Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор монофотонных сенсоров ультрафиолетового диапазона. Описание задач, решаемых с применением УФ сенсора 17
1.1. Структура монофотонных сенсоров 17
1.2. Обзор монофотонных сенсоров ультрафиолетового диапазона 19
1.3. Обоснование необходимости повышения эффективности работы сенсоров. Задачи, решаемые с применением УФ сенсоров 22
Защита воздушных судов от террористических атак 22
Диагностика высоковольтного электрооборудования 22
Изучение динамики процессов горения 23
Изучение индустриальных и естественных источников излучения в УФ-С диапазоне спектра 24
Мониторинг состояния озонового слоя Земли и аэрозолей, вызванных пожарами, вулканами, техногенными катастрофами 24
Оптическая локация с помощью монофотонного УФ-С сенсора 26
Изучение транзиентных световых явлений в стратосфере 27
Формулировка научно-технической задачи 28
ГЛАВА 2. Разработка системы управления кристаллизационной установкой для выращивания кристаллов для объективов монофотонных сенсоров 29
2.1. Описание установки для выращивания кристаллов из водных растворов 29
2.2. Постановка задачи 31
Датчики температуры и методы измерения температуры 33
2.3. Описание системы СУКРУС-1 41
2.4. Блок управления 51
Назначение блока управления 51
Функционирование блока управления 52
Сравнение с существующими аналогами 57
2.5. Демонстрация работы системы СУКРУС-1 62
ГЛАВА 3. Разработка усовершенствованных узлов монофотонного сенсора 65
3.1. Описание монофотонного сенсора 65
Входной объектив 66
Координатно-чувствительный детектор 67
Зарядочувствительный усилитель 70
Модуль аналого-цифрового преобразователя 71
Стартовый канал 75
Высоковольтный источник питания, узел фильтрации и стробирования 76
Модуль ввода цифровых данных 79
Временной канал 79
Модуль вычислителя 81
Модуль источника питания 81
3.2. Разработка модуля многоканального высоковольтного источника питания 82
Структура модуля 82
Плата высоковольтного источника питания 83
Узел стробирования фотокатода 106
Узел стартового канала 109
3.3. Разработка модуля зарядочувствителъного усилителя 115
Общие положения 115
Постановка задачи 118
Обзор существующих зарядочувствительных усилителей 119
Функционирование платы зарядочувствителъного усилителя 121
Заключение 124
3.4. Разработка многофункционального модуля электропитания 124
Постановка задачи 125
Топология подключения модулей 127
Функционирование модуля 130
Заключение 133
ГЛАВА 4. Применение усовершенствованного монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона 136
4.1. Диагностика высоковольтного электрооборудования 136
4.2. Изучение индустриальных и естественных источников излучения в УФ-С диапазоне спектра. Прохождение УФ-С излучения сквозь атмосферу 138
4.3. Работа в составе системы оптической локации 140
Заключение 141
Список литературы 144
- Мониторинг состояния озонового слоя Земли и аэрозолей, вызванных пожарами, вулканами, техногенными катастрофами
- Датчики температуры и методы измерения температуры
- Высоковольтный источник питания, узел фильтрации и стробирования
- Изучение индустриальных и естественных источников излучения в УФ-С диапазоне спектра. Прохождение УФ-С излучения сквозь атмосферу
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время существует широкий класс научных и практических задач (мониторинг состояния силовых энергетических установок и ЛЭП, защита гражданских судов от поражения ракетами, изучение динамики процессов горения и взрыва, обнаружение лесных пожаров на ранних стадиях, изучение озонового слоя и транзиентных люминесцентных явлений в верхней атмосфере и т. п.), решение которых предполагает проведение дистанционных наблюдений в различных диапазонах электромагнитного спектра, в том числе УФ-С диапазона. Преимущество УФ-С диапазона для обнаружения и оценки параметров источников его излучения состоит в том, что благодаря озоновому слою Земли этот диапазон является «солнечно-слепым», что обеспечивает низкий уровень фоновых шумов. Существующие отечественные и зарубежные сенсоры, основанные на использовании матричных приёмников, работающие в УФ-С диапазоне, имеют ряд недостатков: низкую чувствительность, отсутствие возможности определения временных характеристик источника излучения. В связи с этим представляется актуальной разработка усовершенствованного монофотонного сенсора УФ-С диапазона с использованием время-координатного чувствительного детектора (ВКЧД) и обладающего улучшенными характеристиками и способностью измерять время-амплитудную зависимость регистрируемого излучения, что позволит существенно расширить класс решаемых задач.
Особенностью разработанного сенсора является способность определения угловых координат регистрируемого фотона УФ-С диапазона и определение (с точностью до 1 не) времени его прихода на фокальную поверхность сенсора. Это обеспечивает сенсору уникальную возможность измерения временной зависимости регистрируемого излучения и анализа этой зависимости. Таким образом, у созданного сенсора возникает инновационное качество — определение пространственно-временных особенностей УФ-С источника излучения, что коренным образом повышает его эф-
фективность по сравнению с известными отечественными и зарубежными аналогами.
Значимым применением монофотонного сенсора в совокупности с методами обработки его выходной информации является дистанционная диагностика коронных разрядов с целью предупреждения возникновения аварий на подстанциях или на линиях электропередач (ЛЭП).
Разработанный сенсор может применяться в системах обеспечения посадки в сложных метеоусловиях воздушных судов, оснащенных маяками, излучающими в УФ-С диапазоне, что позволяет осуществлять навигацию самолётов и вертолётов как в дневное, так и в ночное время.
Монофотонный сенсор является частью проекта малого космического аппарата «Астрогон-Вулкан», где он выступает в роли безынерционного сенсора в составе прецизионных астродатчиков.
Ещё одно спутниковое применение сенсора — мониторинг состояния озонового слоя Земли. Измерение толщины озонового слоя производится через измерение отражённого солнечного излучения на различных длинах волн в УФ диапазоне.
Высокое временное разрешение прибора может также сыграть ключевую роль при разработке спутникового датчика вспышек, возникающих от стратосферных электрических явлений. Прибор позволил бы не только регистрировать данные явления и фиксировать время их появления, но и изучать их пространственно-временную структуру.
В результате синхронного анализа выходного и отражённого потоков фотонов при активном режиме работы прибора и при наличии синхронной УФ-С подсветки наносекундными импульсами можно получить 3D-изображение наблюдаемого объекта. На основе данного прибора создана система активного ЗБ-зрения для наблюдения неизлучающих объектов. Это может стать основой создания интеллектуальных робототехнических систем на основе трёхмерного видения без традиционного в таких систе-
мах сканирования с существенно более высокой энергетической эффективностью.
Ещё одной проблемно-ориентированной задачей для монофотонного сенсора является мониторинг лесных пожаров. В рамках системы мониторинга лесных пожаров, которая также включает гиперспектрометр АСМГ-М, монофотонный сенсор является источником целеуказания ядра пожара.
Вышеизложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Цель работы
Основной целью диссертационной работы является создание монофотонного сенсора УФ-С диапазона с улучшенными характеристиками, обладающего повышенной чувствительностью и временным разрешением, способного функционировать в жёстких условиях применения и отличающегося высокой надёжностью:
спектральный диапазон: 250...280 нм;
частота регистрации единичных фотонов: 200 000 событий/сек;
уровень собственных шумов: 80 событий/сек;
временное разрешение: лучше 1 не;
координатное разрешение: 0,2 градуса;
угол зрения: 120 градусов;
температура эксплуатации: -55...+60 С;
срок службы: 3000 часов.
Выбор цели исследования обусловлен потребностями перечисленных выше практических приложений в повышении дальности (чувствительности) обнаружения излучений, анализа их происхождения и оценки параметров, работоспособности в сложных условиях применения и функционирования без существенного изменения характеристик в течение длительного времени.
Анализ конструкции современных сенсоров показал, что основной потенциал улучшения их характеристик лежит, во-первых, в области создания оптических фильтров, обеспечивающих высокий уровень пропускания в рабочем диапазоне длин волн (30...50 %) при чрезвычайно высоком уровне подавления паразитного видимого диапазона до 10~15 раз. Всё осложняется тем, что такой перепад пропускания фильтра должен происходить на узком участке спектра в 5... 10 нм. Во-вторых, монофотонный характер регистрации на уровне единичных фотонов предъявляет особенно повышенные требования к разработке электроники для достижения предельной чувствительности и быстродействия сенсоров.
Поэтому достижение поставленной в диссертации цели лежит в направлении создания фильтров УФ-С диапазона с существенно улучшенными характеристиками и в направлении совершенствования электронных трактов.
Основой построения фильтров оптического излучения, обеспечивающих подавление фонового излучения на 14...16 порядков при пропускании в рабочем диапазоне 250...280 нм от 30 % и более, являются водорастворимые кристаллы сульфата никеля и сульфата кобальта, выращиваемые в кристаллизационных установках.
Кристаллы должны быть правильной структуры, не иметь свилей, включений посторонних веществ, отличаться высокой степенью оптической однородности, температурной стабильностью, т. е. относиться к совершенным кристаллам. Для построения реальных оптических систем размеры кристаллов должны превышать 5 см. Выращивание кристаллов требует нескольких месяцев, в течение которых должны поддерживаться стабильные условия роста.
Кристаллы выращиваются в кристаллизационных установках. На сегодняшний день управление кристаллизационными установками осуществляется промышленными системами автоматического регулирования общего назначения (иногда их называют программируемые контроллеры).
В связи с относительно большой продолжительностью роста кристаллов (до полугода непрерывного роста) принципиальное значение имеет надёжность аппаратуры. Использование промышленных программируемых контроллеров приводит к следующему:
снижается общая надёжность системы в связи с низкой отказоустойчивостью контроллеров;
усложняется процесс задания, измерения и контроля параметров роста кристаллов в связи с неудобным интерфейсом с пользователем и скудными средствами отображения информации;
появляется необходимость дополнять систему измерительными и исполнительными устройствами, так как подобные системы не имеют их в своём составе;
существенно увеличивается общая стоимость системы в связи с высокой стоимостью программируемых контроллеров;
в ряде случаев имеет место недостаточная стабильность поддержания параметров роста.
Для преодоления этих недостатков в рамках диссертации была разработана и изготовлена специализированная система управления кристаллизационными установками, которая используется как система автоматизации при проведении научных экспериментов при разработке новых кристаллических материалов и как система автоматизации промышленной технологической линии при серийном выращивании кристаллов для монофотонных сенсоров.
Второе направление повышения характеристик монофотонных сенсоров, развиваемое в диссертации, — совершенствование электронных трактов — направлено на преодоление следующих недостатков существующих электронных трактов монофотонных приборов:
высокого уровня шумов измерительных трактов;
низкого временного разрешения при регистрации фотонов в коор-динатно-чувствительных системах;
нестабильной работы трактов в расширенном диапазоне температур;
изменения характеристик регистрирующих монофотонных детекторов на микроканальных пластинах при изменении температуры;
воздействия внешнего питания на работу электронных узлов в промышленных применениях в условиях сильных электромагнитных помех.
Для исключения этих недостатков в рамках диссертации проведена разработка новых электронных узлов и методов улучшения характеристик УФ сенсора с использованием управляющего встроенного программного обеспечения.
Научная новизна работы
1. Обоснован выбор основных направлений улучшения характеристик УФ
сенсора за счёт:
целенаправленного синтеза новых фильтрующих кристаллических материалов;
введения узла наносекундных измерений;
разработки программно-управляемых электронных модулей сенсора.
Определены требования к новым оптическим фильтрующим кристаллическим материалам, обеспечивающим пропускание в УФ-С диапазоне на уровне 30...50 % при подавлении фонового излучения в 10~15 раз.
Проведён анализ существующих систем управления установками для выращивания оптических фильтрующих кристаллических материалов, определены основные проблемы, препятствующие синтезу данных кристаллов.
Разработана концепция новой системы управления установками для выращивания кристаллов, обеспечивающей рост кристаллов с требующимися свойствами. Рассмотрены варианты схемотехнических решений, проведено их моделирование и оптимизация. Реализовано динамическое управление коэффициентами регулирования.
Исследованы пути устранения зависимости характеристик сенсора от температуры.
Разработана методика и управляющее программное обеспечение для улучшения временного разрешения до субнаносекундных значений за счёт совместной обработки информации от временного и координатного канала.
Найден способ увеличения более чем в 100 раз динамического диапазона фотоэлектронного умножителя за счёт стробирования фотокатода.
Определена необходимость создания программно-управляемого многоканального высоковольтного источника для фотоэлектронного умножителя.
Обоснована необходимость разработки модуля вторичного электропитания для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик сенсора.
Создана концепция построения монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона, способного вести регистрацию единичных фотонов со скоростью до 200 000 соб./сек при уровне собственных шумов не более 80 соб./сек, обладающего временным разрешением на уровне 1 не, угловым разрешением 0,2 градуса при угле зрения 120 градусов и функционирующего в широком температурном диапазоне: от -55 до +60 С.
На основе разработанной концепции был создан монофотонный сенсор, исследованы его характеристики, подтвердившие теоретические оценки.
Практическая значимость работы
Созданный сенсор лёг в основу ряда успешно выполненных опытно-конструкторских разработок:
Гос. контракт №ГК-14-14-03/2010-11 от 15.03.2010.
Гос. контракт № 02.523.12.3004 от 06.08.2007.
Гос. контракт № АВ/06/461/РГА/К от 10.11.2006.
Начиная с 2010 года ведётся серийный выпуск разработанного сенсора.
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов работы подтверждается результатами экспериментальных лабораторных исследований и предварительных и межведомственных испытаний, в ходе которых измерены основные параметры прибора и проведено их сравнение с расчётными, а также с результатами полевых испытаний как на стационарных объектах, так и на борту воздушного носителя.
Положения, выносимые на защиту
Концепция построения и разработка монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона с улучшенными характеристиками и функционирующего в диапазоне температур от -55 до +60 С.
Способ повышения статических характеристик координатно-чувствительного детектора:
соотношения сигнал/шум — в 100 раз;
разрешения — в 10 раз.
Способ увеличения динамического диапазона координатно-чувствительного детектора в 100 раз.
Способ повышения временного разрешения монофотонного сенсора.
Аппаратные и программные средства для модулей сенсора.
6. Концепция построения и разработка высокоточной и высоконадёжной системы управления кристаллизационной установкой.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Втором симпозиуме «Современная химическая физика», Туапсе, сентябрь — октябрь 2010 г.;
Восьмой Всероссийской Открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 15 — 19 ноября 2010 г.;
Семинарах Института проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН;
Семинарах Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН;
Семинарах Научно-технического центра «Реагент».
Публикации
В рамках диссертации было опубликовано семь печатных работ и получен один патент на полезную модель. Список работ приведён в конце автореферата.
Структура диссертации
Мониторинг состояния озонового слоя Земли и аэрозолей, вызванных пожарами, вулканами, техногенными катастрофами
Кристаллизационная установка работает следующим образом. В стеклянный резервуар 2 помещается платформа 3, на которой закреплён затравочный кристалл. Резервуар 2 помещается в стеклянный резервуар 1 с дистиллированной водой (термостат). Вода в термостате прогревается до температуры насыщения маточного раствора (раствора, из которого растёт кристалл). В резервуар 2 заливается маточный раствор, перегретый на 5...6 С выше температуры насыщения. После этого следует постепенное снижение температуры в термостате до комнатной температуры по заданной технологической программе (ТП) путём управления ТЭНами. Одновременно с выполнением ТП для обеспечения равномерного распределения температуры внутри термостата осуществляется вращение конвекционного ротора 5 при помощи электропривода 6, а при помощи электропривода 4 происходит вращение платформы 3 с растущим кристаллом для обеспечения равномерного омывания растущих граней кристалла маточным раствором (иногда вместо вращения платформы производится перемешивание самого маточного раствора стеклянным ротором). Процесс роста (длительность выполнения ТП) может длиться от двух недель до нескольких месяцев. Это время определяется типом выращиваемого кристалла. На всём протяжении процесса роста кристалла отклонение температуры воды в термостате от температуры, заданной в ТП, не должно превышать 0,05 С, иначе в кристалле образуются дефекты, которые отрицательно скажутся на его качестве, что может сделать невозможным применение его в качестве оптического фильтра.
Может возникнуть вопрос: для чего использовать термостат, если можно производить регулирование температуры в самом ростовом резервуаре? Во-первых, в маточном растворе не допускается наличие каких-либо металлических деталей (ТЭНы и термодатчик изготавливаются из металлов), это приводит к загрязнению раствора и, как следствие, к порче кристалла. Во-вторых, регулирование температуры влечёт за собой её флуктуации как внутри термостата, так и внутри резервуара с ростовым раствором, однако в последнем при использовании термостата эти флуктуации существенно меньше.
На сегодняшний день управление подобными кристаллизационными установками обычно осуществляется промышленными системами автоматического регулирования общего назначения (иногда их называют программируемые контроллеры). В связи с относительно большой продолжительностью роста кристаллов (до полугода непрерывного роста) важное значение имеет надёжность аппаратуры. Использование промышленных систем приводит к следующему: усложняется процесс задания, измерения и контроля параметров роста кристаллов в связи с неудобным интерфейсом с пользователем и скудными средствами отображения информации; снижается общая надёжность системы вследствие использования некачественных электрических связей, между составными частями, в связи с применением в подобных системах простых и непрочных разъёмов для уменьшения себестоимости; появляется необходимость дополнять систему измерительными и исполнительными устройствами, так как подобные системы не имеют их в своём составе; существенно увеличивается общая стоимость системы в связи с высокой стоимостью программируемых контроллеров. С учётом этих недостатков должна быть разработана и изготовлена система управления кристаллизационной установкой, выполняющая следующие функции: одно- или двухканальное измерение температуры раствора с использованием термопреобразователей сопротивления; отображение результатов измерений, вычислений и,прочей информации на встроенном индикаторе; ввод команд от пользователя со встроенной клавиатуры; звуковое оповещение и световую индикацию при возникновении аварийной ситуации; ПИД-регулирование температуры раствора по фиксированной уставке или заданной технологической программе (ТП); управление нагревательными элементами кристаллизатора; управление исполнительным двигателем кристаллизатора; протоколирование значений температуры во внутреннюю энергонезависимую память; связь с ЭВМ по интерфейсу RS-485 (опционально CAN); восстановление работоспособности после пропадания питания. Кроме того, система должна удовлетворять следующим требованиям: удобный интерфейс и простота использования; высокая надёжность; устойчивость к внешним возмущениям; высокая точность измерений и регулирования; минимальное количество составных частей; простота сборки и наладки; невысокая цена. Датчики температуры и методы измерения температуры Датчик температуры — это устройство, непосредственно принимающее, преобразующее измеряемую величину в сигнал для последующей передачи его на приборы или управляющее воздействие. Датчик предназначен для измерения температуры в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности [15].
В промышленности и индустрии для измерения температуры контактным методом используют термопары либо термопреобразователи сопротивления.
Термопара — термоэлектрический датчик, состоящий из двух соединенных разнородных электропроводных элементов (обычно — металлических проводников, реже — полупроводников). Действие термопары основано на эффекте Зеебека — явлении возникновения ЭДС (термоЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах [16].
Датчики температуры и методы измерения температуры
К каждому промежутку ФЭУ прикладывается соответствующее напряжение. Конкретное-значение напряжения в основном определяется конкретным типом ФЭУ. Падающий на фотокатод фотон в результате внешнего фотоэффекта выбивает электрон, который в свою очередь под действием-приложенного ускоряющего напряжения между фотокатодом и входом первой МКП направляется к этой микроканальной пластине. В первой МКП благодаря приложенному высокому напряжению происходит образование лавины электронов. Образовавшаяся лавина направляется на вход второй МКП, где происходит её" усиление. Типовое усиление одной МКП составляет 103, а суммарное усиление ФЭУ на двух МКП, как правило, составляет 10б. Далее образовавшаяся лавина поступает на специальные пластины, так называемые- коллекторы, сигнал (ql...q5) с которых поступает на зарядочувствительный усилитель. Величина заряда, поступающего на соответствующий коллектор, зависит от того места на фотокатоде (координаты), куда попал фотон, инициировавший описанный процесс. Для улучшения координатного разрешения ФЭУ также прикладываются дополнительные напряжения между первой и второй МКП, а также между выходом второй МКП и коллекторами.
Помимо электронов, появляющихся в результате внешнего фотоэффекта и формирующих полезный сигнал, фотокатод генерирует и так называемые термоэлектроны, являющиеся шумовыми. Интенсивность появления шумовых электронов прямо пропорциональна температуре фотокатода и также зависит от качества самого фотокатода, а вероятность того, что появившийся термоэлектрон достигнет первой МКП, где произойдёт его усиление, определяется величиной приложенного напряжения между фотокатодом и первой МКП. Одной из основных задач при. управлении ФЭУ является увеличение соотношения сигнал/шум. Регистрация одного фотона в контексте рассмотрения процессов, происходящих в монофотонном сенсоре, называется событием. Максимальная квантовая эффективность фотокатода может достигать 30 % и более. Рассмотрим подробнее определение координат фотона с выхода коорди-натно-чувствительного детектора (КЧД). На Рис. 42 показан срез электронной лавины, образованной фотоном, попавшим на фотокатод и выбившим электрон. Перекрестием показан центр лавины, найденный по соотношению частей электронной лавины, попавшей на коллектор. Аналогичным образом работают и остальные типы коллекторов, позволяя по соотношению частей лавины, попавших на те или иные элементы коллектора, определять центр лавины. Для системы коллектора в виде квадрантов координаты центра лавины можно определить по. формулам: Недостатком КЧД с квадрантным коллектором является пространственная неравномерность разрешающей способности, что особенно сильно проявляется на краю поля зрения детектора. Эта проблема отчасти решается- путём введения 5-го анода (кольцо Кц). Заряд, приходящий на 5-й анод, в первом приближении пропорционален расстоянию от центра лавины до центра поля зрения, поэтому становится возможным скорректировать результат вычисления следующим образом: Но даже с этими поправками вычисление координат зарегистрированных фотонов является лишь предварительным. Выражение для точного вычисления координат должно было бы принимать во внимание искажения, связанные с объективом, и учитывать влияние технологического разброса при изготовлении КЧД, — однако такой, подход практически не реализуем. Намного проще для каждого экземпляра сенсора, проводить калибровку для определённого числа известных точек на входе сенсора. При этом для каждой известной точки положения этого источника вычисляются приближённые координаты, которые сопоставляются с истинными координатами. На основании полученных калибровочных таблиц в дальнейшем производится переход от приближённых координат любого зарегистрированного события к истинным координатам. Зарядочувствительный усилитель (ЗЧУ) (А 1.5 на Рис. 38) осуществляет преобразование зарядовых импульсов, приходящих на аноды ФЭУ, в импульсы напряжения, пригодные для дальнейшей обработки. ЗЧУ являются важнейшими узлами экспериментальных установок физики частиц высоких и средних энергий, так как позволяют регистрировать короткие токовые импульсы, генерируемые частицами в различных детекторах [23]. Модуль ЗЧУ имеет пять каналов (обработка сигналов с четырёх коллекторов и одного кольца). В рамках диссертационной работы для монофотонного сенсора была разработана плата зарядочувствительного усилителя, подробное описание которой производится в 3.3. Модуль аналого-цифрового преобразователя (А1.6 на Рис. 38) осуществляет преобразование аналогового сигнала, сформированного ЗЧУ, в цифровой и передачу цифрового сигнала в модуль ВЦД. Модуль АЦП в разработанном сенсоре имеет пять каналов (по числу каналов ЗЧУ). Функциональный состав одного канала показан на Рис. 43.
Несмотря на то, что среднестатистический уровень амплитудного сигнала на выходе ЗЧУ имеет значения до 3 В, что, казалось бы, может быть достаточно для оцифровки непосредственно с выхода ЗЧУ, в системе должны присутствовать дополнительные схемные решения, а именно: формирователь, схема восстановления нуля и интегратор. Необходимость такого состава электронного тракта обусловлена следующими причинами: во-первых, если запускать аналого-цифровое преобразование одновременно с приходом лавины (по сигналу «старт» со стартового канала, который будет рассмотрен в соответствующем разделе), то к тому моменту, когда АЦП произведёт внутреннюю фиксацию сигнала Q(N), уровень сигнала окажется уже значительно ниже предшествующего максимального значения. Данное обстоятельство существенно сказывается на точности определения величины анодного заряда, в связи с чем в тракте присутствует формирователь, осуществляющий задержку сигнала Q(N) на время около 50 не. Этого времени достаточно для того, чтобы сигнал со стартового канала был принят в модуль ВЦД для формирования сигналов запуска АЦП и разрешения интегрирования, о которых будет сказано далее. Так как с точки зрения частотной коррекции сигнала Q(N) задержка по времени эквивалентна фазовому сдвигу, формирователь также называется фазовращателем.
Высоковольтный источник питания, узел фильтрации и стробирования
Последние достижения в технологии изготовления источников питания обеспечивают уменьшение их габаритных размеров, массы и рост КПД энергопреобразования по сравнению с их аналогами, которые выпускались всего несколько лет назад [40]. Приборы нового класса обычно работают на высоких частотах в диапазоне от 20 до 100 кГц и практически вытеснили все прежние, модели источников питания в промышленности.
Рассматриваемые ниже разработки явились следствием двух основных факторов. Появление на рынке принципиально новых компонентов, имеющих низкие уровни потерь и работающих на высоких частотах: о быстродействующие коммутирующие ферритовые и порошковые материалы с низкими потерями для сердечников дросселей и трансформаторов; о конденсаторы с низкими потерями; о сверхбыстродействующие выпрямители, обладающие низким падением прямого напряжения. Разработка новейших методов резонансного преобразования мощности. Технология Основой любого высокочастотного источника питания является генератор (или преобразователь), используемый для управления выходным трансформатором. Существует одна особенность, общая для всех высоковольтных источников питания, которая должна учитываться при выборе схемотехнического решения с использованием генератора или преобразователя. Эта особенность заключается в том, что ёмкость на вторичной обмотке повышающего трансформатора должна быть изолирована так, чтобы отражения от неё не попадали непосредственно на коммутирующие мощность полупроводниковые элементы. Такую изоляцию можно реализовать несколькими способами, в их числе: использование обратноходовой схемы; использование катушки индуктивности или последовательной резонансной схемы между коммутирующими устройствами и трансформатором; использование трансформатора с малой индуктивностью рассеяния между обмотками; работа с генератором в режиме авторезонанса (схема Ройера). Кроме того, на выбор схемотехнического решения с генератором влияет получение нужного уровня мощности на выходе источника. Например, маломощный блок питания, применяемый в фотоумножителях, может использовать обратноходовой генератор или генератор, работающий в режиме авторезонанса (схема Ройера), тогда как в источниках с повышенным уровнем мощности (например, свыше одного киловатта) наиболее вероятным будет использование управляемого преобразователя, питающего выходной трансформатор через катушку индуктивности, или последовательного резонансного контура. Спроектированные надлежащим образом схемы резонансных преобразователей обеспечивают достижение следующих необходимых характеристик: коммутацию при нулевых токах, что повышает КПД энергопреобразования и снижает потери при коммутации в коммутирующих устройствах высоких уровней мощности; работу с синусоидальными токовыми сигналами в схеме мощного преобразователя, что снижает уровень радиопомех, обычно связанных с использованием методов широтно-импульсной модуляции; возможность несложного параллельного включения источников питания для получения высоких уровней выходной мощности; возможность ограничения по току и защиты от короткого замыкания последовательных резонансных преобразователей. Определение технических характеристик Входное напряжение Входное питание обусловливается рядом факторов, в том числе уровнем выходной мощности источника питания и видом питания, которое доступно в конкретных условиях применения. Выходное напряжение Обычно высоковольтные источники питания предназначены для режима непрерывной работы при максимальном выходном напряжении. Уровень выходного напряжения может регулироваться в широких пределах: от нуля вольт до максимального номинального значения. Важным параметром является полярность выходного напряжения, которая определяет направление электрического поля, создающегося внутри ФЭУ. Обычно источники питания предназначены для работы в непрерывном режиме при максимальном значении тока. Как правило, в источник питания встраивается схема ограничения тока, чтобы ток перегрузки не превысил 110-процентный уровень от номинального максимального значения выходного тока. Для выключения источника питания при превышении нормального уровня выходного тока может быть предусмотрено средство отключения при перегрузке по току.
Пульсации можно определить как те части выходного напряжения, которые гармонически связаны с частотой внутреннего генератора источника. В современных схемах с высокочастотной коммутацией пульсации являются комбинированным результатом влияния двух частот: частотных составляющих сетевого напряжения и частотных составляющих коммутации. Суммарный уровень пульсаций нормируется либо в виде среднеквадратического значения, либо в виде размаха напряжения комбинации составляющих частоты сети и частоты внутреннего генератора и обычно выражается в процентах от максимального выходного напряжения.
Величины пульсаций, которые допустимы для различных прикладных задач, весьма отличаются друг от друга. Например, они должны иметь очень низкий уровень (размах менее 0,001%) в фотоумножителях, контрольно-измерительной аппаратуре для ядерных исследований и лампах бегущей волны и до нескольких процентов, если выход можно проинтегрировать в достаточно длительном интервале времени.
Изучение индустриальных и естественных источников излучения в УФ-С диапазоне спектра. Прохождение УФ-С излучения сквозь атмосферу
Функциональная схема многофункционального модуля электропитания показана на Рис. 92. Для удобства восприятия схемы силовые цепи показаны жирными стрелками, а управляющие — тонкими. Модуль обеспечивает гальваническую развязку между входной землёй (бортовая часть) и землёй прибора (приборная часть).
В связи с конструктивными ограничениями модуль электропитания А1 разделён на плату источника питания В1, плату фильтрации А 1.1, плату резервных источников энергии А1.2, плату преобразователя напряжения А1.3, плату часов реального времени и запоминающего устройства-А1.4. Также в состав модуля входят термодатчики А1.5...А1.7, физически расположенные на модулях прибора.
Входное напряжение поступает на плату источника питания через узел защиты от перенапряжения В 1.1 и переполюсовки В 1.2. Узел В 1.3 предназначен для измерения тока потребления всего прибора: Ёмкостной фильтр.В 1.4 яв-ляется-первой ступенью1 фильтрации входного напряжения. Узел А1.1 — плата фильтрации — представляет собой комбинацию ёмкостного фильтра и синфазного дросселя. После этого узла затухание пульсаций1 напряжения в полосе частот 100 кГц составляет -15 дБ. С выхода узла-фильтрации через блок предохранителей В 1.5 напряжение поступает на силовой ключ В 1.6, управляемый термодатчиком В 1.10 и командойх приборной части платы. Узел В 1.7 предназначен для заряда и поддержания напряжения на плате резервных источников энергии А 1.2, предназначенных для поддержания работоспособности прибора при пропадании основного напряжения питания до 100 мс при потребляемой мощности прибора 50 Вт. Силовой ключ В 1.8, управляемый с приборной части, коммутирует напряжение на плату развязывающего преобразователя А 1.3. Данный преобразователь является основным силовым элементом в модуле, обеспечивающим преобразование входного напряжения в широком диапазоне 18...36 В (переходный процесс 17...80 В в течение 1 с) в стабилизированное выходное напряжение 12 В с максимальным выходным током 6,6 А.
На плате также на входе и выходе преобразователя установлены комбинации ёмкостных фильтров и синфазных дросселей, обеспечивающих затухание пульсаций напряжения в полосе частот 100 кГц -15 дБ и —10 дБ, соответственно.
Как следует из поставленной задачи, модуль должен осуществлять управление нагревом прибора при температурах ниже -40 С. Подобный температурный порог связан с максимально допустимым нижним пред ел ом работы большинства микросхем (так называемое индустриальное применение). Функционирование микросхем для индустриального применения при температурах ниже —40 С и выше +85 С может быть неправильным или привести к выходу элементов из строя. Термодатчик В 1.10, способный функционировать при температурах в диапазоне —55...+125 С, осуществляет управление четырьмя силовыми ключами В 1.11 (на рисунке показаны как один), коммутирующими напряжение на нагреватели. Также термодатчик запирает силовой-ключ ВГ.6 в случае достижения минимально допустимой- температуры (одновременно включая нагреватели) и при. превышении максимально допустимой температуры. Верхний и нижний пороги могут быть заданы с приборной .части. Линейный стабилизатор В1.9 формирует стабилизированное напряжение питания для термодатчика В1.10.
Узел В 1.16 обеспечивает параллельный интерфейс для подключения к внешним устройствам бортовой части. Узел аналого-цифрового преобразования В 1.13 предназначен для оцифровки значений входного напряжения с бортовой сети, напряжения на резервных источниках энергии и тока потребления всего прибора. Узел В 1.15 служит для сигнализации о перенапряжении на входе прибора. Для передачи питающего напряжения для управляющих.узлов приборной частая платы источника питания используются дополнительный развязывающий; преобразователь В 1.14 и импульсный понижающий стабилизатор Вї.18і Использование отдельного развязывающего преобразователя позволяет в случае необходимости снимать напряжение с основного преобразователя с сохранением функционирования узла управления В1.19. С выхода основного развязывающего преобразователя А 1.3 напряжение поступает на силовые ключи В 1.20:..В 1.22, коммутирующие по команде с узла; управления В1. 19 напряжение для понижающего преобразователя напряжения аналоговой части: В 1.26, питания; вычислителя и платы ВИД, соответственно. Узлы В 1.23:..В 1.25 обеспечивают измерение; тока потребления аналоговой части, вычислителя и платы ВЦД. Узел аналого-цифрового преобразования В 1.27 предназначен для оцифровки значений питающего напряжения с выхода основного5 преобразователя А1.3 и значений! токов потребления аналоговой части, вычислителя и платы ВИД; Узел А1.4 часов реального времениш запоминающего устройства предназначен для протоколирования событий1 и- ошибок, возникших при работе прибора. Узлы В1.29...В1.31 являются драйверами физического уровня последовательных интерфейсов RS-485j CAN и RS-232; соответственно. На модуле высоковольтного источника питания, плате АЦП и на плате ВЦД для контроля температуры размещены термодатчики АГ.5...А1.7.
