El uso de un multiplicador fotoelectrónico es una forma muy simple de obtener la mayor sensibilidad de un fotodetector, hasta registrar fotones individuales con excelente velocidad. Y dada la gran cantidad de PMT producidos en la URSS y que todavía se encuentran en almacenes, también es relativamente económico (los PMT modernos "patentados" siguen siendo indecentemente caros para el uso de aficionados). Pero para suministrar un fotomultiplicador, se necesita una fuente de voltaje de 1-3 kilovoltios y, además, es muy estable.
El hecho es que la sensibilidad del PMT depende del voltaje del ánodo de manera exponencial y muy brusca: aumenta 10 veces con un aumento del voltaje de 80-300 V, dependiendo del tipo de PMT. Y si es necesario garantizar la estabilidad de la ganancia a un nivel porcentual, para algunos PMT es necesario que el voltaje no cambie en más de 0.1-0.3 V.
En este artículo, doy un diagrama de una fuente de alto voltaje para un PMT, que se ha demostrado en el laboratorio. Proporciona un voltaje de salida de varios cientos a 1500 V con una corriente de salida de hasta 1 mA y una estabilidad no peor de 0.2 V por hora con un consumo de corriente constante después del calentamiento. Sin embargo, una alteración simple aumenta el límite de voltaje superior a 3 kV, a costa de una menor estabilidad.
Esquema
La base de la fuente es un inversor push-pull que funciona con un transformador para lámparas CCFL. El inversor está hecho sobre la base de un chip doméstico para balastos electrónicos: KF1211EU1. No pude encontrar ningún igual en este chip a la venta: puede controlar directamente las puertas de los transistores de efecto de campo y para la operación solo necesita dos elementos externos (una resistencia de temporización y un condensador), mientras que funciona regularmente desde 5 V y es económico. Desafortunadamente, NPO Delta no ha estado produciendo este chip durante mucho tiempo, pero todavía está a la venta y no es difícil obtenerlo. Este microcircuito no tiene medios para regular el ciclo de trabajo, pero no lo necesitamos: el voltaje de salida se controla cambiando el voltaje de suministro de la etapa de salida del inversor. Un elemento clave es el transistor dual n-MOS VT1 tipo IRF7341. Las resistencias R2 y R3 limitan las corrientes de entrada al recargar los condensadores de compuerta.
El inversor funciona a una frecuencia de 40 kHz. Se ha establecido experimentalmente que a esta frecuencia el transformador utilizado funciona mejor y tiene la mejor eficiencia. Esta frecuencia es establecida por la cadena R1C1.
Utilicé el transformador de la serie TMS91429CT, que tiene dos bobinados primarios idénticos y dos bobinados secundarios idénticos aislados entre sí. Esto hace posible excluir el multiplicador de voltaje con grandes pérdidas, reemplazándolo con dos rectificadores de un solo ciclo, cuyos voltajes de salida se suman, formando un rectificador de dos tiempos de aspecto no muy común, pero esencialmente el mismo. La configuración descrita en el diagrama funciona con este transformador algo mejor que el clásico "con un toque desde el medio". Si se necesitan voltajes más altos, se puede ensamblar un duplicador en cada una de las "mitades".
La resistencia R8 y el condensador C9 forman un filtro que reduce la ondulación de alto voltaje. La resistencia R10 reduce el riesgo de descarga eléctrica fatal: a pesar de que la corriente continua generada por esta fuente no representa ningún peligro grave, la energía almacenada en el condensador C9 es suficiente para matar, y la corriente máxima de su descarga está limitada a ~ 60 mA al voltaje máximo
reduce esta posibilidad (con exposición a corto plazo de centésimas de segundo, esta corriente generalmente no es mortal). Sin embargo, a una corriente de 1 mA, 22 V caen en esta resistencia, lo que probablemente sea inaceptable. Por lo tanto, si se necesitan corrientes de más de cien microamperios, deberá eliminarse, pero en este caso, recuerde que el voltaje de salida de la fuente es
mortal . Con la resistencia R10, sin embargo, también, pero el peligro no es tan alto.
La tensión de salida, dividida por un divisor R7R9 500 veces, se alimenta a la entrada del amplificador de error en el amplificador operacional DA1.2. Se suministra un voltaje de referencia a su segunda entrada (a través de un repetidor en DA1.1), que establece el voltaje de salida, que, de acuerdo con la relación de división del divisor R7R9, será 500 veces mayor (por ejemplo, a un voltaje de referencia de 3 V, la salida será de 1.5 kV). La ganancia del amplificador de error se selecciona experimentalmente. Su aumento aumenta la precisión de la estabilización, pero reduce la estabilidad. El condensador C8 compensa el retraso en el circuito de retroalimentación y asegura la estabilidad de la regulación. La relación de la ganancia del amplificador de error y la constante de tiempo del circuito R6C8 es un compromiso entre la precisión de mantener el voltaje de salida y el tiempo que lleva establecerlo.
La tensión de salida del amplificador de error se suministra al elemento de control - transistor p-MOS VT2. El transistor está completamente cerrado cuando el voltaje en la salida de DA1.2 está cerca del voltaje de suministro (es decir, si el alto voltaje es mucho más alto que el valor establecido), y se abre completamente cuando se reduce a cero (a un voltaje muy bajo), lo que garantiza su mantenimiento a un nivel ligeramente más alto voltaje de referencia multiplicado por el factor de división. No todos los transistores MOS funcionan bien en modo lineal, y el indicado en el circuito lo hace bastante aceptable. La resistencia R4 evita la inestabilidad del amplificador operacional cuando funciona con una carga capacitiva, que es la puerta del transistor.
Se puede usar un potenciómetro de múltiples vueltas alimentado por una fuente de voltaje estabilizado como fuente de voltaje de referencia, pero con mayores requisitos de estabilidad puede no ser suficiente, ya que incluso el mejor de estos resistores variables "altera" hasta cierto punto, cambiando al azar la resistencia límites pequeños, incluso si no se toca la perilla de ajuste. Para aumentarlo, es conveniente limitar el rango de sintonización suave a 100-200 V e introducir un interruptor para una configuración discreta de voltaje grueso. Otra opción es hacer un ION digital basado en algún tipo de DAC.
Este circuito da un alto voltaje de un signo positivo. Es conveniente usar un voltaje de suministro negativo con un ánodo conectado a tierra para alimentar el PMT. Para esto, el circuito tendrá que ajustarse, en primer lugar, cambiando la polaridad de los diodos en la parte de alto voltaje. En segundo lugar, es necesario introducir otro amplificador operacional en el circuito. En lugar del divisor R9R7, tenemos un amplificador inversor con una ganancia de menos 1/500 en el amplificador operacional DA2, y las resistencias R9 y R7 están en su circuito OOS.
Para obtener 3 kilovoltios, deberá reemplazar los rectificadores en los circuitos secundarios con duplicadores de voltaje y aumentar R9 a 100 MΩ. Al mismo tiempo, la estabilidad empeorará casi lo mismo dos veces.
Componentes e Instalación
Se pueden usar condensadores y resistencias de tamaño 0805 o incluso 0603 en circuitos de bajo voltaje y baja corriente El capacitor C2 es de tantalio. El condensador C4 es un condensador de película, ya que una corriente pulsada notable fluye a través de él y el condensador SMD de cerámica se calentará aquí y fallará rápidamente.
Desde el lado de alto voltaje, es necesario montar todos los circuitos de CA lo más cortos posible, ya que de lo contrario irradian fuertemente (sin embargo, recuerde observar los espacios de aislamiento). Los diodos se marcan cada uno de los dos diodos de 1000 V conectados en serie. Debido a la falta de diodos rápidos de 1000 V en las tiendas, la versión SMD utiliza diodos de salida HER1008, instalados en dos en serie. Para reducir la longitud de los terminales, se doblan debajo de la carcasa del diodo y se cortan, y por lo tanto, el diodo se vuelve a hacer en SMD. En este caso, el ánodo de un diodo en pareja se suelda al cátodo del segundo directamente y lo más cerca posible de la salida de la carcasa, y no a través del conductor impreso. Los condensadores C6 y C7 también están compuestos por cuatro condensadores de 0.015 μF x 1000 V de tamaño 1812, conectados en serie en paralelo y soldados por un "whatnot" uno encima del otro. Condensador C9 de tipo arbitrario: utilicé una batería de K15-4 doméstica, llena de un compuesto para mayor confiabilidad.
Resistencia R8 - tamaño 2512. R10 se compone de diez resistencias de este tipo conectadas en serie en una pequeña placa separada y llenas de un compuesto aislante. Puede hacer lo mismo con R9, o usar una resistencia de la serie FHV-100. Y es absolutamente ideal poner un divisor de la serie Caddock THV10. La deriva del voltaje depende de la estabilidad térmica de esta resistencia (y se calienta por la corriente que la atraviesa). Su aislamiento térmico, que aumenta el tiempo necesario para establecer un voltaje estable, sin embargo, reduce drásticamente sus fluctuaciones caóticas, por lo que es
muy recomendable. Además, durante la instalación, debe prestar atención a las posibles rutas de fuga, que también reducirán drásticamente la estabilidad. En la placa de circuito impreso, se deben proporcionar ranuras y ventanas que separen los circuitos de alto voltaje de los de bajo voltaje y entre conductores muy separados con potenciales muy diferentes. Y no ahorre el alcohol, la más mínima humedad, rastros de colofonia o pequeños dedos, y la tensión galopará como un mustang salvaje. No hace falta decir que toda la parte de alto voltaje debe inundarse con un compuesto, ya que de lo contrario los huecos tendrían que hacerse muy grandes. Y los grandes espacios son la gran longitud de los conductores y la fuerte radiación. Cuando trabajé con el diseño original, donde utilicé condensadores K78-1, diodos de salida con terminales ligeramente acortados y los espacios recomendados para la instalación impresa en aire: en reposo, el circuito consumió casi 200 mA a 1500 V, y el neón se quemó 10 cm de la estructura. Incluso era imposible observar la forma del voltaje en los devanados primarios del transformador: se indujo un intervalo de cien voltios en la sonda del osciloscopio. No se puede hablar de ningún uso práctico de un circuito de interferencia tan fuertemente emisor. Después de la transición a SMD y la instalación más compacta (que requirió vertido, todo se rompe inmediatamente en el aire), la corriente consumida en reposo cayó a un par de decenas de miliamperios, y la bombilla de neón se quemó solo cerca del devanado del transformador. Por supuesto, el dispositivo terminado debe colocarse en una caja metálica equipada con un buen conector de alto voltaje (por ejemplo, del tipo LEMO).
El diseño de PCB (no doy el mío, porque resultó no tener mucho éxito y en el diseño final estaba cubierto, como el molde, por los bolsillos de una instalación con bisagras, corrigiendo los errores del diseño original) debe hacerse teniendo en cuenta el hecho de que VT2 se calienta y elimina el calor a través de los terminales (disipado La potencia puede alcanzar 2 vatios). VT1 permanece casi frío durante la operación. Además, preste atención a la tierra, especialmente en las cercanías de los transistores clave. Este último, junto con DD1, se coloca convenientemente debajo de la barriga del transformador, alrededor del cual puede separar el relleno sanitario con un espacio, conectándolo con el resto de la tierra en un solo punto cerca del conector de alimentación.
Y sobre los reemplazos. El transformador se puede reemplazar por casi cualquier transformador similar con la misma configuración de devanado (es decir, dos devanados primarios idénticos y dos devanados de alto voltaje separados) y la misma potencia general, y puede ser necesario seleccionar la frecuencia de conmutación y la capacitancia del capacitor C4. El conjunto de transistor VT1 se puede reemplazar por transistores n-MOS separados similares con un voltaje de drenaje de fuente de al menos 20 V y una corriente de drenaje de al menos 3 A, capaz de operar con 5 V en una compuerta. El reemplazo de VT2 es indeseable.
Un poco sobre seguridad
Como dije, este dispositivo es
mortal para la vida . A pesar del hecho de que una corriente de varios miliamperios proporcionada por este dispositivo no es peligrosa, incluso cuando se pasa a lo largo de la ruta del "brazo del lenguaje", la descarga de la capacitancia en la salida, aunque no se garantiza que mate, puede hacerlo, ya que la corriente alcanza
varios amperios (!), y la energía de descarga al voltaje máximo es de aproximadamente 0.1 J, que es suficiente para causar fibrilación ventricular en la fase vulnerable. Así que tenga cuidado, especialmente durante el proceso de configuración. En este momento, recomiendo reemplazar el condensador C9 por uno menos espacioso.