L'utilisation d'un multiplicateur photoélectronique est un moyen très simple d'obtenir la sensibilité la plus élevée d'un photodétecteur, jusqu'à l'enregistrement de photons uniques avec une excellente vitesse. Et compte tenu de la masse de PMT produits en URSS et toujours dans les entrepôts, il est également relativement peu coûteux (les PMT «propriétaires» modernes sont toujours indécemment chers pour un usage amateur). Mais pour fournir un photomultiplicateur, une source de tension de 1 à 3 kilovolts est nécessaire, et de plus, elle est très stable.
Le fait est que la sensibilité du PMT dépend de la tension anodique de façon exponentielle et très forte: elle augmente 10 fois avec une augmentation de la tension de 80-300 V, selon le type de PMT. Et s'il est nécessaire d'assurer la stabilité du gain à un niveau de pourcentage, pour certains PMT, il est nécessaire que la tension ne change pas de plus de 0,1-0,3 V!
Dans cet article, je donne un schéma d'une source haute tension pour un PMT, qui a fait ses preuves en laboratoire. Il fournit une tension de sortie de plusieurs centaines à 1500 V avec un courant de sortie jusqu'à 1 mA et une stabilité d'au moins 0,2 V par heure avec une consommation de courant constante après chauffage. Une simple modification augmente la limite de tension supérieure à 3 kV, cependant, au prix d'une stabilité moindre.
Schéma
La base de la source est un onduleur push-pull fonctionnant sur un transformateur pour lampes CCFL. L'onduleur est fabriqué sur la base d'une puce domestique pour ballasts électroniques - KF1211EU1. Je n'ai pas trouvé d'équivalent sur ce microcircuit en vente: il peut contrôler directement les grilles des transistors à effet de champ et pour fonctionner il n'a besoin que de deux éléments externes (une résistance de synchronisation et un condensateur), alors qu'il fonctionne régulièrement à partir de 5 V et est peu coûteux. Malheureusement, NPO Delta ne produit pas cette puce depuis longtemps, mais elle est toujours en vente et il n'est pas difficile de l'obtenir. Ce microcircuit n'a aucun moyen de réguler le rapport cyclique, mais nous n'en avons pas besoin - la tension de sortie est contrôlée en modifiant la tension d'alimentation de l'étage de sortie de l'onduleur. Un élément clé est le transistor VT1 double n-MOS de type IRF7341. Les résistances R2 et R3 limitent les courants d'appel lors de la recharge des condensateurs de grille.
L'onduleur fonctionne à une fréquence de 40 kHz. Il a été établi expérimentalement qu'à cette fréquence le transformateur utilisé fonctionne le mieux et a le meilleur rendement. Cette fréquence est fixée par la chaîne R1C1.
J'ai utilisé le transformateur de la série TMS91429CT, qui a deux enroulements primaires et deux enroulements secondaires identiques isolés l'un de l'autre. Cela permet d'exclure le multiplicateur de tension avec de grandes pertes, en le remplaçant par deux redresseurs à cycle unique, dont les tensions de sortie s'additionnent, formant un redresseur à deux temps pas tout à fait ordinaire, mais essentiellement le même redresseur à deux temps. La configuration décrite dans le diagramme fonctionne avec ce transformateur un peu mieux que le classique "avec un robinet du milieu". Si des tensions plus élevées sont nécessaires, un doubleur peut être assemblé dans chacune des «moitiés».
La résistance R8 et le condensateur C9 forment un filtre qui réduit l'ondulation haute tension. La résistance R10 réduit le risque de choc électrique mortel: malgré le fait que le courant continu généré par cette source ne présente aucun danger grave, l'énergie stockée dans le condensateur C9 est suffisante pour tuer, et le courant de crête de sa décharge est limité à ~ 60 mA à la tension maximale
réduit cette possibilité (avec une exposition à court terme - centièmes de seconde -, ce courant n'est généralement pas fatal). Cependant, à un courant de 1 mA, 22 V tombent sur cette résistance, ce qui est très probablement inacceptable. Par conséquent, si des courants de plus d'une centaine de microampères sont nécessaires, il faudra les supprimer, mais dans ce cas, n'oubliez pas que la tension de sortie de la source est
mortelle . Avec la résistance R10, cependant, aussi, mais le danger n'est pas si élevé.
La tension de sortie, divisée par un diviseur R7R9 500 fois, est envoyée à l'entrée de l'amplificateur d'erreur sur l'ampli op DA1.2. Une tension de référence est fournie à sa deuxième entrée (via un répéteur sur DA1.1), qui définit la tension de sortie qui, conformément au rapport de division du diviseur R7R9, sera 500 fois plus élevée (par exemple, à une tension de référence de 3 V, la sortie sera de 1,5 kV). Le gain de l'amplificateur d'erreur est sélectionné expérimentalement. Son augmentation augmente la précision de la stabilisation, mais réduit la stabilité. Le condensateur C8 compense le retard dans la boucle de rétroaction et assure la stabilité de la régulation. Le rapport du gain de l'amplificateur d'erreur et de la constante de temps du circuit R6C8 est un compromis entre la précision du maintien de la tension de sortie et le temps nécessaire à son établissement.
La tension de sortie de l'amplificateur d'erreur est fournie à l'élément de commande - transistor p-MOS VT2. Le transistor est complètement fermé lorsque la tension à la sortie de DA1.2 est proche de la tension d'alimentation (c'est-à-dire si la haute tension est beaucoup plus élevée que la valeur réglée), et s'ouvre complètement lorsqu'il est réduit à zéro (à une tension très basse), ce qui garantit son maintien à un niveau légèrement plus élevé tension de référence multipliée par le facteur de division. Tous les transistors MOS ne fonctionnent pas bien en mode linéaire, et celui indiqué sur le circuit le rend tout à fait acceptable. La résistance R4 empêche l'instabilité de l'ampli-op lorsqu'il fonctionne sur une charge capacitive, qui est la grille du transistor.
Un potentiomètre multitours alimenté par une source de tension stabilisée peut être utilisé comme source de tension de référence, mais avec des exigences de stabilité accrues, cela peut ne pas être suffisant, car même le meilleur de ces résistances variables "bruit" à un degré ou un autre, changeant au hasard la résistance petites limites, même si le bouton de réglage n'est pas touché. Pour l'augmenter, il est souhaitable de limiter la plage de réglage en douceur à 100-200 V et d'introduire un commutateur pour un réglage de tension grossière discret. Une autre option consiste à créer un ION numérique basé sur une sorte de DAC.
Ce circuit donne une haute tension de signe positif. Il est pratique d'utiliser une tension d'alimentation négative avec une anode mise à la terre pour alimenter le PMT. Pour cela, le circuit devra être ajusté - tout d'abord, en changeant la polarité des diodes dans la partie haute tension. Deuxièmement, il est nécessaire d'introduire un autre amplificateur opérationnel dans le circuit. Au lieu du diviseur R9R7, nous avons un amplificateur inverseur avec un gain de moins 1/500 sur l'ampli opérationnel DA2, et les résistances R9 et R7 sont dans son circuit OOS.
Pour obtenir 3 kilovolts, vous devrez remplacer les redresseurs des circuits secondaires par des doubleurs de tension et augmenter R9 à 100 MΩ. Dans le même temps, la stabilité s'aggravera environ deux fois de la même façon.
Composants et installation
Les condensateurs et résistances de taille 0805 ou même 0603 peuvent être utilisés dans les circuits basse tension et faible courant Le condensateur C2 est en tantale. Le condensateur C4 est un condensateur à film, car un courant pulsé notable le traverse et le condensateur SMD en céramique se réchauffera ici et tombera rapidement en panne.
Du côté haute tension, il est nécessaire de monter tous les circuits alternatifs aussi courts que possible, sinon ils rayonnent fortement (cependant, n'oubliez pas de respecter les écarts d'isolation). Les diodes sont composées chacune de deux diodes 1000 V connectées en série. En raison du manque de diodes rapides 1000 V dans les magasins, la version SMD utilise des diodes de sortie HER1008, installées en deux en série. Pour réduire la longueur des bornes, elles sont pliées sous le boîtier de diode et coupées, et ainsi, la diode est refaite en SMD. Dans ce cas, l'anode d'une diode par paire est soudée à la cathode de la seconde directement et le plus près possible de la sortie de la sortie du boîtier, et non à travers le conducteur imprimé. Les condensateurs C6 et C7 sont également composés de quatre condensateurs 0,015 μF x 1000 V de taille 1812, connectés en série en parallèle et soudés par un "joyau" l'un sur l'autre. Condensateur C9 de type arbitraire - J'ai utilisé une batterie domestique K15-4, remplie d'un composé pour plus de fiabilité.
Résistance R8 - taille 2512. R10 est composé de dix de ces résistances connectées en série sur une petite carte séparée et remplies d'un composé isolant. Vous pouvez faire de même avec R9 ou utiliser une résistance de la série FHV-100. Et c'est absolument idéal pour installer un diviseur Caddock THV10. La dérive de tension dépend de la stabilité thermique de cette résistance (et elle est chauffée par le courant qui la traverse). Son isolation thermique, augmentant le temps nécessaire pour établir une tension stable, réduit néanmoins fortement ses fluctuations chaotiques, il est donc
fortement recommandé. De plus, lors de l'installation, vous devez faire attention aux voies de fuite possibles, ce qui réduira également fortement la stabilité. Sur la carte de circuit imprimé, des fentes et des fenêtres doivent être prévues pour séparer les circuits à haute tension de ceux à basse tension et entre des conducteurs étroitement espacés avec des potentiels très différents. Et n'épargnez pas l'alcool - la moindre humidité, les traces de colophane ou les petits doigts - et la tension va galoper comme un mustang sauvage. Il va sans dire que toute la partie haute tension doit être noyée dans un composé, car sinon les écarts devraient être très grands. Et les grands écarts sont la grande longueur des conducteurs et un fort rayonnement. Lorsque je travaillais avec la disposition d'origine, où j'utilisais des condensateurs K78-1, des diodes de sortie avec des bornes légèrement raccourcies et les intervalles recommandés pour une installation imprimée dans l'air - au ralenti, le circuit consommait près de 200 mA à 1500 V et le néon brûlait à 10 cm de la structure. Il était impossible de regarder même la forme de la tension sur les enroulements primaires du transformateur - une portée de cent volts a été induite sur la sonde de l'oscilloscope. Il ne pouvait être question d'une utilisation pratique d'un circuit d'interférence aussi fortement émetteur. Après la transition vers SMD et l'installation la plus compacte (qui nécessitait une coulée - tout y passe dans l'air juste là), le courant consommé au ralenti est tombé à quelques dizaines de milliampères et l'ampoule au néon n'a brûlé que près de l'enroulement du transformateur. Bien entendu, l'appareil fini doit être placé dans un boîtier métallique équipé d'un bon connecteur haute tension (par exemple de type LEMO).
La disposition des PCB (je ne donne pas la mienne, car elle s'est avérée peu réussie et dans la conception finale, elle était recouverte, comme le moule, par des poches d'une installation articulée, corrigeant les erreurs de la conception d'origine) devrait être effectuée en tenant compte du fait que le VT2 est chauffé et élimine la chaleur par les bornes (dissipé la puissance peut atteindre 2 watts). Le VT1 reste presque froid pendant le fonctionnement. Faites également attention à la terre, en particulier à proximité des transistors clés. Ce dernier, avec DD1, est commodément placé sous le ventre du transformateur, autour duquel la terre peut être séparée par un espace, le connectant avec le reste de la terre en un seul point près du connecteur d'alimentation.
Et sur les remplacements. Le transformateur peut être remplacé par presque n'importe quel transformateur similaire avec la même configuration d'enroulement (c'est-à-dire deux enroulements primaires identiques et deux enroulements haute tension séparés) et la même puissance globale, et il peut être nécessaire de sélectionner la fréquence de commutation et la capacité du condensateur C4. L'ensemble transistor VT1 peut être remplacé par des transistors n-MOS séparés similaires avec une tension source-drain d'au moins 20 V et un courant de drain d'au moins 3 A, capables de fonctionner avec 5 V sur une grille. Le remplacement de VT2 n'est pas souhaitable.
Un peu de sécurité
Comme je l'ai dit, cet appareil est
mortel à vie . Malgré le fait qu'un courant de plusieurs milliampères fourni par cet appareil ne soit pas dangereux même en passant le long du chemin «bras de langage», la décharge de la capacité à la sortie, même si elle n'est pas garantie, tuera, mais elle peut bien le faire, car le courant atteint
plusieurs ampères (!), et l'énergie de décharge à la tension maximale est d'environ 0,1 J, ce qui est suffisant pour provoquer une fibrillation ventriculaire dans la phase vulnérable. Soyez donc prudent - en particulier pendant le processus d'installation. Pour le moment, je recommande de remplacer le condensateur C9 par un condensateur moins volumineux.