвое время регист-
рации в рассмотренном анализаторе .можно сни-
зить в ~2 раза простой заменой аналого-циф-
рового преобразователя 110711131 на более быст-
родействующий преобразователь 110711133 [471.
Число стоп-импульсов, регистрируемых в диа-
пазоне измерений, для данного устройства оп-
ределяется в основном емкостями ЦЗУ2 и ЦЗУ.,
и при использовании современных быстро-
действующих схем памяти может достигать
1000.
5. СТАТИСТИЧЕСКОЕ РАЗРАВНИВАНИЕ
ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКОВ СИГНАЛОВ
ПА ВХОДЕ ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗАТОРА
Разравнивание интенсивности потоков сиг-
налов является наиболее универсальным спо-
собом повышения загрузочной способности ста-
тистических временных анализаторов. Оно поз-
воляет получить предельно малое мертвое вре-
мя регистрации с преобразователями время —
цифра умеренного и малого быстродействия.
Практически эта операция сводится к запомина-
нию в реальном масштабе времени временных
координат событий исследуемого потока и их
выдаче в измерительный контур анализатора с
доступной для последнего скоростью.
Фиксация и хранение информации о времен-
ных положениях сигналов выполняется чаще
всего автономными запоминающими устройст-
вами динамического типа [4, 79], хотя в нониус-
ных анализаторах с этой целью может исполь-
зоваться непосредственно измерительный кон-
тур преобразователя время — код [80, 811.
Известны две основные разновидности ди-
намических запоминающих устройств — замк-
нутые и разомкнутые. Разомкнутые устройства
18
Рис. 11. Структурная схема временного анализатора
с динамическим запоминающим устройством разомкну-
того типа
(рис. 11) строятся па основе набора калиброван-
ных линий задержек ЛЗ, с помощью которых
формируется ряд реализаций входного потока,
сдвинутых друг относительно друга па время,
песколько большее мертвого времени используе-
мого ПВК. Первый стоп-импульс минует линии
задержки и поступает на ПВК через мультиплек-
сор М, фиксируя окончание первого временного
интервала и запуская схему анализа наложений
САН. Если следующий импульс входного по-
тока поступает в пределах времени регистрации,
выходным сигналом анализатора наложений ко
входу ПВК через мультиплексор подключается
выход первой линии задержки и регистрируется
второй импульс потока, сдвинутого на калибро-
ванный временной интервал. При этом анализи-
руется интервал между вторым и третьим им-
пульсами входного потока и, в зависимости от
результата анализа, ко входу ПВК подключа-
ется исходный несмещенный канал или выход
последующей линии задержки. Для коррекции
результатов измерений совместно с ними пере-
дается и номер текущего капала мультиплексо-
ра, определяющего величину введенной за-
держки.
Так как диапазон формирования прецизион-
ных высокостабильных временных задержек
ограничен, динамические запоминающие устрой-
ства разомкнутого типа оказываются эффектив-
ными лишь в комплексе с и.в.к. высокого быст-
родействия, а их емкость ограничивается 10 -4-
-4-20 событиями. Общие параметры временного
анализатора ври этом в значительной степени
определяются параметрами мультиплексора,
скорость переключения которого определяет
мертвое время такого динамического запоми-
нающего устройства и как составная часть вхо-
дит в общее мертвое время системы.
Применение принципа динамического запо-
минания в многостоповом конверторе время —
амплитуда [55] обеспечило повышение точности
измерений в 2 раза и сокращение мертвого
времени по стоп-капалу в 3 раза.
Лучшими характеристиками по сравнению
с разомкнутыми системами обладают динами-
ческие аналоговые элементы памяти замкнутого
типа на основе генераторов с задержанной об-
ратной связью. Один из лучших элементов па-
мяти этого типа в диапазоне интервалов 10 -4-
4-1024 нс обеспечивает устойчивое хранение цу-
га из 6-4-10 импульсов с минимальным времен-
ным интервалом между ними 10 нс в течение
250 300 мкс. При этом максимальная дефор-
мация величины интервала составляет ~2%
[79, 821.
Точность хранения временных интервалов
в замкнутых устройствах определяется стабиль-
ностью частоты и временными корреляциями
рециркулирующих сигналов. Следует также от-
метить, что указанные корреляции не только
ухудшают точность записи и храпения времен-
ных интервалов, но и могут привести к нелиней-
ности шкалы анализаторов.
Существенное повышение долговременной
стабильности замкнутых динамических запоми-
нающих устройств достигается фазовой с.в.ч.-
стабилизацией частоты рециркуляционных ге-
нераторов [4, 821. Время хранения информации
без разрушения определяется при этом стабиль-
ностью с.в.ч.-колебаний и может достигать не-
скольких часов. Естественно, что схемные реше-
ния устройств этого типа оказываются достаточ-
но сложными, а требования, предъявляемые к
качеству монтажа аппаратуры, очень высокими.
Временное разрешение анализаторов с синхро-
низируемыми динамическими элементами па-
мяти замкнутого тина определяется периодом
синхронизирующих колебаний и в связи с этим
имеет принципиальные ограничения, определя-
емые трудностями осуществления синхрониза-
ции на частотах >10 ГГц и погрешностями из-за
кратковременных флуктуаций частоты синхро-
низирующего сигнала, связанных с шумом кас-
кадов умножения.
Дальнейшее увеличение точности синхро-
низируемых замкнутых запоминающих уст-
ройств связано с развитием методов интерполя-
ции неопределенности момента записи сигнала
в пределах одного периода с.в.ч.-колебапия.
Устройство такого типа разработано для много-
стопового спектрометра астрофизического на-
значения [821. При частоте сигнала синхрониза-
ции 2,5 ГГц и интерполяции па восьми динами-
ческих элементах памяти оно позволяет фикси-
ровать от 2 до 5 импульсов в каждом элементе.
Погрешность записи, хранения и считывания
информации в устройстве составляет +50 пс
при времени храпения до нескольких ча-
сов.
Классификация и более подробный анализ
динамических элементов памяти замкнутого
типа даны в работах [4, 82].
2*
19
ЛИТЕРА ТУРА\
1. Маталин Л. АЧубаров С. И., Смирнов В. И. и др.
Электронные методы ядерной физики / Под ред.
Л. А. Маталина. М.: Атомиздат, 1973.
2. Чернявский А.Ф., Бекетов С. В., Потапов А. В.
Статистические методы анализа случайных сигна-
лов в ядерно-физическом эксперименте. М.: Атом-
издат, 1974.
3. Потапов А. В., Чернявский А.Ф. Статистические
методы измерений в экспериментальной физике /
Под ред. А. Ф. Чернявского. М.: Атомиздат, 1980.
4. Малевич И. А. Методы и электронные системы ана-
лиза оптических процессов (при их временном
отображении). Минск: Изд-во Б ГУ, 1981.
5. Демчук М.И., Иванов М. А. Статистический од-
ноквантовый метод в оптико-физическом экспери-
менте. Минск: Изд-во БГУ, 1981.
6. Данилевич В. В., Чернявский А. Ф. Временные из-
мерения в физическом эксперименте. М.: Эперго-
атомиздат, 1984.
7. Демчук М. И.. Иванов М. А., Сильнов Л. В. //
Изв. вузов. Сер. Приборостроение. 1981. Т. 24.
№ 12. С. 8.
8. Самсонов А.Е., IIIтран их И.В.ЦП.ТЭ. 1969.
№ 6. С. 72.
9. Hall S. J., Macleod А. М. //Nucl. Instrum, and
Methods. 1977. V. 140. № 2. P. 283.
10. Басиладзе С. Г., Тлачала В. // ПТЭ. 1975. № 5.
С. 78.
11. Маловичко Ю.В., Степанов В. И. //ПТЭ. 1980.
№ 4. С. 50.
12. Силаев А. А., Силантьев О. А. // ПТЭ. 1981. № 2.
С. 111.
13. Четвериков В. И., Баканович Э. .4 .. Меньков А. В.,
Соломонов Л. А. А. с. 378858 СССР //Б. И. 1973.
№ 19. С. 127.
14. Четвериков В. И., Баканович 3. А.. Меньков А. В.,
Позднякова 3. В. А. с. 413486 СССР // Б. И. 1974.
№ 4. С. 131.
15. Калашников А. М.. Шереметьев А. К. // ПТЭ. 1977.
№ 5. С. 86.
16. Джилберт, Кокс, Хофлунд Ц Приборы для науч-
ных исследований. 1982. № 8. С. 176.
17. Красовский Э.И., Кундин А. И., Тетерин В. В.
и др. А. с. 283683 СССР//Б. И. 1970. №31.
С. 137.
18. Кундин А. И., Шеверда Э.А., Тетерин В. В.,
Гольдин И. Д. // ПТЭ. 1975. № 5. С. 86.
19. Беляев О. К., Гавра Т. Д.. Ермоленко И. А. // Изв.
вузов. Сер. Приборостроение. 1977. Т. 20. № 4.
С.10.
20. Егоров Б. С., Козлов А. А., Староверов А.М.,
Толмачев II. Т. А. с. 673977 СССР//Б. И. 1979.
№ 26. С. 174.
21. Кулабухов 10. С., Тимохин Л. А ., Трубников В. Р.Ц
Труды VI конференции но ядерной радиоэлектро-
нике. М.: Атомиздат, 1965. Т. 2. С. 160.
22. Банков И., Спасов А., Денева И., Янев К./, Бол-
гарский физический журнал. 1984. Т. И. № 1.
С. 126.
23. Калайдов В. Г., Панов IO. А. //ПТЭ. 1973. № 2.
С. 261.
24. Козырь А. И.. Кузнецов К. Ф., Панкратов В. М.,
Рогушин И. И. // Вопросы атомной пауки и тех-
ники. Ядерное приборостроение. 1973. Вып. 21.
С. 110.
25. Кауль Б. В., Мирончик В. С.. Панов К). А. М.,
1975.— Деп. в ВИНИТИ. № 1583.
26. Щелевой К. Д. // ПТЭ. 1985. № 3. С. 105.
27. Eggert К., Engster С., Van Koningsveld L. et al. //
Nucl. Instrum, and Methods. 1980. V. 176. № 1-2.
P. 223.
28. Eggert K., Engster C., Van Koningsveld L. et al. //
Nucl. Instrum, and Methods. 1981. V. 188. № 2.
P. 462.
29. Farr W.. Weiskat D. // Nucl. Instrum, and Methods.
1981. V. 190. № 1. P. 35.
30. Meyer H. // Nucl. Instrum, and Methods. 1966.
V. 40. №1. P. 149.
31. Валуев Ю.М., Гребенюк B.M., Зинов В.Г.Ц
ПТЭ. 1976. № 2. С. 57.
32. Ковтун А. К., Шкуро А. Я.//ПТЭ. 1973. № 1.
С. 7.
33. ДенбновецкийС. В., Шкуро А. Н., Кокошкин С. М.Ц
Приборы и системы управления. 1977. № 9. С. 26.
34. Molleuberg О. // Elektronik. 1979. V 28. № 1. Р. 67.
35. Coates Р. В. // 1. Scient. Instrum. 1968. Ser. 2.
V. 1. № 12. Р. 1223.
36. Lenzi G., Podini P., Reverberi R., Pernestal K. //
Nucl. instrum, and Methods. 1978. V. 150. № 3.
P. 575.
37. Mузыченко О. И., Каразин С. И.. Трушкин Б. Б.,
Андрианов В. И. А. с. 611175 СССР// Б. И. 1978.
№ 22. С. 154.
38. Дунькович С. И. А. с. 669331 СССР//Б. И. 1979.
№ 23. С. 151.
39. Лукашис Г. А. А. с. 691804 СССР//Б. II. 1979.
№ 38. С. 157.
40. Питав Т., Kobayashi Т., Yoshida У. // Nucl. In-
strum. and Methods. 1978. V. 157. № 3. P. 451.
41. Русаков В. В. А. с. 326730 СССР//Б. И. 1972.
№ 4. С. 214.
42. Петров IO. В.. Трушечкин Н. П. А. с. 369542
СССР//Б. II. 1973. № 10. С. 138.
43. Whittaker J. К. // Nucl. Instrum, and Methods.
1964. V. 28. № 2. P. 293.
44. Mузыченко О. H.. Каразин С. И. А. с. 650050 СССР//
Б. II. 1979. № 8. С. 159.
45. Lynch E.J./IWW Trans, on Nucl. Sci. 1980.
V. NS-27. № 1. P. 327.
46. Рехин E. И., Курашов А. А.. Чернов П. С. Измере-
ние интервалов времени в экспериментальной физи-
ке. М.: Атомиздат, 1967.
47. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы/
Нод ред. С. В. Якубовского. М.: Радио и связь,
1984.
48. llanh J., Cucancic L., Gillman C., Zidon A. // IEEE
Trans, on Nucl. Sci. 1970. V. NS-17. № 1. Part 2.
P. 409.
49. Hanh J., Zidon A., Gillmaii C., Atzmon A. // IEEE
Trans, on Nucl. Sci. 1969. V. NS-1Q. № 1. P. 154.
50. Басиладзе С. Г., Ли Ван Сун // ПТЭ. 1978. № 6.
С. 45.
51. Басиладзе С. Г., Лохонян Л. // ПТЭ. 1981. № 5.
С. 62.
52. Мелешко Е. А. Интегральные схемы в наносекунд-
пой ядерной электронике. М.: Атомиздат, 1978.
53. Kovalski Е. //Nucl. Instrum, and Methods. 1967.
V. 52. № 2. P. 357.
54. Glatz J. // Nucl. Instrum, and Methods. 1970. V. 79.
№ 2. P. 277.
55. Данилевич В. В., Гулякин В. А., Новиков Е.В.,
Чернявский А. Ф. А. с. 824119 СССР // Б. И. 1981.
№ 15. С. 204.
56. White G. // Nucl. Instrum, and Methods. 1967. V. 55.
№ 1. P. 157.
57. Демчук M. И., Иванов M. А., Чернявский А.Ф. Ц
Изв. вузов. Сер. Приборостроение. 1977. Т. 20.
№ 8. С. 80.
58. Данилевич В. В., Новиков Е. В., Третьяк В. И. //
Проблемы применения современных радиофизиче-
ских методов для повышения эффективности про-
изводства и автоматизации исследований. Тез. докл.
республиканской научно-технической конф.
Минск, 1981. С. 53.
59. Kang И. // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1981. V.
NS-28. № 1. P. 590.
20
60. Вегляков И. И., Кириллов-У грюмов М. В., Прор-
вич В. А., Сартори А. В. // Экспериментальные
методы ядерной физики. М.: Атомиздат. 1978.
Вып. 4. С. 89.
61. Сильверберг // Приборы для научных исследований.
1969. № 11. С. 126.
62. Castellano М., Cevenini Patricelli S., Vitale S.//
Nucl. Instrum, and Methods. 1979. V. 166. № 3.
P. 343.
63. Силаев А. А.//ПТЭ. 1973. № 6. C. 62.
64. Wiedwald J. D. // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1973.
V. NS-20. № 1. P. 245.
65. Андреев О. M., Офенгенден Р. Г.. Руденко О. Н. //
Проблемы создания преобразователей формы ин-
формации. Материалы 111 Всесоюз. симпозиума.
Киев: Наук, думка, 1976. Ч. 2. С. 75.
66. Turko В. // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1979. V. NS-
26. № 1. P. 737.
67. Афанасьев В. A ., Данилевич В. В., Чернявский А . Ф.
А. с. 684500 СССР // Б. И. 1979. № 33. С. 195.
68. Музыченко О.Н., Каразин, С. И. А.-с. 690434
СССР//Б. И. 1979. №37. С. 193.
69. Eesta Е., Sellem R. // Nucl. Instrum, and Methods.
1981. V. 188. № 1. P. 99.
70. А ианасович В. В., Данилевич В. В., Новиков Е. В.//
Тез. докл. конф, но ядерно-физическим исследова-
ниям, посвященной 50-летию осуществления
в СССР реакции расщепления атомного ядра.
Харьков, 1982. С. 152.
71. Вашкевич Н.П., Гурин Е.И., Дмитриев II. А.,
Коннов II. Н. А. с. 935869 СССР//Б. И. 1982.
№ 22. С. 186.
72. Вашкевич II. ПГурин Е. И., Князев Г. II., Кон-
нов Н. II. А. с. 1004954 СССР // Б. И. 1983. № 10.
С. 206.
73. Мейлинг В., Стари Ф. Наносекундная импульсная
техника / Под ред. Е. А. Мелешко. М.: Атомиздат,
1973.
74. Денбновецкий С. В., Семенов Г. Ф. Запоминающие
электронно-лучевые трубки в устройствах обработ-
ки информации. М.: Сов. радио, 1973.
75. Данилевич В. В.. Чернявский А. Ф., Якушев А. К.//
ПТЭ. 1977. № 1. С. 232.
76. Гулякин В. А., Данилевич В. В.. Новиков Е.В. и
др.//ПТЭ. 1980. №6. С. 208.
77. Данилевич В. В., Новиков Е. В., Чудовский В. А. //
Метрологическое обеспечение измерений больших
длин. Тез. докл. Всесоюз. научно-технической
конф. Харьков, 1983. С. 57.
78. Данилевич В. В.. Новиков Е.В.. Товмасян С. К.
и др. М., 1980. — Деп. в ВИНИТИ, № 3810.
79. Губский В. И., Малевич И. А. // ПТЭ. 1976. № 3.
С. 86.
80. Лернер М. И., Шляндин В. М. А. с. 251260 СССР Ц
Б. И. 1969. № 27. С. 121.
81. Самоваров Н.А. А. с. 353341 СССР//Б. И. 1972.
№ 29. С. 138.
82. Малевич И. А., Кондратюк В. В., Дьяков В. А. и
др. М., 1981.—Деп. в ВИНИТИ, № 3860.
НИИ нрикладных физических проблем
при Белорусском госуниверситете
Поступила в редакцию 6.III.1986
21
ТЕХНИКА Я ДЕ РНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.
УДК 621.384.618 ПТЭ № 3. 1987
ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ГОКА ЭЛЕКТРОМАГНИТА
ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ
БАГЛНСКИЙ Б. А., МАКАРЕВИЧ В. П., ШТЕЙН М. М.
Описан тиристорный генератор, формирующий в обмотке электромагнита бета-
трона однополярные импульсы тока синусоидальной и квазисипусоидальной формы,
с дефорсированием поля в начале цикла ускорения и с плато на вершине импульса
в конце цикла. Амплитуда тока регулируется фазоимпульсным способом. Генератор
используется в установках с длительностью импульса 1 ч- 10 мс, максимальной
энергией магнитного поля электромагнита 45 ч- 450 Дж, амплитудой напряжения
па обмотке 960 ч- 1500 В и амплитудой тока через нее 100 ч- 500 А при частоте повто-
рения 50 ч- 200 Гц.
13 ускорительной технике и физическом экс-
перименте часто используются генераторы,
формирующие импульсы поля (тока) при раз-
ряде накопительного конденсатора (н.к.) на об-
мотку электромагнита (э.м.). В режиме полного
перезаряда н.к. в обмотке э.м. формируются им-
пульсы тока синусоидальной формы. Для сни-
жения потерь в диэлектрике н.к. рекомендует-
ся использовать режим частичного перезаряда,
при котором форма тока близка к синусоидаль-
ной (квазисинусоидальна) [1].
В ускорителях иногда возникает необходи-
мость в таких режимах, как дефорсирование
поля (снижение скорости нарастания) в начале
цикла ускорения [2] и формирование плато (пло-
ской вершины поля) в конце цикла [3|. В боль-
шинстве случаев необходимо регулировать и
максимальную энергию поля.
На рисунке приведена схема генератора [4],
выполняющая все указанные функции только за
счет изменения алгоритма управления тиристо-
рами, без изменения структуры силовой части.
Рассмотрим его работу в режиме формирования
в обмотке э.м. синусоидальных импульсов тока.
Пусть в момент t0 (таблица) открываются
тиристоры 7\, и н.к., предварительно заря-
Схема генератора импульсов тока
женныйдо напряжения Um, начинает разряжать-
ся на обмотку э.м. В момент /4, соответствующий
фазе разряда н.к. <рв = <о (Z2 — t0), где ш =
= 1/уЛС, С — емкость н.к., L — индуктив-
ность э.м., открывается тиристор Тй. Тиристор
запирается обратным напряжением источни-
ка питания Е, а ток э.м. и н.к. замыкается че-
рез источник питания и тиристоры Tlt i№. При
этом от источника питания потребляется энер-
гия, необходимая для компенсации потерь в
элементах генератора. В момент Z2 заканчивает-
ся перезарядка н.к., ток э.м. уменьшается до
нуля, вентили 7\, 7’в запираются. Так в обмот-
ке э.м. формируется импульс тока длительно-
стью tH = t2 — t„.
С задержкой а/д, где а = Оч- 1 — коэффи-
циент регулирования задержки, в момент t3
отпираются тиристоры 7’.,, 7’3, а в момент —
тиристор 7’3. Это приводит к запиранию 7’3, ток
э.м. замыкается через источник питания и ти-
ристоры Т’5, Т2. В момент tb перезаряд н.к. за-
канчивается и схема возвращается в исходное
состояние.
Очередное отпирание 7\, 7’4 в момент £6 про-
водят с задержкой (1 — а) 1П. При а = 0,5
напряжение на н.к. имеет симметричную форму,
а при а = 0 или а = 1 — асимметричную. По-
следовательность отпирания тиристоров, а так-
же формы тока э.м. и напряжения на н.к. в рас-
смотренном режиме и в режимах с частичным
перезарядом п.к., дефорсированием поля и фор-
мированием плато приведены в таблице.
При повышении частоты циклов ускорения
возрастают потери в элементах генератора, при-
чем наиболее нагруженными в тепловом отно-
шении оказываются обмотки э.м. и диэлектрик
22
н.к. Минимальные потери в обмотке при прочих
равных условиях наблюдаются в первом из рас-
смотренных режимов работы генератора. В та-
ком режиме имеется возможность снизить так-
же потери в диэлектрике н.к. [51.
Расчет потерь в диэлектрике н.к., основан-
ный па разложении функции ис (<) в ряд Фурье
и суммировании потерь от отдельных гармоник,
показал, что в первом режиме работы наиболь-
шие потери наблюдаются при симметричной
форме напряжения (а — 0,5). Изменение а в
большую или меньшую сторону (временной сдвиг
импульса тока внутри периода) приводит к
уменьшению потерь, тем большему, чем больше
скважность S = T!2tn импульсов.
Выражения для расчета относительного из-
менения потерь, полученные путем аппроксима-
ции указанных сумм ряда при а = 0,5 и а = 0
(или а = 1), имеют соответственно следующий
вид:
Лдс = ^’дс'/’до — 21g (3,25),
Лда = Рда/Рдо = 1,33 (1 - 0,23 ехр [-2 (5 - 1)]},
где Лдс и jPaa — мощности потерь в диэлектри-
ке при симметричной и асимметричной формах
напряжения амплитудой Um и частотой / = 1/7’,
Р^ — мощность потерь в диэлектрике при си-
нусоидальном напряжении той же амплитуды
и частоты.
Погрешность аппроксимации для S 5 не
превышает 5%. Отношение ЯдС/Л’да возрастает
с ростом 5 и, например,при 5 =5составляет 1,8.
Во столько же раз можно снизить потери в ди-
электрике н.к., используя временной сдвиг им-
пульса тока.
Экспериментальное исследование потерь в
н.к. описанного генератора подтверждает теоре-
тические расчеты. Временной сдвиг импульса
тока позволил снизить мощность потерь в н.к.
ИМЗ-100, работающего с частотой / = 100 Гц,
Um = 960 В, = 1 мс, с Ряс = 395 Вт при а =
= 0,5 до Рла 220 Вт при ах:1.
Для регулировки максимального напряже-
ния Um в первом из описанных режимов изме-
няется фаза фв отпирания тиристоров Т ь, Т6.
Приближенное выражение для регулировочной
характеристики Um/E — f (Q, фв), где Q — доб-
ротность генератора, имеет вид
UJE = 2Q (|/’1 + л/Q 4- cos фв).
Погрешность этого выражения 10% при
23
выполнении условий Q 10 и \Q!n "> UmIE ^>
> 1,1.
Описанный генератор используется в систе-
ме питания бетатронов, разработанных для це-
лей дефектоскопии в нестационарных условиях
при энергии ускоренных электронов 4, 6, 8 и
15 МэВ.
2. Водопьянов Ф. А., Ивашин В. В., Фурман 3. Г.
Л. с. № 341149 СССР//Б. И. 1972. № 18. С. 210.
3. Васильев В. В., Фурман Э. Г. // ПТЭ. 1977. № 3.
С. 24.
4. Багинский Б. А., Макаревич В. И., Штейн М. М.
А. с. № 959602 СССР // Б. И. 1984. № 24. С. 204.
5. Ермуратский В. В., Ермуратский И. В. Конден-
саторы переменного тока в тиристорных преобразо-
вателях. М.: Энергия. 1979. С. 165.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ивашин В. В., Фурман Э. Г. Изв. ТПИ. 1971. № 212.
С. 134.
Томский политехнический институт
Поступила в редакцию 11.IV.1985
УДК 537.533.3 ПТЭ № 3, 1987
ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С ЭНЕРГИЕЙ 100 кэВ
ИШХАНОВ Б. С., НИКОЛЬСКИЙ М. К)., РАКИТИН С. И., ПИСКАРЕВ И. М., ШВЕДУПОВ В. И.
Описаны электронная пушка и источник высокого напряжения инжектора элек-
тронов разрезного микротрона. Пушка позволяет получать пучки электронов с энер-
гией до 100 кэВ, током пучка до 15 мА и эмиттансом (3,5 + 0,8)л мм-мрад.
Для ускорителя электронов непрерывного
действия типа разрезного микротрона, проект
которого разработан в НИН ядерной физики
Московского госуниверситета [1,2], создана эле-
ктронная пушка. Установка состоит из пульта
управления и контроля, блоков источника вы-
сокого напряжения, вакуумной системы.
Вакуумная камера пушки 1 (рис. 1) изготов-
лена из нержавеющей стали и является цельно-
сварной. Через высоковольтный разъем 4 на
пушку подается высокое напряжение. Для изо-
ляции служит высоковольтный керамический
цилиндр 5 и резиновые прокладки 3. В месте
расположения высоковольтного разъема ис-
пользованы вакуумные уплотнения 2 из рези-
ны ИРП-2043. Анодный 8 и корректирующий 6'
электроды имеют форму диска ф 100 мм с за-
щитным ободом. Расстояние между электрода-
ми 100 мм.
В центре отверстия корректирующего элект-
рода помещен плоский катод с диаметром актив-
ной поверхности 3,5 мм. Использован импрег-
нировапный катод 7, аналогичный описанному
в работе |3|. Катод этого типа допускает много-
кратную разгерметизацию вакуумной системы
и длительное пребывание на воздухе без ухуд-
шения эмиссионной способности. Средний срок
службы катодно-подогревательного узла со-
ставляет 10 тыс. ч. На катодный узел подается
напряжение —100 кВ и напряжение накала 5В,
ток накала равен 1 А. Потенциал корректирую-
щего электрода изменяется относительно по-
тенциала катода в диапазоне от 0 до —1000 В.
Для измерения части тока пучка, оседающей на
анодном электроде, анод изолирован от корпу-
са керамическими вставками 9. Диаметр анод-
ного отверстия 6 мм. Имеется возможность из-
менять величину заглубления катода относи-
тельно корректирующего электрода, что необ-
ходимо для настройки пушки.
Принципиальная схема источника высокого
напряжения представлена на рис. 2. Источник
состоит из схем стабилизации напряжения, вы-
соковольтного выпрямителя и блока сглаживаю-
щих фильтров. Высоковольтное напряжение ста-
билизируется на двух уровнях: грубо (8U/U
1%) — по переменному питающему напряже-
нию (С’С2) и точно (8U/U 0,1%) — по высо-
кому напряжению (СС\). Стабилизация по пита-
ющему напряжению осуществляется с помощью
автотрансформатора Тр1, управляемого электро-
мотором ЭМг. Этот электродвигатель является
исполнительным элементом схемы стабилиза-
ции. Измерительный прибор И И Y служит для
контроля высокого напряжения.
Источник высокого напряжения состоит из
повышающего трансформатора ТрЗ и высоко-
вольтного выпрямителя ВИН, собранного по
схеме удвоения. Сглаживающий ЯС-фильтр
(Я,, Я.,, служит для уменьшения уровня
пульсаций высокого напряжения. Автотранс-
форматор Тр5 и трансформатор Тр4 обеспе-
24
К насосу
Рис. 1. Электронная пушка. 1 — вакуумная камера, 2 — вакуумные уплотнения, 3 — изо-
ляционные уплотнения, 4 — высоковольтный разъем, 5 — керамический изолятор, 6 —
корректирующий электрод, 7 — катодно-подогревательный узел, 8 — анод, 9 — керами-
ческие изоляторы
Рис. 2. Принципиальная схема источника высокого напряжения. ВВВ — высоковольтный
выпрямитель, СФ — высоковольтный сглаживающий фильтр, ЭВ — электронная пушка,
(К — катод, II — накал катода, 1(3 — корректирующий электрод, Л — анод, 11 — пог-
лотитель), COnll — схема опорного напряжения, СУ — схема управления, СС — схемы
стабилизации {СС2 — высоковольтной, СС2 — низковольтной), СИ — стабилизаторы напря-
жения (CZ/j — 450 В, СП2 — 1500 В), IIII — измерительные приборы
25
чпвают необходимое напряжение накала
электронной пушки. Напряжение смещения
с резистора 113 подается на корректирующий
электрод КЭ электронной пушки. Электро-
двигатель ЭМ.2 синхронно изменяет величину
сопротивления одинаковых резисторов R3 и /?4,
находящихся в одной цепи высоковольтного
источника напряжения. Таким образом, И11.2
измеряет непосредственно величину потен-
циала корректирующего электрода, а ИП9 —
величину тока разряда высоковольтного
источника.
На вход схем стабилизации высокого
напряжения сигнал поступает с делителя
R-a, Re и через разделительную емкость С.,
в случае «быстрых» пульсаций напряжения.
Двухкаскадный усилитель на лампе Л.2
вырабатывает управляющее напряжение на
сетку лампы Лг, которая включена в цепь
разряда высоковольтного источника.
ИПЬ и И11ъ измеряют ток пучка электро-
нов, задержанных в поглотителе II, и часть
тока пучка, оседающую на анодном электроде .4.
Расчет электронной пушки и сравнение
результатов расчета с экспериментом описаны
в работе [4J.
Электронная пушка обеспечивает следующие
параметры пучка: энергия электронов 100 кэВ.
стабильность энергии ~0,01%, ток пучка до
15 мА, эмиттанс пучка (3,5Ч20,8)л мм-мрад.
Срок службы катодно-подогревательного узла
~10 тыс. ч.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Горбатов IO. И., Гришин В. К., Ишханов Б. С.
и др. Разрезной микротрон непрерывного действии
(физическое обоснование). М.: Изд-во МГУ . 1984.
2. Горбатов Ю. И., Гришин В. К., Ишханов Б. С. идр.'!
IX Всесоюз. вовещание по ускорителям заряжен-
ных частиц. Аннотации докладов. Дубна: ОИЯИ,
1984.
3. Варламов В. В., Ишханов Б. С., Надточий Б. А.
и др. //ПТЭ. 1980. № 1. С. 30.
4. Ишханов Б. С., Никольский М. 10., Пискарев И. ЛД,
IIIведунов В. И. // Радиотехника и электроника.
1986. Т. 31. Вып. 1. С. 156.
НИИ ядерпой физики
Московского госуниверситета
Поступила в редакцию 28.XII.1984
(После переработки 13.VI.1986)
УДК 621.3.032.266 ПТЭ № 3, 1987
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ГЛУБОКОМУ ТОРМОЖЕНИЮ МОНОЭПЕРГЕТИЧЕСКОГО
ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
ГОРШКОВ В. С., НАГУЧЕВ О. К'.
Описан макет эксиериментальпой установки для исследования процесса глубокого
торможения интенсивного электронного пучка па высоковольтном промежутке
протяженностью 60 мм в условиях экранировки катода и коллектора от магнитного
поля. Мпкропервеанс пучка в канале транспортировки 0,7 мкА/B’'*. Приведены ре-
зультаты экспериментов, показывающие, что при потерях по напряжению 13% потери
по току составляют 1,3%.
Одиой из актуальных проблем, встающих
при создании мощных электронно-оптических
устройств с рекуперацией энергии, является
глубокое торможение интенсивного моноэнер-
гетического электронного пучка. В [1] приве-
дены результаты экспериментальных исследо-
ваний процесса торможения пучка электронов
на установках с магнитным сопровождением
при микропервеансе пучка в канале транспор-
тировки <Д),19 мкА/В3/« и энергии электронов
30-н 100 кэВ. В [2| исследован случай тормо-
(Жения пучка на установке с экранированным
от магнитного поля катодом при микропер-
веансе в канале транспортировки 0,78 мкА/В’А
и энергии электронов 100 кэВ.
Целью данной работы является экспе-
риментальное исследование процесса глубокого
торможения моноэнергетического электронного
пучка с микропервеансом 0,7 мкА/В*/’ в усло-
виях экранировки катода от магнитного поля.
Протяженность области торможения составляет
60 мм, что позволяет при относительно низких
градиентах электрического поля в прикол-
лекторной области повысить энергию электро-
нов до 250 кэВ. Исследования проводились
на макетном образце в стационарных режимах
работы при малых энергиях электронов.
Экспериментальный макет (рис. 1, а)
состоит из трех основных узлов: электронной
пушки I, канала транспортировки с магнитным
полем II и коллектора III. Электронно-
оптическая система пушки I диодная, пир-
совского типа. В качестве эмиттера исполь-
зован катод из LaB,; с ф 6,8 мм и радиусом
26
Рис. 1. Схема экспериментального макета (а): I —
электронная пушка, II — канал транспортировки,
III — коллектор; 1 — катод, 2 — формирующий элек-
трод, 3 — ускоряющий электрод, 4, 5 — электроды
канала транспортировки, 6,7 — магнитные экраны,
8 — соленоид, 9 — супрессор, 10 — входная диафраг-
ма коллектора, 11 — полость коллектора; б — распре-
деление индукции магнитного поля па оси симметрии
макета
Рис. 2. Характеристики токовых потерь в канале
транспортировки
кривизны 9,8 мм. Ускоряющий электрод 3
имеет выходное отверстие ф 7 мм.
Канал транспортировки II макета является
составным. Он образован внутренними поверх-
ностями двух концентрических электрически
ие контактирующих между собой электродов
4 и 5 с внутренними диаметрами соответственно
10 и 34 мм, формирующих пучок электронов
на входе и выходе из канала. Распределение
индукции продольного магнитного поля Z?,
создаваемого соленоидом вдоль оси симметрии
Рис. 3. Токораспределение на входной диафрагме
(i10) и в полости (iu) коллектора
макета, представлено на рис. 1, б. Величина
поля в максимуме в 2,6 раза превышает брил-
люэновское значение и равна 24,5-10~3 Тл.
Протяженность капала транспортировки
составляет ПО мм.
Входные диафрагмы 9 и 10 коллектора III,
выполненного в форме цилиндра Фарадея,
электрически изолированы друг от друга и
от полости 11. Диафрагма 9 используется
в качестве супрессора, создающего запирающее
электрическое поле для вторичных электро-
нов, вылетающих из коллектора. Область
торможения пучка ограничена диафрагмами
8 и 9 и имеет протяженность, равную 60 мм.
Исследования проводились при равных
потенциалах катода / и супрессора 9. На
электроды 5-5-5, 7 и 8 подавалось ускоряющее
напряжение Uo, а на электроды 10 и 11 —
напряжение коллектора 6'к. Основные изме-
рения проведены при Uo = 3 кВ. Давление
остаточного газа в макете поддерживалось
па уровне 4-10-411а. Экспериментально сни-
мались тормозные характеристики, определяю-
щие зависимости токов па электродах 4, 5, 10
и 11, нормированных на ток катода (обозна-
чены соответственно i4, г5, i10, iu) от потерь
по напряжению ср, где ср — UK!U0. Изменение
потерь по напряжению проводилось изменением
Uк при постоянстве Uo. Результаты измерений
представлены на рис. 2 и рис. 3.
Из рис. 2 следует, что при ср 13% сум-
марные токовые потери г4 + г5 практически
не зависят от ср. При уменьшении ср от 13 до
8% потери г4 возрастают от 0,4 до 1,4%, а
г5 — от 0,9 до 1,6%. При дальнейшем умень-
шении ср происходит резкий рост токовых
потерь, обусловленный отражением электронов
от области минимума потенциала, формирую-
27
щейся вблизи входной части коллектора.
Рис. 3 наглядно иллюстрирует происходящее
при этом перераспределение тока между кол-
лекторными электродами 10 и 11.
Таким образом, при максимуме колоколо-
образного поля в канале транспортировки,
в 2,6 раза превышающем бриллюэновское
значение, и при использовании экранированных
катода и коллектора в электронно-оптической
системе с протяженностью области торможения
60 мм потери по току составляют 3-5-1,3%
при потерях по напряжению 8-5-13%. Полу-
ченные результаты могут быть использованы
при создании рекуператоров для электронных
пучков с первеансом ~U,7 мкА/Вя/г и энергией
электронов до 250 кэВ.
ЛИ ТЕР Л ТУРА
1. Куделайнен В. И., Мешков И. И., Пархомчук В. В.
и др. // ЖТФ. 1976. Т. 46. № 8. С. 1678.
2. Абрамян Е.А., lllapana А. //.//ПТЭ. 1971. № 2.
С. 30.
Всесоюзный электротехнический институт,
. Москва
Поступила в редакцию 13.V.1985
УДК 621.384.6 ПТЭ № 3, 1987
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
И ПЛОТНОСТИ ПОТОКА УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
ВИНОГРАДОВ К. А., ГУБАНОВ А. В., ТРОНЬ А. М.
Описан коллекторный сферический преобразователь плотности потока и средней
энергии электронов. Показано, что танталовый преобразователь, состоящий из кон-
центрически расположенных сфер ф 6 и ф 4,75 мм, в невакуумном исполнении может
измерять энергию электронов в диапазоне 3 н- 12 МэВ и плотность потока частиц до
2-1013 электронов/см2 с.
Применение рассеивателей и отражателей
при формировании электронных полей облу-
чения на выходе ускорителей с энергией до
10-5-15 МэВ, используемых в прикладных
целях, вызывает увеличение углового разброса
частиц и неравномерность распределения
средней энергии электронов по полю облу-
чения. Вследствие возрастания углового раз-
броса плотность тока и потока могут значи-
тельно отличаться. Поскольку конечной целью
формирования является получение требуемого
дозного распределения, необходимо измерять
плотность потока, являющуюся, согласно [1],
дозовой характеристикой, причем это измере-
ние желательно совместить с одновременным
измерением средней энергии. Для решения
этой задачи был разработан оригинальный
коллекторный преобразователь, предназначен-
ный для работы в широких пучках электронов
с энергией до 15 МэВ [2,31. Он представляет
собой (рис. 1) полый танталовый шар 1 с
внешним диаметром 6 мм, в который помещена
танталовая сфера 2 диаметром 4,75 мм. Сферы
механически контактируют между собой, по
электрически изолированы друг от друга слоем
пятиокиси тантала, образованной на их поверх-
ностях анодным окислением. Привнесенный
заряд электронов обеих сфер стекает по тан-
таловым подвесам-проводникам 3 толщиной
0,01 мм и поступает в регистрирующую часть
измерителя. Сигнал с внутреннего коллектора
выводится через отверстие в сферической обо-
лочке ф 0,4 мм. Поле облучения исследуется
путем перемещения преобразователя.
Токи Ц и 12 со сфер 1 и 2 являются в общем
случае функциями плотности потока j и энер-
гетического спектра 1(E) пучка в исследуемой
точке:
Л = Ejf.(I(E)),
(1)
Л = А ДЛ (1(E)),
где А; и К2 — константы. Если в диапазоне
энергий А£, равному ширине спектра, зависи-
мости Д и/2 близки к линейным, то, как нетруд-
но показать, преобразователь регистрирует
среднюю по спектру энергию Е, являющуюся
функцией отношения токов Т./Ц'-
Е = ^(Ц/Т.) = f. (Е/(Ц + Л)) =
= /з(Л/(Л + Л)). (2)
Плотность потока определяют из выраже-
ний (1) по значению Ё, найденному из (2).
На предварительном этапе разработки изме-
рителя был проведен поиск материалов и
геометрических размеров преобразователя
расчетным путем методом статистических
испытаний с прослеживанием истории электро-
28
Рис. 1. Устройство преобразователя. 1,2 — внешний
и внутренний коллекторы, 3 — проводники-подвесы,
4 — экранная сетка, 5 — вакуумирующая фольга,
di = 4,75 мм, d2 = 6 мм
на до энергии 20 кэВ [41. Среднеквадратичная
погрешность расчетных данных 2%. Согласно
расчетам в выбранной геометрии коллекторов
с точностью 8% обеспечивается независимость
суммарного тока с коллекторов /с =- Л + Л
от энергии во всем диапазоне ее изменения,
что существенно упрощает измерение, так как
позволяет непосредственно регистрировать
j /с. В связи с этим важно обеспечить иден-
тичность математического и натурного экспе-
риментов. Различия могут вызываться в основ-
ном следующими причинами: ионизацией газо-
вой среды; эмиссией низкоэпсргетических
вторичных электронов (Е < 10 эВ) с поверх-
ности внешнего коллектора, инициированной
выходящими из сферы частицами, в том числе
и электронами с Е < 20 кэВ, не учитываемыми
в расчетах; электризацией диэлектрической
пленки; термоэмиссией, вызываемой нагревом
коллектора интенсивным пучком. С целью
исследования влияния этих явлений, а также
для реализации в эксперименте расчетной
модели преобразователь был помещен в ваку-
умный объем цилиндрической формы, образо-
ванный титановой фольгой 5 (рис. 1) толщиной
50 мкм. При энергии электронов Е /> 1 МэВ
такая фольга практически не возмущает пучок
в области преобразователя. Для запирания
вторичных электронов с фольги и коллектора,
а также электронов термоэмиссии к сетке
из вольфрама, имеющей коэффициент проз-
рачности 0,9, прикладывалось напряжение Ua.
В эксперименте запирающий потенциал регу-
лировался по длительности (от 1,25 мкс—
длительность импульса тока ускорителя —до
2,5 мс — длительность паузы между импуль-
сами тока) и по величине (до 100 В).
Преобразователь исследовался па ускори-
теле У-28 Московского инженерно-физического
института, позволяющем регулировать энер-
гию в диапазоне 3—12 МэВ. Для получения гра-
дуировочных характеристик измеритель уста-
навливался на выходе магнитного анализатора-
монохроматора с разрешением 3%, откалибр-
ованного по фотоядерным реакциям. Плотность
потока на преобразователь изменялась в пре-
делах от 5-1011 после монохроматора до 2-1013
электронов/см2с па прямом пучке. Давление
в вакуумном объеме регулировалось от атмос-
ферного до 10“3 Торр. Данное значение было
выбрано в качестве предельного, так как оно
может надежно и длительно поддерживаться в
отпаянной металло-керамической конструкции
преобразователя. При исследовании преобра-
зователя в режиме измерения плотности потока
необходим контроль этой величины в точке
измерения датчиком, не чувствительным к
энергии частиц. В качестве такового была
использована тонкостенная невозмущающая
пучок плоская ионизационная камера с воз-
душным заполнением, установленная на выходе
монохроматора непосредственно перед сфери-
ческим преобразователем. Измерения про-
водились в малорасходящемся пучке (+Г).
где токовые и потоковые плотности совпадают
(плоская камера является датчиком плотности
тока), причем плотность потока поддержи-
валась постоянной для исключения ошибок,
связанных с нелинейностью ионизационной
камеры. Предварительно она была откалиб-
рована на прямом пучке ускорителя по цилинд-
ру Фарадея с коллимированным входом.
Исследования перечисленных выше эффек-
тов, способных исказить расчетные зависимости
/з(Л//7) и h (Е), показали следующее:
1. Градуировочные характеристики преоб-
разователя не зависят от давления в объеме
при нулевом потенциале на сетке. Это дости-
гается при низкоомной входной измерительной
цепи регистрирующих приборов, выбранной
согласно рекомендациям работы [51. В данном
случае пиковое значение потенциала на сфере
не превышало 1,5 мВ, что позволило свести
фоновые потоки из плазмы при атмосферном
давлении к пренебрежимо малым величинам.
2. Ток низкоэнергетичпых вторичных
электронов 7В 0,05 1С с точностью 30%,
причем это значение не меняется с увеличением
длительности запирающего импульса и напря-
жеппости поля е. Оценка тока 1В проводилась
по следующей методике. При давлении в
объеме 4-10-2Торр измерялся ток /с при трех
зпачепиях напряженности: е = —25 В/см
(согласно данным работы [6] при этих значениях
параметров 1В = 0), е = 0 и е = 25 В/см.
В первом случае ток /С1 складывается из тока
электронной /с и полной /и компонент, а также
тока /г, состоящего из тока термолизованных
29
Рис. 2. Расчетные (/, 3) и экспериментальные (2, 4)
энергетические зависимости отношений: 1,2 — ЦИ-Б
3, 4 - 1С/1О
и высокоэнергетических вторичных электронов
и позитронов, т. е. /С1 = А + /и + Л- В слу-
чае заземленной сетки /с2 = /т — /в. При
положительном значении напряженности в силу
симметрии процессов в плазме при данной
геометрии относительно знака е измеряемый
ток равнялся /сз = /т — /и — 1е 4- 1В. Иско-
мый ток находился из соотношения /в —
= /с> + /сз — 2/С1- Таким образом, показано,
что низкоэнергетическая эмиссия дает малый
вклад в ток сферического коллектора, а ее
нестабильностью, если таковая проявится,
можно пренебречь.
3. Эффектов, связанных с электризацией
диэлектриков, замечено не было. Оценка
температурных режимов коллектора была
дапа в работе 16]. Тантал активно окисляется
на воздухе при температуре ^>1100 К, в связи
с чем невакуумированный преобразователь без
принудительного охлаждения может постоянно
находиться в потоке с плотностью <^1,8-1013
электронов/см2с. Термоэмиссия при этом прак-
тически отсутствует. Вакуумированный вариант
может измерять потоки с плотностью до
5,6-1013 электронов/см2с. Ограничение накла-
дывается предельной температурой фольги
770 К, нагреваемой как пучком, так и излуче-
нием коллекторов. Сами коллекторы при этом
имеют температуру 1600 К. Ток термоэмиссии
при давлении 1СГ3 Торр устраняется потен-
циалом па сетке, равном 4 В.
Очевидно, что разработанный преобразо-
ватель целесообразно использовать в конструк-
тивно наиболее простом невакуумном испол-
нении, а измерение плотности потока 1,8-1013
электронов см2с проводить при сокращенных
экспозициях.
На рис. 2 приведены измеренные при ат-
мосферном давлении и е 0 зависимости от
Е величины 12Иг и тока 1С, нормированного
па ток падающих па сферу частиц 70. Видно,
что в диапазоне энергий 3 Е 12 МэВ ток
/с с точностью 4-7% не зависит от энергии.
Поскольку средняя энергия частиц изменяется
по полю облучения в значительно меньшем
диапазоне, зависимостью Ic (Е) можно пре-
небречь с достаточной для практики точностью.
Возможной причиной несовпадения расчет-
ной и экспериментальной зависимостей Е,/11
от Е является прохождение пучка через стык
полусфер внешней сферы, так как лазерная
сварка шва была произведена не по всему
периметру.
Была исследована погрешность измерения
средней энергии, связанная с нелинейностью
зависимости Д/Д от Е. В качестве тестового
был взят гауссовский спектр шириной 30%
на уровне 0,1, что типично для резонансных
ускорителей рассматриваемого диапазона
энергий при отстройке от номинального режима.
В диапазоне 4-4-12 МэВ погрешность измере-
ния не превышает погрешность измерения
отношения токов Л71, равную 1,5%.
Изменение диапазона измерения энергии
в предложенной конструкции возможно путем
изменения толщины сферической оболочки.
Толщине 0,16 мм соответствуют энергии 1-4-
-4-5 МэВ, 0,64 мм — энергии 3-4-12 МэВ,
0,96 — энергии 5—5—14 МэВ. Согласно расчетам
лрн увеличении внешнего диаметра преобра-
зователя до 10 мм можно получить диапазон
измерения параметров пучка 5-4-30 МэВ.
Разработанный преобразователь является
термо- и радиациопностойкпм. помехоустой-
чивым прибором, позволяющим просто и
надежно измерять в реальном времени экспе-
римента распределения плотности потока и
средней энергии электронов с пространственным
разрешением 6 мм.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Баранов В. Ф. Дозиметрия электронного излучения.
М.: Атомиздат, 1974. С. 232.
2. Виноградов К. А.. Зайцев Р. Я. А. с. 875997 СССР //
Б. И. 1984. № 43. С. 147.
3. Виноградов К. А.. Воронцов В. А.. Демин В. .1/.
А. с. 886660 СССР//Б. 11. 1984. №41. С. 216.
4. Виноградов К. А., Демин В. М. // Вопросы дози-
метрии и зашиты от излучений. М.: Энергоиздат,
1981. Вып. 20. С. 23.
5. Дмитров Г. ПМатюк М.Д., Соколов Л. С. и
Зр.//Докл. Ill Всесоюз. совещания по примене-
нию ускорителей за ряжен пых частиц в народном
хозяйстве. Л.: НИИЭФА, 1979. Т. 3. С. 180.
6. Виноградов К. Л., Демин В. Л/.//Ускорители. М.:
Энергоиздат, 1981. Вып. 20. С. 98.
Московский инженерно-физический институт
Поступила в редакцию 30.1.1986
30
УДК 621.384.66 ПТЭ №3, 1987
ПОВЕРХНОСТНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ
ВОДОРОДА
ДЕРЕВЯНКПП Г.Е., ДУДНИКОВ В. х .
Исследованы характеристики поверхностно-плазменного источника с полуплано-
тронноц геометрией газоразрядной ячейки. Интенсивность пучка ионов Н~ до 0,2 А,
нормализованная яркость до 108 А/см2 рад2, длительность импульсов 200 мкс, частота
следования до 50 Гц. Источник отличается повышенной эффективностью генерации
ионов И" и простотой конструкции.
Обнаружение поверхностно-плазменного
механизма образования отрицательных ионов
в газовом разряде [1,21 существенно изменило
ситуацию с получением и применениями пучков
отрицательных ионов. В поверхностно-плаз-
менных источниках (п.п.и.) с многоапертурными
системами формирования интенсивность пучков
ионов II” увеличена до десятка ампер [3],
а в источниках с прецизионным формированием
пучков нормализования яркость увеличена до
уровня ^>108 А/см2 рад2 [4,5], рекордного и
для протонных источников. К настоящему
времени разработаны и исследованы десятки
вариантов конструкций поверхностно-плазмен-
ных источников, оптимизированных на раз-
личные применения.
В данной работе рассматриваются особен-
ности п.п.и. с полупланотронной геометрией
газоразрядной ячейки, который отличается
повышенной эффективностью генерации ионов
1Г, высокой импульсной и средней интенсив-
ностью пучка и высокой яркостью, простотой
и технологичностью конструкции. В источнике
используются разряд без замкнутого дрейфа
электронов, локализованный около эмиссион-
ной щели, п геометрическая фокусировка
генерируемых ионов Н~ па эмиссионную щель,
впервые реализованная в [61.
Основным эмиттером ионов Н- источника
Рис. 1. Источит; попов II". 1 — эмиссионная щель
(0,5 х 10 мм2), 2 — анод, 3 — катод, 4 — изолятор,
5 — катодная полость, 6 — вытягивающий электрод,
7 — железные вкладыши
(рис. 1) является катод 3 газоразрядной камеры.
Анодом служит ее крышка 2. Рабочая поверх-
ность катода, эмитирующая отрицательные
ионы, имеет форму цилиндрического желоба
с радиусом ~2,5 мм. Глубина желоба в экспе-
риментах менялась от минимальной величины
с^1 мм, обусловленной лишь его кривизной,
до 2,5 мм. Желоб вытянут вдоль эмиссионной
щели 1, прорезанной в крышке газоразрядной
камеры. Центр кривизны катодного желоба
расположен в плоскости эмиссионной щели.
Отрицательные ионы в топком прикатодном
слое падения напряжения на разряде приобре-
тают начальную скорость в направлении к
эмиссионной щели. За счет этого в ионный
пучок собираются ионы со всей эмитирующей
поверхности катода (геометрическая фокуси-
ровка). Площадь эмиссионной щели (0,5 X
X 10 мм2) и геометрия вытягивающего про-
межутка такие же, как в источнике с пеннин-
говской геометрией (и.п.г.) [71. Наружная
поверхность крышки газоразрядной камеры,
являющейся фокусирующим электродом, об-
разует с границей пучка пирсовский угол
67,5°.
Газоразрядная ячейка погружена в маг-
нитное поле, перпендикулярное эмиссионной
щели (обозначено стрелкой). Разряд локали-
зуется в зазоре между рабочей поверхностью
катода и крышкой газоразрядной камеры.
Водород через отверстие в катоде с помощью
импульсного электромагнитного затвора [8)
подается в катодную полость 5, в которую
через отверстие в аноде поступает и цезий
из нагреваемого контейнера. Плазма, генери-
руемая разрядом в катодпой полости, дрейфует
перпендикулярно магнитному полю вдоль
катодного желоба, эффективно подпитывая
разряд. Для этого полярность магнитного
поля должна быть согласована с направлением
дрейфа.
Напряжение на разрядный промежуток
подается от импульсного модулятора на основе
формирующей линии. Волновое сопротивление
линии ~12 Ом значительно больше сопро-
тивления разрядного промежутка в рабочем
режиме. Высокий импеданс линии позволяет
31
в широких пределах менять ток разряда,
сохраняя достаточный запас напряжения,
необходимый для поджигания и устойчивого
горения разряда. Электроды газоразрядной
ячейки при запуске источника тренируются
дуговыми разрядами. При токах разряда
30 -г- 40 А эта процедура занимает не более
10 мин и протекает спокойно.
Для извлечения отрицательных ионов из
эмиссионной щели на корпус газоразрядной
камеры подается прямоугольный импульс
отрицательного напряжения (до 25 кВ) отно-
сительно заземленного вытягивающего элект-
рода 6. Вершина импульса стабилизирована
с точностью 10'3.
На вытягивающий электрод наложены
железные вкладыши 7, формирующие магнит-
ное поле, силовые линии которого имеют
выпуклость в сторону эмиссионной щели.
В результате вторичные электроны быстро
выводятся из пучка вдоль силовых линий
магнитного поля и сбрасываются на вытяги-
вающий электрод. Благодаря этому исклю-
чается возможность удержания и размножения
электронов в вытягивающем промежутке, что
значительно увеличивает его электрическую
прочность. Напротив, при однородном магнит-
ном ноле в вытягивающем промежутке легко
образуется ловушка для электронов, в которой
они осциллируют и размножаются, в проме-
жутке поджигается разряд и наступает пробой.
В этом случае напряжение не удается поднять
выше 10 -г- 12 кВ.
Катод газоразрядной ячейки и вытягива-
ющий электрод изготовлены из молибдена,
остальные металлические детали — из нержа-
веющей стали. Катод фиксируется в газо-
разрядной камере с помощью керамической
пластины 4. Хорошие результаты получены
при использовании керамики 22ХС. Место
контакта пластины с анодом и катодом экра-
нировано лабиринтом. Основной зазор катод —
анод ~0,5 мм. Такая конструкция препятст-
вует запылению керамики и исключает пробой
по поверхности.
В поминальном режиме работы источника
напряжение на разряде 100 В, ток разряда
100 А, вытягивающее напряжение 20 -=-25 кВ,
ток пучка иопов Н" 100 мА, полный ток в цепи
вытягивающего промежутка до 0,2 А, длитель-
ность импульса 250 мкс, частота следования
до 50 Гц. Расход водорода и цезия в среднем
за импульс 2-т-Зсм3Торр и 2-Ю15 атомов
соответственно. Такой режим работы не тре-
бовал принудительного охлаждения. Вместе
с тем технологичность конструкции (доступ-
ность катода) дает возможность легко осущест-
вить принудительное охлаждение катода,
который испытывает наибольшую тепловую
нагрузку (~70% мощности, выделяемой в
разряде). Заметим, что принудительное ох-
лаждение катода в планотроне представляет
значительные трудности.
В источнике удается поддерживать устой-
чивый разряд при малом магнитном поле
(^500 Гс). Это обстоятельство значительно
облегчает получение ионного пучка с низким
уровнем флуктуаций, что в свою очередь
дает возможность провести сравнение яркост-
ных характеристик пучков, формируемых в
этом источнике и в и.п.г. примерно в одина-
ковых условиях.
На рис. 2 представлены эмиссионные
характеристики источника с эмиссионной
щелью неизменной площади, но разной геомет-
рии. Варьировались обращенный к поверх-
ности катода угловой раствор 0 и глубина
эмиссионной щели h. Максимальный выход
отрицательных ионов наблюдался при мини-
мальной глубине катодного желоба (~t мм).
Для сравнения там же приведена аналогичная
зависимость для и.п.г.
Из представленных зависимостей видно, что
выход отрицательных ионов быстро увели-
чивается при уменьшении глубины эмиссион-
ной щели от 2 до 1 мм и расширении углового
раствора от 0 до 60°. Дальнейшее его расши-
рение не приводит к заметному увеличению
выхода ионов, так как при 0 60° последние
собираются практически со всей эмиссионной
поверхности катода.
На представленных кривых выделяются три
характерных участка, отличающихся величи-
ной и поведением удельной эффективности
генерации ионов. На начальном участке при
малых токах разряда плотность плазмы неве-
лика «ДО13 см-3). Поток отрицательных ионов,
эмитированных катодом, испытывает незначи-
тельное ослабление в плазме, почти беспре-
пятственно достигает эмиссионной щели
и извлекается в формируемый пучок. Поэтому
на этом участке ток пучка линейно растет
с увеличением тока разряда.
По мере увеличения тока разряда растет
плотность плазмы и все в большей степени
начинает сказываться нейтрализация ионов.
В результате, при токе разряда Д>30 А ионный
ток пе увеличивается и даже начинает умень-
шаться, так как эмиссия ионов Н- с катода
растет с плотностью плазмы линейно, а их
нейтрализация зависит от плотности плазмы
экспоненциально. Линейный рост интенсив-
ности па третьем участке свидетельствует о
включении новых механизмов генерации ионов
Н“: эмиссии ионов со стенок эмиссионной щели,
бомбардируемых быстрыми атомами, и резо-
нансной перезарядки быстрых отрицательных
ионов па атомарном водороде около эмиссион-
32
a,
Рис. 2. a — схема эмиссионной щели, б — зависимость
тока пучка 1~ от тока разряда /р для различных гео-
метрий эмиссионной щели п.п.и.: 1 — 0 = 0°, d =
= 2 мм, h = 2 мм, t = 1 мм; 2 — 60°, 1, 2, 1 мм; 3 —
30°, 1,8, 2, 1 мм; 4 — 60°, 1,8, 2, 1 мм; 5 — 60°, 0,8,
1, 1 мм; G — 30°, 1,5, 2, 2,5 мм; 7 — аналогичная зави-
симость для н.п.г.
uoii щели (при увеличении тока разряда подачу
водорода приходится несколько увеличивать).
Увеличение выхода ионов II" при увеличении
углового раствора и уменьшении толщины
эмиссионной щели связано как с улучшением
пропускания первичных ионов, эмитированных
катодом (при малых токах разряда), так и
с более сильным проникновением вытягиваю-
щего электрического поля через эмиссионную
щель и более эффективным сбором медленных
ионов в формируемый пучок.
В рассматриваемом источнике через эмис-
сионную щель извлекаются два вида ионов:
быстрые, эмитированные катодом и ускоренные
в прикатодном слое, и медленные ионы, обра-
зовавшиеся в окрестности эмиссионной щели
главным образом • в результате резонансной
перезарядки. Па начальном участке при токах
разряда до 20 А скорость генерации по первому
каналу значительно больше, чем по второму.
Максимальное соотношение этих скоростей
можно оцепить по наклону кривых 5 и 7 рис. 2
(в и.и.г. пучок формируется в основном из
ионов, генерируемых по второму каналу [10]).
Видно, что искомое соотношение ~7.
В этом случае источник работает в режиме
твердотельного эмиттера. Следовательно,
граница плазмы в окрестности эмиссионной
щели определяется в основном пространствен-
ным зарядом электронов, а не отрицательных
ионов, для которых она не является эмиссион-
ной границей, так как отрицательные ионы
падают па пее со значительной скоростью,
соответствующей энергии, приобретенной
в прикатодном слое (~100 эВ). Это означает,
что напряженность электрического поля на
плазменной границе (с точностью до переход-
ного слоя, определяемого меньшей из двух
величин: дебаевским или ларморовским радиу-
сом электрона) отлична от пуля. Так как
напряженность электрического поля в плазме
можно считать равной нулю, то граница
плазмы, таким образом, для падающего на нее
потока отрицательных ионов становится тонкой
сильнопреломляющей линзой. Ее характер
будет зависеть от относительного положения
центров кривизны эмиссионной и преломля-
ющей поверхности. Линза будет рассеивающей,
если ее центр кривизны лежит далеко, и соби-
рающей в противном случае.
При малой плотности плазмы ее граница
отодвигается в глубь эмиссионной щели. Если
щель достаточно глубокая и мало раскрытая
на плазму, то образующаяся линза будет
собирающей и сильно нелинейной. Угловой
разброс в прошедшем через нее ионном пучке
будет ограничиваться геометрией эмиссионной
щели и вытягивающего промежутка.
Этот вывод подтверждается измерениями
эмиттапса. Схема формирования пучка и изме-
рения его ионно-оптических характеристик
подробно описана в [11]. В этом режиме работы
нормализованный эмиттанс в направлении,
перпендикулярном эмиссионной щели (вдоль
магнитного поля), Ех ас 10-1 см-рад, что
соответствует разбросу энергий поперечного
движения по одной из координат АЖХ ~ 103 эВ.
В другом поперечном направлении (вдоль
эмиссионной щели) наблюдаемый эмиттанс
Еу ~ (6-5-8) 10-5 см-рад соответствует сред-
нему разбросу энергий поперечного движения
попов, приведенного к эмиссионной щели,
АЖУ 10-4-15 эВ. Близкий результат получен
для планотропа в [4], где приведена оценка
АЖУ ~ 20 эВ. В целом эти результаты нахо-
дятся в удовлетворительном согласии с послед-
ними измерениями энергетического и углового
разброса отрицательных ионов, покидающих
поверхность цезированного эмиттера в плазме
[12]. Из этих измерений следует оценка разброса
энергий поперечного движения ~10 эВ.
Ио мере увеличения плотности плазмы
(тока разряда) доля катодных отрицательных
ионов в извлекаемом ионном пучке уменьша-
ется из-за все возрастающей перезарядки и
разрушения в плазме. Напротив, доля медлен-
3 птэ, х. з
33
Рис. 3. Зависимости максимальной плотности тока
в цептре пучка при двух значениях вытягивающего
напряжения Uo и полного тока пучка 1~ от тока раз-
ряда /р
Рис. 4. Фазовые диаграммы пучка с низким уровнем
t.iyKTyannft для источника с глубиной катодного жело-
а 2,5 мм, 1~ = 80 мА, Un — 23 кВ, Ех = 6-10-6 см-
рад, — 2-10-5 см-рад, AlVx = 27 эВ, ЛИ',, = 0,75 эВ,
В = 108 А/см2рад2
ных отрицательных ионов резонансной пере-
зарядки при этом увеличивается, так как
окрестность эмиссионной щели обогащается
термализованным атомарным водородом.
Пространственный заряд медленных ионов во
все большей степени влияет на формирование
плазменной границы. Судя ио кривым, при
токах разряда 50 А это влияние становится
определяющим, и граница плазмы, таким обра-
зом, становится эмиссионной.
В этой области источник уже работает
в режиме плазменного эмиттера, как и и.п.г.
О переходе источника в режим плазменного
эмиттера свидетельствует также появление
максимумов на зависимостях (рис. 3) плот-
ности тока в ионном пучке от тока разряда
(плотности плазмы).
Плазменные источники ионов работают в
режиме равновесия между плотностью потока
ионов из плазмы на ее границу и плотностью
тока ионов в слое пространственного заряда,
определяемой законом 3/2:
/ = i/4 еП1 < vt > = A UW,
где е — заряд, пг и — соответственно
плотность попов и их средняя скорость в плазме,
U и d — падение напряжения и толщина слоя
пространственного заряда (вытягивающего
промежутка). При фиксированных напряжении
и геометрии вытягивающего промежутка
максимальная плотность тока в ионном пучке
достигается прп оптимальном положении и
форме плазменной границы, а следовательно,
и плотности плазмы (токе разряда).
Следует заметить, что иллюстрируемый
рис. 3 режим оптимального согласования
вытягивающего промежутка по пространствен-
ному заряду наблюдается только при достаточно
малом (нерегистрируемом) уровне колебаний
интенсивности пучка (<1%) и слабом магнит-
ном поле (<500 Гс).
В принятой геометрии вытягивающего
промежутка режим оптимального извлечения
ионов требует, чтобы плоская или немного
вогнутая (для компенсации рассеивающего
действия щели в вытягивающем электроде)
граница плазмы устанавливалась около выход-
ного среза эмиссионной щели. Это возможно
лишь при достаточно малом магнитном поле.
Напротив, сильное магнитное поле отжимает
плазму в глубь эмиссионной щели, и уста-
новление оптимальной границы плазмы оказы-
вается невозможным. С ограниченной диффу-
зией плазмы поперек магнитного поля в узком
канале, по-видимому, связано и образование
плато или минимума на характеристиках рис. 2.
Как видно, они выражены тем сильнее, чем
больше глубина и меньше угловой раствор
эмиссионной щели.
Переход источника в режим плазменного
эмиттера с преобладающим извлечением
медленных отрицательных ионов сопровожда-
ется и улучшением яркостных характеристик
формируемого пучка. Однако они еще уступают
лучшим результатам, полученным для и.п.г.
[5]. По-видимому, в пучке еще остается значи-
тельная доля «горячих» катодных ионов.
К лучшим результатам вплотную удалось
приблизиться только после того, как глубина
катодного желоба была увеличена от 1 до 2,5 мм.
Пучок с интенсивностью Г = <30 мА при
уровне флуктуаций <0,5% характеризуется
эмиттансом £жд±:6-10"6 см рад и Е., ~
~ 2-10"5 см рад. Па рис. 4 представлены
34
фазовые диаграммы пучка, соответствующие
этому режиму. Как и в [5,10], увеличение
упорядоченной расходимости пучка при откло-
нении вытягивающего напряжения (70 от
оптимального для данной эмиссионной плот-
ности тока (рис. 3) вызывает значительное
увеличение Ех и Сильное расширение
пучка за счет упорядоченной расходимости
должно приводить к «переохлаждению» —
уменьшению локального разброса энергий
поперечного движения до уровня ~10“3 эВ.
Однако флуктуирующие электрические поля
в пучке препятствуют достижению столь
низкой поперечной температуры, что проявля-
ется как сильное увеличение эмиттанса.
Поэтому минимизация поперечных размеров
пучка и минимизация уровня флуктуаций столь
важны для предотвращения роста эмиттанса
при транспортировке.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Бельченко 10. И., Димов Г. И., Дудников В. Г. И
Изв. АН СССР. Сер. физ. 1973. Т. 37. № 12. С. 2573.
2. Бельченко Ю.И., Димов Г. И., Дудников В. Г.
Препринт Института ядерной физики СО АП СССР
77-56. Новосибирск, 1977; Proc. Symp. on the Pro-
duction and Neutralization of Negative Hydrogen
Ions and Beams. USA: Brookhaven Nat. Lab., 1977.
P. 76.
3. Бельченко Ю. II., Димов Г. II. Препринт Института
ядерной физики СО АН СССР 83-109. Новосибирск,
1983; Вопросы атомной науки и техники, сер. тер-
моядерный синтез. Харьков: ХФТИ, 1984. Т. 8.
№ 1(14). С. 42.
4. Smith II. F., Allison Р. W.H'B.eN. Scient. Instrum.
1983. V. 53. № 4. Р. 405.
5. Деревянкин Г. Е., Дудников В. Г., Трошков М. Л.
Препринт Института ядерной физики СО АН СССР
82-100. Новосибирск, 1982.
6. Бельченко 10. И., Дудников В. Г. Препринт Ин-
ститута ядерной физики СО АН СССР 78-95.
Новосибирск, 1978.
7. Dimov G. I., Derevjankin G. Е., Dudnikov V. G. И
IEEE Trans. 1977. V. NS-24. № 3. P. 1545.
8. Деревянкин Г. E.. Дудников В. Г., Журавлев И. А .И
ПТЭ. 1975. № 5. С. 168.
9. Бельченко К). II., Дудников В. Г. Препринт Инсти-
тута ядерной физики СО АН СССР 80-34. Ново-
сибирск, 1980.
10. Derevjankin G. Е., Dudnikov Г. G. И Production and
Neutralization of Negative Ions and Beams. 3d In-
ternal. Symp. AIP Conf. Proc., № 111. USA, New
York, 1983. P. 376.
11. Деревянкин Г. E., Дудников В. Г. Препринт Ин-
ститута ядерной физики СО АН СССР, 79-17, Но-
восибирск, 1979.
12. Wada М., Pyle П. V., Steans J. W. И Production
and Neutralization of Negative Ions and Beams. 3d
Internal. Symp. AIP Conf. Proc., № 111. USA,
New York, 1983. P. 247.
Институт ядерной физики CO АН СССР,
Новосибирск
Поступила в редакцию 2.XII.1985
УДК 681.142.71 ПТЭ № 3, 1987
ТЕЛЕСКОП ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР ДЛЯ МАГНИТНОГО
СПЕКТРОМЕТРА СП-103 ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЛУ-2ГэВ
ПОПОВ В. Ф., ЗАЦЕРКЛЯНЫЙ А. Е., ПЕМАШКАЛО А. А., РАНЮК IO. II., ЧЕЧЕТЕНКО В. Ф.
На линейном ускорителе электронов ЛУ-2ГэВ создана детектирующая система на
основе многопроволочных пропорциональных камер и изучены ее характеристики при
различных загрузках. Электронная часть системы выполнена в стандарте КАМАК
и способна принимать и обрабатывать многопараметрическую информацию с помощью
микро-э. в. м. «Электронпка-бОМ», которая подсоединена к измерительно-вычислитель-
ному комплексу ИВК-2 на базе э. в. м. СМ-4.
Характерной особенностью линейного
ускорителя электронов ЛУ-2 ГэВ Харьков-
ского физико-технического института АН УССР
является большая скважность (длительность
посылки 1 мкс при частоте 50 Гц) и, как след-
ствие, высокий фон, затрудняющий регистра-
цию частиц многопроволочными пропорцио-
нальными камерами [1,2]. Предлагается устра-
нить эту трудность с помощью многоэлементной
детектирующей системы, блок-схема которой
представлена на рис. 1. Система состоит из
двух многопроволочных пропорциональных
камер МППК, газового и ливневого череп-
ковских счетчиков [3, 4], электронной аппа-
ратуры [5], микро-э.в.м. «Электроника-бОМ»
с внешними устройствами, которая подсоеди-
нена к измерительному комплексу И В К-2 па
базе э.в.м. СМ-4. Телескоп размещался в
защите магнитного спектрометра СП-103 на
расстоянии 100 м от электронной аппаратуры.
Две 96-канальные пропорциональные
камеры, установленные в телескопе, обладают
параллельным расположением сигнальных
проволочек и собраны в одном корпусе. Прост-
ранственное разрешение детектирующей систе-
мы составляло 2 мм, расстояние между плос-
3»
35
Рис. 1. Блок-схема детектирующей системы. ИР — камера рассеяния, М — мишень, СП-103 — магнит-
ный спектрометр, МППК —моноблок двух 96-канальных многопроволочных пропорциональных камер, С\ —
газовый черенковский счетчик, С2 — ливневый черепковский счетчик полного поглощения, ПУ — пред-
варительные усилители, ЛЗ — регулируемые линии задержки, Д — дискриминаторы, Р — логические раз-
ветвители, CCi — схема совпадений, ГД — графический дисплей с выводом информации на телевизор Т,
Сч — 8-канальный счетчик на 120 МГц, РЗИ — регистры записи информации от МППК, ССг — 96-каналь-
ная схема совпадений, КК — крейт-контроллер, э.в.м. — микров.м. «Электроника-бОМ», ВТА-2000 —
видеотерминал алфавитно-цифровой, FS-1501 — фотосчитыватель перфолентный, ЦПУ — цифропечатающее
устройство; сигналы: Nn — загрузки ливневого счетчика, Дгсц — загрузка сцинтилляционного (или газово-
го счетчика, вместо которого устанавливается сцинтилляционный, например при регистрации протонов),
N Нцлиг — число счетов со сборок ИЛИ усилителей соответственно 1-й и 2-й пропорциональных
камер, Л'3 — число стробирующих сигналов, разрешающих запись информации с МППК, И — все опи-
санные BbinieJLсигналы; СИ — синхроимпульс ускорителя
костями сигнальных электродов двух камер
18 мм; в качестве рабочего газа использовалась
смесь Аг (70%) и СО2 (30%) при атмосфер-
ном давлении, рабочее напряжение камер
2,9ч- 3,1 кВ. Электронная аппаратура системы
выполнена в стандарте КАМАК.
Нами были исследованы два режима работы
телескопа. В первом режиме использовалась
одна МППК, газовый и ливневый черепковские
счетчики. Информация с МППК записывалась
поканально в регистрах записи по сигналу
со схемы совпадений ССг, который вырабаты-
вался при совпадении сигналов с черепков-
ских счетчиков. Сигнал со схем ИЛИ, на
которые подавались сигналы с предварительных
усилителей, использовался для ввода телескопа
в рабочий режим и в дальнейшем служил для
определения загрузок пропорциональных
камер.
Во втором режиме использовались две
МППК, газовый и ливневый черепковские
счетчики. Сигналы с предусилителей поступали
на многоканальную схему совпадений СС2,
выполненную на интегральных элементах
серии К500, где происходило выделение совпа-
дений сигналов с каждой проволочки одной
камеры с сигналом соответствующей прово-
лочки второй камеры по направлению движения
регистрируемых частиц. На вход СС2 приходил
также стробирующий сигнал со схемы ССХ,
полученный так же, как и в первом режиме.
Выделенная информация затем поступала в
приемные регистры РЗИ, которые служили
в данном случае буферной памятью.
В обоих режимах сигналы с дискримина-
торов, логических разветвителей и схемы
совпадений поступали на быстродействующий
(120 МГц) 8-канальный счетчик для определе-
ния загрузок отдельных элементов телескопа
и контроля количества сигналов записи.
Информация с РЗИ и счетчика Сч затем посту-
пала в микро-э.в.м., где после предварительнэй
обработки выводилась на цифропечатающее
устройство (ЦПУ) и графический дисплей на
основе телевизора, а в дальнейшем передава-
лась в ИВК-2 для окончательной обработки.
При помощи данной детектирующей системы
были измерены спектры рассеянных электронов
36
Рис. 2. Спектры рассеянных электронов на ядре 12С
(£0 = 750 МэВ, 0с = 15°: а, б — первый режим,
средний ток пучка электронов на мишени соответствен-
но 0,01 и 0,2 мкА; в, г — второй режим, токи соответст-
венно те же
Рис. 3. Зависимости эффективности регистрации
МППК от загрузки на одну проволочку в посылку
ускорителя в первом (/), втором (2) режимах
на ядре 12С при различных загрузках и режимах
работы телескопа; в качестве примера на рис. 2
представлены спектры, полученные: а — при
минимальной н б — при максимальной заг-
рузках на одну проволочку МППК в 1-м
режиме, в и г — соответственно при тех же
условиях во 2-м режиме.
Результаты исследований эффективности
регистрации приведены на рис. 3. Видно, что
при малых токах пучка электронов па мишени
и малых загрузках эффективность регистрации
в первом режиме составляла 100%, а во втором
79 %, что вызвано наличием расходимости пучка
на выходе спектрометра (±6’) и определяется
геометрией узкого канала, выделенного при
совладении сигналов от одной проволоки l-ofl
камеры и от одной проволоки 2-ой камеры.
Для исключения снижения эффективности была
разработана схема для выделения совпадений
сигнала с каждой проволоки 1-ой камеры
(с учетом угла расходимости) с сигналами
от трех проволок 2-ой камеры.
При увеличении тока пучка и соответствен-
но загрузки до одной частицы в посылку уско-
рителя на одну проволоку, значительно увеличи-
вается количество сигналов по газовому и
ливневому черенковским счетчикам, которые,
накладываясь друг на друга, открывают схему
совпадения ССХ на время, сравнимое с дли-
тельностью посылки. Это приводит к тому,
что в первом режиме с проволок МППК счи-
тываются все сигналы, в том числе и фоновые,
прошедшие через элементы телескопа под
различными углами. Камера будет работать
практически без отбора по совпадениям с эф-
фективностью регистрации 20% (рис. 2, рис. 3).
Во втором режиме при тех же максимальных
загрузках эффективность регистрации в макси-
муме упругого пика составляла 63%, и фон
практически не возрастал, так как информация
выделялась двойными совпадениями сигналов
с соответствующих проволок МППК.
Приведенные результаты показали, что при
работе с многопроволочными пропорциональ-
ными камерами на ускорителе с большой
скважностью и плохими фоновыми условиями
для выделения определенного направления и
достижения высокой эффективности регистра-
ции детектирующей системы без потери интен-
сивности пучка ускорителя необходимо исполь-
зовать многоканальные схемы совпадения
сигналов соответствующих проволок двух
МППК.
Для этих же целей можно было бы ис-
пользовать матрицу решения 16]. Однако
в этой схеме координата частицы связана
с временным интервалом и поэтому не допус-
каются загрузки >1 частицы/посылку на
плоскость камеры. Так как в пашем случае
не возникает необходимости в изменении
направления регистрации и используемые
загрузки ^>1 частицы/посылку па плоскость
каморы, проще и надежней использовать
многоканальный (по числу проволочек) блок
4-кратных схем совпадений.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Волков С. С., Доценко 10. В., Кудин Л. Г. Пре-
принт № 674. Л.: ЛИЯФ, 1981.
2. Ахмеров Р. В., Немашкало Л. А., Попов В. Ф. и др. И
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Общая и
ядерная физика. М.: ЦНИИИ, 1984. Вып. 2 (27).
С. 34.
3. Титов Ю. И., Северин IF. Ф., Ахмеров Р. В. и др. И
ПТЭ. 1970. № 2. С. 69.
37
4. Титов Ю. И., Есаулов А. С., Смелов Е. М. и др. И
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика
высоких энергий и атомного ядра. Харьков: ХФТИ,
1972. Вып. 2. С. 67.
5. Антипов Ю. М., Бушнин Ю. Б., Коноплянников
А . К. и др. Препринт ОЭА 77-85. Серпухов: ИФВЭ,
1977.
6. Chatclus У'.. Herzog Р., Schultz G.H Nucl. Instrum,
and Methods. 1974. V. 119. № 3. P. 589.
Харьковский физико-технический
институт АП УССР
Поступила в редакцию 25.II 1.1985
(После переработки 4.VIII.1986)
УДК 39.1.05 ПТЭ № 3, 1987
РЕГИСТРАЦИЯ КЛАСТЕРОВ ИОНИЗАЦИИ С ПОМОЩЬЮ
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ДРЕЙФОВОЙ КАМЕРЫ
ВОЛКОВ А.Д., ГРЕБЕНЮК В. М., ЗАЛИХАНОВ Б. Ж., КОМИССАРОВ Е.В., СЕРДЮК В. 3.,
СИДОРКИН В. В., ФИЛИМОНОВ II. С.*, ЯНН я.
Исследована возможность регистрации кластеров ионизации с помощью дрейфовой
камеры со световым съемом информации. Свет собирался с помощью содержащего
иереи злу чатель световода, который просматривался двумя ф.э.у., включенными в совпа-
дение. При регистрации кластеров камера продувалась газовой смесью Аг + 15% СП4
и работала в пропорциональном режиме. Длительность сигнала от одиночного элек-
трона составляла 5 ч- 7 нс. Средняя плотность кластеров, зарегистрированных от f-
частиц, равна 12 и 9,5 см-1 при дрейфовом поле соответственно 40 и 100 В/см в геомет-
рии поперечного дрейфа при времени дискретизации 2 нс.
Регистрация светового сигнала в газовых
пропорциональных счетчиках и проволочных
камерах имеет ряд преимуществ но сравнению
с традиционной регистрацией электрического
сигнала. Так, например, возможность работы
при малом значении коэффициента газового уси-
ления (~100) приводит к тому, что счетные
характеристики камеры не ухудшаются при
регистрации потоков частиц вплоть до 3-
• 10е с-1 мм-2, что на 2 порядка лучше, чем
в пропорциональных камерах с малым (~1 мм)
расстоянием между сигнальными электродами
[1, 21. При у-спектрометрии низких энергий
подавляются флуктуации газового усиления и
тем самым улучшается энергетическое разреше-
ние прибора 13]. Электролюминесцентный де-
тектор обладает лучшими временными харак-
теристиками, поскольку при работе в режиме
пропорционального усиления длительность
светового сигнала обусловлена процессами воз-
буждения электронами атомов и молекул газа
и временами высвечивания возбужденных со-
стояний, в то время как длительность электри-
ческого сигнала в основном определяется вре-
менем дрейфа попов. В указанных работах
свет электролюминесценции собирается ф.э.у.,
установленными в непосредственном контакте
с детектирующим объемом, что ограничивает
возможность создания детектора больших раз-
меров. В работах 14, 5] рассмотрен метод сбора
света в проволочной камере с помощью пласти-
* Московский госуниверситет.
38
ческих сместителей спектра. Такой подход
позволяет создать экономичный электролюми-
несцентный детектор с повышенной эффективной
поверхностью, приемлемый для реальных экс-
периментов в физике высоких энергий.
КОНСТРУКЦИЯ II ХАРАКТЕРИСТИКИ
КАМЕРЫ
Электролюминесцентная дрейфовая камера
представляет собой стандартную проволочную
дрейфовую камеру с распределенным потен-
циалом, снабженную световодом с переизлуча-
телем спектра и двумя ф.э.у. для светового
съема информации. Схема устройства камеры
показана на рис. 1. Анодная проволока
ф 20 мкм изготовлена из золоченого вольфра-
ма, катодные плоскости с распределенным по-
тенциалом выполнены из проволоки из берил-
лиевой бронзы ф 100 мкм с шагом 2 мм. Рас-
стояние между катодной и анодной плоскостя-
ми 3 мм. Дрейфовая ячейка ограничена потен-
циальными проволоками из бериллиевой бронзы
ф 100 мкм. Расстояние между анодной и потен-
циальной проволоками (максимальное дрейфо-
вое расстояние) 20 мм. Камеры такого типа ши-
роко используются в экспериментах и обладают
пространственной точностью о 100 -j-
4- 180 мкм 16, 7].
Световод располагается вблизи сигнального
элемента (анодной проволоки) и служит для
сбора света, возникающего в электронной лави-
не на аноде, перепзлучения его и передачи

Рис. 1. Схема устройства электролюминесцентной дрейфовой камеры — в
центре; слева — вид сбоку в сечении; справа — модификация ячейки
камеры. 1 — сигнальная проволока, 2 — потенциальная проволока, 3 —
катодная проволока, 4,5 — ф.э.у., 6 — спектросмещающий световод, 7 —
входное майларовое окно; 8 — разделительные сетки
к ф.э.у. Исследуемый макет состоит из четырех
дрейфовых'ячеек и при длине анодной проволо-
ки 600 мм имеет эффективную площадь 160 X
X 600 мм2. В качестве световода используют-
ся пластины размером 4 X 15 X 850 мм3 из
плексигласа с переизлучателем типа BBQ или
тристприлпиразолин [81. Световод расположен
вдоль анодной проволоки. Его боковая поверх-
ность размером 15 мм ориентирована параллель-
но плоскости камеры и находится на расстоя-
нии 5 мм от катодной плоскости. С двух торцов
световода в оптическом контакте с ним уста-
новлены ФЭУ-85. Ближайшее к световоду вход-
ное окно выполнено из алюминизированпого
майлара толщиной 20 мкм. Зеркальная сторона
обращена во внутренний объем камеры. Про-
тивоположное окно сделано из прозрачного
майлара толщиной 50 мкм. Камера полностью
светоизолирована. Она работала в режиме не-
прерывного продува газовой смесью 87?4Ne +
+ 5%СП4 -[- 8%СО.,. Экспериментальный
стенд, па котором проводились измерения,
показан на рис. 2.
Средняя амплитуда полезного сигнала от
источника электронов 90Sr, проходящих через
камеру, 50 -4- 70 мВ. На рис. 3 показана форма
светового и электрического сигналов с выхода
камеры от у-источпика 65Fe. Электрический
сигнал отличается от светового длительностью
спада, увеличивающим его полную длитель-
ность по основанию в 2 раза. Как уже отме-
чалось выше, это связано с тем, что световой
сигнал чувствителен только к компоненте элек-
тронов в таупдсендовской лавине, а электриче-
ский обусловлен в основном более медленной
ионной компонентой. Таким образом, исполь-
зование светового сигнала позволяет умень-
шить мертвое время системы усилитель — фор-
мирователь и, следовательно, улучшить такую
важную характеристику дрейфовой камеры,
как пространственное разрешение двух треков.
При работе с коллимированным пучком
электронов (90Sr) было обнаружено, что свет
регистрируется не только в том случае, когда
пучок электронов проходит через дрейфовую
ячейку непосредственно «прилежащую» к све-
товоду (центр ячейки — аподпая проволока —
расположен по центру световода), но и в том
случае, когда электроны пересекают соседние
с ней дрейфовые ячейки. При этом амплитуда
светового сигнала для проходящих частиц при
переходе к соседней ячейке меняется скачком.
Па рис. 4 показаны амплитудные спектры све-
тового сигнала при двух положениях камеры
относительно системы коллиматоров, форми-
рующих пучок электронов. В том случае, когда
при смещении камеры пучок не выходит за
пределы ячейки, амплитуда сигнала не меняет-
Рис. 2. Схема экспериментального стенда: 1 — ₽-ис-
точник 90Sr, 2,3 — свинцовый щелевой коллиматор,
4,5 — ф.э.у., 6 — стартовый сцинтилляционный счет-
чик, 7 — электролюминесцентная дрейфовая камера
39
Рис. 3. Форма а — электрического и 6 — электролю-
минесцентного сигналов от у-источника 55Fe. Собствен-
ное время нарастания усилителя 5 нс
Рис. 4. Амплитудные спектры для частиц, регистри-
руемых в основном (7) и в соседнем (2) промежутках
ся, так как световой сигнал формируется вбли-
зи анодных электродов. Из рис. 4 видно,
что перекрытие спектров очень мало. Скачок
возникает из-за того, что при переходе к
соседней ячейке дискретно меняется телесный
угол, под которым виден световод из обла-
сти испускания света, а также тот телес-
ный угол, под которым свет попадает в свето-
вод при однократном отражении от зеркальной
поверхности входного окна. Этот эффект можно
использовать для уменьшения числа световых
информационных каналов. При этом один све-
товод может собирать свет из нескольких ячеек.
В особенности этот эффект может оказаться
полезным при работе камеры в самогасящемся
стримерном режиме, когда амплитудный разброс
значительно меньше, чем в пропорциональном
[9]. Кроме того, в стримерном режиме ампли-
туда светового сигнала примерно на порядок
больше, чем в пропорциональном, а длитель-
ность сигнала па аноде ф.э.у. составляет 10 4-
4- 15 нс.
На рис. 5,а показаны счетные характери-
стики камеры в зависимости от порога регистра-
ции для одиночного ф.э.у., для двух ф.э.у.,
включенных в совпадение, и для электрическо-
Рис. 5. Счетные характеристики электролюминесцент-
ной дрейфовой камеры: а — в зависимости от порога
регистрации С'пор для одного ф.э.у. (2), двух ф.э.у.
в совпадении (2), время интегрирования 20 нс и для
электрического заряда с анода при усилении 300 (3)
для UK = 3,78 кВ; б — в зависимости от катодного
потенциала для двух ф.э.у. в совпадении (/) и для
электрического заряда при усилении 300 (2)
го сигнала с проволоки. Видно, что в случае
включения ф.э.у. в совпадения порог регистра-
ции можно опустить значительно ниже, чем
при съеме электрического сигнала с анодной
проволоки.
Счетные характеристики камеры (рис. 5,6)
измерялись от источника 90Sr при продуве ка-
меры смесыо 87%Ne + 5%СН4 -j- 8%СО2. Пла-
то камеры при регистрации электрического
сигнала составляет 200 В, в то время как для
световых сигналов от ф.э.у., включенных в
совпадение, начиная с некоторого напряжения
наблюдается резкое возрастание скорости сче-
та, по обусловленное шумами камеры, которая
находилась при этом в устойчивом состоянии.
Было сделано предположение, что возрастание
счета связано с чувствительностью светового
сигнала к центрам ионизации — кластерам,
возникающим вдоль трека заряженных частиц.
РЕГИСТРАЦИЯ КЛАСТЕРОВ
Идея регистрации кластеров ионизации ме-
тодом «временной растяжки» в дрейфовой ка-
мере с электрическим съемом информации была
впервые предложена Валентой [101. В [11| бы-
ла показана возможность регистрации в газе
кластеров ионизации (в том числе одиночных
электронов) с помощью плоскопараллельного
40
счетчика «с растянутым временем» и со свето-
вым съемом информации. При использовании
газовой смеси со временем высвечивания —1 нс
оказалось возможным этим методом регистри-
ровать кластеры не только от заряженных
частиц, но и от у-квантов низких энергий
(—1 кэВ).
Для регистрации кластеров электролюми-
несцентная камера была модифицирована. Для
отделения области дрейфа от области форми-
рования сигнала введены разделительные сет-
ки, выполненные, как и полеформирующие
электроды, из бериллиевой бронзы ф 100 мкм
(рис. 1). Максимальная длина дрейфа соста-
вила 18 мм. Световод был расположен на рас-
стоянии 4 мм от катодной плоскости и имел
размер 4x12x750 мм3. Камера непрерывно
продувалась смесью Аг(85%) + С114(15%).
При напряжении между разделительной сеткой
и сигнальной проволокой 1550 В камера рабо-
тала в пропорциональном режиме. Длитель-
ность светового сигнала от одиночного электро-
на при использовании ФЭУ-85 либо ф.э.у.
ХР1020 составила 54-7 нс по основанию, что
определялось временами высвечивания газовой
смеси и согласуется с результатами, получен-
ными в работах [И, 12].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕН ИЙ
Измерения проводились двумя независимы-
ми методами: с помощью быстрого счетчика
КС-005 (быстродействие 150 МГц) и с помощью
анализатора формы импульсов АФИ-16 [13].
В обоих методах использовалась одна и та же
блок-схема электронной аппаратуры (рис. 6).
Стартовый сигнал вырабатывался схемой сов-
падений СС2, на которую подавались сигналы
с ф.э.у. ФЭУ 3 и ФЭУ\ сцинтилляционного
счетчика. Сигнал с выхода СС\ формировался
по длительности (т = 1250 пс) и подавался па
схему совпадений СС2, которая выполняла
функцию отбора событий для анализа. На вхо-
ды СС2 подавались также проинтегрированные
и сформированные сигналы с анодной прово-
локи и с ФЭУг, установленного в оптическом
контакте со световодом камеры. Сигнал с вы-
хода СС.2 формировался по длительности и
через переменную линию задержки подавался
на вход управления регистрирующего блока
(счетчика либо АФИ-16). Сигнал со второго
установленного на камере ф.э.у. ФЭУ2 форми-
ровался быстрым компаратором (тмин ~ 8 4-
4-10 нс) и подавался на вход Анализ. При
измерениях, выполненных со счетчиком КС-
005, он был оборудован устройством управле-
ния, которое блокировало его входы до тех
пор, пока информация о предыдущем событии
не передавалась в память э.в.м. После этого
Рис. 6. Блок-схема электроники для изучения времен-
ной структуры кластерного сигнала: ЭДК — электро-
люминесцентная дрейфовая камера, У — усилитель,
Ф — формирователь, О — одновибратор, СС2, СС2 —
схемы совпадений, ЛЗ — линия задержки, И — ин-
вертор, АФИ-16 — анализатор формы импульсов
содержимое счетчика очищалось, блокировка
снималась и он готов был принять новое собы-
тие, т. е. сосчитать количество кластеров за
время действия сигнала управления. Дли-
тельность сигнала управления составляла
~ 1,5 мкс. Увеличение ее в 10 раз пе приводи-
ло к изменениям результатов. Уменьшение, в
особенности при малых дрейфовых полях, при-
водило к потере информации. Измерения про-
водились как с коллимированным источником
электронов 90Sr (рис. 2), так и с космическим
излучением. В последнем случае камера рас-
полагалась горизонтально, а стартовый сигнал
вырабатывался совпадениями двух узких сцин-
тилляционных счетчиков со сцинтилляторами
500x20x15 мм3, установленными по обе сто-
роны от камеры параллельно анодной прово-
локе.
На рис. 7 показан пример распределения
событий по числу кластеров п от коллимирован-
ного источника электронов. Аналогичные ре-
зультаты были получены при измерениях с
космическим излучением.
Более полную информацию о временной
структуре кластерного сигнала дают измере-
ния, выполненные с помощью АФИ-16. Блок
АФИ-16 представляет собой устройство для
измерения амплитудной и временной структуры
быстрого сигнала (частотный спектр исследу-
емого сигнала 1504-200 МГц) общей длитель-
ностью до 96 нс. В основу работы прибора
положен принцип запоминания сигнала в 16
точках, равномерно расставленных во времени,
с последующим измерением встроенным а.ц.п.
[13]. Время дискретизации, определяющее цену
одного капала во временной шкале, можно
было менять в пределах 2, 3, 4, 5 и 6 нс, при
этом анализируемый диапазон составлял от 32
до 96 нс.
Для исследования полной структуры клас-
терного сигнала в управление дискретным об-
41
Рис. 7. Распределение по числу кластеров, измеренное
с помощью счетчика КС-005, Едр ~_50 В/см, п = 4,438
Рис. 8. Временная структура кластерного сигнала:
а — при дрейфовом поле 40 В/см; б — 100 В/см. Из-
мерения на АФИ-16, время дискретизации 2 нс
разом вводилась задержка, равная полному'
диапазону но времени, перекрываемому при-
бором при выбранном режиме работы. Спектры
в каждом временном диапазоне набирались но
фиксированному числу запусков, равному 4000.
Информация из буферной памяти АФИ-16 об-
рабатывалась на мини-э.в.м. MERA60-10
Программа выявляет локальные максимумы
над пьедесталом в «оцифрованной осциллограм-
ме» сигнала и идентифицирует их с числом
кластеров. Программа позволяет вывести на
цифропечать либо на дисплей форму сигнала,
а также гистограммы распределений числа
кластеров и временного интервала между клас-
терами в выбранном для анализа временном
Рис. 9. Зависимость: 1 — среднего числа кластеров
и и 2 — среднего интервала между ними А/ от дрей-
фового поля (первые 96 нс структуры сигнала). Вре-
мя дискретизации АФИ-16 6 нс
интервале. На рис. 8 показана зависимость
среднего числа кластеров по интервалам, на
которых проводились измерения от времени.
Время дискретизации при этом составляло 2 пс.
Среднее число кластеров, просуммированное по
всем временным интервалам, в первом случае
равно п ~ 7,1, что соответствует плотности
кластеров на треке ~Г1,8 см-1, во втором слу-
чае п ~ 5,7 и соответственно плотность 9,5 см-1.
На рис. 9 показаны зависимости среднего
числа кластеров и среднего временного интер-
вала между кластерами от дрейфового поля в
диапазоне полей от 20 до 300 В/см при времени
дискретизации 6 пс. При этом анализировались
только первые 96 нс структуры кластерного
сигнала. В графиках наблюдается минимум при
дрейфовых полях —200 В/см, который соответ-
ствует максимуму скорости дрейфа при этих
значениях полей, что находится в согласии с
существующими экспериментальными данными
для газовой смеси Аг(85%) + СН4(15%).
С уменьшением дрейфового поля и, следова-
тельно, скорости дрейфа виден рост как сред-
него интервала между кластерами, так и сред-
него их числа вследствие повышения эффектив-
ности регистрации.
Авторы признательны В. С. Киселеву и
Л. К. Лыткину за полезные советы и обсужде-
ния; В. П. Рыкалину, С. М. Шафранову и
В. Ю. Жукову за большую помощь в работе,
а также К. Катоне, Е. А. Севруку, II. А. Ле-
бедеву и Р. Е. Русакову за помощь при изго-
товлении камеры.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Charpak С., Majewski S., Sauli F. И Nucl. Instrum,
and Methods. 1975. V. 126. P. 381.
2. Charpak G., Majewski S., Sauli F. // IEEE Trans.
Nucl. Sci. 1976. V. NS-23. № 1. P. 202.
3. Policarpo A. J. P. L. // Nucl. Instrum, and Methods.
1970. V. 77. P. 309.
42
4. Anderson D. FCharpak G. Preprint CERN EP/82-05.
Geneva, 1982.
5. Бунятов С. А. и др. И Материалы III Рабочего со-
вещания по нейтринному детектору ИФВЭ —
ОИЯИ. Дубна: ОИЯИ, 1982. С. 70.
6. Charpak G., Sauli F., Duinker W. // Nucl. Instrum,
and Methods. 1973. V. 108. P. 413.
7. Breskin et al. // Nucl. Instrum, and Methods. 1974.
V. 119. P. 9.
8. Barish B. et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1978. V.
NS-25. № 1. P. 532.
9. Алексеев Г. Д., Круглов В. В., Хазине Д. М. Пре-
принт ОИЯИ Д13-12027. Дубна, 1978.
10. Walenta А. II. et al.//Proc. Intern. Conf, on In-
strumentation for Colliding Beam Physics. Stan-
ford: SLAC-25, 1982. UC-34d. P. 34. Walenta A. 11.1/
IEEE Trans. Nucl. Sci. 1979. V. NS-26. P. 73;
Nucl. Instrum, and Methods. 1983. V. 217. P. 65.
11. Siegmund О. II. W. et al.//Nature. 1982. V. 295.
P. 678.
12. Anderson D. F., Charpak C. Preprint CERN EP/82-
05. Geneva, 1982.
13. Сазанский В. И., Шейигезихт А. А. Препринт
ИЯИ СО АН СССР 79-37. Новосибирск, 1979.
Объединенный институт ядерных исследований,
Дубна
Поступила в редакцию 18.VI.1985
УДК 539.107:621.383.811
ПТЭ № 3, 1987
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ШЕВРОННОЙ
СБОРКОЙ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН
ШИЛОВ А. Л., ЕРШОВ Л. С., ИВАНОВ В. И., ИЛЬЧЕНКО А. В., МОРГОВСКИЙ Л. Я.,
ТЮТИКОВ А. М.
Исследована зависимость эффективности регистрации шевронной сборкой двух
микроканальных пластин (м.к.п.) у-излучения изотопов 55Fe (5,6 кэВ), 241Ат (59,6 кэВ),
137Cs (662 кэВ) от толщины пластин. Источники калибровались с помощью сцинтилля-
ционного детектора с кристаллом Nal(Tl) и пропорционального счетчика. Измерения
проводились в режиме счета импульсов, порог регистрации составлял —106 электронов
в импульсе. Показано, что оптимальное по эффективности напряжение па первой м.к.п.
для тонких « 1 мм) м.к.п.) равно напряжению максимального усиления, а для толстых
(1 -s- 3 мм) м.к.п. оно несколько меньше. Измерены зависимости эффективности от
толщины первой м.к.п., изменяемой в пределах 0,7 -н Змм. Максимальные значения
эффективности регистрации составили: для излучения с энергией 5,9 кэВ —2,5%,
59,6 кэВ - 25%, 662 кэВ — 4% .
Микроканальпые пластины (м.к.п.) находят
широкое применение в экспериментальной фи-
зике в качестве детекторов заряженных частиц
и фотонов [1, 2]. Одним из перспективных
детекторов этого тина является шевронная
сборка м.к.п., состоящая из двух м.к.п. с пря-
мыми каналами, ориентированными под углом
друг к другу. Однако известные исследования
эффективности! регистрации у-кваптов отдель-
ными м.к.п. стандартной толщины и шеврон-
ными сборками из них свидетельствуют о том,
что она <Д4-5% при энергиях квантов 604-
4-600 кэВ и лишь для излучения с энергией
204-30 кэВ возрастает до 54-10% [3, 4]. Дело
в том, что для жесткого рентгеновского излу-
чения средняя глубина его поглощения пре-
вышает толщину коммерческих пластин, ис-
пользованных в этих исследованиях, а толщина
стенок каналов — среднюю глубину выхода
фотоэлектронов, т. е. не все излучение погло-
щается в м.к.п. п не все возбужденные в стен-
ках каналов фотоэлектроны выходят в каналы
для дальнейшего размножения.
Вместе с тем м.к.п. представляет собой
пространственную решетку, эффективность ре-
гистрации которой такого излучения может
быть существенно повышена выбором опти-
мальной геометрии. Угол наклона каналов и
толщина пластины должны обеспечивать задан-
ное поглощение излучения, а толщина стенок
каналов должна быть меньше глубины выхода
фотоэлектронов, чтобы большинство из них
вышло в каналы.
Цель данной работы— проверка этого пред-
положения на примере исследования зависи-
мости эффективности регистрации от толщины
первой из пластин шевронной сборки. Вторая
пластина служила усилителем тока.
Измерения проводились на м.к.п., изготов-
ленных из свинцово-силикатного стекла с ве-
совым содержанием свинца ~40%. Диаметр
каналов пластин составлял 14,5 мкм, шаг
структуры 17,3 мкм, угол наклона каналов
64-7°. Толщина первой, детекторной пластины
менялась от 0,75 до 3 мм. Толщина второй,
усилительной пластины составляла 0,54-1,5 мм
Исследуемые м.к.п. помещались в вакуум-
ную камеру 1 (рис. I), откачиваемую до давле-
ния <Д0“5 Па. Для ввода излучения служило
бериллиевое окно 2. Электроны выходного
43
Рис. 1. Схема установки. 1 — вакуумная камера,
2 — входное окно из Be, 3 — собирающий анод,
4 — м.к.п.; IIВII — источники высокого напряжения,
ПУ — предварительный зарядочувствительный усили-
тель, СИ — счетчик импульсов, И — источник излуче-
ния, АИ-256 — анализатор импульсов; R1 -ь Я6 —
делитель напряжения, Я? — нагрузочное сопротивле-
ние, С — разделительная емкость
сигнала собирались коллектором 3, располо-
женным на расстоянии 3 мм от второй пласти-
ны. Необходимые напряжения обеспечивались
высоковольтными стабилизированными источ-
никами ИВН1 и ИВНг. Система регистрации
содержала зарядочувствительпый предусили-
тель ПУ, анализатор импульсов АИ-256 и час-
тотомер СИ.
В качестве источников излучения И исполь-
зовались изотопы 55Fe (5,9 кэВ), 241Аш
(59,6 кэВ), 137Cs (662 кэВ). Тем самым выпол-
нялись условия соответственно сильного (цА
1), промежуточного (ц£ ~ 1) и слабого
(нА <8^ 1) поглощения излучения в пластине
(и — линейный коэффициент ослабления, L —
толщина пластины). Источники калибровались
с помощью сцинтилляционного детектора с
кристаллом Nal(Tl) и пропорционального
счетчика (для источника 55Fe). При энергиях
5,9 и 59,6 кэВ они обеспечивали полное погло-
щение излучения. При калибровке па линии
662 кэВ необходимое значение поглощения в
кристалле бралось из работы [5].
Эффективность регистрации определялась
при работе сборки в режиме насыщения (в ре-
жиме счета импульсов). При суммарном уси-
лении пластин <^107 амплитудное распределе-
ние импульсов для шевронной сборки имеет
квазиэкспоненциальный характер [6]. На
рис. 2, а показаны типичные амплитудные рас-
пределения для этого случая (напряжение на
второй м.к.п. равно 1200 В). Максимальные
амплитуды в этих распределениях возрастают
с ростом энергии кванта. При этом максималь-
ное число электронов, выбиваемых одним у-
Рис. 2. Амплитудные распределения импульсов от
шевронной сборки м.к.п. Толщина м.к.п. 0,75 мм;
напряжение на 1-й пластине 1880 В; напряжение на
2-й пластине: а — 1200 В, б — 1750 В; энергия кван-
тов: 1 — 5,9, 2 — 59,6, 3 — 662 кэВ
квантом в канал может быть ^>1 для достаточно
жесткого у-излучения.
При более высоком напряжении на м.к.п.
наблюдается насыщение. Амплитуда пика на-
сыщения соответствует 5-10й электронам па
выходе м.к.п. (рис. 2, б). Доля импульсов, по-
падающих в пик насыщения, различна для
разных энергий излучения. Для сильно погло-
щающегося излучения, когда размножение
электронов происходит на всей длине каналов,
практически все импульсы оказываются насы-
щенными (2, рис. 2, б). Наоборот, для слабо
поглощающегося излучения насыщенными ока-
зываются только около половины импульсов
(5, рис. 2, б).
Напряжение питания первой пластины вы-
биралось по счетным характеристикам сигнала
и шума (рис. 3). Так как интенсивность шума
резко возрастает с напряжением, последнее
выбиралось в пределах плато счетной харак-
теристики сигнала при шуме, не превышающем
1096 интенсивности полезных сигналов. Для
тонких (^1 мм) пластин выбраппое таким об-
разом напряжение практически совпадает с
теоретическим напряжением максимального
усиления [2|. Для толстых пластин (1,5-т-З мм)
рабочее напряжение было меньше, чем соответ-
ствующее максимальному усилению, так как
44
Рис. 3. Зависимости эффективности регистрации г,
(/, 2. 4, 5) и уровня шума /ф (3, 6) от напряженно-
сти поля Е£в каналах м.к.п. при толщине м.к.п., рав-
ной 3 мм (1 ч- 3) и 1,5 мм (4 ч- 6’). Энергия у-квантов
указана у кривых в килоэлектронвольтах
Рис. 4. Зависимости эффективности регистрации г) от
толщины 1-й м.к.п. для энергий у-квантов: 1 — 5,9,
2 — 662, 3 — 59,6 кэВ; 4 — зависимость иоглощенпя
у-квантов с энергией 59,6 кэВ от толщины м.к.п.
в последнем случае скорости счета полезных
и шумовых сигналов были одного порядка.
Полученные зависимости эффективности ре-
гистрации от толщины первой пластины пока-
заны на рис. 4. Для излучения 55Fe пробег
фотоэлектронов и глубина поглощения излу-
чения малы по сравнению с толщиной межка-
нальной перегородки, в результате чего воз-
можен выход в канал только тех фотоэлектро-
нов, которые рождены у-квантамп. попавшими
в открытую площадь поверхности стенок ка-
налов. В этом случае эффективность регистра-
ции определяется долей поверхности пластины,
занятой каналами (~60%) и вероятностью вы-
хода электронов в канал с глубины поглощения
кванта при скользящем падении излучения на
стенки каналов, т. е. не зависит от толщины
м.к.п. В первом приближении эта величина
может быть определена умножением числа ге-
нерируемых «пачек» электронов (импульсов) на
квант для массивного катода при заданном
угле наклона на относительную долю поверх-
ности пластины, занятую каналами. Действи-
тельно, такой расчет по данным [7] дает вели-
чину весьма близкую к измеренному значению
2,5% (рис. 4)»
Для жесткого излучения (G62 кэВ) измерен-
ная эффективность регистрации для всех тол-
щин совпадает с рассчитанным поглощением в
первой пластине (2, рис. 4). Таким образом,
каждый квант, поглощенный в первой пласти-
не, регистрируется. Это неудивительно, так
как пробег соответствующих фотоэлектронов
достаточен для выхода в канал из любой точ-
ки стенки.
Для излучения с промежуточной погло-
щающей способностью ограничение эффектив-
ности регистрации определяется как поглоще-
нием в пластине, так и пробегом фотоэлектро-
нов. Поглощение излучения 241Ат в пластинах
измерялось с помощью сцинтилляционного де-
тектора, с использованием пластин в качестве
фильтров (5, рис. 4). Эффективность регистра-
ции этого излучения для всех толщин состав-
ляет ~30% поглощения.
Полученные данные свидетельствуют о том,
что выбирая геометрию м.к.п. действительно
можно существенно повысить эффективность
регистрации ею рентгеновского излучения в
заданном диапазоне энергий. Полученная в
данной работе па м.к.п. большой толщины
эффективность 204-30 % для квантов с энер-
гией 60 кэВ уже сравнима с таковой для стан-
дартных рентгеновских электронно-оптических
преобразователей и превышает максимум изме-
ренной эффективности для коммерческих плас-
тин [3, 4| (5-4-10% при толщине пластин 0,5-4-
4-0,7 мм).
ЛИТЕРА ТУРА
1. Дмитриев 13. Д., Лукьянов С. М., Пенионжкевия
10. Э., Саттаров Д. К. II ПТЭ. 1982. № 2. С. 7.
2. Wiza J. L. И Nucl. Instrum. and Methods. 1979.
V. 162. P. 587.
3. Bateman J. E. H Nucl. Instrum, and Methods. 1977.
V. 144. P. 537.
4. Gould R., Judy P. F., Klopping J. CBjarngard В. E.l/
Nucl. Instrum. and Methods. 1977. V. 144. P. 493.
5. Вартанов H. А., Самойлов И. С. Прикладная сцин-
тилляционная гамма-спектроскопия. М.: Атомиздат,
1969.
6. Келлог, Генри, Мюррей, Ван-Спейброук. И Приборы
для научных исследований. 1976. № 3. С. 8.
7. Тютиков А. М. И УФН. 1970. Т. 100. Вып. 3. С. 467.
Поступила в редакцию 20.VI.1985
45
УДК 537.087.44
ПТЭ № 3, 1987
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ГОДОСКОП С РАБОЧЕЙ ПЛОЩАДЬЮ 50x50 см2
НА ОСНОВЕ ГОДОСКОПИЧЕСКИХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ
ПОРОГ В. В.*, ВАСИЛЬЧЕНКО В. Г., ДЕМЕХИН А. В.**, ДРОНОВ В. В. *, РЫКАЛИН В. И.
Рассмотрен выбор оптимальных конструкций чувствительных элементов крупно-
габаритных годоскопов на основе годоскопических ф.э.у. Полученные результаты чис-
ленных расчетов подтверждаются результатами проведенных измерений. Эксперимен-
тально измеренное пространственное разрешение одной из конструкций сцинтилля-
ционных годоскопов (с двумя годоскопическими ф.э.у.) с чувствительным объемом
50 X 50 X 2 см3 составляет +3 мм.
Создание координатных детекторов большой
площади, способных стабильно работать в те-
чение нескольких месяцев, является актуаль-
ной задачей как для экспериментов на ускори-
телях, так и для поиска локальных источников
в космических лучах [1-4-3]. Использование
для этих целей пропорциональных или дрей-
фовых камер, а также сцинтилляционных го-
доскопов па малогабаритных ф.э.у. требует
сложных электронных систем, что понижает
общую надежность установки. Известные сцин-
тилляционные годоскопы на основе двух годо-
скопических ф.э.у. (г.ф.э.у.) с размерами сцин-
тилляторов 200x180 мм2 [4] и 500 x180 мм2
(Черешков Н. А. Дипломная работа. М.:
МИФИ, 1981) во многих случаях эквивалентны
нескольким десяткам обычных сцинтилляцион-
ных счетчиков. В данной работе рассмат-
риваются различные варианты построения
аналогичных годоскопов с сцинтиллятором
размером 500x500 мм2, у которых размер
чувствительной области детектора превышает
суммарную длину рабочей области двух г.ф.э.у.
Было исследовано 4 различных варианта
конструкций годоскопа на г.ф.э.у. (рис. 1).
Вариант 1. Сцинтиллятор, к торцу которого
приклеен пассивный световод меньшего сече-
ния (рис. 1,а).
Вариант 2. Сцинтиллятор, к боковой по-
верхности которого прижат (без оптического
контакта) сцинтиллирующий световод-смести-
тель спектра (рис. 1, б).
Вариант 3. Сцинтиллятор, к верхней и ниж-
ней сторонам которого приложены смещенные
относительно друг друга световоды-сместители
(рис. 1, в).
Вариант 4. Сцинтиллятор, плоская поверх-
ность которого поворачивается на 90й (рис. 1,г).
В этом случае частицы проходят через сцинтил-
лятор толщиной 5 мм.
Во всех случаях чувствительная область
годоскопа длиной 25 см с помощью световодов,
световодов-сместителей и сцинтилляторов про-
* Московский инженерно-физический институт.
** Институт атомной энергии, Москва.
ецировалась на участок фотокатода г.ф.э.у.
длиной 15 см. Расстояние от фотокатода до
ближнего к нему края чувствительной области
годоскопа составляло 11 см.
При использовании обычных световодов по-
тери света на переходе сцинтиллятор — свето-
вод определяются в основном отношением пло-
щадей их поперечных сечений. Измерения
показали, что потери света па склейке ~0,8.
Толщина использованного световода 4 мм. Та-
ким образом, па контакте свет ослабляется в
3 -4- 3,5 раза (на изгибе световода теряется
~20% света).
Другим способом передачи света является
переизлучение его в более длинноволновую
область с помощью световода-сместителя спек-
тра на основе ПММА. Как правило, сдвиг
спектра высвечивания световода-сместителя в
длинноволновую область относительно спектра
сцинтилляции приводит к повышению длины
затухания света, но одновременно увеличива-
Рис. 1. Варианты сопряжения сцинтилляторов 2 со
световодами 1 и способы собирания света на фотокатод.
D = 500 мм, L = 115-е- 156 мм, h — 10 мм, Т = 20 мм
46
Таблица 1
Состав сцинтиллятора * Тип спектросме- щающей добавки с ве го вода-сместител я Р,
Полистирол + 1,5% РРО Полистирол+1,5% РРО + +0,025% РОРОР ПФ-1 »♦ ДФСП РОРОР ПФ-1 ДФСП 0,76 0,92 1,00 1,00 0,52
* Спектр излучения сцинтиллятора без РОРОР опре- деляется РРО, иначе —РОРОР. ** Спектросмещающая добавка из ряда пиразолиновых.
Таблица 2
Тип спектросме- щающей добавки световода-сместителя ^шах» нм т, НС Тип фотокатода ф.э.у. * P,
ДФСП ПФ-1 РОРОР « CsNa2KSb — MJ фотокатод. 480 500 420 льтище 5 6 3 лочной CsNa2KSb K2CsSb CsNa2KSb KaCsSb CsNa2KSb K2CsSb KjCsSb — бпще. 1,3 0,7 0,9 0,4 1,0 1,0 точной
Таблица 3
Тип фото- катода ф.э.у. Тил добавки, определяющей спектр излучения сцинтиллятора Тип спекгро- смещающей до- бавки световода- сместителя Относи- тельный выход фотоэлек- тронов
CsNa2KSb РРО РОРОР 2,5
ДФСП 2,9
ПФ-1 1,7
РОРОР ДФСП 1,7
ПФ-1 2,2
KaCsSb РРО РОРОР 2,5
ДФСП 1,6
ПФ-1 0,8
РОРОР ДФСП 0,9
ПФ-1 1
ется время высвечивания. Выходной сигнал
г.ф.э.у. (количество выбитых фотоэлектронов)
при использовании световодов-сместителей
спектра определяется степенью перекрытия
спектров испускания и поглощения пар сцинти-
ллятор — световод-сместитель спектра, а так-
же соответствием спектра высвечивания свето-
вода-сместителя спектральной характеристике
чувствительности г.ф.э.у.
В табл. 1 приведены относительные величи-
ны сверток Рх спектров поглощения исполь-
зуемых световодов-сместителей спектра 1 со
1 Далее для спектросмещающей добавки 1,5-дифе-
нпл-З-стирпл-пиразолин вводится обозначение ДФСП.
спектральными распределениями сцинтилля-
ционного излучения, нормированными на ин-
тегральный световыход сцинтилляторов. При
этом принималось, что интегральный световы-
ход рассматриваемых сцинтилляторов одинаков.
Очевидно, что величины сверток характеризуют
относительный световыход пар сцинтиллятор —
световод-сместитель.
Как видно из табл.1, для пар полисти-
рол+1,5% РРО — ДФСП; полистирол%
РРО — РОРОР; полистирол+1,5% РРО+
+0,025% РОРОР — ПФ-1 имеет место хоро-
шее соответствие между спектрами испускания
и поглощения.
Пыли также рассчитаны относительные вы-
ходы фотоэлектронов для пар световод-смести-
тель спектра — ф.э.у. Величины сверток Р2
соответствующих распределений приведены в
табл. 2. Здесь же приведены длины волн Хтах,
соответствующие максимумам в спектрах вы-
свечивания световодов-сместителей с соответ-
ствующими добавками и времена высвечива-
ния т.
При расчетах использовались известные
данные по спектральным распределениям из-
лучения различных добавок [6| и квантового
выхода фотокатодов ф.э.у. [7].
Величины относительных выходов фотоэлек-
тронов в системах сцинтиллятор па основе
полистирола — световод-сместитель спектра —
ф.э.у. приведены в табл. 3 (относительная
ошибка 15%).
Наиболее перспективными системами сцин-
тиллятор — световод-сместитель спектра —
ф.э.у. для сцинтилляционных годоскопов на
основании данных табл. 3 следует считать
следующие: полистирол + РРО — РОРОР —
CsNa2KSb; полистирол + РРО — ДФСП —
CsNa2KSb; полистирол + РРО — РОРОР —
KjCsSb. Следует отметить, что вторая из этих
систем, обеспечивающая наибольший сигнал,
является оптимальной и с точки зрения созда-
ния крупногабаритных годоскопов. Действи-
тельно, прозрачность ПММА и полистирола
существенно увеличивается при переходе от
спектра высвечивания РОРОР (z.max 420 нм)
к спектру высвечивания ДФСП (Хтах ~
~ 480 нм) [6]. Третья из этих систем в насто-
ящий момент является оптимальной для со-
здания годоскопов на основе г.ф.э.у., поскольку
выпуск г.ф.э.у. с мультищелочными фотокато-
дами не освоен. Кроме того, пространственное
разрешение годоскопов на основе г.ф.э.у.
улучшается с уменьшением длительности све-
тового сигнала [4], а в случае использования
в качестве спектросмещающей добавки РОРОР
длительность светового сигнала вдвое короче,
чем в случае использования ДФСП.
При использовании несцинтиллирующих
47
Таблица 1
Тип сцинтиллятора Тип световода Тип конструкции (рис. 1) Выход фотоэлектронов
Полистирол +1,5% РРО ПММА+10% нафталина + + 1,5% РРО 1-0,03% РОРОР в 24
Полистирол 4- 2% р-терфенила + СО-95 а 20
+ 0,03% РОРОР ПММА + 0,01 % ПФ-1 в 8
б 5
ПММА+ 0,01 % ДФСП в 7
б 4
ПММА + 15% нафталина + 1,5% РРО + +0,03% РОРОР ПММА г 13
ПММА + 15% нафталина + 1,5% РРО + +0,03% ДФСП ПММА г 4
световодов-сместителей спектра, которые на-
кладываются па боковую поверхность сцин-
тиллятора (рис. 1, б, в), часть рабочего объема
детектора нечувствительна к проходящим час-
тицам. Чтобы избежать этого, необходимо ис-
пользовать сцинтиллирующие световоды-смес-
тители спектра. Измерения показали, что в
геометрии рис.1,в при использовании системы
РРО — ДФСП — CsNa.,KSb световой сигнал
при прохождении частиц через сцинтиллирую-
щий световод-сместитель спектра (полисти-
рол + 2% р-терфепила + 0,03 % РОРОР) в
2,5 раза превышает сигнал частиц, проходящих
через сцинтиллятор. То есть коэффициент пе-
редачи энергии от сцинтиллятора в световод-
сместитель спектра составляет -'0,4. Такая
величина была получена при использовании
сцинтиллятора с матовой поверхностью, об-
ращенной к световоду-сместителю спектра. За
счет уменьшения сцинтилляционной эффектив-
ности световода-сместителя спектра, например
при использовании ПММА-сцинтилляторов,
сигналы при прохождении частиц через сцин-
тиллятор и световод-сместитель спектра могут
быть уравнены.
Экспериментально относительный выход фо-
тоэлектронов был измерен для нескольких ва-
риантов конструкций чувствительного элемен-
та годоскопа, в том числе и варианта с пассив-
ным световодом. Для этих вариантов измеря-
лось число фотоэлектронов, выбиваемых из
фотокатода г.ф.э.у. с интегральной чувстви-
тельностью 30 мкА/лм при прохождении реля-
тивистских частиц через дальнюю от фотокатода
область элемента годоскопа. Результаты изме-
рений приведены в табл. 4 (относительная
ошибка 10%).
Приведенные экспериментальные и расчет-
ные данные не противоречат друг другу, что
видно из сравнения расчетных (табл. 3) с соот-
ветствующими экспериментальными (табл. 4)
результатами.
Наибольшее количество фотоэлектронов об-
разуется при использовании конструкции
рис. 1, в, в которой сцинтиллятор из полисти-
рола + 1,5% РРО сочленен со сцинтиллирую-
щим световодом-сместителем спектра из
ПММА + 10% нафталина + 1,5% РРО +
+ 0,03% РОРОР.
Применение пассивного световода и сцин-
тиллятора из полистирола + 2% р-терфепи-
ла 4-0,03% РОРОР (рис. 1,а) дает несколько
худший результат по количеству фотоэлектро-
нов. Кроме того, склейка сцинтиллятора со
световодом сточки зрения надежности является
существенным недостатком этого варианта кон-
струкции.
Следует отметить, что перспективным может
оказаться вариант, изображенный на рис. 1,2
при использовании сцинтилляторов на основе
полистирола, которые обеспечивают вдвое боль-
ший световыход, чем сцинтиллятор на основе
ПММА. Трудности в использовании сцинтил-
лятора из полистирола связаны с его чувстви-
тельностью к термической обработке, необхо-
димой при изготовлении конструкции рис. 1,2.
Пространственное разрешение годоскопов
па основе г.ф.э.у. при прохождении частиц
через один сцинтиллирующий элемент опреде-
ляется количеством выбиваемых из фотокатода
ф.э.у. фотоэлектронов, формой светового сиг-
нала, продольными размерами области осве-
щения фотокатода, собственным пространст-
венным разрешением г.ф.э.у., зависящим от
поперечных размеров области освещения фо-
токатода и удельной задержки г.ф.э.у. Форма
светового сигнала, приходящего на фотокатод
г.ф.э.у., зависит от координаты прохождения
частицы. Форма светового сигнала и простран-
ственное разрешение существенно зависят от
качества поверхности дальних от г.ф.э.у. тор-
цов элементов годоскопа. При высоком коэф-
фициенте отражения поверхности (например,
при ^использовании покрытия из алюминиро-
48
Рис. 2. Зависимости пространственного разрешения а
элемента сцинтилляционного годоскопа от координаты
х попадания частицы в случаях, когда: 1 — на проти-
воположный от г.ф.э.у. торец сцинтиллятора не нане-
сен отражатель; 2 — отражатель нанесен
Рис. 3. Экспериментальная зависимость пространст-
венного разрешения о элемента сцинтилляционного
годоскопа от величины удельной задержки по фотока-
тоду tx. Размеры области засветки фотокатода г.ф.э.у.
составляют 0,5 X 2 см2
Рис. 4. Временнбе распределение сигналов на выходе
г.ф.э.у. при прохождении частиц в шести фиксирован-
ных точках, сдвинутых относительно друг друга на
1 см. х — координата вдоль фотокатода г.ф.э.у.
ванного лавсана) увеличивается число выби-
ваемых фотоэлектронов, но одновременно
увеличивается длительность светового сигнала.
На рис. 2 показаны зависимости простран-
ственного разрешения (среднеквадратичного
отклонения о от координаты попадания частиц
вдоль одного элемента годоскопа с пассивным
световодом (рис. 1,а). Видно, что сцинтиллятор
с нанесенным на его торец алюминированным
лавсаном имеет худшее разрешение при про-
хождении частицы па расстоянии ~20 см от
фотокатода г.ф.э.у., а сцинтиллятор без лав-
сана — на расстоянии ~50 см. При этом ока-
зывается, что величины этих худших разреше-
ний примерно одинаковы, однако в случае
использования отражающего покрытия на тор-
це наблюдается заметный (в 1,7 раза) выигрыш
в величине сигнала.
Для ослабления зависимости собственного
пространственного разрешения г.ф.э.у. от по-
перечных размеров области освещения фотока-
тода при настройке г.ф.э.у. зависимость задер-
жки сигнала г.ф.э.у. от поперечной координаты
точки освещения фотокатода компенсировалась
путем подбора положения постоянных маг-
нитов.
При увеличении удельной задержки г.ф.э.у.
но фотокатоду должна уменьшаться зависи-
мость разрешения от длительности светового
сигнала. Однако из-за увеличения общего вре-
мени регистрации сигналов увеличивается чис-
ло срабатываний г.ф.э.у. от шумов и ухудша-
ется собственное пространственное разрешение
г.ф.э.у.
Экспериментальная зависимость простран-
ственного разрешения элемента сцинтилляци-
онного годоскопа от величины удельной задер-
жки представлена на рис. 3. В области задержек
^>20 нс/см происходит монотонное улучше-
ние пространственного разрешения с возра-
станием удельных задержек. В связи с этим
для работы с годоскопом (вариант 1,а, в) были
выбраны задержки в диапазоне 30-н 35 нс/см.
При этих значениях за 500 запусков наблюдает-
ся в среднем одно срабатывание г.ф.э.у. от
шумов при интенсивности шумов (на одноэлект-
ронном уровне) 10'1 с-1 [9].
Для двух наиболее перспективных вариан-
тов годоскопа (рис. 1,а, в) были изготовлены
два сцинтилляционных детектора. С этими
детекторами измерялось пространственное раз-
решение годоскопа на пучке релятивистских
мюонов, проходивших перпендикулярно пло-
скости годоскопа. Сигналы отбирались по сов-
падениям сигналов от двух сцинтилляционных
счетчиков на ФЭУ-85 со сцинтилляторами ши-
риной 5 мм. Собственное времеппое разрешение
счетчиков 2т = 1,4 нс. Между счетчиками по-
мещался исследуемый годоскоп, импульсы от
которого использовались в качестве сигналов
Стоп. Для анализа амплитуд использовался
анализатор ЛИ-256.
На рис. 4 показано временнбе распределение
сигналов от годоскопа рис. 1,а, который был
собран из сцинтилляционных палочек (2°о
4 птэ, м з
49
р-терфенила + 0,03% POPOP) с приклеенными
к торцам пассивными световодами из оргстекла
СО-95. Расстояние между соседними пиками
соответствует расстоянию 1 см между местами
прохождения пучка частиц. Временная при-
вязка к импульсам от годоскопа осуществля-
лась с помощью формирователя Ф-103 в моде
«К» |10|. Из полученного распределения им-
пульсов видно, что пространственное разреше-
ние годоскопа <3 мм. Такой же результат был
получен и для варианта конструкции годоскопа,
изображенной на рис. 1,в.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Polio Т., Imai R., Bodama М. et al. И 17-th Intern.
Cosmic Kays Conf. France, Paris, 1981. V. 10.
P. 289.
2. Rogers I. IV., Tristam M. // 17-th Intern. Cosmic
Rays. Conf. France, Paris, 1981. V. 10. P. 205.
3. Nagashima R., Fujii Z., Sakakibara S. et al. Report
of Cosmic Ray Research Laboratory № 4, Japan,
Nagaia, 1981.
4. Vasil’chenko V. G., Lapshin V. G., Mel’nikov N. S.
et al. // Nucl. Instrum, and Methods. 1980. V. 169.
P. 389.
5. Васильев A. II., Вишневский H.K., Матуленко
JO. А. и др. Препринт ИФВЭ 80-154, Серпухов,
1980; ПТЭ. 1982. № 4. С. 52.
6. Красовицкий Б. М., Болотин Б. М. Органические
люминофоры. М.: Химия. 1984. С. 285.
7. Philips Data Handbook. Electron tubes. Holland,
1978. Part 9.
8. Васильченко В. Г., Лапшин В. Г., Монин Е. А. и
др. Препринт ИФВЭ 80-5, Серпухов, 1980.
9. Васильченко В. Г., Волков А. А., Евдокимов В. II.
и др. Препринт ИФВЭ 84-158, Серпухов, 1984.
10. Бушнин Ю. Б., Дунайцев А . Ф.. Сенько В. А . и др.
Препринт ИФВЭ 72-49, Серпухов, 1972; ПТЭ.
1973. .Vs 4. С. 140.
Институт физики высоких энергий,
Серпухов
Поступила в редакцию 11.XI 1.1985
УДК 539.1.074.6 ПТЭ № 3, 1987
ГОДОСКОПИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ПА МАЛОГАБАРИТНЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯХ
БЕЛЬЗЕР Л. И.*, ГРИБУШИН А. М.‘, ЖИЛЬЦОВА Л. Я., МАТВЕЕВА Е. If.,
ПИЛИПЕНКО Т.Д., СИПЕВ И. Б.*
Описан годоскопический модуль на малогабаритных ф.э.у. Координатное разре-
шение 4 мм, число каналов 25. число ф.э.у. 10, размер чувствительной области 50 X 1
X 100 мм2. При использовании ФЭУ-147 временнбе разрешение 3 ч- 4 нс, загрузка до
10" с"1.
В настоящее время па ускорителе Лабора-
тории высоких энергии Объединенного инсти-
тута ядерных исследований создается экспери-
ментальная установка «Сцинтилляционный
магнитный спектрометр» (СМС), основным эле-
ментом которой является развитая годоскопи-
ческая система. В данной работе кратко описан1
сцинтилляционный годоскоп установки СМС и
применительно к нему приведены амплитудные
и временные характеристики малогаоаритных
ф.э.у. нескольких марок (ФЭУ-58. ФЭУ-60,
ФЭУ-114-1, ФЭУ-147-1 и В-1635 (фирма Hama-
matsu, Япония)), полученные при работе с
радиоактивным источником 100Ru и стандарт-
ными пластмассовыми сцинтилляторами двух
типов — на основе оксазолов в полистироле и
в полиметнлметакрилате.
* НИИ ядерной физики Московского госунивер-
ситета.
ГОДОСКОП 11Ч ЕС К11И МОД У ль
Годоскоп установки СМС сконструирован
по модульному принципу, позволяющему лег-
ко изменять геометрию спектрометра в зависи-
мости от конкретной задачи. Устройство го-
доскопического модуля иллюстрирует рису-
нок. Тонкие пластмассовые сцинтилляторы в
виде узких и широких пластин расположены
в два слоя так, что узкие пластины составля-
ют п групп по числу перекрывающих их ши-
роких пластин. Свет от широких сцинтилля-
торов попадает через индивидуальные свето-
воды на п соответствующих ф.э.у. в верхнем
блоке; каждый из т ф.э.у. в нижнем блоке
соединен пучком изогнутых плексигласовых
световодов с п узкими сцинтилляторами (по
одному из каждой группы). Совпадение сигна-
лов какой-либо пары ф.э.у. из верхнего и ниж-
него блоков определяет номер сработавшего
капала.
50
Модуль сцинтилляционного годоскопа: 1 — блок
ф.э.у., 2 — световоды, 3 — сцинтилляторы
При такой конфигурации световодов п + т
ф.э.у. контролируют работу пт каналов ре-
гистрации. Максимальное число каналов при
данном количестве ф.э.у. получается при п =
— т. Изображенный на рисунке модуль имеет
10 ф.э.у. и 25 каналов; ширина канала
составляет 4 мм и определяет координатное
разрешение детектора.
П сравнении с двоичной кодировкой при
той же величине сигнала на ф.э.у. описанная
система имеет в 2,5 раза меньше вещества в пуч-
ке, проигрыш же в экономии количества ф.э.у.
получается незначительным: если потребовать,
чтобы система с двоичной кодировкой имела
избыточность, необходимую для опознания слу-
чаев множественного прохождения частиц, то
10 ф.э.у. позволят контролировать 32 реги-
стрирующих ячейки вместо 25 в нашем случае.
ВЫГ.ОР МАТЕРИАЛА СВЕТОВОДОВ
И ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ
Высокая эффективность регистрации час-
тиц (—99,9%) может быть по.чучена только в
том случае, когда количество фотоэлектронов,
эмитированных фотокатодом ф.э.у. в ответ
на вспышку света в сцинтилляторе, достига-
ет 10. Количество эмитированных электронов
определяется, во-первых, количеством света,
дошедшего до ф.э.у., во-вторых, квантовым
выходом фотокатода ф.э.у.
Нами были исследованы различные марки
органического стекла в качестве материала
световода. Измерения проводились со светово-
дами длиной 300 мм и сечением 4x4 мм2 —
аналогами световодов модуля. Измерения пока-
зали, что для света, излученного сцинтиллято-
ром на основе оксазолов в полиметилметакри-
лате, прозрачность световодов, изготовленных
из СТ-1, СО-95 и СО-120, относится как 1 :1,
2 : 1,5.
Следует подчеркнуть еще раз ту большую
роль, которую в длинных и тонких световодах
играет чистота боковой поверхности. Для при-
меняемых нами световодов загрязнение по-
верхности жировыми отпечатками пальцев
уменьшает количество прошедшего света более
чем на порядок. Поэтому световоды тщательно
полировались, мылись мыльной водой, тща-
тельно прополаскивались, сушились, и даль-
нейшую работу с ними вели только в матер-
чатых перчатках, по возможности избегая при-
косновения к боковым поверхностям.
Исследования квантовых выходов фотока-
тодов разных ф.э.у. необходимо начать с ка-
либровки коэффициентов усиления фототока.
Мы откалибровали ф.э.у. с помощью свето-
диода AJ1102B следующим образом.
1. Путем изменения яркости светодиода ус-
танавливался ток эмиссии фотокатода, равный
50 пА (за вычетом тока утечки между элект-
родами). Ток измерялся цифровым вольтметром
В7-27; использовалась шкала 1 мВ. Входное
сопротивление прибора 10 МОм, одно деление
шкалы соответствует току 10 нА. Погрешность
измерения 20%.
2. При том же токе через светодиод напря-
жение питания U на делителе ф.э.у. подби-
ралось таким образом, чтобы анодный ток
ф. э. у. был равен 50 мкА. Это соответствует
коэффициенту усиления тока эмиссии фотока-
тода К — 10е (величина, близкая к предельной
для малогабаритных ф.э.у.).
3. Для данного значения U снимался спектр
от [3-источпика 106Ru (основная линия 3,5 МэВ)
со сцинтиллятором па основе нафталина в по-
лиметилметакрилате размером 4 X 4 X 50 мм3
и изогнутым плексигласовым световодом сече-
нием 4x4 мм2 и длиной 300 мм. С целью стан-
дартизации условий светосбора обеспечивался
лишь механический контакт между концом
световода и окном ф.э.у., без оптической за-
мазки (применение замазки повышает ампли-
4*
51
Характеристики малогабаритных фотоумножителей
Марка ф.э.у. Паспортные данные Напряже- ние пита- ния для К = 10*, В Результаты измерений
материал фотокатода спектральная характеристи- ка, пм размеры, мм световая чув- ствительность фотокатода, мкА/лм квантовый выход фото- на года * длительность фронта им- пульса, нс длительность импульса, нс
ФЭУ-58 ФЭУ-60 ФЭУ-114 ФЭУ-147 R-1635 * Чи свечения ** Пр ф.э.у. R-1 Sb, Cs Sb, Cs Sb, К, Na, Cs Sb, K, Na, Cs Sb, K, Cs ело фотоэлектрош использованных' с «веденная велич! 635 составляет 0,8 300ч-650 300650 250-=-850 360-ё-830 300-650 >в. выбитых из ПШТПЛЛЯТОРОЕ на определяет нс. 022x90 015x57 022x75 021x80 010x45 фотокатода вс . си быстродейс 22 48 68 91 94 100 112 140 150 155 126 137 200 74 84 пышкой света: гвием осцилло 1885 1840 1700 1420 1242 1620 1300 1540 1625 1670 1700 1900 1980 1210 1080 указан кв графа; паст 4,5 10,4 14,0 19,2 13,3 17,0 15,5 11,1 20,7 14,8 34,0 31,1 60,7 34,0 36,3 антовый выхоз юр гное значе. 10 8 8 5 6 5 4 6 6 7 3,5 4 3,5 2** 1,5** в спектральн ше длительно 30 27 28 20 19 18 22 17 17 18 8 11 14 6 6 ой области сти фронта
туду сигнала примерно вдвое, но всякий раз
по-разному).
Амплитудный анализатор АИ-4096 был от-
калиброван путем подачи в измерительный
тракт известного заряда через дозирующий
конденсатор с тем, чтобы представить измерен-
ную амплитуду в числе фотоэлектронов. Резуль-
таты измерения квантового выхода фотокатодов
для излучения сцинтилляторов использован-
ного типа приведены в таблице. Существенные
различия измеренных значений у ф.э.у. разных
марок с приблизительно одинаковой паспорт-
ной катодной чувствительностью обусловлены
неодинаковыми спектральными характеристи-
ками этих ф.э.у.
Приведем цифры, характеризующие ампли-
туды сигналов с ф.э.у. при коэффициенте уси-
ления фототока 10е. Наиболее вероятная ам-
плитуда импульсов тока с анода ФЭУ-147 сос-
тавляет при этом 1,5 мА, с ФЭУ-60—0,4 мА.
При нагрузке на сопротивление 50 Ом это да-
ет сравнительно маленькие амплитуды сигна-
лов. Однако без ухудшения временных харак-
теристик можно увеличить нагрузочное соп-
ротивление ф.э.у. до 0,5 -г- I кОм. Это требует
лишь применения эмиттерного повторителя,
размещенного в непосредственной близости к
ф.э.у., для согласования с кабелем, передающим
сигнал.
ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Импульс тока на аподе ф.э.у. наблюдался
с помощью осциллографа С1-75. Анод ф.э.у.
подключался к входу осциллографа высокочас-
тотным кабелем, согласованным с нагрузкой
50 Ом. Для уменьшения влияния паразитных
индуктивностей ближайшие к аноду диноды
ф.э.у. шунтировались конденсаторами, при-
паянными непосредственно к выводам ф. э. у.
Длительность фронта импульса измерялась по
уровням 0,1 -5- 0,9, а длительность всего им-
пульса — по уровню 0,1 от полной амплитуды.
Анализировались сигналы от сцинтиллятора
размером 5 X 5 X 10 мм3, помещенного не-
посредственно у окна ф.э.у., с источником
10eRu. Для обоих типов использованных сцин-
тилляторов (на основе оксазолов в полистироле
и в полиметилметакрилате) полученные данные
оказались практически одинаковыми. Резуль-
таты измерений приведены в правой части таб-
лицы. Эти результаты согласуются с данными
работ по ФУЭ-60 [1] и по ФЭУ-147-1 (модерни-
зированный ФЭУ-69) [21. Временные характе-
ристики ФЭУ-58 и ФЭУ-114 предприятием-
изготовителем не регламентируются [3]. За-
метим, что согласно паспортным данным дли-
тельность фронта импульса анода ф.э.у. R-1635
составляет 0,8 нс. Представленные в таблице
значения (1,5 и 2 нс) следует отнести за счет
ограниченного быстродействия осциллографа
С1-75, имеющего переходную характеристику
~1,5 нс.
ВЫВОДЫ
Малогабаритные ф.э.у. в сочетании со
стандартными пластмассовыми сцинтиллято-
рами позволяют создать годоскопическое ус-
52
тройство с ячейкой шириной несколько мил-
лиметров, толщиной (количество вещества в
пучке) —1 мм при эффективности 99,99%.
Среди исследованных ф.э.у. более всего пос-
тавленной задаче отвечает ФЭУ-147, обладаю-
щий наилучшими амплитудными и временными
характеристиками. В отношении чувствительно-
сти фотокатода к излучению сцинтиллятора
ФЭУ-147 не уступает аналогичным зарубеж-
ным разработкам последнего времени (R-1635),
хотя он не столь миниатюрен и имеет более низ-
кое быстродействие.
Годоскопическое устройство на основе
ФЭУ-147 имеет временное разрешение 3 -5- 4 нс
(при использовании формирователей со сле-
дящим порогом его, вероятно, можно улуч-
шить) и позволяет работать с загрузками до
107 с"1.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Дукор С. Г., Фельдман В. Е., Миняев В. Н. И
Электронная техника. Сер. 4. 1980. Вып. 1. С. 69.
2. Волков В. И., Глуховский Б. М., Дукор С. Г. и др. И
Электронная пром-сть. 1984. № 3(131). С. 23.
3. Фотоэлектронные умножители. Каталог. М.: Внеш-
торгиздат. 1979. С. 36, 97.
Объединенный институт ядерных псследований,
Дубна
Поступила в редакцию 11.VI.1985
(После переработки 28.VI.1986)
УДК 539.1.074.23 : 548.73
ПТЭ № 3, 1987
ОДНОМЕРНЫЙ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР
ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ
ЗАНЕВСКИЙ Ю. В., МОВЧАН С. А., ПЕШЕХОПОВ В.Д., ЧАП ДЫК ТХАПЬ, АЛЕКСАНДРОВ И. В.*,
ЗИСМАН А. Н.*, СТИШОВ С. М.*
Разработан одномерный позиционно-чувствительный детектор для рентгеновских
исследований при сверхвысоких давлениях, проводимых с помощью миниатюрных
прессов с алмазными наковальнями. Детектор обладает высокой квантовой эффектив-
ностью и высоким пространственным разрешением — для МоА’а соответственно 65%
и 170 мкм.
В настоящее время значительная часть ис-
следований при сверхвысоких давлениях про-
водится с помощью миниатюрных прессов с
алмазными наковальнями [1]. Использование
алмазных наковален позволяет получать дав-
ления до 400 ГПа в микроскопически малых
объемах (-—10'3 ч- 10-4 мм3). Рентгеновские
исследования столь малых количеств вещест-
ва традиционными методами требуют огром-
ных времен экспозиции. Так, например, при
исследовании уравнения состояния натрия для
получения дебасграммы фотометодом требова-
лась экспозиция —150 ч при мощности источ-
ника 6 кВт [2]. Поскольку рентгеновская съем-
ка производится через алмазные наковальни,
толщина которых составляет 6 — 8 мм, необ-
ходимо использовать сравнительно коротко-
волновое МоЛа-излучение, что в связи с низ-
кой чувствительностью рентгеновской пленки
в этой области энергии приводит к значитель-
ному увеличению времени экспозиции. Ис-
пользование еще более коротковолнового Ag/\'a-
излучепия ио этой же причине вообще практи-
чески невозможно.
* Институт кристаллографии АН СССР, Москва.
Применение энергодисперсионных дифрак-
тометров с полупроводниковым детектором в
сочетании с многоканальным амплитудным ана-
лизатором дает значительный выигрыш во вре-
мени экспозиции по сравнению с фотометодом
[3], однако часто не обеспечивает требуемого
пространственного разрешения [4]. Поэтому
интересно использование в практике рентге-
новских исследований при высоких давлениях
линейных позиционно-чувствительных детекто-
ров, обладающих высоким (0,1 Ч- 0,3 мм) про-
странственным разрешением и достаточно вы-
сокой квантовой эффективностью, достигающей
65% для излучения МоЛ’а [5 ч-8].
В качестве детектора для цифровой реги-
страции одномерного сечения дифракцион-
ной картины использовалась одпокоординат-
ная многопроволочная пропорциональная ка-
мера (м.п.к.), расположенная в герметичном
боксе (рис. 1). Анод 1 камеры выполнен из про-
волок ф 15 мкм, расположенных с шагом 3 мм.
Катодом, удаленным от анодной плоскости на
5 мм, служит входное окно бокса, выполненное
из бериллиевой фольги толщиной 1 мм, и про-
волочная линия задержки, служащая для
съема координатной информации. Рабочим га-
53
Рис. 1. Блок-схема установки. 1 — анод, 2 — входное окно, 3 — прово-
лочная линия задержки, 4 — бокс; У — усилители, Ф — формирователи,
БЗ — блок задержки, ДД — дифференциальный дискриминатор, ДСП —
дискриминатор со следящим порогом, СО — схема отбора, В. Ill — времят
амплитудный преобразователь, ЛА — амплитудный анализатор
зом является смесь Хе + 10% СН4, находящая-
ся в боксе при избыточном давлении <10,5 МПа.
Чувствительный объем детектора 10 X 10 X
X 110 мм3.
Координатная информация снимается с двух
концов линии задержки, имеющей погонную
задержку 5 нс/мм. Усиленные сигналы через
дискриминаторы поступают на время-ампли-
тудный преобразователь В АП, сигналы с кото-
рого передаются в амплитудный анализатор А А.
Анодные сигналы используются для амплитуд-
ного отбора регистрируемых событий с помощью
амплитудного дифференциального дискримина-
тора ДД.
Характеристики детектора исследовались с
помощью источников у-квантов 55Fe (5,9 кэВ) и
109Cd (22 кэВ), а также рентгеновского излуче-
ния МоЛа (17,5 кэВ). Избыточное давление га-
зовой смеси составляло 0,42 МПа. Счетная ха-
рактеристика детектора и зависимость энерге-
тического разрешения от напряжения на аноде
м.п.к. (средней величины анодных сигналов —
верхняя шкала) приведены на рис. 2. Видно, что
детектор обладает большим плато по эффектив-
ности при энергетическом разрешении A.EIE =
= 20%. Интенсивность собственных шумов де-
тектора <15 с-1.
Рис. 2. Счетная характеристика (7) и зависимость
энергетического разрешения детектора от величины
анодного напряжения (2). Источник 65Fe
Достаточно высокая однородность детектора
по его длине иллюстрируется рис. 3. Видно, что
максимальная неоднородность не более 4-4%.
Результаты измерения пространственного
разрешения детектора с помощью коллимиро-
ванного источника 55Fe приведены на рис. 4.
При использовании коллиматора с шириной
щели 10 мкм полная ширина на полувысоте
распределения составляет 85 мкм. Для излуче-
ния МоАа было получено разрешение 170 мкм
(полная ширина на полувысоте). Проверка эф-
фективности показала, что квантовая эффектив-
ность детектора при избыточном давлении газа
0,4 МПа составляет 50% для МоАа, а при избы-
точном давлении 0,5 МПа — 25% для AgA'a.
Детектор был использован нами наряду с
традиционным фотометодом для исследования
уравнения состояния CsI и Хе. Детектор был
закреплен неподвижно под углом ~75° к нап-
равлению прямого пучка рядом с гониометром
ГУР-5, на котором была закреплена ячейка с
исследуемым образцом. Расстояние между об-
разцом и детектором составляло 360 мм. Для ка-
либровки детектора использовались рефлексы
(101), (110) и (102) кварца, а также (200) InP и
(111) Si. Угловое положение этих рефлексов до-
полнительно контролировалось сцинтилляцион-
ным счетчиком с точностью 0,01°. Угловая точ-
ность эксперимента была не хуже 0,01° даже при
пространственном разрешении детектора 0,3 мм.
На рис. 5 показано распределение интенсив-
ности дифрагированного от образца излучения,
полученное с помощью линейного детектора.
Время экспозиции составляло 16 ч при интен-
Рис. 3. Чувствительность детектора в различных точ-
ках по его длине при равномерной засветке у-из л уче-
нием lo’Cd
54
Рис. 4. Пространственное разрешение детектора в слу-
чае регистрации излучения от точечных источников
55Fe, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга
Рис. 5. Рентгенограмма, полученная от образцов Хе
и Csl при давлении 400 ГПа. Излучение МоА'а, экс-
позиция 16 ч
сивности источника ~1,2 кВт. Для получения
дебаеграммы па фотопленке требовалась экспо-
зиция в течение 20 4- 70 ч при мощности источ-
ника кВт. Таким образом, использование
линейного детектора позволило получить выиг-
рыш в светосиле в ~10 раз. Угловое разреше-
ние 0,01° позволяет получать относительную
точность не хуже 0,1%, однако, как видно из
рис. 5, полуширина рефлексов составляет 0,1°
и 0,3°, что связано с неоднородностью давления
в ячейке на исследуемый образец. Как видно из
рис. 6, результаты измерений фотометодом и с
помощью линейного детектора имеют одипа-
Рис. 6. Зависимости удельного объема Хе (/, 2) и
Csl (3, 4) от давления, измеренные фотометодом (1, 3)
и с помощью линейного детектора (2, 4)
ковую точность (~1 % по объему). Эта точность
ниже предельной точности этих методов, одна-
ко превосходит точность энергодисперсионного
метода, составляющую 1,5 4- 3% по объему.
ЛИТЕРАТУРА
1. Jayaraman Л. // Rev. Mod. Phys. 1983. V. 55. Р. 65.
2. Александров И. В., Качинский В. II., М акаренко
И. II., Стишов С. М. // Письма в 7КЭТФ. 1982.
Т. 36. С. 336.
3. Skelton Е. Lin С., Spain I. L. // High Temp.
High Pressures. 1977. V. 9. P. 19.
4. Зисман A. M., Александров И. В.. Стишов С. M. И
Письма в ЖЭТФ. 1984. Т. 40. С. 253.
5. Fuzii У., Shiniomura О., Takemura К. et al. J. Appl.
Crvst. 1980. V. 13. P. 284.
6. Mao M. K., Bell P. M., Weng К. '/ Carnegie Inst,
of Washington Year Book. 1983. V. 82. P. 424.
7. Бару С. E.. Савинов Г. А.. Хаба спашев А. Г. и dp.
Препринт 77-90. Новосибирск: ИЯФ CO АН СССР,
1977.
8. Роганов Д. А., Лебедев А. Г., Овчинников Е. К. и др.
Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.:
Машиностроение, 1985. Вып. 34. С. 142—144.
Объединенный институт ядериы.х исследований,
Дубна
Поступила в редакцию 9.1.1986
55
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Н ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 53.083 ПТЭ № 3, 1987
АНАЛОГОВАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТИРОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ
МИШЕНИ НА ЭЛЕКТРОННОМ УСКОРИТЕЛЕ
МЕ1ЦЕРОВ Б. Р„ ТУМАНОВ В. 11.
Описана система ориентирования монокристаллической мишени, используемая
для изучения прохождения через мишень электронов в режиме каналирования. Система
выполнена на основе аналоговой машины АВК-31; она позволяет проводить измерения,
вычитая фон и нормируя результат на ток ускорителя, т. е. избавляясь от ошибки,
связанной с нестабильностью пучка. Характеристики системы: диапазон рабочих
частот 7 -г- 150 Гц, точность нормировки 1,5 -г- 2%, число импульсов в серии (измере-
ния могут вестись по сериям импульсов) от 1 до 99.
Для ориентирования монокристаллической
мишени в экспериментах но изучению деканади-
рования релятивистских электронов нами была
разработана система регистрации на основе ана-
логовой машины АВК-31. Поскольку, с одной
стороны, при проведении измерений на сильно-
точных импульсных ускорителях в токовом ре-
жиме во многих случаях регистрируются и об-
рабатываются те же величины, что и в предла-
гаемой схеме (полезный сигнал, фон. ток уско-
рителя), а с другой стороны, основной частью
схемы является доступная, падежная и удобная
в обращении аналоговая машина, которая поз-
воляет обработать поступающие сигналы без
применения а.ц.п. и э.в.м., нам представляется,
что описанная ниже система регистрации могла
бы быть использована в других экспериментах
на ускорителях (в частности, при изучении фи-
зики ориентационных явлений).
Отдельные элементы экспериментальной ус-
тановки, имеющие непосредственное отношение
к системе регистрации, показаны на рис. I.
Электронный пучок с энергией ~50 МэВ и сред-
ним током ~0,02 0,5 мА проходит через
входной коллиматор 1, служащий для проводки
пучка и для защиты от его прямого попадания
в некоторые элементы установки, затем через
мишень 2 (монокристалл Si), через тонкий вто-
рично-эмиссионный датчик 3 и отклоняется по-
воротным магнитом 4\ у-кванты, рождающиеся
в мишени, регистрируются детектором 5 (топ-
кий сцинтилляционный датчик на основе CsI).
Стрелками обозначены электрические выво-
ды: с детектора 5 снимается сигнал, несущий
полезную информацию (излучение у-квантов
из мишени возрастает при некоторой ориен-
тации относительно пучка электронов), вместе
с фоном; с коллиматора 1 снимается сигнал,
пропорциональный фону (коллиматор создает
основную часть фона); со вторично-эмиссион-
ного датчика 3 снимается сигнал, пропорци-
ональный току прошедшего через кристалл
электронного пучка; имеется также вывод
с самого кристалла 2, позволяющий измерять
вторичную эмиссию (см. ниже). Если вычесть
фон, отнормировать оставшийся полезный сиг-
нал на ток ускорителя и подать полученное в
аналоговом виде значение на графопострои-
тель, на вторую координату которого подается
напряжение, пропорциональное угловой ра-
зориентацни мишени относительно электрон-
ного пучка, то, вращая кристалл с помощью
дистанционно-управляемого гониометра и
снимая ориентационную кривую, можно уста-
новить кристалл в требующееся положение
(максимум ориентационной кривой). Для вы-
читания фона и нормировки на ток (который
в процессе измерений может меняться в 2 4-
4- 3 раза) как раз и служит описанная ниже
система регистрации.
Структурная схема, поясняющая работу
системы регистрации, приведена па рис. 2.
Рис. 7. Схема экспериментальной установки. 1 —
входной коллиматор, 2 — монокристаллическая ми-
шень, 3 — вторично-эмиссионный датчик, 4 — по-
воротный магнит, 5 — детектор излучения
56
Рис. 2. Структурная схема системы регистрации. Инт — интеграторы. Вх
Лив и Инв — инверторы. СС. СД. СУ — схемы сложения, деления и ум-
ножения. БУ — блок управления. Г — генератор, Сч — счетчик, ОВ — од-
новибратор. НЕ, И — логические схемы, К — компараторы, Р — реле,
И — потенциометры. В — выключатели, Д — светодиод
Почти все элементы схемы, за исключением
генератора, счетчика, одновибратора, вход-
ных инверторов и выключателей, входят в
состав аналоговой машины АВК-31. Управ-
ление работой системы осуществляется в ос-
новном блоком управления машины БУ, ко-
торый содержит Службу времени (опа состоит
фактически из генератора и пересчетных
декад, с выводом которых можно снимать сиг-
налы, появляющиеся через определенные про-
межутки времени с момента запуска службы)
и две программы управления интеграторами
(управление условно показано жирными ли-
ниями), состоящие из схем совпадения и триг-
геров, изменяющих состояние электронных
ключей, задающих режим работы интеграто-
ров. Коммутируя гнезда службы времени и
программ управления, можно устанавливать
необходимую последовательность и длитель-
ность действий, осуществляемых системой.
Стартовый импульс, предшествующий фи-
зическому импульсу ускорителя и запуска-
ющий измерительную аппаратуру, поступает
на Вх4, запускает генератор и, будучи
инвертированным схемой II Ех, через контакты
реле PY осуществляет пуск службы времени
и интеграторов, управляемых программой 1.
Через 5 мкс на остальные входы системы при-
ходят импульсы, несущие информацию о по-
лезном сигнале Uc (Bxl). фоне (Вх2) и токе
ускорителя Ur (ВхЗ и Вх5), длительностью
5 мкс. Сигналы, поступающие на Bxl 4- ВхЗ,
интегрируются интеграторами Инт1-1 и
Инт2-1 для того, чтобы в дальнейшем с ними
можно было производить арифметические дейст-
вия (машина работает с уровнями напряжения).
При этом фоновый сигнал инвертируется вход-
ным инвертором Вх И tie и вместе с импульсом,
несущим интересующую информацию, пода-
ется па Инт1-1 (каждый интегратор имеет по
три входа); таким образом, уровень напряже-
ния на выходе Iliunl-l уже содержит разность
Uc — U$ (полезный сигнал). Импульс, при-
шедший па Вх5, через входной инвертор
Вх Инв2 запускает одновибратор ОВ с регули-
руемым порогом срабатывания, который вы-
дает импульс стандартной амплитуды, фикси-
руемый счетчиком Сч.
Через 10 мкс после старта генератор выра-
батывает сигнал, который, пройдя через логи-
ческий инвертор НЕ2, останавливает интег-
раторы, управляемые программой I. При ин-
тегрировании с малыми постоянными времени
т (в данном случае т = 10 мкс — несколько
больше длительности импульса тока ускорите-
ля) на погрешность интегрирования заметное
влияние оказывает паразитная емкость элект-
ронных ключей интеграторов, через которую
передается в коммутируемую измерительную
цепь помеха управляющего сигнала; конк-
ретно, для т = 10 мкс паразитная добавка
на выходе интегратора составляет 20 4- 50 мВ.
Чтобы скомпенсировать эту погрешность, в
схему введены дополнительные интеграторы
Инт1-2 и Инт2-1. па входы которых не посту-
пают никакие импульсы, а напряжения, сни-
маемые с их выходов, через инверторы Инв1
и Инв2 (добавка, как правило, имеет один и
тот же знак) подаются на схемы сложения (опе-
рационные усилители с четырьмя входами)
CC’j и СС2 вместе с выходными уровнями
Инт1-1 и Инт2-2, т. е. происходит устране-
ние ошибки, возникающей при интегрирова-
нии *. Далее задействованы схема деления,
осуществляющая операцию 1/77т, и схема ум-
ножения, с выхода которой снимается напря-
жение, пропорциональное (С7е — U$)/UT.
Через 0,6 мс служба времени вырабатыва-
ет сигнал, который, пройдя через контакты
реле Р2, останавливает службу и переводит
ее в исходное состояние. С приходом следую-
щего стартового импульса происходит следу-
ющее интегрирование, и так до тех пор, пока
не достигается число импульсов, установлен-
ное на счетчике Сч; т.е. все это время проис-
ходит суммирование на выходах интеграторов
Инт1-1 4- Инт2-2 пли, что одно и то же, на
входах схем деления СД и умножения СУ,
а на выходе схемы умножения имеется нормиро-
ванный на ток полезный сигнал (Uc — U$)/UT
(начиная с того момента, когда UT+1В —
ограничение схемы деления).
По достижении заданного числа импуль-
сов п напряжение на гнезде счетчика Стоп
(до этого равное нулю) изменяется и стано-
вится равным +9 В, при этом срабатывает ло-
гический инвертор НЕ3, размыкаются контак-
ты реле Р2 и таким образом изменяется режим
управления системой: в момент времени tx =
= 3,7 мс (все времена отсчитываются от мо-
мента прихода последнего в серии н-го стар-
тового импульса) интегратор ИнтЗ переводит-
1 Есть и еще одна возможность: подавать на до-
полнительные входы Инт.1-1 и Ннт.2-2 компенсирую-
щие напряжения.
ся в исходное положение; при t2 — 3,8 мс осу-
ществляется пуск ИнтЗ, и в течение 100 мкс
он интегрирует имеющийся на выходе схемы
умножения уровень вплоть до момента t3 —
— 3,9 мс, когда интегратор ИнтЗ останавли-
вается; в момент времени Z4 = 4,0 мс в управ-
ляющую цепь Р3 от Службы времени поступа-
ет импульс длительностью 1 мс, его контакты
замыкаются, гнездо Пуск счетчика Сч через
контакты реле соединяется с заземленной
шиной и счетчик переводится в исходное со-
стояние, причем па гнезде Стоп счетчика по-
является нулевой потенциал; после этого при
Z5 — 4,9 мс интеграторы Инпг1-1 4- Инпг2-2
переходят в исходное положение (нулевое нап-
ряжение на выходах), а в момент ZB = 5,0 мс
Служба времени останавливается и переводит-
ся в начальное состояние. Таким образом, че-
рез 5 мс после прихода «-го импульса схема
готова к приему следующей серии из п импуль-
сов. Па выходе интегратора ИнтЗ, который
является выходом системы регистрации и мо-
жет быть соединен с графопостроителем, посто-
янно имеется напряжение, пропорциональ-
ное (Uc — U$)/UT, за исключением отрезков
времени в 200 мкс, когда происходит сброс и
интегрирование. Зависимости напряжения от
времени в характерных точках схемы приве-
дены на рис. 3.
Схема имеет ограничения по напряжению:
для того, чтобы схема деления СД работала
правильно, уровень знаменателя должен пре-
вышать + 1 В; абсолютная величина уровней на-
пряжения на входах и выходах всех элемен-
тов схемы не должна превышать 10 В. Для
учета этих требований в схему введена система
блокировки-сигнализации, которая состоит из
компараторов 4- Л"4, логической схемы И
с четырьмя входами, реле Рх, РА, Р3 и выклю-
чателей ВКХ и ВК2. Напряжения с выходов
Инт1-1 и Инт.2-1 подаются на компараторы,
и если величина хотя бы одного из них пре-
вышает 4-9,8 В или оказывается меньше 1,1 В,
то срабатывает схема И, размыкая контакты
реле Рх и Р4, т.е. прерывая циклическую об-
работку поступающих сигналов и через кон-
такты реле Рь включая светодиод Д. При за-
мыкании выключателей и ВК2 схема бло-
кировки отключается.
Наименьшая ошибка деления достигается
при отношении уровней на входах схем СУ
и СД, равном 1:1. Для регулирования ампли-
туд сигналов и достижения оптимального вы-
бора соотношения (Z7e — Uq)/Uv в схему вве-
дены потенциометры Пх 4- Из, первые два ко-
торых служат также для регулирования отно-
шения UCIU$ с целью полного учета фона.
Потенциометры II х и П5 нужны для подстрой-
ки, чтобы полностью вычитать паразитную до-
58
Рис. 3. Напряжения в характерных точках схемы:
а — напряжение на выходе Инт1-1 либо Инт2-1', б —
напряжение на выходе ИнтЗ. Число импульсов п = 5
бавку, возникающую при интегрировании. Для
выбора времени обработки уровней между се-
риями из п импульсов (5 мс) были приняты во
внимание времена срабатывания реле (0,5 4-
4- 1 мс) и схемы деления (минимальное время
срабатывания ~1,5 мс, а при значениях зна-
менателя 1 4- 1,5 В увеличивается до 3 4-4 мс).
Описанная выше система имеет следующие
характеристики: точность нормировки при
оптимальных условиях (одинаковый знак
Uc — l/ф и их, отношение (Uc — U$)/U-t — 1)
составляет 1,5-4-2%, что позволяет вблизи
найденного максимума ориентационной кривой
по излучению (контрастность максимума
—2 -4- 3, но он может быть несколько смещен
от истинного положения из-за внеосевой
коллимации пучка) перейти к регистрации
в качестве полезного сигнала тока вторичной
эмиссии с кристалла (вывод с мишени 2 рис. 1,
фон при такой регистрации отсутствует) и.
пользуясь тем, что вместе с выходом излучения
несколько увеличивается и выход вторичной
эмиссии (~10%, см. [1 : 3|), уточнить ориен-
тацию кристалла; число импульсов в серии
1 п <1 99 (для счетчика, используемого
в схеме); динамический диапазон при (Uc— ['$)/
/UT = 1 и фиксированном п составляет пример-
но декаду, с учетом возможности изменения
п — около трех декад; частота поступающих
сигналов от 7 до 150 Гц (в этом интервале
исследовалась работа схемы); в серии содер-
жится п «полноценных» импульсов (амплитуда
которых выше установленного порога сраба-
тывания одновибратора), что важно при
сбоях в работе ускорителя, когда амплитуда
отдельных импульсов тока может падать прак-
тически до пуля. Система позволяет автома-
тизировать процесс измерений и освободить
его от несложных, по многочисленных и одно-
образных вычислений.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Гришаев И. А., Коваленко Г. Д., Шраменко Б. И. ;/
Письма в ЖТФ, 1979. I. 5. С. 1104.
2. Коваленко Г.Д.1/Укр. физ. жури., 1981. Т. 26.
С. 1839.
3. Адеишвили Д. И., Бочек Г. Л., Витько В. 11. и Op.il
Письма в ЖТФ, 1984. Т. 10. С. 197.
Институт атомной энергии, Москва
Поступила в редакцию 24.111.1986
УДК 681.518.3
ПТЭ № 3, 1987
МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ МНОЖЕСТВЕННОСТИ В ГОДОСКОПИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ С БОЛЬШИМ ЧИСЛОМ КАНАЛОВ РЕГИСТРАЦИИ
НИКИТЮК Н.М.
Суть метода заключается в том, что перед анализом на множественность t данные
предварительно сжимаются, а это позволяет использовать быстродействующиеп. п. з.у.
Приводятся принципиальные схемы основных узлов для построения устройства на
64 входа, которое позволяет определять такие параметры множественности, как
t = 1, t = 2, t = 3, t = 4 и 1 > 5 с задержкой 35 нс.
Число частиц, прошедших через годоско-
пическую плоскость, является одним из основ-
ных критериев, по которому вырабатывается
запускающий импульс в экспериментах физики
высоких и средних энергий. Для этих целей
применяются мажоритарные схемы совпадений
и параллельные счетчики с аналоговыми и
цифровыми логическими схемами [1-5-5|.
В многоканальных системах регистрации
нашли применение два способа суммирования
сигналов — аналоговый и цифровой. Первый
способ весьма экономичен. Однако в силу
известных причин число входов аналоговых
сумматоров ограничено.
Метод суммирования цифровых сигналов
является более гибким, так как, используя
59
параллельные счетчики и сумматоры, можно
получить большое число входов. Однако при
большом числе каналов регистрации (несколько
десятков и более) резко возрастает величина
задержки сигналов и количество полных
сумматоров в схеме. Поэтому быстрые схемы
с цифровым отбором как правило создаются
с числом входов <^32 [2]. Применяя быстро-
действующие аналоговые компараторы с циф-
ровыми выходами, можно создать параллельный
счетчик с временем задержки ~10 нс. Однако
из-за нестабильности характеристик аналого-
вых элементов и разброса параметров входных
сигналов число входов такого счетчика (тео-
ретически) <64 [5J.
Используя сочетание аналоговых и цифро-
вых счетчиков, а также тот факт, что по физи-
ческим соображениям сигналы от детекторов
не могут одновременно появиться па всех
входах счетчика, можно построить устройство
отбора с числом входов 64-5-127 и с задержкой
~35 нс [4]. Определенный интерес представля-
ет также метод компрессии, который приме-
няется в вычислите. 1ьпой технике для построе-
ния быстродействующих схем умножения [6].
Большинство применяемых методов суммиро-
вания заимствованы из вычислительной техники
и поэтому не учитывают особенностей регистра-
ции и обработки информации, которые имеют
место в экспериментах физики высоких и
средних энергий.
В связи с бурным развитием спектрометров,
в которых число каналов регистрации состав-
ляет десятки тысяч, возникает проблема на-
хождения эффективных методов, с помощью
которых можно было бы создавать быстрые
и экономичные устройства отбора при относи-
тельно небольшой множественности. Ниже
рассматривается один из таких алгоритмов,
который базируется на методе сжатия данных
и идее блочного кодирования.
Простейший случай. Если заведомо извест-
но, что через годоскопическую плоскость
детектора проходит одна и только одна частица
(t = 1), то наиболее простым устройством для
принятия решения является схема «быстрое
ИЛИ», на выходе которой вырабатывается
сигнал t = 1. Если же число таких частиц
может быть произвольным, то с помощью
такой схемы регистрируется множественность
типа 7 > 1.
Рассмотрим более сложные устройства па
основе схемы контроля четности. В качестве
элементной базы выбраны микросхемы серии
500. Микросхема K500IIE160 имеет 12 входов.
Сигнал высокого уровня —0,8 В на выходе
схемы вырабатывается в том случае, если
число логических сигналов на входе нечетно,
т. е. 1, 3, 5 и т.д. При четном числе сигналов
мз
Рис. 1. Принципиальная схема выработки сигналов
/ — 1, != 2 и / >1 на 12 входов. — К500ЛМ109,
М., — К500ЛМ105, Л/, — К500ИЕ160,.1/4 —К500ТМ13Б
М5 — К500ЛМ102, Л/в -г- Л/9 — К500ЛМ101
",
Рис. 2. Принципиальная схема проверки на четность
на 24 входа. АЦ, М2 — К500ИЕ160, М3 — К500ЛП107
на входе, включая и 0, на выходе остается
низкий уровень напряжения —1,6 В. Если
теперь объединить схемы ИЛИ и схему про-
верки па четность, как это показано на рис. 1,
то получим устройство с более широкими
функциональными возможностями [7] (здесь
и далее не показаны нагрузочные резисторы
микросхем). Если предположить, что по
условию эксперимента I 2, то сигналы
на выходах такой схемы идентифицируются
как t = 1 и I = 2. В противном случае имеем
7 = 1 и 7=2, или 7=4, пли 7 = 6 и т.д.
Сигналы Чет и Нечет запоминаются триг-
гером Мц. Импульсы Строб вырабатываются
с помощью трех последовательно включенных
микросхем A/j-S-A/g. С помощью микросхем
К500ИЕ160 и К500ЛП107 можно легко нара-
60
Входы
123456783
1617
2425
Группы
5657
XI
XZ
ХЗ
ХЧ
ХЗ
Х6
XI
Х8
Рис. 3. Кодирующая матрица (матрица связей) для сжатия данных. 1 -г- 64 — входы.
XI Х8 — выходы, 1Г -S- 8Г — группы входов. Обозначены символом * и окружены два
возможных события при t = 5 и 1=7 соответственно, которые имеют одинаковые призна-
ки как основные, так и дополнительные
Выходы
щивать число входов схемы проверки на чет-
ность. Так, на рис. 2 приведена схема на
24 входа. Если вместо микросхемы К500Л11107
(сумматор по модулю 2) использовать такую же
схему, что и на входах, то получим схему
проверки на четность на 144 входа, задержка
сигналов в которой <12 нс.
Расширение функциональных возмож-
ностей. На практике встречаются случаи,
когда требуется определить множественность
тина t > 2, Z > 3 и т.д. Более того, в ряде
экспериментов возникает необходимость в
регистрации одной и только одной частицы,
двух и только двух и т.д. с минимальной
задержкой. Ниже показано, как, используя
принцип блочного кодирования в сочетании
с методом сжатия данных [8, 91, применяя
современные микросхемы большой и средней
степени интеграции, можно построить такое
устройство отбора.
Для простоты изложения допустим, что
число входов п = 64. и зададимся конкретной
величиной верхней границы регистрации
множественности t 5. Разделим входы на 8
равных групп. Согласно методике [8, 9| выпол-
нил! кодирование параллельного шифратора
в соответствии с матрицей связей, показанной
на рис. 3, которая содержит 64 столбца и
9 строк. Рассмотрим распределение весов
Таблица 1
Распределение весов
в словах (число единиц в слове), которое
получается при булевом суммировании столбцов
матрицы, исключая последнюю строку, со-
стоящую из 1. Очевидно, что один столбец
имеет вес W = 1 и, если импульс на входы
устройства отбора поступил от одной частицы,
то на выходах Х1-^-Х8 будут формироваться
8-разрядные слова, содержащие одну и только
одну 1. При суммировании столбцов матрицы
по 2 спектр весов равен W = 1 и W = 2.
Если же взять сумму по 3, то получим W = 1,
или W — 2, или W = 3 и т.д. Распределение
весов суммированных слов представлено в
табл. 1.
На рис. 4 приведена принципиальная схема
шифратора, с помощью которого вырабаты-
ваются признаки W1 -т- W8 и сигналы Быстрое
Рис. 4. Принципиальная схема для выработки призна-
ков W1 -ь W8. SX — булева сумма сигналов XI -i-
s- Х8. — К500ЛМ109, Л79 = — К500РЕ149,
М12 -4- М15 — К500ЛМ101
61
Рис. 5. Принципиальная схема для выработки
ков 1Г ч- 8Г. Му М„ — К500ЛМ109, Мя,
К500РЕ149, Ми + Мы — К500ТМ131
призпа-
Л/10 -
Рис. 6. Принципиальная схема для выработки призна-
ков В1 И4. Му н- Мя — К500РЕ149, Мя, М1о —
К500ТМ131
ИЛИ. Сигнал XI равен булевой сумме сигна-
лов, поступающих на входы 7, 9, 17, 25, 33,
41. 49 и 57, так как на этих позициях нахо-
дятся 1 в первой строке. Аналогично с по-
мощью кодирующей матрицы формируются
ло
остальные сигналы Х2 -4- Х8. Микросхемы
М10 и Ми представляют собой постоянно
программируемые запоминающие устройства
(п.п.з.у.), которые имеют по 8 адресных и
по 4 информационных выхода. Их содержимое
программируется таким образом, чтобы при
поступлении на входы слов одинакового веса
выходной сигнал формировался бы только
на одном выходном контакте п.п.з.у. С помощью
микросхем Му., -4- М13 выполняется инверти-
рование сигналов W1 -4- W8. Использование
как прямых, так и инвертированных сигналов
будет рассмотрено ниже. Объединяя сигналы
XI -4- Х8, получаем сигнал Быстрое ИЛИ,
который после задержки используется для
стробирования триггеров и выработки сигнала
t > 1.
Введем еще два признака: количество
групп Г, на которые поступают сигналы после
регистрации события в детекторе 1Г -4- 8Г,
и вес слова в группе В, т. е. число сигналов,
поступивших на данную группу (В = 1 -4- 8).
На рис. 5 и рис. 6 приведены принципиальные
схемы для формирования признаков Г и В.
Схема для формирования таких признаков,
как В5 -4- В8, аналогична схеме, изображенной
на рис. 6, и разница заключается лишь в
содержимом соответствующих п.п.з.у. Кроме
того с целью экономии модулей п.п.з.у. их
соответствующие выходы объединены. Поэтому
наличие сигнала, например В2, будем интер-
претировать как наличие хотя бы двух сигналов
в какой-либо группе. Например, при I = 4
два сигнала могут попасть в две группы, однако
с помощью схемы, представленной на рис. 5,
можно узнать, что было по крайней мере два
сигнала в какой-либо группе. Признаки
Г и В запоминаются на триггерах, что позволяет
избегать прохождения ложных импульсов на
выходах схем совпадений. Такие признаки
как Чет, Печет, Г и IV будем называть основ-
ными, а признаки Bl — В8 дополнительными.
Рассмотрим, каким образом, используя
введенные признаки и представленные схемы,
можно построить устройство для отбора частиц
на 64 входа. В табл. 2 4- табл. 4 приведены
всевозможные значения признаков, которые
получаются при нечетных (1. 3, 5 и 7) и четных
t (2, 4 и 6). Для упрощения и наглядности
значения признаков Г и IV даны в абсолютных
цифрах, а значения признаков В1 4- В8
приведены в виде логических величин. Рас-
смотрим алгоритм для получения сигналов
t = 1, i > 2 и t > 3. При t = 1, IV = 1 есть
безотносительный признак В1. Совпадение
признаков W1 и Г1 дает при всех случаях
t = 1.
Если же Z = 2, то сигналы ст таких собы-
тий могут поступить в одну или две группы
Таблица 2
Значения признаков для четного числа событии t —2, 4 и 6
м t Г W В1 вг вз В4 ВЗ ДИ t г W В1 вг вз В4 вз
1 2 1 2 1 30 6 3 5 1 i
2 2 2 2 1 31 6 3 6 1
3 2 2 2 1 0 32 6 3 3 1 1 1
4 4 1 4 1 33 6 3 4 1 1 1
5 '4- 2 2 1 34 6 3 5 1 1 1
6 4 2 3 1 35 6 3 6 1 1 1
7 4 2 4 1 0 36 6 3 4 1 1
8 4 2 3 1 1 37 6 3 5 1 1
9 4 2 4 1 1 0 38 6 3 6 1 1
10 4 3 2 1 1 39 6 4 2 1 1
11 4 3 3 1 1 0 40 6 4 3 1 1
12 4 3 4 1 1 0 0 41 6 4 4 1 1
13 4 4 1 1 42 6 4 5 1 1
14 4 4 2 1 0 43 6 4 6 1 1
15 4 4 3 1 0 0 44 6 4 3 1 1
16 4 4 4 1 0 0 45 6 4 4 1 1
17 6 1 6 1 46 6 4 э 1 1
18 6 2 5 1 1 47 6 4 6 1 1
19 6 2 6 1 1 48 6 5 2 1 1
20 6 2 4 1 1 1 1 49 6 У) 3 1 1
21 6 2 5 1 1 1 1 50 6 5 4 1 1
22 6 2 6 1 1 1 1 51 6 5 5 1 1
23 6 2 3 1 1 1 52 6 ,) 6 1 1
24 6 2 4 1 53 6 6 1 1
25 6 2 5 1 54 6 6 2 1
26 6 2 6 1 55 6 6 3 1
27 6 3 2 1 56 6 6 4 1
28 6 3 3 1 57 6 6 5 1
29 6 3 4 1 58 6 6 6 1
Таблица 3
Значения признаков для нечетного числа событий I — /, 3 и 5
да t г IV В1 вг вз В4 вз ДА i Г IV В1 вг ВЗ В4 вз
1 1 1 1 1 16 5 3 5 1 0 1
2 3 1 3 1 17 5 3 2 1 1
3 3 2 2 1 1 1 18 5 3 3 1 1
4 3 2 3 1 1 0 19 5 3 3 1 1
3 3 1 1 20 5 3 5 1 1 0 0 0
6 3 3 2 1 0 21 5 4 2 1 1
7 3 3 3 1 0 0 22 5 4 3 1 1 0
8 5 1 5 23 5 4 4 1 1 0
9 5 2 3 1 1 24 У) 4 5 1 1 0
10 5 2 4 1 1 0 25 5 5 1 1
11 5 2 5 1 1 0 26 5 5 2 1 0
12 5 2 4 1 27 5 5 3 1 0 0
43 5 2 г. 0 28 5 5 4 0 0 0 0
14 С 3 3 0 29 5 ,) з 1 0 0 0 0
5 5 3 4 0 30 5 3 3 1 1
(см. табл. 2). При больших значениях t число
различных комбинаций признаков увеличива-
ется. Нетрудно заметить, что отсутствие сиг-
нала t = 1 и наличие таких сигналов как Чет
и Быстрое ИЛИ дает нам решение Z 2.
Если же есть общий сигнал Нечет, то t 3.
Для получения строгих равенств t = 4, t = 5,
а также решения неравенств t 4, t > 5 необ-
ходимо воспользоваться дополнительными при-
знаками. Например, при t = 2 и t = 4 основ-
ные признаки на позициях 3 и 5 совпадают
(табл. 2). Однако при t = 4 есть признак В2,
поэтому для того, чтобы такие события можно
было бы различать, в позиции 3 на место приз-
нака В2 вводим логический нуль. Аналогично
с помощью данных, приведенных в табл. 5 и
63
Таблица 4
Значения признаков при t — 7
№ Г W В1 вз вз И4 ВЗ В6 В7 № Г VV В1 В2 вз В5 П6 В7
1 1 7 1 31 4 7 1 1
2 6 1 1 32 4 3 1 1 1
3 2 7 1 1 33 4 4 1 1 1
4 2 5 1 1 34 4 5 1 1 1
2 6 1 1 35 4 6 1 1 1
6 2 7 1 1 36 4 7 1 1 1
7 2 4 1 1 37 5 3 1 1
8 2 1 1 38 5 4 1 1
9 2 6 1 1 39 5 5 1 1
10 2 7 1 1 40 5 6 1 1
11 3 4 1 1 1 41 5 7 1 1
12 3 5 1 1 1 42 5 2 1 1
13 3 6 1 1 1 43 5 3 1 1
14 3 7 1 1 1 44 j 4 1 1
3 3 1 1 45 5 5 1 1
16 3 4 1 1 46 5 6 1 1
17 3 3 1 I 47 5 7 1 1
18 з 4 1 I 48 6 2 1 1
19 3 5 4 1 49 6 3 1 1
20 3 6 1 1 50 6 4 1 1
21 3 7 1 1 51 6 5 1 1
22 4 4 1 1 52 6 6 1 1
23 4 1 1 53 6 7 1 1
24 25 4 4 6 7 1 1 1 1 54 55 3 3 6 1 1 1 1
26 4 2 1 1 56 3 7 1 1
27 3 1 1 57 3 5 1 1
28 4 1 4 58 3 6 1 1
29 4 5 1 1 59 3 7 1 1
30 4 6 1 1
Таблица 5
События, имеющие одинаковые основные признаки
табл. 6, вводится наличие или отсутствие тех
или иных дополнительных признаков. При-
чем в этих таблицах с целью упрощения приве-
дены лип1ь такие события, которые имеют оди-
наковые основные признаки для t = 2 10.
При 4 И признаки Г и W не совпадают для
событий меньшего порядка. Используя данные,
приведенные в табл. 2 -н табл. 6, можно окон-
чательно построить принципиальные схемы для
выработки сигналов t = 1, t = 2, t = 3 и
/ = 4 (рис. 7). Теперь рассмотрим позиции 19 и
30 в табл. 3. Видно, что все признаки для таких
событий при t = 5 и t = 7 совпадают, и по-
этому они неразличимы. Такие случаи имеют
место, когда при t = 5 в одну группу попадают
три сигнала, а в две остальные по одному. При
t = 7 на две группы поступают по три сигнала,
а на любую одну — один. Чтобы различать
такие события, видимо, необходимо ввести
еще дополнительные признаки, например, под-
считывать число единиц в каждой группе от-
дельно. Одпако решение этого вопроса выхо-
дит за рамки поставленной нами задачи.
И наконец, отсутствие сигналов t = 1,
t = 2, t = 3 м t = 4 ( одновременно) и нали-
чие сигнала t 1 дает решение t 5s 5. На
оспове данного метода создано несколько образ-
цов приборов па 20 входов, которые находятся
в опытной эксплуатации. При этом отработаны
отдельные узлы принципиальных схем и
составлены таблицы для программирования
п.п.з.у. Получены следующие параметры:
задержки сигналов Строб 1 -4- Строб 3 отно-
сительно входного составляют 17, 20 и 30 нс
соответственно. Для построения устройства на
64 входа требуется ~65 корпусов микросхем
серии 500.
При большом числе каналов регистрации
64
Таблица 6
События, имеющие одинаковые основные признаки
алгоритм отбора, а также минимизация приз-
наков могут быть выполнены с помощью э.в.м.
Кроме того, если использовать п.п.з.у. с
большим числом адресных входов, то эффектив-
ность данного метода существенно повышается,
так как имеется возможность увеличивать как
Рис. 7. Принципиальные схемы для выработки спгна-
лов t = 1, t = 2, t = 3 и t = Ь. Mi, Mlo — К500ЛМ12,
М.,. М3, М — К500ЛМ105, М4 — К500ЛМ101, М5,
Мй — К500ЛМ109, Мя, М„ Мп — К500ЛМ106
число групп, так и количество разрядов в груп-
пах.
Идея группового (блочного) кодирования
путем каскадирования может быть использо-
вана для построения устройства отбора на
число входов, составляющих несколько сотеп
и более. Для этого достаточно, например,
устройство отбора на 64 входа рассматривать
как один блок со своим признаком, который
по существу представляет собой сигнал Быс-
трое ИЛИ. Если для дешифровки признаков
блоков использовать быстродействующие
п.п.з.у. на 8 входов, то без уменьшения
быстродействия можно построить устройство
отбора, содержащее 64x8 = 512 входов.
ЛИ ГЕРА ТУРА
1. Басиладзе С. Г., Нгуен Тхи Ши, Парфенов А. Н. //
ПТЭ. 1981. № 5. С. 92.
2. Гуськов Б. И., Калинников В. А., Крастев В. Р. и
др. // ПТЭ. 1984. № 6. С. 91.
3. Bialkowski J., Moszynski М., Zagorski // Nucl. In-
strum. and Methods. 1981. V. 189. Л» 2. P. 433.
4. Калинников В. А., Никитюк II. M. Препринт Pl-
84-570. Дубна: ОН Я И, 1984.
5. Swartzlander Е. Е. // IEEE Trans. 1973. V. С-22.
№ И. Р. 1021.
6. Но I. Chen Т. С. // IEEE Trans. 1973. V. С-22.
№ 8. Р. 762.
7. Никитюк Н. М. А. с. 1072618 СССР И Б. II. 1984.
№ 45. С. 209.
8. Никитюк II. М. И ПТЭ. 1983. № 3. С. 74.
9. Никитюк II. М. Препринт Р10-85-364. Дубна:
ОИЯИ, 1985.
Объединенный институт ядерных исследований,
Дубна
Поступила в редакцию 27.11.1986
5 птэ, № 3
65
УДК 539.125.516.4.078 ПТЭ № 3, 1987
УЧЕТ ИСКАЖЕНИЙ ВРЕМЕННЫХ СПЕКТРОВ. ПОЛУЧЕННЫХ МНОГОСТОПОВЫМИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ В ЦИФРОВОЙ КОД
ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
КЕЗЕРАШВИЛИ В. Я.
Приведены аналитические выражения, позволяющие учесть искажения временных
спектров, измеренных с помощью многостоповых преобразователей временных интер-
валов в цифровой код (м.п.в.к.) параллельного действия, возникающие из-за просче-
тов при больших загрузках м.п.в.к. Определены пределы применимости м.п.в.к.
Во многих областях экспериментальной фи-
зики точное измерение интервалов времени
имеет принципиальное значение. В частности,
прямым результатом нейтронного времяпро-
летного эксперимента является временной
спектр — зависимость числа зарегистрирован-
ных нейтронов Аг; от помера временного кана-
ла i.
Созданные сравнительно недавно много-
стоповые преобразователи временных интер-
валов в цифровой код (м.п.в.к.) параллель-
ного [1, 2] и последовательного действия [3],
позволяют в течение длительного эксперимен-
та (десятки часов) проводить абсолютные из-
мерения временных интервалов с высокими
разрешением, стабильностью и повторяемостью.
В экспериментах, в которых физическая ве-
личина определяется сравнением временных
спектров падающего и рассеянного мишенью
пучков, искажения спектров, возникающие
из-за просчетов, могут привести к серьезным
ошибкам.
В работе [4] получено приближенное, а в
[5] — точное выражение, учитывающее иска-
жения спектров, возникающих из-за просче-
тов при использовании одностоповых преобра-
зователей временных интервалов в цифровой
код. Полученные выражения [4, 5] примени-
мы при неизменной в течение эксперимента
скорости счета. В работе [6] приведены
выражения, применимые при использовании
м.п.в.к. последовательного действия с мерт-
вым временем, большим ширины канала как
при неизменной, так и при меняющейся в тече-
ние эксперимента скорости счета. При нали-
чии мертвого времени, меньшего ширины кана-
ла м.п.в.к., применимо выражение, приве-
денное в [7].
В данпой работе приводятся выражения,
позволяющие провести учет искажений вре-
менных спектров, полученных м.п.в.к. па-
раллельного действия. Насколько автору из-
вестно, вопрос об искажениях временных спек-
тров, возникающих из-за просчетов в таких
м.п.в.к, в литературе до сих пор не рассма-
тривался.
Цикл измерения в м.п.в.к. параллельной}
действия следующий. Стартовый сигнал, соот-
ветствующий моменту формирования нейтрон-
ной вспышки, запускает к параллельных счет-
чиков времени. В течение длительности времен-
ной развертки может быть зарегистрировано
до к стоповых сигналов, каждый из кото-
рых формируется в момент регистрации одного
нейтрона и останавливает один счетчик времени
с практически препебрежимым мертвым вре-
менем, определяемым быстродействием элемент-
ной базы. Содержимое остановленного за
цикл счетчика представляет собой номер кана-
ла во временном спектре, в который следует
занести 1. После окончания временной развертки
содержимое счетчпков времени ноканальпо
суммируется с текущим содержимым буферной
памяти. Затем цикл измерений повторяется.
В результате многократно повторенного ци-
кла измерений получается временной спектр.
Когда число стоповых сигналов больше к,
счет Ni отличается от истинного счета Ni па
входе м.п.в.к. Задача заключается в нахож-
дении связей между Nt и N1 или между соот-
ветствующими относительными величинами
Пг = Nt/N И П; = имеющими смысл
средней загрузки (средний счет за один цикл
измерения) в канале г. Здесь N — полное чис-
ло циклов измерений за время проведения
эксперимента. Введем среднюю загрузку, соот-
ветствующую суммарному счету в каналах с
i i
1-го по i-й: Si = 3 nj и <$< = 3 raj- Поскольку
j=i i=i
число нейтронов, поступающих на вход
м.п.в.к., подчиняется статистике Пауссона,
то можно прямо написать
к оо
Si= ^iPj^D + k s Pj(s4), (1)
j=o i=fr+i
или
Si = k+ 3 (j~k)Pj(S4), (2)
j=o
где
p,(tf) = (tfHexp (-Я)//! (3>
66
имеет смысл вероятности появления на входе
м.п.в.к. 7 нейтронов при средней загрузке
на входе S®. Очевидно, что
Щ = Si - Si_! = 3 (/ - к) [Pj (S?) - Pj (SU)l-
J=o
0)
После несложных преобразований выражения
(4) с использованием (2) и (3) получим
«г = [* — Si-j] [1 — охр (— П®)] н-
и
+ exp (— Mi) 3 (/ ~ *) Z’j(Si-i) X
7=1
X ЗС:(«Ж-1)Г, (5)
г=1
где Cj — число сочетаний из j по г.
В общем случае (7с 1) система двух транс-
цендентных уравнений (2) и (5) позволяет
точно восстановить истинный спектр и® по
величинам пг н Sj из измеренного временного
спектра.
В предельном случае одпостопового преоб-
разователя (к = 1) прямо получается извест-
ное выражение [о], позволяющее провести
коррекцию результатов измерений временного
спектра на просчеты
пЧ = -In [1 - пг/(1 - Si-,)]. (6)
Отметим, что выражения (2) и (5) получены
в предположении неизменности интенсивнос-
ти пучка в течение эксперимента.
При малых скоростях счета, когда п®<^1,
точное выражение (4) заменяется на
к
Щ = пЧ 3 (7 — к) dpj (S4-1)/dS4-1. (7)
7=о
После преобразований (7) с учетом (2) и (3)
получим
пЧ = nt/[(2k - 1) - (Si_x + SLi)], (8)
где Si-i вычисляются по выражению (2) при
к = к — 1. Таким образом, при малых загруз-
ках корректировка временного спектра про-
водится в три этапа: сначала по измеренным
Si-i по уравнению (2) находятся истинные
значения Si-Г, затем по найденным St-i вычис-
ляются Si-i; после чего по формуле (8) вычис-
ляются пЧ.
Выражение (7) можно переписать п в
следующем виде:
тЩпЧ = '3 U - U/S4-! - 1) Pj {S4-^ (9)
7=о
Выражение (9) позволяет прямо оценить ко-
личество счетчиков времени к м.п.в.к., необ-
ходимых для того, чтобы отлично величины
njn4 от единицы не превышало любого наперед
заданного значения при заданной ожидаемой
загрузке S®_i. На рисунке приведена зависи-
мость rii/ril от числа счетчиков времени к при
нескольких указанных у кривых значениях
Si-i, рассчитанная по формуле (9). Если за-
грузка Sf^ в рассеянном пучке отличается
от загрузки в падающем, например, в 100 раз
(см. крайние кривые на рисунке), то в обоих
случаях счет в i-м канале Nt = ntN будет
отличаться от истинного N4 = n4N не более
чем на один процент при наличии в м.п.в.к. не
менее 19 счетчиков времени.
Однако при Si-i 1 и пЧ 1 (случай
широкого спектра со счетом, медленно меняю-
щимся от капала к каналу) применение слож-
ных м.п.в.к. параллельного действия неце-
лесообразно. В этом случае более простые
м.п.в.к. последовательного действия с мерт-
вым временем —КГ7 с [3] позволяют изме-
рять временные спектры с пренебрежимо малы-
ми просчетами, оцениваемыми по известным
простым выражениям 14 -> 7]. Применение
м.п.в.к. параллельного действия наиболее це-
лесообразно в случае Si-i J? 1 и и® 1 (слу-
чай временного спектра, содержащего узкие
интенсивные пики). В таком случае использо-
вание м.н.в.к. последовательного действия
неоправдано, поскольку приводит к значитель-
ным просчетам и, следовательно, возрастанию
времени проведения эксперимента.
В заключение автор выражает признатель-
ность В. Ю. Тубольцеву за плодотворные об-
суждения и II. М. Кусовой за помощь при
оформлении работы.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Hall S. J., Macleod А. М. И Nucl. Instrum. and Met-
hods. 1977. V. 140. P. 283.
2. Марченков В. В., Туболъцев 10. В. А. с. 938401
СССР // Б. И. 1982.’№ 23. С. 286.
5*
67
3. Lenzi G., Podini P.. Reverberi R. // Nucl. Instrum and
Methods. 1978. V. 150. P. 575.
4. Bollinger L. M., Thomas G. E. H Rev. Scient. In-
strum. 1961. V. 32. № 9. P. 58.
5. Coates P. B. // J. Phys. E. 1968. V. 1. P. 878.
6. Moore M. S. // Nucl. Instrum. and Methods. 1980.
V. 169. P. 245.
7. Роль дамский В. II., Куценко А. В., Подгорецкий
М. И. Статистика отсчетов при регистрации ядер-
иых частиц. М.: Фпзматгиз, 1959. С. 174.
Ленинградский институт ядерной физики АН СССР
Поступила в редакцию 10.11.1986
УДК 621.396.663
ПТЭ № 3, 1987
МЕТОД СОГЛАСОВАНИЯ ДИАПАЗОНОВ ИЗМЕНЕНИЯ СИГНАЛОВ
В БОРТОВЫХ СИСТЕМАХ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ
МАГИН П.Д., ПОГРИБНОЙ В. А.
Устройство обеспечивает уровень полезных входных сигналов для аппаратуры
цифровой обработки 2 4 В (6 дБ) при воздействии на его вход случайных сигналов
в диапазоне изменения 80 дБ (trraln = 1 н- 2 мВ) и аддитивных импульсных помех
с частотой следования 30 кГц, длительностью 2,5 мкс и максимальным значением
fmax = 100 -5- 200 мВ. Точность установки требуемых коэффициентов передачи уст-
ройства не хуже 2%.
Несмотря на наличие в настоящее время
высокоразрядных а.ц.п. и микропроцессоров,
разработка устройств, согласующих диапазон
изменения исследуемого случайного сигнала
и номинальную величину сигнала аппаратуры
обработки не потеряла своей актуальности.
Такне устройства, расширяя динамический ди-
апазон аппаратуры цифровой обработки слу-
чайных сигналов (2> 80 дБ), позволяют умень-
шить количество разрядов и, следовательно,
повысить экономичность аппаратуры, что осо-
бенно существенно для бортовых систем [1].
Известны различные согласующие устрой-
ства (усилители с автоматической регулиров-
кой усиления) для систем обработки детер-
минированных сигналов |2]. Применение этих
устройств в бортовых системах обработки
случайных сигналов неоправдано, так как
в подобных устройствах коэффициент передачи
устанавливается, как правило, по мгновенным
значениям сигнала, что при случайном характе-
ре последнего приводит либо к необходимости
передачи больших объемов данных, либо к
неверным результатам при сжатии данных.
Вследствие этого с учетом характера об-
рабатываемых сигналов, а также с целью сжа-
тия данных па борту, используются устрой-
ства согласования, коэффициенты передачи ко-
торых устанавливаются дискретно в соответ-
ствии со статистической оценкой Y* заданно-
го параметра случайного сигнала к„ = (У*)-1
и сохраняются постоянными на протяжении
интервала времени 0 (длительность реализа-
ции). Причем в зависимости от поставленной
задачи таким параметром могут служить зна-
чения огибающей сигнала х (7), среднее значе-
9
1
ние Уср = -д- \ х (/) dt, средпевыпрямленное
и
о
значение Уср в = -д- \ л-’ (0 dt, среднеквадрати-
о
о
ческое значение Уср кв = -g- [х (Z)]2 dt и др.
о
[1]. Использование устройств согласования с
вычислителем оценки Y* (ВО) на входе обеспе-
чивает высокое быстродействие, однако пред-
определяет жесткие требования к динамическо-
му диапазону О 80 дБ) указанного блока
и уровня шумов, генерируемых пм. Кроме
того, импульсные помехи величиной > 100 ч-
н- 200 мВ с частотой следования импульсов
30 -т- 60 кГц, зачастую присутствующие в бор-
товых системах и воздействующие на вход
ВО, не позволяют устанавливать необходи-
мый коэффициент передачи при низких уров-
нях обрабатываемых сигналов (zinjn = 1—5—2 мВ).
Для обеспечения многих бортовых экспе-
риментов целесообразно применять устройства
согласования динамических диапазонов с вы-
числением оценки У* в цепи обратной связи
и одновременным преобразованием входного сиг-
нала в цифровой код, количество разрядов
которого не превышает заданного для блоков
цифровой обработки. При этом в случае при-
менения в качестве кодирующих устройств
обычных а.ц.п. обеспечивается высокая поме-
хоустойчивость устройства лишь по его выход-
ному сигналу. Поэтому воздействие импульс-
68
Рис. 1. Устройство согласования динамических диапазонов входного случайного сигнала и аппаратуры обработки. М1, — 564ИД1, ЛГ2—
590КН5, М..— 564ИЕ11, М. — 572ПА1, Мь, Мв — 140УД12, М7 -564ЛЕ6, Ms, Мг, — 564ЛА7, Ма, Ми — 564ИР9, Л71о, М1г —
564ИЕ10, - 564ИМAf|e - 564ЛЕ10
рохюд
Рис. 2. Временные диаграммы работы основных узлов устройства согла-
сования. хс (/) —входной случайный сигнал, xa(t)—сигнал помехи,
х (I) — суммарный входной сигнал, х' (Z) — выходной сигнал ц.а.п. дель-
та-модулятора. Uiy -> £/’зу — выходные сигналы блока управления
ных помех на вход устройства приводит к
сбоям в его работе. С целью ослабления вли-
яния таких помех без применения дополни-
тельной аппаратуры 13J в описываемом устрой-
стве применен вместо а.ц.п. дельта-модуля-
тор. Функциональная схема устройства согла-
сования диапазонов изменения сигналов с ис-
пользованием дельта-модуляции приведена на
рис. 1. Оно содержит переключатель поддиа-
пазонов ПИД, представляющий собой усили-
тель с управляемым коэффициентом усиле-
ния; вычислитель заданной оценки Y* — ВО',
блок управления БУ; дельта-модулятор ДМ
11, с. 199, рис. 64]; прореживатель Пр.
БУ представляет собой генератор тактовой
частоты с включенными последовательно де-
лителями частоты. ПИД состоит из двух кас-
кадов усиления, между которыми включен
резистор, образующий с соответствующим клю-
чом М2 и входным сопротивлением микросхе-
мы Л/4 управляемый делитель напряжения.
Первый каскад ППД собран па операционном
усилителе Мй в неинвертирующем включении
с соответствующими ключами (М2) и резисто-
рами в цепи обратной связи. Второй каскад
ППД собран по схеме, приведенной в [4].
Переключение коэффициента передачи ППД
обеспечивается схемой управления, состоящей
из реверсивного счетчика и логических элемен-
тов М7, М9. Вычислитель оценки ВО представ-
ляет собой сумматор последовательного дей-
ствия со схемой дешифрации значений оценки
У*. Цифровой ДМ имеет два выхода, по одному
из которых выдается дельта-код Lx(t), а по
другому — код импульсно-кодовой модуляции
с реверсивного счетчика. Синхронизация ДМ
осуществляется блоком БУ. Прореживатель
Пр выполнен на регистре сдвига М9. Коэффи-
циент прореживания блока Пр равен отноше-
нию частот дискретизации ДМ (Т^1) и Найк-
виста (Гн)*
Приведенная схема позволяет подавить ад-
дитивную импульсную помеху при соответству-
ющем выборе интервала дискретизации дель-
та-модулятора. Если длительность импульса
70
помехи т подчиняется условию т е [0, Т’д],
то такой импульс не будет отработан дельта-мо-
дулятором (па рис. 2 это импульсы с длитель-
ностями т2 < ТЛ1 т5 < Та, тв < Тя, т7 < 7’д,
т8 ’С 7’д). В результате влияние импульсных
помех на вычисление оценки Y* и, следова-
тельно, на выбор коэффициента передачи будет
устранено, так как блок ВО включен в цепь
обратной связи устройства. Если длительность
импульса помехи т изменяется в широких пре-
делах, возможен случай, когда т > Тя (на-
пример, импульсы с длительностью > 7’д,
т:! > 7’д, т4> 7’д на рис. 2). Такая помеха будет
отработана дельта-модулятором и на выход
устройства поступит искаженный код (группы
кодовых импульсов LX1, LX2,LX^). Для повы-
шения помехоустойчивости при случайном воз-
действии импульсных помех монотонно увели-
чивающейся длительности необходимо соот-
ветственно увеличивать период дискретизации
дельта-модулятора 7’д. С этой целью следует
использовать адаптивные устройства согласо-
вания динамических диапазонов, автоматически
изменяющие период дискретизации в зависи-
мости от длительности импульса помехи за счет
изменения пропускаемой полосы частот, что
следует из выражения 7’д1 > 2nfBxiaa-siISmax,
где #тах — максимальное значение верхней
гармоники входного сигнала дельта-модулято-
ра, 5тах — абсолютная величина максималь-
ного шага квантования дельта-модулятора,
/в — частота верхней гармоники входного
сигнала, ограниченного по спектру. Для
линейного дельта-модулятора абсолютные
величины всех шагов квантования одинаковы.
Описанное устройство согласования дина-
мических диапазонов случайного сигнала и
аппаратуры обработки с использованием дель-
та-модуляции (рис. 1) нашло применение в
комплексе аппаратуры ЭВК-2, предназначен-
ного для спутниковых геофизических экспери-
ментов. Оно обеспечивает заданный уровень
выходных сигналов 2 -г- 4 В (6 дБ) в условиях
воздействия па его вход аддитивных импульс-
ных помех с частотой следования 30 кГц, дли-
тельностью 2,5 мкс и амплитудой £/шах = 100-5-
—у— 200 мВ, создаваемых бортовым источником
питания. При этом динамический диапазон
входных сигналов ~ 80 дБ, количество ко-
эффициентов передачи, устанавливаемых по
двоичному закону, 13, погрешность установки
коэффициента передачи пе хуже 2%.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Погрибной В. А. Бортовые системы обработки сиг-
налов. Киев: Наук, думка, 1984.
2. Кривицкий Б. X., Салтыков Е. И. Системы автома-
тической регулировки усиления. М.: Радио и
связь, 1982.
3. Кузьмин В. К., Орлов И. Я.. Шкелев Е. И. А. с.
995344 СССР // Б. И. 1983. № 5. С. 264.
4. Эдрингтон. И Электроника. 1975. Т. 48. As 15. С. 54.
Физико-механический институт АН УССР, Львов
Поступила в редакцию 31.1.1986
УДК 621.382.8.049.774
ПТЭ № 3, 1987
УПРАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ФОТОПРИЕМНИКА НА ПРИБОРЕ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ В УСТРОЙСТВЕ
ВВОДА ИЗОБРАЖЕНИЯ В Э.В.М.
МОЛОДЯКОВ С. А.
Рассмотрена организация управления фотоприемниками па приборах с зарядовой
связью, позволяющая программно задавать следующие информационные параметры:
чувствительность, пространственную разрешающую способность, объем вводимых
в э.в.м. данных. Описан контроллер, связывающий фотопрнемнпк с э.в.м., а также
методика и результаты экспериментального исследования предложенного режима
управления.
При создании систем технического зрения
зачастую необходимо обрабатывать изображе-
ние с большого светочувствительного поля
фотопрпемника (ф.п.) при ограниченном быстро-
действии п объеме памяти э.в.м., а также
оперативно изменять характеристики ф.п.
(чувствительность, пространственное разреше-
ние, местоположение светочувствительных эле-
ментов и др.) в зависимости от входного
сигнала и режима работы оптического процес-
сора или проектора изображения. Первая за-
дача в известных системах решается путем
фрагментирования [1], т. е. по тому или иному
признаку выбирают и вводят в э.в.м. лишь
некоторые элементы изображения. Решение вто-
рой задачи связано с применением ф.п. на при-
71
борах с зарядовой связью (ф.п.з.с), которые
уже используются для управления временем
интегрирования изображения и для повыше-
ния пространственного разрешения смещением
центров накопления зарядов от кадра к кадру.
Ф.п.з.с. при надлежащем управлении предоста-
вляют дополнительные возможности по обра-
ботке изображений. Они позволяют суммиро-
вать зарядовые пакеты непосредственно на
кристалле п.з.с. и формировать тем самым
выходной сигнал, пропорциональный суммар-
ной освещенности нескольких физических яче-
ек п.з.с. Область светочувствительного поля
ф.п.з.с., заряды с которой после суммирования
формируют один выходной отсчет, будем в
дальнейшем называть виртуальным светочув-
ствительным элементом.
В большинстве современных ф.п.з.с. можно
суммировать заряды и, следовательно, форми-
ровать виртуальные светочувствительные эле-
менты. Для этого надо соответствующим обра-
зом управлять процессом сброса заряда на
выходном регистре или выходном устройстве
ф.п.з.с. Линейные ф.п.з.с. позволяют объеди-
нять заряды на выходном устройстве, выпол-
ненном по схеме с плавающим электродом
«Квант-2» [2] или по схеме с плавающей диффу-
зионной областью К1200ЦЛ1 [3]. Матричные
ф.п.з.с. «Коллекция» и другие дают возмож-
ность суммировать заряды на выходном регис-
тре [41. а матричные ф.п.з.с. К1200ЦМ1,
К1200ЦМ2 — как на выходном устройстве, так
и на выходном регистре [5, 61. Применение
описанного процесса формирования виртуаль-
ного светочувствительного элемента оказыва-
ется эффективным в задачах, в которых^требу-
ется регулировать чувствительность и прос-
транственную разрешающую способность ф.п.,
при этом объединение зарядов на ф.п.з.с. сни-
жает требования к пропускной способности
канала ввода данных в э.в.м. Рост площади
виртуального элемента влечет не только умень-
шение числа отсчетов, получаемых со свето-
чувствительного поля, но и увеличение как
коэффициента пропорциональности свето-сиг-
нальной характеристики, так и максималь-
ного выходного сигнала. Максимальный сигнал
в результате суммирования возрастает вслед-
ствие того, что зарядовые емкости выходных
регистра и устройства перечисленных ф.п.з.с.
выше, чем зарядовая емкость ячеек накоп-
ления.
Предельные размеры виртуального элемен-
та ограничены двумя факторами: во-первых,
в процессе суммирования объединяются не
только светогенсрированные заряды, но и
паразитные, термогенерпрованные носители, что
приводит к заполнению выходных регистра
или устройства паразитным зарядом и сказы-
72
Рис. 1. Структурная схема п.з.с.-коптроллера. УО —
устройство обработки, И — интерфейс, CH, СХ —
секции накопления и храпепия, У РУ — устройство
внутреннего управления, ВР, ВхР — выходной и
входной регистры, В У — выходное устройство, ЛР —
схема прерывания, ГС, ГР — генераторы тактовых
импульсов для секций и выходного регистра, ФПН —
формирователь питающих напряжений. ОЗ. ОВ — одно-
вибраторы импульсов запуска а.ц.п. и выборки, ВХ —
схема выборки-храпения, ФПЫ — формирователь пи-
тающих напряжений. СИ — программируемый счет-
чик, Фл — флаг, ФФ — формирователь фазпых им-
пульсов, УФ — усилитель-формирователь, РР — ре-
гистр числа суммируемых на В У пакетов, СС — счет-
чик числа сумм, ОС — одновибратор импульса сброса,
ПИ — программируемый пропускатель, У — диффе-
ренциальный усилитель
вается па динамическом диапазоне системы;
во-вторых, количество суммируемых элемен-
тарных зарядов ограничивается отношением
зарядовых емкостей ячеек светочувствитель-
ного поля и ячеек выходных регистра и устрой-
ства. Процесс термогенерации паразитных за-
рядов подробно рассмотрен в [7]. Ниже описан
п.з.с.-контроллер, позволяющий формировать
виртуальные элементы на трехфазных ф.п.з.с.,
а также приведены результаты оценки линей-
ности процесса суммирования зарядов и отно-
шения зарядовых емкостей ячеек для ф.п.з.с.
К1200ЦМ1.
П.з.с.-контроллер. При разработке кон-
троллера уровень аппаратно-программного со-
глашения выбирался таким, чтобы, с одной
стороны, имелась возможность программиро-
Рис. 2. Принципиальная схема канала управления в.р. Л1\ — 155ИР13, М„ ч- Л/6 — 155ИЕ7, М- —155ИД4,
Л/8 — 155ТМ2, М9 — 155ЛА4, М1о, Л/п — 155ЛА1, М12 ч- Л/14 — 155ЛАЗ, а45 ч- Л/17 — 155АГ1; Г, — КТ361,
Т2 — КТ315, \Т3 — КП304, Т4 — КП305
вать форму, количество и местоположение вир-
туального элемента, а с другой — чтобы все
рутинные, повторяющиеся операции осущест-
влялись аппаратно, автономно, без затрат про-
цессорного времени управляющей э.в.м. Ис-
ходя из этого были взяты элементарные опера-
ции управления контроллером, которые вы-
зывали следующие действия: перенос зарядо-
вых пакетов в секции накопления либо секции
хранения на заданное число шагов в заданном
направлении, вывод заданного числа зарядов
из выходного регистра с предварительным
суммированием заданного числа зарядовых па-
кетов на выходное устройство. Направление
перемещения зарядов в секциях задается с целью
обеспечения возможности суммирования заря-
дов в двух выходных регистрах |5].
На рис. 1 показана структурная схема
п.з.с.-контроллера, который отличается от из-
вестных 11, 8] тем. что позволяет суммировать
заряды не только в выходном регистре ВР,
но и в выходном устройстве при небольших
затратах времени на управление. Он состо-
ит из трех частей: устройства управления УУ,
устройства обработки УО и интерфейса И.
У У содержит три канала формирования
трехфазных импульсов сдвига для секции на-
копления СИ, секции хранения СХ и выход-
ного регистра ВР, а также устройство внут-
реннего управления УВУ, генераторы тактовых
импульсов для секций ГС и выходного регист-
ра ГР, схему прерывания ПР, формирователь
питающих напряжений ФПН, одновибраторы
импульса запуска а.ц.п. ОЗ и импульса выбор-
ки ОВ, поступающего на схему выборки-хра-
нения ВХ. Каналы управления СП и СХ со-
держат программируемый счетчик СИ, флаг
Фл, формирователь фазных импульсов ФФ,
усилитель-формирователь УФ. ФФ состоит из
реверсивного счетчика, дешифратора и ячеек
совпадения. Направление счета и начальное
состояние счетчика задаются сигналами li'l,
К2, тем самым задаются направление переме-
щения зарядов и состояние напряжений на
фазных электродах во время накопления.
В канал управления выходного регистра допо.т-
73
Команды Содержание
R1 К2 КЗ, R1 R5 Кб К7 К8 Направление (прямоеинверсное) перемещения зарядов СИ и СХ Задание напряжений (высокое низкое) на фазных электродах СИ и СХ Запись числа сдвигов в СИ или в СХ, запуск сдвигов Запись в РР числа суммируемых на ВУ зарядовых пакетов Вывод заданного числа виртуальных элементов Разрешение сдвигов в ВхР Разрешение ввода данных в э.в.м.
нительно введены регистр числа сумми-
руемых на выходном устройстве зарядовых
пакетов РР, счетчик числа сумм СС, флаг и
одновибратор импульса сброса ОС. Для уп-
равления входным регистром ВР включены
программируемый пропускатель 1111 и трех-
канальный УФ.
Принципиальная схема канала управле-
ния ВР приведена па рис. 2. После задания
на РР (МД числа суммируемых на ВУ заря-
довых пакетов и в СС (М2, М3) — числа выво-
димых сумм схема вырабатывает пачки трех-
фазных импульсов, каждая из которых закан-
чивается импульсом Сброс, поступающим
в ВУ. При вводе данных в э.в.м. генерация
импульсов сдвига синхронизована с работой
а.ц.п.
Команда э.в.м., поступающая на УУ через
И, представляет собой два байта информации,
сопровождаемые синхроимпульсами. Первый
•байт является командным, второй — инфор-
мационным. Командный байт поступает на УВУ,
которое формирует внутренние команды (см.
таблицу). Команды К2-т- Кб являются импульс-
ными, a KI, К7, К8 — потенциальными. Вто-
рой байт несет информацию о числе требуемых
переносов и о состоянии напряжений (высокое
пли низкое) на фазных электродах. Он по ко-
мандам К2 -г- Кб заносится в программируе-
мые счетчики и регистры. Команды, иницииру-
ющие генерацию фазных импульсов, выпол-
няются п.з.с.-контроллером автономно. По окон-
чании их отработки схема прерывания выра-
бытывает сигнал запроса прерывания, который
через интерфейс поступает в э.в.м.
УО содержит дифференциальный усилитель
У, схему выборки-хранения ВХ и а.ц.п. Усили-
тель (574УД1) обеспечивает как усиление сиг-
нала, так и получение дифференциального сиг-
нала между сигналами, получаемыми с основно-
го и компенсационного выхода ф.п.з.с. Фрагмен-
тирование осуществляется путем выборочного
ввода в э.в.м. отдельных отсчетов (К8). Если
отсчет в э.в.м. не вводится (сбрасывался), то
вывод зарядов из ф.п.з.с. происходит с пре-
дельной частотой переносов.
Кроме приемопередатчиков интерфейс со-
держит схемы прямого доступа в память и
74
прерывания. Он ориентирован па э.в.м-
«Электроника-10011». Для э.в.м. «Электропп-
ка-60» уже имеются подобные устройства: ин-
терфейс параллельного обмена 112 и интерфейс
прямого доступа в память 113.
П.з.с.-контроллер выполнен в конструктиве
КАМАК, занимает две станции, содержит
70 микросхем серии 155 и имеет следующие вре-
менные параметры: частота суммирования заря-
дов в ВР — 500 кГц, в ВУ — 2,5 МГц, время
ввода в э.в.м. одного отсчета 10 мкс при исполь-
зовании а.ц.п. Ф7077/1 (11 разрядов, 9 мкс).
Результаты экспериментирования. Экспе-
риментальные исследования проводились на
матричном ф.п.з.с. К1200ЦМ1 [6]. Аппара-
туре! экспериментальной системы кроме ф.п.з.с.,
п.з.с.-коптроллера и э.в.м. содержала подсис-
тему формирования тестовых оптических
сигналов, таймер и подсистему визуализации.
Программное обеспечение состояло из двух
частей: управляющей части (на языке Ассем-
блер), работающей в реальном времени, и об-
рабатывающей части, использующей диалого-
вый язык ФОКАЛ.
Управление ф.п.з.с. проводилось непрерыв-
но, что было связано с длительным временем
выхода фотоприемника на стационарный режим
работы, составляющим несколько секунд при
5 -4- 10 циклах опроса. Также непрерывно с
целью постоянного контроля введенного в
э.в.м. изображения осуществлялось его отобра-
жение па дисплей. Программы обрабатываю-
щей части работали в оставшееся от управ-
ления и отображения время, составляющее
50 -=г- 90% полного времени. Они не только
проводили обработку полученной информации,
но и позволяли изменять параметры программ
управления ф.п.з.с. и тем самым автоматизи-
ровать процесс измерений, в частности тести-
рования ф.п.з.с.
На рис. 3 представлена одна из форм раз-
биения СИ на виртуальном светочувствительном
элементе. Для ее организации потребовалось
осуществить суммирование К строк в ВР и N
зарядовых пакетов ВР в ВУ. а также органи-
зовать сброс М строк СИ. В результате вве-
денный кадр представлял собой массив из
(232/А') х 4 элементов.
- — ВУ
Рис. 3. Структура разбиения ф.п.з.с. К1200ЦМ1 па
виртуальные светочувствительные элементы размером
Л' X А' ячеек с расстоянием между ними М строк
чен при испытании 20 других экземпляров
ф.п.з.с. того же типа.
Эффективность предлагаемого способа ор-
ганизации виртуального светочувствительно-
го элемента подтверждена при разработке
радиоастрономического спектрометра с акус-
тооптическим разделением каналов 19]. Ана-
лизируемый спектр представлял непрерывное
распределение интенсивности света, проеци-
руемое на четыре группы строк матричного
ф.п.з.с. Благодаря программному заданию фор-
мы и количества виртуальных элементов (рис. 3)
был реализован режим с перестраиваемыми
в ходе радиопаблюдений параметрами: чувстви-
тельностью (изменялось А), частотного раз-
решения (,'V), полосы частот (изменялось коли-
чество виртуальных элементов).
Автором была измерена зависимость сред-
ней по элементам амплитуды сигнала от числа
суммируемых на ВР зарядовых пакетов при
неосвещенном и равномерно освещенном ф.п.з.с.
Она оказалась линейной с точностью 0,5%
при полной погрешности измерений сигнала
0,2 4-0,3% и использовании усреднения дан-
ных в э.в.м. по 20 4- 30 кадрам. Аналогичные
результаты были получены при суммировании
зарядов на ВУ.
Отношение зарядовых емкостей элементов
секций ВР и ВУ оценивалось по амплитуде
выходного сигнала насыщения при суммиро-
вании в ВР и ВУ полных зарядовых пакетов
ячеек секций. Амплитуда сигналов насыщения
в секциях 0,4 В, в Z/P2B, в ВУ 4 В при реко-
мендованном питании ф.п.з.с.: нижнее напря-
жение в секциях —4 В, верхнее —12 В, ниж-
нее напряжение в ВР —8 В, верхнее —20 В.
Таким образом, отношение зарядовых емкостей
ячеек секций, ВР и ВУ определяется как
1:5:10. Близкий к этому результат был полу-
ЛИТЕРА ТУРА
1. Водоватов И. А., Высоцкий М.Г., Петрунъкин
В. 10. и др. И Автометрия. 1985. Л"« 6. С. 76.
2. Арутюнов В. А., Котов Б. А., Сорокин О. В. И
Электроп. пром-сть. 1981. № 9. С. 23.
3. Кашлаков И. Д., Кленов В. Т., Костюков Е. В. И
Электрон, пром-сть. 1982. № 7. С. 7.
4. Березин В. IO., Зинчик IO. С., Котов Б. А. и др.
Там же. С. 27.
5. Марков А. Н., Пригожин Г. И., Смирнова В. М.
Там же. С. 3.
6. Пресс Ф. П. Формирователи видеосигналов на при-
борах с зарядовой связью. М.: Радио п связь, 1981,
7. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда.
М.: Мир, 1978.
8. Афанасьев С. Я., Бородин С. М., Стенин В. Я. И
Автометрия. 1983. № 3. С. 71.
9. Молод яков С. А., Новицкий А. П., Саенко И. И. //
Современное состояние и перспективы оптических
методов передачи, храпения и обработки информа-
ции. Л.: ЛИЯФ АН СССР, 1984. С. 239.
Политехнический институт, Ленинград
Поступила в редакцию 23.IV.1986
УДК 681.32 ПТЭ № 3, 1987
СОПРЯЖЕНИЕ ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА С МИКРО-Э.В.М.
«ЭЛЕКТРОНИКА ДЗ-28»
БОБРОВСКИЙ В. В., КОМИССАРОВ С. Г., ТИХОНОВ Ф. В.
Схема сопряжения выполнена на одной микросхеме К155КП1. Малый ток потреб-
ления микросхемы позволяет использовать
схемы сопряжения. Приведена программа
< 7 мс.
В описываемом устройстве сопряжения ми-
кро-э.в.м. «Электроника ДЗ-28» с цифровым
измерительным прибором (в качестве примера
взят распространенный вольтметр Ф214) исполь-
зуется одна микросхема К155КП1, питаемая
источник питания вольтметра для питания
обмепа. Время приема кода с вольтметра
от источника питания самого прибора. В этом
случае сопряжение сводится, в основном, толь-
ко к распайке соединительного кабеля. Слово
данных прибора вводится в ДЗ-28 бит за битом.
Увеличением времени обмена можно пренебречь,
75
Адрес Мнемокод Код Комментарий
00007 0010 Адрес программы прерывания
00010 CLR R8 0413 1008 Очистка регистра формирования числа
00012 CLR R9 0413 1009 Установка счетчика битов
00014 МОУ#Ш0. S2 1302 0800
00016 CLR R10 0413 1010 Установка времени ожидания СИП
00018 МОР #0002, S5 1305 0002
00020 ADD R8, R8 1100 0808 Начало цикла ввода
(10022 OUTOWS 0412 1407
00024 В В. #4 1403 0003
00026 ADD # 1, RS 1000 0108 БИТ = 1
О0028 ADD# R9 1000 1009 БИТ = 0
00030 BNS #0013. S3 1009 0013 Окончание цикла ввода
О0032 BR.#4 1403 0003
00034 BR.—14 1402 0015
00036 OUTOWS 0412 1407
00038 NEG RS 0413 0908 Обработка знака
00040 NEG R8 0413 0908
00042 JSM 0004 0004 Переход па подпрограмму обработки измерения
00043 RTI 1211 Выход из прерывания
так как большинство цифровых вольтметров,
используемых в лабораторной практике, имеют
время преобразования — 100 мс (выполнены
по схеме двойного интегрирования с синхро-
низацией по сети для устранения наводок от
сети).
Вольтметр включен в режиме автоматичес-
кого измерения и осуществляет измерения
через равные интервалы времени, пнформи-

м
Схема сопряжения вольтметра Ф214 с микро-э.в.м
ДЗ-28. М — К155КП1; Т — КТ315Б
руя ДЗ-28 об окончании измерения подачей
на вход запроса прерывания инвертированного
транзистором Т (рисунок) импульса Конец
измерения. После этого ДЗ-28 переходит от
выполнения основной программы к программе
прерывания, по которой наращивается содер-
жимое счетчика реального времени и вводится
информация с цифрового вольтметра. Под-
программа ввода 14-разрядного слова данных
вольтметра приведена в таблице.
Работа устройства основана на особенности
оператора OUTOWS изменять состояние про-
граммного счетчика в зависимости от того,
пришел или нет синхроимпульс СИН за опре-
деленное время, что позволяет формировать
в регистре 118 значение считываемого бита.
Поскольку для задания кода управления
используется только четыре линии шины
ввода-вывода, то оставшиеся четыре линии
можно использовать для управления различ-
ными устройствами (шаговыми двигателями,
термостатами и др.). С другой стороны, в слу-
чае необходимости аналогичным образом можно
подсоединить до восьми приборов, выбирая
нужный через шину управления.
Витебское отделение института физики
твердого тела и полупроводников АН БССР
Поступила в редакцию 28.V.1986
76
ЭЛЕКТРОН II КА II РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.317.72 ПТЭ № 3, 1987
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ПОГОСОВ А. Ю.
Описан 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с временем преобразо-
вания 160 нс и частотой преобразования 8,3 МГц, в котором использованы сегмен-
тированный цифроаналоговый преобразователь с дифференциальной нелинейностью
0,01 % п усилитель-ограничптель разности с временем установления 80 нс с погреш-
ностью 0,2%, а устройство управления построено на основе цепочки одновибраторов.
В системах регистрации быстропротекаю-
щих процессов, ядерной спектрометрии исполь-
зуются быстродействующие аналого-цифро-
вые преобразователи (а.ц.п.). Если при этом
требуется разрешающая способность 8 раз-
рядов, то а.ц.п. строят обычно по параллель-
но-последовательной схеме. Оптимально со-
четая в конструкции современные интеграль-
ные и дискретные элементы, можно обеспечить
весьма высокие параметры а.ц.п. по точности
и по быстродействию.
Структурная схема 12-разрядпого двух-
ступенчатого а.ц.п. показана на рис. 1. Вход-
ной аналоговый сигнал в диапазоне ±2 В пос-
тупает на а.ц.п. первой ступени (а.ц.п. 7)
ЛГ8. Конденсатор компенсирует входную
емкость М3 (25 пФ).
Буферный регистр Рг1 устраняет неопре-
деленность выходного кода М3 при низком
уровне па входе С микросхемы М3.
На входе усилителя-ограничителя разности
УР суммируются токи цифроаналогового 6-раз-
рядного преобразователя ЦАП (0 —- 7,875 мА
с шагом 125 мкА), входной ток сигнала —2 -ь
-.—Н 2 мА, ток смещения + 4 мА.
А.ц.п. второй ступени (а.ц.п. 2) построен
па и М3. Поскольку опорные напряжения
(±0,813 В) сравнительно невелики, то для
обеспечения монотонности а.ц.п. 2 желательна
регулировка напряжения контроля гистере-
зиса в пределах 0,2 0,8 В резистором 7?3.
Старший разряд а.ц.п.2 (выход Р перепол-
нения ЛГ5) складывается с имеющим тот же вес
младшим разрядом а.ц.п.7 в сумматоре См [1, 2].
После инвертирования сигнала в УР младшие
разряды кода а.н.п.2 следует повторно инвер-
тировать в выходном регистре РгЗ, а вместо
инвертирования старшего разряда выполняется
режим вычитания но соответствующему входу
В6 сумматора См.
Схема управления а.ц.п. состоит из одно-
вибраторов Ов! и Ов2, вырабатывающих по от-
рицательному перепаду входного сигнала им-
пульсы низкого уровня длительностью 40 нс
для Ов1 и 15 нс для Ов2.
Входной синхросигнал, определяющий час-
тоту преобразования а.ц.п., преобразуется ком-
паратором М2 в прямоугольные импульсы, от-
рицательные перепады которых запускают поч-
ти одновременно одновибраторы. Короткий
(15 нс) импульс низкого уровня па выходе Ов2
стробирует а.ц.п.7. Через 12 -г- 15 нс на выхо-
де 1/3 устанавливается верный код, который еще
через 10 -4- 13 нс считывается в регистр Рг1
по положительному перепаду выходного им-
пульса Ов1 и подается на входы ЦАП. Далее
идет процесс установления тока ЦАП и выход-
ного напряжения УР с погрешностью +6 мВ,
который занимает ~80 нс. По его окончании
очередной отрицательный перепад синхро-
сигнала стробирует а.ц.п.2. Одновременно с
этим осуществляется новая выборка и в а.ц.п./.
Поэтому для сохранения предыдущего значения
кода а.ц.п.7 используется регистр Рг2, запись
в который также происходит по отрицательно-
му перепаду синхросигнала, а через 40 нс по
положительному перепаду на выходе Ов1 вы-
ходной код а.ц.п. фиксируется в регистре РгЗ.
Таким образом, период синхросигнала
120 нс оказывается меньшим времени преобра-
зования 160 нс. Одновременное стробирование
а.ц.п.7 и а.ц.п2 удобно при отсутствии устрой-
ства выборки-храпения (у.в.х.) на входе а.ц.п.
В этом режиме а.ц.п. без дополнительной
погрешности преобразует сигналы со скоростью
нарастания до 0,25 -н 0,4 В/мкс.
При наличии у.в.х. или коммутатора
на входе а.ц.п. момент стробирования а.ц.п. 1
требуется задержать с помощью дополнитель-
ного одновибратора относительно момента
77
Рис. J. Структурпо-фупкцпональная схема а.ц.п. Рг1 ч- РгЗ — регистры на К500ТМ131, УР — усилитель раз-
ности, См — сумматор па К500ИМ180, ПУ — преобразователь уровня э.с.л. — т.т.л. на К500ПУ125, Ов1у
Ов2 — одновибраторы на К500ЛМ105, М, —К140УД14А, М, - КР597СА1, М3 Мъ — К1107ПВЗА; Дх —
Д818Е; — 500 0м, — 2,5 кОм, постоянные С2-13, С2-29 (+0,1%), подстроечные СП5-2; выходы микро-
схем серий К500, К1107 соединены с шиной —5 В через резисторы 390 ч- 620 Ом
стробирования а.ц.п.2 на время выборки у.в.х.
или время установления коммутатора. Кроме
того, регистр Рг2 исключается, а Рг1 заменяет-
ся на шесть повторителей э.с.л. с парафазными
выходами.
Опорные напряжения для ЦАП, М3 + М5
получаются от единого эталонного напряжения
+ 10 В, формируемого с помощью операционно-
го усилителя Мг.
6-разрядиый ЦАП (рис. 2) разбит па 3 сег-
мента Ух + У3 по 2 разряда в каждом, отли-
чающиеся только величинами токозадающих ре-
зисторов. Один из транзисторов микросборок
М2 каждого сегмента работает в опорном гене-
раторе тока, стабилизируемом усилителем Mv
Токи через все транзисторы М2 примерно рав-
ны. Транзистор 7\ компенсирует изменения вы-
ходных токов разрядов, вызываемые ответвле-
нием части тока в базовые цепи транзисторов
Т2 -+ Т3, образующих малоинерционные пере-
ключатели тока, совместимые с э.с.л. Для по-
давления паразитной сверхвысокочастотной ге-
нерации в коллекторные и базовые цепи тран-
зисторов введены резисторы по 36 -+ 82 Ом.
78
Конденсаторы С] уменьшают шумы ЦАП, ста-
билитрон Д1 предотвращает насыщение тран-
зисторов при подаче питания на ЦАП.
На рис. 3 показана схема УР, который пред-
ставляет собой усилитель-ограничитель с не-
линейной цепью обратной связи [3].
УР содержит дифференциальный каскад
Тъ, 7\, каскодную схему 7’4, предотвращающую
паразитные тепловые процессы в транзисторе
Т ь. Благодаря генератору тока Т3 обеспечива-
ется коэффициент передачи УР ~(2 + 5)-103
при разомкнутой цепи обратной связи.
При работе в линейной области коэффициент
передачи УР определяется резистором /?п.
Основная емкость коррекции С2 служит для
устранения колебательности переходного про-
цесса [4], обусловленного емкостью ЦАП
(~10 пФ). Нежелательная проходная емкость
цепи ограничения 71,, Т2, Д9, Дю (Л и
работают в диодном включении и имеют малое
время рассасывания) нейтрализуется диффе-
ренциальным сопротивлением диодов Дв +- Д,,
Дп, открытых прямым током 140 мкА, проте-
кающим через резисторы 7?3, Д4.
Рис. 2. Принципиальная схема 6-разрядного ЦАП. Ут — сегмент двух младших
разрядов (125 и 250 мкА), У2 — сегмепт двух средних разрядов (0,5 и 1,0 мА),
У3 — сегмент двух старших разрядов (2,0 и 4,0 мА); — К140УД14А, ЛЛ —
К198НТЗ; Tj ч- Т5 — КТ3101, 0 100; Д] — КС512А; /?] ч- — токозадающие
(постоянные С2-29 (4-0,1%), подстроечные СП5-2) в сегменте ,У2: Л, = П, = Ля —
470 Ом, Л2 = Л3 = Л6 — 19.8 кОм, Л4 — 200 Ом, Л? — 10 кОм; в сегменте У3:
Pi — 220 Ом, л2 = Л3 — 5,11 кОм, Л4 — 0, Л6 — 4,98 кОм, Лв = Л« — 68 Ом,
Л? — 2,46 кбм, резисторы с неуказанными номиналами — по 36 ч- 82 Ом
Когда УР переходит в режим ограничения
(при выходном напряжении ~+1,5 В), то
протекающий через цепь ограничения ток нару-
шает эквипотенциальпость выводов резистора
Т?5, и в действие вступает дополнительная ем-
кость коррекции С3. обеспечивающая совмест-
но с С] необходимый запас устойчивости УР.
Отметим, что самовозбуждение УР недопусти-
мо, так как из-за проникновения на аналоговый
вход а.ц.п. оно может вызывать сбои а.ц.п.7.
Цепь Ди Д2, дополнительно ограничивает
входное и выходное напряжения УР при боль-
ших перегрузках по току.
А.ц.п. питается от стабилизированных ис-
точников —15, +15, —5, +5 В и потребляет
соответственно ~50, 50, 2000 и 500 мА.
А.ц.п. смонтирован на металлической плас-
тине 180 X 200 мм2, причем с одной ее стороны
компактно размещены аналоговые узлы М1г
Ма 4- М5, ЦАП, УР и цепи прохождения ана-
логового сигнала Rx, Cj, а с другой — М2,
Рг1 4- РгЗ, См, ПУ, Ов1, Ов2.
При отладке а.ц.п. прежде всего устанавли-
вают номинальные значения параметров узлов.
Затем подстраиваются опорные напряжения
а.ц.п.7 и, если необходимо, длительности вы-
ходных импульсов одновибраторов Ов1 и Ов2,
так, чтобы при преобразовании синусоидаль-
ного напряжения частотой 100 4- 500 Гц и
амплитудой 1,7 4- 2.0 В выходной сигнал УР
лежал в пределах +0,5 4- +0,7 В рабочего
диапазона а.ц.п.2.
Рис. 3. Принципиальная схема усилителя разности.
Т„ Tt — КТ3101, Тг, Т3 - КТ3123, Гб ч- Ту -
КТ3120 (Ть и Ту отобраны с f> > 100 и близкими па-
пряжениями база — эмиттер), То — KII312A, Т9 —
КТ607Б; Д2 — ГД508А, Д3 ч- Д5, Д12, Д13 -
КД512А, Д6 ч- Дп - КД514А, Д14 - КС182А; В2 -
балансировочный
<+75
Ввн 33
79
Для удобства настройки а.ц.п.2 и УР же-
лательно к младшим восьми — десяти разря-
дам а.ц.п. подключить быстродействующий
ЦАП (например, К1118ПА1 или К1118ПА2) и,
наблюдая на его выходе форму восстановлен-
ного сигнала, добиваться отсутствия пропусков
и неоднозначности кодов а.ц.п. регулировкой
опорных напряжений М4 и Мъ, подстройкой
напряжения контроля гистерезиса резистором
7?3, оптимизацией переходного процесса УР
его конденсатором коррекции.
Практика показывает, что смещение нуля
микросхемы К1107ПВЗ зависит от частоты и
скважности тактовых импульсов, поэтому при
существенном изменении частоты синхросигна-
ла приходится настраивать а.ц.п. заново.
Настроенный а.ц.п. имеет дифференциаль-
ную нелинейность <10,012% при частоте син-
хросигнала до 8-4-8,5 МГц. Относительная
погрешность ЦАП <J 0,01 % при изменении
температуры в диапазоне 203 С. Время уста-
новления тока с указанной погрешностью 15 нс.
УР имеет смещение пуля и входной ток ~0,5 мВ
и 2,5 мкА соответственно и устанавливается за
80 нс с погрешностью 0,2% при емкости нагруз-
ки до 250 пФ.
Благодаря некоторому запасу, который име-
ют ЦАП и УР, число разрядов а.ц.п. можно
увеличить до 13 — 14, используя в качестве
Мл и М5 микросхемы К1107ПВ4. Применяя в
ключах ЦАП и в УР транзисторы с минималь-
ной емкостью коллекторного перехода, можно
увеличить быстродействие а.ц.п.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Гитис Э. И., Пискунов Е. А. Аналого-цифровые
преобразователи. М.: Эпергоатомиздат, 1981.
С. 241.
2. Тарабрии В. В., Якубовский С. В., Варканов Н. А.
и др. Справочник по интегральным микросхемам.
М.: Энергия, 1981. С. 308.
3. Анисимов В. И., Капитонов П. В., Прокопенко
И. И., Соколов IO. М. Операционные усилители с
непосредственной связью каскадов. Л.: Энергия,
1979. С. 33.
4. Палочников Д. Е. Операционные усилители. М.:
Эпергоатомиздат, 1983, С. 102.
Институт проблем управления АН СССР, Москва
Поступила в редакцию 10.IV.1986
УДК 681.335.2
ПТЭ № 3, 1987
ШИРОКОДПАПАЗОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЗАРЯД — КОД
КАНЦЕРОВ В. А., СТРИГИН В. Б.
Описан 8-канальный преобразователь заряд — код на основе микросхем
КР1101ПД1, выполненный в стандарте КАМАК. Преобразователь имеет разрядность
11 бит, время преобразования 112 мкс, чувствительность 0,25 пКл/канал, интегральную
нелинейность 0,1%.
Одними из наиболее распространенных элек-
тронных блоков ядерно-физического экспери-
мента являются аналого-цифровые преобразо-
ватели (а.ц.п.). Как правило, они выполняются
в стандарте какой-либо магистрально-модуль-
ной системы (КАМАК, Вектор и т. п.) на дис-
кретных элементах и, реже, на заказных гиб-
ридных микросхемах [11. Преобразователи, вы-
полненные на дискретной элементной базе,
имеют много недостатков, в числе которых мож-
но назвать невысокую надежность, сложность
в настройке и изготовлении, высокую стои-
мость. Применение в а.ц.п. специализирован-
ных гибридных интегральных схем позволяет
устранить многие их недостатки, однако стои-
мость заказных гибридных микросхем остается
достаточно высокой. Наиболее перспективны
для разработки многоканальных а.ц.п. моно-
литные интегральные схемы [2|. К этому клас-
су относится микросхема стробируемого пре-
80
образователя заряд — временной интервал ти-
па КР1101ПД1. Микросхема имеет следующие
основные параметры [3]: входное сопротивле-
ние 0,1 Ом; максимальный измеряемый заряд
300 -4- 1000 пКл; температурная зависимость
коэффициента преобразования 0,2-10“3 °C-1; дли-
тельность выходного импульса 50 4-1000 мкс;
кратковременная нестабильность длительно-
сти выходного импульса от полной шка-
лы 0,025%; интегральная нелинейность зави-
симости длительности выходного импульса от
входного заряда 0,1%; длительность строби-
рующего импульса 50 -4- 2000 нс.
Ниже описана схема 8-канального преобра-
зователя заряд — код с разрядностью 11 бит,
выполненного на основе микросхем КР110111Д1.
Модуль (рис. 1) содержит 8 идентичных ка-
налов аналогового преобразования входного
заряда во временной интервал (ПЗВ) и преоб-
разования временного интервала в цифровой
Рис. 1. Структурная схема преобразователя заряд—код. ПЗВ—преобразо-
ватели заряд — время, ПВК — преобразователи время — код, СП — стаби-
лизаторы напряжения, СУ — схема управления, СГ — стробируемый генера-
тор, ЛУС — логическое устройство считывания, ЛУОМ — логическое устрой-
ство обмена с магистралью
код (ПВК), схему управления (СУ) преобразо-
вателями, управляемый генератор импульсов
кодирования (СГ), логическое устройство счи-
тывания (ЛУС) на магистраль КАМАК циф-
ровых кодов с любого из восьми преобразова-
телей и логическое устройство обмена с ма-
гистралью (ЛУОМ), реализующее протокол
обмена КАМАК, формирование и управление
выдачей Л-запросов, а также стабилизаторы
напряжения (СИ), формирующие из стандарт-
ных напряжений крейта КАМАК все необ-
ходимые для функционирования микросхем
КР1101ПД1 напряжения питания.
Принципиальная схема преобразователя
изображена на рис. 2, основные временные ди-
аграммы его работы на рис. 3. Секция аналого-
вого преобразования входного заряда во вре-
менной интервал построена на основе микро-
схемы КР1101ПД1 в стандартном включении
131. Исследуемый токовый импульс подается на
аналоговый вход микросхемы Л/103 через ре-
зисторы В2, определяющие входное сопро-
тивление преобразователя. Внешний строби-
рующий импульс (стандартные уровни N1M)
после преобразования в уровни т.т.л. через
вентили Af18, MJ9, М106 подается па строби-
рующий вход преобразователя. Резисторы
7?6 4- Т?8 и конденсатор С-а преобразуют этот
сигнал из уровней т.т.л. в уровни, необходи-
мые для управления интегральной микросхемой
КР1101ПД1. Интегрирование входного заряда
во время строба происходит на образцовой ем-
кости а ее разряд обеспечивается внутрен-
ним генератором тока. Скорость разряда и,
следовательно, диапазон длительностей вы-
ходного временного интервала определяются
номиналом резистора Т?12.
Выходной временной интервал, пропорцио-
нальный входному заряду, через буферный
вентиль А/101 и фазирующий триггер М36 по-
ступает на вход вентиля М39, разрешая про-
хождение пачки импульсов тактового генера-
тора на вход счетчика Л/48, МБ8, M3i, М-2 с
максимальной частотой счета 50 МГц. Полу-
ченный па его выходе цифровой код через муль-
типлексоры Д/92 ~т~ 3/911 и буферные вентили
М30 4- М91 считывается по команде F(0) или
F(2) на магистраль КАМАК. Мультиплексоры
обеспечивают считывание любого из восьми
счетчиков в зависимости от состояния шин
субадреса КАМАК. Дешифратор М33 преобра-
зует двоичный код шин А2 и А4 в линейный
позиционный для включения одной из четырех
групп мультиплексоров и стробируется коман-
дой чтения F(0) или F(2) для субадресов А(0) 4-
-j-A(7). Наличие у мультиплексоров третьего
состояния позволило объединить их выходы
непосредственно, а резисторы 7?Г| 4- /?,. обес-
печивают высокий уровень на выходах венти-
лей ЛГ80 — М91 при выключенных мультиплек-
сорах.
Управление преобразователем по входу
стробирования происходит следующим обра-
зом. В исходном состоянии триггеры Л/20 и
A/2i установлены в «0». По фронту стробирую-
щего сигнала запускается одновибратор М28
с длительностью выходного импульса ~2 мкс,
реализующий задержку, необходимую, во-пер-
вых, для уменьшения величины пьедестала и,
во-вторых, для правильной работы схемы фа-
зировки. По спаду строб-импульса устанавли-
вается в «1» триггер М2о, запрещающий про-
хождение последующих стробов до полной об-
работки поступившего сигнала и общего сброса
преобразователя от э.в.м. Запрет прохождения
стробов осуществляется также магистральным
сигналом I.
По спаду импульса одновибратора М28 -
6 птэ, № з
81
Рис. 2. Принципиальная схема преобразователя заряд — код. М2, Мзъ, М33, М„ — К155ЛЛ12, М2, М3, М13 — К155ЛН1, М4 —
К556РТ5, Л/5, Ме, АГИ ч- Ми — К155ЛЛ1, Л/7, М22, М21 - К531ЛИЗП, М3, Mt, М32 — К50О11У125, Л/17, М28, Л/29 — К555АГЗ,
Л/18, Л^1в — К531ЛАЗ, Л/20, М21 — К155ТМ2, Af2S, Л/24 — К155ЛАЗ, ЛГ26, М23, M3i — К155ЛА8, Л/39 — К500ПУ124, Л/31 — К500ЛЕ211,
М33 — К155ИД4, Мзв, М37 — К531ТМ8, М39 ч- М4в — К531ЛЕ1, ;М48 ч- — К531ТВ10, Мъз ч- Мвз — К555ИЕ7, Mei ч- М2Я —
К155ИЕ5, М30 ч- ЛГИ — К155ЛП9, Л/92 ч- Л/,„3 — К531КП14, Мш, М106 — К531ЛН1, ЛГ105 — КР1101ПД1; Г1;' Г2 — КТ316Д, Г3 — КТ363;
Д., Д2 - КД514А
Рис. 3. Диаграммы функционирования преобразова-
теля заряд — код
пускается одновибратор ЛГ29 с длительностью
импульса ^—110 мкс, в течение которого рабо-
тает генератор тактовых импульсов с частотой
20 МГц, заполняющих кодируемый временной
интервал. Применение ударного запуска гене-
ратора позволяет избежать неопределенности
отсчета одного импульса в младшем разряде.
Генератор реализован на элементе М31 типа
500ЛЕ211 с малым собственным временем за-
держки, имеющем несколько мощных выходов,
один из которых работает на времязадающую
кабельную линию задержки, а со второго сни-
маются импульсы. Поскольку собственное вре-
мя задержки микросхемы на порядок меньше
времени задержки кабельной линии, нестабиль-
ность частоты колебаний генератора определя-
ется нестабильностью линии и составляет
~10'4 °C-1 [4], что вполне допустимо для
а.ц.п. с разрядностью И бит при периодиче-
ской калибровке последнего. Полная емкость
счетчика составляет 12 бит, а поскольку время
работы генератора заполнения ограничено
110 мкс, максимальное количество отсчетов
при перегрузке преобразователя составляет
2200 и соответственно сброс 12-го разряда пе-
реполнения невозможен независимо от дли-
тельности кодируемого интервала. По оконча-
нии импульса одновибратора Л729 также
устанавливается в «1» триггер Л/21 и выдается
L-запрос на магистраль через вентиль Л/34,
если триггер управления М2з, ^24 установлен
в «1» сигналом F(26).
Схема фазировки на триггере 71/зв и вентиле
М39 позволяет избавиться от наличия в выход-
ной пачке «резаных» импульсов, приводящих
к неоднородности ширины четных и нечетных
каналов а.ц.п. В исходном состоянии триггер
А7зв установлен в «0» и, поскольку к моменту
появления на его входе С импульсов заполне-
ния на его D-выходе появится уровень «0», не
будет препятствовать прохождению импульсов
заполнения на вход счетчика через вентиль М39.
После окончания кодируемого временного ин-
тервала триггер Мзв установится в «1» только по
фронту очередного тактового импульса и за-
претит прохождение последующих импульсов
заполнения на вход счетчика.
После считывания информации преобразо-
ватель очищается либо по командам NA(0)F(9),
NA(7)F(2), либо С, Z, либо по внешнему сигна-
лу Сброс с передней панели. По любому из этих
сигналов запускается одновибратор М17 с дли-
тельностью выходного импульса ~3 мкс, что
необходимо для полного разряда интегрирую-
щей емкости С\ через ключ Т3. Во время сброса
блокируется строб-импульс, сбрасываются
триггеры М2о, -^21, счетчики Л/48 4- М79 и од-
новибраторы Л/28 11 -^29-
Дешифратор КАМАК М4, реализованный
на п.п.з.у. К556РТ5, формирует отклики X, Q
и дешифрирует все необходимые в модуле ко-
манды КАМАК.
Ио командам NA(0)F(0) 4- NA(7)F(0) и
NA (0)F(2) 4- NA(7)F(2) происходит считыва-
ние цифрового кода из выбранной секции а.ц.п.
Команда NA(7)F(2), кроме того, осуществляет
общий сброс блока.
Команды NA(0)F(24) и АГА((7)Е(26'), управ-
ляя триггером Af23, AGi, запрещают и разреша-
ют выдачу L-запроса на магистраль КАМАК,
а команда NA(0)F(8) позволяет проверить со-
стояние триггера Л/21. В случае, если триггер
находится в состоянии «1», ответ па эту коман-
ду Q — 1, в противном случае Q = 0. Сброс L
осуществляется по команде NA (0)F(10) или
любой команде сброса, С и Z. Кроме того, Z вы-
зывает сброс триггера Л/23, Л724 и соответствен-
но запрещение L.
Команда NA(0)F(25) позволяет проверить
работоспособность а.ц.п., стробируя его вход
сигналом S2. И, наконец, на выходе Q7 п.п.з.у.
в ответ па любую команду, исключая С и Z,
происходит формирование отклика X.
Блок стабилизаторов напряжения форми-
рует из стандартных напряжений питания
крейта КАМАК напряжения, необходимые для
питания микросхем КР1101ПД1: +17, +6,
-6, -3 В.
Следует отметить, что в схеме а.ц.п. отсут-
ствуют переменные резисторы, представляющие
'собой источник нестабильности, а подбор эле-
ментов для достижения необходимых парамет-
ров осуществляется при настройке. Необхо-
димые параметры преобразователя достигаются
варьированием величины Т?12, а величина пьеде-
стала подстраивается подбором /?10, 7?11.
Блок выполнен в модуле КАМАК шириной
6*
83
1 М и содержит 8 независимых преобразова-
телей с общими входами стробирования и
сброса.
Основные параметры преобразователей сле-
дующие: разрядность — 11 бит + бит пере-
полнения; максимальный измеряемый заряд
1000 пКл; время преобразования 112 мкс; вход-
ное сопротивление любого входа 50 Ом; интег-
ральная нелинейность 0,1%; длительность
стробирующего импульса 50 4- 2000 мкс; чув-
ствительность 0,25 4- 0,5 пКл/канал.
Описанный а.ц.п. может применяться в
различных областях как в многоканальных си-
стемах сбора/обработкп данных для кодиро-
вания импульсных сигналов, так и при фикси-
рованном стробе для измерения постоянных или
медленно меняющихся напряжений. Фиксиро-
ванный строб (~200 нс) при пониженной точ-
ности измерения обеспечивается командой
NA(0)F(25).
И в заключение авторы считают своим при-
ятным долгом поблагодарить А. II. Сытина,
В. А. Сенько и М. М. Солдатова за содействие
работе и полезные обсуждения.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Басиладзе С. Г. Быстродействующая ядерпая элек-
троника. М.: Энергоиздат, 1982.
2. Бахтиаров Г. Д., Малинин. В. Z?., Ш калин В. 17.
Аналого-цифровые преобразователи. М.: Сов. ра-
дио, 1980.
3. Бельский В. И., Бушнин ТО. Б., Зимин С. А. и др.
Препринт ИФВЭ ОЭА № 85-60. Серпухов, 1985.
4. Мелешко Е.А., Митин А. А. Измерительные ге-
нераторы в ядерной электронике. М.: Атомиздат,
1981. С. 142.
Московский инженерно-физический институт
Поступила в редакцию 28.III.1986
УДК 621.378.325 ПТЭ № 3, 1987
ЦИФРОВОЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ
ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
ТУР А. Н.
Описан формирователь, предназначенный для совместной работы с устройствами
поджига ламп накачки и управления электронно-оптическим затвором. Диапазон
установки длительности 0 -ь 9990 мкс с шагом 10 мкс.
Получение стабильного по амплитуде и
форме импульса твердотельного оптического
квантового генератора (о.к.г.) с модуляцией
добротности предполагает наличие стабильной
временной задержки между фронтом оптиче-
ского импульса накачки и моментом увеличе-
ния добротности резонатора, что обеспечивает
возникновение генерации при постоянном уров-
не инверсной населенности рабочего перехода
активного элемента. Устройства, осуществляю-
щие формирование стабильных по длительности
интервалов времени с использованием аналого-
вых хронирующих элементов [1, 2], не обеспе-
чивают достаточной временной и температур-
ной стабильности и совместимости с цифровыми
системами стабилизации параметров излуче-
ния лазера. Повышенные требования к точности
временной привязки предъявляются в о.к.г.
с укороченным импульсом накачки.
В данной работе описан цифровой форми-
рователь временных интервалов с кварцевой
стабилизацией частоты тактового генератора,
в котором по сравнению с аналогичным устрой-
ством [3] осуществлены привязка стартового
сигнала к фазе тактового генератора и контроль
входного кода. Описываемый формирователь
предназначен для совместной работы с высоко-
стабильными устройствами поджига ламп на-
качки |4] и управления электронно-оптическим
затвором.
Схема формирователя приведена на рисун-
ке. Входной сигнал через оптрон On поступает
па вход каскада, собранного на транзисторе 1\
и реализующего нормализацию сигнала по
амплитуде и длительности. Сигнал логического 0
с коллектора транзистора Т\ поступает на ин-
формационный вход триггера М-^. По фронту
тактового сигнала происходит передача сигна-
ла логического 0 со входа на выход триггера
М-а.х, что приводит к переключению триггера
Л/5.2 и началу формирования выходного им-
пульса.
Тактовый сигнал с выхода генератора Л/рц
Му.2 поступает на синхронизирующий вход
триггера М5-i через инвертор Л/2.а 11 на вход +1
счетчика М3, осуществляющего совместно с
элементами Mt.3 и деление частоты на 12.
Сигнал логического 0 на входе С счетчика М3,
находящегося в режиме ожидания входного
сигнала, устанавливает счетчик в состояние
1110 = 10112, подготавливая его к работе. При
переключении триггера М5.2 в состояние «1»
открывается ключевой элемент и разреша-
ется счет М3. Сигнал логического 0, присутст-
84
Двоично-десятичный код
Принципиальная схема цифрового формирователя временных интервалов. Мг, М„, ЛГ4 — K155JIA3, Л/3 —
К155ИЕ7, М6 — К155ТМ2, Mt, Ms, М12 — К155ИЕ6, М7. Мп, М15 — К155ЛП5, Мв, М13 — К155ЛН1,
Л/10 — К155ЛА2, Л/1( - К155ЛА1; Тх — КТ342А, Т2 — КТ315Д; On — ЗОД101А, Д, — КС510А, Д2 -г- Дв —
Д18; конденсаторы — КМ5; подстроечный конденсатор — КПКМ
вуютций в этот момент па входе +7 счетчика
М3, переводит его в следующее состояние:
1210 = 11002, что вызывает срабатывание схемы
совпадения Мх.3, формирование импульса
сброса и выходного сигнала делителя.
Выходной сигнал делителя поступает па
вход блока реверсивных счетчиков с возмож-
ностью параллельной записи информации М№,
М8, М12, включенных по схеме вычитания.
По окончании счета сигнал переноса с выхо-
да <Z0 счетчика старшей декады М12 возвраща-
ет триггер М5-2 в исходное состояние, что при-
водит к окончанию формирования выходного
импульса.
Контроль за изменением входного кода, ав-
томатическую запись кода с цифровой системы
управления в регистры счетчиков осуществля-
ет схема, собранная на элементах М-, Мв 4-
4- Ми, М13 4- Л/15. Схемы «исключающее
ИЛИ» М-;, Мхх, М16 поразрядно контролируют
соответствие кода на выходах рабочих счетчи-
ков Мв, М8, МХ2 входному коду.
По окончании рабочего цикла или при из-
менении входного кода появляется несоответ-
ствие во входном и выходном кодах рабочих
счетчиков, что приводит к появлению сигнала
логической 1 на соответствующих выходах
микросхем Л/7, Л/115 М15. Схема ИЛИ — IIЕ
на элементах М9, Мхп, Мхз, Ми, Дь, Дй форми-
рует па входах С рабочих счетчиков сигнал
записи информации со входа в рабочие регист-
ры, присутствующий до окончания цикла запи-
си. Этот сигнал, кроме того, может быть ис-
пользован для диагностики работоспособности
блока рабочих счетчиков. Па время рабочего
цикла сигнал логического 0 с выхода триггера
М6.2 блокирует формирование сигнала записи.
На элементах Т2, М2..х собрана схема предва-
рительной установки триггера Л/5.2 при
включении напряжения питания. Ручной за-
пуск осуществляется нажатием кнопки В.
Сигналы запуска формирователя поджигаю-
щих импульсов ламп накачки и устройства уп-
равления электронно-оптическим затвором фор-
мируются ио фронту и спаду выходного им-
пульса соответствующими согласующими уст-
ройствами.
Технические характеристики формирователя
временных интервалов следующие: диапазон
установки длительности 0 4- 9990 мкс; шаг ус-
тановки длительности 10 мкс; уровни выход-
ного сигнала и установочного кода соответст-
вуют т.т.л.; тип входного кода — двоично-де-
сятичный параллельный 12-разрядный; вход-
ной сигнал напряжением 2,4 4- 10 В и дли-
тельностью пе менее 4 мкс. Питается устройство
от стабилизированного источника напряжением
5 ~ 0,25 В, потребляемый ток не более 380 мА.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Исмайлов Т.Н., Измайлов А.М., Гуревич В.М.,
Назарова Г. И. //ПТЭ. 1983. № 1. С. 79.
2. Бакалинский В. И., Бичуков В. Д., Хлопь А. Г. И
ПТЭ. 1984. № 4. С. 209.
3. Воротынский А. Е., Корниенко А. И., Мухлыгин
И. С.//ПТЭ. 1981. № (>. С. 119.'
4. Денищик К). С. //ПТЭ. 1985. № 3. С. 161.
Коммунарскпй горно-металлургический институт
Поступила в редакцию 25.XII.1985
85
r
УДК 681.335.2 ПТЭ № 3, 198 7
ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ УСТАНОВЛЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ
АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ДАНИЛОВ А. А., ПОГОСОВ А. 10., ПОЛОЛ НИКОВ Д.Е.
Рассматриваются методические и технические аспекты измерения времени уста-
новления (от 10 пс и более) выходного напряжения (тока) аналоговых и цифроаналого-
вых преобразователей с приведенной погрешностью до 100 мкВ от установившегося
значения. Приводятся принципиальные схемы основных блоков и устройств специали-
зированного измерительного комплекса для исследования переходных процессов.
Известно, какой сложной задачей является
исследование быстропротекающих переходных
процессов в электронных схемах, предназна-
ченных для прецизионной обработки аналого-
вых сигналов. Публикации на эту тему прак-
тически отсутствуют, но потребность в измере-
ниях такого рода в последние годы резко воз-
росла.
В работе [1] разработаны отдельные аспек-
ты измерения времени установления, однако
приведенные в ней схемы основаны на исполь-
зовании уникального оборудования, выпускае-
мого некоторыми американскими фирмами для
собственных нужд. Отечественной промыш-
ленностью аналогичное специализированное
оборудование не производится. Серийные изме-
рительные приборы (осциллографы, генерато-
ры импульсов, источники опорного напряжения)
пока не позволяют проводить достоверные из-
мерения времени установления с погреш-
ностью 0,5 4- 1 % от установившегося значе-
ния выходного напряжения (в диапазоне 10 В),
так как каналы вертикального отклонения ши-
рокополосных осциллографов не допускают
сколько-нибудь серьезной перегрузки по вхо-
ду, а генераторы импульсов (включая специаль-
ные приборы для поверки импульсных харак-
теристик осциллографов) имеют недопустимо
большую неравномерность вершины (основа-
ния) импульса (1 4- 10%). Кроме того, оказа-
лось необходимым разработать стабилизаторы
напряжения, обеспечивающие малые пульса-
ции при скачкообразных изменениях тока на-
грузки.
Поэтому была поставлена задача разрабо-
тать метод и необходимые технические сред-
ства для измерения времени установления ана-
логовых и цифроаналоговых преобразователей
с минимально возможной погрешностью. Раз-
работанный метод состоит в выделении разно-
сти между выходным сигналом переходного
процесса испытуемого объекта и установившим-
ся значением этого сигнала.
Измерительный стенд (рис. 1) содержит се-
рийный генератор тактовых импульсов ГИ,
формирователи эталонных прямоугольных им-
пульсов ФИ3 и ФИ2, стабилизированные источ-
ники питания ИП, источник опорного на-
пряжения ИОН, задатчик компенсирующего
напряжения (микросхема Afx и повторитель на-
пряжения ПН), дифференциальный усилитель-
ограничитель ДУ, специализированный усили-
тель с токовым входом ОУТ и ряд вспомогатель-
ных элементов. Переходный процесс (или его
часть) наблюдается в нужном временном и ам-
плитудном масштабах па экране широкополос-
ного осциллографа ЭО, например, С1-70, имею-
щего дифференциальный вход и снабженного
буферными повторителями с малой входной
емкостью для уменьшения влияния индуктив-
ности соединительных проводов. Благодаря
дифференциальному усилителю-ограничителю
чувствительность системы доведена до
100 мкВ деление и устранена перегрузка ЭО,
поскольку размах выходного сигнала ДУ пе
превышает 250 мВ.
При измерении времени установления та
выходного тока цифроаналогового преобразо-
вателя ЦАП (рис. 1) пекоторая группа его раз-
рядов периодически включается и выключается
от генератора импульсов ГИ, например, Г5-56.
Если ЦАП имеет значительную выходную ем-
кость, то для преобразования выходного тока
ЦЛП в напряжение целесообразно использо-
вать операционный усилитель ОУ с низким соб-
ственным входным сопротивлением (до 25 Ом).
Так, разработанный авторами для указанной
цели специализированный усилитель с токовым
входом ОУТ [2] обеспечивает время установле-
ния 70 пс при погрешности 6 — 0,1% и 100 нс
при б — 0,01 %. С выхода ОУТ сигнал через
делитель R3, RA (обычно R3 = Z?4) поступает
на вход ДУ, причем к другому плечу делителя
подводится стабильное компенсирующее на-
пряжение UK, примерно равпое по модулю, по
противоположное по знаку установившемуся
значению напряжения па выходе ОУТ.
Если времена установления ОУТ Хъоут и
ЦАП та цлн оказываются соизмеримыми, то
последнее можно оцепить по известной формуле
^6Ц ап ~ — Чоут — т'бду,
где Сац — наблюдаемое время установления,
86
Рис. 1. Структурная схема измерительного стенда. ФИу — формирователь парафазных импульсов;
ФИ2 — формирователь импульсов с плоским основанием; ИОН — источник опорного напряже-
ния; ЦАП — испытуемый цифроаналоговый преобразователь; UK — комиенсирующее напря-
жение; ДУ — дифференциальный измерительный усилитель-ограничитель с малым временем
восстановления; ГИ — задающий генератор импульсов; 30 — электронный осциллограф; ОУ —
испытуемый операционный усилитель; ПН — повторитель напряжения; ИП — стабилизирован-
ный источник питания; Mj — К140УД14А^ Ду Дл — КД922 (или КД514А); R3, Ну —
С2-29В, Л5, На — СП5-35А
т«ду — время установления ДУ совместно с
делителем. Отметим, что погрешность оценки
в данном случае довольно велика.
Время установления собственно ДУ со-
ставляет всего 10 4- 15 нс по уровню 200 мкВ
(при включенных диодах Д&, Дв) и 15 4- 20 нс
по уровню 100 мкВ. Последнее значение можно
считать предельной чувствительностью измери-
тельного стенда.
Для исследования переходных процессов в
аналоговых преобразователях (усилителях,
коммутаторах, устройствах выборки-хранения
и т. п.) в стенде имеются формирователи прямо-
угольных импульсов тока (напряжения) с плос-
кой вершиной и основанием. Универсальный
формирователь ФИу вырабатывает парафазные
импульсы напряжения с плавно регулируемы-
ми уровнями основания и вершины. ФИ2 пред-
назначен для формирования импульса с плос-
ким основанием («чистый» нуль) из выходного
импульса ГИ. Варьируя соотношение резис-
торов Ry и R2, можно пользоваться ФИ2 как
источником тока или напряжения.
Вариант схемы ДУ показан па рис. 2. На
входе усилителя применены эмиттерные повто-
рители Ту, Т2, за ними следует дифференциаль-
ный каскад с низкоомной нагрузкой Т3, Ту,
что исключает насыщение транзисторов. Перед
выходным каскадом (Д\, Ts) также введены
эмиттерные повторители, что способствует рас-
ширению полосы пропускания усилителя.
Стробирование предотвращает перегрузку уси-
лителя и обеспечивает быстрое восстановле-
ние коэффициента усиления; оно осуществляет-
ся подачей логического сигнала через Ду 4-
4- Д3 в эмиттерную цепь Т3, Ту. Стробирова-
ние оказалось необходимым не только для
уменьшения времени восстановления ДУ до
10 нс, но и для исключения медленных пере-
ходных процессов, обусловленных изменением
температуры переходов транзисторов 7’3,
под действием большого входного разбаланса.
При измерениях стробирующий импульс,
включающий усилитель, должен подаваться
только в момент, когда переходный процесс
близок к линейному диапазону ДУ. Требу -
87
Рис. 2. Схема дифференциального измерительного усилителя-ограничителя с малым временем
восстановления. Тх, Т., — КТ371А, Т3 ч- Тп — КТ391, Ti, Тя — КТ325; L7, ч- Д3 — КД512А,
Д4, Л - КД503Б
Рис. 3. Схема формирователя импульсов ФИХ. Мх, М2 — К140УД6; Тх ч- Т3, Т7. Тя, Тп,
Лз, ?’14 - КТ3109, Г4 ч- Тв, Т„, Т19, Т1г, Г15, Т16 - КТ371А, Т„, Тхз, Т22, Т23 - КТ313,
Лз, Т29, T2l, T2i - КТ3102А; Дх, Д2 - КС147А, ч-Дв - КД514А. Д7, Д}0 ч- Ди, Д„-
КД512А, Д8, Д2 - КС168А, Д16, Ди - КС512А
мое время задержки устанавливается экспери-
ментально по виду переходного процесса на эк-
ране ЭО.
Вариант схемы ФИХ приведен на рис. 3.
Формирователь состоит из двух двухкаскад-
ных дифференциальных усилителей, работаю-
щих в ключевом режиме. В точках 5, 4 пооче-
редно формируются положительные импульсы
тока, а в точках 1, 2 — отрицательные. Эти
импульсы ограничены диодами Дп -4- Д14,
опорное напряжение на которые задается на-
пряжениями Г7ВХ и С7В1, подаваемыми через
повторители с низким выходным сопротивле-
нием. Если точки 7, 3 и 2, 4 объединены, то в
них получаются двухполярные парафазпые
импульсы. Амплитуда положительных импуль-
сов регулируется t/BX, отрицательных — С711Х.
Если между точками 1. 3 и 2, 4 включить две
пары одинаковых последовательно соединен-
88
»+15
Рис. 4. Схема компаратора напряжения с двойным стробированием. Му —КР597СА1;
Л, ?’з, Л Лз - КТ371А, Г2, Тл - КТ3109; Ду. Д„ — КД514А, Дъ — КС168А,
Л - Д, - КД512А
пых резисторов и заземлить их средине выводы,
то формируются однополярные импульсы (в точ-
ках 3,4 — положительные, в точках 1,2 —
отрицательные). Длительность и частота вы-
ходных импульсов ФИ определяется задаю-
щим генератором, сигнал которого подается па
вход «Упр». Максимальный выходной ток ФИ
равен 10 мА, размах импульсов 10 В. Длитель-
ность фронта и среза импульсов ~10 нс. Не-
большая неравномерность вершппы или осно-
вания импульса (~1 мВ) обусловлена тепловы-
ми процессами в ограничительных диодах и
транзисторах дифференциального каскада (мо-
дуляция тока базы при изменении мгновенной
мощности на коллекторном переходе).
В качестве задатчика компенсирующего на-
пряжения UK используется интегральный о.у.
типа К140УД14А (рис. 1). Потенциометрами
/?5, R6 (грубо — точно) можно устанавливать
UK с точностью до 100 мкВ. Долговременная
стабильность напряжения Uti обеспечивается
источником опорного напряжения ИОН на
основе стабилитрона Д818Е. Повторитель на-
пряжения ИН имеет малое выходное сопротив-
ление (<0.05 Ом) в полосе частот до 10 МГц,
вследствие чего при скачке тока нагрузки 10 мА
уже через 20 нс переходный процесс на выходе
повторителя затухает до 100 мкВ. ПН выполнен
по схеме, аналогичной повторителям в ФИ1
(рис. 3), с той разницей, что вместо гасящего
стабилитрона Д15 (Д1С) введен эмиттерный по-
вторитель для слежения напряжения на эмитте-
ре Ту; (Ту,) за выходным напряжением ПН.
Низкая эквивалентная индуктивность ПН обес-
печивается глубокой широкополосной местной
отрицательной обратной связью, охватывающей
«тройку» транзисторов Т„, Т19, / 21, (^18, 20»
7’22). Номинал конденсатора, шунтирующего
выход ПН, выбирается таким, чтобы обеспе-
чить минимальную добротность выходной цепи
ПН.
В тех случаях, когда требуется не наблю-
89

дение вида переходного процесса, а лишь оп-
ределение превышения временем установления
заданного значения, к выходу ДУ целесооб-
разно подключить стробируемый компаратор.
Стробирование входного каскада предвари-
тельного усилителя исключает его перегрузку
и нейтрализует тепловые переходные процес-
сы, а стробирование выходного интегрального
компаратора обеспечивает запоминание. Таким
образом построен компаратор с двойным строби-
рованием (рис. 4), обеспечивающий время за-
держки ~40 нс при перегрузке 0,7 В и перевоз-
буждении 100 мкВ.
Для определения момента пересечения вы-
ходным напряжением установленных порогов
зоны погрешности необходимо использовать
два компаратора. У одного из них включается
инвертирующий вход, а нулевой уровень ком-
паратора смещается таким образом, чтобы обес-
печить на выходе уровень логической единицы,
когда напряжение меньше верхнего значения
погрешности; у второго компаратора включает-
ся неинвертирующий вход и нулевой уровень
смещается на нижнюю границу погрешности.
Тогда, если на выходах обоих компараторов
имеется логическая единица, это гарантирует,
что выходное напряжение ДУ находится в зоне
допустимой погрешпостп. Однако, чтобы удос-
товериться в этом для />та, необходимо вво-
дить специальный блок задержки, который
«подтверждает», что в течение выбранного ин-
тервала времени от та до £тах значение; выход-
ного напряжения не вышло из зоны погрешно-
сти.
Описанные выше блоки смонтированы на ме-
таллическом основании, которое присоединяет-
ся медной шиной к шасси осциллографа (буфер-
ные повторители напряжения укрепляются не-
посредственно на входных разъемах ЭО). Ре-
гулируемые источники питания (ИП па рис. 1)
для испытуемых модулей и микросхем выполне-
ны по схемам, аналогичным ПИ. Наиболее от-
ветственные блоки измерительного комплекса
выполнены объемным монтажом либо на фто-
ропластовых втулках, запрессованных в стекло-
текстолит.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Schoenwetter И. К. И IEEE Trans. 1983. V. IM-32.
№ 1. Р. 22.
2. Подойников Д. Е., Бабаян Р. Р., Данилов Л. А. И
Микроэлектроника и полупроводниковые приборы.
М.: Радио и связь, 1983. Пып. 7. С. 68,
Институт проблем управления, Москва
Поступила в редакцию 19.III.1986
УДК 621.374.44 ПТЭ № 3, 1987
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
ПОТАЛУЙ В.П., СЕМАНОВ Б. А.
Описан программируемый десятичный делитель частоты с параллельным переносом
на интегральных микросхемах 133ИЕ6 с верхней граничной частотой входных сигналов
20 МГц.
В современной цифровой технике широко
используются программируемые счетчики и де-
лители частоты на интегральных микросхемах
средней степени интеграции с максимальным
коэффициентом деления 10. При необходимости
получения большего коэффициента деления
счетчики включаются последовательно, однако
это приводит к уменьшению максимальной час-
тоты входного сигнала пропорционально чис-
лу счетчиков [1, 2]. Установка традиционных
схем ускоренного переноса приводит к су-
щественному усложнению схемы счетчика.
На рисунке приведена принципиальная схе-
ма простого десятичного программируемого де-
лителя, обладающего быстродействием, прибли-
жающимся к быстродействию отдельного счет-
чика. Делитель содержит последовательно
«0
включенные счетчики М3 Мь, дешифратор М1
и коммутатор М2, Не-
устройство работает следующим образом.
С помощью дешифратора М7 расшифровывает-
ся состояние «9» на выходах счетчиков М3 4-
4- М5. В каждом цикле работы счетчики уста-
навливаются в состояние «9» последовательно,
начиная с последнего. После установки всех
счетчиков в это состояние шина входного сиг-
нала сигналом дешифратора М7 и коммутато-
ров Мг, Мв отключается от счетного входа и
подключается к общей цепи начальной установ-
ки. Отрицательный полупериод последнего
сигнала, вызвавшего переключение коммута-
тора, через открытый ключ Л/2-г поступает па
входы С начальной установки счетчиков, и осу-
ществляется перезапись входной информации.
Принципиальная схема программируемого делителя частоты. Л/j, jlf, — 530JIA3, М3 М. —
133ИЕ6, 3fe — 530ТВ9, Л/. - 530ЛА2
Этот же сигнал устанавливает в «О» триггер Ме
коммутатора и вновь подключает шину входно-
го сигнала к счетному входу счетчика. Таким
образом, исключается задержка, вызываемая
в последовательном делителе распространением
сигнала переполнения, и быстродействие де-
лителя приближается к быстродействию одного
счетчика.
Основные технические характеристики де-
лителя: коэффициент деления 1 4- 1000; мак-
симальная частота входного сигнала 20 МГц.
Описанный принцип управления может быть
использован при ограниченном частотном диа-
пазоне входных сигналов для повышения быст-
родействия счетчиков с последовательным пе-
реносом. Для этого на информационные входы
необходимо записывать число на единицу мень-
ше требуемого, а начальную установку прово-
дить во время действия сигнала, дополняющего
записанное число до требуемого значения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Манассевич В. Синтезаторы частот. М.: Связь, 1979.
2. Губернаторов О. II., Соколов Ю. II. Цифровые син-
тезаторы частот радиотехнических систем. М.:
Энергия, 1973.
Поступила в редакцию 10.1.1986
УДК 621.374.4 ПТЭ № 3, 1987
УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЙ КРАТНОСТИ
МИСЕВРА В. И., АЛБЕГОВА И.Х., АЛЕКСАНДРОВА О. А., ЖИЛИН 10. В., КОВАЛЕНКО Л. Г.
Описан двухполуиериодный умножитель частоты высокой кратности, позволяю-
щий получать на выходе как четные, так и нечетные гармоники. При выходной мощ-
ности 1 мВт на 14-й гармонике (280 МГц) потребляемая мощность составляет 30 мВт.
В большинстве искажающих умножителей
частоты для получения высокой кратности ум-
ножения используются схемы на диодах с на-
коплением заряда (д.н.з.), поскольку они позво-
ляют получить крутые перепады напряжения и
возбудить колебания требуемой гармоники в
выходном резонансном контуре. При этом уст-
ройства с одним искажающим диодом, работаю-
щие в однополупериодном режиме, требуют
применения фильтров на высокодобротных эле-
ментах.
В описываемом умножителе частоты (рис. 1)
для выделения гармоники входного сигнала ис-
пользовалось двухполупериодное формирова-
ние импульсов на д.н.з. За основу схемы взят
формирователь импульсов наносекуидной дли-
тельности [1]. Входной сигнал поступает па ба-
зу транзистора TL, усиливается и выделяется в
коллекторной цепи па трансформаторе с резо-
нансной первичной обмоткой Lx. Вторичная об-
мотка трансформатора подключена к диодам
с накоплением заряда Дх и Д2, па которых фор-
91
Рис. 1. Принципиальная схема умножителя частоты. 7\ — 2Т377А-1,
Т2, Т3 - 2Т396А-2; Д2 — КА606А
мируются короткие импульсы по обоим полу-
периодам умножаемой частоты.
Для работы двухполупериодного формиро-
вателя импульсов на общую резонансную на-
грузку в схеме введены вентильные усилители,
выполненные па транзисторах 7’2 и 7'3 с общей
коллекторной нагрузкой, на которой выде-
ляется последовательность однополярных им-
пульсов (рис. 2, а). Осциллограммы формируе-
мых импульсов снимались с резистивной па-
грузки 51 Ом, включенной вместо резонансно-
го контура выходного фильтра.
Величина тока смещения через д.н.з. опре-
деляет момент восстановления обратного со-
противления относительно начала полуперио-
да. Таким образом, изменяя ток прямого сме-
щения через д.н.з., можно сдвигать импульс в
пределах некоторого временного интервала
<772. Это обстоятельство позволяет применить
двухполупериодную схему для выделения
четных или нечетных гармоник входного сиг-
нала.
Рис. 2. Четное умножение частоты: а — осциллограм-
мы сигнала и последовательности равноотстоящих им-
пульсов при Лн = 51 Ом; б — осциллограмма колеба-
ний 14-й гармоники в выходном контуре
Рис. 3. Нечетное умножение частоты: а — осцилло-
граммы сигнала и последовательности импульсов с раз-
личными временными интервалами при Пи = 51 Ом;
б — осциллограмма колебаний 13-й гармоники в вы-
ходном контуре
92
Для выделения нечетных гармоник умно-
жаемого сигнала симметрия последовательности
импульсов должна быть нарушена. Это дости-
гается изменением тока прямого смещения од-
ного из д.н.з. В результате этого на выходе вен-
тильных усилителей формируется последова-
тельность импульсов с различными временны-
ми интервалами между отдельными парами
(рис. 3, а). При этом необходимым условием яв-
ляется кратность разницы временных интер-
валов между смежными парами импульсов пе-
риоду соответствующей нечетной гармоники.
На осциллограмме рис. 3, а временные интер-
валы между смежными парами импульсов рав-
ны соответственно 7-му и 6-му периодам 13-й
гармоники.
Осциллограммы колебаний 14-й гармоники
(рис. 2, б) и 13-й гармоники (рис. 3, <5) были
сняты при замене резистивной нагрузки кон-
туром невысокой добротности ((? = 9 -ч- И).
Умножитель был смонтирован на поликоро-
вой плате размером 24 X 46 мм2. Понижающий
трансформатор наматывался проводом ф 0,3 мм
на ферритовом кольце ВЧ-30 с числом витков
16 : 4. В качестве выходного фильтра исполь-
зована двухконтурная система из плоских спи-
ральных резонаторов Л3 и Д, с электромагнит-
ной связью, перестраиваемых конденсаторами
переменной емкости.
Резонаторы намотаны проводом ф 0,3 мм на
пластины поликора размером 20 X 4 X 1 мм3
по 14 витков с отводами от 2-го витка, считая
от заземленных концов резонаторов. Ненагру-
женная добротность резонаторов, измеренная
в корпусе умножителя, равна 140. Резонаторы
приклеены через прокладки к плате на расстоя-
нии 1 мм от ее поверхности. При полосе фильт-
ра 10 МГц подавление ближайших гармоник
входной частоты в спектре выходного сигнала
пе хуже —25 дБ.
Описанный умножитель входит в состав
транзисторно-варакторной линейки умноже-
ния частоты. При выходной мощности 1 мВт
на 14-й гармонике (280 МГц) потребляемая
мощность составила 30 мВт.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фендриков А. И. // ПТЭ. 1982. № 2. С. 106.
Харьковский госуниверситет
Поступила в редакцию 6. Ш.1986
УДК 539.1.075
ПТЭ № 3, 1987
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ
ФОРМЫ
КАНЦЕРОВ В. А., ПЕРШИН А. С., РОДИОНОВ В. В., ЧЕРНЯТИН В. К.
Описан программируемый от э.в.м. генератор сигналов, представляющий
собой 8-разрядный ц.а.п. с внешним запуском и встроенной памятью объемом
256 X 8 о.з.у. и 256 х 8 п.п.з.у. Частота i тактовых импульсов 50 МГц, частота
внешних запусков Старт до 8 МГц, задержка Старт—Выход <20 нс, время сброса
< 100 нс, выходной сигнал 0 ч-1,2 В. Генератор выполнен в стандарте КАМАК.
В экспериментальной физике часто возни-
кает потребность в сигналах специальной фор-
мы. Например, при отладке и калибровке реги-
стрирующей электронной аппаратуры необ-
ходимо использовать сигналы, максимально
приближенные по форме к импульсам от детек-
торов. Однако большинство стандартных гене-
раторов вырабатывают лишь простейшие сиг-
налы — синусоидальные, прямоугольные, тре-
угольные. Нами изготовлен программируемый
от э.в.м. генератор сигналов произвольной фор-
мы и амплитуды.
Генератор представляет собой быстродейст-
вующий 8-разрядный цифроаналоговый пре-
образователь с внешним запуском и встроенной
памятью объемом 256 X 8 о.з.у. и 256 X
X 8 п.п.з.у., позволяющий получать на выходе
сигналы практически любой формы в широком
диапазоне частот. Тип запоминающего устрой-
ства выбирается переключателем на передней
панели модуля, выполненного в стандарте
КАМАК [1]. Информация в о.з.у. заносится по
магистрали КАМАК.
Структурная схема блока приведена на
рис. 1. Сигнал Старт запускает ждущий ге-
нератор на линии задержки. Генератор нара-
щивает счетчик адреса СчА , стробирует кон-
вейерный регистр адреса РгА и буферный ре-
гистр данных Вых Рг. Происходит сканирова-
ние памяти с частотой —-50 МГц. Для повыше-
ния быстродействия использовав трехуровне-
вый конвейер (счетчик адреса СчА — регистр
93
ПУ — преобразователь уровней
Рис. 1. Блок-схема генератора.
адреса РгА — память — выходной регистр
данных Вых Рг), что позволило работать на
столь высокой частоте.
Циклический опрос памяти (0, 1, . . .,
255, 0, 1, . . .) продолжается до прихода им-
пульса Сброс или сигнала охранного одновиб-
ратора. Сброс в начальное состояние несколько
усложнен из-за наличия трехуровневого кон-
вейера и необходимости обеспечить минималь-
ную задержку от импульса Старт до появле-
ния сигнала па выходе блока. Сброс требует
четырех тактов задающего генератора. В ре-
зультате устанавливается следующая комбина-
ция адресов и данных: в регистре адреса — 1,
в регистре данных — 3778, в счетчике адре-
са — 2.
Протокол обмена информацией с магист-
ралью КАМАК реализован на п.п.з.у. 556РТ4.
Считывание и запись о.з.у. происходят в авто-
инкрементном режиме. Данные принимаются
по стробу S1, а адрес наращивается по стробу
S2. Можно считать и записать только весь мас-
сив сразу. Обращение к отдельному слову
по заданному адресу не предусмотрено. Перед
каждым циклом считывания или записи масси-
ва необходимо обнулять счетчик адреса коман-
дой Сброс. В модуле предусмотрено управление
триггерами Старт и Сброс от э.в.м., что поз-
воляет проводить различные калибровки в ав-
томатическом режиме.
На рис. 2 приведена принципиальная схема
программируемого генератора сигналов произ-
вольной формы.
Модуль выполняет следующие команды
КАМАК: N A(0)F(0) — чтение одного слова па-
мяти с автоматическим увеличением адреса
па 1; NA(0)F(16) — запись одного слова в па-
мять с автоматическим увеличением адреса
на 1; N A(0)F(25) — запуск блока (анало-
гично Старт)\ NA(0)F(9)— сброс (аналогично
Сброс).
Блок выполнен в стандарте КАМАК и за-
нимает в корзине одно место. Питание: +5 В,
-0,5 А; -5 В, -2,0 А; -24 В, —0,05 А.
Параметры модуля: тактовая частота до 50 МГц;
объем о.з.у. 256 байт; объем п.п.з.у. 256 байт;
длительность входных сигналов > 5 нс; диапа-
зон выходных напряжений 0 н---1,2 В; выход-
ной ток до 50 мА; частота импульсов Старт
8 МГц; задержка Старт — Выход < 20 нс;
время сброса -<100 нс.
Генератор был использован для формиро-
вания сигнала переменного порога в иденти-
фикаторе электронов на основе переходного из-
лучения частиц высоких энергий [2]. Рентге-
новское переходное излучение возникает при
прохождении частиц с большим лоренц-фак-
тором через радиатор — набор тонких пленок,
разделенных воздушными промежутками.
В качестве детектора излучения использова-
лась пропорциональная камера с дополнитель-
ным дрейфовым промежутком, в котором в ос-
новном и поглощалось это излучение. Для ре-
гистрации сигналов использовался метод счета
кластеров [3].
Суть метода заключается в следующем.
Ионизация, возникающая при поглощении
квантов переходного излучения (энергия
3 -г- 30 кэВ), локализована по сравнению
с равномерно распределенными по треку иони-
зационными потерями заряженных частиц. Та-
кими образом, если прохождение частицы сопро-
вождается переходным излучением, то токо-
вый сигнал детектора имеет всплески — класте-
ры, значительно превышающие уровень сиг-
нала от ионизации (рис. 3, а).
94
1
6
в
1
г
2
4
входной
КАМАК
dijqjep
выходной.
КАМАК
Oytpep
АО
А1
А2
АЗ
АЧ
А5
А 6
А7
ОГО
ОН
012
013
bWF
ZWH,
001
пог
поз

R
kV
1
2
3
4
5
В
7
В
Z.
ч_
5
z
5
no
Hl
nz
D3
7
В
1
В
P.7
A >-
CP
M3
@ Выход
Q Выход
0,01
t>+lf}

AO
Al
AZ
A3
АЧ
A5
A6
A7

5
6_
7
RG
16
15
10
13
1Z
11
10
9
_5>
и, С
Рис. 2. Принципиальная схема генератора. Мг, Мг, -ь ЛГ8 — интегральные схемы
серии 155, М3 — 556РТ4, Л/9 — К118ПЛ1, остальные — серии К500;Т1? Т2 — КТ316;
диод — КД503
95
Рис. 3. Сигнал дрейфовой камеры детектора переход-
ного излучения с постоянным (а) и переменным (б)
порогами
Рис. 4. Распределение времен прихода сигналов от
кластеров при постоянном (а) и переменном (б) порогах
Установив порог на определенном уровне,
можно регистрировать только сигналы локаль-
ного энерговыделения. К сожалению, ампли-
туда сигнала от кластеров, а следовательно,
и порог зависят от места их образования из-за
диффузии электронов во время дрейфа. На
рис. 3, а показаны два кластера с одинаковым
зарядом, по из-за диффузии кластер с большим
временем дрейфа имеет большую ширину и, сле-
довательно, меньшую амплитуду. Чтобы ском-
пенсировать такую зависимость от времени
дрейфа, сразу же после прохождения частицы
на вход усилителя подавался импульс (пере-
менный порог) длительностью, равной времени
дрейфа, который своей формой компенсировал
уменьшение амплитуды кластеров (рис. 3, б).
На рис. 4 показаны распределения времен
прихода кластеров с использованием постоян-
ного (а) и переменного (б) порогов при облуче-
нии детектора л-мезонным пучком с импульсом
5 ГэВ/c. Переходное излучение от л-мезонов
такой энергии не возникает, и кластеры на тре-
ке в данном случае возникают только от энер-
гичных электронов, которые распределены
вдоль трека равномерно. Как видно на рис. 4, а,
при постоянном пороге временной спектр клас-
теров оказывается сильно искаженным. Пере-
менный же порог (рис. 4, б) практически пол-
ностью компенсирует зависимость амплитуды
кластера от места его образования на треке
частицы.
В конечном итоге использование перемен-
ного порога позволило улучшить режекционную
способность идентификатора электронов в
~ 5 раз без каких-либо изменений других
характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Система КАМАК. ГОСТ 26201-80. М.: Изд-во стан-
дартов, 1980.
2. Гарибян Г. М., Ян Ши. Рентгеновское переходное
излучение. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1983.
3. Виллис Б., Васильев П. С., Гавриленко И. Л. и др.
Труды ФИЛИ. М.: Наука, 1982. С. 173.
Московский инженерно-физический институт
Поступила в редакцию 3.IV. 1986
96
УДК 621.373 ПТЭ № 3, 1987
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
С ГИН-500-0,02/5 ДЛЯ ПИТАНИЯ СТРИМЕРНОЙ КАМЕРЫ
ЛКСПНЕНКО В.Д., ГЛАГОЛЕВА Н.С., ДЕМЕНТЬЕВ Е. А., КАМИНСКИЙ Н.И., МАТЮШИН А. Т..
МАТЮШИН В. Т., НУРГОЖИН Н. Н.*, РЯХОВСКПЙ В. Н., ХУСАИНОВ Е. К. *, ШЕВЧЕНКО Э. А.
Описан высоковольтный генератор наносекундных импульсов для питания двух-
метровой стримерной камеры и трековых искровых камер, содержащий импульсный
генератор заряда двойной формирующей линии па основе промышленного ГИН-500-
0,02/5. В качестве изоляции основных промежутков генератора заряда использовалось
трансформаторное масло, при этом па согласованной нагрузке линии (38 Ом) получен
импульс с амплитудой до 500 кВ и длительностью 12,0 нс. Применение азота вместо
трансформаторного масла позволило получить на нагрузке импульс с амплитудой до
300 кВ. В первом случае ресурс работы генератора составил 105 срабатываний, во
втором — 5-104.
Генератор [1,2] двухметровой стримерной
камеры |3] ОИЯИ обеспечивает на нагруз-
ке 38 Ом амплитуду выходных импульсов
~ 500 кВ с длительностью 12 нс при неста-
бильности амплитуды 1 -г- 1,5%. Импульсный
заряд двойной формирующей линии (д.ф.л.)
осуществлялся с помощью 10-ступепчатого ге-
нератора Аркадьева — Маркса с конденсато-
рами, извлеченными из промышленного гене-
ратора Г ПН-500-0,02/5. Опыт использования
[4] генератора показал, что эти конденсаторы
при зарядном напряжении ~45 кВ, находясь
в защитном соленоиде [2], даже в трансформа-
торном масле обеспечивали более 105 срабаты-
ваний генератора, однако технологический про-
цесс их замены в случае выхода из строя весь-
ма трудоемок.
Для упрощения этого процесса и с учетом
фактического ресурса работы конденсаторов
разработан генератор (рисунок) с использова-
нием одной заводской конденсаторной батареи
с зарядными резисторами ГИН-500-0,02/5,
находящимися в конденсаторном масле. Напря-
жение поступает на высоковольтный разъем 1
и далее на конденсаторную батарею 2, находя-
щуюся внутри защитного соленоида 4 диамет-
ром 530 мм (медная трубка ф 8 мм, шаг намотки
16 мм. индуктивность ~ 530 мкГн) вместе с мо-
дульным разрядником 3, которые, в свою оче-
редь. размещены в цилиндрическом кожухе 5
(диаметр 750 мм, высота 1400 мм) из нержавею-
щей стали. Модульный разрядник выполнен
аналогично описанному в [5], но имеет 5 пар
электродов (зазоры 8 мм). Импульс высокого
напряжения через зарядную индуктивность 6‘,
которая, в отличие от соленоида в [1, 21, более
компактна и представляет собой спираль полу-
сферической формы (медная трубка ф 20 мм,
10 витков, индуктивность 22,5 мкГн), и цент-
ральный электрод разрядника 7 поступает на
* Институт физики высокой энергии АН КазССР,
Алма-Ата.
7 птэ, м з
средний электрод двойной формирующей ли-
нии .9. Конструкция разрядника 7 и д.ф.л.
описаны в [1], межэлектродный зазор разряд-
ника 13 мм, наполнение — элегаз. Весь внут-
ренний объем д.ф.л. и кожуха 5 заполнены
трансформаторным маслом, температурная ком-
пенсация осуществляется с помощью расшири-
тельного бачка 8. Нагрузкой генератора при
наладочных работах служит электрический эк-
вивалент 77 стримерной камеры (резисторы
ТВО-60, 10 шт.), размещенный в корпусе 10,
заполненном элегазом. Для контроля ампли-
тудно-временных характеристик сигналы от
активных и емкостных делителей 12 -4-14,
смонтированных в этом корпусе, поступают на
контрольно-измерительную аппаратуру, опи-
санную в работе [6]. Давление в разрядниках
регулируется и контролируется с пульта 15.
Вся конструкция вместе с баком для масла 16
и вакуумным насосом 77 смонтирована на тележ-
ке 18, колеса 79 которой могут двигаться по на-
правляющим рельсам и, имея возможность вер-
тикальной и горизонтальной регулировки, обес-
печивать быструю стыковку с камерой.
Параметры выходных импульсов, соответ-
ствующие рабочему режиму камеры — ампли-
туда 500 кВ, нестабильность амплитуды
~1%, длительность ~12 нс, время задержки
~ 500 нс — обеспечивались на эквиваленте
нагрузки камеры (38 Ом) при зарядном на-
пряжении 84 кВ. Стабильность выходной
амплитуды повышена за счет кольцевых
выступов (высотой 0,5 мм) на отрицательном
электроде разрядника, а также с помощью экс-
периментального подбора искрового зазора и
давления элегаза (SF6) при срабатывании вбли-
зи максимума зарядного импульса на д.ф.л.
Давление в модульном разряднике 0,52 МПа.
д.ф.л. — ~0,7 МПа. В таком режиме генера-
тор с ГИН-500-0,02/5 выдержал 98-103 сраба-
тываний до пробоя одного из конденсаторов.
После замены ГИН-500 генератор выдержал
еще 8-101 срабатываний и затем был подключен
к двухметровой стримерной камере, обеспечив
97
1м
получение -~3-104 снимков ядро-ядерных
взаимодействий в пучках релятивистских ядер
па синхрофазотроне.
Разработка генератора велась для обеспе-
чения питания двухметровой стримерной ка-
меры ОИЯИ и трековых камер [7] ИФВЭ (Алма-
Ата), имеющих меньший межэлектродный зазор
(20 см). Поэтому конструкция генератора была
рассчитана [8] на использование газовой изо-
ляции в кожухе 5, как более простой и удобной
в эксплуатации, в первую очередь, для питания
трековых камер. Испытания проводились с на-
полнением кожуха азотом под давлением
0.6 МПа. Разрядники ГИН состояли из пяти
пар двухэлектродных искровых промежутков.
Электроды были выполнены в виде шаров
ф 50 мм и закреплены на двух параллельных
штангах из оргстекла, расположенных рядом
с конденсаторной батареей, причем искровой
зазор между шарами мог регулироваться в пре-
делах 0 -г- 15 мм вращением одной из штанг.
При зарядном напряжении конденсаторов
ГИН, равном 55 кВ, и давлении в разряднике
д.ф.л. 0,7 МПа (зазор 10,5 мм) выходной им-
пульс имел амплитуду —300 кВ. В таком режи-
ме было сделано 5-104 запусков. Генератор ра-
ботал устойчиво, основные изоляционные про-
межутки в кожухе были достаточно надежны,
после чего зарядное напряжение было увеличе-
но до 84 кВ (давление в разряднике д.ф.л.
1,7 МПа). Пробой входного изолятора д.ф.л.
произошел через 8-103 запусков. Амплитуда
импульса заряда на вводе д.ф.л. при этом до-
стигала — 700 кВ. £ 2 *
В заключение авторы считают своим прият-
ным долгом выразить благодарность С. А. Ще-
леву, И. Ф. Фурсову, Б. К. Курятникову за
содействие при изготовлении генератора,
Н. Н. Графову и В. П. Садилову за участие в его
монтаже и настройке.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Глаголева Н. С., Володин В. Д., Лукстиньш Ю,
и др. // ПТЭ. 1975. № 5. С. 99.
2. Володин В. Д., Глаголева Н. С.. Каминский Н. И.
и др. //ПТЭ. 1975. № 5. С. 121.
3. А бдурахимов А. У., Аникина М. X., Балдин А. М.
и др. //ПТЭ. 1978. № 5. С. 53.
4. Аксиненко В. Д., Володин В. Д., Глаголева Н. С.
и др. Сообщение ОИЯИ 13-83-453. Дубна, 1983.
5. Аксиненко В. Д.. Володин В. Д., Дементьев Е. А.
и др. И ПТЭ. 1984. № 2, С. 102.
6. Володин В. Д.. Глаголева II. С.. Кузнецов А. А. и др.
Сообщение ОИЯИ Р13-7811. Дубна, 1974.
7. Нургожин II. II., Ахмедов Б. II., Даулетбакое А. А.
и др. II ПТЭ. 1979. № 5. С. 63.
8. Аксиненко В. Д., Володин В. Д., Глаголева II. С.
и др. Дубна, 1977,— Деи. в ОИЯИ, Б1-13-10674.
Объединенный институт ядерных исследований
Дубна
Поступила в редакцию 26.III.1986
98
УДК 621.373.431
ПТЭ № 3, 1987
ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
ДЛЯ ЗАПУСКА ОБОСТРЯЮЩИХ МЕГАВОЛЬТПЫХ РАЗРЯДНИКОВ
ГРОМОВА Л. А., ЕВЛАМПИЕВ С. Б., КОРШУНОВ Г. С., ПИЧУГИНА М. Т.,
СВИРИДОВ Ю. Ф.
Описан геператор высоковольтных паносекундных импульсов, предназначенным
для синхронного запуска нескольких обостряющих мегавольтных разрядников. Он
генерирует импульсы амплитудой 300 -ь 200 кВ с фронтом 7 20 пс при изменении
общего импеданса линий передающей системы от 50 до 9 Ом. Система запуска генерато-
ра обеспечивает стабильность времени его срабатывания +10 ис ирн индуктивности
цепи развязки до нескольких десятков микрогенри.
Создание обостряющих устройств мегавольт-
ного диапазона на тригатронных разрядниках,
работающих с паносекундной стабильностью,
усложняется трудностью подачи на них пуско-
вых импульсов с длительностью фронта ^10 нс
через элементы электрической развязки основ-
ных электродов разрядника от потенциала
земли [1]. Поэтому целесообразно генератор
высоковольтных поджигающих импульсов
(г.в.п.и.) располагать непосредственно под вы-
соким потенциалом, а запускать его импульса-
ми, передаваемыми через развязывающие эле-
менты схемы [2].
Ниже описан г.в.п.и., предназначенный
для управления несколькими параллельно
работающими мегавольтпыми обостряющими
разрядниками Ро (рис. 1), коммутирующими
малоиндуктивпые накопители энергии на об-
щую нагрузку с волновым сопротивлением ZH.
Геператор состоит из малоиндуктивпого емкост-
ного накопителя С15 С2 с управляемым газо-
наполненным коммутатором Р2; передающей
системы Лп, содержащей несколько параллель-
но соединенных кабельных линий; схемы за-
пуска коммутатора, основными элементами ко-
торой являются развязывающий резистор Лр,
управляемый газонаполненный разрядник Ра
и генератор пусковых импульсов ГПИ.
Эскиз накопителя с коммутатором при-
веден на рис. 2. Накопитель содержит 6 па-
раллельно включенных колонок из шести
последовательно соединенных конденсаторов 15
Рис. 1. Принципиальная схема генератора
(К15-10, 40 кВ, 0,01 мкФ), размещенных равно-
мерно по окружности между фланцами 3 и 6.
По оси накопителя установлен коммутатор Р2,
работающий по принципу искажения электри-
ческого поля, он наполнен азотом или смесью
элегаза с азотом. Электрод 7 коммутатора сое-
динен с передающей линией 9 и резистором 2
(7?2), а электрод 4 через резисторы 1 ТВО-
5-100 кОм) соединен со средней точкой каждой
ветви последовательно соединенных конденса-
торов. Длина искровых зазоров коммутатора
оставалась постоянной и равнялась 10 мм.
Диаметр отверстия в поджигающем электроде
выбран оптимальным [3] и составлял 15 мм.
Корпус коммутатора выполнен из органиче-
ского стекла. В качестве стягивающих элемен-
тов 10 использован кабельный сердечник из
сверхвысокомодульного волокна. Заряд нако-
пителя осуществлялся от источника постоян-
ного напряжения через разделительное сопро-
тивление = 1 МОм и ввод 14. Для выравни-
вания электрического поля применены экра-
ны 8. Металлический корпус 13 накопителя
с коммутатором заполнен трансформаторным
маслом. Схема запуска коммутатора Р2 распо-
ложена вне корпуса накопителя и соединена
с его средним электродом 4 с помощью токопро-
вода 11 и ввода 12. Тригатронный разрядник
Ра схемы запуска размещен в дюралюминие-
вом корпусе ф 180 мм и заполнен сжатым азотом.
Зазор между его основными электродами 4 мм,
поджигающий зазор — 0,5 мм. Разрядник на-
страивался на уровень напряжения (0,85J-+
-г- 0,9) U3/2 с помощью изменения в нем давле-
ния газа.
При срабатывании генератора импульсных
напряжений Сг (рис. 1) заряжается обостряю-
щая емкость Со. Сигнал, поступающий с дели-
теля напряжения Д, запускает с требуемой
задержкой ГПИ, выполненный па тиратроне
ТПП-1000/25, и по кабелю Лу па управление
Ра поступает импульс напряжения амплитудой
25 кВ с фронтом 40 нс. После срабатывания Ра
изменяется потенциал электрода 4 и пробивают-
ся промежутки между высоковольтным элек-
7*
99
Рис. 2. Устройство накопителя с коммутатором. 1,2— резисторы Л1 и Р2 (TBO-5-lOO
кОм), 3, 6—фланцы, 4, 5— поджигающих и высоковольтный электроды,/ — элект-
род коммутатора, 8 — экран, 9 — передающая линия, 10 — стягивающий элемент,
11 — токопровод, 12, 14 — вводы, 13 —корпус накопителя, 15 — шесть последовательно
соединенных конденсаторов К15-10, 40 кВ, 0,01 мкФ
тродом 5 и поджигающим 4, а затем между элект-
родами 4 и 7. Емкости накопителя Сх и С2 раз-
ряжаются на сопротивление И2 и но липин Лц
на пусковой электрод обостряющего разрядни-
ка Р0 поступает импульс напряжения с кру-
тым фронтом. Для нормальной работы схемы
необходимо выполнение следующих условий:
7?! 7?р Z„ и И2 Za, где Za — волно-
вое сопротивление передающей системы Ла.
При срабатывании обостряющего разряд-
ника Ро на фронте воздействующего импульса
разброс амплитуды выходного напряжения на
нагрузке Z„ будет зависеть от стабильности
срабатывания г.в.п.и. Время запаздывания
срабатывания г.в.п.и. i3n его разброс о3 в зна-
чительной степени определяются индуктивно-
стью цепи развязки, достигающей нескольких
десятков микрогенри, из-за влияния ее на пара-
метры пускового импульса разрядника Ра.
Были измерены времена запаздывания срабаты-
вания генератора t3 + cf3 в зависимости от
индуктивности цени развязки при различных
значениях недопапряжения в разрядном про-
межутке и различном составе газовой среды
коммутатора Р.,. Значение развязывающего
сопротивления /?р, выполненного па резисто-
рах ТВО-60, составляло 1 кОм. Влияние ин-
дуктивности цепи развязки моделировалось
последовательным включением с катушек
Lp с индуктивностью 0,2; 27; 150 мкГн. Работа
осуществлялась в режиме внутреннего запуска
ГПИ. Время t3 отсчитывалось от момента пода-
чи пускового импульса на поджигающий элект-
род Рп Д° момента появления импульса напря-
жения па сопротивлении 1{.2 и определялось
как среднее арифметическое из 30 измерений.
Время нарастания переходной характеристики
измерительного тракта <^4 нс. Влияние коли-
чества передающих кабельных линий Ла па
выходные параметры импульсов генератора мо-
делировалось изменением величины нагрузоч-
ного сопротивления 112 от 9 до 50 Ом.
Для указанного диапазона значений индук-
тивности цепи развязки и при изменении соста-
ва газа и коэффициента недонапряжения от
0,92 до 0,7 время 1Я + о3 изменялось от 0,1 +
-j- 0,008 до 1 + 0,2 мкс. Составляющая вре-
мени t3, определяемая задержкой срабатывания
разрядника Рп, при длительности фронта под-
жигающих импульсов 40 пс во всех режимах
составляла 40 -г- 50 нс с нестабильностью
< +2 пс. Наименьшие времена запаздывания
100
Состав газа Lp, мкГн
0,2 27 150
n2 1504-15 2604-25 450+60
10%, SE„ + 90% N2 — 110+8 250+15
и лучшая стабильность получены при содержа-
нии 10% элегаза в смеси. Значения (73 + о3), нс
при коэффициенте педонапряжения 0,9 (пред-
полагаемый рабочий режим) в зависимости от
Лр приведены в таблице.
При изменении волнового сопротивления пе-
редающей системы Лп в диапазоне 50-5-9 Ом
длительность фронта импульсов, поступающих
от г.в.п.и. на пусковые электроды тригатронов,
изменялась в диапазоне 7-5-20 нс, а их ампли-
туда составляла соответственно 0,85 4- 0,5 от
величины напряжения заряда. Максимальное
рабочее напряжение накопителя 180 4- 200 кВ
ограничено из-за возможности появления про-
боев по поверхности конденсаторов С\, С2,
приводящих к выводу накопителя из строя.
Таким образом, разработанный генератор
высоковольтных импульсов позволяет получать
импульсы поджига для синхронного запуска
нескольких обостряющих мегавольтных разряд-
ников амплитудой до 200 4- 300 кВ (с учетом
удвоения на конце передающих линий) и фрон-
том 7 4- 20 пс при общем импедансе передающих
линий не менее 9 Ом. Система запуска генера-
тора может обеспечивать стабильность его сра-
батывания не менее 8 4- 10 нс при величине
индуктивности цепи развязки до нескольких
десятков микрогенри.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Бакшт Р. Б., Коростелев А. Ф., Капишников II. К.
и др. И ПТЭ. 1982. № 1. С. 144.
2. Markins I). И IEEE Trans. 1971. V. NS-18. № 4.
Part 2. P. 286.
3. Логачев E. И., Ремнев Г. Е., Толопа А . М., Усов Ю.П.
И Труды НИИ ЯФ при Томском политехническом
институте. М.: Атомиздат, 1979. Вып. 8. С. 23.
НИИ высоких напряжений
при Томском политехническом институте,
Томск
Поступила в редакцию 16.XI 1.1985
УДК 621.373 ПТЭ № 3, 1987
МОЩНЫЙ НАПОСЕКУНДНЫЙ ГЕНЕРАТОР СЕРИИ ИМПУЛЬСОВ
ИСАКОВ П.Ф., ЛОГАЧЕВ Е. И., ОПЕКУНОВ М.С., ПЕЧЕНКИН С. А., РЕМНЕВ Г. Е.,
УСОВ Ю. II.
Описан генератор, позволяющий получать на нагрузке серию импульсов с часто-
той следования 103 10® Гц и выше. Амплитудное значение формируемых импульсов
напряжения до 150 кВ при длительности 50 нс. Генератор содержит последовательно
соединенные с нагрузкой 2 формирующие и 2 передающие линии, выполненные на ос-
нове пизкоомпого кабеля КВИ-300. Формирующие линии питаются от двух независи-
мо включаемых генераторов импульсных напряжений для получения паузы между им-
пульсами >10“® с, либо от одного для получения пауз <10~® с. За счет уменьшения
потерь на разрядном контуре амплитуда 2
между импульсами до 300 нс, далее кривая
Для генерации импульсных электронных
пучков с плотностью, значительно превышаю-
щей предел Чайлза — Ленгмюра [1, 2], генера-
ции мощных ионных пучков из предварительно
созданной взрывоэмиссионной плазмы [3],
исследования динамики развития взрывоэмис-
сионной плазмы [41, испытания работы различ-
ных узлов сильноточных ускорителей при час-
тоте следования импульсов 103 4- 106 Гц и вы-
ше необходимы генераторы серии импульсов
с напряжением 105 4- 10е В при длительности
в десятки папосекупд.
Ниже описан генератор серии высоковольт-
ных наносекундных импульсов с практически
любой требуемой величиной паузы между им-
пульсами и любой полярностью и длительпо-
!-го импульса растет с увеличением паузы
выходит на насыщение.
стью каждого импульса [5]. В конструкции
генератора использован низкоомный коакси-
альный кабель КВИ-300, позволяющий пере-
давать на согласованную нагрузку импульсы
с амплитудой до 150 кВ.
Принцип действия генератора иллюстри-
руется на примере схем, обеспечивающих по-
лучение сдвоенных импульсов произвольной
полярности (рис. 1,а) и импульсов одинаковой
полярности при малой (< 1 мкс) паузе (рис.
1,6). Формирующие линии 7, 2 и передающие
линии 3 разделены управляемыми газовыми
разрядниками; вместе с сопротивлением на-
грузки Ни они включены последовательно. Фор-
мирующие линии заряжались от генераторов
импульсного напряжения ГИН, выполненных
101
Рис. 1. Схема генератора сдвоенных импульсов: а —
нрп любой полярности формируемых импульсов, б —
при одинаковой полярности формируемых импульсов.
У, 2—формирующие липни, 3— передающие линии,
4 — система|синхропизации
Рис. 2. Осциллограммы импульсов с различной пау-
зой: а ч- г — импульсы одинаковой полярности, д -t-
-=- з — разной полярности. Частота градуировочных
колебаний 50 МГц
па основе генераторов ГИН-400 с коммутацией
ступеней управляемыми разрядниками в сжа-
том газе. Каждый ГИН запускался от наносе-
кундного генератора пусковых импульсов с ам-
плитудой 20 кВ. Разрядник первой ступени
ГИН тригатроппого типа; остальные разряд-
ники ГИН — трехэлектродные с искажением
электрического поля. Запускающие электроды
этих разрядников (тонкие пластины с отвер-
стием в центре) имели омическую связь с три-
гатроном.
Разрядники формирующих линий — газо-
наполненные. Электроды, искажающие элект-
рическое поле в межэлектродном зазоре [6],
Рис. 3. Зависимость отношения амплитуд импульсов
от длительности паузы тп между импульсами при
работе генератора по схеме рис. 1, б
позволяют синхронизировать срабатывание
разрядников с паносекундной точностью. Пе-
редающие линии 3 исключают взаимное влияние
разрядников при их срабатывании.
Первым срабатывает ближайший к раз-
рядник формирующей линии. При разряде фор-
мирующей линии 1 на сопротивлении нагрузки
выделяется 1-й импульс напряжения. Далее,
после срабатывания 2-го разрядника и разряда
формирующей линии 2 импульс напряжения
проходит по передающей линии. 1-й формирую-
щей линии и также выделяется на нагрузке.
В экспериментах максимальное число форми-
рующих линий и соответственно число импуль-
сов на нагрузке было равно четырем.
Пауза между импульсами регулировалась
задержкой срабатывания 2-го и последующих
ГИИ относительно 1-го и синхронизацией
с требуемой задержкой разрядников формирую-
щих линий. В режиме самопробоя разрядников
формирующих линий точность синхронизации
была не хуже +20 нс.
Полярность импульсов напряжения на
нагрузке определялась полярностью напряже-
ния зарядных ГИН, длительность — длиной
формирующих линий.
На рис. 2 приведены осциллограммы сдвоен-
ных импульсов с различной паузой между им-
пульсами. Характерным для осциллограмм яв-
ляется меньшая амплитуда 2-го импульса по
сравнению с 1-м при малых (<С 300 нс) паузах
между импульсами. Па рис. 3 приведена за-
висимость отношения амплитуд импульсов
U2IUX от длительности паузы тп между импуль-
сами. Эти экспериментальные данные получены
при работе по схеме на рис. 1, б; номиналы
индуктивностей L2, развязывающих заряд-
ные цепи 1-й и 2-й формирующих линий, рав-
нялись 1 мкГн.
Отметим, что при конкретных применениях
генератора при работе по схеме рис. 1, а умень-
шение амплитуд последующих импульсов но
сравнению с предыдущими может быть ском-
пенсировано выбором выходных напряжений
ГИПГ, ГИН. и т. д.
102
Описанный генератор применяется в сильно-
точном ускорителе, в котором 1-й отрицатель-
ный импульс вызывает образование взрыво-
эмиссионной плазмы на поверхности потен-
циального электрода, а 2-й положительный
импульс обеспечивает формирование пучка
попов, включая ионы тяжелых металлов, из
которых выполняется потенциальный электрод
17]. Многоимпульсный режим генератора ис-
пользуется для последовательного ускорения
ионов в тракте транспортировки.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Месяц Г. А., Ироскуровский Г. И. И Письма в ЖЭТФ
1971. Т. 13. С. 7.
2. Кошелев В. И., Ратахин И. А. И ЖТФ. 1978. Т. 48.
Вып. 1. С. 142.
3. Логачев Е. И., Ремнев Г. Е., Усов Ю. И. И Письма
в ЖЭТФ. 1980. Т. 6. Вып. 22. С. 1404.
4. Логачев Е. И., Лопатин В. С., Печенкин С. А., Рем-
нев Г. Е. II ЖТФ. 1984. Т. 54. Вып. 10. С. 2027.
5. Ремнев Г. Е. А. с. 852135 СССР И Г>. И. 1983. № 13.
С. 302.
6. Ремнев Г. Е., Руденко Н. С., Усов Ю II.. Шата-
нов А. А. И ПТЭ. 1976. № 4. С. 139.
7. Исаков И. Ф., Логачев Е. И., Печенкин С. А. и др. И
Аннотации докл. 4-го Всесоюз. совещания по при-
менению ускорителей заряженных частиц в парод-
пом хозяйстве. Л.: НИИЭФА, 1982. Т. 1. С. 191 —
193.
НИИ ядерной физики
при Томском политехническом институте
Поступила в редакцию
18.ПТ.1985
УДК 621.373.5 : 621.384
ПТЭ № 3, 1987
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ НАНОСЕКУНДЫЫХ
ИМПУЛЬСОВ
КАПИШНИКОВ Н. К., МУРАТОВ В. М., ШАТАНОВ А. А., *
Описана конструкция и приведены основные характеристики высоковольтного
импульсного формирователя с выходным напряжением до 250 кВ, дительностью им-
пульса по основанию —10 нс и частотой включения 50 импульсов/с«
Описываемый высоковольтный наносекупд-
пый формирователь предназначен для одно-
оборотпого вывода пучка электронов из бета-
трона. Конструкция импульсного формирова-
теля, выполненного по схеме одноступенчатого
генератора [11, показана упрощенно на рис. 1.
В качестве формирующего элемента исполь-
зуется малоиндуктивная конденсаторная сбор-
ка, выполненная последовательно-параллель-
ным соединением керамических дисковых кон-
денсаторов КВИ-3 (10 кВ, 2200 пФ) или К15-10
(31,5 кВ, 4700 пФ). Число параллельно соеди-
ненных конденсаторов равно 4, последователь-
но соединенных — до 25.
Вариант импульсного формирователя на
конденсаторах КВИ-3 предназначен для элект-
ростатического вывода пучка электронов из
бетатрона, когда нагрузка на генератор являет-
ся чисто емкостной (емкость нагрузки < 50 пФ);
конденсаторы К15-10 применяются при работе
формирователя па индуктивную нагрузку (ре-
жим электромагнитного вывода пучка электро-
нов). В первом случае емкость формирователя
в разряде — 350 пФ, во втором — 1,2 нФ.
Накопительная емкость формирователя за-
ряжается импульсным напряжением, которое
* НИИ прикладной физики при Ташкентском гос-
университете.
подается через проходной изолятор, изготов-
ленный из полиэтилена. Максимальная ампли-
туда напряжения микросекундной длительно-
сти, выдерживаемая изолятором без перекры-
тия, — 350 кВ. Коммутация накопительной
емкости формирователя осуществляется двумя
управляемыми тригатронными разрядниками,
конструкция которых подобна конструкции
срезающего разрядника, используемого в ге-
нераторе [2]. Высоковольтным электродом ком-
мутирующих разрядников служит входной эк-
ран формирователя, предназначенный для пе-
рераспределения напряжения па поверхности
проходного изолятора. Предусмотрено два
режима работы коммутирующих разрядни-
ков — параллельный запуск и режим поочеред-
ного включения.
Импульс выходного напряжения, форми-
рующийся при разряде накопительной емкости
па индуктивности разрядного соленоида
(~ 12 мкГн), намотанного высоковольтным
проводом ПВРВ на боковую поверхность вы-
ходного изолятора, выводится через него на
нагрузку. Наружная поверхность выходного
изолятора рассчитана па работу в вакууме.
При длительности воздействующего напряже-
ния < 100 нс и давлении остаточного газа
10-3 Торр напряжение ее перекрытия
103
~ 400 кВ. Спад прямоугольного импульса
выходного напряжения паносекундной длитель-
ности формируется при помощи неуправляемого
разрядника, высоковольтным электродом ко-
торого является выходной экран формировате-
ля, изготовленный так же, как и входной, из
нержавеющей стали Х18Н10Т. Рабочие по-
верхности низковольтных электродов всех
разрядников, изготовленных из латуни, снаб-
жены вставками из титана ВТ-6, имеющего
сравнительно высокую эрозионную стойкость
13]. Из этого же материала изготовлены управ-
ляющие электроды коммутирующих разряд-
ников. Конструкция коммутирующих и среза-
ющего разрядников допускает плавную регу-
лировку их основных зазоров в диапазоне
Оч-З см, что облегчает настройку формирова-
теля и его эксплуатацию.
Для регистрации выходного напряжения
предусмотрен широкополосный емкостный де-
литель напряжения (постоянная времени де-
лителя по фронту <; 1 нс), встроенный в корпус
формирователя, подобный описанному в [4].
Все элементы формирователя смонтированы
в металлическом цилиндрическом корпусе,
являющемся обратным токопроводом. В каче-
стве изоляции формирователя и рабочей среды
его разрядников используется сжатый газ —
азот или смесь азота с элегазом (объемное со-
держание элегаза 8 4- 15%), которым запол-
няется корпус формирователя, рассчитанный
на рабочее давление до 10 ати.
Экспериментально измеренная индуктив-
ность разрядного контура формирователя
~350 нГп, внутреннее сопротивление ~ 30 Ом
при емкости в разряде Сф ~ 350 пФ и -—18 Ом
при Сф — 1,2 нФ.
Основным режимом работы формирователя
является генерирование па емкостной или ин-
дуктивной нагрузке импульсов напряжения
длительностью — 10 нс с частотой следования,
равной частоте питающей сети (—50 Гц), при-
чем срабатывание формирователя должно быть
синхронизировано с максимумом положитель-
ной полуволны сетевого напряжения. Это обес-
печивается схемой включения, показанной на
рис. 2. Вблизи максимума положительной по-
луволны сетевого напряжения срабатывает
динистор Д2, при этом с одной из вторичных об-
моток импульсного трансформатора ИТ, вклю-
ченного в цепь разряда накопительного конден-
сатора блока запуска БЗ, снимается импульс
напряжения амплитудой — 500 В, поступаю-
щий на сетку тиратрона ТГИЗ-325/16 генерато-
ра поджигающих импульсов ГИИ,. Он форми-
рует импульсные сигналы амплитудой 15 кВ,
подавляемые па поджиг управляемых разрядни-
ков импульсного зарядного устройства ЗУ,
в качестве которого при испытании формиро-
сЬЗЗО
Рис, 1. Устройство импульсного формирователя. 1 —
накопительные конденсаторы, 2 — диэлектрические
шпильки, 3 — входной экран, 4 — коммутирующие раз-
рядники, 5 — входной изолятор, 6’ — корпус, 7 —
срезающий разрядник, 8 — выходной экран, 9 — вы-
ходной изолятор, 10 — соленоид, 11 — емкостный де-
литель напряжения
вателя использован генератор импульсных на-
пряжений (г.и.п.), выполненный по схеме Ар-
кадьева — Маркса. Максимальная амплиту-
да выходного напряжения г.и.н., схема кото-
рого подобна описанной в работе [2], — 300 кВ,
емкость в разряде — 4 нФ.
Генератор импульсных напряжений заря-
жает накопительную емкость формирователя
Сф через индуктивность L3, основное назначе-
ние которой — уменьшение скорости нараста-
ния напряжения на емкости Сф, что необходи-
мо для уменьшения амплитуды предымпульса,
формируемого на нагрузке при протекании то-
ка заряда емкости Сф. В реализованных усло-
виях время заряда накопительной емкости
формирователя 2 мкс, при этом амплитуда
предымпульса не превышает 0,05 С7Вых (£/вых —
амплитуда выходного напряжения формиро-
вателя).
Одновременно с импульсным сигналом, по-
ступающим па запуск Г11ИХ, импульс напряже-
ния с другой вторичной обмотки ИТ через ли-
нию задержки ЛЗ подается на двухканальный
генератор поджига ГПИг (выполнен на тира-
104
Рис. 2. Электрическая схема включения формирова-
теля. Р — срезающий разрядник, I. — разрядная ин-
дуктивность; Д\ — Д226В, Д.г — КН102И
Рис. 3. Типичные осциллограммы импульсов напря-
жения: а — зарядное напряжение (частота калибро-
вочных колебаний 10 МГц), б выходное напряже-
ние (частота калибровочных колебаний 100 МГц)
троне ТГИ1-1000/25), который формирует им-
пульсные сигналы амплитудой 22 кВ с длитель-
ностью фронта ~25 нс, подаваемые на управ-
ляющие электроды коммутирующих разрядни-
ков УР формирователя. Для описанной схемы
запуска разброс времени подачи управляющего
импульса напряжения tu (tu — время от начала
заряда емкостного накопителя формирователя
до прихода на управляющие электроды комму-
тирующих разрядников импульса поджига),
обусловленный нестабильностью включения ге-
нераторов поджигающих импульсов и зарядно-
го устройства, пе превышает 50 нс.
Измерение зарядного напряжения U3 осу-
ществляется с помощью активного делителя на-
пряжения ДН-2, высоковольтное плечо которого
выполнено из резисторов ТВО-60. Выходное
напряжение формирователя регистрировалось
с помощью емкостного делителя ДНХ, встроен-
ного в его корпус. Делитель градуировался
с помощью низкоиндуктивного жидкостного
делителя с постоянной времени ~ 1 пс. Типич-
ные осциллограммы напряжения заряда и выход-
ного импульса напряжения при работе форми-
рователя на индуктивную нагрузку — 1 мкГн
приведены па рис. 3.
Надежность работы формирователя и
разброс параметров выходного импульса практи-
чески полностью определяются характеристи-
ками коммутирующих и срезающего разрядни-
ков. На рис. 4 приведены результаты измере-
ния времени запаздывания срабатывания
коммутирующих разрядников Z3, его разброса
Оз и вероятности неуправляемого пробоя Рн
(Рп — отношение числа неуправляемых вклю-
чений к общему числу включений) в зависимо-
сти от соотношения U3!Uca (Uva — напря-
жение неуправляемого пробоя коммутирующих
разрядников, измеренное в режиме одиночных
включений, Uca » 250 кВ) при двух сочета-
ниях полярностей зарядного U3 и управляю-
щего Un напряжений. Измерения проведены
при использовании в качестве рабочей среды
разрядников азота при давлении 5 ати (рис. 4,а)
и смеси азота с элегазом (10% SFe + 90% jV.2)
при давлении 3 ати (рис. 4,6). Измерение Рн
проведено при отрицательной полярности за-
рядного напряжения (контрольными исследо-
ваниями показано, что в реализованных усло-
виях величина Рн очень слабо зависит от поляр-
ности U3).
Из рис. 4 видно, что в исследованных усло-
виях при обоих сочетаниях полярностей U3
и Un лучшие временные характеристики и рас-
ширенный диапазон рабочих напряжений мо-
гут быть достигнуты при использовании в ка-
честве рабочей среды смеси азота с элегазом.
Правда, при этом несколько возрастает вероят-
ность неуправляемого срабатывания коммути-
рующих разрядников, что. по-видимому, обус-
ловлено более сильным влиянием продуктов
разложения элегаза в разрядах па развитие
пробоя в разрядниках. Это подтверждается по-
вышением значения Рк при увеличении объем-
ного содержания элегаза в используемой газо-
вой смеси. К такому же результату (повышению
РУ) приводит увеличение давления наполняю-
щего разрядники газа.
Таким образом, проведенными исследова-
ниями показано, что для обеспечения надежной
работы импульсного формирователя рабочее
напряжение коммутирующих разрядников не-
обходимо выбирать из условия U3 0,6Г7,и.
В этом случае вероятность неуправляемого сра-
батывания коммутирующих разрядников не
превышает 10"4, благодаря чему разброс ам-
плитуды выходного напряжения формирователя
не больше 3%. Разброс длительности выход-
ного импульса оп определяется временной не-
стабильностью пробоя неуправляемого срезаю-
105
Рис. 4. Основные характеристики коммутирующих раз-
рядников при заполнении азотом, 5 ати (а) и смесью
азота (90%) с элегазом (10%), 3 ати (б). Сплошная ли-
ния — пунктир — о.,; 1------1-/7..,
о' * * о о '11
2-+i/3, -Ua
щего разрядника. Показано, что <ти практичес-
ки не зависит от вида рабочей среды и в реали-
зованных условиях составляет —5% (длитель-
ность выходного импульса по основанию 10 +
-- 0,5 пс).
Анализ временных характеристик комму-
тирующих разрядников (см. рис. 4) и времени
спада напряжения на их основных промежутках
показывает, что в исследованных условиях
достаточно регулярное совместное срабатыва-
ние параллельно включенных коммутирующих
разрядников при Ua «С 0,6£7сп возможно лишь
при отрицательной полярности основного на-
пряжения и положительной полярности нап-
ряжения поджига, если используется смесь
азота с элегазом. Однако и в этих условиях не-
равномерность распределения тока по разряд-
никам достигает нескольких десятков процен-
тов. Поэтому, как показало проведенное в рабо-
те сопоставление характеристик формирователя
при двухканальном и одноканальном режимах
коммутации, в реализованных условиях двух-
канальный режим не имеет заметных преиму-
ществ перед одноканальным. Поэтому в даль-
нейшем коммутация емкостного накопителя
формирователя осуществлялась одним разряд-
ником. Однако при длительной непрерывной
работе формирователя (особенно в варианте
с ударной емкостью 1,2 нФ) для улучшения
теплового режима надо обеспечить поочеред-
ную работу обоих разрядников.
Ресурсные испытания формирователя про-
ведены при амплитуде зарядного напряжения
~250 кВ и использовании в качестве рабочего
газа азота при давлении 5 ати. Газ не заменял-
ся в течение всего эксперимента. Формирова-
тель выдержал —106 включений без заметного
изменения основных характеристик (ограниче-
ние числа включений величиной 106 связано
с ограниченным ресурсом работы генератора
импульсных напряжений, используемого для
заряда формирователя). Ухудшения изоляцион-
ных свойств наполняющего газа и заметного
изменения его температуры в процессе работы
не обнаружено. Осмотр электродов разрядни-
ков после проведения испытаний показал край-
не незначительное разрушение их рабочих по-
верхностей. Приближенная оценка ресурса
(ограниченного износом управляющих элект-
родов) работы разрядников, проведенная по
результатам испытаний, показала, что в реали-
зованных условиях коммутирующие разряд-
ники могут выдержать до —107 включений.
Расчетный ресурс работы срезающего разряд-
ника —-IO8 срабатываний.
Для повышения надежности работы системы
однооборотного вывода пучка электронов из
бетатрона и упрощения ее эксплуатации в на-
стоящее время изготовлено зарядное устройство
с резонансным трансформатором с коэффициен-
том связи —0,6 и максимальной амплитудой
выходного напряжения —300 кВ. после испы-
таний которого планируется ввод формирова-
теля в эксплуатацию.
В заключение следует отметить, что описан-
ный формирователь может быть использован
также для работы в качестве частотного уско-
рителя электронов с выходной энергией до
200 кэВ при амплитуде тока электронного
пучка 500 4- 1000 А и длительности импульса
10 4- 20 нс.
ЛИТЕР Л ТУРА
1. Капишпиков И. К. И ПТЭ. 1984. № 6. С. 114.
2. Капишииков И. К., Муратов В. М., Потапов В. С.И
ПТЭ. 1984. № 5. С. 98.
3. Капишников Н. К., Муратов В. М. И ПТЭ. 1986.
№ 1. С. 111.
4. Демидов Б. А., Ивкин. М. В. //ПТЭ. 1977. Л» 2.
С. 115.
ПИП высоких напряжений
при Томском политехническом институте
Поступила в редакцию 25.XI.1985
106
УДК 621.374.3 ПТЭ № 3, 1987
ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ
МАЛИНОВСКИЙ д. и.
Описан формирователь импульсов из синусоидального сигнала с частотой 10 кГцч-
-н 10 МГц. Для повышения помехоустойчивости последовательно включены два триг-
гера Шмитта на микросхемах К500ЛП116 и К155ТЛ1. Чувствительность формировате-
ля не хуже 0,1 В.
Развитие цифровых методов обработки сиг-
налов требует создания чувствительных широко-
полосных формирователей импульсов, предна-
значенных для преобразования синусоидаль-
ных колебаний или сигналов иной формы
в прямоугольные колебания, пригодные для
обработки цифровыми устройствами. Как пра-
вило, такие формирователи импульсов должны
обладать широким динамическим диапазоном,
а формирователи, предназначенные для про-
ведения фазовых измерений, должны помимо
этого иметь малую фазоамплитудную погреш-
ность и в них должно быть полностью ликви-
дировано фазовое дрожание выходного сигнала,
снижающее точность измерения сдвига фаз и
приводящее к появлению неоднозначности по-
казаний и сбоев в цифровых фазовых датчиках.
По сравнению с имеющимися функциональ-
ными аналогами [1 4- 3], описываемый форми-
рователь имеет повышенную помехоустойчи-
вость, обусловленную применением двух
триггеров Шмитта. Т.т.л.-триггеры Шмитта
К155ТЛ1, К155ТЛ2 и К155ТЛЗ обладают вы-
сокой помехоустойчивостью, но имеют низкую
чувствительность (1,6 4-1,7 В). Формиро-
ватели импульсов, выполненные па микросхеме
К500ЛП116 [2, 3], весьма чувствительны
(< 0,1 В) и широкополосны (до 200 МГц), одна-
ко, как показывают эксперименты, имеют зна-
чительное фазовое дрожание выходного сигна-
ла при работе на низких частотах, возникающее
вследствие относительно малой скорости нара-
стания входного синусоидального сигнала. Это
особенно сильно проявляется при работе таких
формирователей в аппаратуре, имеющей им-
пульсные источники питания с широтно-им-
пульсной модуляцией. Часто для формирова-
ния импульсов применяют быстродействующие
компараторы К597СА1, К597СА2, которые
имеют широкий диапазон частот и удобны для
сопряжения с цифровыми микросхемами, но
требуют двух источников питания, что может
препятствовать сопряжению таких формиро-
вателей с имеющимися цифровыми устрой-
ствами.
Формирователь импульсов (рисунок) вы-
полнен на э.с.л.-микросхеме К500ЛП116 и
т.т.л.-микросхеме К155ТЛ1. Резистор и
диоды Дх, Д2 образуют двусторонний ограни-
читель напряжения, предохраняющий микро-
схему Мг от повреждения при входном напря-
жении > 1 В. На элементах и М2.2 выпол-
нен усилитель-ограничитель с коэффициентом
усиления 55sl00, а на элементе Мг.3 — триггер
Шмитта, повышающий устойчивость работы
формирователя импульсов. Преобразователь
уровня э.с.л./т.т.л. выполнен на транзисторе 7\.
Для полного устранения фазового дрожания
выходного сигнала на низких частотах пред-
назначен триггер Шмитта М2, повышающий
общую помехоустойчивость формирователя.
Диапазон частот формирователя импульсов
с приведенными на принципиальной схеме но-
миналами составляет 10 кГц 4- 10 МГц и может
быть значительно расширен в область ниж-
них частот при увеличении емкости конденса-
торов и С2. Сверху диапазон частот ограни-
чен быстродействием триггера Шмитта К155ТЛ1,
однако большинство этих микросхем удовлет-
ворительно работает на частотах до 12 4-
4- 15 МГц. Расширить диапазон частот можно,
заменив микросхему К155ТЛ1 на К531ТЛЗП,
107
сохраняющую работоспособность до 30 4-
Ч- 40 МГц.
Чувствительность формирователя импуль-
сов во всем диапазоне частот не хуже 0,1 В.
Верхняя граница напряжения, подаваемого на
вход формирователя, зависит от допустимого
обратного напряжения диодов Дх, Д2 и допу-
стимого тока через диоды. Для диодов КД503А
допустим средний ток до 20 мА. поэтому при
подаче на вход схемы сигнала с амплитудой
^>1,5 В следует соответственно увеличить
сопротивление резистора Нх.
Формирователь был применен в цифровом
фазовом датчике и показал высокую помехо-
устойчивость и надежность в работе. Фазовое
дрожание выходного сигнала формирователя
импульсов отсутствовало во всем диапазоне
частот.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Крочакевич В. //Радио. 1981. № 11. С. 15, 31.
2. Бирюков С. // Радио. 1980. № 10. С. 61.
3. Алексеев С. И Радио. 1978. № 10. С. 33.
Ленинградский электротехнический институт
связи
Поступила в редакцию 11.III.1986
УДК 621.383
ПТЭ № 3, 1987
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ С ПОВЫШЕННОЙ
НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ
МАТЫ НА В. А., ТЕРЕВ И. А.
Описана схема оптоэлектронного формирователя импульсов, в котором использо-
ван способ управления транзисторным импульсным усилителем фототока по двум опти-
ческим каналам па диодных оптронах. По сравнению со схемами управления с одним
оптическим каналом быстродействие увеличилось в 2,5 раза. Импульсный усилитель
фототока собран по каскодной схеме. Формирователь использован в качестве передат-
чика сигналов для коаксиальной линии с волновым сопротивлением 75 Ом длиной 300 м
с преобразованием импульсов т.т.л. в импульсы отрицательной полярности. Амплитуд-
да импульсов на согласованной нагрузке при наличии токоограппчптелыюго резисто-
ра не мепее 7 В с временами нарастания ^0,8 мкс и спада <J0,6 мкс.
При автоматизации физического экспери-
мента в систему объединяются различные при-
боры, требующие согласования характеристик
входных или выходных сигналов. При этом для
повышения помехоустойчивости часто требует-
ся гальваническая развязка между источником
и приемником сигнала. Гальваническая развяз-
ка и преобразование уровня сигнала легко ре-
ализуются при построении импульсных форми-
рователей на базе оптоэлектронных приборов
11]. Проблема сводится в основном к обеспече-
нию высоких динамических характеристик,
особенно при работе формирователя па емкост-
ную нагрузку.
Описываемый быстродействующий опто-
электронный формирователь импульсов может
служить как передатчик сигналов с повышенной
нагрузочной способностью и как универсальный
преобразователь уровня сигнала, обеспечиваю-
щий гальваническую развязку базовых потен-
циалов цифровых устройств. При выборе
функциональных элементов для импульсного
формирователя предпочтение было отдано наи-
менее инерционным диодным оптронам с тран-
зисторным импульсным усилителем фототока
[2, 31.
Формирователь импульсов (рисунок) содер-
жит два работающих в противофазе оптических
канала на диодных оптронах Л/2.1, М2.2 и им-
пульсный усилитель [41, собранный на тран-
зисторах Тх -г- Т3. Оптроны попеременно воз-
буждаются сигналами т.т.л. усилителя М1.
Резисторами 7?j, Т?2 устанавливаются величины
токов in, гг2 в зависимости от напряжения
источника питания Ех. При возбуждении опт-
рона М2.2 (оптрон М2-2 не возбужден) током
фотоприемника 1ф. запираются транзисторы Тх.
Г2 и емкость нагрузки Сн быстро заряжается
через открытый транзистор 7’3. На выходе
формирователя устанавливается потенциал,
близкий к напряжению источника питания Е2.
При возбуждении оптрона M2-i фотоприем-
ником генерируется ток гф1, что приводит к
открыванию транзисторов 7\, Т2 и запиранию
транзистора Т3 (оптрон Л/2.2 не возбужден).
Емкость нагрузки Сн быстро разряжается через
диод Д и открытый транзистор Т2. На выходе
формирователя устанавливается потенциал
108
управления на входе импульсного усилителя
используется один диодный оптрон.
При малых токах в нагрузке или невысоких
требованиях к быстродействию общий выход
фотоприемников оптронов Л/2-1> М2-2 может
быть непосредственно включен в базовую цепь
транзистора Т2 импульсного усилителя. Такая
схема (с токоограничительным резистором 24 Ом
в цепи коллектора Т3) была использована в
качестве передатчика сигналов для коаксиаль-
ной линии с волновым сопротивлением 75 Ом
длиной ~ 300 м с преобразованием импульсов
т.т.л. длительностью 3 4-5 мкс в импульсы
отрицательной полярности. Амплитуда импуль-
са па согласованной нагрузке в конце линии
не менее 7 В со временем нарастания (от уровня
0,1 до уровня 0,9 амплитудного значения им-
пульсного напряжения) 0,8 мкс и временем
спада 0,0 мкс. Эти характеристики не явля-
ются предельными и могут быть значительно
улучшены применением более совершенной эле-
ментной базы, например диодных оптронов
АОД134АС.
ЛИТЕРА ТУРА
Схема и временные диаграммы работы оптоэлектрон-
ного формирователя импульсов. Afj — K155JIA12,
Л/2 - АОДЮ9Л; 7\ ч- Т3 - КТС622А; Д — КД522Б
1,5 В. Синхронное противофазное управление
и способ включения фотоприемников M2-i,
М 2-2 обеспечивают увеличение скорости пере-
ключения базового тока транзистора в 2 4-
4- 2,5 раза по сравнению со схемами, где для
1. Мкртчян С. О. Преобразователи уровпеп логичес-
ких элементов. М.: Радио и связь, 1982. С. 44.
2. Носов 10. Р., Сидоров А. С. Оптроны и их приме-
нение. М.: Радио и связь, 1981. С. 165.
3. Козлова Б. Г., Епифанов Г. А., Татарчук IO. С //
// ПТЭ. 1984. № 3. С. 145.
4. Шило Б. Л. Линейные интегральные схемы в радио-
электронной аппаратуре. М.: Сов. радио. 1974.
С. 112.
Поступила в редакцию 24.VI.1985
(После переработки 30.V.1986)
УДК 621.396.6.062.8
ПТЭ № 3, 1987
КОММУТАТОР МОЩНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ
ПЕТРОВ Б. И.,
Описана схема четырехканального коммутатора высокочастотных (20 н- 40 МГц)
мощных (10 -т- 12 кВт) радиоимпульсов, основанная на использовании управляемого
разрядника Р-24 в качестве коммутирующего элемента. Сопротивление нагрузки
75 Ом. Длительность коммутируемых радиоимпульсов 100 -н 200 мкс при частоте пов-
торения 100 -е- 300 Гц.
Ограниченный набор быстродействующих
переключателей с временем переключения
< 10 мкс для высокочастотных сигналов с
большой импульсной мощностью послужил по-
водом к использованию управляемых разряд-
ников Р-24, предназначенных для коммутации
цепей постоянного тока [11, в коммутаторах
высокочастотных мощных радиоимпульсов.
Принципиальная схема четырехканального
коммутатора мощных радиоимпульсов (Рпмп =
= 10 кВт) изображена на рис. 1. Аноды раз-
рядников соединены с помощью общего держа-
теля и подключены высокочастотным кабелем
к выходу мощного генератора радиоимпульсов.
Нагрузка каждого из четырех каналов (антенна
типа «волновой канал») соединена с соответст-
109
Рис. 1. Принципиальная схема коммутатора каналов па четыре направления.
ЛЛ, М., ЛГ4 — К155ЛАЗ, М2 — К155ТМ2, М5 — К155ЛА8; 7\ — КТ608Б,
Тг — КТ805Л; Д — Д220; Рг Р4 — Р-24, Тр — ТВС110П2
вующим катодом одного из разрядников. По-
очередное распределение выходной мощности
генератора осуществляется с помощью про-
граммного устройства (ПУ), состоящего из
двух триггеров М2, дешифратора М3 и четырех
схем совпадения М4. По команде программного
устройства импульсы Поджиг подаются на
управляющий электрод соответствующего раз-
рядника через развязывающий дроссель Др.
Поджигающие импульсы амплитудой 10 4-
4- 12 кВ формируются повышающим трансфор-
матором Тр, выходной сигнал которого имеет
вид затухающих колебаний на его резонансной
частоте.
На рис. 2 показаны выходные сигналы этого
трансформатора в режиме холостого хода и при
Рис. 2. Эпюры напряжений: а — сигнала поджига,
б — на управляющем электроде (7 — в режиме холо-
стого хода, 2 — при подключении разрядника), в —
па аноде иг — на катоде Р-24
подключении управляющего электрода разряд-
ника. Видно, что в момент достижения выход-
ным сигналом трансформатора напряжения 5 4-
4- 6 кВ оно падает до нескольких десятков
вольт из-за возникновения разряда в катодном
промежутке. Начиная с этого времени или не-
сколько позже (на 5 4- 10 мкс) на анод разряд-
ника подается коммутируемый радиоимпульс
генератора с импульсной мощностью 4 4-
4- 12 кВт. При мощности <1 4 кВт радиоим-
пульс не «проходит» через частично ионизиро-
ванный разрядник, так как его полная иониза-
ция (пробой) зависит от амплитуды напряжения,
приложенного к аноду разрядника. При мощ-
ности радиоимпульса 12 кВт наблюдается
самопробой разрядников.
При использовании коммутатора необходи-
мо учитывать искажение формы коммутируемых
радиоимпульсов в зависимости от их частоты
повторения. Так, на рис. 2 приведена форма
радиоимпульсов на входе и выходе разрядника
при частоте повторения 100 Гц и коммутируемой
мощности 10 кВт. Как видно из рис. 2, на
выходе разрядника радиоимпульс появляется
через время t, которое является временем пол-
ной ионизации разрядника. Нестабильность
этого времени порядка ± 2 мкс связана с про-
цессом ионизации. Увеличение амплитуды им-
пульсного напряжения на входе разрядника в
течение времени I обусловлено рассогласованием
выходных цепей генератора. При частоте по-
вторения 300 Гц эффект сокращения радио-
импульса исчезает, так как за время между
импульсами (Тповт = 3,3 мс) разрядник не
успевает полностью деионизироваться. Экспери-
ментальное определение энергетических пара-
метров коммутатора показало, что при выход-
ной мощности 10 4- 12 кВт потери в открытом
разряднике составляют ~ I кВт, а мощность,
расходуемая закрытым разрядником, < 100 Вт.
НО
Опыт его эксплуатации позволил определить
срок службы разрядников, работающих в та-
ком режиме, > 6 месяцев [2].
ЛИТЕРА ТУРА
1. Киселев 10. В., Черепанов В. П. Искровые разряд-
ники. М.: Сов. радио, 1976.
2. Лысенко И. А., Петров Б. И. II Труды ИЭМ. М.:
Гидрометеоиздат, 1983. Выи. 6(107). С. 80.
Институт экспериментальной метеорологии,
Обнинск
Поступила в редакцию 31.XII.1985
УДК 621.373
ПТЭ № 3, 1987
КОММУТАТОР ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
ГАВРИЛОВ II. М.
Описывается коммутирующее устройство для индуктивного накопителя энергии.
Величина коммутируемого тока до 800 А, амплитуда напряжения на нагрузке до 50 кВ,
рабочая частота 1 -г- 50 Гц, коммутируемая мощность до 40 МВт.
Коммутирующие устройства многократного
действия для индуктивных накопителей энер-
гии (и.н.э.) строятся в основном но схемам с
многоступенчатой коммутацией тока 11].
Коммутатор первой ступени относительно
длительное время находится в проводящем со-
стоянии и через него заряжается и.н.э. током
источника питания. Коммутатор второй ступени
находится под токовой нагрузкой значительно
меньшее время и выполняет функции быстро-
действующего ключа, переводящего рабочий
ток в цепь нагрузки с заданной скоростью
нарастания. Последовательно с ним включается
коммутирующий конденсатор (к.к.), обеспечи-
вающий условия для прохождения тока в дан-
ной цепи в течение времени, достаточного для
восстановления электрической прочности ком-
мутатора первой ступени. В качестве коммута-
торов в первой и второй ступенях могут быть
использованы мощные газоразрядные п полу-
проводниковые приборы. Применение во второй
ступени коммутации полностью управляемого
прибора, например электронной лампы или
размыкателя с диффузным разрядом 12], позво-
ляет существенно снизить энергоемкость к.к.
и сформировать на нагрузке импульсы напря-
жения с большой крутизной фронта 13]. Для
предварительного заряда к.к. в каждом рабочем
цикле необходим дополнительный источник пи-
тания, мощность которого определяется вели-
чиной коммутируемого тока, временем выклю-
чения коммутатора первой ступени, падением
напряжения на полностью управляемом при-
боре в проводящем состоянии, рабочей частотой
коммутирующего устройства и может достигать
сотен и более киловатт.
На рис. 1 приведена блок-схема коммути-
рующего устройства для и.н.э., в котором к.к.
подзаряжается за счет энергии, запасаемой в
катушке индуктивности, включенной в цепь по-
следовательно с коммутируемым и.н.э. Комму-
тирующее устройство содержит коммутатор пер-
вой ступени из двух последовательно включен-
ных модулей высоковольтного тиристорного
блока БТСВ-800/235 (Дг, Д2), коммутатор вто-
рой ступени Л, содержащий три параллельно
включенных мощных импульсных триода
ГМ11-43А, коммутирующий конденсатор С,
катушку индуктивности Llt два дополнительных
высоковольтных тиристорных ключа Д3, Д±
(по 20 последовательно включенных тиристоров
Т2-300 (13 класс)), нагрузку RH, формирователи
импульсов управления 4- Ф4 тиристорных
ключей Д1 4- Д4, источник питания Gx =
= 10 кВ, предназначенный для первоначаль-
ного заряда конденсатора С и емкостных нако-
пителей в формирователях импульсов управле-
ния Ф3, Фц, источник питания С2 = 5 кВ, пред-
назначенный для первоначального заряда ем-
костных накопителей в формирователях
импульсов управления Фг, Ф2. Резисторы
Rz — токоограничительные. Формирователи
импульсов управления Фх 4- Ф, содержат фо-
топриемные устройства, преобразующие свето-
вые сигналы управления в электрические им-
пульсы, которые поступают на управляющие
переходы тиристоров с помощью последователь-
но включенных импульсных изолирующих
трансформаторов.
На рис. 2 приведены диаграммы, поясняю-
щие работу устройства. В исходном состоянии
от источников питания Gn G2 малой мощности
(500 Вт) осуществляется предварительный за-
ряд накопительных конденсаторов, входящих
в схемы формирователей Ф1 4- Ф4. В момент
времени t0 на входы управления 1 формирова-
телей Фх, Ф2 поступает сигнал управления,
открывающий ключи Дг, Д2, и начинается этап
111
Рис. 1. Блок-схема коммутирующего устройства
заряда индуктивного накопителя L и катушки
индуктивности 1Д током источника питания
G (G<<G2). В момент времени tr достижения
током в цепи L определенного значения на вход
2 ключа .7 поступает сигнал управления ампли-
тудой U = 4 кВ и длительностью = t2 —
— t4 = 250 мкс, переключающий Л в проводя-
щее состояние. На это время ток и.н.э. из цепи
Д2 переключается в цепь, содержащую по-
следовательно соединенные Л и С. Конденса-
тор С частично разряжается током и.н.э. В те-
чение времени At ключи Д1; Д2 восстанавлива-
ют запирающую способность в прямом направ-
лении, в момент времени t2 ключ Л переходит
в непроводящее состояние и ток и.н.э. переклю-
чается в цепь нагрузки 7?н. На нагрузке фор-
мируется импульс напряжения. В момент вре-
мени t3 на вход управления 3 формирователя
Ф3 поступает сигнал управления, ключ Д3
открывается и конденсатор С перезаряжается
от напряжения U2 до напряжения U 3 за время
t = t4 —13. В момент времени t4 ток в цепи Д3
достигает нулевого значения, и ключ Д3 за-
пирается. Величина положительного напряже-
ния U3 может регулироваться путем изменения
момента времени t3 включения ключа Д3 от-
носительно момента времени t2 перевода тока
в нагрузку. В момент времени t5 ток в цепи
и.н.э. достигает нулевого значения и на наг-
рузке 7?н формируется спад импульса напря-
жения. В момент времени t6 па вход управле-
ния 4 формирователя Фх поступает сигнал уп-
равления, ключ Д., открывается и конденсатор
С перезаряжается от напряжения +£73 до нап-
ряжения — U3 ~ t/x. В момент времени t7 ток
в цепи ключа Д4 достигает нулевого значения,
и ключ Д4 запирается. Таким образом, к оче-
редному этапу коммутации тока и.н.э. конден-
сатор С и накопительные конденсаторы в фор-
мирователях Ф3, Ф4 заряжаются до необходи-
мого рабочего напряжения. Конденсаторы в
формирователях Фх, Ф2 подзаряжаются за вре-
мя t = t5 — t2 формирования импульса напря-
жения на нагрузке.
Макет устройства, собранный по схеме
рис. 1, обеспечивал коммутацию и.н.э. (L =
= 44 мГн) при токе I = 500 4- 800 A, L =
= 34-6 мГн, С = 30 мкФ, Ui = 8 4- 12 кВ.
При испытании устройства эквивалентом наг-
рузки служили 3000 варисторов типа СН2-2-
1300 с напряжением стабилизации Uo = 40 кВ.
Номинальное рабочее напряжение коммути-
рующего устройства 50 кВ, длительность фрон-
та импульса напряжения на нагрузке 10 мкс,
предельный коммутируемый ток 800 А, рабочая
частота 1 4- 50 Гц, режим работы — длитель-
ный непрерывный. Ключи Дг 4- Д4 охлажда-
ются деионизованной водой. Формирователи
Ф] 4- Ф4 запускаются с помощью оптических
квантовых генераторов ЛПИ-13, управляемых
от импульсных генераторов Г5-56.
Цепь нагрузки /?„ может быть подключена
к точке соединения цепей А и Alt при этом кон-
тур подзаряда — перезаряда к.к. после выклю-
чения ключа Л не будет оказывать влияния на
форму тока в цепи нагрузки. Однако в этом
случае с целью обеспечения замкнутого состоя-
ния цепи после переключения тока и.н.э.
в цепь нагрузки сигнал на отпирание ключа
Д3 должен подаваться до момента времени t2
включения ключа Л. Необходимое рабоче-
напряжение на к.к. может быть установлено,
112
например, путем включения в цепи ключей
Д3, Дц резистора, в котором в процессе переза-
ряда конденсатора рассеивается избыточная
энергия |4]. Коммутация и.н.э. при таком под-
ключении цепи нагрузки может осуществлять-
ся и в режиме частичного вывода энергии из
накопителя, например, с целью формирования
на нагрузке прямоугольных импульсов напря-
жения, при условии, что длительность этапа
подзаряда — перезаряда к.к. не превышает дли-
тельности импульса тока в нагрузке.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Грехов И. В., Коротков С. В., Уваров А. И. и др.
Жури. техн, физики. 1981. Т. 51. Вып. 6. С. 1258.
2. Шенбах К., Кристиансен М., Шефер Г. // ТИИЭР.
1984. Т. 82. № 8. С. 28.
3. Алексеев В. В., Дюков Л. В., Табаков Г. А., Хро-
мой Ю. Д. И Электронная техника. Сер. 4. 1974.
Вып. 6. С. 81.
4. Забродин 10. С. Узлы принудительной конденсатор-
ной коммутации тиристоров. М.: Энергия, 1974.
Истринское отделение
Всесоюзного электротехнического института
Поступила в редакцию 6.1.1986
УДК 621.373.43
ПТЭ № 3, 1987
КОММУТАТОР ТОКА ДЛЯ ГЕНЕРАТОРОВ С ИНДУКТИВНЫМ
НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
СП ТЕП КОВ 10. Л.
Описан коммутатор для геператоров с индуктивным накопительным элементом,
выполненный на основе импульсных водородных тиратронов, работающих в режиме
обрыва тока. Проведены исследования по выбору рабочей точки тиратрона. Генератор,
разработанный па основе коммутатора с тиратроном ТГИ2-260/12, позволяет сформи-
ровать па нелинейной нагрузке импульсы с параметрами: I —- 190 A; U = 80 кВ; дли-
тельность импульса >2 мкс, длительность фронта —50 нс при частоте следования до
60 Гц.
При разработке устройств с индуктивными
накопителями энергии в первую очередь воз-
никает проблема выбора коммутатора тока.
Такие коммутаторы, как указывалось в [11,
должны коммутировать большие токи, дли-
тельное время пребывать в проводящем состоя-
нии, иметь высокую электрическую прочность,
большое сопротивление после размыкания и ма-
лое время размыкания.
Этим требованиям удовлетворяют импульс-
ные водородные тиратроны. Однако при их
использовании возникает проблема выключения
тиратрона. Решение этой задачи путем приме-
нения внешних устройств, создающих встреч-
ный ток через тиратрон, значительно усложняет
аппаратуру [2]. В данной статье предлагается
выключать тиратрон, используя эффект обры-
ва тока, возникающий при сильном разрежении
газа в области сеточных отверстий [3, 4]. Такой
режим работы тиратрона существенно отлича-
ется от паспортного и требует проведения до-
полнительных исследований.
При реализации предлагаемого режима сле-
дует учитывать зависимость критического тока
/кр, при котором наступает обрыв, от давле-
ния р водорода в баллоне, длительности т им-
пульса тока через тиратроп и от размеров се-
точных отверстий. Качественный ход зависимос-
тей Iкр от перечисленных параметров известен
[3, 4]. Целью настоящих исследований явля-
ется нахождение рабочей точки тиратрона и его
основных характеристик как коммутатора для
индуктивных накопителей энергии.
Эксперимент проводился на установке, схе-
ма которой представлена на рис. 1. Опа со-
стоит из зарядного устройства ЗУ, индуктив-
ного накопителя L, коммутатора на водородном
тиратроне Л, нелинейной нагрузки II и работа-
ет следующим образом: после включения тира-
трона индуктивность заряжается током от ЗУ;
в момент когда зарядный ток достигает значе-
ния /Кр, тиратрон выключается и на нагрузке
формируются высоковольтные импульсы.
В качестве коммутатора исследовались ти-
ратроны, имеющие различное конструктивное
исполнение сетки: ТГИ1-50/5, ТГИ2-130/10,
ТГИ2-260/12. Давление водорода р регулиро-
валось изменением напряжения подогревателя
генератора водорода U„. Зависимости р от Un
приведены в [3] и позволяют провести соответ-
ствующий пересчет. Длительность импульса
тока т изменялась варьированием индуктивнос-
ти L. В результате проведенных исследований
получены зависимости I,,р от Un и т при раз-
личных L (рис. 2 и рис. 3 соответственно).
По этим графикам можно определить область
8 птэ, м з
113
Рис. 2. Зависимость критического тока Укр от напряже-
ния подогревателя Va генератора водорода при раз-
личных значениях индуктивности накопителя, ука-
занной у кривых в миллигенри для тиратронов: 1 —
ТГИ2-260/12, 2— ТГИ1-50/5, 3 — ТГИ2-130/10
рабочих значений UB для различных типов ти-
ратронов.
Критерием выбора рабочей точки тиратрона
будем считать максимум энергии W, запасенной
в накопителе:
W = L/'.p/2. (1)
Попытка увеличения W за счет индуктивнос-
ти накопителя L приводит к уменьшению амп-
литуды импульса тока /кр через тиратрон, и при
значениях /кр, мепыпих пороговой величины,
ток перестает обрываться. Для ТГИ1-50/5 по-
роговый ток обрыва 12 А, для ТГИ2-130/10 —
45 А и для ТГИ2-260/12 — 100 А. Эксперимен-
тально было установлено, что энергия, запасен-
ная накопителем, достигает максимума в диа-
пазоне изменения L от 0,1 до 1,3 мГн для всех
исследуемых тиратронов. Максимальная вели-
чина /кр, достигаемая в этом случае, зависит
от границы устойчивости режима обрыва тока,
определяемой предельными значениями Ua.
В экспериментах это проявлялось в виде по-
вторных неуправляемых включений тиратрона.
Подобный эффект связан с конструкцией сеточ-
ного узла. Наиболее устойчивым в этом отно-
Рис. 3. Влияние длительности импульса па величину
критического тока прп изменении напряжения подогре-
вателя генератора водорода для тиратронов: 1 —
ТГИ2-260/12, 2 — ТГИ2-130/10, 3 — ТГИ1-50/5
Рис. 4. Семейство кривых W = / (/кр) для тиратрона
ТГИ2-260/12 прп значениях индуктивности накопителя,
указанной у кривых в миллигенри
шении оказался тиратрон ТГИ2-130/10 с диа-
метром сеточных отверстий 2 мм. У ТГИ1-50/5
и особенно у ТГИ2-260/12, имеющих диаметры
сеточных отверстий 2,5 и 4 мм соответственно,
скорости выноса газа, зависящие в общем слу-
чае как от конструкции сетки, так и от /кр,
меньше скорости деионизации, вследствие чего
вероятность повторных включений велика. Как
видно из рис. 2, граница устойчивого режима
обрыва тока у ТГИ1-50/5 и ТГП 2-260/12 лежит
в диапазоне значений Ua = 4,8 4- 5,0 Вис
увеличением длительности импульса тока т
смещается в сторону меныпих значений Un.
У ТГИ2-130/10 эта граница выше и составляет
5,5 В. С ростом т она не смещается.
Таким образом, существует оптимум по
максимуму энергии, запасенной в накопителе,
114
Рис. 5. Осциллограммы импульсов напряжения на не-
линейной нагрузке для тиратронов: 7 — ТГИ2-260/12;
2 — ТГИ2-130/10; 3 — ТГИ1-50/5
ограниченный, с одной стороны, величиной L,
а с другой — максимальным значением /кр,
зависящим от границы устойчивости режима
обрыва тока.
На рис. 4 представлено семейство кривых
W — f (1Кр) при различных значениях L для
тиратрона ТГИ2-260/12. Здесь четко прослежи-
вается наличие оптимума, позволяющего одно-
значно выбрать рабочую точку тиратрона (/ьр
и Z7n), а также индуктивность накопителя L
и определить соответствующую длительность
импульса тока т пли, говоря иначе, время на-
копления энергии. Полученные значения т
в совокупности с величиной предельной рассеи-
ваемой мощности на аноде тиратрона дают ин-
формацию о частотных свойствах коммутатора.
Так, для ТГИ1-50/5 и ТГИ2-260/12 максималь-
ная частота следования импульсов 60 Гц, а для
ТГИ2-130/10 — 140 Гц. Временной разброс мо-
мента обрыва тока для всех тиратронов соста-
вил 14-2 мкс при нестабильности /кр поряд-
ка 10 4- 15%.
Измерения амплитуды и длительности им-
пульсов напряжения на аноде тиратрона в мо-
мент его включения позволили оценить электри-
ческую прочность п время размыкания. На
рис. 5 приведены соответствующие осцилло-
граммы для исследуемых тиратронов, находя-
щихся в оптимально подобранных рабочих точ-
ках. Из них видно, что в момент обрыва тока
электрическая прочность тиратронов в ~8 раз
превышает паспортное значение. При этом вре-
мя размыкания составляет 50 4- 100 нс.
Таким образом, обобщая результаты экс-
периментов, можно сделать вывод, что приме-
нение в тиратроне режима обрыва тока позво-
лило использовать его как коммутатор, кото-
рый длительное время способен пропускать
большие токи, обладает высокой электриче-
ской прочностью и малым временем размыка-
ния. Частотные свойства коммутатора опреде-
ляются длительностью импульса тока т и мак-
симально допустимой рассеиваемой мощностью
на аноде тиратрона.
Полученные результаты были использованы
для создания экспериментального образца ге-
нератора с индуктивным накопительным эле-
ментом, схема которого аналогична рис. 1.
В качестве зарядного устройства использовался
конденсатор емкостью 10 мкФ, заряжаемый до
напряжения 1 4- 3 кВ. Применение описанной
схемы с тиратроном ТГИ2-260/12 позволило су-
щественно облегчить проведение ряда исследо-
ваний, для которых в ином случае пришлось бы
использовать емкостные накопительные элемен-
ты с высоковольтными источниками постоянного
тока.
Автор выражает благодарность Ю. М. Хох-
лову за постоянное внимание к работе и полез-
ные обсуждения.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Шёнбах К., Кристиансен М., Шефер Г. // ТИМУР
1984. Т. 9. № 8. С. 28.
2. Гаврилов И. М., Григорьев И. И., Ермолович Э. С. И
ПТЭ. 1985. № 5. С. 99.
3. Фогельсон Т. Б., Бреусова Л. И., Вагин Л. Н. Им-
пульсные водородные тиратроны. М.: Сов. радио.
1974. С. 95, 162.
4. Каганов И. Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972.
С. 367.
Казанский авиационный институт
Поступила в редакцию 13.1.1986
8* 115
УДК 621.387.35
ПТЭ № 3, 1987
ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ТОКА С МАГНИТНЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ
\РШ А. М., КРИЖЛПОВСКИП В. II., КУЗЬМИЧЕВ Л. И., ЛАПШИН В. А., РТИЩЕВ В. М„
ШЕНДАКОВ А. И.
Описан прерыватель тока, использующий разряд в скрещенных нолях. В нем до-
стигнуто снижение мощности управления и времени обрыва тока благодаря разделению
промежутка па две части, отличающиеся межэлектродным расстоянием. Разряд воз-
буждается в промежутке с большим расстоянием, а гасится в промежутке с меньшим
расстоянием. При напряжении 15 кВ ток 1 кА отключается за 5 мкс.
При разработке мощных импульсных систем
с емкостными и индуктивными накопителями
энергии находят применение в качестве комму-
тирующих элементов газоразрядные приборы
с магнитным управлением, которые способны
прерывать токи до нескольких килоампер при
напряжении до 100 кВ в частотном режиме II,
21. Принцип работы прерывателя основан па
возбуждении сверхплотного тлеющего разряда
(с.п.р.) в цилиндрической системе электродов
типа обращенного магнетрона, помещенной в
продольное магнитное поле. Магнитное поле 7/в,
при котором возбуждается с.п.р., должно быть
таким, чтобы высота циклоидальной траекто-
рии электронов была меньше межэлектродного
расстояния (1. В этом случае увеличиваются
длина пробега электронов между электродами
и интенсивность производимой ими ионизации
газа. Если давление газа р в магнетроне ниже,
чем давление, при котором возникает самостоя-
тельный разряд, соответствующий кривой Ли-
шена, то при выключении магнитного поля ус-
ловия поддержания разряда нарушаются и он
гаснет. После гашения с.п.р. анодное напряже-
ние на приборе возрастает до величины, опре-
деляемой параметрами схемы.
При использовании магнетронной системы
электродов необходимо находить компромисс
между мощностью управления и временем гаше-
ния разряда. Это связано с тем, что указанные
параметры различным образом зависят от зазора
d при постоянном р. Чем больше d, тем меньшее
магнитное поле требуется для возбуждения
с.п.р., поскольку Had л const. Однако при
этом увеличивается время гашения разряда,
которое приблизительно пропорционально d2.
Кроме того, уменьшение d приводит к увеличе-
нию на несколько десятков вольт падения на-
пряжения на приборе, находящемся в проводя-
щем состоянии.
Для устранения этого противоречия целесо-
образно межэлектродный промежуток выпол-
нять в виде двух частей, отличающихся меж-
электродным расстоянием, как показано па
рис. 1. При этом первый промежуток 1 с боль-
шей величиной dt предназначен для возбужде-
ния и поддержания разряда, а второй промежу-
ток 2 с меньшей величиной d2 — для его гаше-
ния. .Межэлектродные промежутки образуются
внешним цилиндрическим катодом 3 и внут-
ренним анодом, состоящим из двух секций 4
и 5 разного диаметра. Каждый из промежутков
охвачен снаружи прибора собственной катуш-
кой управления. Для устранения статистиче-
ского запаздывания возбуждения разрядгт в
прибор вводится система поджига в виде источ-
ника заряженных частиц. Рабочим газом слу-
жит водород, который получают с помощью раз-
мещаемого в оболочке прибора генератора на
гидриде титана.
Принцип работы прерывателя иллюстриру-
ется эпюрами, приведенными на рис. 2. Для
упрощения принята прямоугольная форма им-
пульсов. При пропускании через катушку 6
Рис. 2, Эпюры импульсов магнитного поля и анодного
тока прерывателя
116
импульсов тока длительностью тп создающего
магнитное поле Ни, в промежутке 1 за-
жигается с.п.р., обеспечивающий прохождение
тока /а через прибор. Амплитуда тока 0,1 4-
4- 1 кА. В момент, близкий к окончанию им-
пульса Нх, в катушку 7 подается импульс тока
длительностью т2, создающий в промежутке 2
магнитное поле Н2. Величина П2 должна быть
достаточной для поддержания с.п.р. в проме-
жутке с уменьшенной величиной d2. Для этого
необходимо, чтобы циклотронный радиус для
электронов, ускоренных в слое катодного паде-
ния потенциала, составляющего ~ 500 В, был
меньше d2/2. После окончания импульса тока
в катушке 6 разряд поддерживается только в
промежутке 2, охваченном катушкой 7. Пос-
ле окончания импульса П2 разряд гаснет, а
длительность импульса та анодного тока 7а
равна Tj + т2 — Ат. Очевидно, что прп иной
форме импульсов магнитного поля, например
полусинусоидальной, величина та будет не-
сколько меньше данной суммы.
Длительность второго импульса т2 должна
быть такой, чтобы произошел распад плазмы в
первом промежутке. Для уменьшения влияния
разряда, поддерживаемого в промежутке 2, на
процессы деионизации в промежутке 1 катуш-
ку 7 удаляют от этого промежутка на расстоя-
ние I, так что второй промежуток па отрезке I.
выполняет роль депонизационного фильтра.
Чем больше I, тем меньшее влияние будет ока-
зывать разряд на распад плазмы в первом про-
межутке, но при этом ухудшаются условия
переброса разряда из первого промежутка во
второй. Оптимальным является соотношение
I 2d2.
Описанный прерыватель испытывался в схе-
ме импульсного генератора с частичным раз-
рядом емкостного накопителя па активную
нагрузку в режиме: 7/а 15 кВ, /а 1 кА,
длительность импульса тока та.= 40 4-
4- 200 мкс, средний коммутируемый ток 0,5 А.
Ориентировочные размеры прерывателя: d1 =
= 20, d2 = 8 мм, диаметр катода 120 мм. Так
как основную тепловую нагрузку несет первая
секция анода 4 (рис. 1), ее длина в 3 4- 5 раз
превосходит длину второй секции 5. Давление
водорода составляет 5 4- 10 На. Форма импуль-
сов магнитного поля полуспнусоидальная, дли-
тельность импульсов по основанию: т1 = 20 4-
4- 185, т2 = 30 мкс. Минимпльпая амплитуда
импульса Н\, прп которой возбуждается разряд
при ил — 15 кВ. достигается, если на 1 см
длины катушки 6 приходится 1200 ампер-вит-
ков.
Величина П\, необходимая для возбуждения
с.п.р. в первом промежутке, в 2—3 раза меньше
напряженности поля, требуемого для возбуж-
дения разряда во втором промежутке при том
же £7а = 15 кВ. Напряженность поля Н2 пли
число ампер-витков на единицу длины катушки
7, прп которых происходит переброс разряда
во второй промежуток после выключения поля
в первом, составляет 0,45 Нх прп Нл = 15 кВ.
Это связано с тем, что 11„ возрастает с повыше-
нием напряжения на электродах газомагпетро-
на. Так как П2 должно обеспечить возбуждение
с.п.р. при напряжении его поддержания
~ 500 В, а Нх — при Ua = 15 кВ, то П2 <
< //;. По мере снижения коммутируемого на-
пряжения величина Нг приближается к Н2.
Можно сделать вывод о том, что данный способ
повышения энергетической эффективности уп-
равления наиболее целесообразен при высоких
коммутируемых напряжениях ( 10 кВ).
При увеличении отношения d} d2 до трех
и выше напряженность 112 становится больше
//,, но и в этом случае данный способ управле-
ния остается эффективным, так как второй уп-
равляющий импульс имеет меньшую длитель-
ность, чем первый, а общее число ампер-витков
короткой катушки 7 всегда меньше аналогич-
ного числа для длинной катушки 6.
Форма импульсов тока в анодной цепи за-
висит от взаимной ориентации магнитных полей
в катушках управления и степени перекрытия
управляющих импульсов Ат (рис. 2). При
встречном включении катушек и при недоста-
точной длительности Ат наблюдаются колеба-
ния анодного тока, вызванные полным пли час-
тичным гашением разряда в момент переброса.
В случае согласованного включения катушек
и при Ат 5 мкс происходит переброс разряда
во второй промежуток без заметных колебаний
тока с последующим гашением с.п.р.
Если не генерировать второй импульс маг-
нитного поля и гасить с.п.р. в промежутке dA,
время прерывания тока амплитудой 1 кА, оп-
ределяемое по времени спада тока от уровня
0,9 до уровня 0,1, составляет 35 мкс. При ра-
боте с двумя импульсами, когда разряд гасит-
ся во втором промежутке d2, время прерывания
тока той же величины составляет 5 мкс. При
7а = 300 А время прерывания равно 3 мкс.
Работу прерывателя с одним и двумя управляю-
щими импульсами магнитного поля демонст-
рируют осциллограммы анодного тока, приве-
денные па рис. 3; во втором случае (рис. 3, б)
время прерывания существенно меньше.
Прерыватель работает успешно, если в нем
не возникают вакуумные дуги, на которые
внешнее магнитное поле с напряженностью
~ Н„ не действует. Наиболее вероятно образо-
вание дуг в период прерывания тока, когда па
катоде резко возрастает напряженность элект-
рического поля и усиливается ионная бомбар-
дировка. Наличие загрязнений на поверхности
электродов, диэлектрических вкраплений, в
117
Рис. 3. Осциллограммы анодного тока прерывателя при включении только первой ка-
тушки 6 (а) и поочередном включении обеих катушек (б); U — 10 кВ. Масштаб
150 A/деление, развертка 20 мкс/деленпе
том числе окисных пленок, увеличивают ве-
роятность дугообразования. Поэтому рекомен-
дуется использовать чистометаллические мало-
распыляемые электродные материалы, подверг-
нутые термической вакуумной очистке с после-
дующей тренировкой в приборе газовым раз-
рядом [1]. Во время тренировки происходит
разрушение мпкропеоднородностей и окисных
пленок на катоде. Наиболее предпочтительно
использовать тугоплавкие металлы, например
тантал, [1]. Удовлетворительные результаты
получены при использовании нержавеющей ста-
ли Х18Н10Т 12], обеспечивающей отсутствие
переходов в дугу при непрерывной работе с
частотой повторения 25 Гц в течение 3 ч.
Таким образом, полученные данные свиде-
тельствуют о целесообразности выполнения га-
зоразрядного магнитоуправляемого прерывате-
ля тока с двумя рабочими промежутками, отли-
чающимися межэлектродным расстоянием. Раз-
работанный прерыватель тока отличается прос-
тотой конструкции и технологии изготовления,
компактностью. Размеры прибора: ф 145, вы-
сота 430 мм, масса 6 кг.
ЛИТЕРАТУРА
1. Престон В. А ., К римановский В. II., Кузьмичев А .II.
и др. // Обзоры но электрон, технике. Сер. Элект-
ровакуумные и газоразрядные приборы. М.: ЦНИИ
«Электроника», 1979. Вып. 2 (623). С. 3.
2. Андронова В. II., Арш А. М., Примаковский В. И.
и др.Н ПТЭ. 1983. № 3. С. 235.
Киевский политехнический институт
Поступила в редакцию 16.XII.1985
УДК 621.373 ПТЭ № 3, 1987
УПРАВЛЯЕМЫЙ ОБОСТРЯЮЩИЙ ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
НА 2,5 МВ
ЕВЛАМПИЕВ С. Б., КОРШУНОВ Г. С., СВИРИДОВ 10. Ф., ХМЫРОВ В. В.
Описан обостряющий газонаполненный разрядник с секционированным изоля-
ционным корпусом на максимальное рабочее напряжение 2,5 МВ при длительности
воздействующего импульса до 50 мкс. Определены условия для оптимального выбора
размеров и количества секций, позволяющие получить максимальную рабочую напря-
женность поля вдоль поверхности изолятора. Схема управления разрядником выпол-
нена с автономным питанием и расположена под высоким потенциалом вместе с разряд-
ником. Испытания показали надежную работу изоляции разрядника вплоть до 2,7 МВ.
Нестабильность времени задержки срабатывания разрядника от момента начала заря-
да формирующего устройства нс превышает +0,1 мкс при времени заряда 3-8-50 мкс
Интенсивное развитие исследований в об-
ласти термоядерного синтеза, создание сверх-
мощных источников излучений связано с приме-
нением генераторов мегавольтных наносекунд-
иых импульсов, одним из основных элементов
которых является малоиндуктивный коммута-
тор, обеспечивающий высокие скорости нарас-
тания мощности на нагрузке. Созданные к нас-
тоящему времени газовые разрядники мега-
вольтного диапазона работают в основном при
118
Рис. ]. Компоновка разрядника. 1 — осповпыс элект-
роды, 2 — градиентное кольцо (дюраль), 3 — изоля-
ционное кольцо (оргстекло), 4 — керамическая втул
ка, 5 — поджигающий электрод, 6 — стягивающий
элемент, 7 — дополнительное изоляционное ^кольцо,
8 — автономный блок управления
микросекундных и меньших экспозициях нап-
ряжения в режиме среза, т. е. управля
ются со стороны «земли» [1 4- 3]. Однако в
ряде случаев времена воздействия напряжения
на коммутаторы составляют десятки и более
микросекунд, а сами они работают в режиме
обострителя, когда их пусковые схемы находят-
ся под полным рабочим напряжением. Это тре-
бует использования сложных развязывающих
элементов на том же уровне напряжения. Прак-
тически единственным путем, позволяющим сде-
лать более равномерным распределение напря-
жения вдоль поверхности изоляционного кор-
пуса разрядника и, следовательно, добиться
минимальных габаритов, что особенно важно
при больших экспозициях воздействующего на-
пряжения, является его секционирование [3,
41. В связи с этим возникает задача определения
оптимальных геометрических параметров и чис-
ла секций изоляционного корпуса, позволяю-
щих для заданного максимального рабочего нап-
ряжения получить минимальную высоту сек-
ционированного изолятора с учетом требуемой
надежности работы его изоляционных элемен-
тов.
В данной работе приведены результаты раз-
работки и исследования управляемого обост-
ряющего разрядника с секционированным изо-
лятором на 2,5 МВ при длительности воздейст-
вующего напряжения до 50 мкс, в котором ав-
тономный блок управления (а.б.у.) расположен
под высоким потенциалом вместе с разрядни-
ком. Для обеспечения широкой зоны неперест-
раиваемой работы независимо от полярности
приложенного напряжения разрядная камера
разделена па два модуля. Между модулями раз-
мещен а.б.у., вырабатывающий поджигающие
импульсы, подаваемые одновременно на три-
гатронпые узлы каждого из модулей. А.б.у.
запускается сигналом, снимаемым с емкостного
делителя, образованного градиентными коль-
цами разрядной камеры.
Конструкция разрядника приведена на
рис.1. Для достижения большей равномерно-
сти поля в рабочих промежутках разрядника иск-
ровый зазор каждого из модулей разбит на два
зазора, один из которых управляемый, другой
срабатывает при перенапряжении. В трига-
троппых узлах устанавливалась керамическая
втулка (е = 2 4- 3), выдвинутая в основной за-
зор на высоту, составляющую 5% от его вели-
чины [5]. В качестве рабочей среды разрядника
использовались азот, элегаз и их смеси. Макси-
мальное рабочее давление составляло 1,6 МПа.
Внешней изоляцией разрядной камеры служило
трансформаторное масло. Секционированный
корпус каждого модуля состоит из шести колец
из оргстекла, разделенных дюралюминиевыми
градиентными кольцами толщиной 8 мм. Гер-
метизация модулей осуществлялась резиновы-
ми прокладками и двенадцатью стягивающими
элементами, выполненными из кабельного сер-
дечника ф 7,5 мм из сверхвысокомодульного во-
локна СВМ-К.
Для выбора оптимальных размеров и коли-
чества секций изолятора был проведен комп-
лекс исследований по определению разрядных
напряжений единичных секций как со стороны
трансформаторного масла, так и с внутренней
стороны, находящейся в сжатом газе, и выяв-
лению влияния конструктивных параметров
разрядной камеры и формирующего устройства
на распределение напряжения по секциям.
В результате экспериментов было установлено,
что при зазоре между диэлектрическими и гра-
диентными кольцами, не превышающем 0,05 мм,
и рабочем давлении элегаза или его смесей с
азотом 1,0 4- 1,6 МПа рабочее напряжение еди-
ничной секции определяется электрической
прочностью ее наружной поверхности в транс-
форматорном масле во всем исследованном диа-
пазоне длительностей воздействующих па
разрядник импульсов. За (Эф принят промежу-
ток времени от момента достижения напряже-
нием величины 63% от амплитудного значения
до начала среза напряжения разрядником. Бы-
ло получено выражение, позволяющее опреде-
лить с погрешностью 10% поверхностное
пробивное напряжение Un секций из оргстекла
119
в трансформаторном масле прп изменении высо-
ты секций d от 1 до 6 см и от 1 до 100 мкс:
Un = 3OOdo.’s^-u, кВ.
Коэффициент вариации о* значении Бп состав-
лял 10 4- 12%.
Исследования показали, что поверхностное
пробивное напряжение стягивающих элементов
из СВМ-К после их пропитки трансформаторным
маслом под вакуумом не ниже, чем по поверх-
ности секций. Разрывное усилие сердечника
15 4- 20 кН. Оно позволяет работать при раз-
личной и изменяющейся температуре окружаю-
щей среды в диапазоне —30 4—|-40° С. Случай-
ные разряды вдоль поверхности стягивающих
элементов из СВМ-К не приводят к потере ими
механической прочности. Эти несомненные пре-
имущества сердечника перед используемыми
ранее шпильками из оргстекла [1], капролона
|6] и других материалов обусловили примене-
ние его в описываемом разряднике. Испытатель-
ное давление в разряднике 2,5 МПа.
Оптимальные параметры секционированно-
го изолятора определяются следующими фак-
торами: при уменьшении высоты секции уве-
личивается ее электрическая прочность; прп
увеличении числа секций и постоянной высоте
изолятора увеличивается коэффициент нерав-
номерности распределения /гн, равный отноше-
нию максимального падения напряжения на
какой-либо из секций к падению напряжения
на ней при условии равномерного распределе-
ния. Кроме того, с ростом числа секций увели-
чивается число градиентных колец, что приво-
дит к замещению полезного объема диэлектри-
ка металлом. Из экспериментально найденных
вышеотмеченных зависимостей следует, что оп-
тимальная высота секции d не зависит от общей
высоты изолятора и, следовательно, от задан-
ного уровня рабочего напряжения Up и может
быть определена из выражения
d = А-</г/(0,9 — к),
где dr — толщина градиентного кольца; к —
величина показателя степени в выражении для
пробивного напряжения наименее прочной по-
верхности секции от ее высоты (в трансформа-
торном масле к = 0,75). Оптимальное количе-
ство секций п с учетом коэффициента к„ можно
найти из соотношения
С р == nt ni(.kjkH)<
где к3 — коэффициент запаса, определяемый
из заданной величины вероятности отказа ра-
боты изоляции и коэффициента вариации а*.
Расчет максимального рабочего напряже-
ния для разработанного разрядника при t3$ =
= 50 мкс и заданной вероятности безотказной
работы 0,95 дал значение Up — 2,5 МВ при
Рис. 2. Принципиальная схема автономного блока уп-
равления. БП — блок питания, СН, ПН — стабилиза-
тор п преобразователь напряжения, 4J5 — аккумуля-
торная батарея, ГПИ — генератор поджигающих им-
пульсов, И1\-г-ИТ3—импульсные трансформаторы,
СС — схема синхронизации, УВЗ — устройство вре-
менной задержки. Дх, Д.г — Д815А, Д3 и Д., — Д223,
Д3 — Д226, Д6— КУ202Н; Рх — защитный разряд-
ник Р350, Р2 — многоискровый управляемый разряд-
пие, Р3, Рл — тригатропные узлы; Bt, П., — ТВО-0,5-
220;, С\ — ПКГТ-П (2 X 0,5 мкФ, 5 кВ), С, - МБМ
(0,05 мкФ, 400 В), С3 — МБМ (0,025 мкФ,’400 В)
п = 12 (к3 = 1,4; Ан = 1,55; Un = 450 кВ).
Прп этом общая высота разрядной камеры без
крайних фланцев составила 70 см при высоте
одного модуля 26 см.
Принципиальная схема а.б.у. разрядника
приведена на рис. 2. Основными элементами
блока являются блок питания БП, генератор
поджигающих импульсов ГПИ, схема синхро-
низации СС, обеспечивающая запуск ГПИ в за-
данный момент времени. В состав БП входят
аккумуляторная батарея ЛБ, состоящая из
двух последовательно включенных батарей
5НК-13-1; стабилизатор напряжения СИ, слу-
жащий для поддержания напряжения питания
па заданном уровне 11,5 В в процессе разряда
АБ-, преобразователь напряжения ИН. Вклю-
чение и выключение а.б.у., а также подзарядка
АБ происходит с помощью штанг, установлен-
ных в корпусе формирующего устройства. ГПП
выполнен па основе импульсного трансформа-
тора ИТ3 с ферритовым сердечником с соотно-
шением витков 2 : 120. Подача поджигающих
импульсов амплитудой до 150 кВ и длитель-
ностью фронта 0,2 мкс осуществляется одно-
временно па оба тригатронных узла Р3 и Р4.
Коммутация конденсатора Сх на первичную
обмотку трансформатора осуществляется мно-
гоискровым управляемым разрядником Р2. ко-
торый запускается сигналом, вырабатываемым
схемой синхронизации. СС предназначена для
преобразования запускающего импульса, сни-
маемого с емкостного делителя напряжения,
положительной и отрицательной полярности
амплитудой 50 4- 300 В в импульс отрицатель-
ной полярности амплитудой 3,5 кВ с задерж-
120
Рис. 3. Зависимость напряжения самопробоя Сдр от
давления газа. 1 — рабочая среда N2, суммарная вели-
чина межэлектродного промежутка 5 = 6 см (4 X
X 1,5 см); 2 — N,, 5 = 8,8 см (4 X 2,2 см); 3 — 10%
SFe-f-90% N2, 5=6 см; 4 — SFe, 5=6 см; 5 — 10%
SFe -J-90% N,, 5 = 8,8 см; 6 — 50% SFe 4- 50% N2,
5 = 8,8 см
кой, соответствующей требуемому моменту
запуска разрядника. Устройство временной за-
держки УВЗ выполнено по схеме с переключаю-
щими диодами [7]. Для защиты устройства от
перенапряжений служит защитный разрядник
Pj. Все элементы схемы а.б.у., кроме импульс-
ного трансформатора ИТЛ и конденсатора С3,
размещены в трех герметичных контейнерах.
Исследование работы разрядника проводи-
лось па установке наружного исполнения. Раз-
рядник устанавливался на выходе формирую-
щего устройства и коммутировал малоппдук-
тивный «обостряющий» конденсатор на нагруз-
ку с волновым сопротивлением -—'100 Ом. На
рис. 3 приведены зависимости напряжения са-
мопробоя Unp от давления газа для импульсов
положительной полярности длительностью
50 мкс. Из графиков видно, что при использова-
нии смеси 10% SFe 4- 90% N2 и при суммарной
величине зазора 8.8 см достигнуто напряжение
самопробоя 2,45 МВ. Заполнение разрядной
камеры газовой смесью с большим содержанпем
SFe позволило увеличить пробивное напряже-
ние 2,5 МВ. Максимальная амплитуда им-
пульса напряжения на разряднике достигала
2,7 МВ, при этом нарушений электрической
прочности изоляции разрядной камеры не на-
блюдалось. Зависимость Unp от суммарной дли-
ны межэлектродпого промежутка S при давле-
ниях 1,0 4- 1,6 МПа в техническом азоте зна-
чительно слабее, чем для среды с элегазом,
и использование азота в разряднике позволяет
работать при напряжениях ^1,2 4- 1,4 МВ.
При работе с а.б.у. достигнута надежная
управляемая работа разрядника в диапазоне
напряжений 0,35 4- 2,5 МВ без перестройки
его рабочих зазоров и пусковой цепи блока
управления. Диапазон неперестраиваемой ра-
боты при положительной полярности импульса
составил 45 4- 50% от напряжения самопро-
боя. Стабильность срабатывания разрядника от
момента начала зарядки формирующего устрой-
ства не хуже +0,1 мкс при времени заряда
3 4- 50 мкс.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бастрикон А. И., Ковальчук Б. М., Кокшенев В. А.
и др. И ПТЭ. 1983. № 1. С. 83.
2. Вечерковский В. В., Истомин Ю. Л., Коба Ю. В.
и др. И ПТЭ. 1983. № 4. С. 124.
3. Merser S., Smith I., Martin. T. Energy Storage, Com-
press and Switching Proc. Int. Conf. Asti-Torino,
1974. P. 459.
4 Евдокимович В. M., Евлампиев С. Б., Коршунов
Г. С. и др. И ПТЭ. 1980. № 5. С. 127.
5. Коршунов Г. С.. Хмыров В. В., Бажов В. Ф.. Пи-
чугина М. Т. И ПТЭ. 1974. Л» 4. С. 92.
6. Ковальчук Б. М., Кремнев В. В., Иоталицин К). Ф.
Сильноточные напосекупдиые коммутаторы. Ново-
сибирск: Наука, 1979, С. 176.
7. Багинский Б. А., Отрубянников Ю. А., Ярославцев
Е. В. II ПТЭ. 1975. № 1. С. 125.
НИИ высоких напряжений
при Томском политехническом институте
Поступила в редакцию 30.IV. 1985-
121
УДК 621.316.933 (088.18)
ПТЭ № 3, 1987
УПРАВЛЯЕМЫЙ наносекундный твердотельный разрядник
МНОГОКРАТНОГО ДЕЙСТВИЯ
КОРШУНОВ Г. С., ПАИГМН в. м.
Описан управляемый твердотельный разрядник многократного действия с нано-
секундными временами срабатывания. Исследованы его пусковые характеристики в
зависимости от материала твердого диэлектрика, амплитуды поджигающего импульса
и режимов работы. При коммутировании энергии емкостного накопителя 70 кДж и за-
рядном напряжении 1 ч- 10 кВ разрядник обеспечивает время запаздывания ~20 нс
с разбросом 1,5 ч- 3 пс.
Одним из основных элементов высоковольт-
ных импульсных устройств являются искро-
вые разрядники, которые определяют выходные
параметры формируемых на нагрузке импуль-
сов напряжения и тока. Для достижения наи-
большей скорости роста разрядного тока при-
меняются коммутаторы с разрядом в твердом
диэлектрике [1J, обладающем высокой электри-
ческой прочностью. Это обеспечивает малые
величины разрядного промежутка (при напря-
жении 104 ч- 10е В толщина пе превышает
0.1 4- 10 мм) и индуктивности разрядного кон-
тура. Однако, твердотельные разрядники не
применяются в широких масштабах из-за не-
удобств, связанных с необходимостью их пере-
борки при замене пробитой прокладки и слож-
ностью ее изготовления для разрядников с
наносекундными временными характеристика-
ми [2].
В [3] был предложен способ запуска твердо-
тельного разрядника, основанный на формиро-
вании разряда в системе электродов, располо-
женных на границе раздела твердого и жидкого
диэлектриков [41. При подаче импульса напря-
жения на один из электродов разряд начинает
Рис. 1. Схема установки. 1 — полиэтиленовый корпус,
2, 4, 5 — высоковольтный, заземленный и пусковой
электроды соответственно, 3 — твердотельная про-
кладка, 6 — трансформаторное масло, 7 — катушка,
8 — механизм протяжки, 9 — источник постоянного
напряжения отрицательной полярности, 10 — генера-
тор Аркадьева-Маркса, 11 — батарея конденсаторов,
Л — отрезок коаксиального кабеля КПВ-1/250
развиваться непосредственно в толще твердого
диэлектрика, что используется для иницииро-
вания пробоя основного промежутка разрядни-
ка. В таком разряднике возможно без его пе-
реборки осуществлять автоматическую протяж-
ку твердого рабочего тела и коммутировать
энергию в частотном режиме.
Ниже приведены результаты исследования
пусковых характеристик твердотельного раз-
рядника, управляемого поджигающей искрой,
вынесенной в глубь промежутка, в зависимости
от типа твердого диэлектрика, амплитуды под-
жигающего импульса и режимов его ра-
боты.
Схема установки приведена на рис. 1.
Сплошной линией обозначена схема включения
твердотельного разрядника для исследования
его пусковых характеристик в статическом ре-
жиме, а пунктирной — включение разрядника
при параллельной работе геиератора импульс-
ных напряжений (г.и.н.) и генератора импульс-
ных токов (г.и.т.). Разрядник размещался в
полиэтиленовом корпусе 7, заполненном транс-
форматорным маслом 6. Между высоковольт-
ным электродом 2 и заземленным 4, внутри
которого располагался пусковой электрод 5,
устанавливалась твердотельная прокладка 3.
Катушка 7 с запасом прокладки и механизм
ее протяжки 8 закреплялись на корпусе раз-
рядника. Для первой схемы электроды раз-
рядника были изготовлены из латуни с диа-
метром основных электродов 40 и пускового
13 мм, а для схемы параллельной работы г.и.п.
и г.и.т. применялись стальные электроды ф 60
и 10 мм соответственно.
При исследовании пусковых характеристик
разрядника в качестве формирующего элемен-
та Л использовался отрезок коаксиального
кабеля КПВ-1/250 длиной 20 м, который за-
ряжался от источника постоянного напряже-
ния отрицательной полярности 9. Генератор
поджигающих импульсов (г.и.п.) (собранный по
схеме с использованием разряда линии па ли-
нию па базе коаксиальных кабелей КВН-120
и управляемого газонаполненного коммутато-
ра) формировал импульсы положительной по-
122
Рис. 2. Зависимость времени запаздывания срабатыва-
ния разрядника от амплитуды импульса г.п.и. и мате-
риала прокладки при А-п = 0,7 и зазоре 1,5 мм. 1 —
полистирол, d = 0,25 мм, £7СП = 142 кВ; 2 — вини-
проз, d = 0,4 мм, Ucn = 135 кВ; 3 — полиэтилен,
d = 0,35 мм, С’сп = 79 кВ (цифры на кривых — сред-
неквадратичные отклонения 13, нс)
t3>HC
Z°0 Ь 5 7,5 игл^,кВ
Рис. 3. Зависимость времени запаздывания срабаты-
вания разрядника от зарядного напряжения генератора
импульсных токов
лярности длительностью 100 не с фронтом 2 нс
и амплитудой до 45 кВ.
Предварительно проведенные исследования
показали, что стабильное зажигание разряда
в твердотельной прокладке при подаче на пус-
ковой электрод поджигающего импульса про-
исходит, когда поджигающий зазор >1,5 мм.
При меньшем зазоре увеличивается вероятность
его перекрытия по границе раздела жид-
кость — твердый диэлектрик.
На рис. 2 приведены зависимости времени
запаздывания срабатывания разрядника /3 от
амплитуды импульса г.п.и. и материала про-
кладки при коэффициенте недонапряжения
А‘н = 0,7 = Up!Ucn, Up — рабочее напря-
жение, Ucn — напряжение самопробоя). Каж-
дая точка на кривых получена статистической
обработкой 15 4- 20 осциллограмм. Время t3
измерялось от момента приложения поджига-
ющего импульса до начала роста тока в основ-
ном промежутке.
Из рис. 2 следует, что меньшие значения t3
достигаются для пленок с большей электри-
ческой прочностью, которые располагаются в
следующем порядке: полистирол (японского
производства), винипроз и полиэтилен, наре-
занный из полиэтиленового блока на станке.
Слабая зависимость t3 от t/г.п.и., особенно
для полистирола и винипроза, при С г.п.и. >
> 20 кВ объясняется высокой напряженностью
электрического поля в основном промежутке
разрядника. Увеличение t3 прп /7г.п.и. <
< 20 кВ связано с уменьшением области рас-
пространения инициирующей искры в толще
диэлектрика, что сильнее проявляется для про-
кладок с меньшей электрической прочностью.
Прп С7г п.1г. = 30 кВ и отсутствии напряже-
ния на высоковольтном электроде всегда про-
исходил полный пробой рабочего промежутка
разрядника от воздействия поджигающего им-
пульса, что указывает на возможность дости-
жения практически неограниченной зоны не-
перестраиваемой работы твердотельного раз-
рядника при описанном способе запуска. При
изменении полярности рабочего и пускового
напряжения на противоположную временные
характеристики разрядника ухудшаются и для
достижения их оптимума требуется повышать
амплитуду игп,ц.. Достигнутые наносекупд-
ные значения ta и его разброса позволяют
использовать разрядники при их параллельном
включении для достижения больших амплитуд
тока и максимальной скорости его нарастания
на нагрузке.
Разрядник был испытан при параллельной
работе г.и.н. и г.и.т., где он использовался в
качестве разделительного элемента источников
и коммутатора г.и.т. (рис. 1). Схема содержала
генератор Аркадьева-Маркса 10. вырабатыва-
ющий импульсы амплитудой до 250 кВ и дли-
тельностью 10 мкс, батарею конденсаторов 11
с запасаемой энергией до 103 Дж при напряже-
нии 1 4- 10 кВ и генератор поджигающих им-
пульсов, подобный [5], формирующий импульсы
напряжения амплитудой до 360 кВ с фронтом
15 нс. Электрод 4 разрядника находился под
потенциалом батареи конденсаторов г.и.т. Про-
кладка была изготовлена из четырех полиэти-
леновых лент, пропитанных маслом, общей
толщиной d = 4 мм, зазор 7 мм. Полярность
напряжения г.и.н., г.и.т. и г.п.и. во всех опы-
тах была положительной.
Схема работает следующим образом. После
подачи на нагрузку zH и электрод 2 разрядника
импульса от г.и.н. амплитудой 150 4- 200 кВ
и спада его до нуля на пусковой электрод 5
поступает импульс от г.п.и., под действием
которого твердотельная прокладка пробивается
по цепи электродов 5—2—4, и через образован-
ный канал батарея конденсаторов разряжается
на нагрузку. Отмеченная последовательность
пробоя прокладки обусловлена индуктивностью
подсоединения электрода 2 к нагрузке zn и
г.и.н.
123
На рис. 3 приведена зависимость времени
запаздывания срабатывания разрядника от
зарядного напряжения г.и.т. при £7г.п.и. =
= 280 кВ. Так как при разряде батареи кон-
денсаторов из-за большой ее индуктивности
ток в цепи нарастает медленно, то для увели-
чения точности измерения t3 при снятии зави-
симости t3 (t/г.и.т.) использовался малоин-
дуктивпый конденсатор. Из графика видно, что
время t3 в исследованном диапазоне изменения
С^г.и.т. практически не зависит от его вели-
чины и определяется в основном временем фор-
мирования разряда в твердом диэлектрике под
действием поджигающего импульса. Средне-
квадратичное отклонение t3 не превышало
1,5 4-3 нс. При пяти разрядах батареи кон-
денсаторов с запасенной энергией 70 кДж че-
рез твердотельный разрядник его характери-
стики не изменились, по для продолжительной
работы в таком режиме необходимо применять
систему постоянной прокачки и очистки всего
объема трансформаторного масла.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Дашук П. И., Зайенц С. Л., Комельков В. С. и др.
Техника больших импульсных токов и магнитных
полей. М.: Атомиздат, 1970.
2. Prestu'ich К. В. И IEEE Trans. 1971. V. NS-18. № 3.
Р. 493.
3. Коршунов Г. С., Матриц В. И., Пайгин В. М. И
Тез. докл. IV Всесоюз. симпозиума по сильноточ-
ной электронике. Часть II. Томск, 1982. С. 58.
4. Казуб В. Т., Коршунов Г. С., Пайгин В. М., Чепи-
ков А. Т. Пзв. вузов. Сер. Физика. 1985. № 2.
С. 107.
5. Капишников Н. К., Муратов В. М. //ПТЭ. 1984.
№ 1. С. 228.
НИИ высоких напряжений
при Томском политехническом институте
Поступила в редакцию 28.V.1986
УДК G81.325
ПТЭ № 3, 1987
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ РЕГИСТРАТОР ФОРМЫ ОДНОКРАТНЫХ
ИМ 11У Л ЬС Н ЫХ СИГНАЛ О в
ХПЛЬЧЕНКО А.Д.
Описан регистратор формы широкополосных однократных импульсных сигналов,
построенный на основе восьмиразрядного аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.)
параллельного типа К1107ПВ2. Прибор предназначен для построения систем регист-
рации быстропротекающих процессов и обеспечивает погрешность преобразования
входного сигнала не более +1 младшего разряда а.ц.п. в полосе частот до 10 МГц. Ре-
гистратор оснащен запоминающим устройством, накапливающим 1024 последователь-
ных по времени отсчета а.ц.п. и выполнен в стандарте КАМАК в одномодульной
станции.
В конце 70-х годов в 1ТЯФ СО АН СССР
разработана широкая номенклатура цифровых
средств регистрации однократных импульсных
сигналов [14-4]. В этих приборах быстродейст-
вующие аналого-цифровые преобразователи
(а.ц.п.) в реальном масштабе времени выраба-
тывают коды текущих амплитудных значений
входного сигнала. Для накопления цифровых
данных в состав регистраторов включены быст-
родействующие запоминающие устройства (з.у.),
объем которых определяет при заданной часто-
те дискретизации длительность регистрируемого
процесса. Управление работой а.ц.п. и з.у. и
их взаимная синхронизация осуществляются
встроенной схемой управления, а сопряжение
с э.в.м.— интерфейсным узлом в стандарте
КАМАК. Приборы этого типа нашли широкое
применение в составе различных информацион-
но-измерительных систем [5, 6].
В последние годы существенно изменилась
элементная база микроэлектроники, появилось
первое поколение быстродействующих интег-
ральных а.ц.п. Результатом этого развития
стала разработка средств регистрации нового
поколения. В данной работе описан прибор,
выполненный на основе а.ц.п. К1107ПВ2.
Аналого-цифровой преобразователь. Па-
раллельный 8-разрядпый преобразователь
К1107ПВ2 с так называемым «мгновенным»
стробированием [7] содержит 255 дифферен-
циальных компараторов, на одни из входов
которых поступает преобразуемый сигнал, а на
другой — опорное напряжение, формируемое
внутренней резистивной сеткой и внешним ис-
точником. В процессе работы с временной за-
держкой 10 4- 15 нс относительно положитель-
ного фронта стробирующего сигнала состояние
компараторов фиксируется включением цепи
положительной обратной связи и преобразуется
в двоичный восьмиразрядный код. С поступле-
нием па а.ц.п. положительного фронта следу-
ющего стробирующего импульса полученный.
124
код переписывается в выходной буферный ре-
гистр, а компараторпая секция фиксирует но-
вое значение амплитуды сигнала. Такой «кон-
вейерный» принцип построения преобразовате-
ля позволил достичь максимальной частоты
дискретизации 20 МГц, ограниченной лишь
суммой временных задержек компараторов и
шифратора.
В идеальном случае фиксация состояния
всех компараторов а.ц.п. осуществляется одно-
временно по внешнему стробирующему сигналу.
Однако входной дифференциальный каскад
каждого порогового устройства обладает пара-
зитными емкостями, существенно влияющими
па качество работы а.ц.п. при преобразовании
широкополосных сигналов.
Определяющее влияние оказывают емкости
база-эмиттерпых переходов транзисторов, так
как их наличие приводит к неконтролируемому
сдвигу порога срабатывания компаратора, вы-
званному модуляцией опорного тока входным
сигналом и, как следствие, к появлению ди-
намических ошибок. Кроме того, из-за разли-
чия опорных уровней и входных токов компа-
раторов при скачкообразном изменении сигнала
в резистивном делителе возникают ударно-воз-
бужденные колебания с декрементом затухания,
зависящим от числа возбужденных каскадов,
величины связанных с ними паразитных емко-
стей и импеданса делителя опорных напряже-
ний .
Частично эти погрешности можно исклю-
чить, если сигнал на вход а.ц.п. подавать через
компенсирующий резистор ~1/4 от номинала
внутреннего делителя. При этом помеха, вы-
зываемая прохождением сигнала па делитель
через паразитные емкости, становится синфаз-
ной с точностью до симметрии входных цепей.
Другой, скрытый механизм образования по-
грешности обусловлен тем, что значение емко-
сти, связанной с аналоговым входом а.ц.п.,
зависит от числа сработавших компараторов.
Неприятным моментом является присутствие
на этом входе импульсов тока, коррелирован-
ных по времени с управляющим сигналом.
Указанные факторы предъявляют повышенные
требования к входному буферному усилителю.
Однако даже самый лучший из них не исклю-
чает ошибок.
Как показано в [81, на поведение компара-
торов в динамике существенное влияние ока-
зывают условия их перевозбуждения в силу
конечности коэффициентов усиления компара-
торов и их частотной зависимости. Можно оп-
ределить площадь перевозбуждения S как про-
изведение амплитуды сигнала перевозбуждения
на минимальное время его удерживания, до-
статочное для срабатывания компаратора.
Предполагая идентичность вольт-секундных
площадей, нетрудно выявить зависимость вре-
мени задержки срабатывания компараторов от
производной входного сигнала и связать раз-
рядность а.ц.п. п, максимальное значение ча-
стоты со обрабатываемого синусоидального сиг-
нала полной амплитуды и площадь S:
, Я/2©
S > 2 { \ sin о/ dt —
1 . 2ЭТ—1
— arcs in——-
(О
Данное уравнение определяет площадь пере-
возбуждения граничного компаратора, нахо-
дящегося на краю шкалы преобразования
а.ц.п. Опуская выкладки, для нашего случая
можно записать
Л, = со/2л < 10"4/5,
откуда при S ~ 0,5’10-10 В-с получим
«С 2 МГц, что существенно меньше величины,
допускаемой теоремой о дискретизации
(10 МГц). Если учесть влияние дифференциаль-
ной нелинейности и разброса частотных харак-
теристик компараторов, то ситуация станет еще
хуже.
Радикальным способом ее улучшения яв-
ляется использование совместно с а.ц.п. быстро-
действующего устройства выборки и хранения
(у.в.х.). Расширение полосы частот обрабаты-
ваемого сигнала при таком подходе связано с
разделением процедур дискретизации и кван-
тования исходного процесса по времени и их
реализацией па различных элементах схемы.
Это предполагает перенос основных требований
по обеспечению динамической точности преоб-
разования па устройство дискретизации, кото-
рым является у.в.х.
Устройство выборки и хранения. Для опре-
деления требований, предъявляемых к у.в.х.,
оценим необходимое время удержания сигнала
на входе а.ц.п. как
~ 2S/q ~ 12,5 нс,
где q — шаг квантования.
Учитывая конечное время затухания удар-
но-возбужденных колебаний в ключевом кас-
каде у.в.х. в момент перехода от выборки к
хрененпю, примем Тх = 20 нс.
Таким образом, при частоте дискретизации
20 МГц для установления у.в.х. с точностью
0,4% выделен интервал всего в 30 пс. До по-
следнего времени единственным реальным ва-
риантом построения у.в.х. с такими параметра-
ми из-за отсутствия соответствующих опера-
ционных усилителей была разомкнутая схема,
требовавшая подбора элементов для обеспече-
125
Рис. 1. Усилитель выборки и хранения, а — структурная схема усилителя; б — прин-
ципиальная 'схема усилителя: .1/х — КР140УД20; 1\, Т2, Т-. Т& — КТ372, 7’3 ч-
ч- Тв- КТ3123, Л, Т12, Г13 - КТ363Б, Г10, Ти - КТ368Б, Ти - КТ3107Д,
Т1В- КТ939, Лв - КТ355А; Дг - КС213Б, Д3, Д3 - КД514А, Д6 ч- Д-, - КС170А
пия статической точности. Однако развитие
усилительных схем с параллельным каналом
и появление их модификации с повторителем
тока на входе [9] позволило вернуться к клас-
сической замкнутой конфигурации у.в.х.
Структурная схема усилителя этого типа
приведена па рис. 1, а. Здесь
1{ос > #вх <С ^1/(1 + J«cpC7?1).
При частоте среза усилителя
0)ср = 4>3R2IHoC 1/2/?2С2,
где юв — частота среза высокочастотного кана-
ла усиления, амплитудно-частотная характе-
ристика (а.ч.х.)имеет наклон 20 дЪ/декаду, чго
нает оценку минимального времени установле-
ния
fe = 4,67?2С21g (1/6),
где 6 — относительная погрешность регулиро-
вания.
Определяющим достоинством схемы усили-
теля данного типа является малое значение
входного импеданса в широком диапазоне час-
тот, исключающее влияние на а.ч.х. полюса,
обусловленного входной паразитной емкостью,
а также перегрузку низкочастотного канала
при резких изменениях входного сигнала. Час-
тота сопряжения каналов данного усилителя
(Ор ~ 1/Ср 1гэ О’б 4* //вых оу)/(1 4* Р)]»
где /?вы.х оу — выходное сопротивление опе-
рационного усилителя, го — сопротивление ба-
зы транзистора, гэ — сопротивление эмиттерно-
126
Рис. 2. Структурная схема регистратора. ИОН — источник опорных {напряжений,
КД — коммутатор данных, РгП — регистратор пределов, РгР — регистр режима,
Дш — дешифратор, ЗГ — задающий генератор, ДЧ — делитель частоты, СЗ —
схема запуска, СС — селектор синхроимпульсов, СчА — счетчик адреса, СчП —
счетчик интервала, ВК — выходной коммутатор, ФО — формирователь ответов,
Вс — согласующий резистор
го перехода транзистора, |’> — коэффициент пе-
редачи по току транзистора.
Основные проблемы при реализации у.в.х.
па базе усилителей с параллельным каналом
связаны с большим ожидаемым значением амп-
литуды сдвига постоянной составляющей па
выходе схемы фиксации из-за разрыва петли
обратной связи по высокочастотному каналу
на этапе храпения. Максимальное значение
этой погрешности для рассматриваемой конфи-
гурации у.в.х. можно оценить из условия «рас-
сасывания» пескомпепспровапной вольт-секунд-
ной площади сигнала, численно равной произ-
ведению его максимального перепада на дли-
тельность этапа хранения, на интервале порядка
постоянной времени сопряжения каналов, т. е.
^м^х
где UM = 2n+'q. При условии
сор < l/2n+1Zx ~ IO"» c-i
амплитуда флуктуаций постоянной составля-
ющей будет меньше шага квантования а.ц.п.
Принципиальная схема у.в.х., построенного
па базе рассмотренного усилителя, приведена
на рис. 1, б. Его высокочастотный канал содер-
жит повторители тока на транзисторах Т, и
Т4, усилительный каскад с динамической на-
грузкой и каскадным включением транзисторов
Г5 -г- Ts, а также выходной широкополосный
повторитель Та 4- Т]2. Симметрия построения
схемы и ее реализация на с.в.ч.-транзисторах
позволили получить высокие динамические ха-
рактеристики и минимизировать фазовую по-
грешность. Запоминающая емкость С3, являясь
нагрузкой усилительного каскада, одновремен-
но выполняет роль корректирующей и обеспе-
чивает спад а.ч.х. в 20 дБ/декаду в ши-
роком диапазоне частот. Низкочастотный канал
у.в.х. реализован на операционном усилителе
КР140УД20. Подбором емкости С* выбирается
частота сопряжения. Усилитель обладает сле-
дующими параметрами: статический коэффици-
ент усиления 5-106, частота единичного усиле-
ния 120 МГц, время установления на точность
0,5% —20 нс, максимальная скорость нара-
стания 240 В/мкс, полоса рабочих частот при
амплитудной погрешности 0,5% — до 10 МГц.
Ключевой каскад у.в.х. состоит из управ-
ляющих транзисторов 7\ и Т3 и переключате-
лей тока Та и Т2. При нулевом потенциале на
входе Ту усилитель работает в линейном ре-
жиме. Сигнальный ток протекает через Тв и
Т7, а диоды Д3 и Д4 заперты. При подаче на
управляющий вход потенциала -4-3 В, через
Ту и Т3 начинает протекать ток, инициирующий
запирание Тй и Т-. Диоды открываются и огра-
ничивают перепад запирающего напряжения,
обеспечивая тем самым потенциально высокие
скорости работы схемы. Простота управления
от сигналов т.т.л. и, самое главное, симметрия
в переключении являются определяющими до-
стоинствами ключа такого типа. Несмотря на
малое значение запоминающей емкости, ампли-
туда помехи при срабатывании ключа пе пре-
d27
«ышает 17 мВ. а ее температурный дрейф —
0,15 мВ/К.
В связи с тем, что а.ц.п. К1107ПВ2 обладает
относительно большой входной емкостью, сиг-
нал с у.в.х. на его вход подается через бустер-
ный каскад, построенный на разнополярных
эмиттерных повторителях с генераторами тока
в нагрузке. Транзисторы 7'14 и Ть для мини-
мизации температурного дрейфа объединены
общим радиатором.
Структура регистратора. Структурная схе-
ма прибора (рис. 2) содержит две функциональ-
ные части — аналоговую и цифровую. В состав
аналогового узла регистратора кроме у.в.х. п
а.ц.п. входят аттенюатор, построенный на базе
ннзкоомиой резистивной сетки и релейных пе-
реключателей. источник опорных напряжений
(ПОН) и выходной цифроаналоговый преобра-
зователь (ЦАП). ИОН задает масштаб преоб-
разования а.ц.п. по амплитуде и формирует
вспомогательное напряжение для сдвига зна-
копеременного входного сигнала в отрицатель-
ную область на 1!2 шкалы преобразования.
Необходимость выполнения указанной опера-
ции обсуловлепа применением в регистраторе
однополярного а.ц.п. Желанием расширить
функциональпые возможности прибора и упро-
стить процедуру его настройки продиктовано
включение в его состав ЦАП, восстанавлива-
ющего аналоговую форму исходного зафикси-
рованного в з.у. процесса.
В состав цифровой части регистратора вхо-
дят: з.у. емкостью 1024 слова; схема синхрони-
зации и управления, содержащая задающий
20 МГц генератор, счетчики адреса и интервала,
селектор синхроимпульсов, регистры режима
и пределов, а также схему запуска, интерфейс-
ный узел, состоящий из дешифратора NAF,
формирователя ответов, входного и выходного
коммутаторов даппых.
В зависимости от режима работы регистра-
тора з.у. может принимать данные, поступаю-
щие от а.ц.п. или с магистрали КАМАК,
а также выводить данные на магистраль или
па ЦАП для преобразования в аналоговую
форму. Режим работы выбирается программно,
сменой состояния регистра режима под воз-
действием сигналов управления интерфейсного
узла и регистра пределов. Работой у.в.х.,
а.ц.п., з.у., а также счетчиков адреса и интер-
вала по времени управляет схема синхрониза-
ции, построенная на основе селектора синхро-
импульсов. задающего генератора и управляе-
мого делителя частоты. Выбор нужного
значения коэффициента передачи входного атте-
нюатора, частоты дискретизации и положения
интервала регистрации на временной оси по
отношению к моменту поступления запускаю-
щего импульса осуществляется программной
загрузкой регистра пределов.
Интерфейсный узел прибора дешифрирует
команды и формирует ответы по шинами X
и Q магистрали КАМАК и признак запроса
на обслуживание L.
Цифровая часть модуля выполнена па ин-
тегральных схемах серий 155, 531, 555 и 132
и содержит 46 корпусов.
Описанный регистратор обладает следую-
щими параметрами: разрядность преобразова-
ния — 8 бит, диапазон входных сигналов от
4-0,5 до 4-4 В/шкалу, полоса частот обра-
батываемого сигнала 0 4-10 МГц, емкость
з.у.—1024 слова, частота дискретизации до
20 МГц. Исполнение в стандарте КАМАК,
модуль шириной 1М. В настоящее время прибор
осваивается в серийном производстве под
индексом Ф4226 Чебоксарским ПО «Электро-
прибор».
В заключение автор выражает благодар-
ность А. II. Квашнину, без практической помо-
щи которого реализация данной разработки
была бы существенно затруднена.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нифонтов В. И., Хилъченко А. Д. Препринт ПЯФ
СО АН СССР № 79-39. Новосибирск, 1979.
2. Нифонтов В. И., Скорюпин Л. Л.. X илъченко А. Д.
Препринт ПЯФ СО АН СССР № 80-205. Новоси-
бирск, 1980.
3. Батраков А. М., Козак В. Р., Нифонтов В. И.
Прсирипт ПЯФ СО АН СССР № 79-36. Новоси-
бирск, 1979.
4. JJI ейнгезихт А. А., Сазанский В. Я. Препринт
ИЯФ СО АН СССР № 79-37. Новосибирск, 1979.
5. Аулъченко В. М., Батраков А. №., Хилъченко А. Д.
и др. И Автоматизация научных исследований на
основе применения ЭВМ. Новосибирск: Ин-т ав-
томатики и электрометрии СО АН СССР, 1979.
С. 38.
6. Абдрашитов Г. Ф., Байбородин С. И., Батраков
А. М. и др. //Автоматизация научных исследова-
нии на основе применения ЭВМ. Новосибирск:
Ин-т автоматики и электрометрии СО АН СССР,
1981. С. 56.
7. Якубовский С. В., Барханов И. А., Нисселъсон Л. И.
и др. Аналоговые и цифровые интегральные микро-
схемы. М.: Радио и связь, 1985. С. 365.
8. Батраков А. М., Козак В. Р. Препринт ПЯФ СО
АН СССР № 85-10. Новосибирск, 1985.
9. Полонников Д. Е. Операционные усилители, прин-
ципы построения, теория, схемотехника. М.:
Энергоатомиздат, 1983.
Институт ядерной физики СО АН СССР,
Новосибирск
Поступила в редакцию 7.11.1986
128
УДК 621.317.795.2
ПТЭ № 3, 1987
АДАПТИВНЫЙ измеритель длительности импульсов
ПАЛЯИПЦА Д. П., ЛАТЫПОВ А. А., ЛЕЩЕНКО С. А.
Устройство обеспечивает адаптивность уровня измерения длительности видеоим-
пульсов величине амплитуды и работает в реальном масштабе времени. При амплиту-
де входных импульсов от 64 мВ до 2 В и частоте тактового генератора 10 МГц диапа-
зон измеряемых длительностей лежит в пределах 0,2 мкс ч- 6,5 мс. Приведенная по-
грешность для импульсов трапецеидальной формы длительностью па уровне —6 дБ >
> 20 мкс и амплитудой 700 мВ ч- 2В нс превышает 6%.
При измерении длительности импульса
с априорно неизвестными амплитудой и дли-
тельностью фронта необходимо обеспечить
адаптивность уровня измерения длительности
величине амплитуды, т. е. формирователь по-
рогового уровня, входящий в схему измерителя
длительности, должен вырабатывать напряже-
ние, уровень которого определяется амплиту-
дой измеряемого импульса [II. Это вынуждало
проводить измерения не в реальном масштабе
времени, а с использованием линий задержки
[2] или запоминающих электронно-лучевых
трубок [3], что приводило к увеличению по-
грешности измерения из-за искажения формы
импульса. С целью устранения указанных недо-
статков разработан адаптивный измеритель
длительности видеоимпульсов с априорно не-
известной амплитудой, работающий в реальном
масштабе времени (рис. 1).
С приходом входного импульса срабатывает
компаратор начального уровня А‘, порог кото-
рого установлен несколько выше предполагае-
мого уровня шумов, запускается генератор
тактовых импульсов Г и импульсом Сброс
формирователя ФИС устанавливаются в исход-
ное состояние узлы измерителя. Тактовые им-
пульсы генератора подаются на узел синхрони-
зации УС (рис. 2), в котором вырабатываются
последовательности импульсов, поступающие на
вход стробирования быстродействующего ЛЦП
и на вход счетчика текущего времени Сч1.
Коды мгновенных значений напряжения ви-
деоимпульса At с выхода АЦП преобразуются
в логарифмический масштаб с помощью пре-
образователя кодов X/Y и через дискриминатор
приращений ДП поступают на информацион-
ные входы 7-канального (в соответствии с раз-
рядностью выходного кода преобразователя
X/Y) регистра сдвига Рг.
Записью и продвижением в регистре Рг
мгновенных значений напряжения управляет
дискриминатор приращений (рис. 3), который
Рис. 1. Функциональная схема адаптивного измерителя длительности импульсов. Г — гене-
ратор тактовых импульсов; К — компаратор начального уровня; УС — узел синхронизации;
Сч1 ч- СчЗ — счетчики текущего времени, адреса, числа переполнений Сч2\ X/Y — логарифми-
ческий преобразователь кодов; ДП — дискриминатор приращений; Выч1, Выч2 — схемы вычита-
ния; CCj, СС2 — схемы сравнения; CD — шифратор приоритетный; Рг - 7-канальный ре-
гистр сдвига; S —сумматор; ФИС — формирователь импульса Сброс, АЦП —аналого-циф-
ровой преобразователь; ОЗ У t — оперативное запоминающее устройство моментов времени
9 птэ, № з
129
на вход Сч2 и на вход И/ 03Чь
на вход Сч1
• Сброс (от ФИС)
|wa С-вход ДП
*Стоп (от CCj)
Разрешение записи (от ДП)
'Разрешение записи (от ДП)
Рис. 2. Принципиальная схема узла синхронизации. Л/,, Л/3 — К555ЛАЗ, Л/,—
K555JIH1, М4 — К555ТВ9
определяет разницу между текущим А, и пре-
дыдущим A мгновенными значениями и при
выполнении условия Дг^>Л;-1 вырабатывает
сигнал Разрешение записи. Этот сигнал, посту-
пая на узел синхронизации, разрешает прохож-
дение импульсов записи (сдвига) в регистр Рг
и на вход записи (И7) ОЗУ(, а также на вход
кольцевого счетчика адреса Сч2. При дости-
жении амплитудного значения дискриминатор
приращений запрещает прохождение импульсов
записи в Рг, ОЗУt и на вход кольцевого счетчи-
ка адреса Сч2.
К особенностям разработанного измерителя
длительности видеоимпульсов можно отнести
малый объем памяти запоминающих устройств,
ограниченный п ячейками, в которых хра-
нятся последние значения Л, и фронта им-
пульса. При этом количество ячеек п опреде-
ляется по формуле: п = Д/б, где Д, дБ —
уровень измерения длительности импульса,
отсчитываемый от амплитудного значения; б,
дБ — вес младшего разряда преобразователя
кодов XiY. Кроме этого, еще одна ячейка тре-
буется для хранения значения амплитуды Ат.
Измерения длительности видеоимпульсов про-
водятся согласно [4| па уровне 0,5 от ампли-
тудного значения, т. е. Д = 6 дБ.
Малый объем запоминающих устройств
обеспечивается тем, что запись каждого по-
следующего значения Л г и может проводить-
ся либо со сдвигом предыдущих и «выталкива-
нием» последнего, либо с адресацией посред-
ством кольцевого счетчика с коэффициентом
пересчета, равным п, либо другими подобными
методами, обеспечивающими уничтожение ин-
формации, записанной на п шагов раньше.
Таким образом, в регистре Рг сохраняются
мгновенные значения фронта импульса (вклю-
чая амплитудное значение, хранящееся в реги-
стре ДП), расположенные в порядке убывания
от первой ступени регистра к последней.
В O3yt сохраняются соответствующие этим
мгновенным значениям отсчеты времени tj.
Значение логарифма амплитуды импульса
Ат из регистра ДП поступает на схему вычи-
тания Выч1, с выхода которой снимается код,
соответствующий пороговому уровню напряже-
ния Ат — Д. Полученный код порогового
уровня поступает на первые входы схемы срав-
нения СС1, на вторые входы которой поступает
код с выхода преобразователя кодов X/Y.
В момент времени t2, когда значение очередного
отсчета среза импульса становится меньше или
равно вычисленному пороговому уровню, схема
сравнения СС, вырабатывает сигнал Стоп и
поступление тактовых импульсов на счетчик
Сч1 и АЦП прекращается.
Зафиксированное ранее значение момента
времени Ц извлекается из ОЗУ t при сравнении
порогового уровня с мгновенными значениями
фронта импульса, хранящимися в регистре
Рг, посредством схем сравнения СС2. Позицион-
ный код, получаемый от этих схем сравнения,
преобразуется приоритетным шифратором CD
в двоичный код, который поступает на сумматор
S, где он суммируется с кодом счетчика СчЗ,
подсчитывающего число переполнений кольце-
вого счетчика |адреса Сч2. Таким образом, на
130
от x/Y
Рис. 3. Принципиальная схема дискриминатора приращении. М, — К589ИР12, М.г, Л/, —
К555СП1
выходе сумматора S получается код адреса для
нахождения значения tx. Значения отсчетов
времени t, (со счетчика Сч1) и (с выхода ОЗУ t)
подаются на схему вычитания Выч2, на выхо-
де которой появляется результ т, т. е. код дли-
тельности импульса т = t2 — tj. J
Необходимость использования схем срав-
нения СС2 и приоритетного шифратора CD
для нахождения адреса значения объясняется
тем, что при амплитуде импульсов <700 мВ
значения соседних отсчетов в регистре Рг
отличаются более чем на 0,5 дБ, а следова-
тельно, значение tx будет находиться не в 1-й
ячейке ОЗУ t, как это было бы при амплитуде
импульсов 700 мВ 4-2 В.
Назначение сумматора S и счетчика СчЗ
состоит в корректировке кода адреса значения
<i в случае переполнений кольцевого счетчика
Сч2, которое может происходить при амплиту-
де импульсов, превышающей ~ 413 мВ.
При разработке принципиальной схемы
использовалась широко распространенная и
развитая элементная база т.т.л.ш. Разрабо-
танное устройство имеет частоту следования
тактовых импульсов 10 МГц и позволяет изме-
рять импульсы длительностью от 0,2 мкс до
6,5 мс. В качестве а.ц.п. применена микросхема
К1107ПВ1. Диапазон амплитуд входных им-
пульсов 64 мВ -4- 2 В, полярность отрицатель-
ная. Таблица логарифмического масштабиро-
вания записана в п.з.у. КР556РТ5, разряд-
ность выходного кода V равна 7, т. е. б =
= 0,5 дБ. В качестве ОЗУ[ используются ре-
гистры с двухкапальной адресной магистралью
типа КР1802ИР1, емкость ОЗУt ограничена
12 ячейками. Мгновенные значения напряжения
фронта импульса хранятся в 12-разрядном се-
миканальном регистре сдвига, собранном па
микросхемах К589ИР12. Счетчик текущего
времени собран на микросхемах К555ИЕ7,
схемы сравнения — К555СП1, сумматор и
схемы вычитания — К555ИПЗ.
Методическая ошибка измерения длитель-
ности импульсов определяется точностью кван-
тования фронта и среза импульсного напряже-
ния, связанной, в свою очередь, с дискретно-
стью измерений во временной области. Дискре-
тизация фронта и среза во времени может вно-
сить абсолютную ошибку 2//т, где /т — частота
следования тактовых импульсов. Относитель-
ная величина этой погрешности бт уменьшается
с увеличением длительности измеряемого им-
пульса. Так, например, при длительности им-
пульса т = 20 мкс и /т = 10 МГц относитель-
ная ошибка измерения длительности импульса,
связанная с временной дискретизацией, бт
составляет 1%.
Квантование по амплитуде и последующее
преобразование в логарифмический масштаб
вносит погрешность, определяемую весом млад-
шего разряда преобразователя кодов Х/Y, т. е.
величиной б. В измерителе использован 6-раз-
рядный а.ц.п., динамический диапазон изме-
ряемых амплитуд которого составляет 36 дБ. При
использовании в качестве преобразователя ко-
дов 7-разрядного п.з.у. вес младшего разряда
преобразователя б, определяющий точность
представления измеренного уровня, составляет
0,5 дБ.
Таким образом в диапазоне амплитуд
700 мВ -4- 2 В, в котором последние отсчеты А,
отличаются не более чем на 0,5 дБ, приведен-
ная погрешность измерения уровня сигнала 6/1
не превышает величины 5,9% (0,5 дБ). При
этом погрешность измерения длительности им-
пульса бт.4, возникающая от неточности оп-
ределения порогового уровня, определяется
следующей формулой:
бтд = 2бЛТф/т,
9*
131
где Тф — длительность фронта (среза) импуль-
са, т — длительность импульса на уровне
-6 дБ.
Из приведенной формулы видно, что рас-
сматриваемая составляющая погрешности про-
порциональна относительной длительности фрон-
та (среза) импульса. Наихудший случай имеет
место при нулевой длительности вершины,
т. е. при треугольном импульсе, когда бтд
достигает 11,8%. Общая приведенная погреш-
ность измерения длительности импульсов может
быть найдена как среднеквадратическая от
составляющих 6т и бтд:
6т = V 6т2 4- 6тд*
При испытаниях измерителя в качестве
источника сигналов был использован генератор
импульсов Г5-79. Параметры импульсов кон-
тролировались с помощью импульсного вольт-
метра В4-17, частотомера 43-34 и осциллогра-
фа С1-70.
Испытания показали, что для импульсов
прямоугольной формы диапазон измеряемых
длительностей начинается от значения 0,2 мкс,
а ошибка измерения определяется величиной
погрешности дискретности 1//т = 0,1 мкс. Для
импульсов трапецеидальной формы длительно-
стью на уровне —6 дБ > 20 мкс и амплитудой
от 700 мВ до 2 В приведенная погрешность
достигала 6% при т = 20 мкс и уменьшалась
с увеличением длительности импульса. Для
импульсов треугольной формы с амплитудой
от 700 мВ до 2 В и длительностью 20 мкс
(по основанию) приведенная погрешность не
превышала 12%. При уменьшении амплитуды
импульсов до (54 мВ погрешность измерения
возрастала, достигая в самом неблагоприятном
случае (Ат ~ 100 мВ, т = 30 мкс по основа-
нию, Тф = тср = 10 мкс) величины 50%.
Из анализа приведенных выше оценок мето-
дической погрешности следует, что дальней-
шее повышение точности требует увеличения
разрядности а.ц.п. и преобразователя кодов
X'Y, повышения частоты тактовых импульсов
(это связано с переходом к элементной базе на
основе э.с.л.). Для расширения диапазона из-
меряемых длительностей в сторону меньших т
также требуется повышение /т, а в сторону
больших т — увеличение разрядности счетчи-
ка Сч1. Динамический диапазон измерителя
ограничен разрядностью а.ц.п. и преобразова-
теля кодов X/Y, но его можно расширить вклю-
чением аналогового логарифматора на входе
а.ц.п. Следует заметить, что дальнейшее повы-
шение функциональных возможностей измери-
теля требует значительного увеличения аппара-
турных затрат.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Неустроев С. И.. Солдатенко М. В., Авдеев А. И.,
Берека В. В. // ПТЭ, 1984. № 4. С. 96.
2. Gedance А. В. Pat. 3553593 USA. 1971. Cl. 328-116.
3. Емнов Е. Е., Осъмак М. Е., Косинов М. В. А.с.
563651 СССР // Б. И. 1977. № 24. С. 121.
4. ГОСТ 16465-70. Сигналы радиотехнические измери-
тельные. М.: Из-во стандартов.
Поступила в редакцию 27.11.1986
УДК 621.317.311 + 621.317.321
ПТЭ № 3, 1987
ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ ИА ПОЛЕВЫХ
ТРАНЗИСТОРАХ С р — л-ПЕРЕХОДОМ
КУКСОВ А. Г.
Описан электрометрический усилитель на полевых транзисторах ср — п-перехо-
дом. Стабилизация режима работы транзисторов дифференциального каскада позво-
лила получить усилитель с входным сопротивлением 1013 Ом, среднеквадратнческнм
значением шумов по току 1,3-10-15 А/Гц*/! и напряжению 1,2 мкВ/Гц1’. Временной
дрейф выходного напряжения 7 мкВ/ч. Усилитель обладает повышенной перегрузоч-
пой способностью по сравнению с аналогичными усилителями, выполненными па
м.д. п.-транзисторах.
В настоящее время во входных каскадах
электрометрических усилителей (э.м.у.) часто
используются полевые транзисторы с изолиро-
ванным затвором, обладающие малыми вход-
ными токами (~1(Г13 А) [11. Однако для полу-
чения удовлетворительных характеристик по-
добных э.м.у. их входной каскад должен быть
выполнен на согласованной паре транзисторов.
Отечественная промышленность в настоящее
время не выпускает таких пар или согласован-
132
Принципиальная схема э.м.у. ЛГ, — КПС104А, Мг —
К504НТ2В, М3, Л/4 — К140УД14; Т - КПЗОЗА;
Д - КД503
ных сдвоенных м.д.и.-транзисторов, подбор
же в пару дискретных элементов сложен и тру-
доемок.
В то же время есть согласованные сдвоен-
ные полевые транзисторы ср — ?г-переходом,
но их входной ток в стандартном режиме
>2,5-10-,0А [1]. Однако, уменьшая напря-
жение сток — исток Ucn транзистора, можно
уменьшить его входной ток на 2 — 3 порядка [2],
а стабилизация этого напряжения позволяет
уменьшить флуктации входного тока до зна-
чения 10"15 А, т. е. практически значения флук-
таций токов затворов м.д.п.-транзисторов [3].
Кроме того, уровень собственных шумов по
напряжению у м.д.п.-трапзисторов па порядок
и более выше, чем у транзисторов ср — п-
переходом. Эти достоинства реализованы
в э.м.у., описанном в [3]. Однако, несмотря
на хорошие характеристики усилителя, он не
может работать с большим уровнем синфазного
сигнала и практически обеспечивает свои па-
раметры только в схеме с общей отрицательной
обратной связью по току, что ограничивает
диапазон применения э.м.у.
Схема э.м.у., свободного от этого недостат-
ка, представлена на рисунке. Собственно э.м.у.
выполнен по стандартной схеме и состоит из
дифференциального каскада на Mi, усилителя
Л/3 и источника стабильного тока на М2, кото-
рый обеспечивает питание входного каскада
током 180 мкА. Регулировка тока осуществ-
ляется подстроечным резистором Т?2- Основные
характеристики э.м.у. обеспечивает стабилиза-
тор напряжения Ucll транзисторов входного
каскада (при замкнутой цени отрицательной
обратной связи э.м.у.), выполненный на усили-
теле М4, транзисторе Т и диоде Д. Выходное
напряжение М4, пропорциональное входному
сигналу, поддерживает напряжение UCn тран-
зисторов входного каскада равным падению
напряжения на диоде Д, которое в свою очередь
стабилизировано источником стабильного тока
на транзисторе Т. Таким образом, напряжение
Ucu транзисторов входного каскада стабильно
и приблизительно равно 0,6 В во всем диапазо-
не входных сигналов. Балансировка усилителя
осуществляется с помощью мпогооборотного
потенциометра Rv
Приведенные ко входу параметры э.м.у.,
включенного по схеме повторителя, определя-
лись экспериментально: среднеквадратическое
напряжение шумов 1,2 мкВ/Гц’/*, ток шумов
1,3-10-15 А/Гц'/«, температурный дрейф по на-
пряжению 4,7 мкВ/°С, по току — 4,2-10-14 А/°С,
временной дрейф по напряжению 7 мкВ/ч, вход-
ное сопротивление 1-1013()м, входной ток !•
•10~13 А. Усилитель сохраняет свои параметры
при напряжении питания Ua от +5 до +15 В,
ток потребления 2 мА. Допускаемый уровень
синфазного сигнала +9 В при Ua = +15 В.
Электрометрические усилители, собранные
по описанной схеме, успешно эксплуатируются
в приборах с автономным питанием, в частности
в переносных иономерах.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Спра-
вочник / Под ред. И. И. Горюнова. М.: Энергоиз-
дат, 1982.
2. Есаков Д. В., Первенцев II. В. И Электронная пром-
сть. 1972. № 1. С. 50.
3. Зеленин А. Е. И ПТЭ. 1980. № 3. С. 129.
Поступила в редакцию 6.III.1986
133
УДК 536.53; 537.587
ПТЭ № 3, 1987
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ИНТЕГРАТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ
СИГНАЛОВ ЯДЕРНОГО РЕЗОНАНСА
АНФЕРОВ В. П., МОЛЧАНОВ С. В.
Интегратор предназначен для предварительной обработки сигналов перед цифро-
вым накоплением с целью увеличения отношения с./ш. в 1,5 раза без увеличения вре-
мени эксперимента.
Для регистрации сигналов ядерной индук-
ции и эха в настоящее время применяются
многоканальные накопители и э.в.м. Мертвое
время используемых устройств обычно 10 мкс.
При этом информация между канальными им-
пульсами теряется, что увеличивает время
эксперимента. Создание быстродействующих
устройств требует значительных затрат, так
как кроме аналого-цифрового преобразователя
необходимо изготавливать и буферную память.
При регистрации спектров двойного ядерпого
квадрупольного резонанса и в случаях, когда
измеряются амплитуды сигналов эха, отноше-
ние с. in. можно повысить в 1,5 раза за счет
предварительной обработки сигналов с помощью
стробоскопического интегратора.
Стробоскопический интегратор (рисунок) вы-
полнен по двухканальной схеме для компенса-
ции ухода нулевой линии. Ключи обоих кана-
лов М2.2, Л/2-з управляются от одного ждущего
мультивибратора .1/7->. В отличие от 111 для
регистрации быстропротекающих процессов
интегрирующие ЯС-цеии установлены перед
считывающими усилителями М4, М6 и снабже-
ны ключами принудительного разряда M2-i,
М.з-1-
Интегратор работает следующим образом.
90°-импульс разряжает с помощью ключей
Принципиальная схема стробоскопического интегратора. A/j, -V, н- — К544УД2А, М2, М3
К284КН1А, Mi, Ма — К176ТМ2, М8 - К176ЛА7, Mlo K555JIH1; Дг н- Д3 — КД503А
134
Л7.,-1 11 973-i интегрирующие цепи обоих каналов
и запускает ждущий мультивибратор задерж-
ки Л/;.! (служащий для устранения записи в ин-
тегратор переходных процессов приемного уст-
ройства). Срез импульса М7.г запускает ждущие
мультивибраторы Л/7.2 и Первый стробим-
пульс с Л/7.> через схему совпадений М8.3
поступает на ключ верхнего канала Л/2.2,
и усредненный сигнал ядерного резонанса запо-
минается на емкости интегрирующей цепи уси-
лителя Л/4. После затухания сигнала ядерного
резонанса ждущий мультивибратор Afs-j пере-
ходит в исходное состояние и спадом импульса
опять запускает М7.г, импульс с которого
через _1/8.4 открывает ключ нижнего канала Л/2.3.
Уровень нулевой линии с М-а вычитается из
амплитуды сигнала ядерного резонанса, и ре-
зультирующий сигнал с выхода Мв подается
па вход накопителя. После окончания второго
строб-импульса с помощью дифференцирующей
цепи и двух инверторов Мщ-ь Л/10.2 форми-
руется канальный импульс для накопителя,
который записывает амплитуду сигнала ядер-
ного резонанса. Сопротивления 4- Z?4, оп-
ределяющие время усреднения сигнала, выби-
раются в зависимости от конкретных условий
измерения.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Анферов В. И., Федотов В. В. И Изв. АН СССР. Сер.
Физическая. 1978. I. 42. № 12. С. 2644.
Калининградский госупиверситет
Поступила в редакцию 10.1.1986
УДК 621.396
ПТЭ № 3, 1987
ИЗМЕРЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА СПЕКТРОМЕТРА ЯДЕРНОГО
АКУСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА
САДЫКОВ И. И.
Описап оригинальный способ измерения добротности акустического резопатора
мегагерцевого диапазона, работающего на отражение. Приведена схема устройства с
подробным описанием методики измерения и обработки результатов. Способ позволяет
измерять добротность резонатора с погрешностью <1%.
По данным ядерного акустического резонанса
(я.а.р.) можно определить элементы тензора
спин-фононного взаимодействия. Для их рас-
чета необходимо иметь не только спектроскопи-
ческие данные, но и достаточно точное значение
добротности составного образца-резонатора
[1]. Резонатор обычно помещается в гелиевый
криостат и связывается с детектирующей си-
стемой посредством коаксиала и согласующего
LC-контура. В таких экспериментальных ус-
ловиях серийные (2-метры не применимы. По-
скольку здесь рассматривается однопьезоэле-
ментный резонатор, работающий на отражение,
то не представляется возможным использовать
непосредственно и методику [2], предназначен-
ную для проходного (двухпьезоэлементного) ре-
зонатора.
Ниже описывается способ измерения доб-
ротности резонатора по кривой его резонанса,
наблюдаемой в виде провала на амплитудно-
частотной характеристике (а.ч.х.) согласую-
щего LC-контура. Рассмотрим такую а.ч.х.
более детально. Для упрощения анализа допу-
стим, что резонансные частоты контура п резо-
натора совпадают. Тогда, исходя из общих
теоретических предпосылок [31, результирую-
щее напряжение на контуре можно предста-
вить как
гг (Г®а + Х12 аг г п (х — 1) pi-o.5
<1)
где а = nQm — обобщенная расстройка, е =
= 2 (vin — v)/vm — относительная расстрой-
ка, Qm и vm — добротность и резонансная ча-
стота резонатора, х = Uu;IUm — параметр
связи, Um и Ulc — амплитуды напряжения па
контуре, полученные при vm = vi.c и vm
ф vLc соответственно, Qt,c и vtc — доброт-
ность и резонансная частота контура.
На рис. 1 представлен фрагмент функции (1),
рассчитанный при условии х = 4 и ц = 100,
где провал в окрестности vm обусловлен реак-
цией резонатора. Опыт показывает, что ширину
провала удобно измерять па уровне
U'l.c = (UI.c + Um)/2, (2)
т. е. на уровне половины его высоты, отсчитан-
ной от вершины а.ч.х. ТХ'-контура. Этому
уровню соответствуют обобщенная а' и отно-
сительная е' расстройки. Величину 1/е' можно
135
Рис. 1. Фрагмент амплитудно-частотно-временной (£7,
v, <) характеристики согласующего ЛС-коптура
рассматривать как наблюдаемую (нагружен-
ную) добротность резонатора Qm. Тогда искомая
добротность
<2m = a'<?m = a'vm/Av', (3)
где Av' — девиация, соответствующая уровню
Ulc- Здесь частоты vm и Av' определяются
экспериментально, а' находится из решения (1)
относительно а с учетом соотношений (2, 3) и
измеренного значения параметра связи х. Ана-
литическое решение уравнения (1) получается
довольно громоздким, однако его можно ре-
шить на э.в.м. или программируемом микро-
калькуляторе. Например, для расчета а'
с точностью до пятого знака на микрокальку-
ляторе МК-56 требуется время счета 7-4-9 мин.
На практике такая точность не нужна, поэтому
для нахождения а' можно рекомендовать более
простые формулы, с той или иной степенью
точности аппроксимирующие решения (1). На-
пример, а' можно представить как
а' с-: х0-75 ~ 0,3 + 0,7х. (4)
Погрешность этой формулы <1% в диапазоне
* = 1 -4- 2 и т)' = Qm/Qi.c > 100- Если тре-
буется большая точность (0,3%) в более широ-
ком диапазоне (х = 1 -4- 4, т/ > 10), то можно
воспользоваться эмпирической формулой
а' = а» — Да, (5)
где
= х<°-74+0-02в 1п х>,
Да = (4х + 7 — llx-°’151i')/12ii'.
Точность соотношений (4) и (5) проверялась
по данным численного решения (1) на э.в.м.
Как показывает опыт, точность измерения
Qm зависит пе столько от погрешности (5),
сколько от дрейфа и флуктуации частоты из-
мерительного генератора. Причем вклад по-
следних тем больше, чем выше добротность Qm-
Рис. 2. Функциональная схема установки. У-Г — уси-
литель-генератор, С-Г — свин-генератор, А — авто-
дин, Д — смесительный диод КД512А, Р — резонатор
Рис. 3. Принципиальная схема свип-генератора. 1\ —
ГТ311И, Т., - ГТ313А; Д,, Д2 — КВ104А. Д3 -
КС113А, Д4—КС133А, Д5—КС147А
В работе [2] для устранения этих нежелатель-
ных эффектов предложено осуществлять при-
вязку частоты генератора к точкам перегиба
второй производной кривой резонанса резона-
тора, работающего на проход. Однако в этом
случае возникает погрешность измерения из-за
двукратного дифференцирования. Этот недоста-
ток можно устранить, если осуществлять при-
вязку по сигналу цервой производной и исполь-
зовать для модуляции частоты генератора низ-
кочастотного несинусоидального напряжения
типа меандр, а фиксацию уровня L сс — по
самой кривой (1). Как показано на рис. 1,
изменение амплитуды девиации частоты гене-
ратора Av приводит к изменению напряжения
усредненного за несколько периодов
модуляции от Um до а изменение несущей
частоты v — к изменению как амплитуды, так
и фазы огибающей А [7. Причем в режиме
привязки величина его оказывается достаточ-
но малой (поскольку до сихронного детектиро-
вания подвергается усилению) и она, в первом
приближении, на точность измерения V lc
сказывается. Далее, выбрав Ulc — Ulc при
v лг v,n по величине калиброванной девиации
136
можно найти Av' (3), а по центральной частоте
генератора — vm. Если точность калибровки
девиации недостаточна, то Av' можно измерить
непосредственно, использовав дополнительный
сигнал-генератор. Для этого частоту его до-
статочно установить в промежутке v + (Av'/2)
и измерить частоту биений в течение времени,
кратного периоду модуляции. Нетрудно пока-
зать, что усредненная частота биений будет
равна Av72.
Функциональная схема измерителя доброт-
ности приведена на рис. 2. Измеритель собран
из узлов и блоков спектрометра я.а.р. и содер-
жит кроме отмеченных семи серийных приборов
универсальный автодин А [41, усилитель-гене-
ратор У-Г [51 и описанный ниже свип-генера-
тор С-Г. В данном случае автодин исполь-
зуется в режиме настройки. Усилитель-генера-
тор усиливает сигнал ДО' и после синхронного
детектирования подает его на свин-генератор
для автоподстройки частоты; также вырабаты-
вает меандр для частотной модуляции свип-
генератора. Генератор пилообразного напря-
жения Г6-15 служит для развертки частоты свип-
генератора и луча осциллографа С1-13. При
необходимости а.ч.х. исследуемой схемы можно
записать на двухкоординатном самописце ПДС-
021. Частотомер 43-30 предназначен для изме-
рения несущей частоты v и частоты биений,
возникающих на выходе смесительного диода
Д при включении в.ч.-генератора Г4-102.
В данном случае милливольтметр ВЗ-4 исполь-
зуется в качестве широкополосного усилителя.
Принципиальная схема свип-генератора
приведена на рис. 3. Задающий генератор
собран па транзисторе с индуктивной об-
ратной связью. Перестройка его частоты осу-
ществляется с помощью варикапов Д2,
управляемых напряжениями, подаваемыми
с резистора Я, и с трех входных клемм.
На /<г7 подается однополярный меандр +15 В,
на Вх2 — напряжение развертки и на ВхЗ —
напряжение автоподстройки частоты. Частот-
но-модулированное напряжение, усиленное
транзистором Т.2 до 0,3 В, подается на Вых В'1
через плавный регулятор уровня В,- Диапа-
зон регулирования средней частоты генератора
8 4- 16 МГц с индуктивностью L = 3,1 мкГн.
При необходимости он может быть расширен
с помощью сменных катушек. Поскольку мы
не располагали прецизионным высокочастот-
ным вольтметром (класса 0,1), то измерения
Um, U[,c и U'Lc проводились на выходе ам-
плитудного детектора автодина цифровым воль-
тметром В7-16. При достигнутой линейности
детектора ^0,5% добротность Qm удается из-
мерить описанной методикой с погрешностью
<^1%. Методика опробована в диапазонах
частот 9 4- 15 МГц и добротностей 103 4- 105.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Голенищев-Кутузов В. А., Самарцев В. В., Сало-
варов И. К., Хабибуллин Н. К. Магнитная кванто-
вая акустика. М.: Наука, 1977. С. 54.
2. Лежер. /7 Приборы для научных исследований. 1972.
№ 7. С. 59.
3. Крылов Н. II. Теоретические основы радиотехники.
М,— Л.: Морской транспорт, 1951. С. 56.
4. Садыков И. II. И ПТЭ. 1986. № 4. С. 115.
5. Садыков И. И. // ПТЭ. 1978. № 6. С. 92.
Казанский физико-технический институт
Казанского филиала АН СССР
Поступила в редакцию 13.1.1986
УДК 621.373.44
ПТЭ № 3, 1987
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ
МЕЛЬНИКОВ В. Б.
Источник вырабатывает поджигающие импульсы напряжения амплитудой 3
-> 6 кВ и длительностью 2 мкс, а также импульсы разрядного тока амплитудой 10 -t-
-г- 100 А и длительностью 20 -н 100 мкс. Частота следования поджигающих и разряд-
ных импульсов от одиночных до 200 Гц.
Для получения импульсов тока часто ис-
пользуют источники питания с формирующей
линией. В этом случае длительность импульса
определяется параметрами формирующей ли-
нии. Например, в работе [II приведено описа-
ние источника питания, в котором длительность
импульсов тока разряда фиксирована, а часто-
та следования кратна 50 Гц. Описываемый
источник в отличие от |1] позволяет изменять
длительность импульсов в пределах 20 4-
4- 100 мкс, частоту от одиночных импульсов
до 200 Гц, амплитуду поджигающих импульсов
в пределах 3 4-6 кВ.
На вход источника (рисунок) с внешнего
генератора Г5-27 подаются прямоугольные
импульсы положительной полярности амплиту-
дой 10 В, длительностью 20 4- 100 мкс, часто-
той до 200 Гц. Входные импульсы дифферен-
137
Tpl
Принципиальная схема источника питания. 7’, ч- Т3 — КТ807Б; Дх -н
- Дз - 2Д522Б, Д, Ди, Ди - Д13, Д21 - 2Д203Д, Д12 ч- Д15 -
Д226Г, Д20,Д31, Дзг - ТЧ-100С-10, Д22 + Д30, Д33 - ВЛ25-10; Тр5 -
ЛАТР-2М. Трб — ТА117-127/220-50, 7>7 — ТА209-127/220-50, Тр8 —
ЛАТР-1М, Тр9 — ТА288-127/220-50
цируются ЙТг-цепыо, где индуктивность об-
разована первичной обмоткой w{ трансформа-
тора Tpl. С выходных обмоток Tpl импульсы
положительной полярности через диоды Дх 4-
4- Дз поступают па базы транзисторов 7\ 4-
4- Т 3. Обмотки трансформатора Tpl сфазиро-
вапы так, что на транзисторы Тх, Т3 поступают
импульсы, соответствующие фронту входного
импульса, а па транзистор Т2 — спаду.
Усиленный транзистором 7\ импульс через
трансформатор Тр2 открывает тиристор Д20,
конденсатор С2 разряжается через обмотку
трансформатора Тр10 и в обмотке w2 инду-
цируется высоковольтный импульс напряжения.
Трансформатор Тр5 позволяет регулярировать
напряжение заряда конденсатора С’2 и тем самым
амплитуду высоковольтного импульса напря-
жения. Импульс с транзистора Т3 через тран-
сформатор Тр4 открывает тиристор Дзх, фор-
мирующая линия Lx 4- Ll0, С3 4- С12 оказы-
вается подключенной к нагрузке. Регулировка
тока разряда формирующей линии осущест-
вляется изменением зарядного напряжения
конденсаторов С3 4- С12 при помощи транс-
форматора Тр8.
Спадом входного импульса открывается
тиристор Д32, па управляющий электрод кото-
рого поступает сигнал с транзистора 7’2 через
трансформатор ТрЗ. Конденсатор С]3 оказы-
вается подключенным к индуктивности Lu и,
перезаряжаясь через диод Д33, встречным током
запирает тиристор Д31. Разряд формирующей
линии прекращается, требуемый импульс сфор-
мирован. Диоды Д22 4- Дзо предназначены для
исключения взаимного влияния формирующей
линии и генератора поджигающих импульсов.
Катушки индуктивностей Lx 4- 7/10 содер-
жат по 35 витков, a Lu — 45 витков провода
ПЭВ-2-2,0 на диэлектрическом сердечнике
/20 мм. Трансформатор Tpl выполнен на
ферритовом сердечнике К40 X 25 X 11 марки
М2000НМ1. Обмотка wt содержит 16 витков,
а обмотки w2 -4- по 10 витков провода ПЭВ-
2-0,41. Трансформаторы Тр2 4- Тр4 однотип-
ные на сердечнике из феррита М2000НМ1
размером К20 X 16 X 6. Обмотки wx, w2 со-
держат соответственно по 60 и 10 витков про-
вода ПЭВ-2-0,41. Трансформатор Тр10 выпол-
нен на ферритовом сердечнике К80 X 52 X
X 7,2 марки М2000НМ1. Обмотка w\ содержит
30 витков провода ПЭВ-2-0,41, a w., — 240
витков того же провода. Изоляция между об-
мотками u’j п iv2 должна выдерживать напря-
жение до 10 кВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коваль Н. И., Нигоф М. Б. Ц ПТЭ. 1980, № 6, С. 121.
Поступила в редакцию 1.IV.1985
138
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТ АЛ ЬН АЯ ТЕХНИКА
УДК 621.384.8 ПТЭ № 3, 1987
ПОЛУЧЕНИЕ ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ ПУЧКОВ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ
АКСЕНОВ А. II., БУГАЕВ С. II., ЕМЕЛЬЯНОВ В. А.. ЕРОХИН Г. П„ ПАНКОВЕЦ В. Г.,
ТОЛОПА А. М., ЧЕСНОКОВ С. М.
Описан импульсный источник, обеспечивающий получение шпрокоапертурпых
пучков ионов различных металлов с длительностью импульса 100 н- 500 мкс, частотой
следования 10 -г- 50 Гц, энергией ионов 20 150 кэВ и током пучка в единицы ампер.
Источник предназначен для проведения исследований в имплантационной металлур-
гии. Время набора дозы облучения мишепи ~1017 ионов/см2 па площади до 300 см2 со-
ставляет 5 -4- 15 мин.
В последнее время возрос интерес к источ-
никам ускоренных ионов как к инструменту
для воздействия па поверхность материалов.
Особый практический интерес представляет
возможность увеличения срока службы режу-
щего и штампового инструмента, уменьшения
коэффициента трения, улучшения коррозион-
ной стойкости металлов при их облучении иона-
ми различных металлов. В металлургии тре-
буется увеличение путем имплантации концен-
трации примеси в исходном материале до не-
скольких атомных процентов, для чего при
энергии ионов в десятки — сотни килоэлектрон-
вольт необходима доза облучения ~1017 ио-
нов/см2. Ионные имплантационные установки
типа «Везувий» разрабатывались в основном
для легирования полупроводников. Предъяв-
ляемые при этом требования к моноэнергетич-
пости и чистоте ионного пучка приводили
к усложнению установок, ограничению пло-
щади пучка (диаметром порядка единиц мил-
лиметров) и снижению скорости набора дозы.
В имплантационной металлургии требования
к моноэпергетичпости и чистоте ионного пуч-
ка ниже, но значительно больше площади об-
рабатываемых деталей (до тысяч квадратных
сантиметров). Поэтому для уменьшения цикла
облучения до времен, удовлетворяющих тре-
бованиям технологии (единицы — десятки ми-
нут), необходимы широкоапертурные источ-
ники ионов различных металлов, генерирую-
щие пучки с большой плотностью тока.
В связи с этим представляет интерес исполь-
зование известного свойства катодных пятен
вакуумных дуг испускать направленные по-
токи ионов. Первые работы в этом направлении
показали возможность получения ионных пуч-
ков металлов с характерными размерами в не-
сколько сантиметров [14-3], а также ионных
пучков ф 10 4- 20 см [4, 5]. В работах [2, 3]
вакуумная дуга горела при токах порядка
сотен ампер, поток плазмы ослаблялся с по-
мощью сеток. Это приводило к большому
энерговыделению в анодном блоке, и, как
следствие, к малым эффективности и надежно-
сти работы ионного источника. Поэтому в |4,
5] особое внимание уделялось уменьшению
тока горения вакуумной дуги при сохранении
стабильности работы.
Итогом работ [4, 51 явилось создание широ-
коапертурного источника ионов металлов,
схема которого изображена на рис. 1. Катод
К ионного источника ф 4 4- 10 мм изготовлен
из металла, ионы которого необходимо уско-
рить. Он расположен внутри керамического
изолятора И. охваченного кольцевым поджи-
гающим электродом ПЭ. Аксиально катоду
расположен анод Л и извлекающий электрод
ИЭ, имеющие внутреннее отверстие ф 100 4-
4- 200 мм. Апод и ИЭ образуют фокусирую-
щую диодную систему.
Импульсный дуговой разряд создается при
подаче напряжения ~3 кВ между катодом и
анодом. Для облегчения зажигания разряда
используется предварительный разряд дли-
тельностью ~ 1мкс (~5кВ) по поверхности
керамического изолятора между катодом и
поджигающим электродом (ф 10 мм). Источ-
никами напряжения служат импульсные тран-
сформаторы, к первичным обмоткам которых
подключаются искусственные формирующие
линии. Частота и очередность срабатывания
источников напряжения задается системой
синхронизации, выполненной на основе гене-
ратора задержанных импульсов ГЗИ-6. Им-
пульс ускоряющего напряжения подается на
катод дугового источника ионов. Это позволяет
выводить ионный пучок на коллектор, имею-
139
Рис. 1. Схема дугового источника попов. К — катод,
Л — керамический изолятор, ПЭ — поджигающий
электрод, А — анод, ИЭ — извлекающий электрод,
Кл — коллектор интегрального цилиндра Фарадея и
калориметра, ЦФ — коллимированный цилиндр Фара-
дея (одновременно используется 17 цилиндров Фарадея
с коллимационными отверстиями о 2 ч- 5 мм), Т —
термопара калориметра, Тр1 ч- ТрЗ — импульсные
трансформаторы с коэффициентами трансформации
1:1; 1 : 10 и 1 : 1 соответственно
Рис. 2. Осциллограммы: а — ускоряющего напряже-
ния, б — тока вакуумной дуги (тока Тр1), в — тока
коллектора
щий потенциал вакуумной камеры, что облег-
чает измерение и использование ионного пучка.
Начальное давление в камере было ^5 2-
•10-5Торр.
Ионный ток измерялся интегральным кол-
лектором и системой коллимированных цилинд-
ров Фарадея, па коллекторы которых пода-
валось напряжение смещения ~ Н-1 к!3. Вклад
вторичных электронов в показания коллекто-
ра оценивался по одновременным измерениям
параметров ионного пучка калориметром и сов-
мещенным с ним цилиндром Фарадея |6]. Ис-
следования проводились при ускоряющем на-
пряжении U = 20 4- 150 кВ, длительности им-
пульса ускоряющего напряжения t 800 мкс
(дальнейшее увеличение длительности импуль-
са нежелательно из-за разогрева катода и уве-
личения в ионном пучке капельной фракции
материала катода), частоте следования импуль-
сов от единичных до 50 Гц, токе вакуумной
дуги /д ~ 24- 30 А, длине ускоряющего про-
межутка 15 4- 40 мм.
Типичные осциллограммы сигналов, полу-
ченных при использовании катода из меди,
представлены на рис. 2. Исследования режимов
работы источника показали, что ток ионов
составляет 4 4-8% от тока вакуумной дуги.
Это соответствует ранее полученным представ-
лениям о вакуумном дуговом разряде 17]. Ток
устойчивого горения разряда длительностью
~ 250 мкс на катоде из меди /д 5 А, на
катоде из вольфрама /д 5? 9 А. Одпако с уве-
личением частоты и времени работы источника
наблюдаются случаи самопроизвольного обрыва
тока дуги. При длительной работе источника
обрывы наблюдаются в 10 4- 15% случаев.
Распределение плотности ионного тока по
сечению пучка зависит от условий формирова-
ния пучка в ускоряющем промежутке (формы
эмитирующей плазменной поверхности) и усло-
вий транспортировки. Коэффициент неравно-
мерности распределения плотности тока по
сечению пучка меняется от 0,95 (для тяжелых
попов и больших токов горения вакуумной дуги)
до 0,7. Диаметр ионного пучка соответствует
диаметру извлекающего электрода. При ста-
бильном горении вакуумного дугового разряда
профиль пучка повторяется от импульса к им-
пульсу.
Определение масс-зарядного и элементного
состава ионного пучка проводилось с помощью
спектрометра Томпсона. В этом случае на
катод подавалось постоянное напряжение от
конденсатора большой емкости, а длительность
ионного пучка определялась длительностью
импульса питания дугового разряда. После
окончания горения дуги протекание ионного
тока прекращается; за время длительности им-
пульса (~250 мкс) конденсатор разряжается
всего па ^С5%, а в промежутках между импуль-
сами (/ ~ 2 4- 5 Гц) снова заряжается до но-
минального напряжения. Такая схема питания
неудобна при практическом использовании
источника ионов, по позволяет получать почти
моноэнергетичные ионные пучки. Полученные
ионные пучки через систему коллиматоров по-
ступали в масс-спектрометр Томпсона. Рас-
шифровка масс-спектров показывает наличие
в ионном пучке ионов различной зарядности.
Процентное соотношение ионов материала
катода различной зарядности в пучке приведено
в табл. 1, а полный элементный состав пучков
представлен в табл. 2. Наличие в составе пучка
ионов водорода и углеводородов связано с ис-
пользованием паромасляной системы откачки и
малой частоты срабатывания источника, что
140
Таблица 1
Доля ионов данного заряда в пучке, %
Материал катода Зарядность иона
+1 1 +2 +з
Магний 48 52
Титан 39 56 5
Медь 27 52 21
Рений 34 41 25
Таблица 2
Доля ионов данного элемента е пучке, %
приводит к образованию масляной пленки па
катоде. Известно, что вакуумно-дуговые источ-
ники позволяют получать ионные пучки высокой
чистоты [3, 7]. Поэтому следует ожидать, что
с увеличением частоты срабатывания источника
исчезнут условия для образования масляной
пленки на катоде и соответственно уменьшится
доля углеводородов в пучке.
Отметим, что ионный источник позволяет
получать ионы практически любого твердого
проводящего материала, причем это могут
быть не только металлы, по и различные ком-
позиционные материалы. Различия в потенциа-
лах ионизации и энергии парообразования
могут приводить также к получению ионов
неметаллов, входящих в состав катода.
При исследовании режимов работы ионного
источника установлено, что длительность тока
вакуумной дуги должна быть меньше длитель-
ности импульса ускоряющего напряжения.
В противном случае плазма заполняет ускоряю-
щий промежуток либо в начале импульса
с последующим рассасыванием в течение 10 4-
4- 30 мкс, либо в конце импульса ускоряющего
напряжения. При этом геометрия ускоряю-
щего промежутка перестает быть фокуси-
рующей, увеличивается ток па извлекающий
электрод ИЭ, что, в свою очередь, приводит
к увеличению газоотделепия в ускоряющем
промежутке и, как следствие, его пробою.
При выполнении условия t > па извлекаю-
щий электрод попадает 0.5 4- 2% от тока ион-
ного пучка. Это обеспечивает длительную рабо-
ту источника без пробоев ускоряющего про-
межутка.
Однако даже при соблюдении указанных
выше условий при частоте срабатывания
<; 2 4- 3 Гц наблюдаются частые (~50%) про-
бои ускоряющего промежутка и пробои на
стенки вакуумной камеры. Это обусловлено
абсорбцией газа на коллектор в промежутках
между импульсами с последующим газоотделе-
нием, что сопровождается повышением давле-
ния в камере до ~10-4Торр. При достижении
давления 1,5-10-4 Торр источник становится
неработоспособным из-за постоянных пробоев.
При работе источника па частоте 5 Гц
пробои прекращаются, давление улучшается
до ~(2 4- 4) 10“5 Торр. С увеличением времени
работы источника без разгерметизации камеры
давление в ней достигало исходного (~2-
•10-5Торр). Необходимо отметить, что улуч-
шение давления в камере с увеличением часто-
ты срабатывания не является обязательным
условием улучшения работы источника. При
частотах срабатывания 5 Гц источник рабо-
тает без пробоев при искусственном поддержа-
нии давления 1,5- 10-4 Торр. Дальнейшее
увеличение давления приводит к пробоям
ускоряющего промежутка.
Была отработана технология смены коллекто-
ра (облучаемых образцов). При помещении на
коллектор образца, промытого на воздухе в
бензине, ацетоне, спирте, достигалось давление
в камере — (2 4- 4) 10"5 Торр. После этого
с частотой—5 Гц включалось ускоряющее нап-
ряжение 50 кВ и проводилась очистка об-
разца высоковольтным разрядом. Далее вклю-
чался источник питания поджигающего элек-
трода и проводилась дальнейшая очистка кол-
лектора «слабым» ионным пучком, вытягивае-
мым из плазмы поджигающего разряда. При
этом давление в ваккумной камере могло ухуд-
шаться до (5 4- 7) 10~6 Торр. Низкие энергии
ионов «50 кэВ) способствуют распылению
(очистке) коллектора. Однако это не приводит
к заметному изменению геометрических раз-
меров облучаемого образца. Через 14-2 мин
включался источник питания дугового разря-
да и ускоряющее напряжение повышалось до
•—130 кВ. Весь цикл подготовки образцов к
облучению составлял 2 4-5 мин.
Полученные параметры ионного пучка оп-
ределялись мощностью источников питания
и электрической прочностью проходного
изолятора, но даже достигнутые параметры
(U ——130 кВ, Ij — 2 A, t — 300 мкс, / — 10 4-
4- ;>0 Гц) позволяют облучать образцы дозой
~ 1017 ионов/см2 на площади до 300 см2 за вре-
мя 5 4- 15 мин. В настоящее время ведутся
работы по усовершенствованию источников пи-
тания и доработке конструкции ионных источ-
ников с целью их установки на серийно вы-
пускаемых напылительных установках МИР-2
141
и «Булат» (111IB-6. 6-И1). Последнее позволит
совместить ионную имплантацию и нанесе-
ние покрытий методом плазменной техноло-
гии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Суладзе К. В., Плютто А. 4.//ЖТФ. 1905. Т. 35.
Вып. 7. С. 1298.
2. Brown J. J., Javin J. Е., Mac Jill R. A. // Appl. Phys.
Lett. 1985. V. 4. № 4. P. 358.
3. Adler R., Picraux S. // Nucl. Instrum, anil Methods.
1985. V. BO. № 1/2. P. 123.
4. Баженов Г. II., Бугаев С. II., Ерохин, Г. П. и др. И
Труды V Всесоюз. симп. по сильноточной элект-
ронике. Томск: ИСЭ СО АН СССР. Т. 2. С. 93.
5. Бугаев С. II., Аксенов А. И., Талона А. М. и др.
Разработка плазменных эмиттеров. Отчет Гос.
регистр. № 01840023160. М.: ВНТИЦ, 1984.
6. Аккерман Д. Р., Арбузов А. И., Талона А. М. и др.
Деп. рук. № 7708-84 деп. №.: ВИНИТИ, 1984.
7. Лафферти Д. Вакуумные дуги. М.: Мир, 1982.
Томский институт
систем управления
Поступила в
автоматизированных
и радиоэлектроники
редакцию ЗЛУ. 1986
УДК 621.383.292.3 : 539.1.074.6 ПТЭ № 3,1987
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФЭУ-140 В ИМПУЛЬСНОЙ
СПЕКТРОСКОПИИ ПЛАЗМЫ
АРТЕЕВ М.С., СУЛАКШИН С. С.
Исследованы импульсные характеристики и спектральная зависимость чувстви-
тельности фотоэлектронного умножителя ФЭУ-140. Эти ф.э.у. позволяют регистриро-
вать слабые световые потоки мощностью ~10-10 Вт и длительностью до 10 нс в спект-
ральном диапазоне 200 -ь 650 нм с достаточно широким диапазоном линейности
(10-ю ю-s Вт).
Для фотоэлектрической спектроскопии не-
стационарной плазмы обычно применяют спе-
циальные временные фотоэлектронные умно-
жители (ф. э. у.) [11. В таблице в первых трех
столбцах приведены характеристики часто при-
меняемых ф. э. у. этого типа 12]. Из-за значи-
тельной величины темновых токов с помощью
этих ф. э. у. невозможно регистрировать све-
товые потоки мощностью -г- 10'° Вт,
например при измерении профилей линий из-
лучения плазмы. Среди серийно выпускаемых
ф. э. у. малые темновые токи имеет спектро-
метрический фотоумножитель ФЭУ-140, пас-
портные характеристики которого также по-
мещены в таблице. Однако поскольку ФЭУ-140
не предназначен для импульсного режима,
в паспортных данных и в литературе его им-
пульсные параметры отсутствуют. В данной
работе исследованы импульсные характеристи-
ки ФЭУ-140.
В ф. э. у. использовался равномерный де-
литель с питанием от стабилизированного вы-
соковольтного источника БВ-2-2. Сопротивле-
ние звена делителя 100 кОм, сопротивление
нагрузки 75 Ом, последние четыре динода
были зашунтированы конденсаторами емкостью
1 мкФ. Световые импульсы длительностью
30 нс -4- 300 мкс генерировались светодиодом
АЛ102А, питающимся от генератора Г5-49.
Сигнал с ф. э. у. регистрировался осциллогра-
фом С1-75 с полосой пропускания 250 МГц.
Форма световых импульсов контролировалась
ф.э.у. 14ЭЛУ-ФС с паспортным значением
времени нарастания фронта импульса анодного
тока Тф = 1,6 пс. На рис. 1, а приведена осцил-
лограмма импульса с ФЭУ-140 при длитель-
ности импульса засветки 30 нс, которая совпа-
дает по форме с импульсом света.
Для получения световых импульсов мень-
шей длительности использовался азотный ла-
зер ЛГИ-21 с паспортным значением длитель-
ности импульса на полувысоте 7 нс. Форма им-
пульса контролировалась фотоэлементом ФЭК-
22 с паспортным значением Тф = 1,8 нс. На
рис. 1, б представлена осциллограмма сигна-
ла с ФЭК-22, а на рис. 1, в — с ФЭУ-140. Из
сравнения осциллограмм следует, что для ФЭУ-
140 Тф — 4 -г- 5 пс, а время спадания сигнала
до уровня 0,1------8 пс.
В области длительностей 100 пс -4- 100 мкс
импульсная световая характеристика ФЭУ-140
исследовалась с помощью того же светодиода.
Световой поток ослаблялся калиброванными
нейтральными светофильтрами. Анодный ток,
при котором отклонение от линейности свето-
вой характеристики достигало 10%, принимал-
ся за предельный /ал. На рис. 2 представлена
зависимость /ал от длительности импульса за-
светки. Виден существенный рост /а;| при умень-
шении длительности импульсов засветки. При
постоянной засветке /ал — 0,27 мА. Регистра-
ция слабых световых сигналов ограничивалась
предельной чувствительностью регистрирующей
аппаратуры (10 мВ/см), и в данной работе диа-
142
Параме гры ФЭУ-30 ФЭУ-36 ФЭУ-63 ФЭУ-140
Габариты, мм2 Область спектральной чувствительности, нм Интегральная чувствительность катода, мкА/лм Спектральная чувствительность катода (л = 410 нм), мА. Вт Предел линейности световой характери- стики, А Время нарастания анодных импульсов, нс Анодная чувствительность, А/лм Напряжение питания, не более, В Средний темновой ток, А &68X2I0 300—600 40ч-70 1,1 2,8 1000 2500 8-10-е Q49X195 300-600 40-60 30 0,6 1000 2900 2,5.10-’ О 125x270 350—600 20-60 0,7 3,5 1000 2200 З-10-s О 30x90 200-4-650 40-70 50 1000 2200 2-Ю-8
пазон регистрируемых мощностей световых по-
токов при длительности импульсов —- 100 пс
составлял 1,5-10“10-т-2,7 • 10-8 Вт.
В паспорте к ФЭУ-140 не приводится также
спектральная зависимость чувствительности фо-
топриемника у (к), поэтому она была измерена.
Измерения проводились в области длин волн
К = 200 —5— 700 нм. В качестве источника
сплошного спектра в области А. = 340-5-
Рис. 1. Осциллограммы тока ФЭУ-140 (а — при засвет-
ке от светодиода (т ~ 30 пс), в — от лазера ЛГИ-21)
и ФЭК-22 (0
Рис. 2. Зависимость предельного анодного тока от дли-
тельности импульса засветки
Рис. 3. Спектральная зависимость чувствительности
ФЭУ-140
-г- 700 нм использовалась стандартная ленточ-
ная вольфрамовая лампа СИ-8-200 с яркост-
ной температурой Т = 2750 К; в области X =
= 200 -т- 360 нм использовалась водородная
лампа с паспортизованным спектральным рас-
пределением относительной интенсивности из-
лучения. Результаты измерений сшивались в
области X = 340 -4- 360 нм. Свет от источника
проходил через обтюратор и поступал на моно-
хроматор МД Р-4, за одной из выходных щелей
которого был помещен ФЭУ-140; для исклю-
чения спектральной зависимости коэффици-
ента пропускания монохроматора за его второй
выходной щелью помещался ф.э.у. 14ЭЛУ-ФС
с паспортизованной у (X). Полученная зависи-
мость у (X) для ФЭУ-140 представлена на рис. 3.
Л Л ГЕРА ТУРА
1. Методы исследования плазмы/Под ред. В. Лохте-
Хольтгревена. М.: Мир, 1971. С. 209.
2. Берковский А. Г., Гавакин В. А., Зайдель И. Н.
Вакуумные фотоэлектронные приборы. М.: Энер-
гия, 1976. С. 182.
НИИ ядерной физики
при Томском политехническом институте
Поступила в редакцию 9.1.1986
143
УДК 539.1.074.3
ПТЭ № 3, 1987
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТОВОГО ВЫХОДА СЛАБЫХ СЦИНТИЛЛЯЦИЙ
МАНДЖУКОВ И. Г., МАНДЖУКОВА Б. В.
Предлагается моделировать амплитудное распределение импульсов от слабых
сцинтилляций распределением Пуассона, если среднее число фотоэлектронов, собран-
ных па первом диноде ф.э.у., порядка!. Метод позволяет определять сцинтилляцион-
ный выход и в тех случаях, когда ф.э.у. не имеет максимума в распределении одпоэлек-
тронпых импульсов. Определены сцинтилляционные выходы ряда водных растворов
салицилата натрия и ароматических растворителей (бензола, толуола, ксилола) при
внутреннем облучении а-частицами.
Известно, что амплитудное распределение
одноэлектронных импульсов (о.э.и.) ф.э.у. име-
ет вид пуассоновской кривой, где в качестве
параметра выступает средний коэффициент
умножения первого динода 11]. Наличие в нем
хорошо выраженного максимума зависит как
от типа, так и от индивидуальных свойств
ф.э.у. Положение максимума в распределении
о.э.и. можно использовать при решении мно-
гих метрологических задач, одна из которых —
определение абсолютного сцинтилляционного
выхода сцинтилляторов.
Так, следуя 12), можно определить сред-
нее число фотонов 11, выделяемое в сцинтилля-
торе при поглощении кванта энергии Er,
- , Е. , 1 лрн (Еп)
п (Er) - -==----л----
Ipq lSE
(1)
где f — вероятность попадания фотона на фото-
катод; р — квантовая эффективность фотока-
тода; q — коэффициент сбора фотоэлектронов
на первом диноде; Арц (Er) — положение сцин-
тилляционной линии в амплитудном спектре;
Ase — положение пика о.э.и.
Известно, что хорошо выявленный пуассо-
новский пик о.э.и. является индивидуальным
свойством ф.э.у., не предназначенных специ-
ально для регистрации о.э.и. В последнем
случае в ф.э.у. используется первый динод
с высоким коэффициентом умножения. Нали-
чие экспоненциальной компоненты в распре-
делении о.э.и., а также проявление таких
эффектов, как пролет электронов через динод
без умножения 11], приводят к уширению пуас-
соновской компоненты и могут полностью за-
маскировать максимум в амплитудном распре-
делении о.э.и. Это часто наблюдается для
ф.э.у. с жалюзийной дпнодной системой, где
обычно коэффициент пролета значителен. Оче-
видно, что такие ф.э.у. непригодны для опре-
деления сцинтилляционного выхода по формуле
(1) или позволяют делать лишь грубые оценки,
как, например, в работе [3], в которой иссле-
довалось свечение ряда жидкостей под дей-
ствием а-частиц 239Рп. Предлагаемый ниже
метод позволяет избежать трудностей, свя-
занных с отсутствием пуассоновского макси-
мума в распределении о.э.и.
Форма амплитудного спектра слабых све-
товых импульсов. Среднее число фотоэлектро-
нов в импульсе, выбитых из фотокатода и попа-
дающих на первый динод т = nfpq, может
принимать малые значения, если: мала энергия
ионизирующих частиц (п со Er); мал выход
сцинтиллятора (например, при исследовании
веществ, которые являются плохими сцинтил-
ляторами); низок светосбор; спектр излучения
пе соответствует спектральной чувствитель-
ности фотокатода ф.э.у . и т. д. Число фото-
электронов, попадающих па первый динод в
одном импульсе (сцинтилляция от одной а-час-
тицы), может принимать только целые значения
0, 1, 2, 3, ....Поэтому амплитудный спектр
слабых световых импульсов (когда т близко
к 1) должен иметь характер пуассоновского
распределения по числу фотоэлектронов, попа-
дающих на первый динод. При больших Тп
форма сцинтилляционной линии становится
гауссовской.
Если lVn, Wlt W2t... соответственно означа-
ют вероятность того, что а-частицы вообще
не регистрируются (нулевое событие), регис-
трируется один фотоэлектрон, два фотоэлек-
трона и т. д., то очевидно
1 = IVO + + W2 + ... . (2)
Равенству (2) можно сопоставить пуассонов-
ское распределение
00 - -i
1 ехр(--те) т pj
;=о
где j — число фотоэлектронов, попадающих
на первый динод в одном импульсе. Этим рас-
пределением можно аппроксимировать экспе-
риментальный амплитудный спектр. Вероят-
ность нулевого события, т. е. потеря счета,
равна
= ехр (—т), (4)
а эффективность регистрации а-частиц, со-
144
гласно (3), равна
-TL= 1 —exp (—m), (5)
а
где 1м — экспериментально измеренная ск
рость счета, а 1а — интенсивность источника
а-частиц. Значения, даваемые формулами (4),
(5), могут быть определены по площади изме-
ренного спектра, что позволяет оценить nfpq
независимо от того, есть ли реперный максимум
в распределении о.э.и. Кроме того, приведен-
ные выше соотношения позволяют моделиро-
вать экспериментальный спектр как наложение
одноэлектронного спектра с весом (парциаль-
ной площадью) ехр (—т)т, двухэлектронного
с весом ’/2 ехр (—т)т2 и т. д. Очевидно, при
1й,^> 1 сцинтилляционная линия приобретает
обычную гауссовскую форму и эффективность
регистрации а-частиц достигает практически
100%. Такие линии можно получить с клас-
сическими сцинтилляторами, например с
ZnS(Ag) при облучении а-частицамп. При т, = 1,
что соответствует высвечиванию ~ 20 фотонов
в сцинтилляционном импульсе (при fpq = 0,05)Л
эффективность регистрации а-частиц ~ 63%.
Экспериментальные результаты. Исследо-
вались сцинтилляционные импульсы при взаи-
модействии а-частиц с водными растворами
салицилата натрия и с ароматическими раст-
ворителями: бензолом, толуолом, ксилолом,
которые часто используются в качестве основ-
ных компонентов жидких сцинтилляторов.
Источник а-частиц с энергией 5,157 МэВ
(239рп) погружался в жидкости, чтобы избе-
жать сцинтилляций в воздухе [4], которые
могут исказить экспериментальные результа-
ты. Исследуемая жидкость наливалась в кювету
с кварцевым дном. Растворенный в жидкости
кислород не удалялся. Эксперименты практи-
чески не отличались от описанных в (3]. Сцин-
тилляции регистрировались при помощи
ф.э.у. EMI9635QB (с кварцевым окном и бище-
лочным фотокатодом) в одноэлектронном режиме
в спектральном диапазоне 200-5-500 нм. Для
амплитудного анализа использован стандарт-
ный спектрометрический тракт и многоканаль-
ный анализатор. Отметим, что в распределении
о.э.и. данного ф.э.у. пуассоновский максимум
отсутствовал. При измерениях с кристаллом
Nai(Tl) была определена фотоэффективность
установки jpq = 0,05 фотоэлектропов/фотон в
спектральном диапазоне 200-5-500 нм, что нахо-
дится в согласии с данными работ [5, 6].
На рис. 1, а показаны экспериментальные
амплитудные спектры (с вычетом фона в отсут-
ствие a-источника) сцинтилляций а-частйц в
водных растворах салицилата натрия. На
рис. 1, б показаны модельные спектры (пуас-
Рис. 1. Амплитудные спектры сцинтилляционных им-
пульсов а-частиц в водном растворе салицилата натрия
с разными концентрациями: а — экспериментальные
спектры (/—0,1%; 2 — 1%, 5 — 10%, 4 — 20%);
б — модельные спектры (/ — т = 0,12, 2 — та =
= 1,4, 3 — т= 2,8, 4 — т = 2,6)
ооновское распределение), параметром которых
служит среднее число фотоэлектронов от одной
а-частицы (т).
Надо иметь ввиду, что экспериментальные
пуассоновские спектры квазипепрерывны. По-
этому для построения модельных спектров ис-
пользовалось следующее представление пуассо-
новского распределения
р \____ ехр (-- та) т1
Л ' Г(/Ч-1) ’
где Г — гамма функция, a j может принимать
и нецелые значения. При моделировании не
учитывалась ширина распределения о.э.и.
На практике спектр 0,1%-ного раствора
чисто одноэлектронный. Видно (рис. 1, а),
что в экспериментальном спектре максимум
не наблюдается.
Для удобства сравнения экспериментальных
спектров с их моделями мы строили разностные
спектры (рис. 2, а,б), которые отражают все
характерные особенности экспериментальных
спектров. Используя особые точки экспери-
ментальных и модельных спектров можно опре-
делить, что максимум распределения о.э.и.,
если бы он проявился, должен быть расположен
в области 15-го канала. Результаты по опре-
10 птэ, м з
145
Таблица 1
Характеристики сцинтилляции в растворе салицилата натрия
Концентрация раствора, с, % Экспериментальная скорость счета 7Л/ Эффективность реги- страции а-часгиц п при Ipq — 0,05 фо- тонов,а-часгицу
0,1 18 0,11 0,12 2,4
1 121 0,75 1.4 28,0
10 152 0,94 2,8 56
20 150 0,93 2,6 52
Таблица 2
Сцинтилляционный световыход ароматических растворителей
Раствор Эксперименгальнам скорость счета Эффективность реги- страции а-часгиц ТП и при fpq = 0,05 фо тонов/а-часгицу
свнв 1540 0,81 1,65 33
стн. 1786 0,94 2,8 56
С Ню 1744 0,92 2,5 50
делению сцинтилляционного выхода водных
растворов салицилата натрия суммированы в
табл. 1. Активность источника 161,5 а-частиц
в секунду в 2л-геометрии. Среднее число фото-
электронов на а-частицу определено как аппрок-
симацией экспериментальных спектров модель-
Рис. 2. Разностные спектры сцинтилляций а-частиц
в водном растворе салицилата натрия: а экспери-
ментальные разностные спектры (1 — (1 % ~ .
2 — (20% — 0.1 %), 3 — (10% — 0,1 %), 1 — (20% — 1 %),
5 —(10% —1%))’ б — разностные модельные спектры
'(/ - Z>. (1,4)-Pj (0,12), 2 - РД2,6)-Р; (0 12) 3-
р (2,^)—Pj (0,12), 4 — Pj (2,6)—Pj (1,4), 5 — Pj
1 1 ’ 1 (2,8)-Р;'(1,4))
ними, так и исходя из измеренной эффектив-
ности регистрации а-частиц.
Салицилат натрия в кристаллическом виде
известен как трансформатор спектра при оп-
тических измерениях в крайней ультрафио-
летовой области [7, 8]. Он был использован
как сместитель спектра в газовых сцинтилля-
ционных детекторах [9]. Пам неизвестны данные
для сцинтилляционного выхода водных раст-
воров салицилата натрия при внутреннем облу-
чении а-частицами.
Приведенные результаты подтверждают хо-
рошо известный факт, что вода не является
эффективным переносчиком энергии первич-
ного возбуждения к молекулам сцинтиллятора.
При концентрациях салицилата натрия с 1
-4-5% сцинтилляционный выход пропорцио-
нален концентрации. При с 10% наступает
насыщение, а выход 20%-ного раствора даже
немного ниже, чем для 10%-ного. Последнее
можно объяснить эффектами самопоглощепия.
Такое поведение сцинтилляционного выхода
позволяет предположить, что механизм сцин-
тилляций в водном растворе салицилата нат-
рия обусловлен прямым захватом части энер-
гии первичного возбуждения молекулами сцин-
тиллятора в треке ионизирующей частицы.
Известно, что в случаях, когда растворитель
является хорошим переносчиком энергии
(например, для ароматических растворителей
в жидких сцинтилляторах) максимальное зна-
чение сцинтилляционного выхода достигается
при очень малых концентрациях активатора
0,1 -г-0,5 мол.%.
Используя описанную выше методику, мы
определили сцинтилляционный выход жидкос-
тей ароматического ряда — бензола С0Н6, то-
146
Рис. 3. Амплитудные спектры сцинтилляционных им-
пульсов а-частпц в ароматических растворителях:
а — экспериментальные спектры (1 — бензол, 2 —
ксилол, 3 — толуол); б — модельные спектры (1 —
in = 1,65, 2 — т = 2,5, 3 — т — 2,8)
луола С-Н8, ксилола СЯИ1О (класс чистоты — для
анализа) при внутреннем облучении «-части-
цами. Ксилол — смесь изомеров. Измерения
проводились при тех же условиях, но с
a-источником с активностью 1900 а-частиц
в секунду в 2л-геометрии.
На рис. 3, а показаны экспериментальные
амплитудные спектры ароматических раство-
рителей, а на рис. 3, б — моделирующие их
пуассоновские кривые. Результаты по опре-
делению сцинтилляционного выхода аромати-
ческих растворителей суммированы в табл. 2.
Ароматические растворители исследовались
многими авторами в связи с их использованием
и качестве основного компонента жидких сцин-
тилляторов. Несмотря на то, что эти раство-
рители являются хорошими переносчиками энер-
гии возбуждения, в чистом виде они показывают
очень слабую фото- и радиолюминесценцию.
В работе ИО] приведена относительная интен-
сивность радиолюминесценции жидкостей бен-
зол : толуол : о-ксилол = 0,35 : 0,45 : 1,0 при воз-
буждении рентгеновскими лучами. В наших
экспериментах отношение сцинтилляционных
выходов оказалось другим, что, вероятно, обус-
ловлено различным отношением е а сцинтилля-
ционных выходов для этих жидкостей. В нашем
случае сцинтилляции возбуждались тяжелыми
заряженными частицами.
В заключение отметим, что при аппрокси-
мации экспериментальных спектров пуассонов-
ским распределением, результаты очень чув-
ствительны к подбору параметра ?«, что обес-
печивает точность определения сцинтилляци-
онных выходов этим методом ±10%.
Из приведенных результатов видно, что
эффективность регистрации а-частиц 239Ри для
водных растворов салицилата натрия с кон-
центрацией 10% довольно высока — 0,94. Они
могут оказаться полезными для решения неко-
торых практических задач по измерению
a-активностей. При таких измерениях фон
о.э.и. (пе связанный с a-источником) можно
существенно уменьшить выбором порога дис-
криминации, при этом однако уменьшится
и эффективность регистрации.
Применение предложенного метода в из-
вестной степени усложнится, если в сцин-
тилляторе наблюдаются интенсивные компо-
ненты с длительным временем высвечивания,
намного большим постоянных времени инте-
грирующих цепей спектрометрического тракта.
В этом случае появится заметный однофотонпый
фон, связанный с активностью источника 1111,
который приведет к искажениям спектра сцин-
тилляционных импульсов. В наших измерени-
ях такие искажения пе наблюдались. Обычно
в жидкостях запаздывающие компоненты вы-
свечивания выражены слабо.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Ветохип С. С., Гулаков И. Р., Перцев А. II., Рез-
ников И. В. Одноэлектронные фотопрпемппкп.
М.: Атомиздат, 1979. С. 11, 26, 139,
2. Перцев А. II., Писаревский А. II. Одпоэлектронные
характеристики ФЭУ и их применение. М.: Атом-
издат, 1971. С. 40.
3. М анджуков И., Нончев Ц., Манджукова Б. И Гос.
Соф. унив. 1978/79. Т. 69. С. 62.
4. DuguesneM., Kaplan J. Hl. Phys. et. Radium.
1960. V. 21. P. 708.
5. Кибальчич Г. A. // ПТЭ. 1972. № 6. С. 157.
6. Porter I'. T., Freedman M. S., Wagner F. et. al. /
Nucl. Instrum. and Methods. 1966. V. 39. P. 35.
7. Allison R., Burns J., Tuzzolino A . J. Ц Opt. Soc.
of America. 1964. V. 54. № 6. P. 747.
8. Nygaard K. J. H Brit. J. Appl. Phvs. 1964. V. 15.
P. 597.
9. Alves M. A. F., Dos Santos M. С. M., Policarpo
A. J. P. L. // Nucl. Instrum. and Methods. 1974.
V. 119. P. 405.
10. Альперович Л. И., Шербаф И. Д., Марупов Р. //
Оптика и спектроскопия. 1960. Т. 8. С. 289.
11. Манджуков И., Колев Д., Манд/п/коса Б., Бой-
чее Ц. // ПТЭ. 1975. № 1. С. 64
Софийский университет
Поступила в редакцию 10.III.(986
Ю* 147
УДК 537.534.8
ПТЭ № 3, 1987
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИОНОВ
БИООРГАНИЧЕСКИХ ТЕРМОНЕСТАБИЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ
МАЛАХОВ К. В., ПЯТАКИН А. И., ТИХОНОВ В.М., ТУРКИНА М. Я.
Описан источник ионов высокомолекулярных соединений, основанный на вторич-
ной эмиссии ионов исследуемого вещества, находящегося в жидкой матрице (глице-
рине) под воздействием пучка первичных ионов Cs+ с энергией ~5 кэВ. Ток первичного
пучка 1 мА, вторичного па входе в умножитель 10-11 ч- 10-1в А.
Создание ионов исследуемых веществ в
масс-спектрометрах МИ1201 осуществляется
электронным ударом или поверхностной иони-
зацией. Эти способы не пригодны для иониза-
ции большинства биоорганических продуктов,
так как в нормальных условиях такие соеди-
нения не летучи, а прп нагревании разлагают-
ся. Недавно появились методы создания ионов,
не требующие нагревания вещества. Один из
них основан на явлении вторичной ионной
эмиссии. Использование жидкой матрицы [1]
увеличивает время генерации стабильного по-
тока вторичных ионов достаточной интенсив-
ности (до десятков минут). Это позволило скон-
струировать вторично-эмиссионпый источник
ионов (в.э.и.и.), используя источники, вхо-
дящие в комплект серийных отечественных
масс-спектрометров с магнитным анализатором
121.
Для бомбардировки мишени с образцом
в в.э.и.и. обычно применяли первичные пучки
ионов одного из инертных газов, например
Аг [1]. Мы работали с первичным пучком иопов
Cs+, так как в этом случае источник первич-
ных ионов может иметь малые размеры, а также
не требуются устройства откачки газов. Ис-
пользование ионов Cs+ дает дополнительные
преимущества: Cs, попадая на поверхность
мишени, способствует увеличению выхода вто-
ричных отрицательных ионов [3]. Кроме того,
Cs имеет низкий потенциал ионизации (3,893 эВ
[4]), и интенсивный пучок ионов можно полу-
чить при относительно слабом ( ~ 600 °C) на-
греве печки, наполненной алюминатом цезия.
Другие особенности работы с первичным пуч-
ком Cs+ описаны в [5].
Нам удалось максимально сохранить кон-
струкцию серийных источников ионов, мало
изменив ионизационную камеру ИК (рис. 1)
и оставив без изменений ионно-оптическую
систему. Необходимые для работы в.э.и.и.
электрические потенциалы (за исключением
напряжения 10 кВ) подводились от блоков
масс-спектрометра. При модернизации прибора
была предусмотрена возможность изменения
направления вектора напряженности маг-
нитного поля анализатора и полярности потен-
циала в источнике и регистрирующем устрой-
стве на противоположные. Это позволило фик-
сировать вторично-эмиссионные масс-спектры
как положительных, так и отрицательных ио-
нов. Регистрация тока ионов, прошедших маг-
нитный анализатор, осуществлялась электрон-
ным умножителем с коэффициентом умноже-
ния 104.
Для оптимизации в.э.и.и. процессы ново-
образования и формирования пучка вторичных
ионов моделировались на э.в.м. для различ-
ных геометрий и потенциалов электродов источ-
ника. Математическое обеспечение и методика
моделирования аналогичны изложенным в [6].
В.э.и.и. (рис. 1) состоит из эмиттера пер-
вичных ионов ЭИ, ионизационной камеры ИК,
вытягивающего Эу, фокусирующего Э2 и колли-
мирующих A'j и К2 электродов с корректором
пучка КЭ. Первичные ионы, ускоренные до
энергии 5 кэВ, попадают на мишень М и иони-
зируют исследуемое вещество, помещаемое на
нее в растворе глицерина. Начальная энергия
вторичных ионов принималась 0,1 -j- 1 эВ [7].
Задача заключалась в том, чтобы подобрать
угол а, размеры а, Ъ и напряжения на электро-
дах Uy, U2, иКэ (рис. 1) таким образом, чтобы
ток на выходе источника был максимальным.
Остальные размеры задавались фиксированны-
ми, поскольку часть в.э.и.и., включающая
электроды Эу, Э2, Ку, К2 и КЭ, взята без изме-
нений из источника ионов масс-спектрометра
МИ1201. Величины а, а, Ь изменялись в сле-
дующих пределах, определяемых в основном
конструктивными требованиями: а = 30 60°,
а = —1 -4- 1 мм, Ъ = —1 -4- 1 мм (а и Ъ счи-
таются положительными, если оси выходной
щели ИК и щелей коллимирующих электродов
Ку и К2 располагаются выше оси щелей элек-
тродов Эу и Э2, и отрицательными в противном
случае). Пределы изменения потенциалов элек-
тродов определялись имеющимися в наличии
источниками питания: U2 = 4,25 -4- 4,5 кВ,
Uy = U2 + 140 В.
При моделировании источника его удобно
разбить на две электронно-оптические системы
ЭОСу и ЭОС2 (рис. 1) и рассматривать незави-
симо друг от друга по следующим причинам.
148
Рис. 1. Схема вторично-эмиссионного источника попои
Рис. 2. а — аксецтанс ЭОСг при — 325 В; б — зависимость
«среднего угла» пропускаемой па выход ЭОС2 части пучка от
потенциала корректирующего электрода Uкэ
Изменение потенциала U2 в диапазоне 4,25-г-
-5- 4,5 кВ практически не влияет на аксеп-
тапс ЭОС2 18], т. е. на область в фазовом прос-
транстве, внутри которой все частицы, инжек-
тированные на вход этой ЭОС, достигают ее
выхода. Изменение потенциала корректиру-
ющего электрода КЭ в диапазоне 100 -5- 400 В
практически не влияет на выходной эмиттанс
ЭОСХ [8], т. е. на область в фазовом простран-
стве, занимаемую пучком в плоскости выход-
ной щели.
На первом этапе моделирования исследовал-
ся аксептанс ЭОС2 и его зависимость от потен-
циала С7кэ с тем, чтобы можно было сформули-
ровать требования к эмиттансу пучка, формиру-
емого ЭОС1 на плоскости входной щели ЭОС2,
и критерий выбора и сравнения различных
вариантов ЭОС^. Расчеты показали, что форма
аксептанса ЭОС2 практически не зависит от
l/цд в диапазоне 100 f- 400 В и представляет
собой параллелограмм, сложение которого
по угловой координате на фазовой плоскости
определяется потенциалом Una, а по коорди-
нате отклонения от оси — смещением b (рис. 1).
Аксептанс ЭОС2 при 1/кэ = 325 В приведен
на рис. 2, а, зависимость «среднего угла» про-
пускаемой на ее выход части пучка от Окэ
приведена на рис. 2,6. Применительно к аксеп-
тансу «средний угол» определяется как среднее
арифметическое минимального и максимального
углов наклона траекторий к оси, при которых
они еще проходят через выходную щель.Э(?С2,
имея на ее оси в плоскости входной щели энер-
гию 5 кэВ (энергию выходного пучка ЭОС^). На
рис. 2, а видно, что диапазон углов траекторий,
пропускаемых ЭОС2, равен 0,67°.
Как известно [81, для того чтобы общий
коэффициент пропускания двух последователь-
149
Рис. 3. Пучок попов в ЭОС] вторично-эмиссионного источника ио-
нов прп начальных энергиях пучка 0.1 эВ (7) п I эВ (2)
ных ЭОС был максимальным, необходимо сов-
местить выходной эмиттанс первой ЭОС с
аксентансом второй ЭОС таким образом, чтобы
интенсивность J пучка, заключенного в области
пересечения эмиттанса и аксептанса, была
наибольшей. Обычно это достигается введением
промежуточной транспортирующей ЭОС, осу-
ществляющей оптимальное сопряжение. В на-
шем случае достаточно скорректировать поло-
жение аксептанса ЭОС2 на фазовой плоскости
заданием соответствующих величин Икэ и Ъ.
Задача оптимизации в.э.и.и., таким образом,
сводится к оптимизации ЭОСГ и нахождении
таких а и а и потенциалов L\, U2, чтобы интен-
сивность пучка J (критерий оптимизации) в
области па фазовой плоскости, имеющей форму
аксептанса ЭОС2, была максимальной.
Для определения условий формирования
пучка вторичных ионов (область мишени, где
образуются вторичные ионы; весовые коэффи-
циенты различных участков этой области, опре-
деляющие вклад участка в общий пучок и зави-
сящие от интенсивности его бомбардировки
первичными ионами) сначала моделировался
пучок первичных ионов Cs+.
Этот пучок формируется эмиттером ионов
ЭИ, представляющим собой печку, наполненную
алюминатом цезия и нагреваемую до температу-
ры ~ 600 °C. Размер пучка ионов Cs'1 па поверх-
ности ЭЯ определяется шириной прорези печки,
равной 0,2 мм. Исследования показали, что
в интервале температур до 1000 °C при началь-
ной энергии пучка ионов Cs+, равной КТ
(К — постоянная Больцмана, Т — абсолют-
ная температура печки), и углах вылета в пре-
делах ±60° относительно нормали к поверх-
ности области зарождения первичных ионов,
уширение их пучка вблизи мишени М не пре-
восходит 0,04 мм и интенсивность пучка по
сечению примерно одинакова.
Пучок вторичных ионов моделировался в
интервале начальных энергий вылета 0,1 н-
-г- 1 эВ [7] в диапазоне углов ±90° относительно
нормали к мишени с шагом по углу, равным
2° в шести равноотстоящих друг от друга точ-
ках области мишени, в которую попадает пучок
первичных попов. При моделировании учиты-
валось, что интенсивность вторичных ионов
распределена по закону косинуса угла отно-
сительно нормали.
Установлено, что наилучшие параметры
источника достигаются при 30° < а < 60°,
—0,5 мм a —0,2 мм (причем значение
а зависит от угла a), U2 — 4,5 кВ, 4,36 кВ +
-"С 0'1 4,64 кВ. Каждому из конкретных
значений этих параметров соответствуют
определенные значения h и О'нэ- Так, при
а = 45° значение а = —0,5 мм и при U2 =
= 4,5 кВ, Ux — 4,36 кВ в диапазоне началь-
ных энергий 0,1 -j- 1 эВ оптимальны значения
b = +0,33 мм, О'кэ — 390 В. Вид пучков
траекторий для указанных значений парамет-
ров ЭОС1 приведен па рис. 3, который демон-
стрирует также влияние начальной энергии
вторичных ионов на форму пучка. При углах
поворота мишени а > 60° хотя и уменьша-
ются область новообразования на мишени М
и угловой разброс пучка на выходе ЭОС],
но увеличивается ширина пучка и возвраща-
ются обратно на мишень М ионы, вылетающие
с углами >60' относительно нормали к ней.
При углах а < 30° увеличение области ново-
образования приводит к уширению пучка на
выходе ЭОСА.
Оптимизация геометрии в.э.и.и. улучшила
характеристики созданной конструкции.
Суммарный ток вторичных ионов на выходе
источника возрос в 5 4- 10 раз. Увеличение
светосилы в.э.и.и. позволило понизить предел
обнаружения тех веществ, которые дают
характеристические линии в областях масс-
спектра с пренебрежимым вкладом «хими-
ческих шумов». Так, например, предел обна-
ружения олигопептида брадикинина (молеку-
лярный вес 1060) составил 10-5 мольных долей.
Характеристики масс-спектрометра М111201
с вторично-эмиссионным источником ионов:
первичный пучок Cs+; энергия первичного
пучка 4-=-6 кэВ; угол падения 30°; ток пер-
вичного пучка 1 мА. Концентрация образца
150
в жидкой матрице (глицерин) 10-1 4- 10~5
мольных долей; объем пробы 1 мкл; материал
подложки Ag. Ионные токи на входе умножи-
теля Ю'11 4- 10'16 А; разрешение (на 20%
высоты пиков) 600; время существования
стабильного потока ионов и наблюдения
вторично-эмиссионного масс-спектра 15 4-
4- 30 мин. Регистрируются как положитель-
ные, так и отрицательные /ионы.
Масс-спектрометр МИ1201, оснащенный
в.э.и.и., применяется для анализа биологи-
чески активных термически нестабильных
продуктов [9, 101.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Танцырев Г. ДПоволоцкая М. II. Л. с. 983829
СССР И Б. И. 1982. № 47. С. 232.
2. Добычин С. Л.. Малахов К. В., Туркина М. Я. И
V Всесоюз. конф, аналитической химии органиче-
ских соединений. Тезисы докладов. М.: Паука,
1984. С. 224.
3. Werner II. W. // Vacuum. 1974. V. 24. Р. 493.
4. Зандберг Э. Я., Ионов II. И. Поверхностная иони-
зация. М.: Наука, 1969. С. 71.
5. A berth W., Staub К. М., Burlingame А . L. И Anal.
Chem. 1982. V. 54. Р. 2029.
6. Галль Л. II., Огородников А . К., ПятакинА.Н.
и др. И Научное приборостроение: сборник науч-
ных трудов НТО АН СССР. Л.: Наука, 1983. С. 31.
7. Lange W. J., Hooderbrugge В., Kistemaker Р. G. И
Int. J. Mass Spectr. Ion Proc. 1985. V. 67. № 2.
P. 147.
8. Бенфорд A. Транспортировка пучков заряженных
частиц. М.: Мир, 1968.
9. Малахов К. В., Туркина М. Я., Добычин С. Л.7
Жури, орган, химии. 1985. Т. 21. Вып. 7. С. 1431.
10. Малахов К. В., Туркина М. Я., Добычин С. Л. /7
Жури, аналит. химии. 1986. Т. 41. Вып. 3. С. 511.
Научно-техническое объединение АН СССР
НПО Государственный институт прикладной химии,
Ленинград
Поступила в редакцию 10.11.1986
(После переработки 14.VII.1986)
УДК 621.3.038.615:621.318.1
ПТУ № 3, 1987
КВАДРУПОЛЬНЫЕ ЛИНЗЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЭНЕРГОЕМКИХ
РАДИАЛЬНО-НАМАГНИЧЕННЫХ МАГНИТОВ
КУДРЯВЦЕВА С. II., КУДРЯВЦЕВ A. II., МЕЛЬНИКОВ 10. А.
Приводятся результаты расчета градиента магнитного поля в квадрупольпых лин-
зах на основе радиально-намагниченных секторных и призматических магнитов раз-
личной геометрии, выполненных из современных магнитных материалов типа В—Со и
Fe— Nd—В, а также экспериментальные данные о величине градиента поля в линзах,
изготовленных из сплава КС37. Расхождение между расчетными и эксперименталь-
ными результатами <J6%. Описываются регулируемые квадрупольные линзы из сек-
торных магнитов, обеспечивающие плавную регулировку величины градиента магнит-
ного поля до 0,05 от максимального уровня.
Повышение энергоемкости магнитных
материалов из соединений редкоземельных
элементов с кобальтом (R — Со) до величины
| (ВИ] |max ~ 2-105 Тл-А/м и появление
новых высококоэрцитивных магнитных ма-
териалов на основе системы Fe — Nd — В
[1] с | |ВН] |шах ~ 3-105 Тл-А/м стимулируют
работы по созданию малогабаритных квад-
рупольных линз. Элементной базой для
них могут служить кольцевые магниты
с радиальной текстурой, намагниченные ре-
версивно по частям, а также магниты в виде
секторов с радиальной текстурой и призм,
технология изготовления которых достаточно
хорошо отработана. Рассматриваемые квадру-
польные линзы, не уступая конструкциям [2]
по величине создаваемого магнитного поля,
плавности и диапазону его регулировки,
проще их в изготовлении и эксплуатации.
При расчете линз на основе магнитов из
соединений R — Со и Fe — Nd — Вс высо-
кими значениями коэрцитивной силы, у ко-
торых в пределах второго квадранта линия
В = f(H) — прямая, можно считать вели-
чину намагниченности М постоянной по
объему магнитов и близкой к остаточной
намагниченности магнитотвердого материала.
Исходя из этого, для квадрупольпых линз
на основе призматических и секторных маг-
нитов, показанных на рис. 1, а, х-, у-, z-co-
ставляющие магнитной индукции в любой точ-
ке внутри линзы записываются согласно
принципу суперпозиции в виде
Bx=^Bxi, B„=%Bvj, (1)
1=1 1=1 1=1
151
l/R; Rj/R', t/R
Рис. 1. Квадрупольные лппзы на основе радиально
намагниченных секторных и призматических постоян-
ных магнитов (а) и расчетные зависимости (б) величины
градиента магнитного поля, приведенного к величине
намагниченности материала, от изменений размеров
секторных (сплошные линии) п призматических (штрих-
пунктирные линии) магнитов в линзах при радиусе
апертуры R = 10 мм (1 — f, (l/R) при RJR — 1,5,
t/R = 2; 2 — /, (RjR) при l/R = 0,5, t/R = 2; 3 —
/з (t/R) при RjR = 1,5; l/R = 0,5)
где j — номер магнита линзы.
Для расчета трехмерного магнитного поля
в квадрупольных линзах на призматических
магнитах использован метод фиктивных маг-
нитных зарядов 131, согласно которому
определяется выражением
- -Й-1$ -5- М dS> - $ <di ’ М> (2)
Is v )
где Р; — расстояние от элемента поверх-
ности dSj или элемента объема dVj /-го магнита
до рассматриваемой точки поля; и0 — маг-
нитная постоянная. С учетом постоянства И
для призматических магнитов div М = 0, и
в выражении (1) остается член, учитывающий
только поверхностные заряды, плотность ко-
торых равна М.
Для квадрупольных линз па основе сек-
торных магнитов с радиальным направлением
намагничивания div М =/= 0 и использование
формулы (2) предопределяет необходимость
расчета тройных интегралов. В7- для таких
линз удобнее определять, считая магнит экви-
валентным токовой модели [3]. В соответствии
с этой моделью внутри однородного магнита
молекулярные токи взаимно компенсируют
друг друга и некомпенсированными остаются
только токи на поверхностях магнита. В ре-
зультате задача по определению В,- сводится
к вычислению только интеграла по поверх-
ности:
В/
|. .» I Мо 1
4 л J
Я Г •'
dSj,
(3)
где М выражает плотность поверхностного
тока намагничивания.
В выражениях (2), (3) р, выражается через
координаты произвольной точки А внутри
линзы и точки Q, принадлежащей поверх-
ности интегрирования /-го магнита (пределы
интегрирования задаются в соответствии с
геометрией магнитов (рис. 1, а)). Расчет со-
ставляющих магнитного поля в каналах линз
обоих типов проведен по соотношениям (1),
(2) и (1), (3) с использованием э.в.м. БЭСМ-6.
Величина градиента магнитного поля
G— В/а определялась по расчетным значе-
ниям В па расстояниях а от осп линзы, которые
выбирались из области а 0,4 В (В — радиус
апертуры линзы). В этой области для рас-
сматриваемых типов линз значения В'а отли-
чались от градиента в центре не более, чем
па сотые доли процента.
На рис. 1, б представлены расчетные
зависимости величины градиента поля (при-
веденного к величине намагниченности) от
изменения размеров секторных и призмати-
ческих магнитов в линзах с В = 10 мм. Каж-
дая из кривых на рисунке построена как
функция одного из размеров линз (7?х, t, I —
см. рис. 1, я), приведенного к радиусу апер-
туры, при фиксированных значениях осталь-
ных размеров. Для определения градиента
поля в линзе с другими RrR, t/R, например
Rr/R = 1,25, t/R = 1, необходимо определить
величину G/М по зависимости fi(l/R) для
заданного значения 1/R; с помощью зависи-
мостей /2(R^/R), /3((/7/) найти отношения
/.(RJR = 1,25)//2(/?1/7? = 1,5) = к,,
f3(t/R = l)/f3(t/R = 2) = к2
и провести пересчет найденного значения
G/М, умножая его на коэффициенты кгк2.
Аналогичным образом определяется градиент
поля и для линз на основе секторных магни-
тов. Отличие состоит в отсутствии пересчета
по коэффициенту к2 из-за наличия только
двух независимых переменных I и RT в линзах
с секторными магнитами.
Верхняя граница изменения размеров I,
Вх соответствует насыщению в росте градиента
поля и была выявлена в результате расчетов.
Максимальное значение t/R = 2 соответствует
линзе, призматические магниты которой сопри-
касаются между собой у внутреннего канала,
образуя квадрат.
Анализ зависимостей рис. 1 показывает,
что в линзах кольцевого типа значения G
152
Таблица 1
Размеры кг.адрупол) нь х линз и величина градиента их .магнитного п'Л.ч
Тилы линз R, мм /?t, мм Z, мм 1, мм G, Тл/м
эксперимент расчет
На основе призматических магнитов 22,5 42,5 40 35 12,1 12,5
20 34 25 40 10,3 9.8
5,75 11,75 7 11,5 41,3 43,7
На основе секторных магнитов 20 30 30 — 12,0 12,6
12,5 17,5 12 — 14,8 14.5
9 12.5 12 — 23,9 23,4
на л30% выше, чем в линзах с призматически-
ми магнитами, а увеличение ширины призма-
тических магнитов эффективно только до
t/R — 1,2. Это связано с тем, что в линзах
па основе призм в отличие от линз кольцевого
типа полюсные поверхности магнитов не
равноудалены от оси. 13 результате участки
полюсов на краях призматических магнитов
вносят меньший вклад в рабочее магнитное
поле, чем аналогичные участки на краях
секторных магнитов.
На рис. 1 приведены зависимости для
одного значения /?, так как с изменением
апертуры в N раз при неизменных относитель-
ных размерах ПН, RJR, t/R градиент поля
изменяется в то же число раз. Следовательно,
полученные зависимости могут использо-
ваться для оценки величины градиента маг-
нитного поля в квадрупольных линзах раз-
личной апертуры па основе раднально-памаг-
ниченных секторных и призматических маг-
нитов, имеющих размеры в области знечений
HR > 0,5, RJR < 2,5, t/R < 2.
Для экспериментальной проверки рас-
четных данных были изготовлены квадру-
польные линзы на основе секторных магнитов
с углом раствора 90° и квадрупольные линзы
на основе призматических магнитов. 13 ка-
честве магнитного материала использован
сплав КС37 с намагниченностью 600 кА/м.
Поперечные магнитные поля в линзах изме-
рялись на установке для автоматического
контроля топографии магнитного поля, снаб-
женной зондом с датчиком Холла, имеющей
погрешность измерений-+1,5% [4]. Измерения
проводились в приосевой области линз на
расстояниях от оси г <1 0,2 R. Датчик фикси-
ровался неподвижно, а линзы приводились
во вращательное движение с постоянной
скоростью. Градиент поля определялся
путем гармонического анализа сигнала, сни-
маемого с датчика. Уровень неосновных
гармоник в приосевой области составлял
доли процента от квадрупольной составляющей
сигнала. Размеры исследуемых линз приведе-
ны в табл. 1. Здесь же представлены экспе-
риментальные и теоретические значения
градиента поля.
Расхождение между расчетными и экспе-
риментальными результатами определения G
не превышает 6%, что предопределяет воз-
можность использования графических зави-
симостей рис. 1 для инженерных разработок
квадрупольных линз.
Расчетные данные о величинах поперечных
составляющих магнитной индукции в линзах
были использованы при анализе относитель-
ной нелинейности поля 6 = \Bi(Gr), где
Д/3 — отклонение величины магнитной индук-
ции от значения Gr. При сочетании размеров
линз HR 2, Ry/R 2,5, t/R >1.2 уровень
6 для г = 0,8 R не превышает 11,2% для
линз кольцевого типа и 10,8% для линз па
основе призм. Наибольшее влияние на сниже-
ние нелинейности поля в линзах обоих типов
оказывает их осевая длина: 6 уменьшается
в >2 раза при увеличении HR от 0,5 до 2.
Увеличению наружных размеров линз от
R-JR — 1,2 до 2,5 соответствует » 30 %-ное
уменьшение 6 (в относительных единицах),
а увеличению ширины магнитов HR от 0,4
до 1,2 — уменьшение 6 на 50%.
С учетом зависимостей, приведенных
на рис. 1, оценены достижимые уровни гра-
диентов магнитных полей в квадрупольных
линзах на основе секторных и призматических
магнитов максимально целесообразных габа-
ритов, выполненных из указанных выше
современных магнитных материалов. Магнит-
ные и геометрические параметры таких линз
приведены в табл. 2.
Регулировать величину градиента поля в
линзе, не перемагничивая ее, позволяют
конструкции линз, показанные на рис. 2.
Линза с регулируемым магнитным полем
[5], изображенная на рис. 2, а, состоит из
двух соосно установленных кольцевых маг-
нитных цепей 1, каждая из которых имеет
у внутреннего канала полюса чередующейся
полярности, и полюсных наконечников 2
секторной формы. Зазоры между наконечни-
ками 2 по азимуту внутреннего канала линзы
153
Таблица 2
Рис. 2. Регулируемые квадрупольные линзы па основе
радиально-намагниченных кольцевых магнитных це-
пей. 1 — магнитные цепи, 2 — полюсные наконечники;
3,4 — немагнитные прокладки; 5 — магпитопровод-
экрап
обеспечиваются немагнитными прокладками 3,
которые вместе со скрепленными с ними на-
конечниками 2 образуют единый блок. Осевая
длина блока соответствует осевой длине маг-
нитных цепей 1 и установленного между ними
немагнитного диска 4, обеспечивающего
скольжение и беспрепятственное вращение
цепей 1 относительно друг друга и относитель-
но блока наконечников 2. Для экранировки
линзы и дополнительного увеличения гради-
ента поля на 10 4- 15% магнитные цепи имеют
на наружной поверхности магнитопровод-
экран 5. При осевом вращении одной коль-
цевой цепи 1 относительно другой изменяется
уровень потенциала наконечников, что поз-
воляет регулировать магнитное иоле в канале
линзы.
В регулируемой линзе, изображенной
па рис. 2, б, используются коаксиальные
магнитные цепи 7, при установке которых
предусмотрена возможность осевого вращения
их друг относительно друга. Регулировка
ноля, как и в предыдущей конструкции, об-
условлена изменением потенциала полюсных
наконечников.
На рис. 3 представлены экспериментальные
зависимости величины градиента поля каждой
из линз от угла азимутального поворота
кольцевых блоков 7 друг относительно друга.
Значение ср = 0° соответствует положению,
Достижимые уровни градиентов магнитных поле/
в линзах различной геометрии из разных магнитных
материалов
Тип М, G, Тл/м
материала кА/м 1 2
К С.37 КС25Д5Ц2 Fe—Nd—В Примечание. для линз с при — 25 мм, 1 = 20 mj 600 756 955 — для линз с )матическпми 1, t — 20 мм. 44,6 55,9 66,8 секторными мт магнитами; Я- 33,4 41,9 50,0 тгнитами, 2 — = 10 мм, И,—
когда соприкасающиеся секторные магниты
в кольцевых цепях имеют одинаковое направ-
ление намагниченности. Магниты изготовлены
из сплава КС37 с М = 600 кА/м. Из рис. 3 сле-
дует, что соосная конструкция обеспечивает
95%-ное, а коаксиальная 70%-ное изменение
G относительно максимального уровня. В лин-
зах на основе соосных блоков магнитов регу-
лировка поля равномерная почти во всей
области значений ср (15° 4- 90°), и для линзы
такой геометрии изменение величины градиента
поля па Г' угла поворота составляет 0,12 Тл/м.
В линзах из коаксиальных блоков магнитов
в зоне равномерного изменения G (ср = 15 4-
4- 55°) регулировка поля более грубая: AG
вдвое больше, чем в соосных линзах.
<р, угл. град
Рис. 3. Зависимости величины градиента магнитного
поля квадрупольпых линз, выполненных согласно:
1 — рис. 2, я (d = 19 мм, dy — 20 мм, — 25 мм,
I = 3 мм, L 6,5 мм), 2 — рис. 2, б (d 16 мм, d, —
= 18 мм, Z)| 25 мм, D-2 -- 35 мм, I — 7 мм), от угла
поворота <р секторных магнитов одинаковой полярности
в смежных кольцевых магнитных цепях друг относи-
тельно друга
154
ЛИТЕРА ТУРА
1. Дерягин А . ВТарасов Е. И.. Андреев А . В. и др. //
Письма и ЖЭТФ, 1984. Т. 39. Вып. 11. С. 516.
2. Скачков В. С. //ПТЭ, 1980. № 3. С. 37.
3. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: Нау-
ка, 1976. С. 327.
4. Бахрах Л. Э., Кудрявцева С. П., Мурзин В. В.. Зо-
лотарев Е. Л. А. с. 911386 СССР.//Б. И. 1982.
Вып. 9. С. 210.
5. Мельников Ю. А., Кудрявцев А. И., Кудрявце-
ва С. II. Л. с. 702428 СССР И Б. И. 1979. Вып. 34.
С. 28.
Поступила в редакцию 9.XII.1985
УДК 537.8:537.613.538.122 ПТЭ № 3, 1987
ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В НАМАГНИЧИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ
КОЛОТОВ О. С., МУСАЕВ Т.Ш., ПОГОЖЕВ В. А.
Описан метод измерения импульсного магнитного поля в намагничивающих уст-
ройствах с помощью тонких магнитных пленок, обеспечивающий точность измерения
не хуже 1,5% при временном разрешении ~10 -т- 20 нс. Обсуждаются результаты ис-
следования влияния вихревых токов на характер установления поля в намагничиваю-
щих устройствах, выполненных из отрезков полосковых линий.
При исследовании переходных процессов
в магнетиках для получения быстроизменяю-
щихся магнитных полей широко использу-
ются намагничивающие устройства (н.у.),
выполняемые из полосковых проводников.
Примером могут служить н.у. в виде отрезков
полосковых линий [1,2], Ш-образпые устрой-
ства и устройства из набора проволочек,
располагаемых в одной плоскости [3]. С их
помощью получаются поля плоской конфигу-
рации и наиболее просто обеспечиваются
условия, необходимые для регистрации мгно-
венного состояния исследуемого образца.
В то же время, калибровка н.у. в значи-
тельной степени осложняется тем, что из-за
влияния вихревых токов временной закон
изменения магнитного поля Н в н.у. заметно
отличается от закона изменения тока, созда-
ваемого в проводниках внешней э.д.с. При
этом наиболее сильно сказывается эффект
временного вытеснения тока к краям полосок
[34-6], проявляющийся в том, что напряжен-
ность поля /70 в рабочей области н.у. непос-
редственно после поступления перепада тока
оказывается на 154-20% меньше напряжен-
ности поля Нуст, достигаемого к моменту
затухания вихревых токов. Расчет этого эф-
фекта встречает значительные трудности [51.
Известные же экспериментальные методы
калибровки поля в н.у. либо основаны на
предположении, что поле остается неизменным
после включения перепада тока [1,7], либо
сложны [3].
Здесь описан метод калибровки н.у., сво-
бодный от указанных недостатков. Сущность
метода состоит в следующем [8]. В рабочую
область н.у. помещается тонкая магнитная
пленка. Само н.у. размещается между коль-
цами Гельмгольца, создающими калиброванное
постоянное магнитное поле II При /Л= = 0
в н.у. подается перепад тока (рис. 1, а),
амплитуда которого выбирается так, чтобы
поле Нусс было меньше поля //пас, при котором
возможно насыщение пленки. Магнитное
состояние пленки контролируется с помощью
съемного витка. Для измерения поля II в
интересующий нас момент времени т в н.у.
подается дополнительный импульс тока
(рис. 1, б). Сигнал еп (рис. 1, г), отражающий
реакцию пленки па резкое увеличение поля
(рис. 1, в), зависит от магнитного состояния
пленки в момент т, которое, в свою очередь,
определяется величиной поля //(т). При
отключении перепада тока 1г амплитуда сиг-
нала намагничивания, вызываемого допол-
нительным импульсом, резко изменяется.
Включением постоянного поля Н~
(рис. 1, д), параллельного измеряемому полю
II, и постепенным увеличением его напряжен-
ности можно добиться такого состояния, когда
сигнал е= (рис. 1. е), отражающий реакцию
пленки на дополнительный импульс в присут-
ствии поля Н-, совпадает с сигналом еа.
Соответствующее этому состоянию значение
напряженности постоянного магнитного поля
можно положить равным напряженности
поля II, если собственное время реакции пленки
на изменение магнитного поля много меньше
времени затухания вихревых токов (~10-в 4-
4- 10-5 с).
Этому условию, в частности, удовлетворяют
пермаллоевые пленки с одноосной анизотро-
пией. Ось трудного намагничивания ориен-
тируется вдоль измеряемого поля, т. е. пер-
155
Рис. 1. Временные диаграммы: а — перепада тока, б —
дополнительного импульса, в — магнитного поля вну-
три и.у. при наложении перепада тока и дополнитель-
ного импульса, г — сигналов, отражающих реакцию
пленки на перепад тока и дополнительный импульс, д —
поля внутри и.у. при наложении внешнего постоянного
калиброванного магнитного поля Н= и дополнительного
импульса, е — сигналов, отражающих реакцию плен-
ки на дополнительный импульс в присутствии постоян-
ного поля Н
пендикулярно токонесущим полоскам п.у.
Нахождение осей легкого и трудного намаг-
ничивания не вызывает затруднений, так как
их направление задается постоянным магнит-
ным полем, используемым для изготовления
пленок [9]. Состояние пленки, достигаемое
к моменту времени т, характеризуется тем,
что вектор намагниченности отклонен от осп
легкого намагничивания на угол 0 =
= arcsin (П(т)/Нк). Здесь II к — эффективное
поле анизотропии (250 4- 500 Л/м). Если
•//уст < нк, то при поступлении дополни-
тельного импульса (с амплитудой ~(1,5 4-
4- 2,0)Я1;) угол 0 быстро (за время ~10-9 с)
возрастает до 90° и появляется сигнал еп.
Если Яуст Нк, пленка насыщается и еа = 0.
При калибровке н.у. величину перепада тока
желательно выбирать так, чтобы соответ-
ствующее ему поле ЯуСт не превышало (0,74-
4-0,8)Як, так как по мере дальнейшего уве-
личения поля и связанного с этим увеличения
угла 0 точность сопоставления полей II и Я=
падает.
Рассмотрим в качестве примера результаты
исследования поля в н.у. в виде короткозамк-
нутой полосковой линии, широко используе-
мого [1] при исследовании переходных про-
цессов в магнетиках, в том числе и в пермал-
лоевых пленках. Линия изготовлена из
фольгированного гетипакса, ее длина 60 мм,
ширина 25 мм, расстояние между полосками
3,5 мм. Чтобы ослабить электродинамическое
взаимодействие магнетика с полосками,
в последних на участке длиной 20 мм в том
месте, где располагается исследуемый образец,
профрезерованы продольные щели с шагом
0,2 мм.
Для регистрации поведения суммарной
намагниченности пленки н.у. снабжено
съемным витком традиционной конструкции:
он состоит из медной проволочки ф 0,15 мм
длиной 50 мм, протянутой внутри н.у. вдоль
его осн симметрии и с одной стороны присое-
диненной к четырем балансирующим сопро-
тивлениям, а с другой — к сигнальному
кабелю [1]. Возможно применение съемных
витков других конструкций, например, в виде
треугольника [1], лежащего в плоскости,
параллельной плоскости пленки.
Для наблюдения сигнала применены
стробоскопический преобразователь, авто-
матический вычитатель помех и самописец.
Опп являются неотъемлемыми составными
частями установок, предназначенных для
исследования переходных процессов в тонких
магнитных пленках [11. Нами использовались
самодельный стробоскопический преобразо-
ватель с простейшим смесителем без обратной
связи [1] и автоматический вычитатель помех
[1,101 с коэффициентом подавления ^з=60дБ.
С их помощью улавливаются изменения сиг-
нала, возникающие при преднамеренном изме-
нении перепада тока на 0,34-0,5%. Достиг-
нутая здесь точность (~1,5%) измерения поля
II в значительной степени определяется нерав-
номерностью вершины импульсов тока 1г
(~0,5%) и погрешностью измерения постоян-
ного поля II (^1%). Возможно использо-
вание серийных двухкапальных стробоско-
пических осциллографов со смесителями с
обратной связью, если для вычитания помех
использовать схему, рассмотренную в 111].
Характер установления поля в полосковой
линии показан па рис. 2. Измерения прове-
дены с помощью двух пленок толщиной 50
и 120 нм. Диаметр пленок выбирался из
компромиссных соображений обеспечения
достаточной однородности поля в объеме
пленки и повышения амплитуды сигнала.
Для п.у. рассмотренной геометрии указанные
условия удовлетворяются при использовании
пленок ф 10 мм. Отметим, что это наиболее
распространенный размер пермаллоевых
пленок, обычно применяемых при исследо-
вании переходных процессов. В принципе
чувствительность современных установок
156
Рис. 2. Поле внутри липни после поступления перепада
тока /j = 2,85 Л. Экспериментальные точки получены
с применением пленок толщиной 50 и 120 пм, имеющих
значения II к соответственно 280 и 220 А/м
позволяет уменьшить поперечные размеры
пленок более чем на порядок. Таким образом,
достижимо пространственное разрешение
не хуже 1 мм.
Пленки помещались в рабочей области н.у.
на расстоянии 1,2 мм от нижней полоски.
Видно, что результаты, полученные для
пленок, отличающихся по толщине более чем
вдвое, совпадают. Из этого следует, что для
пленок толщиной 100 пм их взаимодействие
с проводниками н.у. несущественно. Заметное
(на ~1%) уменьшение измеряемых значений
поля Н наблюдается при использовании пле-
нок толщиной ^250 нм. В н.у. из сплошных
проводников этот эффект для толстых пленок
достигает 34-5%. В то же время он сущест-
венно ниже, чем это следует из ранее прове-
денных расчетов [12, 13].
Из рис. 2 видно, что непосредственно
после поступления перепада тока напряжен-
ность поля Но < Нусг- Это объясняется тем,
что из-за возникновения вихревых токов
начальная плотность тока у краев полосок
выше, чем в их центральных участках. По мере
затухания вихревых токов устанавливается
равномерное распределение тока. В рас-
сматриваемой линии стационарное значение
напряженности поля Нуст = 1,1 II0 дости-
гается за время, близкое к 4 мкс. С умень-
шением ширины полосок величина (ЛГу(:г —
— Н0)/Яусг растет, достигая 154-18% в
линиях шириной 124-15 мм. Как правило,
полосковые н.у. используются для исследо-
вания процессов длительностью ^2004-500 нс.
В течение этого времени поле в н.у. возрастает
на 24-5%. Рассматриваемые изменения поля
можно свести к пулю соответствующим завалом
вершины импульса тока.
Таким образом, рассматриваемый метод
обеспечивает точность измерения мгновенного
значения магнитного поля <11,5%. Временное
разрешение определяется временем намагни-
чивания пленок вдоль оси трудного намаг-
ничивания. Для пермаллоевых пленок это
время <304-20 нс (при II < Як).
Рассматриваемый метод не исключает
возможности применения других магнетиков,
обладающих достаточным быстродействием.
Далее, для регистрации мгновенного состояния
магнетика применимы магнитооптические
методы считывания сигнала. Последнее может
оказаться предпочтительным при калибровке
полей в установках, предназначенных для
наблюдения динамических магнитных доме-
нов.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Колотов О. С.. Погожев В. А., Телеснин Р. В. Ап-
паратура и методы для исследования импульсных
свойств тонких магнитных пленок. М.: Изд-во МГУ,
1970.
2. Мирошник И. А., Пирогов А. И. Методы измерения
импульсных характеристик магнитных сердечни-
ков. М.: Энергия, 1977.
3. Голубков В. А., Колотов О. С., Мусаев Т. III. и др.
// ПТЭ. 1977, № 1. С. 256.
4. Волков Ю. Д. И Аппаратура и методы исследова-
ния тонких магнитных пленок. Красноярск: ИФ
СО АН СССР, 1968. С. 76.
5. Лященко Е. II. И Магнитные элементы автоматики
п вычислительной техники. М.: Наука, 1972.
С. 131.
6. Колотов О. С., Мусаев Т.Ш.. Погожев В. А. И
Вестник МГУ. Сер. 3. 1983. Т. 24. Л» 2. С. 74.
7. Фиштейн А. М. // ПТЭ. 1971. К» 5. С. 146.
8. Колотов О. С.. Мусаев Т. III., Погожев В. А . А. с.
996960 СССР // Г>. И. 1983. № 6. С. 14.
9. Суху Р. Магнитные тонкие пленки. М.: Мир, 1967.
10. Колотов О. С., Мусаев Т. III., Погожев В. А ., Те*
леснин Р. В. // ПТЭ. 1976. № 5. С. 243.
11. Дудоров В. II., Логунов М. В., РандошкинВ. В.,
Червенков В. В. И ПТЭ. 1985. № 1. С. 146.
12. Eggenberger J. S. I/ J. Appl. Phys. 1960. V. 31.
Р. 287.
13. Володин Е. В. И Вычислительные системы. Ново-
сибирск: Паука, 1966. С. 67.
Московский госуниверситет
Поступила в редакцию 14.111.1986
157
УДК 621.317.445
ПТЭ № 3, 1987
БЛОК РЕГИСТРАЦИИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КВАНТОВОГО
МАГНИТОМЕТРА
ДРОБИН В. М., ЛОБОТКА II., ТРОФИМОВ В. II.
Описан электронный блок регистрации сквид-магнитометра. Блок состоит из в.ч.-
головки, жестко закрепленной на криогенной вставке, и блока управления. Входной
каскад широкополосного в.ч.-усилителя с перестраиваемым резонансным фильтром вы-
полнен на малошумящем м.о.п.-транзисторе KF910 и имеет спектральные плотности
напряжения и тока шумов, приведенные ко входу, 1,7 нВ/Гц1'*’ и 0,95 нА Гц’'г. Шумы
соответствуют резрешенпю по потоку 5-10-4Фо Гц-'г или по магнитному моменту —
2,5-Ю-13 А-м2/Гц‘'*.
Благодаря уникальной энергетической
чувствительности, почти достигшей в настоя-
щее время квантового предела — постоянной
Планка h = 4-Ю-15 эВ/Гц, сверхпроводящие
магнитометры все более широко используются
для самых различных измерений, требующих
предельных разрешения и чувствительности
[1]. Обычно такое устройство состоит из двух
узлов: криогенной вставки и электронного
блока регистрации. Если конструкция крио-
генной вставки полностью определяется
характером решаемой задачи, то блок регистра-
ции является универсальным узлом, пригод-
ным для совместного использования с раз-
личными вставками. В этой работе приводятся
принципиальные схемы, характеристики и
описание устройства блока регистрации,
входящего в состав установки для изучения
воздействия различных факторов па магнит-
ную восприимчивость слабомагнитных об-
разцов при гелиевых температурах. Детальное
описание других частей установки дано в ра-
боте 12]. Физика работы сквидов и принципы
построения измерительных систем на их основе
подробно рассмотрены в многочисленных
оригинальных работах и монографиях, напри-
мер [34-6], и здесь не обсуждаются.
Блок-схема магнитометра, использующего
ниобиевый в.ч.-сквид цпммермановского типа
и отрицательную обратную связь (о.о.с.)
по магнитному потоку Ф, приведена па рис. 1.
Канал прямого преобразования Ф —* выход-
ное напряжение U образован резонансным
колебательным контуром LPCP, индуктивно
связанным со сквидом, усилителем высокой
частоты УВЧ, амплитудным детектором АД,
усилителем низкой частоты УВЧ, синхронным
детектором СД и активным фильтром низких
частот — интегратором И. Буферный каскад
БК служит для устранения влияния регист-
рирующих приборов на работу магнитометра.
Канал обратного преобразования U —> Ф
образован сопротивлением обратной связи
(7?5 и одно из сопротивлений Вг 4- Т?4) и ка-
тушкой Lp. Контур БрСр возбуждается вблизи
резонансной частоты 20 МГц источником
тока ip (генератор накачки ГН + В.е), так
что напряжение на нем Up = ipZp, где Zp —
импеданс контура. Сквид работает как пара-
метрический преобразователь, модулирующий
Re Zp и Im Zp, причем обе функции периоди-
ческие по Ф с периодом, равным кванту маг-
нитного потока Фо — 2-10"18 Вб. Приведен-
ная схема реагирует на результирующую
амплитудную модуляцию Up. Чтобы улуч-
шить отношение с./ш. при малых изменениях
6Ф используется вспомогательная модуляция
потока па частоте 75 кГц с последующим
синхронным детектированием. Модуляция
осуществляется генератором Г, формирова-
телями Ф, 4- Ф3 и катушкой Lp. Капал опор-
ного сигнала для СД образован фазовраща-
телем ФВ и формирователем Ф4. Блок регист-
рации собран в двух дюралюминиевых кор-
пусах, в одном из которых (в.ч.-головка)
размещаются УВЧ, АД, УНЧ, а в другом
(блок управления) — низкочастотная часть
схемы регулировки и источник питания.
Прямоугольный корпус в.ч.-головки размером
105 X 75 X 40 мм3 жестко закреплен на
верхнем конце криогенной вставки. Единст-
венным стандартным прибором является
генератор в.ч.-накачки Г4-Г16.
Принципиальная схема в.ч.-головки изоб-
ражена на рис. 2. Широкополосный УВЧ
из двух секций с гальваническими связями
имеет коэффициент усиления 64 + 4 дБ в по-
лосе частот 7 + 80 МГц. Для исключения
перегрузки шумом каскадов, следующих за
УВЧ, и для возможности визуального наблю-
дения 1-й и 2-й гармоник модуляции потока
по осциллографу между секциями включен
узкополосный фильтр из LC-контура и исто-
кового повторителя ТА. Центральная частота
перестраивается варикапами; для двух парал-
лельно включенных варикапов КВ102 диапа-
зон перестройки составляет 11 + 21 МГц.
Полоса пропускания фильтра по уровню
3 дБ равна 200 кГц, коэффициент передачи
0,3. Шумовые характеристики УВЧ решающим
158
Рис. 2. Принципиальная схема высокочастотной головки. — К574УД1В; Т,— KF910
Л, - КТ363Б, T3,J Л - КТ3107Д; Д„ Дг - АИ402Б, Д3, Дх - КВ102А
И
образом влияют на устойчивость в режиме
с о.о.с. и разрешение по потоку. Шумы опре-
деляются в основном входным каскадом,
в котором использован малошумящий двухза-
творный кремниевый м.о.п.-транзистор K.F910
(TESLA, ЧССР) со встроенным каналом
n-типа. Кроме высокого входного импеданса
такой транзистор позволяет вводить автома-
тическую регулировку усиления по второму
затвору и управлять автодинным режимом
магнитометра с регенерацией усилителя.
Была проверена возможность использования
транзистора KF910 в охлажденном предуси-
лителе. При охлаждении от 293 до 4,2 К
(температура канала при этом, конечно, выше
из-за рассеиваемой мощности) крутизна воз-
растает от 10 до 30 мА/B. Минимум шумов
наблюдается выше гелиевой температуры;
вероятно, оп лежит вблизи азотной температуры
термостата. Характеристики транзистора
хорошо воспроизводимы, и на них отсутствуют
участки нестабильности. Отметим, что при
гелиевой температуре характер канала меня-
ется со встроенного на индуцированный.
Проведенные нами предварительные иссле-
дования показывают, что м.о.п.-транзисторы
KF907 и KF910 являются весьма перспектив-
ными для использования в криогенной электро-
нике и, в частности, в системах со сквидами.
Спектральные плотности напряжения и тока
шумов, приведенные ко входу УВЧ и изме-
ренные в полосе частот 10 Ч- 30 МГц, состав-
ляют 1,7нВ/Гц’А и 0,95 пА/Гц'/» соответст-
венно (для входного транзистора при ком-
натной температуре). Модуль входного сопро-
тивления ] ZBX (20 МГц) | = 2 + 0,5 кОм.
159
Рис. 3. Принципиальная схема блока управления (без источника питания). М2 — К544УД2, Мя —190КТ2,
М< — 155ЛА9, М6, M1S, Mi3 - К153УД2, Mt, Mt, Mt — 155TM2, M, - 155АГ1, Mu — 155ЛАЗ, Mu —
К574УД1В; 7\ — КП307А, Г2 - KT503A, T3 - TR12, - KT342A; Дх -t- Дх - Д9, Д. - KC156A; Px -
РЭС55А
В качестве входных с успехом использо-
вались также биполярные транзисторы ГТ329А.
В этом случае требуется изменение режима
транзисторов входной секции по постоянному
току. Как видно из рис. 1, благодаря непол-
ному включению колебательного контура
(емкость связи Сх и емкость выходного кабеля
образуют делитель) шунтирующее действие
входного сопротивления УВЧ с ГТ329А на
входе незначительно. При монтаже УВЧ
соблюдались обычные требования к монтажу
в.ч.-схем с большим усилением.
АД выполнен по схеме удвоения на обра-
щенных диодах АИ402Б. Линейный участок
детектора соответствует амплитудам в.ч.-нап-
ряжения 100 Ч- 400 мВ. УНЧ на быстродей-
ствующем операционном усилителе К574УД1В
позволяет получить значительное усиление в
полосе частот от 0 до частоты модуляции
75 кГц.
Принципиальная схема блока управления
(без источника питания) приведена па рис. 3.
Генератор-модулятор собран на микросхеме Л/10
и кварцевом резонаторе па 100 кГц. Кварц воз-
буждается на 3-й гармонике. Частота выход-
ного напряжения модулятора делится на два
D-триггером М8, и сигнал поступает далее на
фазовращатель Л/7 и на второй делитель на два
М9. После второго делителя прямоугольные
импульсы частотой 75 кГц поступают на фор-
мирователь Т2 -ь Тц стабильного по амплиту-
де и близкого к треугольной по форме напря-
жения модуляции. Регулировка амплитуды мо-
дуляции в пределах 0 -г- 1 В осуществляется
резистором Нхо. Фильтр ЛфСф настроен па
75 кГц.
Фаза опорного напряжения СД регулиру-
ется резистором /?и, задающим длительность
импульсов одновибратора Л/7. Срезы этих им-
пульсов управляют триггером Л/6, на выходах
которого получаются различающиеся по фазе
на л прямоугольные импульсы со скважно-
стью 0,5 и частотой 75 кГц, фаза .которых мо-
жет сдвигаться на 10э -> 80э. Инверторы М4
увеличивают амплитуду до 15 В для падежной
работы ключей синхронного детектора. На сиг-
нальные входы ключевой схемы Мя с выходов
усилителя Мх и единичного инвертора М2 по-
ступают равные по амплитуде и сдвинутые по
фазе на л напряжения сигнала. Нуль СД настра-
ивается резисторами 7?3 и 11л. Фазовая чувст-
вительность СД равна 1 В/град при входном
сигнале 10 мВ.
Выходной фильтр нижних частот выпол-
нен по схеме интегратора на операционном уси-
лителе Мп. Четыре емкости С„ в цепи обрат-
ной связи Мп задают 4 режима магнитометра
по быстродействию. Кнопка Их служит для
сброса напряжения интегратора. Нуль интег-
ратора настраивается резистором 7?6. Дальней-
160
Рис. 4. Шумовые спектры па выходе магнитометра в
различных- режимах: 1 -+ 3 — без о.о.с., 4 -е 7 —
с замкнутой о.о.с. (4 -+ 6 — при динамическом диапазоне
±12Ф,, 7 — при Н^ббФо); величина Сн: 1,4 — 100,
2, 5, 7 — 10, 3, 6 — 1 пФ
Рис. 5. Рабочие диапазоны магнитометра для синусои-
дальных входных сигналов. Допустимые амплитуды си-
нусоидального магпптпого потока ФЛ.(0 и частоты таких
сигналов в определенном режиме работы ограничены
площадью под соответствующей кривой. Величины
Яос: 1,2 - 200 кОм, 3 -+• 5 - 1,1 МОм; С„: 1,3 —
100, 2, 4 — 10, 5 — 1 нФ.
шее усиление сигнала в 30 раз осуществляется
микросхемой М12, выходное напряжение ко-
торой подается в цепь о.о.с. и через повтори-
тель М13 па регистрирующие приборы. Четы-
ре сопротивления обратной связи /?ос, выби-
раемые переключателем IJ3, определяют четы-
ре режима по динамическому диапазону пото-
ка, приведенному к сквиду: +13ОФо; +65Ф0;
+12Ф0; +1,2Ф0. Подстройка рабочей точки
сквида осуществляется 10-оборотным гелипо-
том /?9. Тумблер П6 подключает к стрелочно-
му индикатору селективный милливольтметр
(Тг, М5), настроенный на 75 кГц, который ис-
пользуется при калибровке и настройке маг-
нитометра.
Источник питания вырабатывает стабили-
зированные напряжения 2М5 В, +5 В и управ-
ляющее напряжение 0 -ь 30 В для перестрой-
ки фильтра УВЧ. Нестабильность напряже-
ний <0О-4 ч-1, пульсации <4 мВ.
На рис. 4 приведены спектры суммарных
шумов на выходе магнитометра в различных
режимах. Шумы соответствуют разрешению но
потоку 5-Ю-1 Фо Гц_1/«. Это разрешение мо-
жет быть улучшено в 4 раза при полном под-
ключении контура к УВЧ, поскольку в основ-
ном шумы обусловлены его входными каска-
дами. Для всех приведенных кривых (кроме 6‘)
наклон близок к 20 дБ/декаду, что отражает
хорошую устойчивость соответствующих ре-
жимов. Для кривой 6 наличие подъема в кон-
це плоского участка и более крутой, чем
20 дБ/декаду, спад после него свидетельству-
ет о том, что в этом режиме кроме фазового сдви-
га, обусловленного интегратором, имеется па-
разитный фазовый сдвиг в петле о.о.с. На
рис. 5 показаны рабочие диапазоны магнитометра
с описанным блоком регистрации для синусои-
дальных входных сигналов. Методика построе-
ния таких характеристик и их физический смысл
подробно рассмотрены в [2]. Черным кружком
па рис. 5 отмечены параметры, которых по оцен-
кам требуется достичь для создания тепло-
вого детектора частиц с чувствительностью
<103 эВ/кг при рабочей температуре 0,01 К [7].
Авторы глубоко признательны Е. 11. Дьяч-
кову, А. Г. Зельдовичу, Ю. М. Казаринову за
длительную и последовательную поддержку
разработки и использования измерительной
техники со сквпдами.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Одегнал М. И Физика низких температур. 1985
Т. 11. № 1. С. 1.
2. Дробин В. Л/., ДъячковЕ.И., ЛазэрД. и др. Сооб-
щение ОИЯИ Р8-85-190. Дубна, 1985.
3. Лихарев К. К., Ульрих Б. Т. Системы с джозефсо-
новскими контактами. М.: Изд-во МГУ, 1978.
4. Волков А. Ф., Заварицкий П. В., Надь Ф. Я. Элект-
ронные устройства на основе слабосвязанных сверх-
проводников. М.: Сов. радио, 1978.
5. Бароне А ., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. М.:
Мир, 1984.
6. GifjordR.P., Webb В. A., Wheatley J. С. И J. Low
Temp. Phys. 1972. V. 6. Р. 533.
7. Мицельмахер Г. В., Пеганов Б. С., Трофимов В. Н.
Сообщение ОИЯИ Р8-82-549. Дубна, 1982.
Объединенный институт ядерных исследований,
Дубна
Поступила в редакцию 25.X 1.1985
11 ПТЭ, X. 3
161
УДК 621.317.412 ПТЭ № 3, 1987
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЕСЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ
ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
КОНОВАЛОВ С. В., СИНГЕР В. В.. РАДОВСКИИ И. 3., КЛЕПИНИН В. А.
Маятниковые весы позволяют измерять температурную зависимость и анизотро-
пию восприимчивости образца массой 0,2 + 3 г в интервале 290 2200 К. Результа-
ты измерений непрерывно регистрируются двухкоординатным самописцем. Весы могут
использоваться для изучения как химически нейтральных, так и агрессивных объектов
с удельной магнитной восприимчивостью 10"5 ч- 10-9 м3/кг. За счет использования ин-
дукционного датчика для демпфирования колебаний маятника увеличена чувствитель-
ность следящей системы с фотодатчиком, представляющей собой усилитель постоянно-
го тока. Пороговая чувствительность установки 6-10-12 м8/кг; погрешность измерения
<1%.
В методе Фарадея датчик измерительного
устройства может быть размещен на значитель-
ном расстоянии от образца, что делает этот метод
пока незаменимым при определении магнитной
восприимчивости небольших образцов в обла-
сти высоких температур (800 ~ 2200 К). Со-
вершенствование известных конструкций, реа-
лизующих метод Фарадея [1], направлено
главным образом на повышение точности из-
мерения силы, действующей на образец со сто-
роны неоднородного магнитного поля;
Fx = пт/НдН/дх,
где т — масса образца, х — удельная магнит-
ная восприимчивость образца, Н — напряжен-
ность магнитного поля. В настоящее время рас-
ширяется использование для этой цели электрон-
ных следящих систем (с.с.) [2, 3]. В частности,
высокой чувствительностью (—10~12 м3/кг) об-
ладает установка [4], в которой образец под-
вешен па вольфрамовой нити к коромыслу се-
рийных электронных микровесов. Восприим-
чивость образца определяется по изменению
его веса под действием магнитного поля.
Точность маятниковых весов при компен-
сационном способе измерений зависит от мо-
мента сил трепия в опоре, жесткости и устой-
чивости подвижной части, а также коэффици-
ента чувствительности с.с. к отклонению ма-
ятника от нулевого положения. Повышение
чувствительности с.с. ограничено пределом
ее устойчивости, определяемым эффективно-
стью демпфирования весов. В проблеме актив-
ного демпфирования важны жесткость кон-
струкции маятника, стабильность характери-
стик и быстродействие датчика, связывающего
маятник и с.с. Быстродействующие емкост-
ные датчики нуждаются в достаточно сложной
фазовой с.с. [3], кроме того они подвержены
влиянию температуры и давления в камере ус-
тановки.
В описываемых маятниковых весах для демп-
фирования применен независимый индукцион-
ный датчик (и.д.), формирующий сигнал, про-
порциональный скорости перемещения маят-
ника. В качестве позиционного датчика исполь-
зованы два фотосопротивлепия со стабильны-
ми характеристиками. И.д. не имеет шумов
с постоянной времени, соизмеримой с перио-
дом колебаний маятника. Он обладает необ-
ходимым быстродействием и может быть раз-
мещен в верхней точке маятника, где его сиг-
нал позволяет демпфировать первую гармони-
ку пзгибных колебаний маятника. Благо-
даря этому демпфирующая цепь обладает вы-
соким коэффициентом усиления, допускающим
увеличение чувствительности с.с. к отклоне-
нию маятника без нарушения ее устойчивости.
В конической втулке 9 (рис. 1), опирающей-
ся на горизонтальные иглы (ось у), с помощью
посадочного конуса 21 установлен съемный ма-
ятник весов (ось z). Его положение определя-
ет штифт 8. После установки маятника катуш-
ки 18 и.д. (2 шт. по 8 тыс. витков провода ПЭЛ
ф 0,08) сближают с ним и фиксируют винтом.
При колебаниях маятника постоянные вика-
лоевые магниты 1, 6 свободно перемещаются
в катушках и.д. и в соленоидах 7 (4 шт. по 380
витков провода ПЭТВ ф 0.45) управления ма-
ятником. Для того чтобы исключить влияние
рассеянного поля электромагнита 13, викало-
евые магниты располагаются попарно, при-
чем полюса их в каждой паре ориентированы
навстречу друг другу. Размещение управляю-
щих магнитов 6 непосредственно па съемном
маятнике позволяет избежать влияния поса-
дочного люфта конусной пары 9, 21 на работу
с. с.
Нижняя часть маятника облегчена за счет со-
ставной конструкции. Кварцевая трубка 20
(длина 480, ф 6 мм) склеена с молибденовым или
алундовым (А12О3) штоком 11 (длина 90 мм) пас-
той из жидкого стекла и графитового наполни-
теля с последующим спеканием при —990 К.
Кварцевая трубка зафиксирована в посадоч-
ном конусе маятника с помощью конуса-лим-
ба 19 и гайки цангового зажима 22. При иссле-
довании анизотропии образец ориентируют в-
162
Рис. 1. Основные узлы маятниковых весов (размеры уз-
ла нагревателя на чертеже уменьшены по оси z в 2 ра-
за). 1,6 — постоянные внкалоевые магниты, 2 — ба-
лансировочный груз, 3 — зеркало, 4 — фотосопротив-
ления, 5 — осветитель, 7 — соленоиды управления
маятником, 8 — штифт, 9 — коническая втулка с опор-
ными иглами, 10 — рубиновые подшипники, 11 —
алундовый шток, 12 — радиационные экраны (алунд),
13 — полюсные наконечники электромагнита, 14 —
тигель с образцом, 15 — термопара, 16 — вакуумная
камера с рубашкой водяного охлаждения, 17 — нагре-
ватель, 18 — катушки индукционного датчика, 19 —
конус-лимб, 20 — кварцевая трубка, 21 — посадоч-
ный конус, 22 — гайка цангового зажима
магнитном поле, вращая конус-лимб с трубкой,
а затем фиксируют их гайкой 22. Использова-
ны рубиновые подшипники 10 и стальные опор-
ные иглы (ф 0,3 мм) от часового механизма.
Горизонтальное расположение игл обеспечи-
вает высокую устойчивость подвижной части
при вибрации маятника. Во время работы с.с.
колебания маятника чрезвычайно малы и между
поверхностями игл и подшипников присутству-
ет лишь трение качения, поэтому по эффектив-
ности такая опора близка к ножевой. С помощью
медного груза 2 маятник сбалансирован так,
что его центр тяжести находится около оси,
проходящей через опорные иглы. При снятии
(установке) маятника иглы удерживают кони-
ческую втулку на месте. Эта операция требу-
ет осторожности во избежание поломки игл,
что является относительным недостатком кон-
струкции, однако —400 проведенных нами
смен образцов доказывают ее прочность. Де-
тали маятника и коническая втулка 9 изготов-
лены из дюралюминия АК8.
В оптической системе применен осветитель
5 со стабилизированным накалом, дающий све-
товое пятно с четкими границами. Окошки 4
фотодатчика закрыты диафрагмами с отвер-
стиями ф 1 мм. Расстояние между приемны-
ми отверстиями фотодатчика равно размеру
светового пятна. Сам датчик ориентирован по
оси луча с помощью прицела. Длина пути лу-
ча, отраженного зеркалом 3 маятника, около
2 м. Неоднородное магнитное поле создается
электромагнитом с полюсными наконечниками 13
специальной формы [5] для достижения посто-
янства НдШдх в пределах образца. Зазор меж-
ду полюсами 65 мм. Характеристики поля
в зоне размещения образца: 77^6-103 Э и
НдШдх ~ 4-106 Э2/см. Нагреватель 17 изго-
товлен из графита МПГ-6 в виде тонкостенно-
го цилиндра. Его размеры (длина 160, ф 20,
толщина стенки 2 мм) выбраны так, чтобы обес-
печить равномерное температурное поле в зоне
тигля и спая термопары, а также избежать раз-
рушения нагревателя при взаимодействии его
тока с полем электромагнита. Механическая
часть весов и нагреватель размещены в цилин-
дрической вакуумной водоохлаждаемой каме-
ре 16 из стали 1Х18Н9Т. Перед измерениями
камера откачивается до давления 10-4 Торр
и заполняется гелием под избыточным давле-
нием 0,2 атм.
Схема электронного блока весов приведена
на рис. 2. Сигналы фото- и индукционного дат-
чиков о состоянии маятника подаются в с.с.
по двум каналам. Дифференциальный усили-
тель па служит для выделения сигнала с
фотосопротивлений СФ2-5, включенных по мо-
стовой схеме. Частотный диапазон усилителя
ограничен корректирующей емкостью 2,2 нФ
для уменьшения паводок. При разбалансе ве-
сов его выходной сигнал ограничен Д2, Д3. Уси-
литель сигнала и.д., собранный на Л/2И, охва-
чен отрицательной обратной связью с коррек-
тирующей емкостью, которая подбирается из
условия устойчивости с.с. в целом. Для ис-
ключения влияния дрейфа рабочей точки уси-
лителя сигнал с выхода Л/2-1 подается на сле-
дующий каскад через разделительные емко-
сти. Микросхема Л/2.2 суммирует сигналы ка-
налов с учетом фазы, а также выполняет функ-
ции развязки позиционного и скоростного сиг-
налов и их согласование с выходным усилите-
лем. Выходной усилитель выполнен на Л/з-,,
1\ -j- '/\ по типовой схеме. Сигнал с выхода по-
дается на соленоиды управления. Управляю-
щий ток измеряется через фильтр низкой час-
11*
163
Рис 2 Принципиальная схема электронного блока весов. Л/j — 140УД8Б, М2, Af3 —
157УД2, М4 - К153УД5; — ГТ404Г, Т2 — ГТ403Е, Т3 — КТ817, Т\ — КТ814; Д1 — Д818Е,
д д3 — Д814Б, Дц, Д3 — Д223; Лр Л2 — фотосопротпвления СФ2-5; элементы регулировки:
R3 — демпфирования, Л — усиления; ЛКД4-003 — двухкоординатный самописец
Рис. 3. Температурные зависимости магнитной воспри-
имчивости чистого Ni (сплошные кривые — нагревание,
прерывистые — охлаждение) по данпым: 1 — работы
[2], 2 — данной работы, 3 — работ [7, 8]. Значения в
скобках необходимо вычесть из отсчитанных по оси ор-
динат, чтобы получить измеренную величину восприим-
чивости
тоты на [6] цифровым вольтметром В7-18
и двухкоординатпым самописцем ЛКД4-003
по падению напряжения на эталонном резис-
торе. Частота среза н.ч.-фильтра 0,2 Гц выб-
рана в соответствии с требуемой скоростью
измерения. В целом стабилизация с.с. по
постоянному току происходит за счет измене-
ния положения маятника. Благодаря малым
размерам отверстий фотодатчика и высокой
чувствительности с.с. нестабильность сигнала,
вызванная температурным дрейфом каскадов
усилителя, много меньше величины полезного
сигнала.
С помощью описанных весов измерялась
восприимчивость образцов массой 0,2 ч- 3 г
в диапазоне температур 290 2200 К при дис-
кретном и непрерывном режимах регистрации
сигнала. Весы калибровались но восприимчи-
вости чистого железа (3,1 -10-7 м3/кг) при тем-
пературе у —> 6-перехода. Испытания показа-
ли, что образцы с восприимчивостью 10“° -5-
-5- 10~9 м3/кг можно исследовать без дополни-
тельной калибровки. Чувствительность уста-
новки, определенная аналогично [2], составля-
ет 6-10—12 м3/кг (при наименьшем токе 1 мкА).
Погрешность измерения восприимчивости от-
носительным способом <1%. На установке
в течение 2 лет проводились исследования
температурных зависимостей восприимчивости
сплавов чистых редкоземельных металлов в
твердом и жидком состояниях.
Для проверки установки были исследова-
ны чистые металлы, по которым в литературе
имеются наиболее надежные данные. На рис. 3
наши результаты для образца Ni (масса 1,5 г,
марка Н-О, чистота 99,99%) сопоставлены с дан-
ными [2, 7, 81. Полученные величины воспри-
имчивости Ni в твердой и жидкой фазах хорошо
согласуются с данными работы [2]. Характер
изменения восприимчивости около темпера-
туры плавления (Тпл) совпадает с описанным
в [7,8]. При охлаждении образца его крис-
таллизация сопровождалась пикообразным из-
менением восприимчивости (в интервале тем-
ператур 2 К), также отмеченным в [7,8]. Охлаж-
164
денис расплава до кристаллизации проводи-
лось в течение 2 ч; полученное переохлажде-
ние на 170 К ниже 7’п.-1 свидетельствует об от-
сутствии существенного температурного гра-
диента в образце.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Чечерников В. И. Магнитные измерения. М.: МГУ,
1969. С. 120.
2. Miiller М., ~ Guntherodt H.-J. И J . Phys. Е. 1981.
V. 14. Р. 453.
3. Верезин А . А Гросс Я. Г., Кротов А . А . и др. А. с.
711511 СССР // Б. И. 1980. № 3. С. 202.
4. Лякуткин А. В., Милованова И. А. Изв. АН
КазССР. Сер. физ.-мат. 1979. № 6. С. 91.
5. Иванов Е. В., Иванова Л. И., Зеленцов В. В. И ПТЭ,
1970. № 2. С. 221.
6. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотех-
ника. Справочное руководство. М.: Мир, 1983.
С. 205.
7. Лякуткин А. В. Деп. рук. № Р175. Казань: Каз.
НИИНТИ, 1980. С. 15.
8. Лякуткин А . В., Андрюшин В. И. И Научные сооб-
щения V Всесоюз. копф. по строению и свойствам
металлических и шлаковых расплавов. Свердловск:
УНЦ АН СССР, 1983. Ч. 2. С. 245.
Уральский политехнический институт,
Свердловск
Поступила в7 редакцию 17.1.1986
УДК 621.373 ПТЭ №3, 1987
НИЗКОВОЛЬТНАЯ ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ВЫДЕЛЕНИЯ
УЛЬТРАКОРОТКОГО ИМПУЛЬСА С ЛЮБЫМ ПОРЯДКОВЫМ
НОМЕРОМ В ЦУГЕ
ДЕМЧУК М.П., ДМИТРИЕВ С. М., МИХАЙЛОВ В. И., ПРИБЫТОК Г. А., СТРАШКО А. В.
Описана низковольтная система выделения импульса с заданным порядковым но-
мером в цуге, использующая фотоэлектронный запуск и электронную линию задержки.
Для исследования быстропротекающпх не-
линейных оптических процессов часто исполь-
зуются одиночные мощные импульсы пико-
секундной и субнаносекундной длительности,
вырабатываемые лазером с пассивной синхро-
низацией мод. Такие импульсы обычно выделя-
ют из цуга с помощью электрооптического
затвора на кристаллах KDP и DKDP [11; при
этом используется продольный электрооптичес-
кий эффект Ноккельса.
Такая система имеет ряд достоинств: отсут-
ствует эффект активного поворота плоскости
поляризации излучения при совпадении оси Z
кристалла с оптической осью системы, электро-
оптический эффект пе зависит от длины крис-
талла; система обладает малой электрической
емкостью [2]. Основной недостаток — неопре-
деленность в номере выделенного импульса
из цуга вследствие использования газового
разрядника, болыпая величина полуволнового
напряжения ZA/2 (~ 7 кВ для DKDP па длине
волны 1,06 мкм и —15 кВ для KDP).
В последнее время появились электрооп-
тические затворы па поперечном эффекте Пок-
кельса, обладающие более низким полуволно-
вым напряжением; в блоке кристаллов DKDP
(модулятор МЛ-102А) для пары кристаллов
Ux/-> = 750 В на длине волны 1,06 мкм при ем-
кости 50 пФ [3]. Это позволяет использовать
для управления затвором сравнительно про-
стые схемы на лавинных транзисторах. В этих
схемах для выделения одиночных пикосекупд-
ных импульсов формируется перепад напряже-
ния из начального состояния 277^/2 + АС7 в
конечное Д77 (Д77 связано с неполным разря-
дом емкости). В то же время такие кристаллы
имеют ряд недостатков, усложняющих форми-
рование управляющего импульса. К ним отно-
сятся: относительно болыпая емкость кристал-
лов (для 4 кристаллов ~100 пФ), существова-
ние эффекта активного поворота плоскости по-
ляризации излучения при совпадении оси Z
кристалла с оптической осью системы и огра-
ниченная электрическая прочность кристал-
лов —600 В [41.
В работе [3] описана система выделения оди-
ночного светового импульса модулятором МЛ-
102А из цуга пикосекупдных импульсов на дли-
не волны 1,06 мкм при емкости кристаллов 50 пФ
с фронтом перепада напряжения 7ф st 6 нс и A U ~
st. 300 В. (Перепад напряжения формируется
на одпой паре кристаллов, вторая пара исполь-
зуется для дополнительной электрооптиче-
ской юстировки модулятора и компенсации ак-
тивного поворота плоскости поляризации.) Ра-
бочий перепад напряжения при этом 7>\ =
= 1500 В, что превышает указанные в техни-
ческом описании и инструкции по эксплуатации
МЛ-102 ограничения электрической прочности
кристаллов (—600 В [2]).
165
Рис. 1. Генератор сигнала управления электрооптиче-
ским затвором. Tj ч- Г13 — КТ603А, PC — ячейки
Поккельса, Тр -— переходный трансформатор
Рис. 2. Структурная схема системы выделения одиноч-
ного светового импульса из цуга пикосекундных им-
пульсов. IIГ — призма Глана, ФП — скоростной фото-
приемник, .13 — электронная регулируемая линия
задержки, Гн — генератор сигнала управления элект-
рооптическим затвором, СхФ — схема формирования
сигнала запуска камеры «Агат»
Ниже описана схема формирования сигна-
ла управления затвором (рис. 1). Перепад нап-
ряжения подается на все четыре кристалла мо-
дулятора МЛ-102А (это вдвое уменьшает необ-
ходимое значение использована двухпо-
лярная схема подключения цепочки транзисто-
ров (это позволяет вдвое увеличить разрешен-
ный перепад напряжения из + U%/t в —
разновидность двухполярной схемы подклю-
чения приведена в работе [51). Чтобы достичь
требуемой длительности сигнала управления
затвором па нагрузке 100 пФ в схеме исполь-
зуются две параллельные цепи транзисторов.
При напряжении перепада U\ = 800 В они
обеспечивают разрядный ток /р ~ 14 А, что
достаточно для получения £ф 6 нс. Число
параллельных цепей лавинных транзисторов
можно увеличивать, уменьшая тем самым дли-
тельность перепада напряжения {ф.
Все это при той же длительности сигнала
управления (£ф ж 6 нс) позволяет поворачи-
вать плоскость поляризации на л/2 без превы-
шения электрической прочности кристаллов
| + ^дит| | + 600 В | для максимальной дли-
ны волны А ~ 1,6 мкм. Настройка на опреде-
ленную длину волны осуществляется измене-
нием напряжения питания и соответствующим
изменением числа лавинных транзисторов
КТ603А в цепи Т2 -г- Т13 (рис. 1). Схема также
предусматривает дополнительную подстройку
напряжения модулятора и возможность ком-
пенсации активного поворота плоскости поля-
ризации (резистор /?!, рис. 1). Резистором Л2
можно изменять длительность фронта 1ф.
Структурная схема системы выделения оди-
ночных световых импульсов из цуга пико-
секундных импульсов приведена на рис. 2. Схе-
ма запускается импульсом от скоростного фо-
топриемника, собранного на транзисторе
ГТ338Б со спиленной головкой по схеме, при-
веденной в [6]. Импульс с фотоприемника по-
ступает на линию активной задержки (рис.З)
и параллельпо па схему формирования импуль-
са запуска для камеры «Агат». Линия задержки
(25 -г- 500 нс) позволяет выделять любой,
кроме первых трех, световой импульс из цу-
га пикосекундных импульсов для лазера с А =
= 1,06 мкм, длиной резонатора L = 2,5 м с
промежутком между импульсами цуга — 16 нс.
Переключателем 5, (рис. 3) осуществляется сме-
на диапазонов изменения длительности задерж-
ки в выбранном диапазоне.
Далее импульс поступает на генератор пе-
репада напряжения для управления затвором.
В усилителе на транзисторе 7\ (рис. 1) импульс
усиливается и через трансформатор Тр (пер-
вичная обмотка — 6 витков изолированного
провода сечением 1 мм2, 6 вторичных обмоток
по одному витку изолированного провода
1 мм2, намотанных между витками первичной
обмотки па каркасе ф 6 мм) поступает на 6 ла-
винных транзисторов 7’2 -4- 7’13. Использова-
ние усилителя и трансформатора уменьшает
А £7 за счет более полного открывания тран-
зисторов до AZ7 ~ 20 В, кроме того, значитель-
но улучшается технологичность изготовления
схемы благодаря некритичности к подбору ла-
винных транзисторов.
Минимальная задержка схемы выделения
одиночных световых импульсов из цуга пико-
секупдных импульсов ~ 40 пс. Для описанно-
го ранее лазера можпо выделять любой, кроме
первых трех, импульсов цуга. Для выделения
второго и третьего импульсов можно использо-
вать дополнительно кабельную пассивную ли-
нию задержки.
Таким образом, основными достоинствами
системы являются существенно более низкое
166
Рис. 3. Электрическая схема электронной регулируемой
Мг - К500ТМ131М, М2 — КР597СА1; 7\ — КТ306Д,
Дг - КД522, Д, -Д818Г, Д3 - 2С133А
линии задержки.
Тг, Т3 — КТ363Б;
полуволновое напряжение по сравнению с из-
вестными устройствами, что повышает надеж-
ность системы, а также расширяет спектральный
диапазон использования устройства до 1,6 мкм;
использование электронной регулируемой ли-
лии задержки позволяет легко выделять любой
импульс цуга, что важно в экспериментах по
изучению нелинейных процессов в лазере,
а также частотной модуляции ультракоротких
импульсов; повышение технологичности изго-
товления и простота наладки устройства за счет
использования усилителя и переходного транс-
форматора; повышение точности выделения им-
пульсов благодаря использованию фотоэлект-
ронного запуска по сравнению с газовым раз-
рядником высокого давления.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Сверхкороткие световые пмпульсы/Под ред. С. Ша-
пиро М.: Мир, 1981.
2. Кузовкова Т. А ., Хилое Е. В., Флегонтов Ю. А . И
Оптика и спектроскопия. 1979. Т. 47. Вып. 5.
С. 974.
3. Демидов А . А ., Есаян Г. М.. Калайдзидис Я. Л. И
ПТЭ. 1984. № 3. С. 186.
4. Модулятор электрооптический МЛ-102. Техническое
описание и инструкция по эксплуатации. 3.975.044
ТО1.
5. Ангелов И. И., Венкин Г. В., Казанцев Д. В. и др. И
ПТЭ. 1984. № 5. С. 168.
6. Демчук М. И., Дмитриев С. М.. Михайлов В. П.,
Юмашев К. В. И ПТЭ, 1984. № 5. С. 166
ПИП прикладных физических проблем
при Белорусском госупиверситете, Минск
Поступила в редакцию 25.Ш.1986
167
УДК 681.7.069.32 ПТЭ № 3, 1987
ПРИБОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ
И ФОТОНОВ
ШУЛЬЖЕНКО Г. II., БАШКЕЕВ А. А., КОВАЛЕНКО Ю.В., ФЕДОТОВ М. Г
Описан прибор для регистрации пространственного распределения потоков час-
тиц и фотонов в вакууме. В качестве детектора первичного потока частиц или фотонов
используется сборка из микроканальноп пластины и люминесцентного экрапа на воло-
конно-оптической шайбе. Свечение люминофора регистрируется перемещаемым линей-
ным формирователем видеосигнала с переносом заряда, управляемым электроппой
схемой в стандарте КАМАК. Пространственное разрешение прибора 0,1 мм.
Сочетая многоканальный измеритель рас-
пределения освещенности па основе фоточувстви-
тельных линеек или матриц с переносом заряда
[1] с устройствами типа электронно-оптических
преобразователей, можно создать регистраторы
пространственного распределения любых час-
тиц, вызывающих фотоэлектронную эмиссию
(см., например, [2, 3]). Ниже описан подобный
прибор, использующий в качестве координат-
но-чувствительного детектора частиц мпкрока-
пальпую пластину [4].
Схема прибора приведена на рис. 1, а. Ре-
гистрируемый поток частиц пли фотонов при-
нимается входной поверхностью микроканаль-
ной пластины (м.к.п.) 1 и инициирует эмиссию
электронов. Эффективность сбора вторичных
электронов в каналы м.к.п. оптимизируется
напряжением на электроде 2. Усиленный в
~ Ю4 раз поток электронов дополнительно ус-
коряется в зазоре 0,5 мм между выходом м.к.п.
и люминесцентным экраном 3, покрытым тонкой
пленкой алюминия. Напряжение доускорения
2,5 Ч- 3 кэВ. Желто-зеленый люмипофор с вре-
менем высвечивания ~1,5 мс нанесен на ва-
куумную поверхность волоконно-оптической
пластины (в.о.п.) 4, которая герметизирует ва-
куумную часть прибора, так что линейка фото-
чувствительных элементов находится вне от-
качиваемого объема. Через согласующую в.о.п.
5 излучение люминофора регистрируется ли-
нейным формирователем видеосигнала с заря-
довой связью 1200ЦЛ-1 (в дальнейшем — ли-
нейка п.з.с.), содержащим фоточувствительпую
область из 1024 ячеек, размер каждой ячейки
15 X 15 мкм2 [5]. Линейка п.з.с. вместе с сог-
ласующей в.о.п. 5 может перемещаться по по-
верхности в.о.п. 4, что позволяет регистриро-
вать распределение интенсивности света на раз-
личных участках люминофора. Весь прибор
закрепляется па вакуумном юстировочном уз-
ле, обеспечивающем его наводку па объект
наблюдения. Электронно-оптическая часть при-
бора, в которую входят м.к.п. 1, герметизирую-
щая в.о.п. 4 и токоподводы 7, собирается па
изоляторах 8 из оргстекла и вакуумно-плотно
склеивается герметиком ВГО-1.
Детального описания заслуживает место
соединения согласующей в.о.п. с линейкой
п.з.с. (рис. 1, б). В нашем приборе в.о.п. 5 на-
ходится в оптическом контакте непосредствен-
но с фоточувствительпой областью 6 кристал-
ла линейки п.з.с. Для этого с промышленного
образца 1200ЦЛ-1 удаляется входное окно
и маска. В.о.п. (толщина 0,5 мм, высота 10 мм,
длина 15 мм) устанавливается на кристалл
и склеивается по всему периметру герметиком,
поскольку длительное пребывание на воздухе
может привести к выходу кристалла из строя.
Две пары пластин из непрозрачного стекла 9,
между которыми склеена в.о.п., защищают фо-
точувствительпую область от фоновой засветки.
Верхняя поверхность склейки шлифуется для
хорошего оптического контакта с герметизирую-
щей в.о.п. 4, нижпяя поверхность профилиру-
ется по посадочному месту корпуса линейки
10, чтобы не нарушить токовые соединения
кристалла с внешними вводами.
Качество и однородность оптического кон-
такта в.о.п. и кристалла проверялись следую-
щим образом. В.о.п. освещалась через щель ши-
риной 10 мкм (длина волпы 0,63 мкм). Было
установлено, что размер изображения щели па
линедке оставался постоянным по всей ее длине
и был пе более размера двух ячеек структуры.
При использовании линейки п.з.с. в таком из-
мененном варианте каких-либо ухудшений па-
раметров по сравпепию с промышленным образ-
цом замечено пе было.
Микросхема 1200ЦЛ-1 представляет собой
трехфазный прибор с зарядовой связью с по-
верхностным каналом [5]. Защита от локальных
световых перегрузок (антиблуминг) позволяет
иметь малые времена накопления (меньше вре-
мени считывания прибора) и работать в импульс-
ном режиме. При этом для накопления фотоге-
перироваппых зарядов можно использовать не
только фоточувствительпую область, по и часть
сдвигового регистра, лишь на половину шири-
ны закрытого оптически непрозрачным слоем
алюминия, что существенно увеличивает дина-
мический диапазон прибора. Для управления
микросхемой создано специализированное элек-
168
Рис. 1. Схемы: а — прибора, б — соединения микросхе-
мы 1200ЦЛ-1 и согласующей волоконно-оптической
пластины. 1 — микрокапальный умножитель Мhl 1-28,
2 — оптимизирующий электрод, 3 — люминофор, 4 —
герметизирующая в.о.и., 5 — согласующая в.о.п., 6 —
фоточувств ительная область микросхемы 1200ЦЛ-1,
7 — токоподводы, 8 — изолятор, 9 — пластины из не-
прозрачного стекла, 10 — корпус микросхемы 1200ЦЛ-1
троппое устройство, выполненное в стандарте
КАМАК. Устройство обеспечивает 4 режима
накопления в линейке п.з.с., обработку запус-
ков, формирование интервалов времени накоп-
ления от 100 мкс до 40 с, предусиление и обра-
ботку выходного сигнала (двойную коррелиро-
ванную выборку или привязку к уровню фо-
нового заряда), управление работой аналого-
цифрового преобразователя (а.ц.п.). Совместно
с устройством использовался 10-разрядный
АЦП-101, также выполненный в стандарте
КАМАК [6]. АЦП-101 имеет внутреннее запоми-
нающее устройство емкостью 4К слов и схему,
позволяющую выводить содержимое памяти на
осциллограф.
Электронное устройство считывает липейку
п.з.с. за 10,4 мс, что соответствует частоте ра-
боты сдвигового регистра 100 кГц. Для умень-
шения неэффективности переноса использовал-
ся режим электрической инжекции фонового
заряда. При этом измеренная неэффективность
переноса заряда составляла -—0,001 на перенос
(в лучших образцах — до 2-10-4). Пороговая
квантовая чувствительность достигала 3000 фо-
Рис. 2. Схема измерения аппаратной функции прибора
и отражающих способностей различных материалов.
1 — регистрирующая часть прибора, 2 — вакуумный
объем, 3 — мишень, 4 — камера-обскура
тонов па ячейку, динамический диапазон —
— 1000.
Конструктивно устройство состоит из двух
блоков — модуля КАМАК и связанного с ним
блока п.з.с., расположенного рядом с линейкой.
Особенностью устройства является применение
разнесенных микропрограммных автоматов. Та-
кое разделение функций формирования задан-
ных временных интервалов, обработки запусков
и функций непосредственного управления мик-
росхемой обеспечило уменьшение количества
связей модуль КАМАК — блок п.з.с. при
сохранении мпогорежимности работы. Устрой-
ство также содержит цифроаналоговый преобра-
зователь, позволяющий при работе со слабыми
сигналами компенсировать фоновый заряд
и полностью использовать всю шкалу а.ц.п.
Устройство функционирует под управлени-
ем микро-э.в.м. «Электроника-60», работающей
в автономном режиме. Весь ход измерений
можно контролировать с алфавитно-цифрового
дисплея, оперативно изменяя режим и время
накопления, чувствительность а.ц.п. и др.
Сигнал, считываемый с линейки, программно
обрабатывается, выводится в виде изображения
па экран монитора и одновременно на запоми-
нающий осциллограф и может быть записан на
гибкие диски. Все программное обеспечение на-
писано на Фортране-4 и использует стандартные
средства работы с аппаратурой КАМАК.
На рис. 2 приведена схема измерения прост-
ранственного разрешения прибора. Проволочка
ф 50 мкм облучалась пучком нейтральных ато-
169
Рис. 3. Аппаратная функция прибора
Рис. 4. Отражающие способности Mo, Ti, Nb (a) Si
п SiO2 (б) при облучении их пучком атомов водорода с
энергией 10 кэВ
мируется па входной поверхности м.к.п. При
переходе изображения с одной многоканальной
структуры па другую происходит уширение его
на шаг данной структуры. Поэтому, если воз-
буждается только одип капал м.к.п. (ф 12 мкм),
то даже без остальных возможных механизмов
уширения изображения минимальная ширина
изображения па выходе прибора увеличивается
до ~ 75 мкм. На рис. 3 приведено выходное
изображение проволочки после считывания с
линейки п.з.с. В данной геометрии опыта воз-
буждались два канала м.к.п., т. е. размер изо-
бражения на входе был ~ 20 мкм и ожидаемая
ширина изображения — 90 мкм. Измеренная
полная ширина на полувысоте составила
100 мкм.
Описанный прибор был использован для
изучения отражающей способности различных
материалов при облучении их пучком быстрых
атомов водорода. Схема опытов аналогична по-
казанной на рис. 2. В одинаковых условиях —
за один импульс — измерялось отражение ато-
мов от различных мишеней. На рис. 4 приведе-
ны результаты, полученные при использовании
мигпепи, состоящей из последовательных поло-
сок Mo, Ti, Nb, и мишени из Si и SiO2.
В заключение авторы считают приятным дол-
гом выразить свою благодарность В. Г. Дуд-
никову и Э. А. Куперу за полезные обсуждения
и интерес к работе.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Пресс Ф.П. Формирователи видеосигнала па при-
борах с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1981.
2. Белл, Финкенталь, Мус. И Приборы для научных
исследований. 1981. № 12. С. 14.
3. Мерфи, Мауэрсбергер И Приборы для научных ис-
следований. 1985. № 2. С. 44.
4. Грунтман М. А. И ПТЭ. 1984. № 1. С. 14.
5. К ашлаков И. Д., Кленов В. Т., Костюков Е. В. //
Электронная пром-сть. 1982. № 7, С. 7.
6. Батраков А. М., Козак В. Р., Нифонтов В. И. Пре-
принт ПЯФ СО АН СССР 79-36. Новосибирск, 1979.
7. Димов Г. И., Росляков Г. В.. Савкин В. Я. И ПТЭ,
1977. № 4. С. 29.
мов водорода с энергией 10 кэВ от инжектора
ДИНА [7]. Изображение проволочки в отра-
женных атомах через отверстие 0 17 мкм фор-
Институт ядерной физики СО АН СССР,
Новосибирск
Поступила в редакцию 7.II. 1986
170
УДК 621.317.726
ПТЭ № 3, 1987
ЛАЗЕРНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСИИ ГАЗОВ
МИЩЕНКО IO.B.
Описан интерференционный рефрактометр, предназначенный для исследования
дисперсии оптически прозрачных газов в видимом и ближнем инфракрасном диапазо-
нах (0,4 -5-1,1 мкм) спектра. В рефрактометре используется блок селекции излучения,
предназначенный для периодической последовательной подачи излучения с различ-
ными длинами волн на вход интерференционного рефрактометра, что позволяет значи-
тельно повысить достоверность определения коэффициентов в уравнении дпсперсии
при различных состояниях газа и в несколько раз сократить время на проведение экспе-
риментальных исследований.
Для прецизионного измерения дисперсии
газов и жидкостей используются лазерные ав-
томатические интерференционные рефрактомет-
ры (л.а.и.р.) [1 ч— 4]. Эти приборы вполне
удовлетворительны при измерении показателей
преломления на одной заданной длине волны
излучения видимого спектра. Однако при ис-
следовании дисперсии, что требует определения
показателей преломления одновременно для
нескольких длин волн при одном и том же со-
стоянии вещества, возникает целый ряд труд-
ностей, связанных с тем, что невозможно много-
кратно воспроизводить с высокой точностью
все параметры, характеризующие состояние ве-
щества при последовательных измерениях на
различных длинах волн с использованием не-
скольких лазеров. Поэтому показатели прелом-
ления п, определяемые для различных длин
волн X, оказываются соответствующими раз-
личным, хотя и близким состояниям, что ведет
к ошибкам при расчете коэффициентов Ao, Alf
А2, . . ., описывающих дисперсию:
п = Ао + ЛА"3 + Л2Г4 + • • • • (1)
Задача могла бы быть решена при использова-
нии лазера с быстро перестраиваемой и точно
фиксируемой длиной волны. Однако подобные
лазеры еще находятся в стадии разработки [5],
а существующие лазеры с перестраиваемой дли-
ной волны дороги, сложны в эксплуатации и не
обеспечивают точпой фиксации нескольких
длин волп, что требует использования дополни-
тельной следящей интерференционной системы
[6] для оперативного измерения длины волны
излучения и приводит к значительному услож-
нению прибора.
Возможен и другой путь — проводить изме-
рения одновременно на нескольких длинах волп
с использованием нескольких лазеров, излуче-
ние которых селектируется и в определенной
последовательности подается на вход л.а.и.р.
В данной статье описывается именно такое уст-
ройство, предназначенное для исследования дис-
персии оптически прозрачных газов по трех-
волповому методу и выводятся соотношения для
расчета параметров схемы л.а.и.р.
Оптическая схема устройства с рабочими
геометрическими размерами приведена на
рис. 1. Основным отличием этой схемы от схемы
[4] является использование в ней блока селек-
ции излучения, обеспечивающего последова-
тельное облучение вещества излучением с раз-
личными длинами волн Х2, А.3 от трех ла-
зеров 1,2,3 (Xj < Х2 < Х3). Кроме того, в схе-
ме рис. 1 отсутствует обтюрационный растр, ко-
торый заменен экраном с узкой щелью шири-
ной а и высотой g. Это изменение связано с тем,
что период интерференционной картины изме-
няется с изменением длины волны, вследствие
чего не достигается необходимого соответствия
между ним и периодом растра. Измерительные
фотоприемники 19, 20 чувствительны в спект-
ральной области 0,4 -т-1,1 мкм и характери-
зуются спектральными коэффициентами пре-
образования для длин волн Л2, равными
соответственно ЛГфХ, Лф2, ^Фз-
Схема блока селекции излучения с лазера-
ми 1-^3 приведена на рис. 2. Блок селекции
состоит из подвижного диска 4, равномерно
вращаемого со скоростью со (со ~ 600 с-1) с
помощью двигателя (не показан). Диск 4 имеет
большой секторный вырез, обеспечивающий
пропускание излучения последовательного от
каждого из трех лазеров 1 ч- 3. Радиус диска
7?д и угол секторного выреза ас определяются
по соотношениям
Вл— sup {г,}, ас=120° — v sup {а{/гД,
l<i<3 I'CisSS
где г, — расстояние между оптической осью
л.а.и.р. и осью t-го лазера, di — эффективный
размер луча i-ro лазера в плоскости диска 4,
v = 2 ч- 3 — коэффициент запаса, позволяю-
щий обеспечить падежную селекцию излучения.
Против лазеров 1 ч- 3 за диском 4 установлены
три оптические призмы 5 ч- 7, которые обеспе-
чивают приведение излучения лазеров к опти-
ческой оси. Верхние отражающие плоскости
471
12
Рис. 1. Оптическая схема л.а.и.р. 1 ч- 3 — лазеры с длинами воли излучения Xj ч-
Х3, 4 — диск радиусом 200 мм с секторным вырезом 110°, 5 — оптическая призма блока
селекции излучения, 6 — регистрирующий фотоприемнпк ФД-27К блока селекции
излучения, 7, 9 — линзы расширяющей системы с фокусными расстояниями 10 и
300 мм соответственно, 8 — модулятор оптической разности хода, 10 ч- 13 — кюветы
длиной 400 мм, 14 — диафрагма с узкими щелями, 15 — положительная линза с фокус-
ным расстоянием 300 мм, 16 — цилиндрическая линза, 17 — непрозрачный экран с
узкими щелями, 18 — билипза Бийе с фокусным расстоянием 80 мм, 19, 20 — измери-
тельные фотоприемники ФД-27К
этих призм вынолнепы частично пропускающи-
ми и за ними установлены регистрирующие фо-
топриемники 8 4- 10, обеспечивающие регист-
рацию прохождения излучения того или иного
лазера па вход л.а.и.р. и управление электрон-
ным блоком. Коэффициенты отражения верхних
плоскостей призм 5 4- 7 и нижней плоскости
призмы 5 выбраны близкими к единице (0,9).
Нижние отражающие плоскости призм 6, 7
выполнены частично пропускающими с коэффи-
циентами отражения соответственно и /?2.
В схеме л.а.и.р. реализована интерферен-
ционная модуляция, при этом для регистрации
дробной части интерференционной полосы ис-
пользована модификация метода лппейпо-вре-
меппбго преобразования. Суть ее заключается
в регистрации характерных моментов пересе-
чения гармоническими сигналами фототока за-
данного постоянного уровня Up и измерении
Рис. 2. Блок селекции излучения (вид Со сторопы реф-
рактометра). 1 ч- 3 -— лазеры, 4 — диск; 5 ч- 7 — оп-
тические призмы, 8 ч- 10 — регистрирующие' фото-
приемники
интервалов времени между этими моментами.
Использование такого приема позволяет опти-
мальным образом реализовать возможности ме-
тода линейпо-временпбго преобразования в ус-
ловиях обработки различных по частотным
и амплитудным характеристикам сигналов фо-
тотока на различных интервалах периода ин-
терференционной модуляции и обеспечить точ-
ность регистрации не хуже 10~3 интерферен-
ционной полосы [7]. Целые интерференционные
полосы регистрируются по методу «трех зон»
[8], обеспечивающему надежные результаты
прп скоростях смещения интерференционной
картины 0,33(D.
На рис. 3 и рис. 4 приведены структурная
схема электронного блока и временные диа-
граммы его работы для одного периода модуля-
ции. Управление работой электронного блока
осуществляется с помощью регистрирующих
фотоприемников Ф/7\ 4- ФП3, на выходах ко-
торых при вращении диска блока селекции фор-
мируются импульсные сигналы (рис. 4, а— в),
соответствующие трем различным интервалам
периода интерференционной модуляции и пре-
образуемые схемой ИЛИ в импульсы управле-
ния (рис. 4, г) генератором линейно нарастаю-
щего сигнала, управляющего в свою очередь
(рис. 4, д) пьезоэлектрическим преобразовате-
лем поворота, механически связанным с диффе-
ренциальным модулятором оптической разно-
сти хода. Амплитуда модуляции разности хода
Мо.р.х в соответствии с [9] выбирается равной
А/о.р.х. — (4 3) Slip {4-iJ.
В результате периодического равномерного из-
менения разности хода в оптических каналах
172
Рис. 3. Структурная схема электронного блока. Ф/Ц —
ФП3 — регистрирующие фотоприемники, ГЛ НС — ге-
нератор линейнопарастающего сигнала, ПП — преоб-
разователь поворота, ФП3. ФП3 — измерительные фото-
приемникп, РДЧП — схема регистрации дробной части
полосы, РЦЧП — схема регистрации целой части по-
лосы, СВ — схема вычислений
Рис. 4. Временные диаграммы: а ~ ж — работы элект-
ронного блока в точках, указанных па рис. 3. з -t- к —
сигналов, формируемых в схеме РДЧП
л.а.и.р. на выходах измерительных фотоприем-
ников ФП^ ФПЪ на каждом из трех интерва-
лов периода модуляции формируются преры-
вистые гармонические сигналы фототока
(рис. 4, е, ж), поступающие на схему регистра-
ции дробной части полосы. Регистрация изме-
нений дробной части 6;i по методу [7] предус-
матривает измерение трех временных интерва-
лов tj^, tji2, Tjt на каждом i-м интервале каж-
дого у-го периода интерференционной модуля-
ции (рис. 4,3 4- к):
tjil == ^iH ^jil’ =
7’ji = 0,5 (ijis ijii -f- £ji3 ^>11),
где t'm 4- tij3 — моменты пересечения первым
сигналом фототока уровня Up = 0 (рис. 4, ж),
tjn 4- t,i3 — моменты пересечения вторым сиг-
налом уровня Up = 0 (рис. 4, е), и расчет 6,/
по соотношению
= 0,5 (ijij -f- tjii) Тji •
Регистрация целой части по методу [8] предус-
матривает логический анализ двух последова-
тельных значений и Sj+1,; и накопление по
результатам анализа значений целой части Bt
для каждого i-ro интервала периода модуляции.
Операции логического анализа и накопления
целой части осуществляются схемой регистра-
ции целой части полосы. По окончании измере-
ний информация со схем регистрации переда-
ется на схему вычислений, которая вычисляет
показатели преломления nt для каждой длины
волны Хг по соотношению
nt = Хг (Bi + бг) L’1 + 1,
где 6t — изменение дробной части для i-ro ин-
тервала периода модуляции, L — длина кювет
10 4- 13 (рис. 1). После определения показа-
телей преломления для трех длин волн осуще-
ствляется расчет коэффициентов в уравнении
(1). Следует отметить, что в описываемом
л.а.и.р. схемы регистрации целой части полосы
и вычисления имеют приблизительно в три раза
больший объем памяти, чем аналогичные схемы
л.а.и.р. [1 4- 4], что позволяет хранить инфор-
мацию для трех интервалов периода интерфе-
ренционной модуляции. Выбор соответствую-
щих регистров памяти этих схем на каждом
интервале осуществляется параллельным кодом,
поступающим па управляющие входы этих
схем с выходов регистрирующих фотоприем-
пиков ФПХ 4- ФП3.
Одним из условий успешной реализации
метода [7] является обеспечение приблизитель-
ного равенства постоянных составляющих
U4- U-з сигналов ^фототока. При условии со-
впадения высоты щели экрана g с высотой ин-
терференционной картины в его плоскости со-
отношения для Z7-! 4- U-3 имеют вид
_ г)У1(1-Л1)(1-Д2)^ (2
-1 я‘/М1К^с exp (0,5d«d72/C^)
~ п У2*1 (1 ~Да) Ьс (3)
лЧ№рс exp (0,5d2<C2A'pJ)
U ПУзЯзбс
3 л1 ЧЛрС ехр (О.бАГ^р,!)
где Р± 4- Р3 — мощности излучения лазеров
1-^-3 соответственно, Ь, с — высота и ширина
щелей диафрагмы, d — расстояние между ще-
лями диафрагмы, dt 4- d3 — эффективные раз-
меры лучей лазеров 1 4- 3 на входе расширяю-
173
щей системы, Kvc — коэффициент преобразо-
вания расширяющей системы, т] — коэффициент
использования энергии света в интерферен-
ционной картине (для случая фоторегистрации
с помощью экрана со щелью ц ~ 2b/d). Условие
приблизительного равенства постоянных со-
ставляющих сигналов фототока с учетом (2) 4-
4- (4) приводит к следующим соотношениям для
выбора коэффициентов отражения В1У В2:
’ 0,5d3 - d[)
В
1 + PiK^d, ехр
н2 =
P2tf.,d3 СХР
ф2 °
d2diKpc
0,5d3(<^ —
ОДс
^{А'рС
+ ~п~Г—ехР
Р1Аф1</3 1
Другое условие реализации метода [7] и обес-
печения высокой точности преобразования пред-
полагает выполнение следующего соотношения
между амплитудными значениями U~\ 4- Vпе-
ременных составляющих и сигналов фототока:

(7)
где 5mjn — минимально допустимое значение
отношения c./ш., Um — эквивалентная э.д.с.
шумового сигнала, приведенного к выходу из-
мерительного фотоприемпика. Соотношения для
U~ j 4- £Л_3 в соответствии с [10] имеют вид
U^.i = U-isin(nad'k~1F-'kn1), i = 1,2,3, (8)
где кп — коэффициент преобразования цилинд-
рической линзы, F — фокусное расстояние
линзы 15 рис. 1. Из соотношений (7), (8) сле-
дует, что ширина щели а должна выбираться
согласно равенству
а = Fk^^dT1 (Хх + Лз)’1, (9)
а из соотношений (7) 4- (9) следует, что коэф-
фициент KVc должеп выбираться в соответст-
вии с соотношением
г]Р3Н>КфзЬс
л‘'^крС ехР (°>мадз’a';J)
х sin (10)
Следует отметить, что соотношение (10) анало-
гично соотношению (8) работы [4] и наряду с
соотношениями (5), (6), (9) должно учитываться
при расчете параметров оптической схемы
л.а.и.р.
При выборе параметров схемы л.а.и.р. в
соответствии с приведенными соотношениями,
а также с учетом соотношений работы [4] эта схе-
ма обеспечивает прецизионное измерение по-
казателей преломления на трех длинах волн
для одного итого же состояния вещества. Реа-
лизуемый уровень точности измерения показа-
телей преломления (10“7 4- 3-10“8) позволяет
значительно повысить достоверность определе-
ния коэффициентов в уравнении дисперсии (1)
и обеспечить лучшее описание оптических
свойств газообразных веществ для диапазона
спектра, соответствующего длинам волн 4-
4- Х3 и широкой области параметров состояния
вещества. Так, в частности, для случая уст-
ройства с рабочими размерами, указанными в
подписи к рис. 1, определение коэффициентов
дисперсии Л] и А2 при исследованиях ряда га-
зообразных фтористых соединений в видимом
диапазоне спектра и параметрах состояния
-50° С < Т < +50° С, 105 Па < р < 106 Па
привело к значениям, отличающимся в среднем
соответственно на 10 и 40% от аналогичных
значений, полученных ранее с использованием
устройства |4]. Кроме того, использование дан-
ного устройства позволило почти в 3 раза сок-
ратить время экспериментальных исследова-
ний.
В заключение следует отметить, что приве-
денная схема является лишь одним из примеров
построения л.а.и.р. такого типа. Используя
блок селекции излучения описанной или ана-
логичной конструкции, можно, например, ис-
следовать дисперсию оптически прозрачных
жидкостей с использованием соответствующих
л.а.и.р.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Земсков Е. Л/., Кобелев В. 11., Сагалович А . Я. и др.
А. с. 741121 СССР//Б. II. 1980. № 22. С. 226.
2. Barre S. И Met. regul. autom. 1982. V. 47. № 5.
Р. 37.
3. Мищенко 10. В. // Метрология. 1985. № 6. С. 37.
4. Мищенко 10. В. И Измерительная техника. 1983.
№ 6. С. 42.
5. Анохов С. П., Марусий Т. Я., Соскин М. С. Пе-
рестраиваемые лазеры. М.: Радио и связь, 1982.
6. Буковский Б. Л., Томашевский 10. Ф., Кисе-
лев Б. А., Архипов В. В. И Опт.-мех. пром-сть.
1983. № 6. С. 176.
7. Мищенко 10. В. А. с. 1231917 СССР. // Б. И. 1986.
№ 18. С. 203.
8. Мищенко Ю. В. А. с. 1237908 СССР. // Б. И. 1986.
№ 22. С. 166.
9. Захаров В. И., Снежко IO. А ., ТычинскийВ. 11.,
Евшихиев И. II. // ПТЭ, 1976. № 6. С. 159.
10. Алякишев С. А., Афанасьев В. Л/.//Измеритель-
ная техника. 1977. № 2. С. 39.
Поступила в редакцию 10.11.1986-
174
УДК 621.375.826
ПТЭ № 3, 1987
СХЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ СРЕДНЕГО УРОВНЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
Не — Ne-ЛАЗЕРА
ГРИГОРЕНКО А. И., ДОМНИН П.В., МИШИН С. А., РУДАШЕВСКИЙ Е. Г.
Описана схема стабилизации среднего уровня мощности излучения лазера в диа-
пазоне частот до нескольких десятков герц. Флуктуации интенсивности излучения ла-
зера Л ГН-203 уменьшены в 100 раз до уровня 0,01% в полосе 0 30 Гц.
Для регистрации малых изменений интен-
сивности света в лазерных оптических экспери-
ментах необходимо использовать лазеры с вы-
сокостабильпым средним уровнем мощности.
Первичная стабилизация интенсивности лазер-
ного света в наиболее распространенных газо-
вых лазерах осуществляется в схемах источника
питания газового разряда [1]. Но таким обра-
зом трудно получить стабильность мощности
лучше 1 % из-за неустойчивостей в плазме газо-
вого разряда и теплового дрейфа лазерного ре-
зонатора. Дальнейшее улучшение стабильнос-
ти лазерного излучения может быть достигнуто
применением внешних схем стабилизации [2 4-
4- 41. В таких схемах стабилизация осуществ-
ляется путем отбора части лазерного света па
фотодиод, усиления этого сигнала и подачи его
в противофазе на модулятор. Во всех этих
схемах непосредственно усиливался сигнал в
цепи обратной связи широкополосным усили-
телем.
Следует отметить, что схемы высокой стаби-
лизации среднего уровня интенсивности излу-
чения лазера (т. е. на нулевой частоте и в диа-
пазоне до нескольких десятков герц) с непо-
средственным усилением в цепи обратной связи
обладают существенным недостатком — силь-
ным влиянием электрических шумов на работу
схемы. Действительно, определяя коэффициент
стабилизации а как отношение флуктуаций
мощности лазера на входе Д7ВХ к флуктуациям
мощности на выходе схемы Д/вых, нетрудно
получить простое соотношение
а = Д/вх/Д/вых = 1 + 0у6А7о,
где Р — коэффициент ответвления пучка, кото-
рый нельзя делать очень большим из-за потерь
выходящего излучения и который обычно вы-
бирается ~0,1; б — чувствительность фото-
приемника (В мВт); у — коэффициент, характе-
ризующий работу модулятора при малых уп-
равляющих напряжениях и равный отношению
относительного изменения интенсивности излу-
чения к напряжению на модуляторе, вызываю-
щему это изменение; К — коэффициент усиле-
ния в цепи обратной связи, /0 — средний уро-
вень мощности излучения.
Для обычного Не — Ne-лазера с мощностью
1 мВт и нестабильностью ~1% при исполь-
зовании фотоприемника с чувствительностью
6 = 5 В/мВт и обычных модуляторов с у =
= 10““ В-1 для получения коэффициента ста-
билизации а = 100 в диапазоне частот от нуля
до нескольких десятков герц необходимо иметь
К — 2-101 на тех же частотах. Это соответст-
вует сигналу нестабильности на входе усилите-
ля ~ 25 мкВ. Однако на этих частотах пример-
но такое же значение имеет и фликкер-шум
стандартных и достаточно распространенных
транзисторов, что не позволяет получить желае-
мую стабильность при использовании схем с
непосредственным усилением в цепи обратной
связи.
Известным способом борьбы с этими труд-
ностями является переход к усилению по схеме
модулятор-демодулятор. Ниже описана прос-
тая схема стабилизации среднего уровня мощ-
ности лазерного излучения с использованием
выпускаемых промышленностью элементов
(рис. 1). Лазерное излучение от Не — Ne-ла-
зера после прохождения через оптический моду-
лятор МЛ-102А п отражения от плоскопарал-
лельной пластинки попадает на фотодиод Д2.
Сигнал фотодиода на сопротивлении R сравни-
вается с напряжением от гальванического эле-
мента, подаваемым на R через регулируемый
делитель. Это напряжение задает средний уро-
вень интенсивности, относительно которого про-
исходит стабилизация. Сопротивление R шун-
тируется электронным ключом Т. При откло-
нении сигнала с Д2 от опорного уровня па входе
усилителя появляется переменное напряжение,
амплитуда которого пропорциональна отклоне-
нию, а частота задается внешним генерато-
ром Гн. В качестве усилителя У и синхронного
детектора СД были использованы усилитель
УПИ-1 и генератор ГЗ-ЗЗ, работающий на час-
тоте /о = 8 кГц с амплитудой U = 1 В.
Приемная часть Ир схемы стабилизации
питалась от гальванических элементов. Опа
собрана в термостабилизированпом ящике, ко-
торый вместе с оптическими элементами разме-
щался на вибростабилизированной платформе.
В схеме использовался оптический модулятор
МЛ-102А со статическим полуволновым напря-
жением 209 В. Рабочая точка модулятора вы-
биралась юстировкой электрооптического эле-
мента относительно лазерного луча, в опти-
175
Рис. 1. Схема стабилизации среднего уровня мощности
лазерного излучения. Т — КП901Б; — Д20, Д, —
ФД-7К
Рис. 2. Относительные изменения интенсивностей ла-
зерных излучений без применения схемы стабилизации
(/) и на выходе схемы стабилизации (2) в течение 1 мин
мальном режиме коэффициент у = 10-2. По-
стоянная времени т синхронного детектора при-
бора УПИ-1 была уменьшена до 0,01 с. Эта
постоянная времени определяет верхний пре-
дел частот, до которого происходит эффектив-
ная стабилизация мощности излучения. Учи-
тывая, что полоса частот стабильной работы
усилителя УПИ-1 составляет 102 4- 10-‘ Гц,
частота усиления была выбрана /0 = 8 кГц.
Описанная схема, примененная для лазера
ЛГН-203 с /0 ~ 1 МВТ (нестабильность 1%),
имела коэффициент стабилизации а = 100 при
усилении 6-10* и обеспечивала стабильность
среднего уровня интенсивности излучения
~10-4. Подавление пульсаций на частоте 50 Гц
происходило в 30 раз. На рис. 2 показана вре-
менная развертка интенсивности лазерного из-
лучения в течение 1 мин. Описанную схему мож-
но применить и для стабилизации среднего
уровня мощности излучения других непрерыв-
ных лазеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуделев 13. Г., Кузнецов 13. М., Ясинский В. М. И
ПТЭ. 1981. № 4. С. 167.
2. Воронин Э. С., Ильинский ТО. А., Прокопенко В. Е,
и др. И ПТЭ. 1971. № 5. С. 200.
3. Гаврилов Д. П., Рабинович Э. М., Тучин В. В. И
ПТЭ. 1983. № 5. С. 187.
4. Кирюников К. В., Шишаев А. В. // ПТЭ. 1984. № 6,
С. 164.
Институт общей физики АН СССР, Москва
Поступила в редакцию 12.11.1986
УДК 621.382.088.8 ПТЭ № 3, 1987
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
И М. О. П.-СТРУКТУРАХ
БАЗЛОВ П.В., ВЫВЕНКО О. Ф., ТУЛЬЕВ А. В.
Описан универсальный емкостный спектрометр, построенный по мостовой схеме с
последующим фазочувствптельным детектированием в.ч.-сигнала (10 МГц) и системой
обратной связи, обеспечивающей режим постоянной емкости. Спектрометр позволяет
измерять параметры глубоких центров при изменении их относительной концентрации
от 10-6 до 1 в диапазоне времен релаксации сигнала 10-4 ч- 1 с, определяемых посред-
ством его синхронного детектирования, при длительностях заполняющих импульсов
10 нс ч- 1 мс. Спектрометр имеет простой способ калибровки. Минимальное время от-
работки системы обратной связи 10 мкс.
Метод пестациопарной емкостный спектроскопии
глубоких ^уровней (DLTS) [1] получил в настоящее
время широкое распространение для онределения ос-
новных параметров глубоких центров в полупроводни-
ках.
Для реализации всех возможностей этого метода
необходимо обесиечить высокую чувствительность, воз-
можность работы в широком интервале времен релак-
сации барьерной' емкости тс (что требуется для точно-
го определения энергии связи ЕЕ и эффективного
сечения захвата о*), длительностей заполняющих
импульсов tp (для прямого определения сечения зах
вата а), а также паилучшее разрешение близкораспо-
ложенных линий и удобство обработки полученных
спектров при концентрации центров Л'т, изменяющей-
ся в широких пределах относительно уровня легирова-
ния мелкой примесью N.
Описанные DLTS-спектрометры реализуют многие
возможности метода, одпако, как правило, не универ-
сальны в вышеуказанном смысле, поскольку упомя-
нутые требования взаимосвязаны и подчас конкури-
руют друг с другом. Наибольшей чувствительностью
176
обладают мостовые схемы измерения емкости с после-
дующим синхронным детектированием в.ч.-сигнала,
обычно работающие на частотах >1 МГц |2, 3]. Для
предварительного усиления в.ч.-сигнала используют
либо широкополосные [1, 4, 5]. либо резонансные схе-
мы [3, 6, 7]. Применение последних позволяет сравни-
тельно легко получать большую чувствительность
установки, но приводит к большим искажениям сигна-
ла в течение времени затухания собственных колебаний
резонансных контуров, возбуждаемых действием запол-
няющих импульсов. Тем самым уменьшается диапазон
тс. С другой стороны, применение схем, уменьшающих
перегрузку на входе усилителя, как правило, ухудшает
фронты импульсов, что эффективно уменьшает диапа-
зон /р. Поэтому оптимальным, на наш взгляд, является
использование широкополосных моста и предваритель-
ного усилителя с малым временем восстановления и
последующей фильтрацией основной частоты. Подоб-
ная схема [1] основана на промышленно выпускаемых
высокочастотных блоках, трудности в создании кото-
рых, по-видимому, и привели к разработке упрощен-
ных схем [4, 5].
Расширение диапазона определяемых концентра-
ций глубоких центров до Л’7./Л' ~ 1 непосредственно из
измерений сигнала емкости ДС ограничено физическими
причинами (так как С ~ ]/"NT) и может быть достиг-
нуто, еслп измерять сигнал релаксации напряжения
смещения (U ~ .Yr), поддерживая барьерную емкость
постоянной с помощью системы обратной связи (с.о.с.)
18]. В этом режиме толщина обедненного слоя поддер-
живается постоянной, что является полезным и в ряде
других случаев. Например, значительно упрощается
анализ данпых при исследовании м.о.п.-структур и
образцов с неоднородным распределением центров по
глубине. Для работы в широком диапазоне тс необхо-
дима быстродействующая с.о.с. Предлагаемый в [6]
компенсационный метод измерения быстрой релаксации
напряжения пригоден лишь при экспоненциальном
характере изменения напряжения смещения при по-
стоянной емкости, что не всегда соблюдается (папример,
в случае протяженных дефектов в исследуемом кристал-
ле), причем искажается форма линии DLTS-спектра.
Разрешающая способность, удобство обработки
спектров, а также до некоторой степени и чувствитель-
ность определяются выбором весовой функции, с кото-
рой производится интегрирование по времени сигнала
релаксации емкости образца. Близким к оптимальному
является использование синусоидальной функции или
меандра, которые реализуются при использовании син-
хронного усилителя СУ |9]. СУ несколько уступает
коррелятору, весовая функция которого совпадает
с видом исследуемого сигнала, по отношению с./ш.
Однако формы линий, получаемых при использовании
СУ и коррелятора, практически совпадают. Часто
используемый двухимпульсный интегратор (double-
boxcar) [1, 5, 6] дает ббльшую ширину липни и обла-
дает большим относительным уровнем шума. Кроме
того, использование СУ позволяет вычислить парамет-
ры одиночного центра из простого анализа формы
.типии, которая в этом случае является функцией одной
переменной в отличие от других упомянутых устройств,
где подобный анализ пе столь удобен [2, 10].
В настоящей работе описан универсальный ем-
костный спектрометр, который удовлетворяет вышеиз-
ложенным требованиям. Схема имеет чувствительность
NT/N не хуже 10-5 (как в режиме постоянного напря-
жения, так ив режиме постоянной емкости) при часто-
те в.ч.-сигнала, подаваемого на образец, 10 МГц, его
двойной амплитуде 150 мВ и емкости образца Со %
< 100 пФ. Собственное время восстановления <3 мкс.
Диапазон измеряемых тс — 10-1 н- 1 с, диапазон —
— 10 нс -> 1 мс. Система обратной связи, обеспечиваю-
щая режим постоянной емкости, имеет минимальное
время обработки ~10 мкс. Спектрометр имеет простой
способ калибровки и позволяет изменять частоту в.ч.-
сигнала.
Функциональная схема установки приведе-
на на рис. 1. В.ч.-сигнал амплитудой 500 мВ от
генератора Г\ через трансформатор Тр, предот-
вращающий влияние высокочастотных цепей
друг па друга, поступает на оба плеча моста.
Первое плечо состоит из аттенюатора Ао, ко-
торым устанавливается амплитуда в.ч.-сигна-
ла на образце, и самого образца — диода с
барьерной емкостью Со и объемным сопротив-
лением По либо м.о.п.-структуры. Во второе
плечо входят фазовращатель ФВХ и аттенюа-
тор с помощью которых балансируется
мост в точке Б. Отрицательное постоянное на-
пряжение смещения подается в точку А от ис-
точника ИС, отрицательный импульс — в точ-
ку Б от генератора Г2. Диод Дх предотвращает
шунтирование моста выходным сопротивлением
генератора. Напряжение разбаланса моста
усиливается широкополосными усилителями
.У, и У2, разделенными фильтром Фх либо Ф2
и согласующим повторителем Пе, и поступает
на фазочувствительный детектор ФД. Фаза
опорного сигнала детектора выставляется с по-
мощью фазовращателя ФВ2. Продетектирован-
пый сигнал через ключ К и усилитель низкой
частоты УНЧ поступает на синхронный усили-
тель СУ, с которого подается на вход Y двух-
коордипатного самописца Л К Д-004. На вход
X подается сигнал от датчика температуры ис-
следуемого образца, в качестве которого исполь-
зовался бескорпусный транзистор 2Т377А. Ге-
нератор Гя вырабатывает импульс запуска для
генератора и напряжение прямоугольной
формы для СУ, поступающее на фазорасщепи-
тель ФР. Его фронтом п спадом запускается
генератор управляющий ключом К, кото-
рый размыкает цепь сигнала в начале периода
на время восстановления после перегрузки за-
полняющим импульсом, а также в середине
периода. Стробирование в обоих полупериодах
повышает стабильность нуля выходного сиг-
нала спектрометра. Осциллограф О необхо-
дим для визуальной оценки баланса моста и
продетектированного низкочастотного сигнала.
Калибровка выходного сигнала спектромет-
ра па величину емкости, установка фазы опор-
ного сигнала ФД и подстройка схемы обрат-
ной связи происходят по сигналу модуляции
емкости образца. Для этого параллельно об-
разцу с помощью реле Р, управляемого от ге-
нератора Г5, периодически с частотой 20 4-
-т- 100 Гц подключается калибровочный конден-
сатор Ск = 1 пФ. Установкой фазы опорного
сигнала на максимум или па нулевое значение
сигнала модуляции емкости спектрометр на-
12 птэ, .v« з
177
Рис. 1. функциональная схема спектрометра. 1\ — ГЗ-112, Г2 — Г5-52, —
Г6-28. Гу - Г5-54, Гг, — ГЗ-102, УНЧ — У7-1; ч- М3 - К153УД2; Ту -КП303В,
Т., — КТ326Б, Т3 — КТ342В; Ду ч- Д3 — КД522А; Р — РЭС-55А, Тр — высокочас-
тотный трансформатор с числом витков nt = п2 = п3 — п.
Рис. 2. Широкополосный усилитель, Ту. Т2 — КТ368А,
Т3 - КТ363А, Ту - КТ316Б, Т3 — КТ375Б, Т6 —
КТ326В; Ду ч- Д3- КД522А
страивается на регистрацию соответственно ре-
активной или активной составляющей импе-
данса образца.
Рабочая частота в.ч.-сигнала спектрометра 1
или 10 МГц устанавливается с помощью пере-
ключателя фильтров Пу и соответствующей
подстройки частоты генератора Гу.
В режим постоянной емкости спектрометр
переводится с помощью переключателя П3
(переключатель Пу должен быть прп этом
в верхнем по схеме положении). При этом сиг-
пал с ФД через ключ поступает на блок с.о.с.,
формирующий сигнал обратной связи, который
подается на управляемый источник смещения
ИС, а также через УНЧ па СУ и далее па вход
Y самописца.
Широкополосный усилитель Уу (У2), рис. 2,
представляет собой несколько измененную схе-
му [11]. Расширение частотного диапазона
и уменьшение времени восстановления обеспе-
чено заменой генераторов тока безынерцион-
ными активными сопротивлениями небольшой
величины. Его параметры близки к параметрам
усилителя РАВ-115, использованного в [1]:
полоса пропускания 0 4- 50 МГц, время вос-
становления при 10-кратной перегрузке входа
100 нс, максимальная амплитуда неискажен-
ного синусоидального сигнала и отрицатель-
ных импульсов на выходе 500 мВ, коэффициент
усиления 10 па нагрузке 50 Ом.
Основу широкополосного фазовращателя
ФВу (ФВ2) составляет фазосдвигающая RC-
цепь (рис. 3). В качестве В используется управ-
ляемое напряжением (с помощью Ну) сопротив-
ление канала полевого транзистора Т ь. Исполь-
зование высокочастотных транзисторов с не-
большими емкостями, сведение к минимуму
выходных сопротивлений источников противо-
фазных напряжений (Т3, Ту) и обеспечение
178
Рис.З. Широкополосный фазовращатель. 1\. Т,— К159НТ1В. Т3, Т4, Г10 -н Т.„, Туъ,
Г16, Ti3 - КТ326Б ,ТЪ, Т- - KII303E, Т3.'Т3, Tt, Т13, Ги, Т17 - КТ375Б.*#! -.- Д, — КД522Л
высокого входного сопротивления следующего
каскада (Г-) позволили в интервале частот
1 4- 10 МГц получить диапазоны плавного из-
менения фазы сигнала 5 4- 175° и 185 4- 355°
(определяются положением переключателя 772).
При этом изменения амплитуды выходного сиг-
нала составляют <5% (сводятся к минимуму
регулировкой /?2). Максимальная амплитуда
входного сигнала 500 мВ, коэффициент пере-
дачи I.
Аттенюаторы А, и Ло (рис. 3) построены
сходным образом и позволяют регулировать
амплитуду сигнала от максимальной до пуля
(/?з)-
Фазочувствительный детектор ФД (рис. 4)
представляет собой аналоговый перемножитель
Рис. 4. Фазочувствительный детектор. М2 —
К544УД1А; Т\, Т2 - К504НТЗВ, 7’3 - КП103Ж; Д3 —
КС156А, Дг, Д3 -< КС133А
сигнала разбаланса моста Ua и опорного сиг-
нала Uon- В приближении квадратичной за-
висимости тока стока от напряжения затвор —
исток полевого транзистора выходной сигнал
ил дифференциального каскада 7\, Т2 состоит
из двух слагаемых, пропорциональных Ua
и U(iUon, при амплитудах U& и Uon от нуля
до напряжения постоянного смещения затвор —
исток Ту и Тя (2,5 и 0,5 В соответственно в на-
шем случае). Благодаря линейности Ua отно-
сительно UaUon предотвращаются искажения
DLTS-спектра при значительных разбалансах
моста, возникающих при температурном ска-
нировании,— недостаток, присущий подобным
устройствам с перемножителями на биполяр-
ных транзисторах и диодах. С помощью Вх
устанавливается нуль на выходе ФД при балан-
се моста.
Синхронный усилитель СУ выполнен на
части схемы серийного прибора У2-8. Синусои-
дальная весовая функция для частот следова-
ния заполняющих импульсов 20 Гц реали-
зуется при предварительном выделении первой
гармоники из сигнала релаксации емкости об-
разца с помощью селективного тракта У2-8.
Весовая функция в форме меандра получается
при непосредственной подаче исследуемого
сигнала па истоки транзисторов Т 3 и Тв (см.
схему фазового детектора У2-8). На затворы
Тп, Т- и Тъ, Ts в обоих случаях от фазорасще-
пителя подаются прямоугольные напряжения
0 4—f-5 В с фазой 0° и 180°. Полоса рабочих
частот во втором варианте интегрирования оп-
ределяется лишь постоянной времени интегра-
тора, которая может устанавливаться в преде-
лах 0,1 4- 10 с. При этом усилительный тракт
12* 179
У2-8 в широкополосном режиме может исполь-
зоваться в качестве УНЧ. (Следует отметить,
что форма DLTS-линии и положение ее макси-
мума несколько отличаются для двух указан-
ных выше режимов работы [9]. В селективном
режиме тСШах = 0,4257, в широкополосном
Тешах = 0,3987’, где Т — период следования
заполняющих импульсов.)
Система обратной связи (рис. 5) представ-
ляет собой пропорционально (.1/в)-интеграль-
но (М4)-дифференциальный (Л/2) регулятор
(п.и.д.-регулятор). Описание работы и настрой-
ки п.п.д.-регуляторов можно найти в [12].
В данном случае регулятор настраивается при
периодическом подключении калибровочного
конденсатора Ск по отсутствию сигнала на вы-
ходе ФД.
Управляемый источник смещения состоит
из температурно-независимого источника опор-
ного напряжения +1,2 В (Мв, М7) [12] и широ-
кополосного суммирующего усилителя (7ИЭ).
Напряжение постоянного смещения на образце
регулируется потенциометром /?в в пределах
0 4---13 В и измеряется цифровым вольтмет-
ром V.
Пульсации общих источников питания
+10 В и +15 В должны быть 0,1 мВ.
Установка с 1984 г. эксплуатируется в
НИИФ ЛГУ и характеризуется надежной ра-
ботой.
ЛИТЕРА ТУРА
1. LangD.V.U J. Appl. Phys. 1974. V. 45. №7.
Р. 3014.
2. Miller G. L., Lang D. V., Kimerling L. C.H Ann.
Rev. Mater. Sci. 1977. P. 377.
3. Breitenstein O. // Phys. St. Sol. 1982. V. 71a. P. 159.
4. Золотухин M. IIКведерВ.В., Осипъян IO. A. I!
ЖЭТФ. T. 82. № 6. C. 206.
5. Шаймеев С. С. // ПТЭ, 1985. № 1. C. 175.
6. Самойлов В. A Принц В. Я. И ПТЭ. 1985. № 5.
С. 178.
7. Пузин И. Б. И ПТЭ. 1983. № 4. С. 155.
8. Берман Л. С., Лебедев А. А. Емкостная спектро-
скопия глубоких центров в полупроводниках. Л.:
Наука, 1981. С. 39.
9. Miller G.L., Ramirez J. V., Robinson D. А. Н. II
J. Appl. Phys. 1975. V. 46. № 6. P. 2638.
10. Васильев A . В., Смагулова С. А., Шаймеев С. C. //
Физика n техника полупроводников. 1983. № 17.
С. 162.
11. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. М.:
Сов. радио, 1979. С. 142.
12. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотех-
ника. М.: Мир, 1982.
Ленинградский госуниверситет
Поступила в редакцию 8.1.1986
180
УДК 621.317.733.3 + 621.062.8
ПТЭ № 3, 1987
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРОВ
ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ
ПУЗИН И. Б., ХОРУНЖИЙ л. и.
Описан высокоточный быстродействующий измеритель емкости на основе 2Т-мо-
ста, предназначенный для исследования быстропротекающей (до 1 мкс) релаксации ем-
кости полупроводниковых диодных структур. Проведен теоретический анализ и рас-
чет условий, при которых достигается максимальное быстродействие измерителя с уче-
том сохранения его высокой точности.
При исследовании примесей и дефектов, соз-
дающих глубокие уровни в запрещенной зоне
полупроводника, широко применяют метод ем-
костной спектроскопии DLTS [1, 21. Важным
компонентом DLTS-спектрометров, опреде-
ляющим их точность и быстродействие, являет-
ся измеритель емкости. Для этой цели приме-
няют трансформаторные мосты (например, [3 4-
4- 51) и их разновидности [6, 7], мосты на ос-
нове операционных усилителей [8], а также мо-
сты, аналогичные используемому в установке
Ланга (2). Последние содержат два плеча: од-
но — исследуемый образец, а второе — после-
довательно соединенные аттенюатор и фазо-
вращатель для балансировки схемы. В [9]
для измерения емкости использованы настраи-
ваемые в резонанс LC-контуры.
Трансформаторные мосты при относительно
высокой точности измерений и быстродействии
порядка десятков микросекунд для перекры-
тия широкого диапазона длительностей импуль-
сов инжекции требуют набора импульсных
трансформаторов [10], что усложняет реали-
зацию DLTS-системы. Примерно такие же точ-
ность и быстродействие обеспечивают измери-
тели па операционных усилителях [8]. Мосты
же, подобные описанному в [2], не имеют калиб-
ровки, а амплитуда их выходного сигнала за-
висит от емкости исследуемого образца [10].
Из перечисленных измерителей максимальной
точностью обладает измеритель на LC-конту-
рах [9], но он может работать лишь со струк-
турами, емкость которых пе превышает суммы
входной емкости усилителя и паразитной емко-
сти монтажа (обычно 304-40 пФ), а быстродей-
ствие ограничено тем, что высокая чувствитель-
ность восстанавливается только через 10 4-
4- 20 мкс после подачп импульса инжекции.
Измеритель емкости па основе 2Т-моста
с амплитудным и фазовым балансом обеспечи-
вает наиболее высокую точность измерения
емкости [11, 12], чему способствует также то
обстоятельство, что элементами моста являются
малошумящие воздушные конденсаторы [12].
Однако до сих пор такой мост применялся толь-
ко для исследований статической (медленно
меняющейся) емкости полупроводниковых при-
боров, так как он не мог работать в динамичес-
ком режиме из-за присущих ему конструктив-
ных особенностей, рассматриваемых ниже.
В настоящей работе описываются возможно-
сти применения 2Т-моста для исследования бы-
стро (~ 1 мкс) изменяющейся емкости с сохра-
нением присущей ему высокий точности изме-
рения.
Для повышения быстродействия 2Т-моста
в его схему введены быстродействующие элект-
ронные ключи 4- К3 и сопротивление К3
(рис. 1, а) [13]. Ключи Ку и К2 формируют им-
пульсы инжекции, подаваемые на исследуемую
полупроводниковую структуру, а ключ К3
и сопротивление 7?3 позволяют исключить влия-
ние переходных процессов в параллельном ко-
лебательном контуре LC3 на процесс измере-
ния. Благодаря ключу К2 возможна подача
инжектирующих импульсов любой требуемой
длительности не от генератора импульсов, как
делается практически во всех существующих
DLTS-системах, а используя второй источник
постоянного положительного напряжения. При
этом существенно уменьшаются искажения
формы импульса, наблюдающиеся при отсут-
ствии согласования выходного сопротивления
генератора и сопротивления нагрузки, и отпа-
дает необходимость применения импульсных
трансформаторов. Для перекрытия широкого
диапазона длительностей импульсов инжек-
ции используется счетчик 1 па триггерах, вхо-
дящий в состав специально разработанного
блока управления DLTS-спектрометром2. Он
управляет ключами 4- К3 и осуществляет
их коммутацию по приходу каждого заданного
тг;-го положительного полупериода зондирую-
щего в.ч.-напряжеппя, подаваемого на 2Т-
мост для измерения емкости. Счетчик позволяет
выбрать период подачи импульсов инжекции,
их длительность и обеспечивает жесткую син-
хронизацию всего DLTS-спектрометра.
1 Вместо счетчика можно использовать три син-
хронизированных генератора импульсов или два гене-
ратора Г5-60.
2 Устройство блока управления и счетчика будет
описано в отдельной работе.
181
б
блока электронных ключей (б). Тх -> 7'6 — КП3057К; Ду ч-
- Д8 - КД514А
Работа моста в динамическом режиме осуще-
ствляется коммутацией ключей в соответствии
с временными диаграммами, приведенными на
рис. 2. Размыканием ключа 7i\ образец отклю-
чается от 2Т-моста. При этом конденсаторы С3
и Сбл остаются под тем же постоянным потен-
циалом Uy, но по высокой частоте баланс мо-
ста нарушается. Через время Тх замыкается
ключ К2, и на образец в течение времени ти
подается постоянное положительное напряже-
ние U2, т. е. импульс инжекции, который за-
полняет глубокие уровни электронами или дыр-
ками. Это приводит к изменению емкости Сх
исследуемого образца. Затем ключ К2 размы-
кается и через время 7'2 опять замыкается ключ
Ку. Наличие ключей Ку и К2 позволяет обой-
тись без запирания (па время подачи импульса
инжекции) усилителя, стоящего на выходе 2Т-
моста. Одновременно с замыканием ключа Ку
замыкается ключ К3, подключающий на время
Т3 сопротивление R3 соответствующей величи-
Рис. 2. Временные диаграммы подаваемых на 2Т-мост
напряжений в динамическом режиме измерения ем-
кости
ны к контуру LC3. В результате добротность
контура резко падает и амплитуда собственных
колебаний, возникающих в нем вследствие пере-
пада напряжений на емкостях Сх и С3 после
окончания импульса инжекции, успевает на-
столько уменьшиться за время Т3, что стано-
вится возможным наблюдение процесса релак-
сации исследуемой емкости Сх.
Следует отметить, что именно отключение
образца от контура ЛС3па время подачи импуль-
са инжекции обеспечивает высокие быстродей-
ствие и точность измерителя, так как, во-пер-
вых, баланс моста нарушается лишь по высокой
частоте, а во-вторых, возмущение, вносимое
в контур при повторном подключении образца
после окончания импульса инжекции, мало.
Оно обусловлено лишь изменением заряда глу-
боких центров, число которых обычно незна-
чительно, поэтому отклонение приращения ем-
кости ДС от равновесного значения Со неве-
лико и мост постоянно находится в состоянии,
близком к состоянию максимальной чувстви-
тельности. Возникшее же незначительное воз-
мущение устраняется с помощью ключа К3
и /?3.
Описанный способ подачи импульса инжек-
ции после отключения образца от измерителя
позволит повысить точность и быстродействие
не только 2Т-моста, но и измерителей других
типов.
Так как наиболее информативным являет-
ся начальный участок процесса релаксации,
то приведем примерный расчет параметров 2Т-
моста, обеспечивающих быстрое затухание пе-
реходного процесса в контуре LC3. Прп К <
< (L/C)'процесс затухания является колеба-
тельным и описывается известным выражением
U = Um ехр (—РО sin (Myt + <р), (1)
где Um = Uy + U2, Р = Яэ/(2£) — коэффи-
циент затухания, Яэ = р2/Я3 — эквивалент-
ное сопротивление параллельного контура,
р = (L/C3)x,t — волновое сопротивление, (щ =
= [1/(LC3) — R3/(\L-)\'!'- — угловая частота соб-
182
ственных колебаний (со, < <оо), ср — начальная
фаза, t — время, L\ и V*— постоянные напря-
жения отрицательного и положительного сме-
щений.
Пусть ит = 10 В, а минимальное значение
полезного сигнала Ua, обусловленное чувст-
вительностью усилителя, стоящего на выходе
2Т-моста, 1 мкВ. Подставляя эти значения
в (1), получим (ЗУз = 16, где Т3 — время, не-
обходимое для восстановления (после оконча-
ния импульса инжекции) высокой чувствитель-
ности 2Т-моста. Известно, что для точной пере-
дачи формы импульсного сигнала при ампли-
тудной модуляции необходимо, чтобы длитель-
ность импульса была порядка ти ~ 20 л/со,
где со — частота зондирующего сигнала. Учи-
тывая, что 2Т-мост работает па частоте со0,
и потребовав, чтобы уменьшение амплитуды
переходного процесса (в нашем случае — соб-
ственных колебаний в контуре) произошло за
время 7’3 20л'<оо — rmin (положив, напри-
мер, Т3 = Tmin/10), получим
П3 = 2л/(32сооС3). (2)
Из общих соображений времена коммутации
tK ключей 4- К3 должны быть значительно
меньшими времени Т3. Полагая, что все ключи
имеют одинаковое tK = 7’3/10, для надежной
работы схемы достаточно выполнения условия
7| = 7\, = 27’3/10. Кроме того, ключи, имею-
щие время коммутации tK, могут формировать
импульсы инжекции длительностью ти 10tK =
7’3. Например, при соо 2л = 10 МГц, С3 =
= 300 пФ получим £,> = 10 нс, 7\ = 7’2 =
= 20 нс, Т3 = 100 нс, тя 100 нс, Tmjn =
= 1,0 мкс, Н3 10 Ом.
Для исследования более быстрых процес-
сов релаксации емкости нужно повышать w0
и использовать ключи с меньшим tK. Однако
в первом случае уменьшается максимальная
величина измеряемой емкости Сх, а практи-
ческая реализация электронных ключей с ZK
10 нс представляет собой сложную техни-
ческую задачу. Следует отметить, что критерий
выбора Tmin остается справедливым и для лю-
бого другого измерителя, а указанное быстро-
действие может быть реализовано лишь посред-
ством быстродействующих электронных клю-
чей. Для построения последних авторы приме-
нили несколько видоизмененную по сравнению
с [14, 151 схему ключей (рис. 1, б), на отобран-
ных транзисторах КП305Ж. Здесь в качестве
сопротивления В3 выступает сопротивление
параллельно соединенных транзисторов Т ъ 4-
4- 7’6. Ключи обеспечили получение импульсов
с минимальной длительностью ~ 100 нс, с
фронтами tK 20 пс. Ключи были собраны
в отдельном латунном корпусе размером 40 X
X 30 X 20 мм3 и с помощью высокочастотных
разъемов включались между выходом 21-мо-
ста (точки В, Г на рис. 1, а) и исследуемым об-
разцом Ух (точкиЛ, Б на рис. 1, а). При таком
подключении пе требуется изменений в кон-
струкции моста, и он может использоваться для
исследования полупроводниковых приборов
другими емкостными методами [12), что легко
осуществить, закоротив блок ключей.
Авторы благодарны профессору М. К. Шейнк-
ману за постоянный интерес к работе.
ЛИ ТЕР А ТУРА
1. Берман Л. С., Лебедев А. А. Емкостная спектро-
скопия глубоких центров в полупроводниках. Л.:
Наука, 1981.
2. Lang Т). V. И J. Appl. Pliys. 1974. V. 45. №7.
Р. 3023.
3. Sexton F. W., Brown И7. D. // IEEE Trans. 1981.
V. IM-30. № 3. P. 186.
4. Guldberg J. H J. of Phys. E: Sci. Instrum. 1977.
V. 10. P. 1016.
5. //ринц В. Я., Булатецкий К. Г. // ПТЭ. 1979. № 4.
С. 255.
6. Misrashi S., Peaker А. В.. Hamilton В. // J. of Phys.
Е: Sci. Instrum. 1980. V. 13. Р. 1055.
7. IIономарев А . II., Александров А . Л.. Ждан А . Г
Лушников //. А. // ПТЭ. 1981. As 6. С. 94.
8. Breitenstein О. .7 Exper. Technik tier Physik. 1979.
В. 27. № 2. S. 309.
9. Breitenstein О. П Phys. Stat. Sol. (a). 1982. V. 71.
№ 1. P. 159.
10. Lang D. V. // Topics in Appl. Phys. 1977. V. 37.
P. 93.
11. Нестеренко A . Д. Основы расчета электроизмери-
тельных схем уравновешивания. Киев: Изд-во
АН УССР, I960.'
12. Пузин И. Б. // ПТЭ. 1983. № 4. С. 155.
1.3. Пузин И. Б., Хорунжий А. И. А. с. 1196784 СССР
// Б. И. 1985. № 45.
14. Пудалов В. М. // ПТЭ. 1976. № 1. С. 118.
15. Лаврушев А . И.. Соболев А. II. // ПТЭ. 1980. Ае 6.
С. 106.
Институт полупроводников АН УССР. Киев
Поступила в редакцию 24.IV.1985
(После переработки 18.VIII.1986)
183
УДК 621.317.7.620.179.14
ПТЭ № 3, 1987
ПАНОРАМНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НАКОПЛЕНИЯ
И РЕЛАКСАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ
ПРОНИН в. и.
Описан прибор, позволяющий экспрессно, с наблюдением на экране осциллографа,
оценить распределение заряда слоя вдоль траектории сканирования с разрешением
10 мм ’. Он позволяет исследовать релаксацию заряда в слоях на гибкой основе
при различных температурных режимах, а также изучать особенности электризации
слоев в поле коронного разряда.
Известно несколько модификаций устройств,
предназначенных для исследования микрорас-
пределения заряда [1 4- 3], в основу которых
положено явление электростатической индук-
ции. Они сравнительно просты и надежны в ра-
боте, позволяют получить с помощью микро-
зондов достаточно высокую чувствительность
по заряду 10~6 4- 10-7 Кл/м2 при линейном раз-
решении 10 4- 20 мм-1. Для панорамных ис-
следований наиболее перспективны устройства
с продольным сканированием [3]. Ниже крат-
ко рассмотрены особенности одного из таких
приборов, предназначенного для исследова-
ния диэлектрических и полупроводниковых
слоев при различных температурах и напряже-
ниях электризации.
Основные теоретические соображения по
измерению поверхностного распределения за-
ряда рассмотрены в [4|. При наличии в области
измерений квазистатического поля и объем-
ных зарядов сделано обобщение в [5], что поз-
волило рассматривать подобные задачи в каче-
ственно новом плане — одновременном опре-
делении заряда и параметров слоя.
Функциональная схема разработанного
прибора показана па рис. 1. Заряд, индуциро-
ванный па сигнальном электроде 53 зонда 1,
обусловленный действием поверхностных заря-
дов слоя 3 о (х, у, t) и квазистатического элект-
рического поля, возбуждаемого с помощью про-
водящего слоя 4, расположенного на диэлект-
рической основе 5, определяется соотношением
9 = 4 + ? = о (Sa) Ф (So) dSa 4-
S<7
+'" (й
S'
u
где Sa — поверхность слоя с плотностью за-
ряда а; Ф (х, у, z) — потенциал в системе,
удовлетворяющий уравнению Лапласа, рав-
ный единице па электроде 53 и нулю па осталь-
ных электродах системы; й — переменное на-
пряжение, подаваемое от генератора; S- —
поверхность электрода, возбуждающего квази-
статическое поле.
С учетом коэффициентов передачи но заряду
Ка и по потенциалу Kv индуцированный заряд
записывается следующим образом
q = Кпа (х, у) + К- й. (2)
Коэффициенты Ко и К~ для зондов различной
конструкции могут быть определены с учетом
результатов работы Гб].
Для большинства практических случаев
оказывается достаточным использовать коэф-
фициенты передачи по постоянным составляю-
щим, поэтому для рассматриваемой системы
выражение (2) имеет вид
q — Каа + Кч/ = н + eh + д+ eti > (• )
где II и е — толщина и диэлектрическая прони-
цаемость слоя, h — расстояние от торца зонда
до поверхности слоя.
Если и — U sin £lt, то при использовании
предварнтальпого усилителя ПрУ с входной
емкостью С с учетом емкости зонда, предпола-
гая е и о функциями одной пространственной
координаты, например х, для напряжения,
действующего па входе осциллографа, получим
ЯУаКу1о (г, 0
U1— СДЯ + е(.г)Л]
8 (.Г) 80У3А'у.,
С [II — s (х) Л]
U sin QZ,
0)
где Kyi и Ку, — коэффициенты передачи уси-
лительных трактов, а (х, I) и е (х) — усред-
ненные по области зондирования величины.
В случае низкого входного сопротивления
усилителя при измерении тока имеем
II S„PU..KV,
и., — —щ— >' grad о (х, t) +
2 II -|- е (х) h ” ' ’ 1
8 (х) eaS„Rn..K..., _ _
+ ~ и UQ- cos QZ, (5)
Н л- g (z) h ' ’
где v — скорость относительного перемещения
зонда и слоя. При постоянных значениях 8Я,
К, С, h, U, RBK, Ку индуцированные напряже-
ния зависят от распределения плотности заря-
да и диэлектрической проницаемости слоя.
Электризация исследуемых образцов в поле
коронного разряда осуществляется с помощью
игольчатого зонда, высоковольтного источника
184
Рис. J. Функциональная схема прибора. 1 — считы”
вающий зонд, 2 — коропирующий зонд, 3 — исследуе
мый слой, 4 — проводящая подложка, 5 — основа слоя-
ПрУ — предварительный усилитель, ДУ — диффе-
ренцирующий усилитель, ПУ — полосовой усилитель,
Ос — осциллограф, СС — система синхронизации раз-
вертки осциллографа, II — нагреватель образца, тест
и датчик температуры направляющей, ГИН — генера-
тор переменного напряжения, БРТ — блок измерения
и регулирования температуры, БПО — блок перемеще-
ний образца, ИII — управляемый источник высокого
напряжения, ДЗ — дозатор зарядки
Рис. 2. Электрическая схема усилителей (а), блока вы-
сокого напряжения (б), систем коммутации и управле-
ния (в). Л/„ — К140УД8Б, М3—К561ЛН2;
У. — КПЗОЗА. 7’2 — КТ3107Л, Тя — КТ3102Б, —
КП103И, Т5—КТ829А; Дj -е- Д3 - Д9Б, Д, -
КУ202Т1; УН — умножительпапряжения УН-7,5/20-0,2,
Тр — трансформатор строчный ТВС-90ЛЦ, РР —
реле времени Миг-2, ЛИ — лампа накаливания 220 В,
25 Вт, II — нагреватель, ДТ — датчик температуры
постоянного напряжения (5 4-15 кВ) и доза-
тора зарядки.
Принципиальная электрическая схема при-
бора приведена на рис. 2. Он состоит из усили-
телей с фильтрами, схемы формирования вы-
сокого напряжения с дозатором зарядки и
коммутационно-измерительной системы с нагре-
вателем образца, тестовой структурой и гене-
ратором переменного напряжения.
Входное сопротивление усилителя 10” 4-
4- 10й Ом, а общая емкость (включая собствен-
ную емкость зонда) 10 пФ. Коэффициент пред-
варительного усиления 30, полоса частот
0,5 4- 5-105 Гц. Коэффициент передачи капала
усиления переменного напряжения на несущей
частоте 200 кГц равен 30 (полоса пропускания
10 кГц), а коэффициент передачи канала, осу-
ществляющего дифференцирование входного
сигнала с подавлением напряжения на частоте
200 кГц, составляет 20.
Высоковольтный источник питания собран
по схеме контура ударного возбуждения, об-
разованного первичной обмоткой высоковольт-
ного трансформатора Т ВС-90 ЛЦ (30 витков
провода ПЭЛ, ф 0,5 мм), конденсатором и
тиристором КУ20211. Вторичная обмотка тран-
сформатора нагружена на умножитель на-
пряжения УН-7,5 20-0.2. Источник обеспечивает
получение напряжений в пределах 5 4- 15 кВ с
регулируемой длительностью коропирования.
Коммутационно-измерительная схема обес-
печивает управление работой элементов при-
бора и контроль основных параметров: высоко-
го напряжения, температуры нагревателя, вы-
ходного напряжения генератора переменного
напряжения, выходного напряжения й усили-
теля канала. Направляющая образца, образо-
ванная бифилярной намоткой константанового
и никелевого проводников одинакового диаме-
тра, позволяет осуществлять нагрев образца
и измерение его температуры, контроль рас-
стояния от зонда до направляющей, контроль
разрешающей способности зонда, юстировку
направляющей относительно плоскости траек-
тории перемещения зонда.
Блок индикации температуры и напряжений
построен на базе микроамперметра с током
полного отклонения 50 мкА. В качестве датчика
температуры используется никелевый провод-
ник, который включен в мостовую схему изме-
рений. откалиброванную по двум точкам шкалы
в градусах Цельсия. Константановый провод-
ник используется в качестве нагревателя.
Прибор выполнен в виде одного блока, на
верхней панели которого расположены скани-
рующий узел и узел размещения образца.
Сканирующее устройство состоит из штанги,
на которой диаметрально расположены коро-
нирующий и считывающий зонды. Она закреп-
185
Рис. 3. Распределение заряда и его градиента вдоль
одной из траекторий зонда ч> 50 мкм над термопласти-
ческим слоем через 1 с после электризации в поле ко-
ронного разряда при напряжении 10 кВ (цена деления
по вертикали 0,1 В, по горизонтали 2,5 мм)
лена на валу с конусными подшипниками
скольжения. Со стороны считывающего зонда
в штанге расположен предварительный усили-
тель, подключенный к блоку питания и каналь-
ным усилителям схемы через скользящие кон-
такты. Питание коронирующего зонда осу-
ществляется через высоковольтный проводник,
пропущенный через осевое отверстие в валу
п скользящий контакт. Такая конструкция
позволила исключить влияние работы зарядной
цепи па измерительные системы и обеспечила
возможность исследования кинетики зарядных
процессов. На валу расположен также шкив
привода и устройство, вырабатывающее им-
пульсы для синхронизации развертки осцилло-
графа. Частота вращения вала 5 Гц, линейная
скорость перемещения зондов 3 м/с.
Узел размещения образца состоит из корпу-
са и двух роликов, один из которых снабжен
фрикционом и ручкой с отсчетным устройством,
а внутри другого помещена спиральная пружи-
на. На роликах закреплены диэлектрические
ленты с зажимами для исследуемого образца,
который под действием спиральной пружины
слегка растягивается и плотно прилегает к на-
правляющей, расположенной между роликами
па траектории зондов и укрепленной через
фторопластовую обойму па подвижном верти-
кальном штоке. Шток через рычаг связан с ми-
крометрическим винтом и шкалой, обеспечи-
вающими точную регулировку расстояния меж-
ду торцом зонда и поверхностью слоя.
Считывающий зонд представляет собой
изолированный медный проводник ф 30 ч-
Ч- 100 мкм, укрепленный проводящим клеем
в капиллярном металлическом канале ф 150 мкм.
Торцы проводника и капилляра отполированы,
а другой конец проводника припаян к выводно-
му контакту, закрепленному на конусной фто-
ропластовой втулке в корпусе капилляра.
Сигнал, пропорциональный распределению
заряда или его градиенту вдоль траектории
сканирования, выводится па экран осцилло-
графа, развертка которого синхронизирована
с работой узла сканирования. Вид сигнала
в обоих режимах работы прибора на одной
и той же траектории сканирования показан
на рис. 3.
Прибор предназначен для исследования про-
цессов накопления и релаксации зарядов и
обусловленных ими потенциалов, а также
для исследования микрораспределений электри-
ческих свойств диэлектрических и высокоомных
полупроводниковых слоев толщиной от единиц
микрон до единиц миллиметра. Он обеспечи-
вает чувствительность по заряду 10-7 Кл/м2 для
2 е 7 при линейной разрешающей способ-
ности на уровне 0,5 не хуже 10 мм-1 и расстоя-
нии между зондом и поверхностью слоя 20 Ч-
Ч- 30 мкм; нагрев образца в пределах 40 ч-
Ч~ 100 С; время получения информации об
исследуемом распределении на одной траекто-
рии длиной 20 мм — 0,01 с; напряжение на
коронирующем электроде при электризации
исследуемых образцов 5 Ч- 15 кВ.
ЛИТЕРА ТУРА
1. ScruttonB., BlottB.H J. Phvs. E. Sci. lustrum.
1973. V. 6. № 5. P. 472.
2. Сакалаускас C. 10., Добровольские A. T. //ПТЭ,
1978. № 6. C. 165.
3. Арсентьев IO. Д., Грищенко В. ЛМарцинкяви-
чус В. А. и др. И Дефектоскопия. 1981. № 5. С. 79.
4. Матвеева И. А., Пронин В. П., Шехтман Л. А. И
ЖТФ. 1977. Т. 47. № 7. С. 1389.
5. Пронин В. П. // ЖТФ. 1984. Т. 54. № 8. С. 1479.
6. Матвеева И. А .И Радиотехника и электроника.
1982. № 4. С. 804.
Саратовский сельскохозяйственный институт
Поступила в редакцию 27.11.1986
186
УДК 621.317.733.011.4
ПТЭ № 3. 1987
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ М. Д. И.-СТРУКТУРЫ
С КОМПЕНСАЦИЕЙ ВЛИЯНИЯ ЕМКОСТИ ДИЭЛЕКТРИКА
ЧАЙКОВСКИЙ В. м.
Описана схема для измерения параметров м.д.п.-структуры при возбуждении ее
импульсным сигналом малой амплитуды. Измерения проводятся в режиме компенсации
емкости диэлектрика. Схема обеспечивает измерение емкости полупроводника в преде-
лах 2 -т- 2000 пФ при изменениях емкости диэлектрика от 5 до 500 пф и постоянной вре-
мени перезаряда поверхностных состояний от 30 до 300 мкс с приведенной погрешностью
±3%.
Характеристики переходного процесса, про-
текающего в схеме измерения при подаче на
м.д.п.-структуру импульсного напряжения пря-
моугольной формы, несут информацию о пара-
метрах м.д.п.-структуры [1|. При воздействии
на м.д.п.-структуру импульсным напряжением
реакция последней может быть представлена
четырехэлементной схемой замещения (рис. 1)
|2|. позволяющей учесть емкость диэлектрика
С’д. емкость полупроводника С( и учесть релак-
сацию заряда в м.д.п.-структуре, характери-
зуемую постоянной времени перезаряда по-
верхностных состояний RC2. Постоянная вре-
мени может изменяться в широких пределах.
Частоту повторения/0 воздействия необходимо
выбирать такой, чтобы к моменту окончания
воздействия наиболее продолжительный пере-
ходный процесс успевал закончиться.
Практика измерений показывает, что при
оценке релаксационных свойств м.д.п.-струк-
туры наибольшее влияние на процесс перезаряда
оказывают в основном «быстрые» состояния
с постоянной времени перезаряда 10~4-?
-у Ю"7 с [3). Исходя из этого достаточно, чтобы
/0 < 500 Гц.
Предлагаемый метод измерения реализован
в устройстве [4|, отличительной особенностью
которого является организация режима из-
мерения параметров м.д.п.-структуры на им-
пульсном сигнале с компенсацией влияния
емкости диэлектрика.
Схема измерения (рис. 2) содержит масшта-
бирующие преобразователи МП(, МП2 и актив-
ный преобразователь на операционном усили-
теле ОУ, в цепь обратной связи которого вклю-
чен опорный конденсатор Со.
Влияние Ся компенсируется в режиме Из-
мерение благодаря действию положительной
обратной связи (и.о.с.), замыкаемой через
МПг. Через этот же преобразователь на м.д.п,-
структуру поступает напряжение измеритель-
ного сигнала Uo (/). Коэффициент передачи
и.о.с. определяется равенством R R' = С0/Сд.
Выполнение этого условия, т. е. установка
соответствующего значения R', осуществляет-
ся в режиме Установка. В этом режиме уста-
навливается такое напряжение смещения м.д.н,-
структуры, при котором она переходит в состоя-
ние обогащения, когда С{ Сл [21. При этом
напряжение £7„ (f) поступает па м.д.п.-струк-
туру через МПХ. Выполнение требуемого ра-
венства фиксируется в момент равенства нулю
выходного напряжения вспомогательного сум-
матора, т. е. At/ (0 = 0.
Схема измерения активного преобразователя
выполнена по двухкаскадной схеме па микро-
схемах М3 и Mt (рис. 3), причем Л/3 включена
в режиме повторителя напряжения, а М2 —
в режиме дифференциатора с большой постоян-
ной времени. Такое включение позволяет орга-
низовать устойчивую обратную связь по по-
стоянному току для каждого каскада при од-
новременном значительном снижении ее влия-
ния па процесс преобразования.
Исследования показали, что для приближе-
ния передаточной функции к идеальной необ-
ходимо одновременно увеличивать /?п и умень-
шать сопротивление во входной цепи
Поэтому при работе с импульсным сигналом
Рис. 1. Схема замещения м.д.п.-структуры
Рис. 2. Состав схемы измерения
187
Рис. 3. Принципиальная реализация схемы измерения. ЛЦ + ЛЦ — К544УД2; Ц, Г3. Тъ — КТЗЫ,
Т2, Т4, Т
предпочтительно включение Л/4 в режиме диф-
ференциатора с большой постоянной времени.
Масштабные преобразователи МГЦ и МГЦ
реализованы соответственно на микросхемах
Л/] и М2. Основное требование, предъявляемое
к ним,— обеспечение равенства их коэффи-
циентов передачи для напряжения Uo (Z), что
достигается использованием точных резисторов
ГЦ, ГЦ и Л5, ГЦ (С5-25Т). Для точной подгонки
коэффициентов передачи в МГЦ введен под-
строечный резистор 7?ni-
Коэффициент передачи и.о.с. устанавливает-
ся при помощи У?п4 «Грубо» и 7?по «Точно».
Последний резистор представляет собой мно-
гооборотное сопротивление СП5-39Б.
Цепь п.о.с. замыкается контактами реле
КР. Резисторы КП1 и Rni должны иметь малую
«паразитную» индуктивность. Этому требова-
нию удовлетворяет резистор СП1-А, исполь-
зуемый в качестве /?п1. Для уменьшения влия-
ния индуктивности проволочного переменного
резистора /?Пз параллельно ему включен кон-
денсатор, емкость которого подбирается экс-
периментально.
Для облегчения режима работы на изменяю-
щуюся в широких пределах емкостную нагруз-
ку, которой является м.д.п.-структура, мощ-
ность выходов микросхем Му и Л/2 увеличена
повторителями напряжения Ту, Т2 и Т 3, Т4.
— КТ315
Для устранения перегрузки напряжением сме-
щения выходов Му и М2, которое подается на
м.п.д.-структуру через резистор /?13, исполь-
зуются разделительные конденсаторы С3 и СЦ.
Для исключения сетевых помех при сборке
схемы необходимо особое внимание уделить
качеству монтажа, расположению элементов и
длине проводников, а также развязке по пита-
нию каждого каскада путем введения местной
параметрической стабилизации. Необходима
также полная экранировка схемы и зондового
устройства, осуществляющего контактирова-
ние с м.д.п.-структурой. Желательно разме-
стить схему непосредственно под экраном зон-
дового устройства.
О технических возможностях измерительной
схемы можно судить по результатам метрологи-
ческой оценки устройства 14]. в котором она
использовалась. Последняя проводилась па
модели м.д.п.-структуры, собранной из дискрет-
ных элементов по четырехэлементной схеме.
Были получены следующие характеристики:
диапазон измерения емкости полупроводника
2 ч- 2000 пФ прп изменении емкости диэлек-
трика от 5 до 500 пФ и постоянной времени
перезаряда поверхностных состояний от 30
до 300 мкс. Приведенная погрешность измере-
ния емкости полупроводника 4-3%.
188
Рис. 4. С — Г-характеристикп м.д.п.-структуры: 1 —
измерена обычным способом. 2 — измерена с помощью
описанной схемы (характеристика показывает измене-
ние только емкости полупроводника)
В заключение необходимо подчеркнуть, что
использование описанной схемы измерения,
позволяющей фиксировать в виде С — Г-ха-
рактеристики непосредственно характер изме-
нения емкости полупроводника, упрощает из-
мерения и делает их более экспрессными по
сравнению с традиционным методом получения
С — У-характеристики [5], где фактически из-
меряется зависимость полной емкости, образуе-
мой последовательным соединением Сд и Сх.
Схема также позволяет непосредственно оце-
нивать значение и фиксировать характер из-
менения постоянной времени перезаряда по-
верхностных состояний.
На рис. 4 приведены С — У-характеристики
м.д.п.-структуры, полученные обычным методом
(7) (классическая высокочастотная С — У-ха-
рактеристика) и с компенсацией влияния Са
(2). Характеристика 2 показывает характер
изменения только емкости полупроводника.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Мартяшин А . И., Шахов Э. К., Шляндин В. М.
Преобразователи электрических параметров для
систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976.
2. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. М.:
Энергия, 1973.
3. Митчел Дж., Уилсон Д. Поверхностные дефекты в
полупроводниковых приборах, вызванные радиа-
цией. М.: Атомиздат, 1970.
4. Мартяшин А. ИРыжов В. Ф.. Чайковский В. М.
и др. А. с. 905885 СССР // Б. И. 1982. № 6, С. 236.
5. Колешко В. МКаплан Г. Д .И Обзоры по элект-
ронной технике. Сер. 3. Микроэлектроника. М.:
ЦНИИ «Электроника», 1977. С. 82.
Пензенский политехнический институт
Поступила в редакцию 2.XII.1985
УДК 539.074.3 ПТЭ № 3, 1987
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
И КОМБИНИРОВАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТОМОГРАФИИ
ТУРЬЯПСКИЙ А. Г., КОНЬКОВ В. В., ФЕДОСЕЕВА О. П.
Описана экспериментальная установка, воспроизводящая типичные для вычисли-
тельного томографа величины плотности потока рентгеновских квантов 108 *-> 101и см-2 с-1
и скорости его относительного изменения. Приведены результаты определения динами-
ческой нелинейности у1 комбинированных детекторов CsI(Tl) + Si-фотодиод, CdWO4 +
+ ФЭУ-60 и полупроводникового CdTe. Наибольшие значения yd <z_ 36% имеет детек-
тор CdTe, наименьшие sgl% — CdWO4 + ФЭУ-60 на участке спада токового сигнала.
В работе [1| определена нелинейность твер-
дотельных детекторов рентгеновского излуче-
ния при временах экспонирования 5 4- 30 с
в стационарном потоке с плотностью PN
1010 квант-см-2с-1. Это не соответствует
временному режиму облучения детекторов в вы-
числительных томографах 2-го и 4-го поколе-
ний, в которых PN обычно изменяется на 2 4-
4- 3 порядка за 50 4- 250 мс. При такой ско-
рости изменения PN основной вклад в полную
ошибку измерения может быть связан с пере-
ходными процессами, возникающими в материа-
ле детектора [2, 3]. Ниже описана эксперимен-
тальная установка, обеспечивающая воспроиз-
ведение типичных для вычислительного томо-
графа значений PN и скорости их изменения
в процессе сканирования, и приведены полу-
ченные на ней результаты определения динами-
ческой нелинейности у''различных детекторов.
Для исследования были выбраны серийный
полупроводниковый детектор из монокристалла
CdTe типа ДКТБ и опытные образцы комбини-
189
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — источ-
ник излучения; 2, 4, 6 — поглощающие экраны; 3 —
фильтр; 5 — ослабитель; 7 — коллиматор; 8 — детек-
тор излучения; 9 — ось вращения ослабителя 5 и экра-
нов 4, 6
рованных детекторов CsI(Tl) + Si-фотодиод и
CdWO4 + ФЭУ-60. Фотодиод изготавливался
из монокристалла с удельным сопротивлением
5-103 Ом-см; р — «-переход создавался термо-
диффузией фосфора после предварительного
дополнительного легирования поверхности Si
примесью В. Размеры монокристаллов CdTe,
CsI(Tl) и CdW()4 в направлении, перпендику-
лярном облучаемой грани, соответственно 1;
8 и 4 мм.
Иа рис. 1 представлена схема эксперимен-
тальной установки. Источник излучения 1 —
охлаждаемая трансформаторным маслом рент-
геновская трубка с анодом из W мощностью
4 кВт. Для ограничения угловой расходимости
рентгеновского пучка и уменьшения влияния
афокального излучения па выходное окно ко-
жуха трубки устанавливалась щелевая диаф-
рагма шириной 3 мм. Мягкая часть рентгенов-
ского спектра срезалась фильтром <?, состав-
ленным из пластин А1 толщиной 1 мм и Си
толщиной 0,2 мм. Экран 2 обеспечивал пере-
крытие пучка во время стабилизации режима
работы трубки. Коллиматором 7 отсекалось
излучение, рассеянное элементами измеритель-
ной схемы.
Модуляция плотности падающего па иссле-
дуемый детектор 8 рентгеновского потока осу-
ществлялась путем вращения ослабителя 5 и
свинцовых экранов 4. 6 вокруг оси .9. Ослаби-
телем являлся тонкостенный цилиндр из ор-
ганического стекла ф 220 мм, заполненный
дистиллированной водой. Элементы 4 4- 6‘ раз-
мещались на поворотной платформе, скорость
вращения которой могла регулироваться ре-
дуктором в пределах 20 4- 100 оборотов мин;
расстояние от оси вращения .9 до центра осла-
бителя 5 могло изменяться от 100 до 170 мм.
При вращении экраны 4. 6 обеспечивали полу-
чение временных меток и возможность отсчета
темнового тока детектора 71 в момент перекры-
тия входной щели коллиматора 7. Положение
элементов 4 4- 6 после поворота платформы па
180 показано на рис. 1 штриховыми линиями.
Выходной токовый сигнал детектора / (Z)
оцифровывался с периодом 1.6 мс автоматиче-
ским измерителем среднего тока 15], связан-
ным с э.в.м. «Мульти-6» анализатора импуль-
сов IN-96. Собственные шумы а.ц.п. при токах
5^1 мкА пе превышали 0.05%.
Исследования проводились при токе через
рентгеновскую трубку 30 мА и напряжении
110 кВ. Расстояния фокус источника 1 — окно
детектора 8 и ось 9 — центр ослабителя 5
соответственно равнялись 850 и 130 мм. Не-
стабильности высокого напряжения и тока
трубки за 4 с составляли ^0,15%. Регистра-
ция сигнала начиналась через 2 с после начала
облучения детектора.
Динамическая нелинейность преобразования
плотности интегрального энергетического пото-
ка W (tj) в токовый сигнал I (Z,) определялась
как
(///. И'оАб('{)-(%-/т)/ррр-/т1
'’<'<>=----------traw--------------•
где 1Р0 и /0 соответственно значения W (tt) и
I (tj) на прямом пучке перед моментом его пере-
крытия ослабителем 5, а отношение IVO/W (t;)
определялось по формуле
а. Г.(а)
WJW (/i) 2а0 | jj ехр [ - jj ра (Z) dz] da}’1,
—а, о
где Цэ (Z) — экспериментально измеренная по
методу |1] зависимость линейного коэффициен-
та ослабления от длины пути излучения Z
в ослабителе; L (а) — полная длина пути луча,
идущего под углом а к осн пучка; 2а0 — угло-
вой раствор пучка, проходящего через колли-
матор, в плоскости вращения ослабителя; I —
помер отсчета.
При вычитании уровня темнового тока, ре-
гистрируемого прп перекрытии пучка экраном 6
(см. отрицательный импульс па рис. 2, а при
I 4,25 с), отсекается как ток утечки, величи-
на которого постоянна за время сбора данных,
так и монотонно меняющееся значение тока
фотопамяти /•*’. При экспериментальных отсче-
тах вблизи области перекрытия экраном 6'
величина /ф отсекается практически полностью.
Это означает, что в указанной области динами-
ческая ошибка будет стремиться к пулю, если
основной вклад в нелинейность обусловлен
фотопамятыо. Ход зависимости Z* (/) прибли-
женно описывается сверткой импульсной пере-
ходной функции и входного сигнала W (Z) [4|.
Поэтому средняя величина /* на участке
спада Z (/,) должна быть больше, чем на участ-
ке подъема, так как спаду предшествует облу-
чение на прямом пучке при IV (tj) — Жтах-
Из сравнения кривых 1 4- 3 иа рис. 2, б видно,
190
Рис. 2. а — временная зависимость 1g (7;70) при вра-
щении ослабителя 5 и экранов 4, 6 (аналоговый сигнал
детектора CdWO4 ФЭУ-60); б — временные зависи-
мости динамической нелинейности ^“-детекторов: 1 —
CdWO4 + ФЭУ-60, 2 — CsI(Tl) + Si-фотодиод, 3 —
CdTe
что описанный характер изменения у'1 (7г)
наблюдается для детектора CsI(Tl) 4- Si-фото-
диод и, следовательно, возникающая динамиче-
ская ошибка обусловлена послесвечением сцин-
тиллятора. Полупроводниковый детектор CdTe
преобразует W (tt) с дополнительной ошибкой,
достигающей 17% при / (Z;) —- /min, которая
не связана с фотопамятью. При толщине кри-
сталла CdTe 1 мм она может быть вызвана ходом
с жесткостью, что по порядку величины согла-
суется с расчетными данными [6]. Детектор
CdWO4 ФЭУ-60 па участке спада I (it) в пре-
делах точности измерений 1 % практически
линеен. Это согласуется с результатами опре-
деления отношения /ф/70, которое при накач-
ке в течение 1 с составляло 5-1СГ4 через 20 мс
после окончания импульса. Значительное уве-
личение у'1 на участке подъема / (7г), по-види-
мому, обусловлено гистерезисом коэффициента
усиления ф.э.у. [7].
Полученные зависимости yd (t,) обеспечи-
вают возможность математического моделирова-
ния влияния искажений полезного сигнала на
точность реконструкции распределения плотно-
сти исследуемого в томографе объекта. Это
в свою очередь позволяет ввести точные крите-
рии отбора детектора для конкретной томогра-
фической схемы сканирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Туръянский А . Г., Федосеева (7. 77. // ПТЭ. 1985.
№ 3. С. 62.
2. Grabmaier И. С. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1984.
V.NS-31. P. 372.
3. Туръянский A . Г., Тутов E. 77., Федосеева О. 7/. //
Тез. Всесоюз. сими. ио люминесцентным приемни-
кам и преобразователям ионизирующего излучения.
Таллин: Ин-т геологии АН ЭССР. 1985. С. 169.
4. Справочник по радиоэлектронике. Т. 1. М.: Энергия.
1967.
5. Андреев Е. А Басенко В. И., Скопюк М. 77. и др. /
ПТЭ, 1984. №4. С. 88.
6. GlasowP.A., Conrad В., Killig К. et al. // IEEE
Trans. Nucl. Sci. 1981. V. NS-28. P. 183.
7. Candy B. If. П Rev. Sci. Instrum. 1985. V. 56. № 2.
P. 183.
ВНИИ кабельной промышленности, Москва
Поступила в редакцию 30.XII.1985
УДК 535.853.4 ПТЭ № 3, 1987
ДИФРАКЦИОННЫЙ ВАКУУМНЫЙ РЕНТГЕНОФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ
СПЕКТРОМЕТР
КОВАЛЬЧУК М.В., ШИЛИН Ю. II., ДЕНИСОВ А. Г., ГРАВП1ИН 1(7. М., ЗЕЛЬЦЕР И. А.,
ЛЯПИН В, М., СЕНИЧКИНА Р. С.
Описан высоковакуумный рентгеновский спектрометр, предназначенный для ана-
лиза структуры приповерхностных слоев и поверхности кристаллических твердых тел
методом стоячих рентгеновских волн. Основу прибора составляет блок монохромато-
ров с двумя кристаллами и вакуумная (давление ~10-в Торр) камера с манипулятором
и шлюзовым устройством. В камере установлены гониометр исследуемого образца с
торсионным приводом, обеспечивающим безлюфтовый поворот в интервале углов ~10'
и система энергоапализа фото- и оже-электронов. Прибор позволяет работать как с обыч-
ной рентгеновской трубкой, так и со стационарным мощным источником, регистрируя
одновременно кривые дифракционного отражения рентгеновских лучей и фотоэмиссии
в интервале углов дифракции от 12 до 80 °.
Изучение структуры поверхности и припо-
верхностных слоев кристаллических твердых
тел, в первую очередь, полупроводников —
одна из важных задач, стоящих перед физикой
и технологией микроэлектроники. Интенсивное
развитие работ в области когерентного взаимо-
191
17 18 26 26 29 27 28 20 19 2 21 22
Рис. 1. Схема спектрометра. 1 — блок двухкристалыюго монохроматора, 2 — вакуумная камера,
3 — плита, 4 — гониометры кристаллов-монохроматоров, 5 — щелевые устройства, 6 — рельсы,
7 _ кожух рентгеновской трубки, 8 11 — окна вакуумной камеры, 12 — гониометр исследуемо-
го кристалла, 13 — энергоапализатор, 14 — детектор электронов ВЭУ-7-2, 75, 16 — детекторы
рентгеновского излучения БДС, 17, 18 — устройства смещения блока монохроматоров, 19 ч-
23 — соответственно механизмы линейного смещения, наклона и вращения образца, включения
торсиона, торсионного вращения образца, 24 — фланец камеры, 25 — рычаг, 26— сильфоны, 27,
28 — рукоятки ручного режима, 29 — шаговый электродвигатель, 30 — шлюзовая камера, 31 —
шиберное устройство, 32 — передающий манипулятор
действия рентгеновского излучения с кристал-
лическим веществом в условиях дифракции
привело к созданию целого ряда новых методов
анализа, позволяющих получать уникальную
информацию о структуре поверхности и при-
поверхностных слоев. К ним, например, от-
носятся метод стоячих рентгеновских волн,
основанный па измерении угловой зависимости
выхода различных вторичных излучений (фото-
эмиссии, флуоресценции) в условиях дифрак-
ции падающего рентгеновского пучка, и так
называемая двумерная, или поверхностная
дифракция, использующая комбинацию брэг-
говского отражения со скользящим падением
рентгеновского излучения па поверхность
кристалла И, 2].
В настоящее время для исследования при-
поверхностных слоев с успехом используются
многокристальпые рентгеновские спектрометры
ТРС [31 и различные приставки для измерения
вторичных процессов.
Дальнейшее развитие этих методов требует
новых аппаратурных решений, позволяющих,
во-первых, проводить экспериментальные из-
мерения в условиях высокого вакуума, что
необходимо для получения и изучения атомарно
чистой поверхности, а также существенного по-
вышения энергетического разрешения при ре-
гистрации фотоэлектронной эмиссии; во-вто-
рых, наиболее просто и эффективно осуществ-
лять автоматизацию накопления и обработки
экспериментальных данных и, в-третьих, обес-
печивать принципиальную возможность рабо-
ты со стационарными источниками интенсив-
ного рентгеновского излучения типа установок
с вращающимся анодом. Создание приборов,
удовлетворяющих перечисленным требовани-
ям — сложная задача, поскольку в них долж-
на сочетаться высокая угловая точность (~0,1")
рентгенодифракционного эксперимента с воз-
можностью измерений слабых рентгеновских и
электронных сигналов в условиях высокого
вакуума. Принципиальная возможность таких
измерений была продемонстрирована в рабо-
те [4].
Данная работа посвящена описанию мно-
гокристального вакуумного спектрометра, пред-
назначенного для анализа структуры поверх-
ности и приповерхностных слоев кристаллов
методом стоячих рентгеновских волн. Дифрак-
ционный рентгенофотоэлектронный спектрометр
ДРФЭС, изображенный па рис. 1, состоит из
блока двухкристального монохроматора 1,
вакуумной камеры 2 с системой регистрации
192
Рис. 2. Гоппометр. 1 — исследуемый образец, 2 — платформа, 3 — вал,
4 — рукоятка вращения образца, 5 — шкала, 6 — пружина, 7 —
каретка, 8 — рукоятка сцепления, 9 — гильза, 10 — рычаг, 11 —
корпус гониометра, 12 — торсион, 13 — рукоятка линейного пере-
мещения, 14 — винтовой механизм, 15 — каретка, 16,17 — рычаж-
ные механизмы, 18 — стержень, 19 — рамка, 20 — направляющие
фотоэлектронов и высоковакуумной системой
•откачки, а также электроппо-вычислительпого
устройства иа базе э.в.м. «Электроника-бОМ»
15]. Блок монохроматоров и вакуумная камера
установлены па плите 3, закрепленной на кар-
касе системы откачки.
Блок двухкристального монохроматора пред-
ставляет собой набор модулей: двух одинаковых
по конструкции гониометров 4 и двух также
одинаковых по конструкции щелевых устройств
5. Модули расположены на двух параллельных
направляющих — рельсах 6. Блок закрыт
кожухом, защищающим оператора от рассеян-
ного рентгеновского излучения. Конструкция
блока рассчитана на его использование с не-
подвижным источником рентгеновского излу-
чения. Таким источником может служить рент-
геновская трубка БСВ, устанавливаемая в ко-
жухе 7 на кронштейне, или выпускаемый серий-
но источник рентгеновского излучения ИРИС-3.
Для монохроматизации падающего рентгенов-
ского излучения могут использоваться как
один, так и одновременно оба гониометра; во
втором случае при этом реализуется двухкрп-
13 птэ, Ni з
193
стильный блок монохроматора, который поз-
воляет работать при углах дифракции от 12 до
80°.
Вакуумная камера ф 400 мм и высотой
650 мм имеет окно 8 для входа и два окна 9 и
10 для выхода рентгеновского излучения,
а также смотровое окно 11. В камере располо-
жены гониометр 12, энергоанализатор электро-
нов 13, представляющий собой 127°-ный ци-
линдрический дефлектор электростатического
типа, энергетическое разрешение которого не
хуже 1,5% для электронов с энергией 1 кэВ,
и детектор электронов 14.
Два детектора рентгеновского излучения 15 и
16 установлены вне камеры, причем детектор
15 имеет возможность перемещаться вдоль
секторного окна 10 в диапазоне от 24 до 160°.
Нижний фланец вакуумной камеры соеди-
нен с системой откачки (ее основными элемен-
тами являются сублиматор, магниторазрядный
диодный насос НМДИ-0,25, цеолитовый насос
ЦВН-1-2, механический насос 2НВР-5Д, блоки
управления и питания), позволяющей получить
давление в камере не хуже 10“9 Торр. Важней-
шей частью описываемого прибора является
гониометр, изображенный на рис. 2, который
предназначен для установки исследуемого об-
разца 1 в положения, соответствующие дифрак-
ции рентгеновских лучей. Держатель образца
установлен на платформе 2, жестко связанной
с валом 3, который вращается в насыпных
шарикоподшипниках. Вал вместе с образцом
поворачивается в диапазоне 360" посредством
рукоятки 4 и конической зубчатой передачи.
Угол поворота отсчитывается по градусной
шкале 5. При окончании поворота под действием
пружины 6 каретка 7 перемещается по шарико-
вым направляющим и коническая передача
расцепляется. Рукоятка 8 жестко соединяет вал
3 с гильзой .9. С помощью рычага 10, жестко
соединенного с гильзой, осуществляется точ-
ный поворот образца вокруг вертикальной оси
гониометра 6. Верхняя опора гильзы выполне-
на в виде насыпного шарикоподшипника, а сама
гильза связана с корпусом 11 гониометра при
помощи торсиона 12, в виде тонкостенного
цилиндра с внутренним ф 56 мм, толщиной
стенки 0,7 мм и высотой 120 мм. Для умень-
шения жесткости в цилиндре сделаны прорези.
Торсион изготовлен из нержавеющей пружин-
ной стали 36HXTIO. Упругость торсиона обес-
печивает точный поворот в диапазоне ~10'.
Конструкция держателя образца обеспечивает
юстировочное линейное перемещение образца
в плоскости, перпендикулярной оси 0, в пре-
делах +5 мм и наклон образца в пределах +4 ,
необходимый для установки его отражающей
плоскости в положение,параллельное оси гонио-
метра. Линейное перемещение осуществляется
рукояткой 13 винтового механизма 14 при по-
мощи каретки 15, движущейся по шариковым
направляющим, а наклон — при помощи ры-
чажных механизмов 16, 17 и стержня 18. Обра-
зец закрепляется в рамке 19, которая легко
вставляется в держатель по направляющим 20.
Для обеспечения требований вакуумной чис-
тоты и минимального магнитного поля около
исследуемого образца большинство деталей го-
ниометра изготовлены из слабомагнитных нер-
жавеющих сталей 36НХТЮ.
Все юстировочные и рабочие перемещения
исследуемого образца, а также его замена про-
водятся без нарушения вакуума с помощью
изображенных на рис. 1 механизмов-манипуля-
торов, находящихся вне вакуумной камеры.
Для линейного перемещения образца предназ-
начен механизм 19, осуществляющий поворот
винта и расцепление его после окончания
перемещения.
Образец наклоняется манипулятором 20,
выполненным в виде микрометрического винта,
передающего движение в вакуум через сильфон
с валом, который перемещается по шариковым
направляющим. Одно деление лимба соответ-
ствует наклону образца на 15".
Вращение образца вокруг вертикальной оси
в широком угловом интервале осуществляет
механизм 21. В его конструкции применена
герметичная волновая зубчатая передача, поз-
воляющая без дополнительных изолирующих
оболочек передавать вращение в вакуум с вы-
сокой точностью. Механизм имеет редуктор
с повышающим передаточным отношением для
ускорения вращения и редуктор с понижающим
передаточным отношением для точной настройки
по максимуму интенсивности рентгеновского
отражения. Для устранения дополнительных
нагрузок, влияющих на работу торсиона, пре-
дусмотрено расцепление конической зубчатой
передачи гониометра.
Для точного поворота кристалла гониометр
первоначально фиксируется с помощью меха-
низма 22, который обеспечивает вращательное
движение зажимного винта и его расцепление
во время записи кривой отражения с помощью
торсионного привода.
Механизм перемещения торсиона 23 пред-
назначен для прецизионного безлюфтового вра-
щения образца относительно точного значения
угла Брэгга. Механизм собран на фланце 24
вакуумного уплотнения и позволяет переме-
щать рычаг 25 без нарушения вакуума, что
достигается за счет использования двух сим-
метрично расположенных сильфонов 26. В руч-
ном режиме рычаг перемещается рукояткой 27
дифференциального винтового механизма при
194
Рис. 3. Кривые дифракционного отражения рентгенов-
ских лучей Р н и фотоэмиссии и. Кристалл германия,
(111)-отражение, Си Л'а-излучение
соответствующем положении рукоятки 28 пе-
реключения режима работ. При автоматическом
режиме движение передается от шагового элек-
тродвигателя 29 микрометрическому винту че-
рез червячный редуктор.
Исследуемый образец заменяется с помощью
загрузочно-шлюзового устройства без наруше-
ния вакуума в камере. Устройство состоит из
шлюзовой камеры 30 малого объема, шиберного
устройства 31 и передающего манипулятора 32.
Давление в шлюзовой камере 10“7 Торр. Для
приведения прибора в рабочее положение пер-
воначально необходимо настроить двухкрис-
тальпый монохроматор, конструкция которого
позволяет использовать различные схемы вза-
имного расположения кристаллов. Это обеспе-
чивает формирование падающего пучка с тре-
буемыми монохроматичностью и расходимостью
в плоскости дифракции. Сформированный бло-
ком монохроматоров рентгеновский пучок всег-
да направлен вдоль пулевой линии спектро-
метра, проходящей через вертикальную ось
вращения гониометра исследуемого кристалла,
расположенного в вакуумной камере. Взаимное
положение пучка и оси корректируется с по-
мощью устройств линейного смещения 17 и 18.
С помощью манипуляторов, описанных вы-
ше, исследуемый образец, находящийся в вы-
соком вакууме, устанавливается в отражающее
положение. Настройка кристалла осуществля-
ется с помощью сцинтилляционного детектора
через бериллиевое окно 9. Интенсивность ди-
фрагированного образцом рентгеновского излу-
чения регистрируется детектором 15 через сек-
торное бериллиевое окно 10 при плавном (или
дискретном) вращении кристалла через угловую
область полного отражения с помощью торси-
онного механизма с шаговым приводом.
Система регистрации фотоэмиссии 13, 14
позволяет одновременпо с записью кривой рент-
геновского отражения измерять интенсивности
выхода фотоэлектронов, возбуждаемых стоячей
рентгеновской волной, как в интегральном ре-
жиме (с использованием в.э.у.), так и селектив-
но по энергии (с помощью энергоанализатора
и в.э.у.).
В качестве примера, иллюстрирующего ра-
боту прибора, па рис. 3 приведены кривые
интегральной фотоэмиссии и рентгеновского
(111) отражения кристаллом германия CuA\-
излучения. При этом для монохроматизации и
коллимации использовалась бездисперсионная
схема (1, —1) с последовательным симметрично-
асимметричным отражением от двух кристаллов
германия с ориентацией (111).
В заключение отметим некоторые особен-
ности созданного прибора. Помещение иссле-
дуемого образца в высоковакуумную камеру
сравнительно большого объема, снабженную
прецизионной системой энергетического анали-
за фото- и оже-электронов, дает возможность
изучать атомарно-чистую поверхность полу-
проводниковых кристаллов и процессов на ней
методом стоячих рентгеновских волн. Выделяя
электроны, не потерявшие энергию, можно по-
лучить структурную информацию о приповерх-
ностных слоях толщиной в несколько меж-
атомных расстояний и локализовать положение
легких атомов на поверхности. Более того,
регистрация электронов с определенной вели-
чиной потери кинетической энергии позволяет
неразрушающим образом изучать структуру
слоев па определенной глубине |(>, 7]. Шлюзо-
вая камера значительно упрощает процесс
замены исследуемых образцов. Использование
торсиопа для плавного поворота образца поз-
волило создать прецизионный и стабильный
механизм рабочего вращения кристалла и .зна-
чительно упростить процесс автоматизации.
Смотровое окно может быть использовано для
установки в камеру элементов активного воз-
действия на поверхность образца, таких как
лазер или ионная пушка.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Ковальчук М. В., Кон В. Г. // УФ1Т, 1986. Т. 149.
Вып. 1. С. 69.
2. Андреева М. А ., Борисова С. Ф., Степанов С. А . И
Поверхность. 1985. А» 4. С. 5.
3. Ковалъчук М. В.. Ковьев Э. К., Козелихин Ю. М.
и др. II ПТЭ. 1976. А» 1. С. 194.
4. Kikuta S., Takahashi Т., Т uzi Y., Fukudome В. И
Rev. Scient. lustrum. 1977. V. 48, А» 12. Р. 1576.
5. Алпатов В. С., Денисов А. Г., Кеселъман Л. А.
и др. И Кристаллография. 1986. Т. 31. № 1. С. 42.
6. Ковальчук М. В., Муха.чеджанов Э. X. И ФТТ. 1983.
Т. 25. Вып. 12. С. 3532.
7. Bedzyk М. J., Materlik G., Kovalchuk М. V. И Phys.
Rev. В. 1984. V. 30. Р. 4881.
Институт кристаллографии АН СССР, Москва
Поступила в редакцию 24.П.1986
13* 495
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХН НК А
УДК 669.856.7 ПТЭ № 3, 1987
МИШЕНИ ДЛЯ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НАЗАРОВА Т. С., МАРЧЕНКО Л. А., БАБИЧЕВ Е. О.
Описана методика получения мишеней толщиной до 30 мкм из милликоличеств
изотопных окисляющихся редкоземельных металлов (Nd,Pr, Се, La) вакуум-термпчес-
кпм восстановлением их из окисей гафнием с последующим испарением металла и на-
несением иа мишень плепки, защищающей слои металла от окисления на воздухе.
Для решения целого ряда задач в области
ядерпо-физических исследований необходимы
мишени из изотопов металлов, которые при
соприкосновении с воздухом окисляются. Ме-
тодика изготовления фолы из Са, К, Sr, Li,
Ва описана в [1], Ей — в [2]. Для получения
из милликоличеств изотопов легкоокисляю-
щихся редкоземельных металлов (р.з.м.) Nd,
Рг. Се, La пленочных мишеней толщиной
<^30 мкм применяется описанный в [3] метод
вакуум-термического восстановления их из оки-
сей; толщиной ^>30 мкм — метод прессования.
В качестве восстановителя применяется метал-
лический Hf в виде порошка.
При температурах восстановления Hf в
конденсатах не обнаруживался. Изотопы окис-
ляющихся р.з.м. поступают в виде окислов.
Перед восстановлением исходная окись прока-
ливается на воздухе при 1100 К для удаления
органических примесей, затем смешивается с
порошком Hf в отношении 2 : 3, растирается
в агатовой ступке, прессуется в таблетки при
давлении 25-107 4- 30-10’ Па/см2.
Таблетки закладываются в реакторы-испа-
рители 5 (см. рисунок) и помещаются в вакуум-
Устройство для получения многослойных мишеней в
вакууме. 1 — медный контакт, 2 — подложки, 3 —
изоляторы из фторопласта, 4 — повторный диск-токо-
подвод из меди, 5 — испарители-реакторы из тантала
или вольфрама, 6 — токоподвод, 7 — подложке держа-
тель
ную камеру для восстановления. Па штоках,
введенных в вакуумную камеру (на рисунке
пе показаны), па высоковольтных изоляторах
крепятся медпый поворотный диск-токоподвод
4 и подложкодержатель 7. По периметру токо-
подвода установлены испарители-реакторы 5,
изготовленные из Та или W. Их свободный
конец образует скользящий контакт с токо-
подводом 6. При работе с электростатическим
полем на этот диск подается положительный
потенциал кВ.
Подложкодержатель в виде диска толщиной
5 мм с ячейками для подложек изготовлен из
А1. В ячейки подложкодержателя вмонтирова-
ны фторопластовые изоляторы 3, на которые
укладываются подложки 2. Они закрываются
медным контактом J, с помощью которого при
работе в электростатическом поле па подлож-
ку подается отрицательный потенциал.
Рассчитанные количества металлов для ми-
шеней и защитного покрытия помещаются в
разные испарители и затем последовательно
испаряются: сначала на металлическую под-
ложку испаряется металл, образующий защит-
ное покрытие, затем элемент мишени и снова
защитное покрытие. Таким образом, без вскры-
тия вакуумной камеры получаются многослой-
ные мишени из Nd, Рг, Се и La. В качестве
подложки и защитного покрытия чаще всего
выбираются моноизотопные металлы с высокой
упругостью пара типа Aq, Sc, Со. Для полу-
чения мишеней толщиной ^>30 мкм применя-
ется метод прессования с последующим спека-
нием и покрытием их защитной оболочкой в
вакууме. Измельчение, заполнение прессформы
и другие операции с металлом изготавливаемой
мишени проводятся в камере с инертным газом
(Аг, Не).
Проведены специальные экспериментальные
исследования для выбора оптимальных условий
режима изготовления мишеней. При восстанов-
лении металла из окиси с последующим испа-
196
рением при спекании и покрытии защитной
оболочкой мишеней, полученных прессованием,
оптимальное давление в рабочем объеме ка-
меры составляет 10-3 -~ 10"4 Па. Восстановле-
ние и испарение целесообразно проводить в
электростатическом поле, так как выход эле-
мента в фольгу при этом повышается в среднем
с 30 до 90% и мишени получаются более одно-
родными по толщине.
Изготовленные мишени применялись при
разработке методик элементного анализа ядер-
по-физическими методами, для исследования
деления ядер р.з.э. фотоэмульсионвым методом
на линейном электронном ускорителе’на 2 ГэВ
и для ряда других работ в области ядерно-
физических исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бондарь А. ДКарев В. Н., Ключарев А. II. // ПТЭ.
1961. № 4. С. 137.
2. Maxman S. II. // Nucl. Instrum. and Methods. 1967.
V. 50. No. 1. P. 651.
3. Назарова T. С., Розен A. A. // Вопросы атомной нау-
ки и техники. Сер. Физика высоких энергий и
атомного ядра. 1977. Вып. 1(18). С. 57.
Харьковский физико-технический институт АП УССР
Поступила в редакцию 27.11.1986
УДК 621.373.826 ПТЭ № 3, 1987
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАКУУМНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК
ТИМОФЕЕВ ГО. А.
Показана целесообразность использования лазерного нагрева тонких пленок в
процессе вакуумного осаждения для стабилизации их свойств. Предложено устрой-
ство, обеспечивающее одновременное испарение вещества мишени и нагрев приемной
поверхности подложки одним лазером. Эксперименты, проведенные с пленками молиб-
дена и ниобия толщиной 20 н- 80 нм, показали, что стабильность пх резистивных
свойств при импульсном лазерном нагреве поверхности осаждения в режиме свободной
генерации лазера при плотности энергии 4-Ю4 Дж/м2 повышается в 1,5 -ь 2 раза.
Использование лазерного нагрева топких
пленок в процессе вакуумного осаждения для
стабилизации их свойств является перспек-
тивным. Для получения пленок с минималь-
ными структурными неравновеспостями темпе-
ратура подложки при конденсации должна
быть не меньше 1/37’пл и пе более г/37\1Л, где
Тпл — температура плавления испаряемого ве-
щества [1]. Учитывая, что температура плавле-
ния ряда веществ превышает 2000 СС, возникает
проблема нагрева подложек до высоких темпе-
ратур.
С целью нагрева поверхности осаждения в
устройство лазерного напыления пленок [2]
введена система, показанная на рисунке, со-
держащая светоделительное устройство 3 с из-
меняющимся коэффициентом отражения, две
поворотные прямоугольные призмы полного
внутреннего отражения 7 и 9, оптический узел
8 формирования лазерного пучка на поверх-
ности подложки.
Испарение вещества мишени 6 и подогрев
поверхности подложки 5 осуществляются одним
лазером, при этом па нагрев подложки ответ-
вляется часть энергии излучения лазера, а две
поворотные прямоугольные призмы и оптиче-
ский узел формирования лазерного пучка под-
водят эту энергию к поверхности подложки.
Оптический ввод вакуумной камеры 2 и
фокусирующий объектив 4 расположены соосно
пучку от лазера 7. Мишень помещена в фокаль-
ной плоскости фокусирующего объектива под
углом 45° к падающему па нее лазерному пуч-
ку. Поверхность осаждения подложки ориенти-
рована так, что нормаль, проведенная из ее
центра, совпадает с нормалью, проведенной из
«горячей точки» мишени. Светоделитель — сто-
па оптических пластин — расположен под уг-
лом 45° к оси падающего лазерного пучка между
оптическим вводом вакуумной камеры и фоку-
сирующим объективом. Поворотные равнобед-
ренные прямоугольные призмы полного внут-
реннего отражения установлены так, что ось
лазерного пучка, отраженного от оптической
стопы, проходит через геометрический центр
поверхности осаждения подложки. Оптическую
телескопическую систему 8, состоящую Из со-
бирающей и рассеивающей линз, устанавли-
вают соосно проходящему через нее лазерному
пучку, например между поворотными приз-
мами.
Образующийся в результате взаимодейст-
вия излучения лазера с мишенью паровой факел
ориентирован в пространстве так, что его ось
перпендикулярна плоскости мишени и практи-
чески не зависит от угла падения излучения,
197
Оптическая схема устройства нанесения пленок лазер-
ным излучением
следовательно, поверхность осаждения подлож-
ки находится в зоне воздействия парового фа-
кела. Ответвлен и ый лазерный пучок направ-
ляется поворотными равнобедренными прямо-
угольными призмами полного внутреннего
отражения на поверхность подложки, при этом
оптическая телескопическая система формирует
параллельный лазерный пучок для создания
необходимой зоны лазерного нагрева. Необхо-
димая температура поверхности осаждения за-
дается коэффициентом отражения светоделите-
ля. Выбор оптических прямоугольных призм
для отклонения лазерного пучка определяется
их большей надежностью и меньшими требо-
ваниями к юстировке, чем в случае использо-
вания зеркал. В качестве элементов оптической
телескопической системы используют собира-
ющие и рассеивающие линзы.
Эксперименты, проведенные с пленками мо-
либдена и ниобия толщиной 20 4- 80 нм, напы-
ленными на подложки из ситалла, показали,
что стабильность их резистивных свойств при
импульсном лазерном нагреве поверхности
осаждения в режиме свободной генерации ла-
зера при плотности энергии 4-10* Дж/м2 по-
вышается в 1,5 4-2 раза.
ЛИТЕРА ТУРА
1. ГТалатник Л. С. Механизм образования и субст-
руктура конденсированных пленок. М.: Наука,
1972.
2. Бонем Ф. Л. Патент Франции 1465435. Кл. МКИ
Н01. 1966.
Пензенский политехнический институт
Поступила в редакцию 7.II.1986
УДК 539.1.074.822.3:621.357.9
ПТЭ № 3, 1987
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ДЛЯ НИЗКОФОНОВОГО
ГАЗОРАЗРЯДНОГО СЧЕТЧИКА
ГЛАЗОВ В. В., ГЛАЗОВ В. М., ФЕЩЕНКО И. А.
Предложен электролитический способ изготовления цилиндрического медного ка-
тода. Предварительная очистка электролита, используемого для электролиза, от
естественных радиоактивных нуклидов соосажденпем их с гидроксидами железа и
меди и сульфатом бария позволила снизить поверхностную a-активность меди
в 2,4 раза по сравнению с электролитической медью, полученной без очистки
электролита.
При измерении низких уровней активности
возникает необходимость снижения содержания
естественных радиоактивных нуклидов (е.р.н.)
в конструкционных материалах детектора. В [II
отмечается, что органические вещества, ко-
торые используются для изготовления изо-
ляторов детектора, в значительно меньшей
степени загрязнены радионуклидами, чем ме-
таллы. Поэтому при понижении фона детектора
основное внимание уделяется выбору металла
для его катода 12, 31. Для снижения содержания
е.р.н. в материале катода проводят не только
поиск подходящего металла, но также приме-
няют специальные методы очистки, например
зонное плавление 141. Катоды чаще всего из-
готавливают механическим способом, заканчи-
вающимся трудоемким и длительным процессом
шлифовки и полировки его внутренней поверх-
ности. Во время этой операции возможно за-
грязнение металла катода е.р.н., содержащи-
мися в значительном количестве в абразивных
материалах.
Этого недостатка лишен описываемый способ
электролитического получения медной трубки
для катода детектора. Медь выбрана на осно-
вании данных [3, 51, из которых следует, что
опа имеет наименьшее содержание е.р.н. по
сравнению с другими выпускаемыми промыш-
ленностью металлами. Для очистки получаемой
меди от е.р.н. электролит, используемый для
электролиза, очищали от радиоактивных при-
месей последовательным соосаждением их с
198
гидроксидами железа, меди и сульфатом бария.
Методика изготовления катода газоразрядного
счетчика состояла в следующем.
Использовали электролит, состав которого
предложен в [6]. К 4700 мл раствора, содер-
жащего 1275 г CuSO4 добавляли 15 г
FeSO4-7H2O. После этого через полученный
раствор продували О2 в течение 0 ч и выдер-
живали его 24 ч. В результате в растворе
выпадает осадок Fe(011)3. После отделения
осадка в фильтрат добавляли 25 мл концентри-
рованного раствора аммиака. Растворе осадком
гидроксида меди перемешивали в течение 4 ч
п фильтровали. К фильтрату добавляли 163 мл
концентрированной H2SO4, затем при энергич-
ном перемешивании приливали 100 мл 20%-
ного раствора BaS()4. После перемешивания в
течение 4 ч отфильтровывали осадок BaSO4,
а раствор переносили в электролизер. Электро-
лиз проводили при катодной плотности тока
100 А/м2.
Анодом электролизера служила медь М2.
Медь осаждали на полированный стержень из
нержавеющей стали ф 50 и длиной 300 мм с
конусностью 3'. Электролиз проводили в тече-
ние времени, необходимого для образования
медного покрытия толщиной ~1 мм. Стержень
с медным покрытием вставляли в токарный
станок и обкатывали роликом по всей поверх-
ности. После этой операции медное покрытие
легко снимается со стержня. Внутренняя по-
верхность медной трубки имела тот же класс
полировки, что и стержень из нержавеющей
стали.
Полученная трубка была использована для
изготовления пропорционального счетчика.
Изоляторы были выточены из оргстекла. Ано-
дом служила вольфрамовая проволока ф 20 мкм.
Рабочая газовая смесь состояла из Аг (90%) и
СН4 (10%). В режиме измерения а-излучепия
фон счетчика оказался равным 0,55 импульсов
при коэффициенте счета 0,97, который был
определен по эталонному количеству Вп [222],
введенного в детектор. Фон измеряли в течение
120 ч. По величине фона рассчитали поверх-
ностную a-активность медного катода, которая
составила 0,12 частиц/ч-100 см2, что в 2,4 раза
меньше по сравнению с электролитической
медью (0,29 частиц/ч-100 см2), полученной без
очистки электролита от радиоактивных микро-
примесей. Описанным выше способом был из-
готовлен второй счетчик с катодом ф 8 и длиной
55 мм. Его а-фоп, измеренный в течение 3000 ч,
составил 0,017 импульсов/ч.
Предлагаемый способ изготовления катода
газоразрядного счетчика позволяет снизить со-
держание е.р.н. в медной трубке (2,4 раза) и
устранить трудоемкую операцию полировки
внутренней поверхности. Дальнейшего сниже-
ния содержания е.р.п. в получаемой меди
можно достигнуть за счет многократной очистки
электролита соосаждением с указанными осад-
ками и применения в качестве анода электро-
лизера более чистого металла.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Иоманский А . А .. Северный С. А.// Атомная энер-
гия. 1975. Т. 38. Выв. 5. С. 339.
2. Фисенко А. В., Кашкаров Л. И., Поманский А. А. Ц
ПТЭ. 1982. № 2. С. .38.
3. Дементьев В. А. Измерение малых активностей ра-
диоактивных препаратов. М.: Атомиздат. 1967.
С. 66.
4. Барабанов И. Р., Волкова Л. И., Гаврин В. Н. //
Атомная энергия. 1979. Т. 47. Вып. 3. С. 195.
5. Емельянов В. В. // ПТЭ. 1969. № 4. С. 209.
6. Яковлева Т. Ф., Рыстенко А. Т. Краткий справоч-
ник по гальваническим покрытиям. М.: Машгиз,
1963. С. 110.
НИИ химии при Горьковском госунпверситете
Поступила в редакцию 2.XII.1985
УДК 681.142:621.313
ПТЭ А- 3, 1987
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ПОМОЩЬЮ
МИКРО-Э.В.М. «ЭЛЕКТРОПИКА ДЗ-28»
КИРИЛЛОВ С.В., УСПН В. А.
Описаны принцип и устройство программного управления шаговым двигателем с
помощью микро-э.в.м. «Электроника ДЗ-28», позволяющее полностью реализовать до-
стоинства шагового привода при значительном сокращении объема аппаратной части
устройства управления. Приведен вариант программы управления в машинных кодах.
В современных автоматизированных изме-
рительных комплексах, предназначенных для
измерения пространственных распределений
физических величин, широко применяется элек-
тропривод на основе шаговых двигателей (ш.д.)
[l-i-З]. Аппаратные средства, обычно применя-
199
Принципиальная схема устр йства управления. Л/j — К155ЛН1,'Л/2, Мъ — К155ЛА4,
М3 — К155ИЕ6, М4 — К155ИД4, Мв — К155ЛА2, М-, — К155ЛАЗ »Л/8 — К155ЛА7;
дпод — КД503
емые для программного управления шаговым
двигателем, состоят, как правило, из двух час-
тей — устройства формирования сигпала на-
правления вращения и пачки тактовых импуль-
сов и устройства, коммутирующего обмотки
ш.д. синхронно с тактовыми импульсами в со-
ответствии с сигналами направления вращения.
В устройстве формирования пакета тактовых
импульсов обычно используются программно-
управляемые многоразрядные счетчики. Тре-
буемое число импульсов при этом формируется
путем записи этого числа в вычитающий счет-
чик, а частота следования определяется коэф-
фициентом деления частоты задающего генера-
тора. При этом число компонентов таких
устройств весьма значительно, особенно в слу-
чаях необходимости задания больших переме-
щений.
Для реализации возможностей ш.д. в пол-
ном объеме необходимо обеспечивать разгон его
в начале движения и динамическое торможение
при остановке. Кроме того, в некоторых слу-
чаях возникает необходимость обеспечения ре-
акции привода на сигналы внешних датчиков,
например при установке сканирующего устрой-
ства в исходную точку, либо для синхронизации
вращения ш.д. с преобразователем угол — код
с целью повышения точности отработки [2].
Выполнение всех перечисленных требований
вызывает дополнительное усложнение как уст-
ройства управления, так и управляющей про-
граммы. Варианты построения второй части
устройств управления (коммутирующих) зави-
сят от конкретного типа используемых ш.д.
п широко описаны в литературе [4, 5].
Объем аппаратной части устройства управ-
ления ш.д. можно существенно сократить пу-
200
тем программного формирования требуемой
пачки тактовых импульсов непосредственно па
интерфейсных выходах э.в.м. Для микро-э.в.м.
«Электроника ДЗ-28», не имеющей в своем со-
ставе программно-управляемого таймера, такой
способ управления означает организацию обра-
щения к каналу ввода-вывода для каждого
шага ш.д. При этом программное задание числа
обращений обеспечит отработку требуемого
числа шагов, а программное регулирование
временного интервала между обращениями —
необходимый режим разгона либо торможения
двигателя. Следуя по пути замены аппаратных
средств программными, можно упростить и
устройство коммутации обмоток ш.д., програм-
мно формируя необходимые для коммутации
кодовые комбинации непосредственно на интер-
фейсных шинах э.в.м. Однако получаемый при
этом выигрыш в аппаратуре слишком мал для
того, чтобы скомпенсировать возникающее в
итоге увеличение объема управляющей про-
граммы.
Принципиальная схема устройства, реали-
зующего такой способ управления ш.д., при-
ведена на рисунке. Устройство содержит де-
шифратор адреса (М^з, М6), схему формирова-
ния тактовых импульсов
Мт_6, М2-1> схему формирования сигпала
СИП {М2-з, Ms) п устройство коммутации об-
моток ш.д. Приведенный вариант схемы устрой-
ства коммутации разработан для шеститактного
управления трехфазным ш.д. (силовые ключи
на схеме пе показаны) и состоит из реверсив-
ного счетчика по модулю «6» с элементами
управлепия М-, дешифратора М4 и шиф-
ратора М5. Такой вариант построения устрой-
ства коммутации требует несколько большего
Программа управления ш. д.
Команда Код Команда Код
0. MARK 0001 2. MOV # 0208, S05 4. МОГ #0000, S04 6. MOV #0004, SOI 8. MOV #0000, SOC 10. МОГ #0312, S07 12. МОГ #0000, S06 14. МОГ #0005, S09 16. МОГ #0000, S08 18. SUB R12, R01 20. LNCN 22. CLR R00 24. OUTOWC 20. B/f.#4 28. ВЯ.4-30 30. ABGE Rll, R0) 32. ВЯ.+8 34. GO 0408 0001 1305 0208 1304 0000 1301 0004 1300 0000 1307 0312 1306 0000 1309 0604 1308 0000 1101 1201 0412 1400 0413 1000 0412 1405 1403 0005 1403 0115 1409 1100 1403 0009 0514 35. GO 36. GO 37. GO 38. BR.—14 40. SUB # 13, RIO 42. SOB7. R08.+4 44. BR.—22 46. МОГ #0005, S05 48. OUTOWC 50. B7?.#4 52. ВЯ.-1-6 54. SOB7. R01.-\-/t 56. BR.-8 58. МОГ #0000, S02 60. МОГ #0715, S04 62. PAUSER 64. LNCN 66. RTS 0514 0514 0514 1402 0013 1001 1310 1408 0308 1402 0105 1305 0005 0412 1405 1403 0005 1406 0007 1408 0301 1402 0007 1302 0000 1304 0715 0412 1402 0412 1400 0511
числа элементов по сравнению с описанными
в [4, 5], однако обладает значительно большей
надежностью в эксплуатации.
Для связи с микро-э.в.м. используются
шина адреса «Упр» (Х13 4- Y83), а также сиг-
налы Вв и СИП. Информационные шины не
используются. При установке командой LNCN
регистра «Упр» микро-э.в.м. в состояние 0100
либо 0101 разрешается прохождение тактовых
импульсов соответственно на вход прямого либо
обратного счета счетчика М3. Одновременно
подается сигнал разрешения па вход строби-
рования дешифратора, что обеспечивает пода-
чу питания па обмотки ш.д. (режим статическо-
го торможения). Вслед за этим командой
OU ТО WC разрешается подача сигнала Вв, ко-
торый поступает в качестве тактового импульса
на один из входов устройства коммутации об-
моток и вызывает поворот ротора ш.д. на один
шаг в прямом либо обратном направлении.
Сигнал СИП при этом не формируется, и дли-
тельность сигнала Вв определяется содержи-
мым регистра R10 микро-э.в.м. Таким образом,
выполняя команду OUTOWC в цикле, можно
выполнять заданное счетчиком цикла количе-
ство шагов. Скорость отработки при этом опре-
деляется содержимым регистра R10, изменяя
которое можно разгонять и тормозить двига-
тель и устанавливать его скорость вращения.
Вход устройства «Блк. отв.» (блокировка от-
вета) служит для управления формированием
сигнала СИП. Он используется для обеспече-
ния реакции микро-э.в.м. на сигналы датчиков
привода (концевых выключателей, синхрониза-
торов и т. п.). Сигнал, например, концевого
выключателя, который подается на вход «Блк.
отв.», имеет высокий уровень. При этом по
действующему в момент поступления внешнего
сигнала импульсу Вв будет сформирован от-
ветный сигнал СИП, что вызовет прекращение
выполнения команды OUTOWC и переход в
программе на един шаг вперед по условию
наличия ответа периферийного устройства.
Этот условный переход используется для вы-
хода из цикла и перехода к программе работы
по сигналу концевого выключателя (например,
остановка со статическим либо динамическим
торможением).
В тех случаях, когда для повышения точ-
ности отработки применяется синхронизация
ш.д. [2], на вход «Блк. отв.» подается сигнал
высокого уровня, свидетельствующий об окон-
чании отработки шага. При этом тактовые им-
пульсы формируются при помощи команд об-
мена с неограниченным временем ожидания
ответа. Сигнал СИП формируется при поступ-
лении синхронизирующего сигнала. Таким об-
разом, каждый последующий шаг задается
после отработки предыдущего. Число шагов в
этом случае задается выполнением в цикле
команды OUTO либо выполнением команды
OUTR. В последнем случае чпело шагов оп-
ределяется содержимым регистра R12.
В таблице приводится вариант программы
для выполнения шаговым двигателем N шагов
со ступенчатым разгоном в начале движения
со скоростью от —800 до —3000 шагов/с и
статическим торможением в конце отработки,
а также в случае подачи сигнала Блк. отв.
Разгон производится в течение одного оборота
ротора двигателя. Время статического тормо-
жения —0,3 с. Программа оформлена в виде
подпрограммы в машинных кодах. Перед об-
201
ращением к подпрограмме в регистре R01 дол-
жно быть задало требуемое число шагов N,
а в регистр S02 запесеп код направления вра-
щения 0100 для прямого вращения и 0101 для
обратного.
Указанные величины скорости отработки
обеспечиваются данной программой при ис-
пользовании модификации микро-э.в.м. «Элек-
тропика ДЗ-28» с временем цикла 2 мкс.
Описанное устройство управления было ис-
пользовано в составе автоматизированного из-
мерительного комплекса для управления дви-
гателем ШД-4м [3]. Эксплуатация устройства
в течение двух лет в полевых условиях позво-
ляет судить о его высокой надежности и про-
стоте перестройки режимов работы путем за-
мены констант в управляющей программе.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Страхов А. Ф. Автоматизированные антенные изме-
рения. М.: Радио и связь, 1985. С. 126.
2. Смирнов К). С. // Тезисы докладов третьей Всесо-
юзной конференции «Метрологическое обеспечение
антенных измерений». Ереван: ВНИИРИ,
1984. С. 411.
3. Усин В. АКириллов С. В. // Тезисы докладов V Все-
союзной конференции СОИИ-5. М.: ВНИИФТРИ,
1984. С. 333.
4. Внуков И. В., Романов В. 10., Барышников В. II.,
Паначев Ф. И. // ПТЭ. 1985. № 2. С. 206.
5. Тарасов В. II., Анзин В. Б. // ПТЭ. 1983. № 2.
С. 215.
Поступила в редакцию 28.IV.1986
УДК 621.313.621.382
ПТЭ № 3, 1987
ПРОСТАЯ СХЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХФАЗНЫМ ШАГОВЫМ
ДВИГАТЕЛЕМ
ЛЕДЕРЕР В. В.
Описана схема управления шаговым двигателем иа четырех элементах «исключа-
ющее ИЛИ» и двух £>-триггерах. Частота переключений от долей герца до сотен герц.
Шаговые двигатели широко применяются в
качестве приводов для различных технологи-
ческих и экспериментальных установок.
Описываемая схема управления шаговым
двигателем значительно проще аналогичных
устройств, опубликованных ранее. Так, напри-
мер, в устройстве [II только распределитель
импульсов выполнен па пяти микросхемах, а в
<---------------v--------------'
к обмоткам ШД
Принципиальная схема управления шаговым двигателем. Mt — 564ЛП2, М., —
564ТМ2; Tj н- Tt — 2Т630; Дг ч- — 2Д106А; ШД — шаговый двигатель ДШИ-1м
202
наиболее простом устройстве [2] — на трех
микросхемах.
Схема управления приведена на рисунке.
На элементах М\.г, R}, Сх собран такто-
вый генератор; на элементах Л/\-3, Л/4-4, ЛГ2.1,
М2.2 — распределитель импульсов; 7’, + Т\,
+ Дь — усилители мощности.
Работает устройство следующим образом.
При наличии «1» на входе Б элемент Мг.г ра-
ботает как инвертор и генерации не происходит.
При подаче «О» на вход Б становится не-
инвертирующим повторителем. Генератор воз-
буждается и генерирует импульсы с периодом
1,4 RC (где R — сопротивление резистора Rt,
а С — емкость конденсатора Сг). Тактовые им-
пульсы поступают па С-входы О-триггеров и
поочередно их перебрасывают. Если сигнал на
шине Реверс равен пулю, то Мг.3 и ра-
ботают как повторите.ти. Очередной тактовый
импульс перебрасывает триггер М2.х в то со-
стояние, которое было до этого на инверсном
выходе триггера Л/2.2, а следующий тактовый
импульс перебросит триггер М2.2 в состояние,
которое было до этого на прямом выходе М2.А.
Если сигнал на шине Реверс «1», то элемен-
ты Mj-з и Л/].4 работают как инверторы. По-
этому триггер Л/2.х перебрасывается в состо-
яние, которое было до прихода тактового им-
пульса на прямом выходе Л/2.2, а тот в свою
очередь перебрасывается в состояние, которое
было па инверсном выходе М2.х. Таким обра-
зом, на выходах распределителя импульсов
формируются сигналы, требуемые для враще-
ния шагового двигателя в прямом и обратном
направлениях.
В качестве усилителей мощности исполь-
зуются транзисторы, допускающие максималь-
ное значение тока через коллектор до 1 А при
рассеиваемой па корпусе тепловой мощности
до 0,8 Вт. Диоды Дх + Д4 используются для
гашения противо-э.д.с., возникающей при ком-
мутации обмоток шаговых двигателей.
Схема настроена на частоту 10 Гц. Однако
она устойчиво работает, начиная с 0,2 Гц. Пе-
рестройка обеспечивается изменением сопротив-
ления резистора или емкости конденсатора.
Верхний предел ограничивается частотой пре-
емистости двигателя. При испытаниях схемы
управления использовался двигатель ДШИ-1м.
ЛИТЕРАТУРА
1. Головин А. А., Дмитриев 10. Ф., Новиков Д. В. //
ПТЭ. 1985. № 1. С. 193. Рис. 6.
2. Сиваков А. Г., Ярош И. И. А.с. 1088096 СССР//
Б.И. 1984. № 15. С. 204.
Поступила в редакцию 31.III.1986
УДК 621.317.44
ПТЭ № 3, 1987
ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ МАГНИТОМЕТР ХОЛЛА
ИВАНЕНКО А. I!.. ШППРПНГ К.*
Описан помехоустойчивый магнитометр с преобразователем Холла для измерения
стационарных магнитных полей. В измерительном усилителе применено дифференци-
альное включение двух операционных усилителей, что позволяет подавить синфазные
помехи до 70 дБ. Погрешность прибора +0,05% (+10~* Т) в диапазоне до 2 Т.
Нейтринный детектор ИФВЭ — ОИЯИ со-
держит 52 модуля рамного и кольцевого маг-
нитов 111. Контроль их параметров осущест-
вляется дистанционно с пульта управления
всей экспериментальной установки. Ниже опи-
сан помехоустойчивый магнитометр с преобра-
зователем Холла, который используется для
контроля рассеянных магнитных полей в зоне
расположения дрейфовых камер и ф.э.у. ЖСС.
Стабильный источник тока питает преоб-
разователь Холла (п.Х.) регулируемым током
в диапазоне 20 + 200 мА. Измерительный уси-
литель и преобразователь Холла помещены в
* Институт физики высоких энергий АН ГДР,
Берлин.
термостаты. При помощи стабилизаторов тем-
пературы в термостатах поддерживается тем-
пература + 38+; 0,1 С. В качестве преоб-
разователей Холла используются отечествен-
ные преобразователи ПХЭ 605.817А с номи-
нальным управляющим током 100 мА и маг-
нитной чувствительностью —100 мкВ/мТ. Вы-
носной термостатированный пробник соединен
с блоком управления экранированным кабе-
лем длиной 15 м. Выход прибора подключен
к цифровому вольтметру через аналоговый
коммутатор, применяемый при работе с много-
канальным магнитометром.
На рисунке показана принципиальная схе-
ма магнитометра. Источник стабильного тока
построен на основе интегрального стабилиза-
203
Принципиальная схема магнитометра. Мг,М2, ~ Л7, — МАА723, М3, М4 — К551УД1А; Т,, Т2—
КТ814А, Та, Т4 — КП302Г, Ть — КТ347А, 7’6 - КТ315Г; Ду, Д3 - КЦ407А, Д,, Д4 - Д818Е, —
КУ208А, Д3 - Д814В, Д7 — Д226Б
тора М3 12, 5]. Для увеличения тока возбуж-
дения преобразователя Холла используется
проходной транзистор Tf Потенциометр Т?5
предназначен для калибровки коэффициента
преобразования п.Х., a Т?4 — для установки
прибора в нуль. При необходимости термоста-
билизацию источника тока можно осуществить
установкой последовательно с 7?6 параллельно
соединенных резистора 240 Ом и терморезисто-
ра 100 Ом. Это позволит снизить температур-
ную погрешность прибора до +0,05% в
диапазоне изменения температуры + 10 4- 38° С.
Если же источник стабильного тока поместить
в термостат, то погрешность прибора с исполь-
зованием калибровочных таблиц не превысит
+ 0,02% (+10-4 Т). Измерительный усилитель
состоит из двух дифференциально включенных
операционных усилителей (о.у.) М3 и Л/4,
сочетающих инвертирующий и пеипверти-
рующий усилители [3, 4]. Такое включение
о.у. позволяет подавить синфазные помехи
до 70 дБ. Коэффициент ослабления синфазного
сигнала сильно зависит от подбора /?20, /?21,
204
Я33, и поэтому в качестве этих резисторов
используются прецизионные сопротивления ти-
па БЛП. Для уменьшения дрейфа усилителей
соответственно подобраны /?1я, Т?19, В31, Т?32.
Коэффициент усиления усилителя 10.
Параметрический стабилизатор напряже-
ния Д2, Д4, Т3, Т4 предназначен для стабили-
зации питания о.у. Блок измерительного уси-
лителя помещен в термостат, изготовленный в
виде прямоугольного медного экрана, поверх
которого бифиллярно намотан подогреватель
7?т. Стабилизатор термостата измерительного
усилителя запитан от отдельной обмотки сило-
вого трансформатора Тр. Стабилизатор содер-
жит резистивный мост 7?3т, Т?40 4- В42, ком-
паратор М7 и симистор Дз, к аноду которого
подключен подогреватель 7?т. Потенциомет-
ром Т?41 устанавливается заданная темпера-
тура в термостате. Питание М7 осуществляется
от одпополупериодпого выпрямителя Д7 и
транзисторного стабилизатора напряжения Тя.
Схема термостабилизации преобразователя
Холла состоит из резистивного моста /?15, Т?22 4-
— Ii2t и компаратора М-а, к выходу которого
подключен нагреватель /?д = 100 Ом. Ста-
билизаторы напряжения +12 В построены на
микросхемах М2 и М6 и проходном транзи-
сторе Т2, установленном на охлаждающем
радиаторе.
Магнитометр имеет прямоугольный кор-
пус размером 250 х 200 х 80 мм3, в котором
установлены 6 отдельных каналов. Через разъ-
емы РП-15-23 к магнитометру подсоединены
2 трехкомпонентных преобразователя Холла.
Датчики каждого из них закреплены па под-
ложке из стекла марки К8 размером 6 х 6 мм2.
Градуировочные кривые были сняты в одно-
родном постоянном магнитном поле с помощью
я.м.р. магнитометра. Погрешность прибора
составляет +0,05 (+10~4 Т). Магнитометр
прост в паладке и эксплуатации, обладает
высокой помехоустойчивостью и стабильностью
параметров. Проведенные длительные испы-
тания показали высокую надежность и хоро-
шую повторяемость результатов измерений.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Нейтринный детектор ИФВЭ — ОИЯИ // Материалы
V Рабочего совещания. Д 1,2,13-84-332. Дубна:
ОИЯИ, 1984.
2. Нермет X. // Электроника. 1980. Т. 1. С. 92.
3. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. М.:
Сов. радио, 1979.
4. Современные линейные интегральные микросхемы
и их применение. М.: Энергия, 1980.
5. Полянин К. П. Интегральные стабилизаторы напря-
жения. М.: Энергия, 1979.
Объединенный институт ядерных исследований,
Дубна
Поступила в редакцию 21.III.1986
УДК G21.383.811 ПТЭ № 3, 1987
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВРЕМЯАНАЛИЗИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ]
ПРЕОБРАЗОВ АТЕ ЛЬ ПИКОСЕКУНД17ОГО ДИАПАЗОНА
ФЕЛЬДМАН Г. Г., БРЮХНЕВИЧ Г. И., ЖИЛКИНА В. М„ ИЛЬИНА Т.А., ЛЕБЕДЕВ В. Б.,
СИМОНОВ В. II., СЫРЦЕВ В,Н.
Разработай времяанализирующий электронно-оптический преобразователь для
покадровой и хронографической съемки быстропротекающих процессов в пикосекунд-
ном диапазоне. Прибор управляется линейно нарастающими напряжениями. При этом
возможно формирование последовательности из трех кадров размером бхб мм2. На при-
боре достигнута частота съемки ~8 ГГц при длительности кадров — 60 пс.
Широкое применение находит метод элек-
тронно-оптической диагностики быстропро-
текающих процессов. Он основан па анализе
изображения исследуемого явления при его
непрерывной (хронографической) или покад-
ровой развертке по экрану времяанализиру-
ющего электронно-оптического преобразо-
вателя (э.о.п.).
Предельное временное разрешение, дости-
гнутое в настоящее время при непрерывной
развертке, составляет 1 пс, в то время как
традиционно применяемые методы покадровом
развертки позволили достичь частоты съемки
— 600 МГц при длительности кадра ~ 1 нс.
Существенно большая длительность кадров в
сравнении с максимальным временным разре-
шением объясняется тем, что для их получения
необходимы короткие электрические импульсы
либо сигналы специальной формы, длитель-
ность или период которых соответствуют
длительностям кадров. Формирование таких
импульсов является сложной задачей, посколь-
ку необходимая амплитуда импульсов состав-
ляет несколько сотен вольт и более.
В работе [1] была предложена схема э.о.п.
имеющего в плоскости изображения диафрагму
с системой щелевых апертур. При развертке
электронного изображения кадра по поверх-
ности диафрагмы осуществляется его по-
строчное разложение (диссектировапие), затем
в секции реконструкции изображение восста-
навливается. Огромным преимуществом дай-
ной схемы в сравнении с другими является то,
что прибор управляется линейно нарастающи-
ми (пилообразными) напряжениями, при этом
длительность сформированного кадра ZK в не-
сколько раз меньше длительности «пилы».
С другой стороны, tK определяется временем пе-
редачи одной строки Zc, умноженным па число
п строк в кадре: tK = tc п. Время tc ограничи-
вается принципиально различными факторами
и не может быть меньше временного разреше-
ния хронографических камер. Поэтому можно
утверждать, что минимальная длительность
кадра в данном случае также ограничена.
Кроме того, начало и конец кадра соответ-
ствуют различным моментам времени. Э.о.п.
также обладает низкой светосилой, что свой-
ственно приборам диссекторного тина.
Установка мпогоапсртурпой диафрагмы в
205
Рис. 1. Схема э.о.п. 1 — вакуумная оболочка, 2 —
фотокатод, 3 — ускоряющий электрод, 4 - фокусирую-
щий электрод, 5 — анодная диафрагма, 6’. 8, 10 —
отклоняющие пластины, 7,9 — диафрагмы, 11 — лю-
минесцентный экран
Рис. 2. Внешний вид э.о.н, ПИМ-107
области кроссовера позволяет избавиться от
недостатков, упомянутых выше, сохранив в то
же время положительные качества прибора [21.
На рис. 1 представлена реализованная па-
мп схема э.о.п. с многоапертурной диафраг-
мой, а на рис. 2 — его внешний вид. Прибор
получил название ПИМ-107. Он состоит из ме-
таллокерамической оболочки 7, фотокатода 2,
изготовленного в отдельном вакуумном объеме
и внесенного в оболочку при помощи манипу-
лятора. В непосредственной близости от фото-
катода расположен ускоряющий электрод 3 из
мелкоструктурной сетки. Электростатическая
линза, образованная фокусирующим электро-
дом 4 и анодной диафрагмой 5, формирует
электронный поток с «дальним кроссовером».
Этим термином мы обозначили электронный
поток, кроссовер которого расположен на рас-
стоянии 40 -4- 60 мм от плоскости анодной
диафрагмы, что обеспечивает высокую чувст-
вительность пластин отклонения 6 относитель-
но многоапертурной диафрагмы 7.3а каждой
из апертур диафрагмы расположена пара от-
клоняющих пластин 8, экранированных диаф-
рагмой .9 от отклоняющих пластин 10. Элек-
тронное изображение с фотокатода фокусируется
на люминесцентном экране 11.
Э.о.п. управляется двумя пилообразными
напряжениями, подаваемыми на пластины 6
и 10 в противофазе. Пластины 6 осуществляют
развертку электронного луча по поверхности
диафрагмы 7. При этом луч либо проходит па
экран, либо задерживается стенками диафраг-
мы. Таким образом формируются кадры, число
которых соответствует числу апертур диа-
фрагмы. Пластины 10 служат для компенсации
размазывания изображения па экране, т. е.
возвращают электронный луч, отклоненный
пластинами 6 в исходное положение. Для
предотвращения наложения кадров друг на
друга пластины 8 подают статические по-
тенциалы, осуществляющие смещение кад-
ров на экране. Изменяя потенциалы на плас-
тинах 8, можно регулировать расстояние между
кадрами, полностью или частично наклады-
вать один кадр на другой. Это регулирование
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для ис-
следования характеристик э.о.п. 1 — лазер, 2 — опти-
ческая линия задержки, 3 — световод, 4 измери-
тельная мира. 5 — система объективов, 6 — э.о.п.
ПИМ-107, 7 — э.о.п. ПМУ-2В, 8 — фотоприставка,
9, 10 — светоделящие пластины, 11 — лазерный раз-
рядник, 12 — генератор развертки. 13 — коаксиаль-
ный фотоэлемент, 14, 15 — источники питания, 16 —
осциллограф, 17 — делитель напряжения, 18 — высо-
ковольтный источник
206
Рис. 4. 60-пикосекундные кадры па экране ПИМ-107, а —
равномерное распределение кадров, б — смещенные кадры
не связано с частотой следования кадров и их
длительностью, а только определяет простран-
ственное положение кадров на экране. Времен-
ные характеристики прибора определяются чув-
ствительностью пластин 6 относительно пло-
скости диафрагмы 7, диаметром электрон-
ного луча в кроссовере, шириной каждой из
апертур диафрагмы, а также скоростью нарас-
тания пилообразного напряжения, подаваемого
па пластины 6 и 10.
Поскольку диафрагма 7 установлена в об-
ласти кроссовера, а траектории электронов
в кроссовере пересекаются, во время форми-
рования кадра его разложение на отдельные
элементы пе происходит. Изображение пере-
дается на экран практически в течение всей
длительности кадра, что увеличивает свето-
силу э.о.п. в сравнении с [1].
Пластины отклонения 6' и 10 выполнены как
проходные элементы с 75-Ом разъемами на
входе и выходе. К.с.в. пластин в полосе
частот 0-4-2 ГГц не превышает 2.
Для сохранения пространственной раз-
решающей способности э.о.п. необходима
полная компенсация размазывания изображе-
ния, которая достигается выравниванием
чувствительности пластин 6 и 10. Для этого
пластины 10 имеют настроечный узел, позво-
ляющий сближать либо раздвигать их без
нарушения вакуума и ухудшения частотных
свойств. Размер рабочего поля фотокатода
преобразователя 6 X 6 мм2, коэффициент
электронно-оптического увеличения —1,3.
По своим размерам новый э.о.п. близок
к э.о.п. ПВ-001 |3|. Поэтому для динамиче-
ских испытаний преобразователя мы восполь-
зовались серийной камерой «Агат-СФ-1», заме-
нив в ней ПВ-001 на ПИМ-107.
Схема экспериментальной установки по-
казана на рис. 3. Излучение от импульсного
лазера АИГ: Nd+3 (7), работающего па второй
гармонике X = 532 нм (ширина импульса на
полувысоте — 15 нс), через оптическую ли-
нию задержки 2, образованную двумя зер-
калами, поступает на вход гибкого световода
3 и через него подсвечивает стандартную миру
ГОИ № 5 (7). (Световод используется для
облегчения юстировки оптической системы.)
Изображение миры при помощи двух объек-
тивов 5 камеры «Агат-СФ-1» проектируется на
фотокатод преобразователя ПИМ-107 (6), оп-
тически сочлененного с усилителем яркости
ПМУ-2В (7). Фотографирование с экрана
э.о.п. осуществляется контактной фотопри-
ставкой Часть излучения лазера через свето-
делящие пластины 9, 10 попадает на лазер-
ный разрядник 77, служащий для запуска ге-
нератора развертки 12. и коаксиальный фото-
элемент 13. предназначенный для контроля
лазерного импульса. Питающие статические
напряжения на э.о.п. поступают от источни-
ков камеры «Агат-СФ-1» (77) и внешнего ис-
точника 15. Параметры импульсов определя-
ются при помощи осциллографа 16.
Па рис. 4, а приведена фотография трех-
кадровой развертки фрагмента штриховой
миры ГОИ № 5, полученная на экране экспе-
риментального макета э.о.п. Плотность штри-
хов соответствует пространственному раз-
решению ж 3 мм*1.
Длительность кадров определялась рас-
четным путем по формуле tK = 2d/eA\ где d =
207
= 0,6 мм —диаметр луча в плоскости много-
апертурной диафрагмы (в данной конструк-
ции прибора он равен ширине апертуры диа-
фрагмы); 8 = 4,8-10"3 мм/В — чувствительность
пластин 6 относительно плоскости много-
апертурной диафрагмы; К — скорость нарас-
тания пилообразного напряжения. Минималь-
ная длительность кадров ^60 пс была дос-
тигнута при К = 4,4-1012 В/с, прп этом частота
съемки составила ~ 8 ГГц.
На рис. 4, б продемонстрирована возмож-
ность изменения пространственного положе-
ния кадров па экране при изменении ста-
тических напряжений на пластинах 8. Подоб-
ное регулирование позволяет совмещать изоб-
ражения, например, первого и второго кадров,
т. е. суммировать разновременные события.
Нетрудно заметить, что подача линейно
нарастающего напряжения только на пластины
10 (все остальные пластины должны быть
заземлены) позволит осуществить режим не-
прерывной развертки изображения. Теоре-
тический расчет показал, что для такой элек-
тронно-оптической схемы предельное вре-
менное разрешение составляет —1 пс. Таким
образом, разработанный э.о.п. может ис-
пользоваться как универсальный времяапа-
лизирующий элемент для скоростной съемки
в пикосекундном диапазоне.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Калибъян Р. // Приборы для научных исследований.
1978. № 7. С. 3.
2. Вьюгина Т. С., Лебедев В. В., Степанов Б. М., Фе-
льдман Г. Г. А.с. 868884 СССР // Б.И. 1981. № 36.
С. 259.
3. Брюхневич Г. И., Миллер В. А., Смолкин Б. Д.,
Степанов Б. М. // Труды 14-го Международного
конгресса по высокоскоростной фотографии и фо-
тонике. М., 1980. С. 170.
ВНИИ оптико-физических измерений, Москва
Поступила в редакцию 8.1.1986
УДК 621.383.981 ПТЭ № 3, 1987
ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРКРЕМНИКОНА ЛИ-702-4 ДЛЯ СКОРОСТНОЙ
КОМПЬЮТЕРНОЙ ФОТОГРАФИИ
АЛЕКСЕЕВ М.Б., АРТЕМОВ В.П., ЖЕЛЕЗНОВА М.А.
Описаны результаты исследования работы суперкремникона ЛИ-702-4 в режиме
однократной регистрации, запоминания оптического изображения и последующего
считывания информации.
Как правило, исследование быстропротекаю-
щих плазменных процессов приходится прово-
дить на фоне сильных электромагнитных помех
от коммутационных цепей в плазменных уста-
новках. Измерение световых сигналов с по-
мощью телевизионных трубок значительно легче
выполнить, если разделить во времени момент
регистрации и момент считывания информа-
ции электронным лучом.
Ниже описываются результаты исследо-
вания серийного сунеркремникона ЛИ-702-4
в режиме запоминания оптического изобра-
жения и последующего считывания [1].
Суперкремникон имеет мультищелочпой
входной фотокатод и секцию переноса изоб-
ражения. Электронное изображение проек-
тируется на мишень из кремниевых диодов,
причем каждый фотоэлектрон, обладающий
энергией в несколько киловольт, образует в
мишени множество носителей тока. Благодаря
этому трубка имеет внутреннее усиление от не-
скольких сотен до 1500 4- 2000, и чувствитель-
ность ее существенно превосходит чувстви-
тельность других передающих телевизионных
трубок. Суперкремникон может работать при
освещенностях до 10~5 лк.
Поскольку по техническим условиям ЛП-
702-4 предназначен для непрерывной регист-
рации, то для режима однократной регист-
рации с последующим считыванием проведены
исследования на специальном стенде, блок-схема
которого представлена на рис. 1.
Со схемы запуска СхЗ, синхронизирующей
развертку телевизионной установки импульса
и модулятора М трубки, подавался импульс на-
пряжения на генератор Гн1, который одно-
временно запускал блок управления БУ им-
пульсным высоковольтным источником питания
ИПу и генератор импульсов задержки считы-
вания Гн2, Задержка контролировалась за-
поминающим осциллографом Ос. С блока управ-
ления БУ импульс напряжения подавался на
импульсный высоковольтный источник пита-
ния ИПХ, который открывал электронно-оп-
тический преобразователь ЭО11 суперкремни-
кона. Схема управления СхУ модулятором
формировала импульс, закрывающий моду-
лятор, на время, определяемое генератором
задержки считывания Гн2. Напряжения от-
крывания и запирания регулировались с по-
мощью источников питания ИП2 и ИП3.
Суперкремникон ЛИ-702-4 устанавливался
208
Рис 1. Блок-схема управления суперкремниконом ЛИ
702-4
Рис. 2. Временные диаграммы работы суперкремникона
Рис. 3. Зависимость амплитуды от задержки откры-
вания модулятора при tgon — 1 мкс (7) и 0,5 мкс (2)
в промышленную телевизионную установку
ПТУ-50 без значительных конструктивных
переделок.
Проверка в импульсном режиме показала,
что вплоть до импульсов с крутизной фронта
1 мкс нарушений работоспособности трубки,
вызванных пробоями по поверхности фото-
катода и потерей электрической прочности
промежутка, не происходит.
Для определения возможности регистра-
ции однократных процессов была измерена
зависимость амплитуды видеосигнала от вре-
мени между открытием электронно-оптического
затвора (секции переноса) и подачей отпира-
ющего импульса на модулятор.
13 импульсном режиме со схемы запуска
подавался импульс запуска генераторов
Гн1 и Гн2. Па фотокатод электронно-оптиче-
ского затвора трубки с импульсного источника
питания подавался импульс напряжения U2 =
= 7 4- 10 кВ и длительностью t = 1 4- 1000 мкс
(см. временные диаграммы на рис. 2). 13 мо-
мент подачи импульса напряжения на фото-
катод электронно-оптической секции на моду-
лятор подавалось запирающее напряжение
—100 13. Считывание начиналось через время
задержки т', когда на модулятор подавался
импульс напряжения U3 = —50 13 и длитель-
ностью т'. Прй исследовании видеосигнала с
задержкой т0 импульс запуска U4 на осцил-
лограф подавался с Гн2.
Па рис. 3 показаны зависимости амплитуды
видеосигнала от задержки при двух разных
длительностях импульса открывания элек-
тронно-оптического затвора. Видно, что сиг-
нал растет и достигает насыщения после за-
крывания электронно-оптического 'затвора.
Следовательно, накопление фотозарядов и об-
разование потенциального рельефа происхо-
дит и после действия электронного потока на
мишень, и при выборе экспозиции и задержки
считывания следует учитывать этот эффект
накопления [2]. При однократных процессах
такой эффект не ухудшает характеристики
трубки, однако для случаев частотной реги-
страции процесс накопления может сказаться
на выборе частоты считывания. Глубина по-
тенциального рельефа мишени, достигнув
насыщения, начинает уменьшаться с постоян-
ной времени, определяемой характеристиками
мишени.
Время уменьшения глубины потенциаль-
ного рельефа до 80% уровня насыщения в. ис-
следуемом приборе составляло 90 мс.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Савкина М. Ф. // Обзоры по электронной технике.
1977. № 3. С. 271.
2. Петраков А . В., Харитонов В. М. Высокоточные
телевизионные комплексы для измерения быст-
ропротекающих процессов. М.: Атомиздат, 1979.
Всесоюзный электротехнический институт, Москва
Поступила в редакцию 4.X.1985
(После переработки 29.IV.1986)
14 ПТЭ, М 3
209
УДК 535.247.1
ПТЭ № 3, 1987
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ВИЗУАЛИЗАТОР ИНФРАКРАСНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
ГРОМОВ А. Н., ЖАРКОВА Г. М., ТРАШКЕЕВ С. И.
Описан визуализатор инфракрасного излучения, не требующий жесткого термо-
статирования. Визуализатор прост в изготовлении и эксплуатации. Характеристики
визуализатора позволяют предложить его в качестве удобного прибора для настройки
резонаторных систем технологических лазеров.
Для непрерывного контроля выходного из-
лучения лазеров инфракрасного диапазона
разработаны различного рода визуализаторы
И, 21. Визуализаторы па основе жидких кри-
сталлов (ж.к.) [3] в отличие от электроппо-
оптических преобразователей или тепловизо-
ров привлекают потребителей простотой полу-
чения визуальной картины, своей техноло-
гичностью и экономичностью. Визуализатор,
содержащий слой ж.к., поглощает попада-
ющее па него излучение и преобразует его в
видимую цветную картину распределения тем-
ператур по поверхности. Чувствительность и
разрешающая способность подобных визуали-
заторов определяются теплофизическими свой-
ствами поглощающего слоя, временем реак-
ции и динамическим диапазоном используе-
мых ж. к.
В последнее время все большее применение
паходят не свободные ж.к., характеризую-
щиеся малым рабочим ресурсом, а термохром-
ные пленки на основе ж.к., заключенных в
полимерную матрицу (закапсулированных) [4].
Для большинства конструкций описанных
ж.к.-визуализаторов необходимо жесткое тер-
мостатирование термохромного слоя [5], что
вызывает иногда значительные трудности и
неудобства при проведении работы. Предло-
женная в [б] оригинальная конструкция по-
зволяет обойтись без термостатирования при
регистрации слабых 10~3 Вт/см2) потоков
инфракрасного излучения, но постоянная
времени такого визуализатора слишком ве-
лика (~ 3-4-6 с).
В данной работе описывается визуализатор,
в котором термохромная пленка закапсули-
рованных ж.к. наносится непосредственно на
металлическую подложку ф 80 мм, охлаж-
даемую (при необходимости) водой. Толщина
d термохромного слоя выбрана равной 30 4-
н-80 мкм. Распределение температуры по поверх-
ности ж.к.-пленки будет подобно распределению
интенсивности в попадающем па пленку излу-
чении, если выполнено условие
dW<< 1,
где а — характерный размер неоднородно-
сти визуализируемого излучения. Это означает,
что при визуализации изображений с харак-
терным размером ^>5 4-10 мм поперечным
тепловым расплыванием можно пренебречь.
Заметим, что разрешающая способность опи-
сываемого визуализатора не зависит от вели-
чины коэффициента теплопроводности термо-
хромного слоя. Малая толщина термохром-
ного слоя обеспечивает малую постоянную
времени визуализатора (0.3 4- 1 с).
Визуализатор использовался для визуали-
зации выходного излучения технологического
СО2-лазера ЛОК-3. Наилучшие результаты
были получены с визуа.тизаторамп, применяв-
шимися при следующих условиях: плотность
мощности визуализируемого излучения 1 4-
4- 5 Вт/см2; диапазон чувствительности термо-
хромного слоя -f-40 °C (красно-жслтый), 4-44 С
(зеленый), 4-49 °C (голубой); температура ох-
лаждающей воды 4-33 С. Разрешающая спо-
собность не хуже 5 4- 10 мм-1. На визуализа-
торе наблюдалось яркое цветное кольцо.
Описанный визуализатор особенно удобно при-
менять для непрерывного контроля распре-
деления интенсивности выходного излучения
при юстировке резонатора СО2-лазера.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Хирд Г. Измерение лазерных параметров. М.: Мир,
1970.
2. Зубов В. А. Методы измерения характеристик ла-
зерного излучения. М.: Наука, 1973.
3. Жаркова Г. М., ОришичА. У!., Пономаренко А. Г.,
Солоухин Р. И. // ПТЭ. 1973. № 5. С. 208.
4. Свойства и применения жидкокристаллических тер-
моиндикаторов / Под ред. Г. М. Жарковой. Ново-
сибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1980.
5. Клюкин Л. У!.. Сонин А. С., Степанов Б. М., Ши-
баев И. II. // Квантовая электрон. 1975. Т. 2. № 1.
С. 61.
6. Сухенко Е. П. // Журн. техн, физики. 1983. Т. 53.
Вып. 10. С. 2092.
Институт теоретической и прикладной механики СО
АН СССР,
Новосибирск
Поступила в редакцию 13.II.1986
210
УДК 535.87 ПТЭ № 3, 1987
ФОКУСИРУЮЩИЕ ЗЕРКАЛА С ОСНОВОЙ ИЗ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩЕЙ ПЕПЫ
БУДАГОВ Ю.А., ЙОРДАНОВ А. Б., ЛИТОВ Л. Б., ХАРЖЕЕВ Ю. И., ЦЕПОВ Р. В.
Описал простой способ изготовления легких ц прочных фокусирующих зеркал с
основой из быстротвердеющей пены — пенополиуретана ППУ-ЗС. Сферические фоку-
сирующие зеркала имели прямоугольную форму с размерами 315x760 мм2, радиус кри-
визны 1200 мм. Трехлетний опыт использования этих зеркал иа спектрометрической
установке ГИПЕРОН показал стабильность их высоких светоотражающих и фокуси-
рующих свойств.
При создании черепковских счетчиков
одной из основных проблем является пробле-
ма светосбора. решение которой непосредственно
зависит от свойств фокусирующих зеркал.
Известно много способов изготовления зеркал,
обладающих высокими фокусирующими и свето-
отражающими свойствами [1, 2]. Однако на
практике часто •требуются зеркала, облада-
ющие наряду с указанными свойствами и та-
кими, как легкость материала зеркала (для
уменьшения многократного рассеяния час-
тиц, проходящих через зеркало), простота тех-
нологии изготовления зеркал и их последующей
обработки с целью получения элементов раз-
личных форм. Потребность в таких зеркалах,
имеющих прямоугольную (или многоугольную)
форму, возникает, например, при сборе много-
зеркальных отражающих поверхностей моза-
ичного типа пе только в черепковских счетчи-
ках, но и в энергетических солнечных уста-
новках. В известных способах имеет место
трудоемкая механическая операция — шлифов-
ка поверхностей, а плотность материала зерка-
ла на единицу площади его поверхности (р) пре-
вышает 1 г/см2.
В данной работе описан новый способ из-
готовления легких и прочных зеркал прямо-
угольной формы, обладающих высокими све-
тоотражающими и фокусирующими свойства-
ми. Зеркало изготавливается по технологии,
близкой к описанной в работе [31, по в отличие
от нее вводится дополнительный второй слой
основы из легкого вещества. Этот второй слой
фиксирует форму и радиус кривизны поверх-
ности зеркала без использования армировки
из тяжелого материала, что позволило значи-
тельно уменьшить величину р.
Зеркало изготавливается следующим об-
разом (см. рисунок). На светоотражающую
майларовую пленку 1 толщиной 15 4- 30 мкм,
приклеенную на арматурное кольцо 4, нали-
вается топким слоем (0,5 4- 0,$ мм) эпоксид-
ный компаунд 6 (эпоксидная смола ~ отвер-
дитель). После частичной полимеризации ком-
паунда, приводящей к потере текучести по-
следнего, между пленкой и формой создается
избыточное давление [31. Давление поХНрр-
живается не только до полной полимеризации
смолы (24 4- 30 ч), но и во время формирова-
ния второго слоя 7, создаваемого путем раз-
лива жидкой многокомпонентной смеси пено-
полиуретана ППУ-ЗС [4] на полностью поли-
меризовавшуюся эпоксидную основу. В тече-
ние 2 4-3 мин жидкий ППУ-ЗС, вспениваясь
при атмосферном давлении, увеличивает свой
объем в 10 4- 15 раз и спустя 20 4- 24 ч ста-
новится жестким. В дальнейшем зеркало мо-
жет быть использовано в форме полученного
сферического сегмента либо прямоугольного
(или многоугольного) элемента, легко выре-
заемого из исходного сегмента.
Непосредственное нанесение пенополиуре-
тана на светоотражающую пленку приводит к
полной потере гладкости пленки. Поэтому в
нашем способе первый тонкий слой из эпок-
сидной смолы обязателен: он, во-первых, сох-
раняет гладкость плевки в процессе формиро-
вания слоя и, во-вторых, обеспечивает необхо-
димую адгезию между соприкасающимися с ним
поверхностями пленки п второго слоя основы.
Вследствие этого толщину первого слоя удается
существенно уменьшить и довести до указан-
ных выше значений 0,5 4- 0,8 мм. Второй
слой основы из жесткого пенополиуретана
толщиной 15 4- 40 мм окончательно фиксирует
и сохраняет во временп радиус кривизны зер-
кала.
Достигнутая нами величина р составила
для фокусирующих зеркал круглой и прямо-
угольной форм соответственно 0,12 4- 0,15 и
0,2 4- 0,3 г/см2, что существенно меньше ве-
личины р в известных зеркалах аналогичной
формы.
Поскольку формирование зеркала проис-
ходит при маленьком избыточном давлении
(0,05 атм) и температуре — 40 С, а отража-
ющий слой пленки непосредственно пе контак-
тирует с поверхностями формы и второго
слоя основы, то коэффициент отражения зер-
кала не отличается от коэффициента отражения
исходной пленки.
Предлагаемым способом были изготовле-
ны 16 зеркал в форме сферических сегментов
с диаметрами основания и радиусами кривиз-
ны: 300 и 1060 мм, 580 и 900 мм, 860 и 1200 мм.
Из образцов с диаметром основания 860 мм
были вырезаны 12 прямоугольных элементов
(зеркал) с размерами 315 X 760 мм2, из которых
14* 211
Поперечное сечение формы для изготовления зеркала. 1 —
светоотражающая пленка, 2 — форма, 3 — кольцо, 4 — армату-
рное кольцо, 5 — уплотнительная резинка, 6 — эпоксидный
компаунд, 7 — пенополиуретан
8 были использованы как светофокусирующие
зеркала в 8-канальном пороговом черенковском
счетчике [5], работающем в составе спектромет-
рической установки ГИПЕРОН [6]. Проверка
фокусирующих свойств зеркал и их юстиров-
ка после монтажа в счетчике проводились с
помощью лазера, луч которого имитировал
направление черепковского излучения от про-
ходящих через счетчик частиц. При скани-
ровании таким лучом всей поверхности каж-
дого зеркала отраженный луч не выходил за
пределы фотокатода фотоумножителя (диаметр
110 мм), соответствующего данному зеркалу.
Трехлетний опыт использования зеркал пока-
зал высокие фокусирующие и светоотражаю-
щие свойства и их стабильность во времени.
В заключение авторы выражают благо-
дарность В. П. Джелепову,' А. Д. Софронову,
Н. П. Федорову за содействие в работе, А. В. Хру-
ленко за консультации
ППУ-ЗС, |П. В. Симонову
за помощь в работе.
по использованию
и Л. А. Пермяковой
ЛИТЕРА ТУРА
1. Зрелое В. И. Излучение Вавилова—Черенкова.
Т. 2. М.: Атомиздат, 19(58.
2. Антипов 10. М.. БатаринВ.А., Беззубов В. А. и
др. // ПТЭ. 1979. № 4. С. 84.
3. Йорданов А. Б., Сергеев С. В., ФещенкоА.А. А.с.
710820 СССР//Б. И. 1980. № 3. С. 62.
4. Кацнельсон М. Д., Балаев Г. А. Пластические мас-
сы. Л.: Химия, 1978.
5. Бицадзе Г. С., Будагов 10. А ., Блик А. М. и др.
Препринт ОИЯИ 13-85-80. Дубна, 1985.
6. Антюхов В. А., Бицадзе Г. С., Будагов 10. А. и др.
Препринт ОИЯИ 13-84-562. Дубна, 1984.
Объединенный институт ядерных исследований,
Дубна
Поступила в редакцию 12.111.1986
УДК 539.893 ПТЭ № 3, 1987
ПРОСТАЯ КОНСТРУКЦИЯ СМОТРОВОГО ОКНА СОСУДА
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
АЗАРХ М. 3., КАПОРОВСКИЙ Б. М., ПРОХОРЕНКО О. А., ЮРЦЕВ П.Н.
Уплотнение окна б 20 мм в сосуде высокого давления (до 50 МПа) осуществляется
с помощью деформированного кольца.
Известны конструкции смотровых окон,
изготовленных из стекла или другого проз-
рачного материала, притертых к металличе-
ской опорной детали. Опорные поверхности
могут быть конусными или плоскими. Надеж-
ность этих окон зависит от точности их изго-
товления и качества притирки [1].
В описываемой конструкции пе предъяв-
ляются высокие требования к точности изго-
товления и качеству обработки элементов окна.
Из рисунка видно, что стекло 1 расположено
с большим зазором в гнезде корпуса 2. В этот
зазор помещают резиновое кольцо 3 с радиаль-
ной деформацией 10 4- 25% и фторопластовую
прокладку 4. После этого гнездо закрывается
металлической крышкой 5, которая крепится к
корпусу двумя шпильками. Между крышкой
и стеклом устанавливается паранитовая прок-
ладка 6. Кольцо 3 обеспечивает надежную гер-
метизацию. Прокладка 4 служит для предот-
212
вращения выдавливания” резины'в зазор между
крышкой и* корпусом.
Описанная конструкция смотрового окна бы-
ла многократно испытана при давлениях до
50 МПа.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Циклис Д. С. Техника физико-химических исследо-
ваний при высоких и” сверхвысоких . давлениях.
М.: Химия, 1965. С. 236.
НИИ резиновой промышленности, Москва
Поступила в редакцию ЗОЛ.1986
Упрощенная конструкция смотрового окна для сосудов
высокого давления. 1 — стекло, 2 — корпус, 3 — ре-
зиновое кольцо, 4 — фторопластовая прокладка, 5 —
металлическая крышка, 6 — паранитовая прокладка
УДК 539.89
ПТЭ № 3, 1987
МОДИФИКАЦИЯ КЛАПАНА НАСОСА НЖР ПА ДАВЛЕНИЕ ДО 3 кбар
ПОЛАНДОВ И.Н., КРЮКОВ А. В.. ГУЛИШ О. К., АЛЁХИНА Н.С.
Усовершенствование шарикового клапана высокого давления достигнуто введени-
ем дополнительного элемента в форме чечевицы одинаковой с шариком твердости.
Шариковые клапаны жидкостных насосов
высокого давления имеют целый ряд недостат-
ков, которые существенно влияют на работу
насоса. Как известно, твердость материала
корпуса клапана всегда ниже твердости шарика.
Поэтому с течением времени кромка гнезда
клапана разбивается, что приводит к утечкам
Клапанное устройство. 1 — нажимная гайка, 2 —
тело насоса, 3 — пружина, 4 — шарик, 5 — чечевица
жидкости и выходу клапана из строя. Кроме
этого, как правило, с течением времени воз-
никают утечки в местах контакта корпуса
клапана и тела насоса.
Для устранения этого недостатка клапан
был усовершенствован (рисунок). Из твердой
стали ШХ-15 (IIRC = 56 4- 58) изготавливают
вставку в форме чечевицы 5. При затяжке
корпуса клапана 1 в точках А и В возникают
большие контактные давления, что и обеспе-
чивает высокую герметичность и надежность
усовершенствованного клапана. Так же на-
дежно работают в паре шарик и чечевица, об-
ладающие практически одинаковой твердостью.
Па рисунке показана часть насоса высокого
давления с пагпстательпым клапаном, в ко-
тором использована пара чечевица — шарик.
Такая же пара чечевица — шарик может быть
использована во всасывающем клапане. Эксплу-
атация жидкостных пасосов высокого давле-
ния с предлагаемым клапаном показала его
длительную и падежную работу.
Московский госунивсрситет
Поступила в редакцию 10.11.1986
213
УДК 534.41
ПТЭ № 3, 1987
АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
СЕМПХИИ В. И.
Рассмотрена возможность анализа спектра сложного акустического сигнала непос-
редственно в акустическом тракте измерительного устройства. Основным элементом ана-
лизатора спектра является цилиндрический резонатор переменной длины, возбуждае-
мый через систему отверстий в торцевой стенке. Разрешающая способность анализато-
ра спектра определяется добротностью акустического резонатора и достигает значения
104.
Анализ спектров сложных акустических
сигналов обычно осуществляется с помощью
устройств, содержащих различного типа пьезо-
преобразователи и анализаторы спектра элек-
трических сигналов. Недостатком таких
устройств является то, что спектральному ана-
лизу подвергается электрический сигнал, по-
ступающий с датчика звукового давления.
Разрешающая способность таких устройств ог-
раничивается разрешающей способностью ана-
лизатора спектра электрических сигналов.
Кроме того, в процессе преобразования акус-
тического сигпала в электрический могут воз-
никать искажения в спектре.
В акустических измерениях анализ спектра
произвольного сигпала непосредственно в акус-
тическом тракте можно осуществить с помощью
цилиндрического резонатора переменной длины,
являющегося аналогом интерферометра Фабри —
Перо. Для этой цели удобно использовать резо-
натор интерферометра для измерения скорости
и коэффициента поглощения ультразвука в жид-
костях, предложенного в работе [1]. Принципи-
альная схема резонатора изображена па рис. 1.
Цилиндрический, резонатор переменной длины
образован цилиндрическим корпусом 1 с жест-
ко прикрепленной к нему металлической отра-
жающей пластиной 2 и подвижным поршнем 3
с приемным пьезопреобразователем 4. Для по-
давления резонансных колебаний с внешней
стороны к отражающей металлической пласти-
не 2 прикрепляется пластина 5 из материала,
хорошо поглощающего ультразвук, имеющая
кольцевые канавки. Возбуждение колебаний
среды в резонаторе осуществляется через сис-
тему из шести отверстий связи 6, расположен-
ных по окружности диаметром, примерно рав-
ным 2 3 внутреннего диаметра резонатора. Пор-
шень 3 соединен с механизмом перемещения
и может равномерно двигаться как в одном,
так и в другом направлении. Сигнал с пьезо-
преобразователя 4 поступает па схему регист-
рации интерферограммы, содержащую широ-
кополосный усилитель, детектор и самопишу-
щий потенциометр.
Разрешающая способность является основ-
ной характеристикой любого спектрального
прибора. Разрешающую способность акусти-
ческого анализатора спектра R можно опреде-
лить так, как это принято делать в оптике и ра-
диофизике, т. е. определить как отношение
//Д/п, где Д/п — частотный интервал, соответст-
вующий ширине резонансного пика номера п на
уровне 0,707 от максимального значения ампли-
туды сигпала. Определяемая таким образом
разрешающая способность анализатора спек-
тра зависит от номера резонансного пика п нли
у.
5 2 6 1 Ч 3
Рис. 1. Принципиальная схема цилиндрического ре-
зонатора
Рис. 2. Интерферограммы монохроматического акусти-
ческого сигнала (а) и сигналов, имеющих две спект-
ральные составляющие (б -е- г)
214
длины цилиндрического резонатора:
Я = Qxn = Qx2L/k, (1)
где L — длина резонатора, X — длина волны
в среде, заполняющей резонатор, Qx — доб-
ротность резонатора. Если резонатор запол-
нен средой с малым коэффициентом объемного
поглощения ультразвука а, то Qx определяет-
ся соотношением [2]
zi Г • 1-1 Л Р1У1
(Л. = л arcsin --------------—------ ~ -у- -— , (2)
4 L PiCrpe -Г pc/PiCi J 4 рс ' '
где рхсх — волновое сопротивление материала
отражающей пластины 2; рс — волновое соп-
ротивление среды в резонаторе. Для цилиндри-
ческого резонатора длиной L = 55,7 мм с от-
ражающей пластиной из вольфрама в соответ-
ствии с соотношением (2) по формуле (1) полу-
чаем для разрешающей способности значение
Я~6,6-103. На рис. 2 показаны интерферо-
граммы монохроматического акустического сиг-
нала с частотой Д (интерферограмма а) и акус-
тических сигналов, имеющих две спектральные
составляющие: Д и Д (б), Д и /2 (в), Д и /2 (г),
где /j = 1610,0 кГц, Д = 1610,5 кГц, /2 =
= 1611,5 кГц, /2 = 1613,0 кГц. Резонатор при
этом был заполнен дистиллированной водой,
температура, которой поддерживалась равной
18,5 °C. Расстояние между резонансными пи-
ками при частоте Д соответствовало перемеще-
нию поршня 3 на 0,466 мм.
Анализ полученных интерферограмм пока-
зывает, что разрешающая способность анали-
затора спектра акустических сигналов имеет
значение порядка 101. Область применения ана-
лизатора спектра ограничивается частотами
107 -4- 108 Гц. При этих частотах добротность
акустического резонатора и, следовательно,
разрешающая способность начинают рез-
ко уменьшаться за счет увеличения объемного
поглощения среды в резонаторе, пропорцио-
нального квадрату частоты.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Болотов А. А., Семихин В. И. А.с. 1142785 СССР //
Б.И. 1985. № 8. С. 158.
2. Шутилов В. А. Основы физики ультразвука. Л.:
Изд-во ЛГУ, 1980. С. 190.
Тюменский госуниверситет
Поступила в редакцию 14.11.1986
УДК 621.386 : 548.73
НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ КАМЕРА К ДИФРАКТОМЕТРУ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ
ЛЕОНТЬЕВ Н.Г., ФЕСЕНКО Е. Г.
ПТЭ №3, 1987
Описана малогабаритная нагревательная камера, крепящаяся па стандартный гони-
остат Г11-3 гониометров ГУР-4 и ГУР-5. Камера позволяет осуществить набор всех от-
ражений монокристалла размером до 1 мм по ребру в безградиептном тепловом поле до
600 °C. Снятие и установка камеры осуществляются без нарушения юстировки образца.
В литературе описано несколько конструк-
ций нагревательных камер, предназначенных
для рентгепоструктурных исследований моно-
кристаллов при повышенных температурах.
Образцы нагреваются за счет теплового излу-
чения нагревателей различной формы [1,2] или
с помощью мощных инфракрасных ламп [3].
Известен способ обдува образца потоком нагре-
того воздуха [4, 5]. Однако при таких конструк-
циях возникают температурные градиенты на
образце, нестабильность его температуры за
счет внешних воздушных потоков и разогрев
деталей гониометра.
В данной работе описана небольшая каме-
ра для нагревания монокристаллов от комнат-
ной температуры до 500 °C при рентгенострук-
турных исследованиях на дифрактометре.
В пей использован обдув образца потоком горя-
чего воздуха в замкнутом тороидальном
канале.
Камера (рисунок) состоит из стального цп-
215
линдрического кожуха 1, в котором крепит-
ся керамический корпус 2 из двух половин
с тороидальным капалом 3. В канале установ-
лен двухсекционный спиральный нихромовый
нагревательный элемент. Между его секциями
расположен микровентилятор, насаженный на
вал высокооборотпого микродвигателя 5. Пос-
ледний крепится на приливе фланца кожуха.
В верхней части кожуха сделаны отверстия для
термопары 6 и выводов нагревателя 4. В ниж-
ней части корпуса с противоположной от вен-
тилятора стороны имеется отверстие для крис-
таллодержателя 7, закрепляемого на гонио-
метрической головке 8. В корпусе и кожухе
сделан сегментообразный вырез для пропус-
кания рентгеновских пучков, закрываемый фоль-
гой из слабо поглощаемого материала.
Камера при помощи опорной плиты 9и кронш-
тейна 10 устанавливается на дугу 11 гониоста-
та ГП-3, входящего в комплект рентгеновских
гониометров ГУР-4 и ГУР-5, и позволяет ис-
пользовать экваториальную геометрию съемки.
При этом обеспечивается возможность враще-
ния камеры с кристаллом вокруг вертикаль-
ной оси гониометра (<о = 160°) и горизонталь-
ной оси гониостата (/ = 100°), а также вра-
щения кристалла на гониометрической головке
вокруг ее собственной вертикальной оси (Ф =
= 360°) и двух перпендикулярных осей па углы
+15°. Оси обозначены согласно работе [6].
На шпенек верхнего сектора гониометри-
ческой головки надевается асбестовая шайба,
закрывающая отверстие камеры для кристал-
лодержателя и одновременно являющаяся экра-
ном гониометрической головки. Опорная пли-
та, фланец кожуха и кронштейн изготовлены
из титана для уменьшения нагрева деталей го-
ниостата и микродвигателя. Крепление опор-
ной плиты к гониостату обеспечивает быстрое
снятие и установку камеры при смене и юсти-
ровке образца без нарушения последней.
Камера обеспечивает установку температу-
ры до 500 °C в течение 0,5 ч и стабильность ее
+0,5 °C в процессе длительной работы при
использовании высокоточного регулятора тем-
пературы ВРТ-3. Камера пригодна для преци-
зионных измерений параметров элементарной
ячейки и набора массива отражений для оп-
ределения пространственной группы фаз неболь-
ших (до 0,5 мм по ребру) монокристаллов. Уст-
ройство камеры допускает приложение к об-
разцу электрического поля.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Lucas В. W. Hi. Phys. Е.: Sci. Instrum. 1973. V. 6.
№ И. Р. 1097.
2. Антипов Е. МКузьмин И. Н., Овчинников К). К.,
Маркова Г. С. // ПТЭ. 1975. № 2. С. 214.
3. Kirov G. N., Balkanov I. М. // Krist. und Techn.
1975. V. 10. № 7. K69.
4. Ридер E. Э., Исаков И. В., Дударев В. Я. // Аппа-
ратура и методы рентгеновского анализа. М.:
Машиностроение, 1974. Вып. 14. С. 127.
5. TuinstraF., Fraase Storm G. M. // J. Appl. Crystal-
logr. 1978. V. 11. P. 257.
6. Хейкер Д. M. Рентгеновская дифрактометрия моно-
кристаллов. M.: Металлургия, 1974. С. 93.
Азово-Черноморский институт механизации
сельского хозяйства, Зерноград
Поступила в редакцию 17.1.1986
УДК 621.365.43:621.315 ПТЭ №3, 1987
УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ
ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ 300-ь 1600 К
БУТЕНКО В. А., КАБЫШЕВ А. В., КАСЕНОВ Ф. К., ЛОПАТИН В. В., ЧЕРНЕНКО В. II.
Описана установка для комплексных измерений диэлектрических свойств, элект-
рической прочности, ресурса работы и напряжения поверхностного п робоя термостой-
ких диэлектриков в диапазонах темнературы 300 ч- 1600 К, давления 1О-1 10ь На
различных газов. Высоковольтная изоляция четырех гермовводов рассчитана на40 кВ.
В нагревателе и теплоизоляции печи сопротивления применены углеродоволокнистле
материалы. Пластины пиролитического нитрида бора использованы в качестве эле-
ментов экранно-вакуумной термоизоляции и электрической! изоляции рабочей зоны
90 X 100x440 мм3 печи. Использование анизотропии теплофизических свойств пиронитри-
да бора позволило получить высокую однородность температурного поля в рабочей зоне.
Расчет и координация высокотемператур-
ной электрической изоляции возможны лишь
после измерения зависимостей объемного и по-
верхностного сопротивления,] диэлектрических
потерь, электрической прочности £ир, гра-
диентов поверхностного разряда Елс,в, време-
ни жизни изоляции от температуры. Удобным
способом пагрева испытуемых диэлектриков
216
Печь сопротивления. 1 — корпус, 2 — крышка, 3 —
графит ТКМ, 4 — кварцевая вата, 5,6 — пластины
ИНБ, 7 — нагреватель, 8 — токоввод, 9 — токовый
шунт, 10 — трубка ППБ, 11 — вольфрамовый стер-
жень, 12 — высоковольтный гермоввод, 13 — электрод,
14 — столик
и газа, который незначительно затрудняет та-
кие измерения, является способ радиационно-
го нагрева в электрических печах сопротивления
[14-3]. Используемые в настоящее время печи со-
провтивления и установки на их основе не позво-
ляют проводить измерения диэлектрических
свойств из-за невозможности работынагревателей
в разных газах в широком интервале давлений,
из-за подчас неразрешимых трудностей введения
высокого напряжения, малой рабочей зоны
и др.
Ниже описана установка па основе печи
сопротивления, в которой возможно проведе-
ние измерений пе только в вакууме, но и в
газах технической очистки (азот, инертные
газы, углекислый газ). Это стало возможным
благодаря применению, как и в [4], углеродово-
локнистых материалов в нагревателях и элемен-
тах термоизоляции, а также пластин пироли-
тического нитрида бора ППБ.
Установка состоит из печи сопротивления,
высоковольтного блока, комплекса контроль-
но-измерительной аппаратуры и газовакуум-
ной системы.
Газовакуумная система установки обеспе-
чивает проведение испытаний при давлении
от атмосферного до 0,01 Па. Откачка печи осу-
ществляется двумя механическими 2НВР-5Д
и диффузионным Н-5С-М1 насосами. Давле-
ние 0,1 Па достигается за время —1ч (после
предварительного прогрева печи). Необходи-
мое давление газовой среды поддерживается
с помощью крапов-патекателей малого сече-
ния.
Водоохлаждаемый корпус 1 (рисунок) пе-
чи сопротивления выполнен из нержавеющей
стали и имеет размеры 300 X 300 X 600 мм3,
размер рабочей зоны 90 X 100 X 440 мм3. Пе-
редняя съемная стенка 2 через уплотняющую
прокладку из кремнийорганической резины
крепится к корпусу накидными болтами.
В боковых стенках корпуса имеется два окна
ф 55 мм для визуального наблюдения или фото-
графирования процессов, происходящих в ра-
бочей зоне. На передней и нижней стенках рас-
положены по два охлаждаемых токоввода 8
для питания трехфазного нагревателя 7. На
верхней стенке установлено четыре высоко-
вольтных гермоввода.
Нагреватель изготовлен из углеродоволок-
нистых пластин КУП-ВМ-2800 толщиной 2 мм.
Одна секция нагревателя плоская и закрепле-
на на токовводах передней степки печи. Две
другие — коробчатой конструкции, собраны из
трех пластин каждая и скреплены под прямы-
ми углами. Детали крепления изготовлены из
плотного углеродоволокнистого материала ТКМ
и псевдосплава вольфрама с медью ВДПМ. Пос-
ледние перед сборкой отжигались для удале-
ния меди. Напряжение питания нагревателя
печи ограничено 10 В. Режим нагрева задает-
ся высокоточным регулятором температуры
ВРТ-3. Датчиком температуры для регуля-
тора служит вольфрамрениевая термопара
ВР-5/20, расположенная непосредственно у
нагревателя. Такие же термопары введены в
рабочую зону для контроля ее температурно-
го поля.
Теплоизоляция рабочей зоны состоит из
плит 3 низкоплотпого ТКМ и кварцевой ва-
ты 4. Использование кварцевой ваты, имею-
щей более высокую отражательную способ-
ность по сравнению с материалом ВИНН-250,
увеличивает эффективность теплоизоляции пе-
чи. Внутренняя поверхность плит закрыта пла-
стинами ПНЕ 5, которые в данном случае вы-
полняют роль экранов экраппо-вакуумной изо-
ляции.
Применение экранов из ПНЕ возможно из-
за достаточно большого коэффициента отраже-
ния в и. к.-области и более высокой, по срав-
нению с традиционно используемыми туго-
плавкими металлами, химикомеханической ус-
тойчивости к воздействию газовой атмосферы
в широком диапазоне давления и температу-
ры. Наряду с эксплуатационными и техноло-
гическими преимуществами КУП-ВМ облада-
ет анизотропией электрического сопротивле-
217
ния, обусловленной волокнистой текстурой,
что приводит к некоторой неравномерности
температурного поля нагревателя.
Применение экрана 6 из ППБ внутри наг-
ревателя выравняло температурное поле в ра-
бочей зоне благодаря анизотропии теплофи-
зических свойств пиронитрида бора [5]. Эффект
выравнивания теплового поля определяется
большими тепло- и температуропроводностями
(сохраняющимися при высокой температуре)
вдоль поверхности 11НБ и малыми — в пер-
пендикулярном направлении. Измерения тем-
пературы в рабочей зоне показали, что экран
не только ликвидировал локальные темпера-
турные градиенты, но и в значительной степе-
ни выравнял распределение температуры по
длине печи (максимальная разница температу-
ры края и центра рабочей зоны при Т 1600 К
составляла 10 К).
При измерениях низковольтных диэлектри-
ческих свойств для подачи зондирующих нап-
ряжений использованы вводы, подобные при-
меняемым в [4|. Источники высоковольтного
блока позволяют проводить измерения на пос-
тоянном, переменном и импульсном (унипо-
лярные и колебательные затухающие импуль-
сы) напряжении амплитудой до 40 кВ. Высо-
кое напряжение подводится к образцам четырь-
мя коаксиальными гермовводами, расположен-
ными вдоль корпуса. Электрической изоляцией
высоковольтного коаксиального гермоввода яв-
ляются цилиндр 12 из керамики 22ХС и транс-
форматорное масло, заполняющее простран-
ство между цилиндром и заземленным корпу-
сом. На вводах имеются токовые шунты 9, пред-
назначенные для снятия осциллограм тока через
образец. Сигнал с шунтом используется также
для отключения высоковольтного генератора
в момент пробоя образца при ресурсных испы-
таниях. Вольфрамовый токоввод 11 закреплен
па сильфоне, что позволяет изменять величи-
ну межэлектродного зазора и создавать необ-
ходимое давление па образец. На токовводе,
изолированном трубкой из ппронитрида бора
10. крепится потенциальный электрод 13, а за-
земленный (нижний) расположен на графито-
вом столике 14. Форма электродов определя-
ется условиями эксперимента.
ПНБ является хорошим высокотемпера-
турным диэлектриком, что значительно облег-
чило решение основной проблемы — введение
высокого напряжения в рабочую зону. К нас-
тоящему времени установка проработала 1500 ч.
За это время были заменены резьбовые соеди-
нения элементов нагревателя, имеющие срок
службы 600-Т-700 ч.
ЛИТЕРА ТУРА
1. ГурвичО. С., Ляхин 10. П., Соболев С. И. Высоко-
температурные электропечи с графитовыми эле-
ментами. М.: Энергия, 1974.
2. Лейканд М. С. Вакуумные электрические печи. М.:
Энергия, 1968.
3. Макарычев И. И., Кондратьев А. И. Сверхвысоко-
вакуумные электрические печи сопротивления.
М.: Энергия, 1975.
4. Бужинский О. И., Бутенко В. А., КрысановС.И.
и др. // ПТЭ. 1981. №3. С. 236.
5. Шарупин Б. II. // Химическое газофазное осажде-
пие тугоплавких неорганических материалов. Л.:
ГИПХ, 1976. С. 66.
НИИ высоких напряжении
при Томском политехническом институте
Поступила в редакцию 31.111.1986
УДК 539.188 ПТЭ № 3, 1987
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЕЧЬ С АВТОЭМИССИОННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ
НАГРЕВОМ
ПРИБЫТКОВ В. А., МАТВЕЕВ О. И., ДИБРОВА А. К.
Описана высокотемпературная трубчатая нечь, работающая в вакууме, с нагревом
потоком электронов, испускаемых автоэмиссионными кольцевыми катодами из углерод-
ных волокон. Зона нагрева, оцениваемая по длине светящейся кольцевой области сте-
нок, составляла 3,5 ч- 7,0 мм в интервале температур 800 ч- 2200 °C, потребляемая
мощность — 2,9 ч- 30 Вт.
Для получения атомных и молекулярных
пучков в вакууме обычно используются высо-
котемпературные печи с коллимирующим ка-
налом [1-5-4]. Наряду с обычными для таких
печей требованиями компактности, надежно-
сти, возможности быстрой смены образца при
решении задач детектирования ультрамалых кон-
центраций атомов и молекул в различных ве-
ществах появляется требование обеспечения
достаточно гибкой программы нагрева различ-
ных частей печи во времени и но ее длине [5].
Ниже описана высокотемпературная печь,
локальный нагрев различных частей которой
осуществляется электронными пучками, по-
218
Рис. 2. Зависимость температуры стенок танталовой
(/) и графитовой (2) печей от потребляемой мощности
лученными с помощью автоэлектронных эмит-
теров из углеродных волокон [6].
Устройство печи и катода показано на рис. 1.
Печь с нагреваемым веществом 1 представляет
собой цилиндрическую трубку 2 из тугоплавкого
материала, закрепленную на штоке 3. Нагрев
осуществляется потоком электронов, эмити-
руемых кольцевыми катодами 4 в электричес-
ком поле, создаваемом с помощью высоковольт-
ного (до 8 кВ) блока питания 5. В качестве
рабочего материала катода использовали кусоч-
ки нитей 6 из углеродного волокна, размещен-
ные по кольцу между стальными шайбами /.Каж-
дая нить толщиной 0,5 мм содержала 700-н1000
карбонизированных гидратцеллюлозных воло-
кон ф 7н-8 мкм.
Трубчатую печь (длина 25 мм, наружный
диаметр 3 мм), изготовленную из танталовой
фольги (толщина 20 мкм), свернутой в два слоя,
или из спектрально чистого графита (внутрен-
ний диаметр печи 2 мм), помещали в кварце-
вую вакуумированную камеру, в которой под-
держивалось давление —0,01 Па. Температу-
ру стенок печи измеряли оптическим пиромет-
ром «Промиаь».
Свечение стенок, соответствующее темпера-
туре 800° С, как графитовой, так и танталовой
печи наступало при напряжении 3,6-5-3,8 кВ
и требовало для своего поддержания мощности
2,0 -4- 3,2 Вт на один кольцевой катод. При
этом высота светящегося кольца поверхности
печи была практически равна высоте (3,5 мм)
кольцевого катода. При средней температуре
в центре светящегося кольца 2000 -4- 2200 °C
его высота в случае танталовой трубки была
вдвое, а в случае графитовой трубки — втрое
больше высоты катода, что связано с более вы-
сокой теплопроводностью стенок графитовой
печи.
Средняя температура Т в центре пятна во
всем исследованном интервале температур прак-
тически линейно зависит от ]/"Р, где Р — мощ-
ность, потребляемая одним катодом (рис. 2).
Разница в значениях тангенса угла наклона
графиков прямых 1 и 2 обусловлена тем, что
толщина стенок танталовой печи значительно
меньше толщины стенок графитовой печи. Мак-
симальная наблюдаемая температура печи
(2400 -4- 2600 °C) ограничивалась интенсивно-
стью процессов сублимации атомов из матери-
ала трубок, приводящих к появлению зеркаль-
ного покрытия степок кварцевой камеры. Оп-
лавление наружной поверхности танталовой
трубки, происходящее при повышении Р до
40 Вт, дает основание полагать, что при этом
была достигнута температура > 3000 °C.
Наработка кольцевых катодов из углерод-
ных волокон в течение 50 -=- 60 ч не приводит
к существенному изменению их эмиссионных
свойств. Колебания тока при этом достаточно
малы (—20%) и в случае необходимости могут
быть снижены до уровня 2 -4- 3% с помощью
простого стабилизатора тока [7].
ЛИТЕРА ТУРА
1. Stockdale J. А., Schumann L., Brown Н.Н., Bender-
son В. // Rev. Scient. lustrum. 1977. V. 48. № 7,
P. 938.
2. Erez G., Kerman A., Kimhi D. et al. // Rev. Scient.
Instrum. 1977. V. 48. № 11. P. 1482.
3. Плехоткина Г. Л. // ПТЭ. 1981. № 6. С. 201.
4. Bekov G. J., Letokhov V. S. // Appl. Phys: B. 1983.
V.30. P. 161.
5. МатвеевО. И. Дис. ... каид. хим. паук. М.: МГУ,
1979. 150 с.
6. Осипов Н. И. Ц ПТЭ. 1984. № 5. С. 199.
7. Осипов Н. И., Анаскин И. Ф. // ПТЭ. 1981. №5.
С. 148.
Поступила в редакцию 24.II 1.1986
219
УДК 681.142 : 681.327 ПТЭ № 3, 1987
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОКАЛЬКУЛЯТОРА «ЭЛЕКТРОНИКА МК-64»
ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬЮ
ЮНУСОВ М. С., АБДУРАХМАНОВ Ю. Ю., КИМ В. М., ОБЪЕДКОВ Е. В.
Описана система стабилизации и программного изменения температуры, состоящая
из микрокалькулятора «Электроника МК-64», цифрового вольтметра 137-28 и уст-
ройства управления. Точность стабилизации температуры 0,1 К.
13 работе [11 описан регулятор температу-
ры на базе микро-э.в.м. Целесообразность
ее использования была обусловлена малой пос-
тоянной времени управляемого объекта. Вмес-
те с тем для исследований жидкостной эпитак-
сии соединений AnIBv, где использование от-
носительно сложных режимов выращивания
(при скоростях изменения температуры
~1 К/мин) [2] требует применения програм-
мируемых устройств, характерны постоянные
времени электропечей, исчисляемые минутами
и десятками минут. Программируемый микро-
калькулятор (м.к.), хотя и имеет быстродей-
ствие, ограниченное несколькими операциями
в секунду, в данных условиях вполне приемлем.
Алгоритм цикла программы стабилизации
описан в [1] и сводится к вычислению величины
тока через нагреватель
/ = /с1с + /с2 edt, е = Т — Тст, (1)
где^! и А:., вычисляются в предварительных из-
мерениях [1], Тст — заданная температура ста-
билизации, Т — текущая температура, зна-
чение которой периодически вводится в м.к.
с цифрового вольтметра (ц.в.) В7-28.
Этот алгоритм реализуется на м.к. «Элек-
троника МК-64», предназначенном для авто-
матизации контроля и управления несложны-
ми производственными процессами [3]. 13 м.к.
перед работой вводится программа вычислений,
а в регистр памяти Р9 — код эксперимента,
задающий количество опрашиваемых датчиков,
характер выводимой па внешнее устройство
информации и синхронный режим работы (пред-
полагающий постоянную готовность ц.в. к вы-
даче информации). При этом вводом информа-
ции с ц.в. полностью управляет сам м.к. Од-
нако в режиме ввода внешней информации ре-
гистры памяти трехразрядныс, а для стабили-
зации температуры с точностью 0,1 К при при-
меняемой хромель-алюмелевой термопаре не-
обходимо пятиразрядное десятичное число. По-
этому с помощью коммутатора на микросхе-
мах М1-т-М3 (рисунок) пятиразрядная ин-
формация с ц.в. вводится по частям (две и три
тетрады), а при вычислениях объединяется.
Число датчиков в коде эксперимента равно
двум, хотя фактически используется один ц. в.
Так как м.к. собран на микросхемах серии 145
(м. о. п.), то для согласования с т.т.л.-уров-
нями необходимо применение преобразовате-
лей уровня (НУ), например, на транзисторах
14,5].
Для обеспечения работы м.к. по циклу:
ввод информации с ц.в., вычисление по прог-
рамме и вывод информации на устройство уп-
равления электропечью, служат микросхемы
Синхронизирующий сигнал Пуск
ЦПУ включает триггер и разрешает ра-
боту генератора M9_j, .W9-2, подключенного
к счетному входу двоичного счетчика М-. Пос-
ле генерации 15 импульсов триггер Mjo-j сбра-
сывается сигналом от дешифратора Л/8 и зап-
рещает генерацию. Импульсы генератора, воз-
действуя также на вход «Пуск» м.к., обеспе-
чивают прохождение всего цикла выведения ин-
формации из индикационного регистра и пуск
м.к. на новый цикл ввода—обработки—выво-
да. Так как при выведении информации после
воздействия на м.к. по шине «Пуск» он выпол-
няет микропрограмму вывода, то период пос-
тупления этих импульсов должен быть больше
50 мс.
Основу устройства управления составляют
управляемые от двоичных счетчиков Л/15 -5-
М17 каскадно соединенные счетчики
К155ПЕ8 (М18, Мщ). Они позволяют изме-
нять число проходящих через них счетных им-
пульсов от 1 до 4096 с дискретом 1, приблизи-
тельно равномерно распределяя их во времени.
Проходящие импульсы после усиления использу-
ются для отпирания тиристоров Дг, Д2. Счетные
импульсы вырабатываются триггером Шмит-
та М20 в моменты пулевого напряжения в се-
ти, что существенно снижает создаваемые в ней
помехи при питании мощных электропечей.
Параллельная двоично-десятичная инфор-
мация, выводимая в каждом цикле работы
м.к., потетрадпо записывается в реверсивные
счетчики Мп -4- Л/]4. Ее преобразование
в двоичную происходит методом последова-
тельного счета в течение короткого проме-
жутка времени «5 мс при частоте такти-
рующего генератора 1 МГц). В момент дешиф-
рации 15-го импульса (дешифратор Ms) про-
исходит сброс двоичных счетчиков М1Ь М17
и триггер Л/10.2 сразу же включает тактирую-
220
Bx. UHcp.PTZ
'
0
Ml
3_
ч.
£
6
&,
&
&
Г
5
13
6
МК-6Ч
Вых UHtp PI —
BblX.UHtpPO
Пуск ЦПУ
Пуск
ABp.l
ABp.Z
Bx UHtp. Pl
2
3
0
5
В
M9-Z
“71
кцВ.
VI
1
10
M6-Z
6
7
8
15
0
ft
"ll
TTTs
. 3Z ъ
Hr DO £
DB
C
ft
-1
II
12
13
~io
П
6
4 1K+5
9
~ "10-2

Mz
hfso
oi
oz
MS
7
- A
в
01
02
MS
10
t-$so
8
2
Г31
4
10
12
M9-0
"18
"19
"zo
CT
8
ЗбОпЛ-
4Г
1Z,
11_
10
<0
>я
300

Tz
MS
tl
1Z
20
&
Я
,4f
Tpl 4j jзк
11
13
7pZ
+ к Ц.В.
Mj
ь£

V3ZCT
V1B
VB
VO
vz
VI
V
c
Cl
8
>,63
v/s
V8
VO
vz
VI
p
V
c
Cl

i\ 33 K
Принципиальная схема устройства управления. A/t — 155ЛИ1, 1И2 -н М3 — 155КП2, Л/о— 155ЛЕ1,
М7 — 155ИДЗ, М», М1Ь М17 — 155ИЕ5, М9 — 155ЛАЗ, М10 — 155ТМ2, Мп н- М14 — 155ИЕ6,
Af„, - 155ИЕ8, ЛЛ0 - 155ТЛ1; Тг. Tit 7’5 - КТ315Г, Т2 — МП37Б, Т3 — КТ815Г;
Д2 - Т10-80-У2; Д3, Д4 - КД104А
хций генератор Л/9.3, Л/9.4 на частоте 1 МГц.
Тактирующие импульсы поступают на вход
обратного счета Мп и одновременно на счет-
ный вход М16. В момент появления на выходе
обратного счета М14 сигнала логического нуля
происходит сброс триггера М10-2 и тактирую-
щий генератор выключается. В момент дешифра-
ции 1-го импульса происходит пуск ц.в. и к
моменту начала ввода информации в м.к. те-
кущее значение температуры Т уже измерено.
Все устройство представляет собой преоб-
разователь цифрового сигнала в аналоговый
(температуру) и может также расширить воз-
можности устройства, подобного термостату-
модулятору температуры опорных спаев термо-
пар для промышленных систем выращивания
монокристаллов [(>].
Система применялась при эпитаксиальном
выращивании пленок AlGaAsSb/GaSb. М.к.
удобен как универсальный программатор зако-
на охлаждения и нагрева. Заложенная в нем воз-
можность допускового контроля позволяет ор-
ганизовать сигнализацию достижения фик-
сированных значений температуры, а исполь-
зование цифрового печатающего устройства —
документирование хода процесса.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Трояновский А. М. // ПТЭ. 1983. № 2. С. 225.
2. Галченков Д. В., Коган Л. М., Бондарь С. А., Ко-
вырева И. И. Письма в ЖТФ, 1977. Т. 3. № 15.
С. 736.
3. Микрокалькулятор «Электропика МК-64». Инструк-
ция по эксплуатации. 1984.
4. Саяонтов С. Д. // ПТЭ. 1985. № 2. С. 73.
5. Наркявичус В. К., Рачукайтис Г. // ПТЭ. 1985. № 2.
С. 74.
6. Виноградова Г. И., Галант К. М., Харламов В. Ф.
// ПТЭ. 1983. № 1. С. 184.
Ташкентский электротехпический институт связи
Поступила в редакцию 5.III.1986
221
УДК 536.42
ПТЭ № 3, 1987
ЯЧЕЙКА ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ АКУСТИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ
АНТЮХОВ А. М., КУТУКОВ В. II.
Описана ячейка, позволяющая проводить низкотемпературные (1,8-т-ЗОО К)
измерения акустических свойств кристаллов в ультразвуковом диапазоне.
При низкотемпературных измерениях акусти-
ческих свойств кристаллов в ультразвуковом диа-
пазоне частот существует ряд эксперименталь-
ных трудностей, снижающих надежность, точ-
ность и воспроизводимость результатов изме-
рений. К числу этих трудностей относятся:
получение падежного акустического контакта
между кристаллом и пьезодатчиком, устране-
ние градиента температуры и его контроль по
длине образца в момент измерения.
Описываемая акустическая ячейка, схема-
тически показанная па рисунке, а, в зпачитель-
а
ной степени позволяет уменьшить указанные
экспериментальные трудности. Акустическая
ячейка данной конструкции позволяет про-
водить изучение в кристаллах при каждой
фиксированной температуре одновременно
трех акустических мод. Это достигается
за счет установки (для кристаллов куби-
ческой сингонии) на грань исследуемых
кристаллов J сразу трех пьезодатчиков 2,
ориентированных в соответствующих кристал-
лографических направлениях. Обеспечение
падежного акустического контакта между крис-
таллом и пьезодатчиком при наличии акусти-
ческой смазки осуществляется сжимаемой
винтом 3пружиной^, изготовленной из берилли-
евой бронзы. В свою очередь пружина воздей-
ствует на стержень 5 из органического стекла,
могущий перемещаться только вдоль своей оси.
На нижний конец стержня навинчен медный
наконечник 6, на торцевую часть которого прик-
леена пьезопластинка из пиобата лития соот-
ветствующего кристал. тографического среза.
Для устранения взаимных электрических па-
водок пьезодатчиков с помощью пружины 7
па металлизированный кристалл устанавливает-
ся экран <S', вид (снизу) которого и расположе-
ние в нем пьезодатчиков показаны па рисунке,
б. Измеряемый кристалл устанавливается па
экран 9 с аналогичным расположением в нем
трех пьезодатчиков. Нижний экран имеет воз-
Низкотемпературная ячейка (а) и экран пьезодатчиков (б)
222
можность перемещаться по резьбе вдоль рам-
ки 10. Нижние три пьезодатчика прижимаются
к кристаллу также винтами, установленными
на нижней обойме 11, которая может переме-
щаться но резьбе рамки. Наличие резьбы в рам-
ке позволяет устанавливать для измерения
кристаллы разной длины, а наличие шести
пьезодатчиков при работе с отраженными ульт-
развуковыми волнами дает возможность уста-
навливать для измерения сразу по два кристал-
ла кубической сингонии, что сокращает время
измерения в 6 раз.
Нагрев образца до необходимой температу-
ры обеспечивается резистивным нагревателем
13 из нихромовой проволоки, намотанной на
внешнюю поверхность медного экрана 12 ци-
линдрической формы.
Для тепловой развязки образца от гелие-
вой ванны пространство между первым 14 и
вторым 15 экранами ячейки вакуумируется
через тонкостенную трубку 16 из нержавею-
щей стали. Пространство внутри второго эк-
рана ячейки откачивается через тонкостенную
трубку 17 из нержавеющей стали, внутри ко-
торой проведены электровводы от образца и
теплового экрана к измерительной установке.
Уплотнение ячейки на фланце 18 обеспе-
чивается двумя фторопластовыми прокладка-
ми 7.9, установленными на камере 20 ячейки.
При установке кристаллов в ячейку камера
снимается. Для удобства выполнения монтаж-
ных работ рамка ячейки после того, как снята
камера, имеет возможность поворачиваться па
держателях 21, а для фиксации ее в рабочее
положение имеется фиксирующий винт 22.
Заданная температура поддерживается тер-
мопарой хромель—Си + Fe с помощью регу-
лятора ВРТ-3. Для устранения градиента тем-
пературы вдоль длины образца, образующегося
за счет теплостока через фланец ячейки на тепло-
вой экран, в верхней его части устанавлива-
ется дополнительный нагреватель, который
включается при появлении градиента темпера-
туры вдоль образца. Контроль градиента тем-
пературы выполняется с помощью батареи тер-
мопар, установленных на концах измеряемого
кристалла, сигнал от которых подается на ре-
гулятор температуры ВРТ-3.
Измерение ультразвуковых сигналов от
шести пьезодатчиков прп каждой фиксирован-
ной температуре осуществляется поочередным
подключением пьезодатчиков к измерительной
установке.
С помощью описанной ячейки измерялись
акустические свойства кристаллов кубической
сингонии при температурах, больших 1,8 К.
Минимальное сечение исследуемого образца
для установки трех пьезодатчиков ф 4 мм сос-
тавляет 10 X 10 мм2.
Авторы выражают благодарность В. 11. По-
пову за практическую помощь в изготовлении
ячейки.
Брянский государственный педагогический
институт
Поступила в редакцию 13.Ш.1986
УДК 621.59:621.642.036.5 ПТЭ №3, 1987
ЭКОНОМИЧНЫЙ ГЕЛИЕВЫЙ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫЙ КРИОСТАТ
ШАПОВАЛЕНКО В. В., СМИРНОВ II. М.
Описан гелиевый безазотный стеклопластиковый криостат емкостью ~ 2,7 л,
предназначенный для обеспечения длительной работы сквида. Внешние размеры
криостата: высота 550 мм, диаметр 180 мм. Диаметр горловины 16 мм, высота
155 мм. Время охлаждения и заливки 2,5-ьЗ ч. Ресурс работы криостата ~ 6,5 су-
ток.
Для обеспечения работы магнитометра на
основе сквида необходимы криостаты, изготов-
ленные из немагнитных и пеэлектропроводных
материалов. Такими метериалами могут служить
стеклопластики типа АГ-4 и ДСВ со связую-
щим материалом на основе фенолоформальде-
гидной смолы (ГОСТ 20437-75). Однако зна-
чительная усадка и выделение подобных про-
дуктов в процессе отверждения [1, с. 4451 при-
водят к большим значениям газопроницаемос-
ти (—1С-! см3см/см2с• атм) [2, с. 266] и газоот-
деления {—240-10“5 мм3/см2с) [3] по сравнению
со связующим материалом на основе эпоксид-
ных смол, у которых газопроницаемость в —10
раз, а газоотделение в —35 раз ниже.
Для улучшения вакуумных свойств матери-
ала оболочек используют лаковые покрытия
(например, ГОСТ 20824-81), но содержащиеся
в них растворители существенно снижают их
эффективность, а наличие воды в составе связую-
223
Рис. 1. Устройство криостата. 1,3 — донышки обо-
лочек, 2 — адсорбент. 4, 5 — оболочки, 6,7 — экраны,
8 — клапан для откачки вакуумной полости, 9, 10 —
многослойная изоляция, 11 — горловина, 12, 18 —
резиновые уплотнители, 13 — фланец, 14 — шпилька,
15 — крышка, 16, 17 — штуцеры
Рис. 2. Диаграмма скорости испарения (7) и зависи-
мость температуры паров гелия в горловине от вре-
мени (2, 3)
щего вещества стеклопластиков па основе фе-
нолоформальдегидных смол требует длитель-
ной подготовки криостатов к работе.
В данной работе описан криостат на основе
дешевых стеклопластиков, производимых на-
шей промышленностью.
С целью устранения вышеперечисленных
недостатков материала оболочки, изготовлен-
ные по ОСТ 92-0957-74 и предназначенные для
криостата, подвергались пропитке связующим
на основе эпоксидной модифицированной смо-
лы СЭДМ-3 (ОСТ 6-05-448-80). В качест-
ве отвердителя использовалась полиамидная
смола Л-20 на основе льняного масла
(ТУ6-05-1123-68). Перед пропиткой детали тер-
мически обрабатывались при температуре
——100 °C в течение 10 -г-15 ч. В процессе про-
грева и последующей пропитки оболочки нахо-
дились под давлением —10'1 Торр. Пропи-
точный состав (без растворителя) наносился
па оболочки, прогретые до температуры —50 °C.
После полимеризации и повторной механичес-
кой обработки (до получения матовой поверх-
ности) наносится второй слой лака.
Подготовленные таким образом оболочки
склеивались с другими деталями криостата при
помощи клеевых композиций па той же основе,
что и пропиточный состав, с наполнителем или
без него в зависимости от различия коэффициен-
тов теплового расширения материала склеива-
емых деталей, конструкции и геометрических
размеров клеевого соединения. Полимериза-
ция клеевых соединений проводилась по сту-
пеням: после нанесения клеевого слоя детали
соединялись и выдерживались при температу-
ре —ВО °C в течение' 10 -г- 30 мин. Основной
процесс полимеризации проводился при ком-
натной температуре в течение 24 ч. Затем скле-
енные узлы подвергались отжигу в течение
—1 ч при температуре 120 °C. Подготовленные
узлы криостата собираются по схеме, изобра-
женной на рис. 1. Толщина стенок внешней и
впутренней оболочек и экранов составляет 2,5;
1,7 и 1 мм соответственно. Длина горловины
155 мм, а ее внутренний диаметр 16 мм. Внут-
ренний диаметр гелиевой емкости 105 мм, вы-
сота 314 мм. Внешние размеры криостата: диа-
метр 180 мм, высота 550 мм.
Охлаждаемые газом радиационные экраны
состоят из медных полос шириной ~3 и тол-
щиной —0,4 мм, расположенных по образую-
щей цилиндра с промежутками 5 -г- 6 мм, и
соединены стеклопластиком. Степень черноты
поверхности таких экранов близка к единице.
На экранах размещены пакеты многослойной
изоляции 9, 10, разделенные между собой и
оболочками вакуумными промежутками. Па-
кеты состоят из чередующихся слоев двухсто-
роппе алюминизированного (ДА) лавсана и низ-
котеплопроводной прокладки на основе базаль-
та и целлюлозы НТ-10 (ТУ13-7308001-695-84)
[4]. Электропроводность алюминиевого слоя
лавсановой пленки значительно уменьшалась
в результате ее сжатия, приводившего к нару-
шению сплошности покрытия. Каждый слой
изоляции крепится на горловине. Для улуч-
шения условий откачки изоляция перфориру-
ется. Перфорационные отверстия ф 1,5-ь 2 мм
занимают менее 1 % площади изоляционного
слоя. Плотность намотки изоляции составля-
224
ет 22 слоя на 1 см на боковой поверхности и
30 слоев на 1 см у дна гелиевой емкости. На
первом экране размещено 8 слоев, па втором —
29 слоев.
На рис. 2 изображены диаграмма расхода
гелия и зависимость температуры паров гелия
в горловине, которая измерялась угольными
термометрами сопротивления ТСКУ [51. Тер-
мометры располагались следующим образом:
первый — уровне места крепления экрана 6,
второй — экрана 7 (рис. 1).
После сборки криостат прогревается в ва-
кууме в течение 10-7-20 ч при температуре
60 -т- 100 °C. Время и температурные режимы
вакуумной тренировки криостата определялись
с учетом цолщины пакетов изоляции, их газо-
проницаемости и скорости газоотделепия [6].
В процессе эксплуатации криостата ваку-
умная тренировка криостата сводилась к форва-
куумной откачке в течение 0,5-=-1 ч до давления
10-1-г-2-10-2 Торр не менее чем через 2—3
цикла охлаждение — заливка. Время охлаж-
дения и заливки криостата зависит от режима
охлаждения и лежит в пределах 2-5-3 ч. Так
как ресурс работы криостата при первой за-
ливке гелием, как правило, на 10-5- 15% мень-
ше последующих, окончательный ресурс ра-
боты определялся после 2—3 циклов охлажде-
ния. Необходимый вакуум в многослойной
изоляции и в вакуумных промежутках крио-
стата в процессе его охлаждения и заливки ге-
лием создавался адсорбционным насосом, рас-
положенным пе гелиевой емкости.
По результатам вакуумных испытаний кри-
остата, проведенных при комнатной темпера-
туре в атмосфере воздуха и гелия в течение
двух педель, давление в вакуумной полости
повышалось с 2-10~2 до 1,5 Торр. В едини-
цах газопроницаемости это соответствует
—10"9 см3см/см'-с • атм и складывается из значе-
ний истинной газопроницаемости материала
оболочек, газоотделепия изоляции, а также
натекания газа через уплотнения фланца с на-
ружной оболочкой и клапана откачки.
Криостат прост в изготовлении и эксплуа-
тации. Средний теплоприток к жидкому гелию
составляет 12,8 мВт, что соответствует сред-
нему расходу жидкого гелия 17,6 см3/ч. Ре-
сурс работы криостата —6,5 суток.
В заключение авторы благодарят
В. Ф. Гетманца и В. С. Гайдамаку за полез-
ные советы и постоянный интерес к работе.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Справочник по пластическим массам. Т.2 / Нод
ред. В. М. Катеева, В. Л. Попова, Б. II. Савкина.
М.: Химия, 1975.
2. Конструкционные свойства пластмасс / Пер. с англ,
под ред. Г. В. Виноградова. М.: Химия, 1907.
3. Беляков В. И. Криогенная техника и технология.
М.: Энергоиздат, 1982, с. 259.
4. Michalchenko В. S., Getmanels У. Pershin М. Р.,
Batozskij У и. V. // Cryogenics. 1983. V. 23. № 6.
Р. 309.
5. Тян Л. С., Дьяков В. 77., Юрков Е. И. // ПТЭ. 1984.
№ 4. С. 244.
6. Михальченко Р. С., Першин И. П. // Инж.-физ.
жури. 1977. Т. 32. № 5. С. 814.
физико-технический институт
низких температур АН УССР, Харьков
Поступила в редакцию 3.11.1986
-пгткг'нН’. .nairr9K«4TMii<inx ntr.n-ii'tin ч .
15 птэ, М 3
225
НОВЫЕ ПРИБОРЫ
УДК 621.386.14
ПТЭ № 3, 1987
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ гамма-спектрометр
ЕРШОВ Э. Б., ИВАНОВ Ю. А., ЯКОВЛЕВ В. А.
Прибор предназначен для определения содержания
у-пзлучающих радионуклидов в различных пробах —
почве, воде, строительных материалах, продуктах сель-
ского хозяйства, биологических материалах и др.
Гамма-спектрометр представляет собой сцинтил-
ляционный блок детектирования, помещенный в чу-
гунную защиту, состоящую из основания п набора ко-
лец с внутренним диаметром 150 мм. Верхнее кольцо
с одной стороны имеет вырез с направляющими, по
которым может перемещаться каретка, открывая доступ
к блоку детектирования. Каждое кольцо имеет соответст-
вующие выступы для создания лабиринта, предотвра-
щающего прямое проникновение внешнего у-излучения
на детектор. Кабели питания и вывода информации
проходят через радиальное отверстие в нижнем кольце.
Блок детектирования состоит из разборного алю-
миниевого корпуса, в котором находятся детектор на
основе кристалла NaJ(Tl) 0 63 X 63 мм2 с колодцем
6 24 X 36 мм2; фотоэлектронный умножитель ФЭУ-
139; панель с делителем высокого напряжения и усили-
тель-формирователь импульсов. Высокое напряжение,
напряжения питания усилителя-формирователя, а так-
же выходной сигнал подводятся через разъемы.
Исследуемая проба в тонкостенном цилиндрическом
контейнере 0 18 X 40 мм2 (10 см3) помещается в коло-
дец детектора. IIри необходимости исследования пробы
большого объема предусмотрена возможность помеще-
ния ее в контейнеры объемом 150 см3 или 1000 см3,
устанавливаемые па детектор сверху.
Основные технические характеристики. Энергети-
ческое разрешение по источнику 13,Cs объемом 10 см3 —
9%; фон в диапазоне энергий 100 ч- 2500 кэВ —
7 импульсов/с, фоп в канале l37Cs — 0,3 импульса/с;
эффективность регистрации для источника 13,Cs объемом
10 см3 —20%; минимально детектируемая концентра-
ция 0.02 Бк/см3 при времени измерения 1 ч с относи-
тельной ошибкой 30%. Питание : —1000 В, 0,2 мА;
±15 В, 4 мА. Толщина чугунной защиты >150 мм,
габариты — 0 450 х 680 мм2, масса 800 кг.
Внешний вид защиты с блоком детектирования и
контейнерами для проб показан па рисунке.
Адрес для справок: 197101, Ленинград, ул. Мира, 8,
НИИ. радиационной гигиены.
Поступила в редакцию 21 .VII.1986
УДК 681.327 ПТЭ № 3, 1987
СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ НА БАЗЕ МИКРО-Э.В.М.
«ЭЛЕКТРОНИКА ДЗ-28»
ГРИШИН С. А., МАЛЬЦЕВ М. Б.
Система предназначена для регпетрацип, накопле-
ния на магнитный носитель и обработки измерительных
сигналов от первичных измерительных преобразовате-
лей различных физических величин в электрическое на-
пряжение. Система позволяет обрабатывать сигналы
в пнфрапизкочастотном участке диапазона.
В систему входят микро-э.в.м.«Электроника ДЗ-28»,
дисплей 15ИЭ-00-013, печатающее устройство, измери-
тельный усилитель, фильтр низкой частоты, аналого-
цифровой преобразователь, интерфейсный блок сопря-
жения с каналом ввода-вывода э.в.м. Информация'вво-
дится или вручную путем однократных измерений," пли
автоматически через • равные промежутки времени.
Используется режим ввода по прерыванию от интерфей-
са.
Для системы разработано следующее программное
обеспечение: программа синтеза низкочастотного и
полосового фильтров Баттеруорта; пакет программ для
226
спектрального анализа шума, содержащий программы
быстрого преобразования Фурье и Уолша; пакет при-
кладных программ (аппроксимация, статистическая
обработка и т. д.); сервисные программы вывода ин-
формации на дисплей и печатающее устройство. Про-
граммы написаны на языках Бэйсик и Ассемблер.
Основные технические характеристики системы.
Измеряемое напряжение 1 мВ ч- 1 В; диапазон частот
измеряемого напряжение 0,005 -t- 1 Гц; число разрядов
аналого-цифрового преобразования 8; время цикла пре-
образования 10 мкс; количество дискретных выборок
в одном цикле измерения 2r, r= 1, 2, . . ., 8; частота
выборок; вручную — произвольная, автоматическая
1; 2; 64 Гц; используемая элементная база — микро-
схемы серий К140, К155, К176, К589, а.ц.н. Ф7077/1.
Система применялась для исследования шумов тон-
копленочных магнитоизмерительных преобразователей.
Адрес для справок: 220841, Минск-90, ул. Я. Ко-
ласа, 68/2, Институт электроники АН БССР.
Поступила в редакцию 25.VI.1986
УДК 621.317(088.8)
ПТЭ № 3, 1987
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ
ПАРАМЕТРОВ АНАЛИЗАТОРОВ СПЕКТРА
ТУЗ Ю. М„ СЕРГЕЕВ И. К)., ДЕМЧЕНКО Ю. В., ДОНЕЦ В. Е., КОЧЕРГИН А. Л., ЛЕВОН В. Г.,
МИНЯЙЛО А. Ф„ ФЕДИВ В. В.
Система предназначена для измерения и контроля
основных параметров анализаторов спектра последова-
тельного действия, вольтметров переменного напряже-
ния (в том числе селективных), частотомеров, измери-
телей нелинейных искажений, селективных усилите-
лей, фильтров в диапазоне частот 300 Гц ч- 300 МГц.
Система выполняет функции автоматического управле-
ния стимулирующей и измерительной аппаратурой,
математической и статистической обработки, а также
документирование результатов измерения и контроля.
Принцип действия системы заключается в подаче
па вход контролируемого объекта тестового сигнала
(гармонического или полигармопического) с нормиро-
ванными метрологическими характеристиками, измере-
нии реакции объекта контроля (выходной высокочастот-
ный сигнал, видеосигнал, визуальная информация)
и сопоставлении параметров но установленным нор-
мам [1].
Система имеет два канала формирования тестовых
сигналов, в состав которых входят серийно выпускае-
мые приборы: два синтезатора частоты 46-31, два
умножителя частоты 46-2, стандарт частоты 41-50,
частотомер 43-54, аттенюатор АМР-72 (производство
ВНР), и несерийные блоки: два системных калибрато-
ра переменного напряжения (к.п.н.), блок управления
синтезаторами и умножителями частоты, блок коммута-
ции. Канал измерения параметров сигналов реализует-
ся контролируемым или образцовым прибором требуе-
мого класса и аналого-цифровым преобразователем
Ф488. Управляющая часть системы построена на основе
мини-э.в.м. СОУ-1 с комплектом иерферийпых
устройств.
К.п.н. предназначен для регулирования уровня
переменного напряжения в рабочем диапазоне частот
и выполняет роль выходного устройства к синтезаторам
частоты. Основные функциональные блоки калибрато-
ра: двухканальпый регулятор переменного напряжения
(диапазоны частот 300 Гц ч- 5 МГц и 5 ч- 300 МГц),
трехкапальпый усилитель мощности и блок фильтров
низких частот (диапазоны частот 300 Гц ч- 125 кГц,
125 кГц ч- 5 МГц и 5 ч- 300 МГц), широкополосный
амплитудный детектор, источник опорного напряжения,
блок индикации и управления.
Функциями к.п.п. управляет э.в.м. или оператор
посредством клавиатуры, расположенной па лицевой
панели прибора. Уровень выходного сигнала к.п.п.
задается сигналом источника опорного напряжения,
который представляет собой функциональный цифро-
аналоговый преобразователь с экспоненциальной за-
висимостью выходного напряжения от входного кода,
заданного в децибелах |2]. Имеется возможность авто-
матической коррекции погрешностей нелинейности и
температурной погрешности установки уровня выход-
ного напряжения. Для программирования системы
разработан специализированный макроязык, что поз-
воляет легко расширять функции системы для решения
новых задач. Объем системного и специализированного
программного обеспечения не превышает 32К слов.
Основные технические характеристики каналов
формирования тестового сигнала. Диапазон частот
выходного сигнала 300 Гц ч- 300 МГц; диапазон изме-
рения уровня выходного напряжения 0 ч---99,99 дБ
(0 дБ соответствует 1 Вэф па нагрузке 50 Ом); дискрет-
ность установки выходного уровня 0,01 дБ; погреш-
ность от нелинейности установки выходного уровня
<0,05 дБ; погрешность установки уровня 0 дБ в диа-
пазонах частот: 300 Гц ч- 5 МГц (относительно частоты
10 кГц) — <0,3%, 5 ч- 100 МГц (относительно часто-
ты 10 МГц) — <2%, 100 ч- 300 МГц — <5%; уровень
нелинейных искажений < — 50 дБ; температурная
погрешность в диапазоне температур <0,05 дБ/10° С;
время установления выходного сигнала <0,5 с. Пи-
тание системы — от однофазной сети 220 В*±10%
(50 + 2) Гц; потребляемая мощность 2 кВт. Система
расположена в двух стойках АСВТ-М 160 X 60 X
X 70 см3; масса 230 кг.
Адрес для справок: 252056, Киев, просп. Победы, 37,
Киевский политехнический институт, кафедра автома-
тизации экспериментальных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Туз IO. М., Губарь В. И., Никифоров Л. Л. и до
А.с. 1196785 СССР//Б.И. 1985. № 45. С. 177.
2. Сергеев И. Ю., Губарь В. И., Демченко К). В. и до
А.с. 1023296 СССР/Б.И. 1983. №22. С. 117.
Поступила в редакцию 6.IV.1986
15* 227
УДК 551.594.21 ПТЭ № 3, 1987
АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ
ШУМОВОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
ВАЛЬКОВ С. П., ВАСИЛЬЕВ Э. Ф., ВЕРШИНИН Е. ф., ГРОМОВ Б. II., ДРУЖИН г. и., козлов в. и„
ЛАПТЕВ А. Д., ОРЛОВ В. А.
Для измерения параметров флуктуации шумового
поля Земли п исследовании пространственно-временных
корреляционных и спектральных характеристик создан
аппаратурный комплекс. Он состоит из трех выносных
пунктов приема и центрального пункта регистрации,
размещенных в кузовах автомашин Урал-375. Штыре-
вые антенны с предварительными усилителями в тер-
мостатах в рабочем положении устанавливаются па
крыше кузовов автомашин. Предварительные усилители
собраны па микросхемах серии 284, содержат стабили-
заторы напряжения и блоки автоматического поддержа-
ния температуры, что обеспечивает возможность работы
в диапазоне внешних температур —60 -+ +35° С.
Оконечные усилители расположены в центральном пунк-
те регистрации, собраны i па микросхемах серии 140
и снабжены пятиступенчатыми аттенюаторами, обеспе-
чивающимищбщее ослабление сигнала в 60 дБ. Полоса
пропускания каналов приема 0,5 -г- 60,0 кГц. Динами-
ческий диапазон капала 70 дБ прп разнице в положе-
нии переходных характеристик ~50 пс. Несоответствие
коэффициентов усиления каналов < 1%.
Система цифровой обработки сигналов, блок-схема
которой представлена па рисунке, создана на базе ми-
кро-э.в.м. «Электропика-60», аппаратуры КАМАК,
вычислительного анализатора спектра СК4-72/2. Она
осуществляет предварительную обработку информации
в режиме, близком к реальному времени.
Аналоговые сигналы с разнесенных пунктов по-
даются на аналого-цифровые преобразователи АЦП,
на входе которых установлены устройства выборки и
хранения у.в.х. Применение у.в.х. дало возможность
уменьшить апертурное время до 50 нс.
Шаг дискретизации АЦП определяется периодом
следования импульсов Старт, вырабатываемых гене-
ратором ГП. За один период следования импульсов
Старт па выходе АЦП образуются 8-разрядпые коды,
которые записываются в буферное запоминающее
устройство БЗУ по сигналам Конец преобразования
.1 ЦП. При этом два 8-разрядпых кода сигналов А и
К записываются в одну 16-разрядную ячейку КЗ^.
Запись данных в ПЗУ начинается с включения ге-
нератора ГИ по^ программе э.в.м., накопление дан-
ных происходят без участия э.в.м. Запись данных
прекращается по запросу регистра прерываний.
После окончания записи в ПЗУ записанные данные
программно переписываются в оперативное запоминаю-
щее устройство ОЗУ э.в.м. для дальнейшей обработки.
Для визуального контроля параллельно с вычислением
данные выводятся на экран графического дисплея в виде
графиков входных сигналов.
Задающим генератором и часами служит синхро-
пометр 47-15, соединенный с помощью модулей КАМАК
с магистралью крейта. Спектр шумового поля пли
атмосферика измеряется анализатором СК4-72/2, циф-
Блок-схема системы цифровой обработки сигналов.
АЦП — аналого-цифровой преобразователь, БЗУ —
буферное запоминающее устройство, РгП — регистр
прерываний, РгВх — регистр входной, Г И — генера-
тор импульсов, РгВых — регистр выходной, РгКн —
регистр кнопочный, К — контроллер, ДГ — дисплей
графический, П — привод самописца, И — интерфейс,
Н-306 — самописец, FS-1501 — фотосчптыватель с пер-
фоленты, МПУ16-3 — печатающее устройство, ПЛ-
150М — перфоратор
ровой вход которого соединен с магистралью КАМАК,
что дает возможность менять частотный диапазон ана-
лизатора <
Пороговые устройства регистра прерываний в со-
четании со специальной программой позволяют реги-
стрировать сигналы как флуктуационной, так л им-
пульсной (типа атмосферик) составляющих шумового
поля в произвольные и заданные моменты времени.
Адрес для справок: 677891, Якутск, просп. Ленина,
31, Институт космофизических исследований и ааро-
номии ЯФ СО АН СССР.
Поступила в редакцию 27.11. 1986
228
УДК 621.317.77
ПТЭ № 3,1987
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ АМПЛИТУД И ФАЗОВЫХ СДВИГОВ
РАДИОИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
ГОЙЖЕВСКЛЙ в. А., ОГОРОДНИЙЧУК Л. Д., ДВОРСКИЙ В. Я., МАГЛЕВАННАЯ Н. И., ПАДУЯ II. II., СОРОКИН А. В.,
ШУЛЬКЕВИЧ В. Ф., ДВОРНИКОВА Д. В.
Измеритель предназначен для автоматического
измерения амплитуд и фазовых сдвигов двух радиоим-
пульсных сигналов. В состав измерителя входят два
идентичных устройства измерения амплитуд сравни-
ваемых сигналов (выполнены по схеме цифрового ра-
диоимпульсного вольтметра, основными узлами кото-
рого являются амплитудный детектор, линейный усили-
тель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой
индикатор), устройство измерения фазовой структуры
внутри радиоимпульсов (содержит квадратурный пре-
образователь, линейные усилители, аналоговые запо-
минающие устройства, аналого-цифровые преобразова-
тели, делительное устройство, матричный индикатор
гистограммы и три цифровых индикатора), схема син-
хронизации, схема питания.
Входные радиоимпульсы имеют следующие пара-
метры: частота несущего колебания устанавливается
фиксированной в заданной полосе ±5 ч- 7% телеви-
зионного диапазона; длительность — десятки-сотни
микросекунд; исследуемые радиоимпульсы могут быть
как одиночными, так и периодическими (максимальная
частота повторения 10О Гц).
За время длительности исследуемого радиоимпульса
измерение амплитуд осуществляется в одной выборке
длительностью 30 мкс при задержке ее относительно
начала радиоимпульса на 30, 50 или 70 мкс. Пределы
измерения амплитуд 0,1 ч- 4 В, разрешающая способ-
ность 0,02 В.
Фазовые сдвиги измеряются последовательно в де-
сяти выборках длительностью 1 мкс каждая. Период
выборок 2 ч- 10 мкс устанавливается с шагом 2 мкс.
Задержка выборок относительно начала радиоимпульса
0 ч- 79 мкс устанавливается с шагом 1 мкс. Пределы
измерения фазовых сдвигов —45° ч- 0 ч- -f-45°; допол-
нительно имеется цифровая индикация октантов. Раз-
решающая способность цифровых индикаторов 0,1 ч-
ч- 0,2°, матричного светового индикатора 1°.
Среднеквадратическая погрешность измерения
фазовых сдвигов на средней частоте рабочей полосы прп
установке фиксированных значений амплитуд входных
сигналов (идентичных или неидентичных в пределах
±(3 •+• 6) дБ) в динамическом диапазоне 0,7 ч- 2,8 В
составляет +1°.
Измеритель имеет 75-омпые высокочастотные вхо-
ды. Цифровые узлы выполнены в основном на микро-
схемах серин К155, КР556, К594. Синхронизация из-
мерителя внутренняя или внешняя, управление (выбор
режимов измерений) клавишное и с помощью управ-
ляемых кодом переключателей. Предусмотрен вывод
информации в виде двоичного кода на э.в.м.
Измеритель обеспечивает проведение измерений
в течение 8 ч непрерывной работы, время прогрева
20 мин. Питается от сети переменного тока 220 В,
50 Гц; потребляемая мощность 425 Вт. Измеритель вы-
полнен в трех блоках. Блоки могут располагаться
в виде стойки, габаритные размеры которой 475 X
X 490 X 590 мм3; масса измерителя 44 кг.
Адрес для справок'. 252056, Киев-56, проспект По-
беды, 37, Киевский политехнический институт, ка-
федра теоретических основ радиотехники.
Поступила в редакцию 30.VI.1986
УДК 621.317.373
ПТЭ № 3, 1987
ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ БОЛЬШИХ СДВИГОВ ФАЗЫ
ГУЛЬЧАК К). И., ГОЛУБЕВ А. П„ КАЛЕНДИН В. В., СУПЬЯН В. Я., ТРОЦИШИН II. В.
Прибор предназначен для измерения угла фазового
сдвига между двумя электрическими сигналами в пре-
делах > 2л, т. е. кумулятивных фазовых сдвигов
(к.ф.с.). В фазометре реализован алгоритм раздельного
измерения угла фазового сдвига в пределах фазового
цикла 0 ч- 2л и счета числа фазовых циклов с после-
дующим «сшиванием» этих результатов.
Цифровой фазометр выполнен по схеме с постоян-
ным временем измерения с автоматическим уходом от
мертвых зон. Измеритель фазовых циклов представ-
ляет собой синхронный реверсивный счетчик, имеющий
па входах защиту от широкополосных и импульсных
помех. В структурную- схему фазометра входят блок
предварительной обработки сигнала, блок импульс-
ного кодирования информации, блок цифрового коди-
рования и хранения информации, блок управления, ин-
терфейс.
Прибор выполнен в виде отдельной платы (крейта)
и предназначен для совместного использования с э.в.м.
«Электроника-60». Согласование с э.в.м. осуществляется
через встроенный в прибор параллельный интерфейс.
Счетчики фазометра и фазовых циклов работают
в двоичной системе счисления, а их состояния ио окон-
чании каждого цикла измерения отображаются на
контрольном индикаторе в восьмеричной системе.
Формат выходной информации — два машинных слова
(16 разрядов — код числа фазовых циклов, 14 разря-
дов — код угла фазового сдвига и 2 младших разряда—
код сигналов корреляции).
Прибор работает в двух режимах: ручном (одно-
кратном) и автоматическом (многократном). В первом
случае время измерения 1 с, во втором время одного
измерения 100 мкс. Ручки управления работой прибора
выведены на переднюю панель. Для подключения
а.ц.п.у. или внешних выходных устройств информация
с выходных регистров выводится па переднюю панель
в виде 16-разрядных параллельных кодов, состояние
которых отображается на контрольном индикаторе.
Основные технические характеристики. Частота
входных сигналов 100 кГц ч- 20 МГц; уровни входных
сигналов 0,1ч- 1 В. Погрешность измерения: на частоте
8 МГц и времени измерения 100 мкс — 0,6°, на частоте
229
200 кГц и времени измерения 1с—0,1°. Разрешаю-
щая способность 2л/214 рад; разрядность измерителя
фазовых циклов 216.
Фазометр имеет автономное питание +5 В. что
позволяет его использовать также и как самостоятель-
ный измерительный прибор.
Прибор выполнен в виде платы размером 240 X
X 280 мм2 (стандартный размер платы крейта микро-
э.в.м.). Все узлы выполнены па микросхемах серий 100,
К500, К155, 514. Потребляемая мощность от внешних
источников питании 40 Вт. Масса прибора 1,5 кг. При-
бор аттестован в органах Госстандарта СССР и исполь-
зуется в составе лазерного измерителя малых переме-
щений.
Адрес для справок: 286021, Винница, Хмельницкое
шоссе, 133, Винницкий политехнический институт,
кафедра теоретических основ радиотехники, т. 4-60-34.
Поступила в редакцию 29.VII.1986
УДК 621.317 ПТЭ № 3, 1987
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ селектор-преобразователь ВРЕМЯ—код
В СТАНДАРТЕ КАМАК
ДАНИЛЕВИЧ В. В., НОВИКОВ Е. В.
Селектор-преобразователь время — код предназ-
начен для организации статистического временного ана-
лиза высокоиптенсивных случайных потоков сигналов
в течение долей микросекунды и более. Он может ис-
пользоваться в ядерно-физических, оптико-физических
и других экспериментальных исследованиях.
В основу функционирования устройства положен
метод покапального счета событий с разделением во
времени процессов их накопления и запоминания в
смежных каналах. С этой целью используются два по-
переменно работающих быстродействующих 8-разряд-
пых двоичных счетчика и распределитель анализируе-
мой последовательности импульсов па два канала. Со-
стояние распределителя изменяется каждый раз, когда
на вход устройства поступает импульс времязадающсй
последовательности импульсов, задающий границы эле-
ментарных интервалов регистрации. Для устранения
возможной неоднозначности в счете при совпадении ка-
нальных и информационных импульсов па входе рас-
пределителя установлена схема синхронизации, ана-
лизирующая взаимное расположепие этих импульсов и
исключающая их поступление одновременно в два ра-
бочих счетчика. Результаты измерений накапливаются
в оперативном запоминающем устройстве емкостью
14К 8-разрядных слов.
Конструктивно устройство реализовано на интег-
ральных микросхемах серий К155, К500 и др. в виде
модуля КАМАК двойной ширины. Для управления мо-
дулем используются следующие команды КАМАК-
Z + С 4- 1 — установка в исходное состояние:
NA(0)F(9) — сброс логики модуля; NА (0) F (16) — за:
грузка с шин W1 ч- W14 начальных адресов записи и
чтения данных из оперативного запоминающего устрой-
ства; АЛ (0) F (0) — чтение данных на шины В1 ч- /?8;
А'Л (0) F (24) — маскирование запроса; А" Л (0) F (26) —
размаскирование запроса; А'Л (0) F (10) — сброс за-
проса; NA (0) F (8) — проверка запроса. Запрос L
устанавливается в модуле по переполнению адресного
счетчика либо внешним сигналом окончания измерений
Основные характеристики преобразователя. Ми-
нимальная ширина канала 150 нс; максимальная ско-
рость счета 50 МГц; емкость канала 255 событий; мак-
симальное число каналов 214; дифференциальная неод-
нородность шкалы ^0,1%; входные сигналы — э.с.л.
положительной полярности длительностью 3 ч- 5 нс;
рабочий температурный диапазон -(-15 ч- -|- 45 °C. Пи-
тание —|-6В, 4А; —6В, 1,2 А.
Адрес для справок: 220106, Минск-106, ул. Курча-
това, 7, НИИ прикладных физических проблем, лабора-
тория метрологического обеспечения эксперимента.
Поступила в редакцию 5.IX.1986
230
УДК 681.3(088.8)
ПТЭ № 3, 1987
ПРОЦЕССОР БЫСТРОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ
КОРЧЕВ Д. В., МАКОГОНОВ Ю. Г., ПОВАРЕНКО О. М„ ЧЕРНАЯ Т. Н.
Процессор предназначен для одновременного вы-
числения быстрого преобразования Фурье двух дей-
ствительных независимых массивов в базисе дискрет-
ных тригонометрических функций в реальном масштабе
времени. Информация подается на вход процессора не-
посредственно с выхода а.ц.п. или через параллельный
интерфейс И2 от э.в.м. «Электроппка-60» по двум 16-
разрядным входным каналам. В устройстве предусмот-
рено предварительное умножение отсчетов входпых мас-
сивов на коэффициенты сглаживающего окна Кайзера—
Бесселя и их двукратное накопление для прореживания
выходной информации в 2 раза. Вычисление проводит-
ся по основанию 2 с прореживанием по частоте с одно-
временным выполнением четырех базовых операций.
Каждое арифметическое устройство выполнено на
четырех специализированных микропроцессорных б.и.с.
1815-ВФЗ, работающих в знакоразрядной системе счис-
ления. Выходной интерфейс процессора позволяет по-
давать результаты вычислений (действительные и мни-
мые спектральные составляющие) в э.в.м. «Электропц-
ка-<>0» для дальнейшей обработки.
Основные технические характеристики. Количест-
во параллельно обрабатываемых массивов 2; размер
обрабатываемого массива 128, 256, 512, 1024. 2048,
4096 отсчетов; число точек преобразования 64, 128,
256, 512, 1024, 2048. Время выполнения одной базовой
операции одним арифметическим устройством 4 мкс;
время 2048-точечпого преобразования 11,2 мс. Мак-
симальная частота поступления входных отсчетов
300 кГц. Входные и выходные отсчеты представлены 16-
разрядпым двоичным параллельным дополнительным
кодом. Питание от сети 220 В, 50 Гц; потребляемая
мощность 150 Вт. Размеры процессора 200 X 295 X
X 335 мм3; масса 6 кг. Процессор изготовлен в базовых
несущих конструкциях «БАЗА-З».
Адрес для справок: 262005, Житомир, ул. Черня-
ховского, 103, Житомирский филиал Киевского поли-
технического института, кафедра автоматики и теле-
механики.
Поступила в редакцию 21.VI 1.1986
УДК 621.317.79 : 681.327
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПИУ-2
ПТЭ № 3, 1987
ГОСЬКОП П. И., ЯКУНИН А. Г., ЦАРЕГОРОДЦЕВ М. А., ГУЛЯЕВ П. Ю.
Преобразователь предназначен для фотометрпро-
вания распределения освещенности по двум координа-
там с выводом информации па графопостроитель и ос-
циллограф. Имеется также возможность подключения
внешнего а.ц.п. для передачи цифрового кода изобра-
жения в э.в.м. с целью последующей обработки. В со-
став устройства входят выносная оптическая головка
(в.о.г.) и блок управления (б.у.). Находящаяся в в.о.г.
фотодиодная матрица МФ-14 со схемами обрамления
обеспечивает последовательно-построчное преобразо-
вание изображения из 32 X 32 элементов площадью
8x8 мм2 в электрический сигнал с размахом ампли-
туды до 2 В. В.о.г. предусматривает возможность элек-
тронного сканирования растра с поворотом на 90° и
обеспечивает динамический диапазон видеосигнала не
менее 512 при энергетической пороговой чувствитель-
ности по освещенности 10-12 Дж на длине волны излу-
чения 0,63 мкм.
С помощью б.у. можно задавать два основных ре-
жима работы в.о.г. Первый режим — обзорный — пред-
назначен для визуального наблюдения контролируемо-
го ноля на экране электронного осциллографа с целью
настройки и юстировки оптической системы экспери-
ментальной установки. В этом режиме информация о
кадре параллельно накапливается во всех ячейках мат-
рицы и затем последовательно считывается со ско-
ростью, определяемой быстродействием а.ц.п. Время
накопления кадра при этом может регулироваться от 1
до 1900 мс. Минимальное время считывания кадра 3 мс.
Второй режим служит для’вывода псевдорельефа
освещенности контролируемого поля на аналоговый
двухкоордппатпый самописец в аксонометрической
проекции (без устранения невидимых линий). При этом
ячейки матрицы накапливают информацию последова-
тельно при времени накопления от 20 мкс до 1 с на
ячейку. Скорость вывода задается отдельно и опреде-
ляется либо временем накопления, либо, прп малых
временах накопления, быстродействием графопострои-
теля. В режиме последовательного накопления считы-
вание и вывод сигнала производятся с использованием
двойной коррелированной выборки, что исключает по-
грешность регистрации, обусловленную темновым гео-
метрическим шумом фотодиодной матрицы.
Б.у. имеет размеры 70 X 150 X 220 мм3 и массу
1,5 кг; потребляемая от сети переменного тока 220 В,
50 Гц мощность не более 10 Вт. Размеры в.о.г. без объ-
ектива 20 X 50 X 210 мм3, масса 0,2 кг. Диапазон
контролируемых освещенностей 1 ч- 500 лк, погреш-
ность фотометрпрования 1%.
Адрес для справок: 656099, Барнаул, просп. Ле-
нина, 46, Алтайский политехнический институт,
НИЛ-11, тел. 55411.
Поступила в редакцию 24.IV.1986
231
УДК 621.397.6(088.8) ПТЭ № 3, 1987
УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ
ЯДРИНЦЕВ А. В., САЛЬНИКОВ И. И., КУТАЕВ 10. Ф.
Устройство используется при когерептпо-оптиче-
ской обработке информации дли определения парамет-
ров корреляционного пика, для измерения величины и
определения координат главного максимума светового
поля.
Принцип работы устройства основан па сравнении
соседних элементов растра. Для считывания светового
поля используется промышленная миниатюрная теле-
визионная установка МТУ. Параметры главного мак-
симума отображаются на цифровом табло на лицевой
напели устройства. Устройство имеет два режима: ра-
бота и контроль. В рабочем режиме на цифровом табло
высвечивается одна из координат главного максимума
или его величина, что определяется положением пере-
ключателя на лицевой панели. В режиме контроля на
вход устройства подается сигнал со встроенного ими-
татора. При этом на табло должны высвечиваться кон-
трольные числа. В состав устройства входит интерфейс,
обеспечивающий ввод параметров главного максимума
светового поля в э.в.м. «Электроника-60», разъем для
подключения э.в.м. установлен на задней стенке. В ус-
тройстве использованы микросхемы серий К155,
К589, К1107, К574.
Основные технические характеристики. Входной
видеосигнал 0 ч- 5 В; число элементов растра 256x256;
число уровней квантования видеосигнала 256: время
анализа кадра 20 мс. Пптанпе устройства от сети на-
пряжением 220 В, 50 Гц; потребляемая мощность 40 Вт;
габариты 145 X 410 X 240 мм3; масса 6 кг.
Адрес для справок'. 440017, Пенза, ул. Красная, 40,
Пензенский политехнический институт.
Поступила в редакцию 19.V.1986
УДК 621.373(088.8)
ПТЭ № 3, 1987
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ГН-100
ТУЗ Ю. М., ГУБАРЬ В. И., ДЕМЧЕНКО Ю. В., ДОНЕЦ В. Е., КРЮЧАТОВ С. Д., МИНЯПЛО А. ф.,
ТЕРЕХ В. В., ФБДИВ В. В.
Генератор предназначен для метрологического
обеспечения систем передачи аналоговой информации
с частотным разделением каналов. Он содержит блок
синтеза частоты (б.с.ч), широкополосный стабилиза-
тор переменного напряжения с преобразованием часто-
ты и блок управления, выполненный па основе одно-
платного микроконтроллера с энергонезавпепмым за-
поминающим устройством. Б.с.ч. формирует перемен-
ное напряжение в диапазоне 240,01 ч- 340 МГц с дис-
кретностью 1 Гц и напряжение опорной частоты
240 МГц, из которых методом биений формируется вы-
ходной сигнал.
Уровень выходного сигнала регулируется через
10 дБ выходным аттенюатором, а в пределах -|-2,99 ч-
ч---12,99 дБ — астатической системой автоматиче-
ской регулировки уровня (а.р.у.) В состав а.р.у. вхо-
дят блоки прямой цепи: согласованный регулятор пе-
ременного напряжения на р — i — п-диодах, располо-
женный в канале опорной частоты, преобразователь
частоты, фильтр пизкой частоты и выходной широкопо-
лосный усилитель, а также блоки обратной цепи: диф-
ференциальный амплитудный детектор (а.д.д.), изме-
ряющий выходное напряжение, и интерполятор, опре-
деляющий динамические характеристики а.р.у.
А.д.д. выполнен по мостовой схеме с балансиров-
кой по постоянному току, что позволяет получить не-
линейность преобразования <0,02 дБ в динамическом
диапазоне >20 дБ и температурный дрейф <0,015%/°С.
Прибор может работать в следующих основных ре-
жимах: ввод и индикация выходных параметров сиг-
нала переменного напряжения; пошаговое и квази-
непрерывное изменение амплитуды и частоты; скани-
рование по частоте, выполняемое автоматически или
оператором; автоматическое воспроизведение произ-
вольной последовательности установок частоты и уров-
ня (программа испытаний объемом до 100 точек); ка-
либровка установки выходного уровня по образцовому
измерительпому прибору; коррекция погрешностей ус-
тановки согласно введенной таблице цоправочных ко-
эффициентов либо калибровочной характеристике вы-
сокочастотного тракта прибора; работа а.р.у. с внеш-
ним, контуром стабилпзацпп лиоо выносным детекто-
ром. Дополнительные программные и аппаратные сред-
ства позволяют реализовать самоконтроль и диагности-
ку блоков прибора.
Основные технические характеристики. Диапазон
изменения частоты выходного сигнала 10 кГц ч-
ч- 100 МГц, дискретность установки 1 Гц; диапазон
пзмепеппя уровня выходного сигнала 0 ч---69.99 дБ
(относительно уровня 0,7746 Вэф на нагрузке 75 Ом);
дискретность установки уровня 0,01 дБ; погрешность
установки выходного уровпя 0 дБ в диапазоне частот
(относительно частоты 1 МГц) — не более 0,05 дБ; по-
грешность ступепчатой установки уровня не превы-
шает (+0,02 -4-0,005 А)дБ, где А — затухание атте-
нюатора; нестабильность выходного уровня <0,005 дБ
за любые 3 ч работы и <+0,03 дБ иа каждые 10 °C;
уровень нелинейных искажений не превышает —50 дБ
в диапазоне частот до 10 МГц и —44 дБ во всем рабо-
чем диапазоне частот; уровень интермодуляцпопных ис-
кажений не более —70 дБ; уровень паразитной модуля-
ции продуктами сети не превышает —80 дБ; время уста-
новления выходного сигнала при ступенчатом измене-
нии управляющего кода <50 мс. Питание от сети 220 В,
50 Гц; потребляемая мощность 80 Вт. Размеры 470 х
X 410 X 200 мм3; масса 26 кг.
Адрес для справок: 252056, Киев, просп. Победы, 37,
Киевский политехнический институт, кафедра авто ма-
тизации экспериментальных исследований.
Поступила в редакцию 6.IV.1986
232
УДК 621.316.933
ПТЭ № 3, 1987
СИЛЬНОТОЧНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ РАЗРЯДНИК
КАПИШНИКОВ Н. К., МУРАТОВ В. М.
Сильноточный управляемый разрядппк трига-
троппого типа ТУР-1 М предназначен для коммутации
малоиндуктивных емкостных накопителей энергии с ра-
бочим напряжением до 10 кВ и может быть использован
в генераторах импульсных напряжений и токов милли-
секундной длительности.
Устройство сильноточного разрядника показано
схематично на рисунке. В цилиндрическом корпусе 1
из дюралюминия установлены основные электроды 2
ц У из латуни. В рабочие поверхности основных элек-
тродов запрессованы вставки из эрозионностойкого
композиционного материала на основе вольфрама и
меди. Конструкция поджигающего узла разрядника по-
добна описанной в работе |1|. На высоковольтном элек-
троде 2, отделенном от корпуса проходным изолятором 4,
установлен конический латунный экран 5, перекры-
вающий основной разрядный промежуток, что позво-
ляет уменьшить напыление продуктов разрушения
электродов на рабочую поверхность изолятора п ис-
ключить его разрушение под действием выбросов го-
рячего газа из основного разрядного промежутка. Ра-
бочей средой в разряднике служит криптон при давле-
нии 3 -г- 4 ати. Газовое наполнение пе заменяется в тече-
ние всего срока службы разрядника.
При подключении нагрузки к низковольтному
электроду 3 разрядника цепь поджига изолируется от
низковольтного электрода малоиндуктивным раздели-
тельным конденсатором 6. Разрядппк запускается им-
пульсом напряжения с амплитудой ~15 кВ, длитель-
ностью фропта <10 нс и с полярностью, противополож-
ной полярности основного напряжения.
Разрядник используется для коммутации емкост-
ных накопителей энергии с уровнем рабочего напряже-
ния 5 и 10 кВ. Рабочий диапазон перестраивается из-
менением длппы основного зазора. При уровне рабоче-
го напряжения U3 до 5 кВ длина основного зазора раз-
рядника ~ 0,3 см, при {7з до 10 кВ d0 х- 0,5 см.
Разрядник надежно управляется в диапазоне 0,2 <
< U.t/Ucn < 0,9, при этом время запаздывания сра-
батывания составляет 10 -н 75 нс, а его разброс — 2 ч-
ч-15 пс, и практически не зависят от длпны основного за-
зора (Ь’сп — напряжение неуправляемого пробоя раз-
рядника). При коммутации емкостных накопителей с
энергией W > 10* Дж U3I £7СП <. 0,5.
Благодаря папосекупдной стабильности включе-
ния разрядника’в широком диапазоне изменения рабо-
чего папряжеппя возможна надежная работа прп па-
раллельном включении нескольких разрядников.
Основные технические характеристики разрядни-
ка ТУР-ПИ. Рабочее положение — вертикальное, вы-
водом высоковольтного электрода вверх; максималь-
ное количество электричества, пропускаемого через
разрядник за включение, 6 Кл; амплитуда разрядного
тока <100 кА; частота срабатывания разрядника при
IV > 104 Дж — 0,5 включений/мин; индуктивность
разрядника <50 нГн; вероятность неуправляемого
срабатывания при UjUcn < 0,5 — меньше 10“3; ресурс
работы >10® включений; масса разрядника <5 кг.
Адрес для справок'. 634050, Томск-50, а/я 158, НИИ
высоких напряжений при Томском политехническом
институте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Капишников И. К., Муратов В. М. // ПТЭ. 1984,
№ 4. С. 233.
Поступила в редакцию 27.11.1986
233
УДК 621.311.6 ПТЭ № 3, 1987
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ВТОРИЧНО-ЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ
КОНДРАТЬЕВ В. Н., фАСАКОВ Ш. Р.
Источник питания содержит высокочастотный пре-
образователь, построенный ио схеме двухтактного уси-
лителя мощности, нагруженного на первичные обмотки
импульсного трансформатора, с амплитудной стабили-
зацией выходного напряжения. Схема управления пре-
образователя содержит задающий генератор, D-триг-
гер и согласующий каскад. Трансформированное вы-
сокое импульсное напряжение выпрямляется с допол-
нительным умножением. Напряжение обратной связи,
снимаемое с частотно независимого делптеля, сравни-
вается с опорным напряжением, и усиленный сигнал
ошибки управляет регулирующим элементом, осуществ-
ляя тем самым стабилизацию выходного напряжения.
Имеется защита от перегрузок и коротких замыка-
ний в нагрузке.
Технические характеристики. Входное напряжение
220 В, 50 Гц; выходное напряжение, плавно регули-
руемое, 500 -г- 5000 В; ток нагрузки до 5 мА; коэффи-
циент стабилизации по входному напряжению —700;
пульсации выходного напряжения до 0,5 В. Габариты
блока 280 X 175 X 75 мм3, масса 4 кг; при необходи-
мости они могут быть уменьшены на 40%.
Адрес для справок'. 700084, Ташкент-84, ул. Энгель-
са, 108, Ташкентский электротехнический институт
связи.
Поступила в редакцию 14.VII.1986
УДК 621.316.933
ПТЭ № 3, 1987
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК
КАППШНИКОВ и.
Многоканальный газонаполненный разрядник
МИК-8М1 предназначен для коммутации емкостных
накопителей энергии с рабочим напряжением до 5 кВ.
Может быть использован в генераторах импульсных
токов миллисекундной длительности, а также в каче-
стве разрядника кроубара, шунтирующего низкоом-
ную нагрузку.
В цилиндрическом корпусе 1 (рис. 1), изготовлен-
ном из дюралюминия, расположены два основных мед-
ных электрода и 3, имеющих форму колец с наруж-
ным 0 15 см. В электроде 3, электрически связанном
с корпусом разрядника, в отверстиях 0 0,9 см уста-
новлены восемь стержневых управляющих электрода 4
МУРАТОВ В. М.
из стали. Основной разрядный промежуток охвачен
коническим защитным дюралюминиевым экраном 5,
закрепленным на высоковольтном электроде 2, отде-
ленном от корпуса разрядника изолятором 6 из орг-
стекла. В качестве рабочей среды в разряднике исполь-
зуется аргон при давлении 4 н- 5 ати. Длина основно-
го зазора многоканального разрядника ~0,35 см, на-
пряжение неуправляемого пробоя 11 13 кВ.
Разрядник запускается от многоканального им-
пульсного генератора через малоипдуктивные раздели-
тельные конденсаторы 7, встроенные в изолятор 8 из
оргстекла, отделяющий управляющие электроды от
основного низковольтного электрода. Амплитуда под.
Рис. 1
Рис. 2
234
жигающего напряжения с полярностью, противополож-
ной полярности основного напряжения, —15 кВ, дли-
тельность фронта импульса поджига <10 нс.
Зависимости времени запаздывания срабатывания
многоканального разрядника t3 (сплошные линии) и его
разброса <т3 (пунктирные линии) от величины отно-
шения U3IUcn (U3 — амплитуда основного напряже-
ния; Ucn = 12 кВ — напряжение неуправляемого про-
боя разрядника) при отрицательной (1, 2) п положи-
тельной (3, 4} полярностях основного напряжения
приведены на рис. 2. На этом же рисунке приведена
зависимость среднего числа каналов N, участвующих
в коммутации, от U3I Ucn (5) для обеих полярностей
основного напряжения] (в исследованных условиях N
практически не зависит от полярности U3).
Высокие времеппые характеристики многоканаль-
ного разрядника в широком диапазоне изменения ос-
новного напряжения позволяют применять его в гене-
раторах импульсных токов с модульной компоновкой,
а также для закорачивания пизкоомной нагрузки при
уровне напряжения на ней >0,2 кВ.
Основные технические характеристики разрядни-
ка: рабочее положение вертикальное, вывод высоко-
вольтного электрода направлен вверх; рабочее напря-
жение 0,2 -г- 5 кВ; максимальная величина электри-
ческого заряда, пропускаемого разрядником за вклю-
чение при 6 -г- 8-канальпом режиме пробоя, составляет
40 Кл; индуктивность разрядника <40 нГн при 4 -ь 8-
капальпом режиме коммутации; вероятность неуправ-
ляемого включения —10-3 при U3 = 5 кВ; ресур ра-
боты —103 включений при максимальной величине про-
пускаемого за включение электрического заряда, после
чего для восстановления работоспособности разрядни-
ка необходимы обработка основных электродов и заме-
па электродов поджига. Размеры разрядника ф 340 X
X 280 мм2; масса <30 кг.
Адрес для справок: 634050, Томск-50, а/я 158, НИИ
высоких напряжений при Томском политехническом
институте.
Поступила в редакцию 30.VI.1986
УДК 537.312.62
ПТЭ № 3, 1987
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТОКАЛИБРОВОЧПЫЙ СТЕНД
БУГППОВ В. ф., КОКАВЕЦ Я., КУКАРНИКОВ С. И., ЛАМИНОВ В. М., ПРЕЙЗЕНДОРФ В. А., САПАЕВ А. А.,
ТИЩЕНКО В. В., ЦЕСНАК Л., | РУБИН ПГп?|
Стенд [1] предназначен для настройки и калибров-
ки магнитометрической аппаратуры в диапазоне маг-
нитных полей до —5 Тл с однородностью поля до
—0,001 %/см в теплом рабочем объеме (—60 см3) внутри
цилиндрической апертуры сверхпроводящего соленоида
(с.п.с.) 6 8 см. Предусмотрен режпм «замороженного»
магнитного поля, для чего используется сверхпроводя-
щий ключ. В этом режиме обеспечивается высокая ста-
бильность поля (спад < 0,01 %/ч) и экранировка рабо-
чего объема от внешних .магнитных помех. Стенд имеет
систему электрического питания, управления и защи-
ты [2].
С.п.с. выполнен в виде цилиндрической катушки
с корректирующими обмотками па ее краях. Для более
равномерной токовой загрузки сверхпроводящего про-
вода и снижения его расхода (па —30%) основная п
корректирующая обмотки разделены па цилиндричес-
кие секции с различной средней плотностью тока, что
достигается использованием в секциях проводов разно-
го диаметра. Все секции включены последовательпо и
питаются от одного источника. При токе —145 А поле
в рабочем объеме —5 Тл.
С учетом магнитных и механических свойств мате-
риалов каркас с.п.с. сделан из дюралюминия, а тепло-
вой экран внутренней апертуры с.д.с.— пз меди и ти-
тана. Намотка с.п.с. осуществлена с предварительным
натягом провода до —100 Н/мм3 с последующим уплот-
нением технологических зазоров и общим бандажпро-
ванием обмоток.
Каждая нэпа выводов секций спаяна пнднем по мед-
ным матрицам на длине —20 см, а конечные части
сверхпроводящих проводов длиной —5 см спаяны при-
поем 53,5% Bi + 46,5% РЬ по сверхпроводящим жи-
лам с помощью ультразвукового паяльника. Спаи за-
креплены вдоль внешних образующих основной обмот-
ки, где магнитное поле относительно низкое. Все сек-
ции обмотки шунтированы защитными сопротивления-
ми, которые расположены в криостате в области газо-
образного гелия и ограничивают перенапряжения на
секциях при переходах с.п.с. в нормальное состоянпе.
Общее число витков обмотки —13,8 тыс., индуктивность
-9 Гн.
Для ключа пспользовап провод 6 0,85 (СКНТЭ-
60-0,5) длиной —10 м, очищенный травлением от мед-
ной матрицы па участках по 12 см с интервалами по
1,5 см. Общее сопротивление ключа —23 Ом. Провод
изолирован 10-микронной фторопластовой лентой,
а на краях и в центральной области обмотан последо-
вательно соединенными подогревателями пз бпфиляр-
но скрученного провода ПЭШОММ. Провод обмотан
ниткой, сложен вдвое, намотан на каркас и расположен
в области слабых полей. Ключ подпаян к выводам с.п.с.
указанным выше способом. Подогреватель питается от
источника тока с напряжением >5 В.
Объем азотной ванны равен —30 л, объем заливае-
мого жидкого гелия —35 л. На охлаждение с.п.с. и па
работу в течение 4 -г- 5 ч необходимо 150 л жидкого
азота и 100 л жидкого гелия. Степд обеспечен типовой
криогенной системой, куда входят устройство вакуум-
ной откачки, сифон для переливания жидкого гелия,
измеритель уровня гелия и низких температур, газ-
гольдер для сбора газообразного гелия, газовый пульт
с органами управления и др.
Адрес для справок: 141980, Московская обл., Дубна,
Объединенный институт ядерных исследований, От-
дел новых методов ускорения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пуринов В. Ф., КокавецЯ., Кукарников С. И. и др.
Препринт ОИЯИ Р9-85-567. Дубна, 1985.
2. Лачинов В. М., Саванеев В. И., Стариков А. М., Фи-
лин В. II. Препринт ОИЯИ Р9-85-568. Дубпа, 1985.
Поступила в редакцию 29.VII.1985
(После переработки 8.V 11.1986)
235
УДК 021.317
ПТЭ № 3, 1987
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА
ПОГОДИН В. И., ТИХОМИРОВ Н.П., УВАРОВ А. А.
Приборы предназначены для измерения трех со-
ставляющих вектора магнитной индукции в диапазоне
0,01 -н 10 Тл.
Трехкомпопептпые преобразователи типа ТХ [1]
выпускаются в двух конструктивных исполнениях
(ТХ1, ТХЗ) с применением в каждом исполнении пре-
образователей Холла ПХЭ различных типов, отличаю-
щихся концентрацией носителей тока.
Преобразователи ТХ выполнены в закрытом испол-
нении в виде цилиндра: ТХ1 —618 и высотой 8 мм,
ТХЗ — 6 7 и высотой 50 мм. Установочная база пре-
образователя ТХ1 выполнена в основании цилиндра
(плоский зонд), а ТХЗ — по образующей цилиндра
(торцевой зонд). В каждом преобразователе с заданной
ориентацией относительно установочной базы распо-
ложена прямоугольная призма, обеспечивающая орто-
гональное размещение трех преобразователей ПХЭ в
рабочем объеме <^8 мм3.
Основные технические характеристики. Диапазон
измерения магнитной индукции 0,05 ч- 10,0 Тл; диа-
пазон рабочих температур 1,5 -=- 373 К; чувствитель-
ность 80 -=- 400 мВ/'Тл; номинальный управляющий ток
50 ч- 200 мА; остаточное напряжение <110 мкВ; вход-
ное и выходное сопротивление ^30 Ом; температурный
коэффициент выходного напряжения 3 10*3 5-
•10-6 К"1; температурный коэффициент остаточного
напряжения <^1 мкВ/K; относительное отклонение ха-
рактеристики преобразования от линейности <^1%;
погрешность от планарного эффекта и неперпендпку-
лярности установки преобразователей ПХЭ 0,5%;
объем рабочей зоны 8 мм3; масса <Д5 г.
Основная погрешность определения параметров
вектора магнитной индукции в пространстве лежит
в пределах 0,1ч-0,5%. Метрологическая аттестация
отдельных преобразователей ТХ проведена на Госу-
дарственном специальном эталоне на базе ВПИИФ-
ТРИ. ।
Внешний вид прибора показан на рисунке.
Адрес для справок: 194037, Ленинград, Шувалова,
ул. Заповедная, 51, СКВ Физико-технического инсти-
тута АН СССР.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Погодин В. И., Тихомиров Н. П., Юрьева Г. А. А.с.
879521 СССР//В.И. 1981. №41. С. 218.
Поступила в редакцию 7.VII.1986
УДК 621.521 ПТЭ № 3, 1987
ВАКУУМНЫЕ АДСОРБЦИОННЫЕ ЛОВУШКИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАСОСОВ
ЛУПИНСКИЙ в. А., ЛАВЫГИН В. А.
Вакуумные адсорбционные ловушки ЛС10Т и
ЛСЗОТ предназначены для защиты откачиваемых объ-
ектов от паров и продуктов крекинга рабочей жидкости
форвакуумных механических насосов с масляным уп-
лотнением (паров масла).
Пары масла улавливаются двумя коаксиально рас-
положенными цилиндрическими защитными слоями,
содержащими микропористые гранулированные ад-
сорбенты — активный уголь СКТ-2 и активную окись
алюминия А-2.- Первый расположен со стороны фор-
вакуумного насоса, второй со стороны откачиваемого
объекта. ~
Внутрп защитных слоев расположен встроенный
нагреватель, предназначенный для регенерации адсор-
бентов. В нагревателе в первую очередь более интен-
сивно нагревается слой активной окиси алюминия, что
обеспечивает возможность каталитического окисления
адсорбированных углеводородов с образованием легко
откачиваемых паров воды и оксидов углерода при реге-
нерации ловушки. Таким образом, защитное действие
ловушек проявляется как при работе, так и при реге-
нерации. Присоединительные патрубки ловушек, рас-
положенные под углом друг к другу, имеют диаметры
236
Характеристики ЛСЮТ лсзот
Диаметр условного прохода, мм 40 63
Габариты, мм: длина 285 310
ширина (диаметр корпуса) 190 250
высота 350 527
Масса, кг 9,5 27,3
Количество адсорбентов, г 900 3400
Мощность нагревателя, Вт 140 480
Удельный пролет масла через ловушку, мг/ч-см2 <1 О'3
Проводимость, л/с: при давлении 13,3 Ila (10-1 Торр) 314-4 59 4-5
при давлении 2,66 Па (2.10-2 Торр) 14,54-3 24 4-5
Длительность работы ловушки до регенерации, ч >1000
условных проходов 40 п 63 мм. Патрубки оснащены
фланцами с быстросъемпыми прижимами.
В таблице представлены данные адсорбционных ло-
вушек ЛС10Т и JIC30T; внешний вид этих ловушек по-
казан на рисунке.
При работе с механическими насосами с масляным
уплотнением ловушки со свежерегенерировапным ад-
сорбентом повышают предельный вакуум па порядок.
Адрес для справок'. 117415, Москва, просп. Вернад-
ского, 39, ЦНИИ «Электроника».
Поступила в редакцию 5.IX.1986
УДК 621.316.721.1 ПТЭ № 3, 1978
СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ
МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ИТ 150-2
КАБД11П И. U., СОЛЁЪыЙ В. И., ЗАВОДОВСКИП В. ф.
Источник ПТ 150-2 предназначен для пптаппя ста-
билизированным током сверхпроводящих магнитных
систем с индуктивностью 1 5 Гп. По принципу ре-
гулирования выходного тока источник ИТ 150-2 отно-
сится к системам непрерывного регулирования. В сос-
тав источника входит блок дистанционного управления,
позволяющий изменять величину выходного тока и осу-
ществлять контроль работоспособности источника на
расстоянии до 50 м. Ток задается оцифрованным задат-
чиком параллельного кода, который преобразуется
центральным микропроцессором в систему последова-
тельных кодов интерфейса радиальной последователь-
ной связи. Задатчик находится в блоке дистанционного
управления. По линии связи преобразованный сигнал
поступает па преобразователь кода, выполненный тоже
на микропроцессоре, в соответствующий аналоговый
сигнал. Регулирующий элемент источника выполнен
в виде составного эмпттерпого повторителя на транзис-
торах КТ808А, включенных параллельно. Охлаждение
источника — воздушное, принудительное. В источнике
применена система активной термостабнлпзации опор-
ного шунта стабилизатора тока, а размещение предва-
рительного усилительного каскада, опорного источника
и цифроаналогового преобразователя в термостате поз-
волило получить высокую температурную стабильность
источника. Источник состоит из трех блоков: преобра-
зовательного (БП-4), стабилизации (БС-1) и управле-
ния (БУ-9). В преобразовательном блоке размещены
силовые трансформаторы и выпрямители, в блоке ста-
билизации — регулирующий элемент и опорный шунт
стабилизатора тока, термостат, платы усилителей, мик-
роконтроллер па базе микропроцессора КР580ИК80А,
в блоке управления — микроконтроллер и система
сигнализации и индикации работы всего источника.
В блоке стабилизации находится стрелочный индика-
тор величины тока нагрузки. Нагрузка может быть уда-
лена от блока стабилизации на расстояние до 15 м.
Основные технические характеристики. Максималь-
ный ток 150 А; диапазон дискретной регулировки тока
от 60 до 149,95 А с шагом дискретности 0,05 А; стабиль-
ность выходного тока в течение 8 ч не хуже 0,01%; мак-
симальное выходное напряжение 4 В. Питание источ-
ника осуществляется от трехфазной сети переменного
тока 380/220 В, 50 Гц; потребляемая мощность пе более
1,5 кВт. Размеры и масса источника: БП-4 — 480 X
X 525 X 240 мм3, 49 кг; Г.У-9 — 480 X 525 X 120 мм3,
8 кг; БС-1 — 480 X 525 X 240 мм3, 27 кг.
Адрес для справок: 340114, Донецк-114, ул. Р. Люк-
сембург, 72, СИТИ Донецкого физико-технического ин-
ститута АН УССР.
Поступила в редакцию 15. VII. 1986
237
УДК 533.5
ПТЭ, № 3, 1987
ГЕРМЕТИЧНЫЕ ВВОДЫ ВРАЩЕНИЯ С УПЛОТНЕНИЕМ НА ОСНОВЕ
МАГНИТНОЙ КОМПОЗИЦИИ
ПАНФИЛОВ Ю. В., ФРОЛОВ А. И.
Для передачи движения в вакуумированный объем
разработаны вводы вращения, использующие для уп-
лотнения магнитную композицию (МК). Они предназ-
начены для использования в исследовательском ана-
литическом и технологическом вакуумном оборудова-
нии. По многим параметрам они превосходят сущест-
вующие вводы движения в вакуум и могут полностью
заменить их в оборудовании с масляными средствами
получения вакуума. Кроме того, вводы с использова-
нием МК могут использоваться в установках с избы-
точным давлением газа или жидкости.
В качестве уплотняющего элемента служат маг-
нитные композиции МК-08-1 ч- МК-50-7. Первые две
цифры в обозначении указывают памагпиченность на-
сыщения в кА/м, последняя цифра — условное обозна-
чение жидкости-носителя (1 — ВМ-1; 2 — ВМ-5; 3 —
ПФМС-2/5л; 4 — ПФМС-13; 5 — ФМ-1; 6 — 5Ф4Э;
7 — М-5Ф4Э), используемой в диффузионных паро-
масляпых насосах. В качестве магнитного материала
используются порошки Fe2O3, СгО2.
Конструкция ввода показана на рисунке. Ввод
движения состоит из корпуса 1 с расположенным в нем
па опорах валом 2, передающим крутящий момент.
Герметизация вала осуществляется магнитной компо-
зицией 3, удерживаемой в зазоре между вращающимся
валом и неподвижными полюсными наконечниками 4
магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом
5. Неподвижные стыки герметизируются прокладка-
ми 6 из резипы ИРП-2043.
Поток газа через ввод движения состоит из паров
жидкости-носителя (для ФМ-1 давление пара при
293 К составляет 1,3-10—8 Па, а для 5Ф4Э — 1,3-
• 10“* Па) и потока газопроницаемости через МК. На-
текаппе газа через подвижный контакт отсутствует.
В вводе отсутствует непосредственный контакт
между движущимися и неподвижными уплотняемыми
деталями. Это предотвращает их износ и в 7 -ИО раз
снижает момент сопротивления по сравнению с ввода-
ми движения, имеющими контактное уплотнение. Вво-
ды могут работать при скоростях скольжения вала до
15 м/с.
Основные характеристики вводов трех типоразмеров
с магнитной композицией МК-25-6, рассчитанные и
проверенные экспериментально па макетных образцах,
приведены в таблице. За среднюю долговечность вво-
дов принята длительность работы, прп которой средний
поток газопроницаемости не превышает величины, ука
занной в таблице.
По результатам экспериментальных исследований
были определены зависимость от времени работы по-
тока газа через ввод, скорость старения магнитной ком-
позиции и разработан «паспорт надежности» для рас-
чета вероятности безотказной работы ввода.
Паспорт позволяет оценивать надежность меха-
низма п назначать сроки его профилактики или ремон-
та.
Адрес для справок: 107003, Москва, 2-я Бауманская
ул., 5, Московское высшее техническое училище, кафедра
полупроводникового и электровакуумного машинострое-
ния.
Поступила в редакцию 30.XI 1.1985
Обозначение ввода Диаметр уплотня- емой поверхно- сти вала dB, мм Диаметр присоеди- нительно- го фланца Dtt мм Диаметр отверстия в вакуум- ной камере D?, мм Макси- мальная длина ввода L, мм Номи- нальный передава- емый момент, Н-м Момент сопротив- ления, Н*м Поток газопроница- емости, 10-“ м’ Па-с-’ Гаранти- рованная долговеч- ность, 10* мин Масса, кг
мини- мальный средний
ЖВ-6-40 (МК-25-6) 6,3 55 40 100 0,98 0,03 0,5 0,9 2 1,0
ЖВ-16-55 (МК-25-6) 16 70 55 130 15,3 0,04 0,5 0,9 2 1,6
ЖВ-45-120 (МК<-25-6) 45 145 120 190 240 0,08 0,5 1,0 1,1 7,0
Примечание. В обозначение ввода на основе МК входят: название — жидкостной ввод (ЖВ), диаметр вала и диаметр отверстия в стенке вакуумной камеры, в которое вставляется ввод.
238
УДК 621.391.24 : 620.179.17,
ПТЭ, № 3, 198Т
АНАЛИЗАТОР СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКОЙ
ЭМИССИИ «СПЕКТР»
ГОРБУНОВ А. II., ЛЫКОВ Ю. И., ОВЧАРУК В. II., (ОСТРИНКИЙ А. С. |
Назначение установки — анализ спектральных ха-
рактеристик акустической эмиссии в твердых телах.
При наличии соответствующих преобразователем ус-
тановка может найти применение в исследованиях ши-
рокого класса импульсных и непрерывных процессов
различной физической природы.
Акустический сигнал преобразуется приемным пре-
образователем в электрический и через предваритель-
ный усилитель подастся на вход 100-канальпого анализа-
тора спектра одновременного действия. Спектры вход-
ных сигналов фиксируются в накопителе-индикаторе
спектров. Одновременно со спектром можно фиксиро-
вать сопутствующую информацию о параметрах динами-
ческой системы, поступающую от внешних измеритель-
ных устройств (датчиков давления, температуры и т. п.)
по десяти дополнительным каналам.
Накопитель-индикатор спектров представляет со-
бой оперативное запоминающее устройство со специа-
лизированной схемой управления и встроенным мат-
ричным индикатором.
Генератор импульсов и шума предназначен для
воспроизведения электрических, а в совокупности с
акустическим калибратором, и акустических импульс-
ных или непрерывных сигналов с нормированным
спектром. Такая организация структуры позволяет
применять установку для исследований передаточных
характеристик электрических и акустических трактов.
Высокое быстродействие, одновременная регистрация
спектров и сопутствующих характеристик, а также
структурная связь с э.в.м. обеспечивают автоматиза-
цию исследований взаимных корреляционных функций
энергетических (спектральных) характеристик про-
цессов и параметров динамических систем, в которых
протекают эти процессы.
Основные технические характеристики. Диапа-
зон частот 0,02 ч- 2 МГц; шкала частот — линейная,
число каналов —100; погрешность отсчета частоты
+1,5%. Диапазон измерения спектральной плотности
амплитуд импульсных сигналов и потенциального
спектра (корня квадратного пз спектральной плот-
ности мощности) непрерывных сигналов —1 -т- 5-
• 104 мкВ/кГц1^; осповпая приведенная погрешность
измерения спектральной плотности амплитуд и по-
тенциального спектра + 25%. Динамический диапа-
зон на каждом пределе измерения > 26 дБ. Макси-
мальный интервал автокорреляции входных сигналов
> 30 мкс. Параметры временного «окна» основного
измерительного тракта в импульсном режиме: длитель-
ность 10 -т- 900 мкс, задержка относительно момента
поступления входного импульса 0 -+- 90 мкс; накопи-
тель-индикатор обеспечивает запись, храпение и ин-
дикацию 256 спектров. Максимальное время записи
одной спектрограммы <2 мс. Режимы записи: авто-
матический (по мере поступления импульсов па вход
анализатора спектра) и выборочный (однократный).
Скорость вывода информации на осциллограф и э.в.м.
«Электроника ДЗ-28» 10—1 с/канал, па цифропечатаю-
щее устройство Щ68000К — 5-10-2 с/капал, на гра-
фопостроитель Н-306 — 1 с/канал. Максимальное зна-
чение потенциального спектра сигнала на выходе ге-
нератора шума > 50-103 мкВ/кГц’* с неравномер-
ностью не более 4: 10%; максимальное значение спект-
ральной плотности амплитуд одиночного импульса па
выходе генератора импульсов 2-103 мкВ/кГц. Макси-
мальная амплитуда выходного импульса 10 В. Вы-
ходное сопротивление генератора импульсов и шума
50 Ом. Коэффициент преобразования акустического
калибратора 10-11 м/В в диапазоне частот 0,02 -s-
-т- 2 МГц. Мощность, потребляемая установкой (без
э.в.м.), < 600 Вт.
Внешний вид установки приведен на рисунке.
Адрес для справок'. 680037, Хабаровск, ул. Карла
Маркса, 65, НПО «Далъстандарт».
Поступила в редакцию 16.1.1986
239
УДК 621.521
ПТЭ № 3, 1987
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПРЕССОР ДО 15 кбар
(ГКТЛ-15000)
ШУРИН Я. И., ЯКОВЛЕВ И. И., НАТРИН н. с.
Компрессор предназначается для создания и сня-
тия давления до 15 кбар. Он имеет две ступени. Первая
ступень производительностью 15 л/ч создает давление
1,5 кбар. Вторая производительностью ~ 1 л/ч соз-
дает давление 15 кбар.
Первая ступень выполнена па базе трех насосов-
форсунок АР-21 от автомобильного дизельного двига-
теля и приводится в движение от электродвигателя
1,7 кВт. Рабочая среда — минеральные масла: вере-
тенное, трансформаторное, АМГ-10.
Вторая ступень (рисунок) выполнена в виде спа-
ренных силовых цилиндров, один из которых содержит
камеру низкого давления, другой — камеру высокого
давления. Цилиндры снабжены двуступепчатым порш-
нем и всасывающим клапаном. Движение двуступенча-
того поршня при нагнетании жидкости осуществляется
от первой ступени, а при наполнении рабочей камеры —
от газогидроаккумулятора.
Всасывающий клапан цилиндров выполнен в виде
иглы и двуступенчатого поршня, его перемещение —
принудительное, происходящее одновременно с движе-
нием двуступенчатого поршня силовых цилиндров.
Это, во-первых, сводит к минимуму потери напора во
всасывающем капало, что сокращает время наполнения
рабочей камеры в ~ 2 ч- 3 раза; во-вторых, обеспечи-
вается поток сжимаемой жидкости в обе стороны, что
позволяет применить компрессор для разгрузки сосу-
дов от давления, и в-третьих, уменьшаются напряже-
ния на седле клапана, что повышает надежность ком-
прессора.
Силовой цилиндр с камерой высокого давления для
повышения прочности выполнен многослойным из ко-
нических элементов, запрессованных один в другой с на-
тягом. Слой окиси железа и дисульфида молибдена ме-
жду элементами исключают самораспрессовку внут-
реннего элемента благодаря тому, что коэффициент
взаимного трения в местах, где смещение поверхностей
относительно велико, сведен к минимальному, а в ме-
стах меньшего смещения он максимален. В результате
сместившиеся поверхности возвращаются обратно и са-
мораспрессовки не происходит [1], благодаря [чему
цилиндр служит в > 4 раза дольше.
Создающий высокое давление поршень уплотнен
металлическими и неметаллическими коническими коль-
цами, собранными в пакет и поджатыми посредством
шайбы п тарельчатых пружин. Расположение колец
Устройство компрессора. 1,0 — уплотнительные кольца, 2 — силовые цилиндры, 3 — двуступепчатый
поршень силовых цилиндров, 4 — камера высокого давления, 5 — силовой элемент затвора, 6 — игла
всасывающего клапана, 7 — двуступенчатый поршень всасывающего клапана, 8, 31 — заглушки, 10 —
всасывающий клапан, 11 — емкость для сжимаемых жидкостей, 12 — затвор. 13. 14. 17 — устройство
для удержания нагнетательного клапана в открытом положении при разгрузке сосудов от давления,
15, 16 — устройство для закрепления всасывающего клапана на затворе, 18 — винт, 10 — тарельча-
тые пружины, 20 — составная шайба, 21 — неметаллические конические кольца, 22 — металлические
конические кольца. 23 — опорное металлическое кольцо, 24 — слой дисульфида молибдена. 25 — слой
окиси железа, 26 — газогпдроаккумулятор, 27, 28 — манометры, 20 — первая ступень, 30 — сливной
вентиль
240
ii их форма [2] способствуют улучшению герметичности
и долговечности уплотнения, что обусловлено измене-
нием контактного давления па уплотняемых поверхно-
стях при росте давления в цилиндре соразмерно изме-
нению вязкости сжимаемой среды. Например, на пер-
вом этапе работы поршпя, когда жидкость имеет малую
вязкость, конические кольца прилегают к стенкам ци-
линдра из-за наличия нескомпенспровапной площади
у (см. рисунок). По мере ее исчезновения контактные
давления падают, но герметичность сохраняется из-за
роста вязкости жидкости.
Благодаря новым решениям вторая ступень позво-
ляет длительно сжимать жидкости, вязкость которых
изменяется в широком диапазоне, например бензин,
керосин, глицерин, касторовое масло. Потери па силы
трения мало зависят от создаваемого давления и состав-
ляют < 1 %.
Компрессор управляется одним сливным вепти-
лем, имеет плавную регулировку производительности
па ходу во всем интервале давлений. Габариты компрес-
сора 630 X 600 X 1000 мм3, масса ~200 кг.
Адрес для справок: 630058, Новосибирск-58, ул. Рус-
ская, 43, СКТБ монокристаллов СО АН СССР.
ЛИТЕРА ТУРА
1. Шурин Я. И., Яковлев И. И. А.с. 1082602 СССР//
Б.И. 1984. № 12. С. 49.
2. Шурин Я. И., Яковлев И. И. А.с. 1173116 СССР//
Б.И. 1985. № 30. С. 140.
Поступила в редакцию 27.V.1986
УДК 621.396.9 ПТЭ № 3, 1987
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
АФАНАСЬЕВ Г. Ф„ ЛУШНИКОВ А. С., ТАРАСОВ С. Н.
Оптико-электронное информационно-измеритель-
ное устройство предназначено для передачи аналогового
сигнала (речи) и даппых э.в.м., представлепных в па-
раллельном или последовательном двоичном коде, ме-
жду двумя абонентами и для измерения дальности ме-
жду ними. Источники излучения — импульсные полу-
проводниковые лазерные излучатели ИЛПИ-107, ра-
ботающие в ближнем инфракрасном диапазоне. Работа
фотоприемного устройства основана на методе прямого
фотодетектирования; приемником оптического излуче-
ния является быстродействующий р — I — п-фото-
дпод ФД256.
Для передачи цифровой информации применена
позиционно-импульсная модуляция. Передача каждой
8-разрядной кодовой комбинации осуществляется с по-
мощью двух оптических импульсов — короткого син-
хронизирующего (50 нс) и информационного (>100 нс).
Временное положение (позиция) информационного им-
пульса относительно синхронизирующего определяет-
ся передаваемой кодовой комбинацией. В режиме пере-
дачи аналогового сигнала он предварительно преобра-
зуется в цифровую форму 8-разрядным а.ц.п. В режиме
передачи данных последовательным кодом синхрони-
зирующий и информационный пмпульсы соответствуют
началу и концу посылки, представляющей символ 1;
символу 0 соответствует пауза.
В режиме измерения дальности излучаются только
короткие импульсы. Дальность измеряется импульсным
методом по уголковому отражателю либо с активным
ответом. Время задержки принятого сигнала при этом
измеряется счетно-импульсным методом и преобразует-
ся в цифровой код для индикации и ввода в э.в.м. Счет-
ные импульсы в каналах грубого и точного измерения
дальности формируются путем рециркуляции импуль-
сов в отрезках кабеля. Высокая точность измерения до-
стигается благодаря использованию схемы временной
привязки к фронту принятого сигнала со следящим
порогом.
Для автоматизации обработки информации п для
управления режимами работы устройство сопрягается
с э.в.м. «Электроника-60».
Каждый полукомплект устройства состоит из оп-
тического и электронного блоков и блока питания.
Основные технические параметры. Дальность дей-
ствия при передаче информации 2 км; скорость передачи
информации 64К бит/с; диапазон измерения дальности
20 -н 1000 м; погрешность измерения —0,5 м; диапазон
длин волн лазерного излучения 0,875 ч- 0,92 мкм;
импульсная мощность лазерного излучения 10 Вт;
расходимость лазерного пучка 2'. Питание устройств
осуществляется от сети переменного тока напряжением
220 В + 10%, частотой 50 Гц. Размеры одного полу-
комплекта без блока питания 500 X 300 X 180 мм3,
масса 2 кг.
Внешний вид устройства показан на рисунке.
Адрес для справок: 432700, Ульяновск, ул. Север-
ный Венец, 32, Политехнический институт, кафедра
теоретических основ радиотехники.
Поступила в редакцию 30.VI.1986
16 птэ, М 3
241
УДК1543.422 + 681.142.5
ПТЭ № 3, 1987
СПЕКТРАЛЬНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС
НА БАЗЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРА «Speeord 751В» И МИКРО-Э.В.М.
«ЭЛЕКТРОНИКА ДЗ-28»
ФРИДМАН Б. С.,
Комплекс, состоящий из спектрофотометра «Spe-
cord 751В», микро-э.в.м. «Электроника ДЗ-28», устрой-
ства сопряжения и координатного самописца КСП-4,
позволяет осуществлять автоматический ввод спект-
ральной информации в э.в.м., накопление спектров, их
математическую обработку и вывод информации пз
э.в.м. в виде графиков на самописец.
Э.в.м. и спектрофотометр сопряжены без приме-
нения углового датчика волновых чисел, что применимо
в|болыпипстве практических случаев. Устройство со-
пряжения содержит цифроаналоговый преобразователь
(ц.а.п.), компаратор и схему формирования сигналов
Пуск и Конец диапазона, по которым начинается п кон-
чается развертывание спектра спектрофотометром п
ввод спектра в э.в.м.
При постоянной скорости развертывания спектра
спектрофотометром и постоянном периоде считывания
ординат спектра э.в.м. каждому адресу ячейки памяти
э.в.м., в которой хранится ордипата, соответствует
строго определенное волновое число. Э.в.м. преобразует
ординату в 8-разрядный цифровой код методом пораз-
рядного приближения, устанавливая на шипах передачи
информации циклическую последовательность кодов,
преобразуемых ц.а.п. в опорное напряжение. Решение
компаратора (1 пли 0) по шипе приема информации за-
носится в э.в.м. и анализируется. Циклы повторяются
ХРАМОВ Ю. В.
до тех пор, пока в ячейке памяти э.в.м. пе накопится S-
разрядпый кодовый эквивалент ординаты. Время пре-
образования аналог— код прп данном алгоритме пре-
образования «^8 мс. Период считывания ординат задает
э.в.м., исходя из скорости развертывания спектра.
Реально существующая нестабильность скорости раз-
вертывания спектра дает ошибку в считывании волно-
вых чисел ±1 см-1 на каждые 500 см-1.
Спектральная информация может вводиться в э.в.м.
только в режиме постоянного замедления, прп автома-
тическом возврате каретки спектрофотометра, а также
в тех диапазонах волновых чпеел, где не происходит
смена решетки спектрофотометра. Вывод информации
из э.в.м. на координатный самописец осуществляется
с постоянным периодом через ц.а.п. Скорость вывода
задается программно и зависит от быстродействия са-
мописца.
Питание системы от сетп 220 В, 50 Гц; потребляе-
мая мощность 12 Вт.
Адрес для справок: 420015, Казань, ул. К. Маркса,
68, Казанский химико-технологический институт, ка-
федра физической химии.
Поступила в редакцию 18.X.1985
УДК 681.518.3
ПТЭ № 3, 1987
МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРОМ «Speeord 75IR»
В СТАНДАРТЕ КАМАК
ЯКОВЕНКО С. Е„ РЖЕУССКИЙ В. В.
Модуль предназначен для автоматизации спект-
ральных измерений на спектрофотометре «Speeord 751 В»
с помощью э.в.м. и аппаратуры КАМАК. В состав мо-
дуля входят два формирователя импульсов, устройство
пересчета и блок реле.
Формирователи импульсов преобразуют сигналы
фотодиодов датчика развертки спектрофотометра по час-
тоте [1] в импульсы т.т.л.-уровпей. Устройство пере-
счета определяет шаг дискретизации спектров. Коэф-
фициент пересчета и начальная установка счетчика за-
даются с магистрали крейта КАМАК командами:
A(0)F(16) — запись коэффициента пересчета, A(0)F(0)—
чтение коэффициента пересчета, A(1)F(16) — началь-
ная установка счетчика. Блок реле позволяет управлять
режимами работы спектрофотометра (быстрая перемот-
ка, сканирование, замедление сканирования в 3 и
10 раз).
Устройство выполнено в виде модуля КАМАК
единичной ширины на интегральных схемах серий 155
п 140 и имеет следующие технические характеристики:
вход формирователя — токовый; минимальный вход-
ной ток 3 мкА; длительность выходных импульсов
0,5 мкс; логические уровни: «1»—^0,4 В, «0» — >
>. 2,4 В; диапазон коэффициентов пересчета 1 16.
Питание -|-6 В, 1,1 А; -р12 В, 0,03 А; 12 В, 0,02 А.
Адрес для справок: 220106, Минск-106, ул. Кур-
чатова, 7, НИИ прикладных физических проблем, ла-
боратория оптики конденсированных сред.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ржевский А. М., Буслов Д. К., Илъюшонок А . В
Макаревич Н. И. // ПТЭ. 1985. № 3. С. 195.
Поступила в редакцию И.VI. 1986
242
УДК 532.574(088.8)
ПТЭ As 3, 1987
ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ
КРИШТАЛЬ В. II., МИЛОВАНОВ В. Н., ЮНУСОВ Н. Г.., ЗАГИРОВ Р. Г., ФРОЛОВА Г. И.,
МАЛЫШЕВА Л. А., СТРАШИНСКИЙ Ч. С.
Лазерный доплеровский измеритель скорости
(л.д.и.с.) предназначен для измерения скорости газо-
вого потока в проточных частях двигателя внутреннего
сгорания (1]. В основу л.д.и.с. заложена схема с рассея-
нием назад, поскольку при этом существенно упрощает-
ся оптический доступов цилиндр двигателя [2]. Л.д.и.с.
содержит (рисунок) лазер с блоком питания, оптичес-
кий блок, блок фотоприемпика, блок электронной реги-
стрирующей аппаратуры, генераторы светорассепваю-
щих частиц (эжекторный — диспергациоиного типа
и дымовой — конденсационного типа).
Источник излучения — одномодовый аргоновый
лазер ЛГН-502 с заменой активного элемента ЛГИ-503
(длина волны л = 5145 А, мощность 2 Вт). Оптический
блок состоит из блока расщепителя 2 и блока фокуси-
рующего объектива 3. Оба спабжены для юстировки
универсальными механизмами перемещений. В каче-
стве фокусирующего используется объектив 70 мм
с фокусным расстоянием 440 мм. Расщепитель содержит
полупрозрачное и плоское зеркала. Механизм переме-
щений позволяет менять расстояние между зеркалами
и вращать плоское зеркало относительно любой осп.
Блок фотоприемника состоит из приемного объектива
«Калейнар-ЗВ» (фокусное расстояние 150 мм), регули-
руемой диафрагмы, фотоэлектронного умножителя
ФЭУ-128 с призмой полного внутреннего отражения.
Приемный объектив собирает свет, рассеянный в из-
мерительном объеме частицами, и фокусирует его на
фотокатод ф.э.у., который выделяет из светового потока
доплеровский сигнал л.д.и.с, пропорциональный ско-
рости потока. Сигнал усиливается предусилителем
с коэффициентом усиления по мощности 300.
Блок электронной регистрирующей аппаратуры
содержит широкополосный усилитель с коэффициен-
том усиления 150, анализатор спектра СЧ-25 (диапазон
частот 0,02 -н 50 МГц), частотомер ЧЗ-35А и генератор
сигналов ГЗ-110. Сигнал л.д.и.с. па экране анализа-
тора представляет набор импульсов от различных ча-
стиц, обладающих некоторым разбросом скоростей,
огибающая которых приближенно имеет форму гаус-
совой кривой. Положение максимума этой кривой, оп-
ределяемого с помощью генератора сигналов, дает доп-
леровский сдвиг сигнала vD, связанный со средней ско-
ростью потока v формулой и — vD?./2sin (0/2), (0 =
= 1°34'). Сравнение скоростей, полученных с помощью
л.д.и.с. и трубки Пито (используя стандартный пнев-
мометрический метод), подтвердило работоспособность
л.д.и.с.
Основные характеристики прибора. Пределы изме-
ряемых скоростей <J100 м/с; относительная погрешность
5%; пространственное разрешение 0,03 мм.
Адрес для справок: 423810, Брежнев, просп. Мира,
68119, Камский политехнический институт.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кришталъ В. И., Милованов В. II., Юнусов Н. Б.
и др. Гос. регистр. № 02840054164. М.: ВНТИЦ
(НТО № 9-01-4. Брежнев: КамПП, 1983).
2. Дюррани Т., Грейтид К. Лазерные системы в гид-
родинамических измерениях. М.: Энергия, 1980,
с. 125.
Поступила в редакцию 25.IX.1985
16*
243
УДК 021.396.6:535.2
ПТЭ .V» 3, 1987
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ автоматизированный регистратор
для исследований ио лазерному зондированию
БЫК А. И., ГОНЧАРОВ В. К., ЗАХОЖИЙ В. В., КВАЧЕНОК В. Г., СТАРОВОЙТОВ А. М..
РЕВИНСКИЙ В. В., ЧЕРНЯВСКИЙ А. ф.
Многоканальный автоматизированный регистра-
тор предназначен для использования в экспериментах
по изучению характера взаимодействия лазерного излу-
чения с веществом. Регистратор может быть использо-
ван при проведении современных оптико-физических
исследований процессов микро- и миллисекундного
диапазонов.
Регистратор позволяет проводить преобразование
величины аналоговых сигналов, поступающих с датчи-
ков, в шестиразрядный цифровой код; занесение экс-
периментальной информации в буферную память; вы-
вод содержимого буферной памяти любого капала с по-
мощью встроенных цифроаналоговых преобразовате-
лей на осциллограф или двухкоординатный самописец;
передачу содержимого буферной памяти в мини-э.в.м.
для последующей обработки.
Для' проведения экспериментов по изучению меха-
низма плазмообразования при взаимодействии лазер-
ного излучения с веществом имеется математическое
обеспечение, позволяющее проводить статистическое
ахо.чтэнш, о5ра5эгку и вывод получаемых резуль-
татов. Комплекс программ, написанных на Фортране
с включением подпрограмм на .Ассемблере, позволяет
также оперативно тестировать блоки памяти и устрой-
ства сопряжения с графопостроителем.
Технические характеристики регистратора: число
каналов регистрации 10, период дискретизации вход-
ного аналогового сигнала 100, 200, 400 и 800 нс, что
обеспечивает диапазон регистрации 0 ч- 6,5 мс, объем
буферной памяти каждого канала 8192 слова, диапазо-
ны амплитуды входного сигнала 0 ч- 1, 0 ч- 2, 0 ч- 5,
0 ч- 10 В. Питание от трехфазной сети 380 В, 50 Гц;
потребляемая мощность 450 Вт. Размеры источника
питания и электронного блока ио 480 X 480 X 240 мм3,
масса 18 и 5 кг соответственно.
Адрес для справок: 220106, Минск, ул. Курчато-
ва, 7, НИИ прикладных физических проблем, лаборато-
рия специализированных вычислительных систем и ла-
боратория физики и техники плазмы.
Поступила в редакцию 27.11.1986
УДК 541.13 : 535.37 ПТЭ № 3, 1987
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
ЖИДКОСТЕЙ
БЫХ А. И., КУКОБА А. В., ШИТОВ В. М.
Комплекс, состоящий из программного генератора
импульсов и электрохимического программатора, реа-
лизует основные известные методы возбуждения элект-
рохемилюминесценции (э.х.л.) растворов.
Программный генератор разнополярных импуль-
сов, разделенных паузами, предназначен для изучения
кинетики жидкофазной э.х.л. в условиях поочередной
генерации аппон- и катион-радикалов оргаполюмино-
фора на поверхности электрода. Отличительной осо-
бенностью генератора является полпое отключение
э.х.л.-ячейки от источника электрической энергии на
время паузы, что позволяет изучать процессы гомоген-
ных химических реакций с участием анион- и катион-
радикалов органолюминофора в условиях отсутствия
гетерогенных электрохимических реакций. Высокое
быстродействие генератора дает возможность изучения
кинетики быстрых электрохимических и химических
реакций, приводящих к возникновению э.х.л. Все па-
раметры генерируемой прибором импульсной последо-
вательности устанавливаются независимо цифровым
способом с высокой точностью.
Электрохимический программатор предназначен
для изучения электрохимических процессов окисления
и восстановления, приводящих к возникновению э.х.л.
Он реализует стандартные электрохимические методи-
ки: циклическую вольт-амперометрию, вольт-амперо-
метрию на вращающемся дисковом электроде и вращаю-
щемся дисковом электроде с кольцом. Прп работе
с вращающимся дисковым электродом с кольцом обес-
печивается поляризация одного из электродов линей-
но изменяющимся потенциалом и поддержание потен-
циала второго па заданном уровне. В приборе реализо-
вана оригинальная методика измерения редокс-потен-
циалов органолюмипофоров, основанная на регистра-
ции кваптов э.х.л., возникающих во время окислитель-
но-восстановительных процессов [1]. Процесс измере-
ний в приборе автоматизирован — все необходимые
для конкретного эксперимента значения параметров
заранее вводятся в память прибора.
Основные технические характеристики. Програм-
мный генератор: длительность импульсов и пауз 1 мкс ч-
ч- 1000 с с точностью 10-8%; амплитуда импульсов
0 ч- +10 В с шагом 10 мВ; время переключения
< 1 мкс; размеры 480 X 360 X 120 мм3. Программатор
электрохимический: скорость развертки потенциала
1ч- 1000 мВ/с с шагом 1 мВ/с; потенциал реверса
развертки 0 ч-+5 В с шагом 10 мВ; регулируемый
постоянный потенциал электрода 0 ч- +5 В с шагом
1 мВ; точность потеициостатпрования +1 мВ при из-
менении поляризующего тока в интервале 0 ч- 20 мА;
размер 480 X 360 X 120 мм3.
Адрес для справок: 310141, Харьков-141, просп. Ле-
нина, 14, Харьковский институт радиоэлектроники,
кафедра теоретических основ электротехники.
ЛИТЕРАТУРА
1. БыхА.И., КукобаА.В., Рожицкий Н. И. А.с.
1075140 СССР//Б.И. 1984. №7. С. 139.
Поступила в редакцию 31. III. 1986
244
УДК 621.384.3
ПТЭ № 3, 1987
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РАДИОМЕТР ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
АЛЕКСАНДРОВ В. И., ГЕРШЕНЗОН Е. М., КАГАНЕ М. Л., КАРРЫЕВА В. Н., СЕРЕБРЯКОВА И. А.
Радиометр предназначен для определения яркост-
ной температуры различных объектов в двух спект-
ральных каналах — 1,5 ч- 5 и 9 ч- 13 мкм. Приемни-
ками излучения являются охлаждаемые (77 К) фотосоп-
ротивления из InSb (канал 1,5 ч-5 мкм) и CdllgTe
(капал 9 ч- 13 мкм). Возможна замена охлаждаемых
приемников пироэлектрическими. Перед каждым прием-
ником помещена кассета со сменными узкополосными
фильтрами.
Оптическая схема радиометра приведена на рисун-
ке. Регистрируемое излучение, направляемое системой
зеркал па фотоприемникп 14 и 14', модулируется пре-
рывателем 10, лопасти которого с обеих сторон имеют
зеркальное покрытие. Благодаря этому на приемные
элементы попеременно попадают регистрируемое излу-
чение и излучение от абсолютно черпого тела 9, исполь-
зуемое для компенсации. Зеркало 7 может переключать
поле зрепия прибора па входные окна 1 и 2 и па два
калибровочные абсолютно черпые тела 8. Для этого
оно совершает ступенчатое вращение (повороты на 90°)
с помощью мальтийского креста, который преобразует
непрерывное движение электропривода в прерывистое.
Калибровочные абсолютно черные тела служат для
нормировки сигнала и калибровки прибора — между
ними поддерживается разность температур 1 К. Изме-
нение угла визирования в пределах 180° достигается
поворотом окна 1 (2) и зеркала 4 (5) вокруг горизон-
тальной оси. Оптический блок имеет герметизирован-
ный металлический кожух, снабженный системой тер-
мостабилизации.
Система регистрации сигнала прибора может ра-
ботать в двух режимах: I — прп неподвижном зеркале
7, II — при его прерывистом вращении (скорость вра-
щения до 1 Гц). В режиме I для наблюдения минималь-
ных вариаций потока излучения в каждом канале про-
водится компенсация сигнала по переменному току;
используются синхронные фильтры, снабженные схе-
мами компенсации. Режим 11 дает возможность одновре-
менно регистрировать потоки излучения от окон 1 и 2
и обоих калибровочных абсолютно черных тел. Прп
этом па выходе имеется 8 сигналов, с которыми в зави-
симости от программы измерений могут проводиться
различные операции; предусмотрена возможность авто-
матизации процесса обработки на э.в.м. Сигналы могут
записываться на самописцах, магнитофоне; обеспечива-
ется спектральный анализ шумовой составляющей сиг-
нала.
Технические характеристики: флуктуационная чув-
ствительность в обоих спектральных каналах в отсут-
ствие фильтров и поляризаторов 0,01 К (в полосе 1 Гц),
быстродействие 0,01 ч- 10 с, угол зрепия 3,5°; диаметр
входного окна 30 мм, частота модуляции 220 Гц, точ-
ность определения яркостной температуры 0,5 К. Оп-
тический блок (габариты 250 X 350 х 400 мм3, масса
10 кг) и приборная стойка (габариты 550 х 500 X
X 550 мм3, масса 30 кг) соединяются кабелем длиной
30 м.
Адрес для справок: 119435, Москва, М. Пироговская,
29, Московский государственный, педагогический инсти-
тут, физический факультет.
Поступила в редакцию 25.XII.1985
(После переработки 27.VI.1986)
Оптическая схема радиометра. 1,2 — входные окна, 3 ч- 6— плоские
зеркала, 7 — поворотное зеркало, 8 — калибровочные абсолютно
черные тела, 9 — компенсирующее абсолютно черное тело, 10 —
диск модулятора, 11, И’ — кассеты с и.к.-фильтрами, 12,12' — затво-
ры, 13, 13' — линзы, 14, 14' — фотоприемникп, 15, 15' — трубча-
тые соединения, 16 — электродвигатели, 17 — формирователь опор-
ного сигнала, 18 — формирователь сигналов положения зеркала 7
245
ПТЭ № 3, 1987
УДК 681.532.8:681.7.028
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРИВОД ОПТИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ
ВИНОГРАДОВ Е. Г., РАЖЕНКОВ Е. Т.
Прибор предназначен для управления угловым
положением зеркал, в частности зеркал резонаторов
мощных лазеров, при автоматизации оптических экс-
периментов. Прибор содержит электромеханический
модуль, электронный блок местных датчиков и сис-
темы регулирования, силовой блок, систему жидкост-
ного охлаждения привода.
Электромеханический модуль состоит из платфор-
мы для крепления охлаждаемых зеркал, мощного
быстродействующего привода углового перемещения
зеркала, датчиков местной обратной связи.
Электронный блок содержит схемы формирования,
усиления и нормировки спгпалов датчиков обратной
связи, цепи стабилизации прецизионных элементов
измерительного тракта, регуляторы, сервоусилители
привода, цепи защиты. Поскольку в зависимости от
массы, размеров и конструкции навешиваемых зеркал
могут изменяться динамические характеристики сис-
темы «зеркало — привод», в электронном блоке пред-
усмотрены цепи подстройки параметров регулятора
привода.
Силовой блок обеспечивает питание цепей прибора
от сети переменного тока. Система жидкостного ох-
лаждения привода содержит насос, и средства защиты,
реагирующие па падение давления в трубопроводе.
Прибор может эксплуатироваться в двух режимах:
воспроизведения заданной программы изменения угло-
вого положения зеркала с подачей программного
сигнала па вход местного регулятора привода; работы
в составе замкнутой системы автоматической стаби-
лизации углового положения зеркал резонатора мощ-
ных лазеров. В этом режиме на входе привода вклю-
чается регулятор внешней обратной связи. Для объек-
тивного контроля положения зеркала па внешний
разъем выведены цепи сигналов датчиков местных
обратных связей.
Основные технические характеристики прибора.
Масса подвижного зеркала 5 кг; максимальные раз-
меры зеркала: круглого — до о 150 мм, прямоуголь-
ного— 170 х 160 мм2; угол поворота зеркала + 30';
полоса пропускания привода 0 -t- 200 Гц по уровню
3 дБ и 0 -т- 400 Гц по уровню 7 дБ; точность воспро-
изведения задаваемого сигпала в полосе 200 Гц в
программном режиме 0,1"; уровень входных управ-
ляющих сигналов +10 В; входное сопротивление
> 1 кОм; время работы прибора пе ограничено; рас-
ход охлаждающей жидкости в контуре системы ох-
лаждения 0,02 л/с; давление в системе охлаждения
0,07 МПа. Питание от сети 3 X 380 В, 50 Гц и 220 В,
50 Гц. Мощность, потребляемая от сети, 800 Вт. Масса
электромеханического блока без зеркала 12 кг.
Электронные и силовые цепи прибора выполнены
в конструктиве «Вишня».
Внешний вид прибора показан па рисунке.
Адрес для справок'. 197022, Ленинград, ул. проф.
Попова, 5, Ленинградский электротехнический инсти-
тут, кафедра автоматики и процессов управления.
Поступила в редакцию 9.1.1986
УДК 621.317.32 ПТЭ № 3, 1987
автоматизированный измеритель распределения электрофизических
ПАРАМЕТРОВ В АКТИВНЫХ СЛОЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
ВАСЬКОВ О. С., ВИЛЬКОЦКИЙ В. А., ДОМАНЕВСКИЙ Д. С., МАЛАХОВСКАЯ В. Э.
Прибор предназначен для исследования проводи-
мости, концентрации и подвижности основных носи-
телей тока, их распределения по глубине слоев, полу-
ченных методами имплантации, эпитаксии или диффу-
зии. Измеритель обеспечивает измерение вольт-фарад-
пых зависимостей, э.д.с. Холла и проводимости на
структурах с барьером Шотки и омическими контак-
тами, образующими «двойной крест», структуру Ван-
дер-Пау или диск Корбино. Измеритель можно исполь-
зовать для контроля рабочих пластип, на которых
в процессе изготовления полупроводниковых структур
созданы соответствующие тестовые структуры.
246
Методика послойных измерений основана на уп-
равляемом изменении ширины капала под барьером
Шотки и определении его емкости, постояппоп Холла
и проводимости. Процессы измерения, ввода и обра-
ботки данных осуществляются с помощью э.в.м. Для
уменьшения погрешностей, связанных с численным
дифференцированием, в измерителе предусмотрена воз-
можность многократного измерения и накопления ис-
следуемых параметров с последующим их цифровым
усреднением.
Измеритель состоит из генератора малого тесто-
вого сигнала, прикладываемого к омическим контак-
там образца; генератора напряжения смещения ба-
рьера Шотки; блока усилителей-преобразователей конт-
ролируемых сигналов; схемы управления; встроенного
малогабаритпого магнита; цифрового вольтметра; бло-
ка сопряжения с э.в.м.
Измеритель предназначен для работы совместно
с информационно-вычислительным комплексом 15ИПГ-
32. Разработал комплект программ, позволяющих
рассчитывать распределения исследуемых параметров
п выводить пх в виде таблиц и графиков па дисплей
либо печатающее устройство.
Основные технические характеристики. Чувстви-
тельность по э.д.с. Холла 200 нВ; амплитуда тестового
сигнала 10 мВ, его частота 1 кГц; амплитуда магнит-
ной индукции поля в зазоре спгпала 0,1 Тл; диапазон
напряжепия смещения 0 -*- 10 В; погрешность изме-
рения емкости в диапазоне 10 -н 100 пФ не превышает
0,5%, в диапазоне 1-5-10 пФ — < 2%; погрешность
определения подвижности и концентрации 5%;
максимальное время измерений 200 с. Питание от
сети 220 В+ 10%, 50 Гц; потребляемая мощность
60 Вт. Размер 498 X 135 X 475 мм3; масса 20 кг.
Адрес для справок: 220027, Минск, просп. Ленина,
Белорусский политехнический институт, научно-ис-
следовательская лаборатория прикладной физики.
Поступила в редакцию 31. XII. 1985
УДК 536.581.3
ПТЭ № 3, 1987
КРИОСТАТ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТОВ
ЛИТВИНОВ В. К., ПОСТОЛ П. Н., ПАПАЯНИН С. И., ДОРОШЕВА О. В.
Криостат представляет собой цельнометалличес-
кую сварную конструкцию, состоящую пз гелиевой
и азотной емкостей; промежуточного радиационного
экрана, расположенного между гелиевой и азотной
емкостями; устройства подачи тока па сверхпроводя-
щую магнитную систему. В центральной части нахо-
дится сквозной вертикальный канал 0 150 мм. Жидкий
гелий заливается в криостат через коаксиальные удли-
ненные горловины. Гелиевая емкость снабжена уст-
ройством для охлаждения соленоида и облегчения
заливки жидкого гелия. Крепление гелиевой емкости
к верхнему фланцу кожуха осуществляется тремя
патрубками, служащими также для выпуска паров
гелия; прп этом два из них служат для установки
гелиевого сифона. Азотпая емкость, охватывающая
гелиевую емкость вместе с промежуточным экраном,
служит для снижения теплопритока к гелиевой ем-
кости. Снаружи азотная емкость оклеена 10-слойной
пленкой ПЭТФ-0А. каждый слой чередуется со стекло-
нуалью ЭВТИ-7МР.
Устройство подачи тока на сверхпроводящую
систему представляет собой разъемный токоввод, для
стыковки которого служит стандартный электрический
разъем. В момент подачи максимального тока 100 А
испарение жидкого гелия возрастает из-за тепловы-
деления в токовводах до — 0,5 л/ч. Криостат пред-
назначен для круглосуточной работы в течение дли-
тельного срока.
В комплект криостата входят запорный клапан,
служащий для безопасной стыковки и расстыковки
гелиевого сифона при заливках и доливках жидкого
гелия; предохранительный клапан, представляющий
собой разрывную мембрану, разрывающуюся в ава-
рийных ситуациях, например при утечке гелия в ва-
куумную полость; датчик уровня жидкого гелия,
служащий для определения температуры в гелиевой
емкости прп охлаждении и уровня жидкости в про-
цессе работы; лампа маповакуумметрическая; сифон
гелиевый для заливки криожидкости; подставка.
Технические характеристики. Диаметр гелиевой
емкости 460 мм; ее объем 27 л; объем емкости для
жидкого азота 38 л; средняя скорость испарения гелия
в процессе эксплуатации 0,1 л/ч; максимальный ток
через токовводы 100 А; средняя скорость испарения
азота 0,275 л/ч. Диаметр криостата 660 мм, высота
780 мм, расстояние между фланцами криостата 380 мм,
масса криостата 160 кг.
Внешний вид криостата показан па рисунке.
Адрес для справок: 340114, Донецк 114, ул. Розы
Люксембург, 72, Донецкий физико-технический инсти-
тут АН УССР.
Поступила в редакцию 30.XII.1985
247
УДК 537.723.1:536.581.3+536.531 ПТЭ № 3 1987
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ * ’
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ТУФЛИН Ю. А., ДОБРЕЦОВ А. И., ЕФИМОВ В. Б.
Установка предназначена для одновременной гра-
дуировки нескольких разнородных (платиновых, гер-
маниевых. угольных) термометров сопротивления (т.с.)
в диапазоне температур 4,2 ч- 273 К, а также для
измерения электропроводности образцов исследуемых
материалов при пизкпх температурах.
Основным функциональным узлом установки яв-
ляется прибор для градуировки т.с. ПГТС (см. блок-
схему на рисунке). ПГТС предназначен для форми-
рования сигнала, пропорционального напряжению на
каждом из т.с. (7?,), размещенных в криостате К. ПГТС
является многофункциональным лабораторным при-
бором, который может работать независимо от уста-
новки, например как многоканальный измеритель
температуры. В криостате К регулятором температуры
РТ |1| устанавливается и поддерживается требуемая
температура т.с. Цифровой вольтметр В2-36 с внеш-
ним запуском и дистанционной установкой диапазона
предназначен для нормирования сигнала ПГТС и его
преобразования в двоичпо-десятпчный код. Микро-
э.в.м, «Электроника-60» с модулями КАМАК управ-
ляет работой установки, осуществляет статистическую
обработку входного сигнала, вычисляет сопротивление
т.с. прп даппой температуре в криостате, распечаты-
вает градуировочные таблицы, строит графики.
Команды микро-э.в.м., поступающие через выход-
ной регистр КАМАК в блок управления током БУТ,
мультиплексор М и блок управления коэффициентом
усиления БУК, обеспечивают подключение к ПГТС
образцового т.с. Л, и установку тока через него. Коэф-
фициент усиления дифференциального усилителя ДУ
устанавливается при этом таким максимально воз-
можным, при котором в блоке синхронного детектора
СД еще не вырабатывается сигнал Перегрузка. По
измереппому падению папряжеппя на образцовом т.с.
определяется температура в рабочей камере криостата.
Затем включается один из градуируемых т.с., опреде-
ляется падеппе напряжения Uf на нем и вычисляется
сопротивлепие 7?г. Затем процедура повторяется для
другого т.с.
После этого регулятором температуры по команде
микро-э.в.м. в криостате устанавливается другая тем-
пература и цикл измерений повторяется. Промежуточ-
ные значения сопротивления т.с. вычисляются по
интерполяционной формуле.
Основные технические характеристики. Количество
т.с., подключаемых к установке, < 10; диапазон из-
мерительных токов 1 -г- 10 мкА (через 1 мкА) п 10 ч-
ч- 100 мкА (через 10 мкА); измерительный ток —
знакопеременный меандр частотой 74 Гц; диапазон
сопротивлений т.с. 0,1 Ом -г- 100 кОм при мощности
рассеивания <1 10-7 Вт; постоянная времени ПГТС
1,5 с; точность задания температуры в криостате
+0,2 К; точность поддержания температуры +0,05 К;
температурная нестабильность результатов измерения
сопротивления т.с. 10-2%,К при изменении температуры
в_ помещении; разрешение по напряжению на т.с.
(без статистической обработки) ~ 100 нВ.
Адрес для справок: 142432, пос. Черноголовка Мос-
ковской обл. Институт физики твердого тела АН
СССР.^._ь
ЛИТЕРА ТУРА
1. Медько Г. С., Добрецов А. И., Галыба[С. Г. и др.П
ПТЭ. 1981. № 3. С. 260.
Поступила в редакцию 30.1.1986.
Блок-схема установки для градуировки низкотемпературных термомет-
ров сопротивления. ПГТС — прибор для градуировки термометров
сопротивления, ПОП — источник опорного напряжения, ИТ — источник
тока, БУТ —блок управления амплитудой тока, Дм —демультиплексор,
М — мультиплексор, С ДУ — синхронный детектор с программируемым
усилителем, ДУ — дифференциальный усилитель с программируемым коэф-
фициентом усиления, СД — синхронный детектор, БУН — блок управле-
ния коэффициентом усиления дифференциального усилителя, К — крио-
стат, Н — нагреватель, 771 ч- kv — термометры сопротивления, Т — тер-
мопара, Р Т — регулятор температуры в криостате, В2-36 — цифровой
вольтметр с дистанционной установкой диапазона
248
УДК 621.59
ПТЭ № 3, 1987
БЕЗВАКУУМНЫЙ КРИОСТАТ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
БУЗУКАШВИЛИ И. II., КАРУМИДЗЕ Г. С., ТРАХЫ’ОТ Б. М.
Оптический безвакуумный криостат с регулируе-
мой температурой образца в интервале 80 -> 350 К
предназначен для совместного использования со спект-
рофотометром ИКС-22 при изучении и.к.-спектров
пропускания.
Устройство криостата схематически показано па
рисунке. Сосуд 1 из нержавеющей стали имеет пено-
пластовую изоляцию 2 и закрывается пенопластовой
крышкой 3. Пары азота проходят по трубке 4, в ко-
торой расположен нагреватель 5, охлаждают медный
держатель 6 и закрепленные па пем образцы 7 и 8,
после чего через отверстия в заглушках .9 выходят
в атмосферу. Поток паров азота легко регулировать
с помощью нагревателя 5. Держатель с образцами
охлаждается также и благодаря теплопроводности
медной направляющей 10 и трубок 4 и 11. Смена об-
разцов осуществляется при извлечении держателя
через отверстия, закрытые во время работы заглуш-
ками 9.
Окпа для пропускания и.к.-излучения — пластин-
ки из хлористого натрия. Окпа 12 криостата предо-
храняются от запотевания электронагревателями 13,
закрепленными па медных шайбах 14, плотно прижи-
маемых к ним рамками 15. Окна закреплены па кор-
пусе криостата 16, который был изготовлен из шести-
миллиметрового оргстекла. Для контроля температуры
на окнах использовалась термопара 17. X
Для снижения температуры до 80 К объем внутри
стакана 18 заполняется жидким азотом, откуда по
кольцевой щели между трубками 4 и 11 он попадает
в каналы в медной направляющей 10. Вся сеть каналов
в медной направляющей герметически закрыта цилинд-
рическим кожухом 19. Пары азота, испаряющегося
в капалах направляющей, отводятся внутрь сосуда
1 по трубкам 20. При заполнении только объема вне
стакана 18 температура образцов может быть пони-
жена до 105 ->110 К. Жидкий азот заливается по
трубкам 21, 22. Уровень азота измеряется поплавко-
выми указателями 23. Датчиком в системе измерения
и регулирования температуры служит термопара. Тем-
пература образца с помощью нагревателя 5 поддер-
живается с точностью до 0,05.
В описываемой конструкции использованы два
окпа для уменьшения доли светового потока рассеян-
ного излучения. Конструкция криостата позволяет
проводить измерения относительно образца сравнения,
находящегося в таких же условиях, что и исследуемый
образец.
Адрес для справок'. 380077, Тбилиси, ул. Гурамиш-
вили, б, Институт физики АН ГрССР.
Поступила в редакцию 8.1.1986
249
СИГИ А ЛЪ ПАЯ ИНФО РМАЦ ГГЯ
АН НОТАЦИИ СТАТЕЙ, НАМЕЧАЕМЫХ К ПУБЛИКАЦИИ В ЖУРНАЛЕ ПТЭ*
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
А в у н д ж я п А. Т., Багдасарян А. А,
Багдасарян Л. С., Балаян 3. К., В и н-
н и ц к и й О. М., К а и к а н я н С. А., Огане-
сян А. Г., Там ан ян А. Г. Пропорциональная
камера площадью 4,5 м2 для детекторов рентгеновского
переходного излучения.— 7. с., 3 рис.
Описывается конструкция многопроволочпой про-
порциональной камеры площадью 4,5 м2. Энергетиче-
ское разрешение (полная ширина па нолувысоте) при
регистрации у-кваптов с энергией 5,9 кэВ не хуже 20%
на всей площади камеры. Разброс коэффициента газо-
вого усиления на нитях одной секции камеры не более
20%, а вдоль нитей — не более 2%.
Ажгирей Л. С., Акимова Г. Ф., Буд-
кин Л. В., Взоров И. К., Эре лов II. В.,
Игнатенко М. А., Кожевников Ю. А.,
Кузнецов А. С., Самойлов В. Н., Сто-
летов Г. Д. Система пропорциональных камер маг-
нитного спектрометра.—12 с. 5 рис.
Описывается система пропорциональных камер
магнитного спектрометра (установка МАСПИК).
Регистрирующая аппаратура выполнена на основе ми-
кросхем К405ХП1. Она содержит 16-капальпые платы
регистрации, размещаемые непосредственно на пропор-
циональных камерах, буферные станции, обслуживаю-
щие до 16 плат регистрации каждая, а также приемный
блок (модуль КАМАК), осуществляющий контроль
и кодировку передаваемой информации. Приведены
результаты исследования камер на автоматизированном
степде с помощью источника электронов и па пучке
частиц.
Азимджапов Б. А., Арслапбеков Т. У.,
Ч е к а л и п В. Е. Импульсный ускоритель электро-
нов.—5 с., 5 рис.’
Описано устройство и приведены параметры им-
пульсного ускорителя электронов, обеспечивающего
ленточный пучок с поперечным сечением 4 X 20 см2.
Испытаны катоды нескольких типов. Максимальный
ток пучка составил 1,5 кА при длительности 500 пс
и напряжении па катоде 250 кВ. Хорошая простран-
ственная одпородностьпучка достигнута прп испытании
графитового катода.
* Копию полного текста статьи можно заказать
по адресу: 140010, .Пюберцы-10, Октябрьский просп.,
403, Производственный комбинат ВИНИТИ.
Канцеров В. А., Першин А. С. Системы
предварительного отбора полезных событий в физиче-
ских экспериментах на ускорителе (обзор).— 30 с., 13 рис.
Рассмотрены принципы построения систем пред-
варительного отбора информации в экспериментах
физики высоких энергий. Приведены структуры систем
отбора, используемых в реальных экспериментах.
К о р б а к о в а II. М., Толмачев В. И. Про-
грамматор амплитуды высокочастотного ускоряющего
поля электронного синхротрона.—6 с., 2 рис.
Описана система формирования закона амплитуд-
ной модуляции высокочастотного ускоряющего напря-
жения электронного еппхротропа с использованием ин-
формации о ведущем магнитном поле синхротрона,
В системе используются аналоговые функциональные
схемы, что обеспечивает автоматическое формирование
требуемого закона прп перестройке ускорителя с одной
энергии па другую. Относительная точность установки
формы ^1 %.
Милованов О. С., Смирнов И. А. Исследо-
дованис нагрузки пучком двухрезоиаторной структуры
линейного ускорителя электронов.—8 с., 4 рис.
Экспериментально исследовала нагрузка пучком
ускоряющей структуры двухрезонаторпого линейного
ускорителя электронов «Аргус» с кинетической энер-
гией —1 МэВ и импульсным током пучка до 0,5 А.
Показано, что прп некоторых токах пучка электронов
наблюдается нарушение условий устойчивого одпо-
частотного режима работы магнетрона и срыв процесса
ускорения. Приведены экспериментальные зависимо-
сти предельного тока пучка и предельного электронно-
го к.и.д. линейного ускорителя электронов «Аргус»
от мощности в.ч.-питания.
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
3 и п о в В. Г., С е л и к о в А. В., Быстродействую-
щие логические модули с программируемыми функция-
ми.—12 с., 4 рис.
Описываются программно-управляемые блоки па-
носекундпого диапазона, реализующие произвольный
набор комбинационных логических функций. Основу
одного из блоков составляет п.п.з.у., другого — о.з.у.,
в которые предварительно заносятся таблицы истппно-
250
сти. Время решения 40 нс. С помощью вспомогательного
блока реализуются программируемые логические уст-
ройства с элементами последовательной логики: циф-
ровой одновибратор (таймер) и генератор серии импуль-
сов; многофазный генератор; последовательный цифро-
вой контроллер. Блоки выполнены в стандарте КАМАК,
размер модулем 1 М.
Крейнес А. Я., Фрадков В. Е. Автоматизи-
рованный анализ ячеистых структур,—10 с., 2 рис.
Разработана методика ввода в э.в.м. и автоматизи-
рованного анализа топологических и метрических
свойств двумерных ячеистых структур. Графическая
информация вводится в э.в.м. «Мера-60» в увеличенной
проекции негатива при помощи цифрового карандаша.
Программное обеспечение позволяет управлять вводом
изображения, контролировать и анализировать вводи-
мую информацию.
ЭЛЕКТРОНИКА II РАДИОТЕХНИКА
Аванесян Г. Р. Генератор псевдослучайных по-
следовательностей с управляемой задержкой.—8 с.,
2 рис.
Описан генератор псевдослучайных последователь-
ностей, предназначенный для контроля и настройки
знаковых корреляционных устройств, обрабатывающих
сигналы с возможным транспортным запаздыванием.
Генератор работает в трех режимах («^-последователь-
ность», «Последовательность Голда», «Каскадная после-
довательность») и содержит два капала, по одному из
которых в режиме ЛГ-последовательиости можно вво-
дить относительную временную задержку с шагом
10 мкс в пределах 0 -ь 160 мкс. При работе в первом
режиме формируется псевдослучайная последователь-
ность максимальной длины с периодом в 127 комбина-
ций, при работе в двух других режимах в одном из ка-
налов также формируется .V-последовате.тьность в 127
комбинаций, а в другом канале последовательность,
выбранная режимом работы. Устройство реализовано
на микросхемах серий 155 и 531.
Андронов О. И., Бровченко В. Г., Ро-
дионов II. Ю. Схема питания со следящей связью
для повышения быстродействия повторителей.— 5 с.,
2 рис.
Применение в повторителе, выполненном на осно-
ве операционного усилителя КР544УД2А, схемы пита-
ния, отслеживающей изменения напряжения входного
сигнала, позволило увеличить максимальную скорость
нарастания выходных сигналов с 30 до 150 В/мкс в диа-
пазоне амплитуд ±5 В.
Белоглазов В. И., 3 а в а д а Л. М., К у ш-
н и р В. А., С д о б и о в а Л. 11. Синхронизируемый
автогенератор на мощном усилительном клистроне.—
6 с., 3 рис.
Автогенераторпая схема на мощном клистроне син-
хронизируется внешним маломощным с.в.ч.-генера-
тором, что позволяет существенно повысить стабиль-
ность частоты выходного сигнала. При добротности
стабилизирующего резонатора в цепп обратной связи,
равной 500, отношении мощности сигпала на входе
клистрона к мощности синхронизирующего генератора
31,2 и выходной импульсной мощности 9 МВт полоса
синхронизации составила 600 кГц.
Бухаров В. Ф., Герасимов А. И., Фе-
доткин А. С. Демпфирование обратных импульсов
между источником зарядки и формирующей линией.—
6 с., 1 рис.
Описано коаксиальное устройство для передачи
электрической энергии от импульсного генератора
низкоимпедансной формирующей линии, при коммута-
ции которой возбуждаются мощные короткие импульсы
напряжения. Для демпфирования импульсов внутрен-
ний проводник устройства охвачен элементом из объем-
нопроводящего резистивного материала, а между внеш-
ним проводником устройства и элементом встроены уп-
равляемые разрядники. Устройство эффективно рабо-
тало при зарядке радиальных линий от генератора Ар-
кадьева — Маркса за 1 мкс до 500 кВ.
Валах В. В., Григорьев В. Ф., Д а п и ле-
вы ч В. В. Быстродействующие аналого-цифровые пре-
образователи для измерения формы случайных сигна-
лов.— 9 с., 3 рис.
Рассматриваются быстродействующие аналого-
цифровые преобразователи, которые могут использо-
ваться для измерения формы случайных сигналов в ре-
жимах равномерной и стохастической временной дис-
кретизации сигналов. Дппазои напряжения обрабаты-
ваемых процессов лежит в пределах 0 -н 5 В при шести
двоичных разрядах в выходном коде для первого ва-
рианта устройства и восьми — для его второго вариан-
та; максимальная частота дискретизации 20 МГц.
Устройства обоих вариантов реализованы в стандарте
КАМАК и имеют встроенные блоки оперативной памя-
ти емкостью 4К слов.
Вербицкий В. А., Сечко О. А. Измеритель
максимальных значений.— 6 с., 1 рис.
Описан 16-разрядный измеритель разности между
максимальным и минимальным числами в последова-
тельности цифровых значений исследуемой физической
величины, представленных в дополнительном коде.
Возможно измерение минимального и максимального
значений либо их разности. Частота поступления ин-
формации до 10 МГц. Использованы быстродействующие
микросхемы серии К531 со структурами Шотки.
Давыдов О. В., Н и к и ф о р о в М. Г. Импульс-
ные неуправляемые разрядники с повышенной ста-
бильностью срабатывания.— 7 с., 5 рис.
Приведены результаты исследования импульсного
пробоя неуправляемого разрядника с неоднородностя-
ми па заземленном электроде, а также с третьим элек-
251
тродом, расположенным па диэлектрической подложке,
установленной на поверхности заземленного электрода.
Разрядники исследовались в элегазе под давлением
0,35 МПа и при изоляционном промежутке 5 мм. В диа-
пазоне изменения средней крутизны нарастания им-
пульса напряжения (0,2 ч- 1,5) 1012 В/с и при напряже-
нии срабатывания 120 ч- 140 кВ неуправляемые раз-
рядники с диэлектрической вставкой на заземленном
электроде 0 16 мм и третьим электродом имеют раз-
брос времени запаздывания пробоя <J10 нс. Напряже-
ние их пробоя слабо зависит от изменений крутизны
нарастания импульса напряжения.
Е г о р ы ч е в Л. Н., Иривер Л. С. Быстродей-
ствующее устройство фиксации моментов отсчета вре-
менных интервалов но спаду импульсов.— 7 с., 3 рис.
Устройство обеспечивает постоянство отношения
уровня срабатывания}компаратора к амплитуде вход-
ных импульсов. Запоминание задаппой долл амплиту-
ды происходит за время действия фронта импульса, а
срабатывание компаратора — по спаду импульса. При
изменении амплитуды от 7,5 до 1,5 В смежных по вре-
мени входных импульсов с длительностью фронта
12 мкс и спада 35 мкс погрешность измерений интерва-
лов времени между импульсами не превышает 0,7 мкс.
Случайная модуляция амплитуды входпых импульсов
в пределах —+5% вызывает погрешность измерений
интервалов времени между импульсами в +3,8 нс, что
на порядок лучше, чем с помощью разработанной ра-
нее схемы с меньшим быстродействием. Погрешность
измерений может быть уменьшена путем замены диода
в пиковом детекторе на «идеальный диод».
Зуба и ров Р. М., Щербаков С. Б. Автоном-
ный цифровой регистратор быстропротекаюших про-
цессов,— 6 с., 2 рис.
Описан регистратор быстропротекающих процес-
сов, работающий по принципу преобразования времен-
ного масштаба с записью выборок исследуемого сигнала
в цифровом виде на кассетный магнитофон с целью
дальнейшей его обработки па э.в.м. Максимальная час-
тота дискретизации исследуемого сигнала 1 МГц, ко-
личество разрядов двоичного кода 8, амплитуда иссле-
дуемого сигнала 2 В, запись выборок исследуемого сиг-
нала производится иа магнитофон в виде последователь;
ных старт-стоппых посылок, промодулпрованных в со-
ответствии со стандартом TARBELL. Устройство вы-
полнено в виде автономного блока с питанием от бата-
рей.
ИгнатьевО. В., Школ all. Ф., Ш е в ч е н-
к о К). А. Аналоговый процессор АП-002М для спект-
рометров ионизирующих излучений с полупроводнико-
вым детектором.— 11 с., 3 рис.
Описап быстродействующий блок комплексной ана-
логовой обработки спектрометрических импульсов
от полупроводниковых детекторов рентгеновского
и у-пзлучений — аналоговый процессор (а.п.). Модель
АП-002М содержит: линейный усилитель с гальваниче-
ски соединенными секциями усиления; спектрометриче-
ский время-вариантпый формирователь, состоящий из
дифференциатора на серийных линиях задержки ЛЗТ-1,
0-600, «охватывающего» время-варпантного стабилиза-
тора исходного уровня п стробируемого «идеального»
интегратора; режектор перегружающих импульсов;
режсктор наложенных импульсов; экспандерно-порого-
вое устройство; стретчер; вспомогательные устройства
состояния а.п. Коэффициент усиления изменяется в
пределах 16 ч- 1024, время формирования — 2 ч-
ч- 12 мкс. Максимальная статистическая загрузка по
входу АП-002М достигает 105 с-1 при всех временах
формирования. Загрузка ио выходу а.п. приблизитель-
но втрое выше, чем для оптимизированного ио шумам
гауссовского усилителя с режектором наложений.
Сдвиг центра тяжести пика Ех = 5,9 кэВ не превышает
0,15%.
К а н а е в Г. Г., Фурман Э. Г. Многоканальный
искровой разрядник.— 7 с., 3 рис. •
Описаны многоканальный искровой разрядник
и схема измерения его параметров па стенде. Разрядник
коммутировал емкостный накопитель 15 нФ прп нап-
ряжении 40 кВ, близком к напряжению самопробоя.
Приведена зависимость времени коммутации разрядни-
ка от числа каналов при изменении их от 1 до 9. В девя-
тикаиальпом режиме работы получен максимальный
коммутируемый ток 20 кА, время коммутации —20нс.
Время запаздывания срабатывания — 18 нс, его раз-
брос 2,2 пс.
Куре й ч и к К. П., Козловский Н. В., 3 л о-
т н и к И. Я. Активный фильтр для источника питания
ф.э.у. — 6 с., 1 рис.
Фильтр служит для сглаживания пульсаций высо-
кого напряжения в источниках питания ф.э.у. Выпол-
нен на основе компенсационной схемы и содержит двэ
ветви, имеющих разную частоту среза. Первая ветвь
фильтрует пульсации на частоте преобразования низ-
кого напряжения в высокое, а вторая — пульсации се-
тевой частоты. Рабочий ток + 5 мА, подавление пуль-
саций на частоте 15 кГц и 50 Гц не менее 50 раз.
ПаляиицаД. П., Дементьев А. М. Цифро-
вой измеритель амплитуды видеоимпульсов.—10 с.,
2 рис.
Описап цифровой измеритель амплитуды сигналов,
предназначенный для автоматического измерения в
реальном масштабе времени максимальных значений
огибающей различных сигналов отрицательной поляр-
ности в диапазоне 32 мВ ч- 2 В. Приведенная погреш-
ность измерения зависит от формы и длительности сиг-
налов и для видеоимпульсов прямоугольной формы
с длительностью ти > 0,2 мкс составляет <$1,6%, а
для линепноспадающих импульсов длительностью тп +
> 0,5 мкс пе превышает 20%. Результат измерения
представляется 6-разрядным двоичным кодом. Измерп-
252
гель реализован на микросхемах серий К1107, К531,
К155, КР597.
Солодовни ков Г. К., Р у с с к и н В. И., С а-
венков Л. В. Автоматизированный дисперсионный
интерферометр-поляриметр для исследования ионосфе-
ры и распространения радиоволн.— 9 с., 3 рис.
Описан аппаратурный комплекс приема и автомати-
ческой регистрации сигналов навигационной системы
«Транзит» на когерентных частотах, позволяющий
получать данные о регулярных и флуктуационных изме-
нениях амплитуды, фазы, времени запаздывания, реф-
ракции и поляризации радповолп, а также об интег-
ральном содержании электронов, его пространствспно-
времеппых градиентах и неоднородностях электронной
концентрации в ионосфере.
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
А в с т и с я н В. М., Атапесян В. Г., II а з а-
р я н А. А., Фран г я нА. А. Наносекундный ис-
точник света для калибровки многоканальных спектро-
метров — 4 с., 3 рис.
Описан источник импульсов света длительностью
20 -=- 30 нс. Спектральный диапазон излучения источни-
ка 350 ч- 800 нм. Приведены принципиальная схема
источника и его спектральная характеристика. Источ-
ник надежно работал на протяжении двух лет.
А н д р и а п о в В. А., АндрущакЕ. А., Арта-
монов А. В., В о р о и и н В. Б., В о р о-
н и н А. К)., Мазалов И. И., ПашкипС. В.,
П и с к у н о в А. В., Т ы ч и н с к и й В. П., Р о-
динА. В., 1И у л а к о в В. Н., X о п я к Г. А. Ла-
зерный динамический интерферометр для исследования
динамики нагрева газа.—8 с., 3 рис.
Описан лазерный динамический интерферометр
(л.д.и.), используемый! для исследования динамики наг-
рева газа в разряде при средних давлениях. Л.д.и. име-
ет высокую чувствительность, составляющую 1/8 (при
7. = 632,8 пм), широкий динамический диапазон +105,
скорость измерения 4.1041/8с-1, пространственное
разрешение — 1 мм. Л.д.и. позволяет проводить ло-
кальные измерения динамики плотности газа, исследо-
вать неоднородности нагрева газа, связанные с микро-
структурой тока разряда. Погрешность измерений
< 1/8.
А и а и а с е в и ч С. П., Л я х н о в и ч'А. В., С и-
н и ц ы н Г. В. Оптико-электронная система модуля-
ции непрерывного лазерного излучения е программным
управлением для исследования оптической бистабиль-
ности.— 7 с., 3 рис.
Описана оптико-электронная система для модуля-
ции излучения непрерывных лазерных источников, в
которой совмещены функции стабилизации и модуля-
ции. Действие системы основано па отработке разности
между электрически формируемым модулирующим сиг-
налом и сигналом, пропорциональным мощности из-
лучения, пропущенного через оптический модулятор.
В системе реализовано управление процессом модуля-
ции с помощью1'микро-э.в.м. Точность отслеживания
опорного сигнала ^0,5%; шумы лазерного излучения
подавляются в полосе 40 кГц.
В ы д р и к А. А. Фоновый ток радиоизотопного ма-
нометра.— 6 с., 1 рис.
Описана методикат расчета основной компоненты
фонового тока радиоизотопных манометров — тока от
прямого попадания ионизирующих частиц па коллек-
тор. Выяснены причины возникновения фонового фо-
тоэлектронного тока и предложены меры, уменьшающие
его па порядок.
Галль Р. Н., Горьковой В. В.,' Е л о х и н
В. А., КузьминА. Ф., Протопопове. В.
Регистрация токов положительных и отрицательных
ионов в квадрупольном масс-спектрометре с одним из-
мерительным каналом.— 6 с., 3 рис.
Описана модернизированная система регистрации
ионного тока квадрупольпых масс-спектрометров
МС7302 и МС7302. Для измерения тока отрицательных
ионов используется конверсия зарядов при их взаимо-
действии с поверхностью металла, что позволяет изме-
рять токи как положительных, так и отрицательных
попов с помощью единого измерительного канала и
обеспечивает возможность перехода от одного режима
регистрации к другому путем электрических переклю-
чений без нарушения вакуума и остановки прибора.
Гамазейщиков А. М., Камардин И. Л.,
К у ч и п с к и й А. А., Р о д и ч к и п В. А., Ш е в е-
р е в В. А. Работа лазера ИЛГП-705 в импульсно-пе-
риодическом режиме.— 7 с., 2 рис.
Описаны схемы и приведены технические параметры
устройства импульсного и комбинированного импульс-
но-непрерывного питапия электроразрядпого СО2-ла-
зера ИЛГН-705. Устройство позволяет получить им-
пульсное излучение со средней мощностью до 5 Вт
и частотой следования импульсов до 10 кГц.
Горелик В. А., Протопопов О. Д.,
Я к о в е п к о А. В. Повышение точности регистра-
ции дифференциальных спектров с помощью их линей-
ной комбинации.— 6 с., 2 рис.
Предложен метод регистрации дифференциальных
спектров, который сводится к лппейной комбинации
одного и того же спектра, зарегистрированного прп
различных амплитудах модуляции. Весовые коэффи-
циенты подобраны так, чтобы минимизировать иска-
жения результирующего спектра. 1еоретическая оцен-
ка показывает, что при сохранении отношения с./ш.
выигрыш в точности измерения может составлять 1 2 по-
рядка. Проведена экспериментальная проверка ме-
тода прп регистрации электронных оже-спектров.
253
Гулаков И.Р., III у п е в и ч С. Л. Счет фото-
нов лавинными фотодиодами.— 7 с., 3 рис.
Исследованы характеристики лавинных фотоди-
одов ФД-115Л (Б) в режиме счета фотопов. Разрабо-
тан счетчик фотонов на лавинном фотодиоде, позволя-
ющий регистировать световые потоки 10-16 = 10~11 Вт
в диапазоне длин воли 0,4 -ь 1,1 мкм.
Д ад ал и А. Л., Шандицев В. А., Л а е т е н-
к о И. П., Б у ч а ч е н к о А. Л. Установка для ис-
следования электронного парамагнитного разопанса
в условиях высокого давления и сдвига.— 6 с., 3 рис.
Описана установка дли изучения спектров э.п.р.
парамагнитных центров в условиях деформации сдви-
га прп высоком давлении. Использован серийный
э.п.р.-спектрометр 3-см диапазона. Образец деформи-
руется непосредственно в резонаторе спектрометра. Ци-
линдрический резонатор с рабочей модой Нцп (п =
= 1,2) выполнен из корундовой! керамики; модуляция
высокочастотная (100 кГц). Давление до 3 ГПа, угол
сдвига 45°.
Демчспкова А. А. Параметры сборки микрока-
нальпых пластин с микронными зазорами.— 8 с., 3 рис.
Исследованы характеристики шевронной сборки
микро канальных пластин с зазорами 5 п 15 мкм меж-
ду ними. Прп регистрации ультрафиолетовых фотопов
и энергичных нейтральных частиц в режиме счета
достигнуто усиление <; 3-107 при амплитудном
разрешении 11 30%; определена критпческая загруз-
ка ~0,1 канал-1 с-1. Сборка может эффективно приме-
няться в тех случаях, когда требуется использование
микрокаиальных пластин с искривленными каналами.
Евдокимов В. Н., Поляков В. А., Р ы к а-
л и и В. И. Спектральные характеристики некоторых
типов фотоумножителей.—11 с., 5 рис.
Измерены спектральные характеристики фотоум-
ножителей ФЭУ-84-3, ФЭУ-85, ФЭУ-87, ФЭУ-100,
ФЭУ-110, ФЭУ-115, ФЭУ-139, ФЭУ-140, ФЭУ-143,
ГФЭУ-30. Получены расчетные и экспериментальные
результаты по определению фотоэлектронного отклика
ф.э.у. различных типов при регистрации сцинтил-
ляционного и черепковского излучений.
Завьялов В. В., С е м е и о в В. К. Импульсный
магнит для коммутации пакетов электронных сгустков
с энергией 15 МэВ.— 5 с., 2 рис.
Описан безжелезный магнит, который из электрон-
ного пучка импульсного микротропа выделяет отдель-
ные импульсы тока. Рабочее поле 1,4 кГс создается в
зазоре 12 мм между двумя плоскими катушками, раз-
мещенными] внутри вакуумной камеры. Для питания
катушек использован простой генератор синусоидаль-
ных импульсов амплитудой 300 А и длительностью
66 мкс. При частоте повторения импульсов 400 Гц пот-
ребляемая мощность 660 Вт.
Зелинский И. П., Полякова Е. С., Ч е р-
н ы х В. Т. Исследование систем пространственной
фильтрации многомодового излучения лазера.— 7 с.,
3 рис.
Приведены результаты экспериментального ис-
следования оптических систем пространственной филь-
трации многомодового излучения лазера. Показано,
что система фильтрации, состоящая из двух диафрагм,
установленных последовательно в узком лазерном пуч-
ке, позволяет эффективно выделять одну поперечную
моду. Система апробирована в макетах голографичес-
ких интерферометров; получены высококачественные
интерферограммы обтекания тел на аэробаллистичес-
кой установке.
К о с и ц ы н В. Е. Фарадеевский модулятор света.—
5 с., 1 рис.
Описана конструкция магнитооптического моду-
лятора с замкнутым магнитопроводом, которая дает
возможность работать с щелевым источником света.
В режиме насыщения магнитооптического элемента
модулятор позволяет дискретно сканировать плоскость
поляризации излучения с длиной волны 1,5 мкм на
угол ±45°. Время переключения 20 мкс. Входная апер-
тура 3x9 мм2. Глубина модуляции прп угловой апер-
туре 5° — 95%. Потребляемая мощность па частоте
1 кГц не превышает 4 мВт.
К о ц у б а п о в В. Д., Никольск и й П. К.,
Коваленко В. П. Светосильный полпхроматор
с большой высотой входной щели.— 5 с., 2 рис.
Описан стигматический полпхроматор, выполнен-
ный па элементной базе монохроматора МДР-2 с высо-
той входной щели 50 -=- 60 мм. Полпхроматор предназ-
начен для измерения пространственно разрешенных
спектров слабосветящихся объектов.
Кудряшов И. А., Л и ф ш и ц II. Е., Пр а-
ве Г. Г., Чудаков В. С., Носов В. Б. Изме-
ритель слабого оптического поглощения 11П-400.—
9 с., 2 рис.
Описан прибор 1111-400 для локального измерения
поглощения в крупногабаритных пластинах, изготов-
ленных из изотропных, полпкристаллических и кристал-
лических материалов кубической сингонии. В приборе
используется эффект наведения термоупругого дву-
лучепреломления, которое линейно связано с показа-
телем поглощения, при локальном воздействии неп-
рерывного лазерного излучения средней мощности в
месте анализа. Для автоматической регистрации по-
казателя поглощения используется фотоэлектричес-
кая полярископическая система с вращающимся ана-
лизатором. Измерения проводятся в области длин волн
10 мкм с чувствительностью 10-3 -ь 10-5 см макси-
мальный линейный размер пластин 500 мм при толщи-
не до 40 мм; разрешающая способность ~1 мм2; время
измерения одной точки 1 -=- 2 мин.
254
Маслов В. П., Ф у р с е й Г. И., К о ч с ры-
же н к о в А. В., А ф а н а с ь е в а Н. II. Установ-
ка для исследования статистики автоэлектронои эмис -
сии при низких температурах.— 6 с., 2 рис.
Описана методика исследования статистики авто-
электронной эмиссии прп низких температурах. Эк-
спериментальный прибор вместо с головным каскадом
зарядочувствительпого усилителя помещается в кри-
остат с жидким гелием. Раздельный подогрев полевого
транзистора головного каскада и полупроводникового
детектора позволяет оптимизировать режим работы
этих элементов. В приборе предусмотрен вывод в зон-
дирующее отверстие анода электронного потока с нуж-
ной грапп монокристалла автоэмиттера. При регистра-
ции Si (Ы)-детектором электронов с энергией 10 кэВ
получено энергетическое разрешение 2,5 кэВ.
Самоцветов С. Г., Чалов II. II. Разверт-
ка спектра масс при долговременных измерениях мето-
дом синхронного счета ионов па масс-спекрометре МП-
1201.— 7 с., 1 рис.
Описано устройство развертки ионного пучка в
статическом масс-спектрометре МИ-1201 синхронно
с разверткой по каналам анализатора импульсов АП-
1024-4, работающего в режиме медленного времен-
ного анализа. Нестабильность развертки спектра при
использовании предложенной схемы <0,035%, что поз-
воляет набирать спектр масс в течение нескольких ча-
сов без заметного ухудшения разрешения.
Сорокин II. Д., Ярославская Н. С. Оп-
ределение мертвого времени регистрирующих систем
рентгеновского микроанализа.— 10 с., 2 рис.
Для регистрирующих систем кристалл-дифракци-
онных спектрометров микроапалпзаторов па примере
микроанализатора «Джеоскан» сопоставлены методы
определения значений постоянной мертвого времени.
Для систем с неудлиняемым мертвым временем реко-
мендуется использовать метод вариации тока погло-
щенных электронов, а для систем, для которых неиз-
вестно, характеризуются они удлиняемым или неуд-
линяемым мертвым временем,— метод итераций. По-
казало, что при использовании дифференциального
режима анализатора амплитуды импульсов необходи-
мо учитывать возможность резкого возрастания вли-
яния кажущегося мертвого времени па правильность
микрорептгспоспектральпых исследований.
Степанов А. II., С т р у ж к и п В. В. Модерни-
зация спектрального комплекса СДЛ-2.—6 с., 1 рис.
В составе автоматизированного спектометра СДЛ-2
введены дисплеи РИП-609, регистр управления реле,
схема временной синхронизации и двухкоордипатный
самописец Н-306. В сочетании с повым программным
обеспечением это позволяет проводить спектральные,
кинетические, температурные и барические измерения
с обработкой результатов в реальном времени.
Т р о hi к и и В. А., Б е р и а ц к п й Д. П. Устрой-
ство гальванической оптроппой развязки для оже-спек-
трометра.— 5 с., 2 рис.
Описано устройство гальванической развязки на
оптронах, позволяющее автоматизировать запись не-
дифференцированных ожё-спектров методом прямой
регистрации тока энергоаналпзатора. Напряжение раз-
вязки 5 кВ, полоса частот 0 ч- 10 Гц, динамический диа-
пазон 68 дБ, нелинейность 0,8%.
Л АБОР А ТОРНАЯ ТЕХНИКА
Аполлонов В. В., Зиенко С. И., Мура-
вьев С. В., Четкий С. А. Быстродействующий
емкостный измеритель малых перемещений проводя-
щей поверхности.— 6 с., 4 рис.
Описано устройство, предназначенное для изме-
рения малых перемещений проводящей поверхности
в диапазоне +50 мкм с погрешностью +1 мкм. Пло-
щадь электрода емкостного датчика ~3 мм2. Резуль-
тат измерения представлен в двоичном 8-разрядном
дополнительном коде и аналоговым сигналом с коэф-
фициентом преобразования 100 мВ/мкм. Время обработ-
ки одного отсчета ~10 мкс.
Борисенко II. 10., М е ж о в-Д е г л и н Л. П.,
Р о з е и ф л а н ц В. Ж. Сверхпроводниковый рение-
вым болометр.— 6 с., 3 рис.
Описана методика изготовления и приведены ха-
рактеристики тонкопленочных рениевых болометров,
предназначенных для регистрации коротких тепловых
импульсов в жидком гелии. Чувствительность боло-
метров до 5 В/К, постоянная времени <0,3 мкс, уро-
вень собственных шумов <1 мкВ.
Г а л ы б а С. Г., Добрецов А. И., Е мель-
че н к о Г. А. Схема управления двигателем постоян-
ного тока для перемешивания растворов и расплавов.—
6 с., 2 рис.
Описана бесконтактная схема управления двига-
телем. Алгоритм работы — периодическое ускоренно-
замедленное вращение двигателя с последующей выдер-
жкой па постоянной скорости вращения — обеспечи-
вается понеремеппым включением двух взаимосвязан-
ных генераторов, построенных по схеме пптегратора-
комиаратора. Диапазон времени разгона и торможения
5 ч- 60 с; диапазон времени выдержки 0,5 ч- 70 с прп
минимальной скорости вращения двигателя 0,05 ч-
ч- 0,1 еном; макимальная скорость вращения двигате-
ля 0,125 ч- 1,0 цном.
Дронин В. II. Особенности изготовления тонких
серебряных фольг для спектрометра ионов.—5 с.,
2 рис.
Приводится эмпирическое соотношение между ми-
нимальной толщиной (0,01 ч- 0,4 мг/см2) и максималь-
ным размером свободной серебряной фольги, получеп-
255
лой с помощью метода термического испарения в вы-
соком вакууме и смонтированной па оправу с отверс-
тием квадратпой формы.
3 а рииьш Я. Э., Карис с Я. Э., О з о л с 10. Я.,
Чугунов Л. А., Элерте М. А. Модификация
спектрофотометра СФ-8.— 6 с., 3 рис.
Описапа модификация спектрофотометра СФ-8,
позволяющая регистрировать оптическое пропуска-’
нпе образцов с плотностью до Г)=2. Принцип работы сос-
тоит в измерении сигнала в канале образца при поддер-
жании неизменным сигнала в опорном канале автома-
тической регулировкой напряжения пптаппя ф.э.у.
Применение описываемой электронной схемы не
требует оптико-механической части спектрофото-
метра СФ-8.
Зверев В. Г., Лучков Б. И., Тугаев-
к о В. Ю. Ориентирование монокристаллической
мишени на пучке «меченых» у-квантов.— 5 с.,
1 рис.
Описан метод ориентирования монокристалличес-
кой мишени вольфрама на пучке «меченых» у-квантов
электронного, синхротрона С25-Р ФИ АН СССР. В пуч-
ке рентгеновского излучения методом Лауэ нужная
ось кристалла была «привязана» к геометрической оси,
перпендикулярной плоскости мишени, которая в свою
очередь с помощью лазера или автоколлимационпого
теодолита, задающего направление пучка у-квантов,
выстраивалась под нужными углами относительно
пучка. Точность метода составляет —10' и определя-
ется, в основном, точностью ориентации кристалла в
рентгеновской установке.
Копапсв В. Д., Дравип В. А., Седель-
ников А. Э., Спицын А. В. Прецизионный трех-
осевой вакуумный гониометр с дистанционным управ-
лением.— 8 с., 2 рис.
Описал вакуумный прецизионный гониометр с че-
тырьмя степенями свободы для использования прп ис-
следованиях приповерхностных слоев кристаллов ме-
тодом обратного рассеяния ионов с каналированием.
Управление гониометром осуществляется с помощью
э.в.м. Шаг вращения по осям 0,02 — 0,2°, шаг трансля-
ции образца 0,1 мм. Максимальный диаметр образца
60 мм. Гониометр рассчитан на установку в мишенпой
камере ускорителя и несложен в изготовлении.
Суров С. Н. Реверсивный счет интерференционных
полос с использованием одного фотоприемника.— 4 с.,
1 рис.
Описан способ формирования счетных импульсов
в фотоэлектрическом интерферометре с гармонической
модуляцией разности хода с использоваппем одного
фотоприемника. Для получения квадратурных сигна-
лов используется синхронное детектирование по пер-
вой и второй гармоникам фототока; рассчитана опти-
мальная глубина модуляции разпостп хода.
256
ратпть особое внимание прп замене чертежей фо-
токопиями. Рисунки следует выполнять компактно
в целях экономии места.
Величины деталей радиосхем следует указы-
вать непосредственно на чертежах с десятичными
приставками, но без наименования единиц, за ис-
ключением величин емкостей в микрофарадах,
которые пишутся и без десятичных приставок (на-
пример, 1 Ом — 1; 5,6 кОм — 5,6 к; 2,0 МОм — 2 М;
1,1 ГОм—1,1 Г; 15 пФ-15 и; 2,2 нФ — 2,2 н;
1,0 мкФ—1). Для изображения элемептов схем
следует пользоваться обозначениями ГОСТ 2.721-74,
ГОСТ 2.722-684-2.727-68, ГОСТ 2.728-74, ГОСТ 2.729-
68. ГОСТ 2.730-73, ГОСТ 2.731-81, ГОСТ 2.732-68+
+2.742-68, ГОСТ 2.743-82, ГОСТ 2.744-68+2.748-68,
ГОСТ 2.750-68, ГОСТ 2.751-73, ГОСТ 2.755-74.
Редакция обращает внимание авторов па необ-
ходимость особенно тщательной проверки представ-
ляемых рисунков, так как исправления в клише
делать невозможно.
VIII. Фотографии, изображающие наиболее ин-
тересные детали или общий вид описываемых при-
боров, должны выполняться высококачественно на
глянцевой бумаге форматом не менее 9X12 см и
представляться в трех экземплярах (желательно в
двух вариантах, имея в виду возможность их поме-
щения па обложке журнала). Фотографии, полу-
ченные на экспериментальных установках (осцил-
лограммы, треки в камерах, микрофотограммы и
т. п.), также должны быть выполнены на глянце-
вой бумаге и представлены в трех экземплярах.
IX. Упоминаемые в статье или заметке выпус-
каемые промышленностью приборы или материалы
должны именоваться их каталожным наименова-
нием с указанием типа пли марки в соответствии
с ГОСТом.
X. Перед заглавием статьи автором должен
быть указан шифр согласно Универсальной деся-
тичной классификации (УДК). Необходимо поль-
зоваться не только общими сокращенными табли-
цами УДК, по и отраслевыми выпусками, напри-
мер. по радиоэлектронике, по ядерной науке и тех-
нике, по точной механике и др. Таблицы УДК
имеются в государственных и городских научно-
технических библиотеках и в библиотеках научно-
исследовательских институтов.
XI. Обязательный порядок оформления присы-
лаемых материалов:
1. Сообщения должны иметь направление уч-
реждения.
2. Сообщения должны быть написаны в наибо-
лее сжатой форме, совместимой с полнотой изло-
жения, и быть полностью подготовленными к пе-
чати.
3. Одновременно со статьей необходимо при-
сылать ее реферат, предназначенный для Всесоюз-
ного института научной и технической информа-
ции; объем реферата 0,5—1,5 страницы машинопис-
ного текста.
4. Статья должна быть напечатана на стандарт-
ной машинке на одной стороне листа через два ин-
тервала и представлена в двух вполне отчетливых
экземплярах (один из них должен быть первым)
без помарок и вставок; цветная и тонкая папирос-
ная бумага не допускается; сокращений слов, кро-
ме стандартных, применять нельзя. Сокращения
слов должны даваться строчными буквами с точка-
ми: Э.Д.С., я.м.р. и т. д.; прописные буквы приме-
няются только для обозначения типов приборов и
материалов в соответствии с ГОСТом. Все страни-
цы рукописи должны быть пронумерованы. Статья
должна быть подписала автором, а при наличии не-
скольких авторов — всеми авторами.
5. Формулы должны быть вписаны чернилами
четко и ясно. Особое внимание следует обратить
на аккуратное изображение индексов (опустить
дутой вниз) и показателей степеней (поднять дугой
вверх). При написании дробей следует возможно
чаще пользоваться косой чертой как знаком де-
ления.
6. Во избежание ошибок следует делать ясное
различие между прописными и строчными буквами
в формулах. В тех случаях, когда прописные бук-
вы и строчные буквы одинаковы по начертанию и
отличаются только своими размерами (V и и, U и
u, W и и>, К и к, S и s, С и с, Р и р), необходимо
прописные буквы подчеркивать снизу двумя чер-
точками (например, S), а строчные помечать чер-
точками сверху (например, s). Необходимо делать
различие между буквами О (большой) и о (малой)
и 0 (нулем), для_чего буквы О и о помечать двумя
черточками: О и о, а нуль оставлять без подчерки-
вания. Необходимо различать также буквы 1 и /,
для чего в рукописи букву 1 писать как римскую
единицу. Греческие буквы нужно подчеркивать
красным карандашом, а векторы — синим (стрелки
над буквами не ставить).
7. Подстрочные примечания должны иметь
сплошную нумерацию по всей статье. Цитируемую
литературу следует давать общим списком в конце
статьи с указанием в тексте статьи ссылки порядко-
вой цифрой на строке в прямых скобках (напри-
мер, [1]). Цитируемая литература должна быть
оформлена согласно ГОСТ 7.1-76 в следующем по-
рядке: а) для журнальных статей указываются фа-
милии и инициалы авторов, название журнала, год,
том. номер, страница; б) для книг надо указать фа-
милии и инициалы авторов, полное название кни-
ги, издательство, год, страницу (для книг иностран-
ного происхождения указать данные русского пе-
ревода, если таковой имеется); в) для сборников и
трудов конференций надо указать фамилии и ини-
циалы авторов, название сборника (конференции),
кем изданы (город и издательство либо институт),
год, том, номер и страницу.
8. Рисунки и чертежи должны быть представ-
лены отдельно от рукописи и снабжены разъясняю-
щими подписями, собранными на отдельном листе.
На обороте рисунков должны быть указаны фами-
лия автора, название статьи и номер рисунка (ка-
рандашом). Надписи на рисунках (за исключением
блок-схем) следует по возможности заменять циф-
ровыми или буквенными обозначениями, разъяс-
няемыми в подписи к рисунку или в тексте.
9. Места, предназначенные для набора петитом
(введение, дополнение), нужно отмечать верти-
кальной чертой на полях.
10. При направлении редакцией статьи для ис-
правления и доработки автору предоставляется
двухмесячный срок, по истечении которого возвра-
щенная автором статья рассматривается как вновь
поступившая.
И. Редакция направляет автору для просмотра
один экземпляр машинописного текста статьи, под-
готовленного редакцией к печати. Авторы-москвичи
просматривают статьи в редакции. Иногородним
авторам высылается второй экземпляр статьи. Про-
смотренная статья с подписью автора должна быть
выслана обратно в редакцию в течение трех дней
с момента ее получения. Типографская ко р-
ректура авторам пе высылается.
12. К рукописи должны быть приложены точ-
ный адрес, фамилия, имя и отчество автора, а так-
же номера телефонов (служебного и домашнего).
Цена 3 р. 60 к.
Индекс 70705

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»