Stabile Hochspannungsversorgung für PMT

Die Verwendung eines photoelektronischen Multiplikators ist ein sehr einfacher Weg, um die höchste Empfindlichkeit eines Fotodetektors zu erzielen, bis einzelne Photonen mit ausgezeichneter Geschwindigkeit registriert werden. Und angesichts der Masse der in der UdSSR hergestellten PMTs, die immer noch in Lagern liegen, ist es auch relativ kostengünstig (moderne „proprietäre“ PMTs sind für den Amateurgebrauch immer noch unangemessen teuer). Für die Versorgung eines Fotovervielfachers wird jedoch eine Spannungsquelle von 1 bis 3 Kilovolt benötigt, die außerdem sehr stabil ist.

Tatsache ist, dass die Empfindlichkeit des PMT exponentiell und sehr stark von der Anodenspannung abhängt: Sie steigt mit einem Spannungsanstieg um 80-300 V je nach PMT-Typ um das Zehnfache. Und wenn es notwendig ist, die Stabilität der Verstärkung auf einem prozentualen Niveau sicherzustellen, ist es für einige PMTs erforderlich, dass sich die Spannung nicht um mehr als 0,1-0,3 V ändert!

In diesem Artikel gebe ich ein Diagramm einer Hochspannungsquelle für ein PMT, das sich im Labor bewährt hat. Es liefert eine Ausgangsspannung von mehreren hundert bis 1500 V mit einem Ausgangsstrom von bis zu 1 mA und einer Stabilität von nicht schlechter als 0,2 V pro Stunde bei konstantem Stromverbrauch nach dem Erhitzen. Eine einfache Änderung erhöht jedoch die obere Spannungsgrenze auf 3 kV auf Kosten einer geringeren Stabilität.

Schema

Die Basis der Quelle ist ein Gegentakt-Wechselrichter, der an einem Transformator für CCFL-Lampen arbeitet. Der Wechselrichter besteht aus einem inländischen Chip für elektronische Vorschaltgeräte - KF1211EU1. Ich konnte bei dieser im Handel erhältlichen Mikroschaltung keine vergleichbare Leistung finden: Sie kann die Gates von Feldeffekttransistoren direkt steuern und benötigt für den Betrieb nur zwei externe Elemente (einen Zeitsteuerungswiderstand und einen Kondensator), während sie regelmäßig ab 5 V arbeitet und kostengünstig ist. Leider hat NPO Delta diesen Chip schon lange nicht mehr hergestellt, aber er ist immer noch im Verkauf und es ist nicht schwer, ihn zu bekommen. Diese Mikroschaltung hat keine Möglichkeit, das Tastverhältnis zu regeln, aber wir brauchen es nicht - die Ausgangsspannung wird durch Ändern der Versorgungsspannung der Wechselrichter-Ausgangsstufe gesteuert. Ein Schlüsselelement ist der VT1-Dual-n-MOS-Transistor Typ IRF7341. Die Widerstände R2 und R3 begrenzen Einschaltströme beim Aufladen von Gatekondensatoren.

Der Wechselrichter arbeitet mit einer Frequenz von 40 kHz. Es wurde experimentell festgestellt, dass der verwendete Transformator bei dieser Frequenz am besten funktioniert und den besten Wirkungsgrad aufweist. Diese Frequenz wird durch die Kette R1C1 eingestellt.

Ich habe den Transformator aus der TMS91429CT-Serie verwendet, bei dem zwei identische Primär- und zwei identische Sekundärwicklungen voneinander isoliert sind. Dies ermöglicht es, den Spannungsvervielfacher mit großen Verlusten auszuschließen und durch zwei Einzyklusgleichrichter zu ersetzen, deren Ausgangsspannungen sich addieren und einen nicht ganz normal aussehenden, aber im Wesentlichen gleichen Zweitaktgleichrichter bilden. Die im Diagramm beschriebene Konfiguration funktioniert mit diesem Transformator etwas besser als mit dem Klassiker "mit einem Hahn von der Mitte". Wenn höhere Spannungen benötigt werden, kann in jeder der „Hälften“ ein Verdoppler montiert werden.

Der Widerstand R8 und der Kondensator C9 bilden ein Filter, das die Hochspannungswelligkeit verringert. Der Widerstand R10 verringert das Risiko eines tödlichen Stromschlags: Trotz der Tatsache, dass der von dieser Quelle erzeugte Gleichstrom keine ernsthafte Gefahr darstellt, reicht die im Kondensator C9 gespeicherte Energie aus, um zu töten, und der Spitzenstrom seiner Entladung ist auf ~ begrenzt 60 mA bei maximaler Spannung verringern diese Möglichkeit (bei einer kurzfristigen Exposition von Hundertstelsekunden ist dieser Strom normalerweise nicht tödlich). Bei einem Strom von 1 mA fallen jedoch 22 V an diesen Widerstand ab, was höchstwahrscheinlich nicht akzeptabel ist. Wenn daher Ströme von mehr als hundert Mikroampere benötigt werden, müssen diese entfernt werden. Denken Sie jedoch in diesem Fall daran, dass die Ausgangsspannung der Quelle tödlich ist . Mit dem Widerstand R10 allerdings auch, aber die Gefahr ist nicht so hoch.

Die Ausgangsspannung, die 500-mal durch einen Teiler R7R9 geteilt wird, wird dem Eingang des Fehlerverstärkers am Operationsverstärker DA1.2 zugeführt. Eine Referenzspannung wird an ihren zweiten Eingang angelegt (über einen Repeater an DA1.1), der die Ausgangsspannung einstellt, die gemäß dem Teilungsverhältnis des R7R9-Teilers 500-mal höher ist (bei einer Referenzspannung von 3 V beträgt der Ausgang beispielsweise 1,5 kV). Die Verstärkung des Fehlerverstärkers wird experimentell ausgewählt. Seine Erhöhung erhöht die Genauigkeit der Stabilisierung, verringert jedoch die Stabilität. Der Kondensator C8 kompensiert die Verzögerung in der Rückkopplungsschleife und sorgt für Regelungsstabilität. Das Verhältnis der Verstärkung des Fehlerverstärkers und der Zeitkonstante der R6C8-Schaltung ist ein Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung und der Zeit, die zum Einrichten benötigt wird.

Die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers wird dem Steuerelement - dem p-MOS-Transistor VT2 - zugeführt. Der Transistor ist vollständig geschlossen, wenn die Spannung am Ausgang von DA1.2 nahe an der Versorgungsspannung liegt (dh wenn die Hochspannung viel höher als der eingestellte Wert ist), und vollständig geöffnet, wenn er auf Null reduziert wird (bei einer sehr niedrigen Spannung), wodurch seine Wartung auf einem etwas höheren Niveau sichergestellt wird Referenzspannung multipliziert mit dem Teilungsfaktor. Nicht alle MOS-Transistoren arbeiten im linearen Modus gut, und der auf der Schaltung angegebene macht dies ziemlich akzeptabel. Der Widerstand R4 verhindert die Instabilität des Operationsverstärkers bei Betrieb mit einer kapazitiven Last, die das Gate des Transistors ist.

Ein Multi-Turn-Potentiometer, das von einer stabilisierten Spannungsquelle gespeist wird, kann als Referenzspannungsquelle verwendet werden. Bei erhöhten Stabilitätsanforderungen reicht dies jedoch möglicherweise nicht aus, da selbst die besten dieser variablen Widerstände den Widerstand auf die eine oder andere Weise „rauschen“ und den Widerstand zufällig ändern kleine Grenzen, auch wenn der Einstellknopf nicht berührt wird. Um dies zu erhöhen, ist es wünschenswert, den Bereich der sanften Abstimmung auf 100 bis 200 V zu begrenzen und einen Schalter für eine diskrete Grobspannungseinstellung einzuführen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein digitales ION zu erstellen, das auf einer Art DAC basiert.

Diese Schaltung liefert eine Hochspannung mit positivem Vorzeichen. Es ist zweckmäßig, eine negative Versorgungsspannung mit einer geerdeten Anode zur Stromversorgung des PMT zu verwenden. Dazu muss die Schaltung eingestellt werden - zunächst durch Ändern der Polarität der Dioden im Hochspannungsteil. Zweitens ist es notwendig, einen anderen Operationsverstärker in die Schaltung einzuführen. Anstelle des R9R7-Teilers haben wir einen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von minus 1/500 am DA2-Operationsverstärker, und die Widerstände R9 und R7 befinden sich in seiner OOS-Schaltung.

Um 3 Kilovolt zu erhalten, müssen Sie die Gleichrichter in den Sekundärkreisen durch Spannungsverdoppler ersetzen und R9 auf 100 MΩ erhöhen. Gleichzeitig verschlechtert sich die Stabilität ungefähr zweimal.

Komponenten und Installation

Kondensatoren und Widerstände der Größe 0805 oder sogar 0603 können in Niederspannungs- und Niedrigstromkreisen verwendet werden. Der Kondensator C2 ist Tantal. Der Kondensator C4 ist ein Filmkondensator, da ein merklicher Impulsstrom durch ihn fließt und der keramische SMD-Kondensator sich hier erwärmt und schnell ausfällt.

Von der Hochspannungsseite ist es notwendig, alle Wechselstromkreise so kurz wie möglich zu montieren, da sie sonst stark strahlen (beachten Sie jedoch die Isolationslücken). Die Dioden werden jeweils mit zwei in Reihe geschalteten 1000-V-Dioden gewählt. Aufgrund des Mangels an schnellen 1000-V-Dioden in Geschäften verwendet die SMD-Version HER1008-Ausgangsdioden, die in zwei Reihen hintereinander installiert sind. Um die Länge der Klemmen zu verringern, werden sie unter das Diodengehäuse gebogen und abgeschnitten, und somit wird die Diode in SMD erneuert. In diesem Fall wird die Anode einer paarweisen Diode direkt und so nah wie möglich am Ausgang des Ausgangs vom Gehäuse und nicht über den gedruckten Leiter an die Kathode der zweiten Diode gelötet. Die Kondensatoren C6 und C7 bestehen ebenfalls aus vier 0,015 uF x 1000 V-Kondensatoren der Größe 1812, die in Reihe parallel geschaltet und durch ein „Dingsbums“ übereinander verbunden sind. Kondensator C9 beliebigen Typs - Ich habe eine Batterie aus dem Haushaltsgerät K15-4 verwendet, die aus Gründen der Zuverlässigkeit mit einer Verbindung gefüllt ist.


Widerstand R8 - Größe 2512. R10 besteht aus zehn solchen Widerständen, die in Reihe auf einer separaten kleinen Platine geschaltet und mit einer Isoliermasse gefüllt sind. Sie können dasselbe mit R9 tun oder einen Widerstand der FHV-100-Serie verwenden. Und es ist absolut ideal, einen Teiler der Caddock THV10-Serie zu verwenden. Die Spannungsdrift hängt von der thermischen Stabilität dieses Widerstands ab (und wird durch den durch ihn fließenden Strom erwärmt). Die Wärmedämmung, die die Zeit zum Aufbau einer stabilen Spannung verlängert, verringert jedoch die chaotischen Schwankungen stark und wird daher dringend empfohlen. Außerdem sollten Sie bei der Installation auf mögliche Leckagepfade achten, die die Stabilität ebenfalls stark beeinträchtigen. Auf der Leiterplatte sollten Schlitze und Fenster vorgesehen sein, die die Hochspannungskreise von den Niederspannungskreisen und zwischen eng beieinander liegenden Leitern mit stark unterschiedlichen Potentialen trennen. Und verschonen Sie nicht den Alkohol - die geringste Feuchtigkeit, Spuren von Kolophonium oder kleinen Fingern - und die Spannung galoppiert wie ein wilder Mustang. Es versteht sich von selbst, dass der gesamte Hochspannungsteil mit einer Verbindung geflutet werden muss, da sonst die Lücken sehr groß gemacht werden müssten. Und die großen Lücken sind die große Länge der Leiter und die starke Strahlung. Bei der Arbeit mit dem ursprünglichen Layout, bei dem ich K78-1-Kondensatoren, Ausgangsdioden mit leicht verkürzten Anschlüssen und den für die gedruckte Installation in Luft empfohlenen Lücken verwendete, verbrauchte der Stromkreis im Leerlauf fast 200 mA bei 1500 V, und das Neon brannte 10 cm von der Struktur entfernt. Es war unmöglich, die Spannungsform an den Primärwicklungen des Transformators überhaupt zu betrachten - an der Oszilloskopsonde wurde eine Spannweite von 100 Volt induziert. Von einer praktischen Verwendung einer derart stark emittierenden Interferenzschaltung konnte keine Rede sein. Nach dem Übergang zu SMD und der kompaktesten Installation (die ein Gießen erforderte - alles bricht genau dort in der Luft durch) sank der im Leerlauf verbrauchte Strom auf einige zehn Milliampere, und die Neonröhre brannte nur in der Nähe der Transformatorwicklung. Natürlich muss das fertige Gerät in einem Metallgehäuse untergebracht werden, das mit einem guten Hochspannungsstecker ausgestattet ist (z. B. vom Typ LEMO).

Das PCB-Layout (ich gebe mein eigenes nicht an, da es sich als nicht sehr erfolgreich herausstellte und im endgültigen Design wie Schimmel durch Taschen einer Klappinstallation abgedeckt wurde, um Fehler des ursprünglichen Designs zu korrigieren) sollte unter Berücksichtigung der Tatsache erfolgen, dass VT2 erwärmt wird und Wärme durch die Anschlüsse abführt (abgeleitet) Leistung kann 2 Watt erreichen). VT1 bleibt während des Betriebs fast kalt. Achten Sie auch auf das Land, insbesondere in der Nähe von Schlüsseltransistoren. Letzteres befindet sich zusammen mit DD1 bequem unter dem Bauch des Transformators, um den der Boden durch einen Spalt getrennt werden kann, der ihn an einem einzigen Punkt in der Nähe des Stromanschlusses mit dem Rest der Erde verbindet.

Und über die Ersetzungen. Der Transformator kann durch fast jeden ähnlichen Transformator mit derselben Wicklungskonfiguration (d. H. Zwei identischen Primärwicklungen und zwei getrennten Hochspannungswicklungen) und derselben Gesamtleistung ersetzt werden, und es kann erforderlich sein, die Schaltfrequenz und Kapazität des Kondensators C4 auszuwählen. Die Transistoranordnung VT1 kann durch ähnliche separate n-MOS-Transistoren mit einer Source-Drain-Spannung von mindestens 20 V und einem Drain-Strom von mindestens 3 A ersetzt werden, die mit 5 V an einem Gate betrieben werden können. Ein VT2-Austausch ist unerwünscht.

Ein bisschen über Sicherheit

Wie gesagt, dieses Gerät ist lebenslang tödlich . Trotz der Tatsache, dass ein Strom von mehreren Milliampere, der von diesem Gerät bereitgestellt wird, selbst auf dem Weg des "Spracharms" nicht gefährlich ist, kann die Entladung der Kapazität am Ausgang, obwohl nicht garantiert, dass sie tötet, dies sehr gut tun, da der Strom mehrere erreicht Ampere (!), und die Entladungsenergie bei maximaler Spannung beträgt etwa 0,1 J, was völlig ausreicht, um in der anfälligen Phase Kammerflimmern zu verursachen. Seien Sie also vorsichtig - besonders während des Einrichtungsprozesses. Zu diesem Zeitpunkt empfehle ich, den Kondensator C9 durch einen weniger geräumigen zu ersetzen.