O uso de um multiplicador fotoeletrônico é uma maneira muito simples de obter a maior sensibilidade de um fotodetector, até o registro de fótons únicos com excelente velocidade. E, dada a massa de PMTs produzidos na URSS e ainda alojados em armazéns, também é relativamente barato (os PMTs “proprietários” modernos ainda são indecentemente caros para uso amador). Mas, para fornecer um fotomultiplicador, é necessária uma fonte de tensão de 1 a 3 quilovolts e, além disso, é muito estável.
O fato é que a sensibilidade do PMT depende da tensão do ânodo de forma exponencial e muito acentuada: aumenta 10 vezes com um aumento na tensão de 80-300 V, dependendo do tipo de PMT. E se for necessário garantir a estabilidade do ganho em um nível percentual, para alguns PMTs, é necessário que a tensão não mude em mais de 0,1-0,3 V!
Neste artigo, forneço um diagrama de uma fonte de alta tensão para uma PMT, comprovada em laboratório. Ele fornece uma tensão de saída de várias centenas a 1500 V com uma corrente de saída de até 1 mA e estabilidade não inferior a 0,2 V por hora, com um consumo de corrente constante após o aquecimento. Uma simples alteração aumenta o limite superior de tensão para 3 kV, no entanto, ao custo de menos estabilidade.
Esquema
A base da fonte é um inversor push-pull operando em um transformador para lâmpadas CCFL. O inversor é fabricado com base em um chip doméstico para reatores eletrônicos - KF1211EU1. Não encontrei nada igual neste microcircuito à venda: ele pode controlar diretamente as portas dos transistores de efeito de campo e, para operação, precisa de apenas dois elementos externos (um resistor de temporização e um capacitor), enquanto trabalha regularmente a partir de 5V e é barato. Infelizmente, a NPO Delta não produz esse chip há muito tempo, mas ele ainda está à venda e não é difícil obtê-lo. Este microcircuito não tem como regular o ciclo de trabalho, mas não precisamos disso - a tensão de saída é controlada alterando a tensão de alimentação do estágio de saída do inversor. Um elemento chave é o transistor VT1 duplo n-MOS tipo IRF7341. Os resistores R2 e R3 limitam as correntes de irrupção ao recarregar os capacitores de porta.
O inversor opera a uma frequência de 40 kHz. Foi estabelecido experimentalmente que nessa freqüência o transformador usado funciona melhor e tem a melhor eficiência. Esta frequência é definida pela cadeia R1C1.
Usei o transformador da série TMS91429CT, que possui dois enrolamentos primários idênticos e dois secundários idênticos isolados um do outro. Isso torna possível excluir o multiplicador de tensão com grandes perdas, substituindo-o por dois retificadores de ciclo único, cujas tensões de saída aumentam, formando um retificador de aparência não muito comum, mas essencialmente o mesmo de dois tempos. A configuração descrita no diagrama funciona com este transformador um pouco melhor do que o clássico "com um toque do meio". Se forem necessárias tensões mais altas, um dobrador pode ser montado em cada uma das "metades".
O resistor R8 e o capacitor C9 formam um filtro que reduz a ondulação de alta tensão. O resistor R10 reduz o risco de choque elétrico fatal: apesar do fato de que a corrente direta gerada por esta fonte não representa nenhum perigo sério, a energia armazenada no capacitor C9 é suficiente para matar e o pico de corrente de sua descarga é limitado a ~ 60 mA na tensão máxima
reduz essa possibilidade (com exposição de curto prazo - centésimos de segundo -, essa corrente geralmente não é fatal). No entanto, a uma corrente de 1 mA, 22 V caem neste resistor, o que provavelmente é inaceitável. Portanto, se forem necessárias correntes de mais de cem microamperes, ela precisará ser removida, mas, neste caso, lembre-se de que a tensão de saída da fonte é
mortal . Com o resistor R10, no entanto, também, mas o perigo não é tão alto.
A tensão de saída, dividida por um divisor R7R9 500 vezes, é alimentada à entrada do amplificador de erro no amplificador operacional DA1.2. Uma tensão de referência é fornecida à sua segunda entrada (via um repetidor no DA1.1), que define a tensão de saída, que, de acordo com a taxa de divisão do divisor R7R9, será 500 vezes maior (por exemplo, a uma tensão de referência de 3 V, a saída será de 1,5 kV). O ganho do amplificador de erro é selecionado experimentalmente. Seu aumento aumenta a precisão da estabilização, mas reduz a estabilidade. O capacitor C8 compensa o atraso no loop de feedback e garante a estabilidade da regulação. A relação entre o ganho do amplificador de erro e a constante de tempo do circuito R6C8 é um compromisso entre a precisão da manutenção da tensão de saída e o tempo de seu estabelecimento.
A tensão de saída do amplificador de erro é fornecida ao elemento de controle - transistor p-MOS VT2. O transistor é completamente fechado quando a tensão na saída do DA1.2 está próxima da tensão de alimentação (ou seja, se a alta tensão for muito maior que o valor definido) e abre totalmente quando é reduzida a zero (a uma voltagem muito baixa), o que garante sua manutenção em um nível um pouco mais alto tensão de referência multiplicada pelo fator de divisão. Nem todos os transistores MOS funcionam bem no modo linear, e o indicado no circuito torna isso bastante aceitável. O resistor R4 evita a instabilidade do op-amp ao operar com uma carga capacitiva, que é a porta do transistor.
Um potenciômetro multivoltas alimentado por uma fonte de tensão estabilizada pode ser usado como fonte de tensão de referência, mas com requisitos de estabilidade aumentados pode não ser suficiente, pois mesmo o melhor desses resistores variáveis “barulho” em um grau ou outro, alterando aleatoriamente a resistência limites pequenos, mesmo que o botão de ajuste não seja tocado. Para aumentá-lo, é desejável limitar a faixa de sintonia suave a 100-200 V e introduzir um comutador para um ajuste discreto de tensão aproximada. Outra opção é criar um ION digital com base em algum tipo de DAC.
Este circuito fornece uma alta tensão de um sinal positivo. É conveniente usar uma tensão de alimentação negativa com um ânodo aterrado para alimentar o PMT. Para isso, o circuito deverá ser ajustado - primeiro, alterando a polaridade dos diodos na parte de alta tensão. Em segundo lugar, é necessário introduzir outro amplificador operacional no circuito. Em vez do divisor R9R7, temos um amplificador inversor com ganho de menos 1/500 no amplificador operacional DA2, e os resistores R9 e R7 estão em seu circuito OOS.
Para obter 3 kilovolts, você precisará substituir os retificadores nos circuitos secundários por dobradores de tensão e aumentar R9 para 100 MΩ. Ao mesmo tempo, a estabilidade piorará aproximadamente as mesmas duas vezes.
Componentes e instalação
Capacitores e resistores do tamanho 0805 ou mesmo 0603 podem ser usados em circuitos de baixa tensão e baixa corrente.O capacitor C2 é tântalo. O capacitor C4 é um capacitor de filme, uma vez que uma corrente pulsada perceptível flui através dele e o capacitor SMD de cerâmica aquece aqui e falha rapidamente.
Do lado da alta tensão, é necessário montar todos os circuitos CA o mais curto possível, pois eles irradiam fortemente (no entanto, lembre-se de observar as lacunas de isolamento). Os diodos são discados em cada um dos dois diodos conectados em série de 1000 V. Devido à falta de diodos rápidos de 1000 V nas lojas, são utilizados os diodos de saída da versão SMD HER1008, instalados em dois em série. Para reduzir o comprimento dos terminais, eles são dobrados sob o alojamento do diodo e cortados e, portanto, o diodo é refeito no SMD. Nesse caso, o ânodo de um diodo em par é soldado ao cátodo do segundo diretamente e o mais próximo possível da saída da saída do alojamento, e não através do condutor impresso. Os capacitores C6 e C7 também são compostos de quatro capacitores de 0,015 μF x 1000 V do tamanho 1812, conectados em paralelo em série e soldados por um "enfeites" em cima uns dos outros. Capacitor C9 do tipo arbitrário - usei uma bateria do K15-4 doméstica, preenchida com um composto para maior confiabilidade.
Resistor R8 - tamanho 2512. R10 é composto por dez desses resistores conectados em série em uma pequena placa separada e preenchidos com um composto isolante. Você pode fazer o mesmo com o R9 ou usar um resistor da série FHV-100. E é absolutamente ideal colocar um divisor da série Caddock THV10. O desvio de tensão depende da estabilidade térmica desse resistor (e é aquecido pela corrente que passa por ele). Seu isolamento térmico, aumentando o tempo necessário para estabelecer uma tensão estável, no entanto, reduz drasticamente suas flutuações caóticas, por isso é
altamente recomendado. Além disso, durante a instalação, você deve prestar atenção aos possíveis caminhos de vazamento, o que também reduzirá drasticamente a estabilidade. Na placa de circuito impresso, devem ser fornecidos slots e janelas que separam os circuitos de alta tensão dos de baixa voltagem e entre condutores bem espaçados, com potenciais bastante diferentes. E não poupe o álcool - a menor umidade, vestígios de resina ou dedinhos - e a tensão galopará como um mustang selvagem. Não é preciso dizer que toda a parte de alta tensão deve ser inundada com um composto, pois, caso contrário, as lacunas teriam que ser muito grandes. E as grandes lacunas são o grande comprimento dos condutores e a forte radiação. Durante o layout inicial, onde usei capacitores K78-1, diodos de saída com terminais ligeiramente encurtados e as lacunas recomendadas para instalação impressa no ar - em modo inativo, o circuito consumiu quase 200 mA a 1500 V e o néon queimou 10 cm da estrutura. Era impossível olhar para o formato da tensão nos enrolamentos primários do transformador - um intervalo de cem volts foi induzido na sonda do osciloscópio. Não se pode falar de qualquer uso prático de um circuito de interferência tão fortemente emissor. Após a transição para o SMD e a instalação mais compacta (que exigia vazamento - tudo rompe no ar ali mesmo), a corrente consumida no modo ocioso caiu para algumas dezenas de miliamperes e a lâmpada de neon queimava apenas perto do enrolamento do transformador. Obviamente, o dispositivo acabado deve ser colocado em uma caixa de metal equipada com um bom conector de alta tensão (por exemplo, do tipo LEMO).
O layout da placa de circuito impresso (eu não dou a minha, porque ela não foi muito bem-sucedida e, no projeto final, foi coberta, como molde, pelos bolsos de uma instalação com dobradiças, corrigindo erros do design original), levando em consideração o fato de o VT2 ser aquecido e remover o calor pelos terminais (dissipado a potência pode atingir 2 watts). O VT1 permanece quase frio durante a operação. Além disso, preste atenção à terra, especialmente nas proximidades dos principais transistores. O último, juntamente com o DD1, é convenientemente colocado sob a barriga do transformador, em torno do qual você pode separar o aterro com uma folga, conectando-o ao resto da Terra em um único ponto próximo ao conector de alimentação.
E sobre as substituições. O transformador pode ser substituído por quase qualquer transformador semelhante com a mesma configuração de enrolamento (ou seja, dois enrolamentos primários idênticos e dois enrolamentos de alta tensão separados) e a mesma potência geral, e pode ser necessário selecionar a frequência de comutação e a capacitância do capacitor C4. O conjunto do transistor VT1 pode ser substituído por transistores n-MOS separados semelhantes, com uma tensão de dreno de fonte de pelo menos 20 V e uma corrente de dreno de pelo menos 3 A, capaz de operar com 5 V no gate. A substituição do VT2 é indesejável.
Um pouco sobre segurança
Como eu disse, esse dispositivo é
mortal para toda a vida . Apesar de uma corrente de vários miliamperes fornecida por este dispositivo não ser perigosa, mesmo ao percorrer o caminho do “braço da linguagem”, a descarga da capacitância na saída, embora não seja garantida a morte, pode muito bem fazer isso, pois a corrente atinge
vários amperes (!), e a energia de descarga na tensão máxima é de cerca de 0,1 J, o que é suficiente para causar fibrilação ventricular na fase vulnerável. Portanto, tenha cuidado - especialmente durante o processo de instalação. Neste momento, recomendo substituir o capacitor C9 por um menos capacitivo.