РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ ВИБРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H03H9/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике к той ее части, которая связана с разработкой элементной базы, конкретно адиационно-стойких стабилизаторов частоты, в качестве которых, как правило, используются пьезоэлектрические (обычно кварцевые) резонаторы. В зависимости от условий применения таких резонаторов, относящихся по классификации к прецизионным, допускается относительный сдвиг рабочей частоты порядка 10^-10 для периода, исчисляемого днями, и порядка 10^-8 для более длительного срока, два-три месяца.

В условиях действия проникающей радиации (нейтроны, рентгеновские и гамма-кванты, электроны и протоны радиационных поясов Земли) у кварцевых резонаторов наблюдается необратимый сдвиг частоты. В результате исследований было установлено, что при дозах выше 10⁴ рад основной причиной необратимых изменений параметров кварца является наличие в кристалле примесей и структурных дефектов.

Для удаления примесей металлов, заметно снижающих радиационную стойкость кварца, предложен метод электродиффузии.

Наиболее существенного повышения радиационной стойкости кварцевых резонаторов достигают, используя для их изготовления очищенные от примеси кристаллы синтетического кварца радиационно-стойкий стабилизатор частоты, выполненный на пьезоэлектрическом резонаторе, например кварцевом, с нанесенными на его грани электродами, обычно заключаемом в металлический герметизированный корпус. Для уменьшения коррозии электродов воздух внутри корпуса либо откачивают, либо заменяют инертным газом-азотом, аргоном. Металлический корпус служит также в качестве экрана, защищающего резонатор от внешних электромагнитных помех.

Несмотря на принятые меры, оказалось, что уже при сравнительно низких уровнях облучения (менее 10³ рад) у радиационно-стойких стабилизаторов частоты, выполненных на кварцевых резонаторах, наблюдается сдвиг частоты, пропорциональный дозе облучения D:
10^-11 (рад), (1)
где f рабочая частота резонатора;
Δ f ее изменение.

Из формулы (1) следует, что при дозе D=10-10³ рад относительный сдвиг частоты
10^-10= 10^-10-10^-8,
что для радиационно-стойких стабилизаторов частоты является недопустимым отклонением от нормы. Описываемый формулой (1) сдвиг частоты обусловлен накоплением в объеме резонатора зарядов, создающих электрическое поле, которое через посредство обратного пьезоэффекта изменяет размеры резонатора и, следовательно, его частоту.

Задачей изобретения является создание устройства, в котором обеспечивалась бы стабилизация частоты в условиях действия проникающей радиации независимо от дозы облучения путем введения в конструкцию элементов, благодаря которым заряды между корпусом и электродами распределялись таким образом, чтобы среднее по толщине резонатора электрическое поле обратилось в ноль.

Для решения поставленной задачи предлагается в радиационно-стойкий вибратор, выполненный на пьезоэлектрическом резонаторе, например кварцевом, с нанесенными на его грани электродами, заключенном в металлический корпус, ввести по меньшей мере один конденсатор, одна из обкладок которого подключена к корпусу, другая к электроду резонатора, а величина емкости конденсатора определяется из условий радиационного воздействия.

Достижению поставленной цели способствует также то, что последовательно с конденсатором дополнительно включена нагрузка, например омическая, такая, что выполняется условие
Z(f) + ≫ Z_o(f), где f рабочая частота, Гц;
С емкость конденсатора, Ф;
Z(f) сопротивление (комплексное) нагрузки, Ом;
Z_o(f) входное сопротивление (комплексное) резонатора, Ом.

Проблема стабилизации частоты пьезоэлектрических резонаторов решается по-разному, в зависимости от факторов, вызывающих сдвиг частоты. Так, если основной причиной сдвига частоты служит изменение температуры внешней среды, то применяют термокомпенсацию, т.е. вводят элементы, имеющие температурную зависимость параметров, противоположную таковой для резонатора.

Для бортовой автоматики, размещаемой на самолетах и космических аппаратах, важным фактором являются механические перегрузки. В этом случае стабилизация частоты достигается включением последовательно с резонатором переменной емкости, соединенной с механическим устройством, реагирующим на ускорение. Механическое устройство управляет переменной емкостью так, чтобы получаемое изменение частоты было равно и противоположно изменению частоты, обусловленному действием перегрузок на резонатор.

В радиационно-стойком вибраторе имеется возможность компенсировать сдвиг частоты пьезоэлектрического резонатора, вызываемый постепенным накоплением в объеме кристалла электрических зарядов в условиях действия проникающей радиации, введением дополнительных элементов с постоянными параметрами, благодаря чему стабильность частоты поддерживалась бы независимо от дозы облучения.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема радиационно-стойкого вибратора; на фиг. 2 и 3 показаны его варианты.

Радиационно-стойкий вибратор содержит металлический корпус 1 (фиг. 1), внутри которого размещены пьезоэлектрический резонатор 2, например кварцевый, с нанесенными на его грани электродами 3,4 и конденсаторы 5, 6. Одна из обкладок конденсатора 5 подключена к электроду 3, а другая к корпусу 1. Одна из обкладок конденсатора 6 подключена к электроду 4, а другая к корпусу. Проникающая радиация 7, например гамма-кванты, падает на устройство сверху. Конденсаторы 5, 6 являются корректирующими.

В варианте, изображенном на фиг. 2, вибратор содержит только один конденсатор 5, подключенный к электроду 3 и корпусу 1. В варианте, изображенном на фиг. 3, конденсаторы 5 и 6 подключены к корпусу 1 через нагрузки 8 и 9 соответственно. На фигурах L толщина резонатора 2, L₁ расстояние между электродом 4 и корпусом 1, L₂ расстояние между электродом 3 и корпусом.

Расчет, выполненный в одномерном приближении, для относительного сдвига частоты приводит к формуле (пользуемая единицами системы CGSE)
4πγ·q·F, (2) где γ 6,5˙ 10^-8 пьезомодуль кварца;
q внесенный радиацией заряд на 1 см² площади резонатора 2;
F безразмерный структурный фактор:
F ;
A · · ;
B 1 + · + · ; (3)
P_k= 1+4π (k 1, 2), где ε 4,6 диэлектрическая проницаемость кварца;
S площадь электродов 3 и 4;
С₁ и С₂ емкость конденсаторов 6 и 5 соответственно.

Полный заряд q связан с объемной плотностью зарядов соотношением
q ρ(X)dX, (4) где х координата, отсчитываемая вверх по нормали от электрода 4.

В формуле (3)
X₁= X·ρ(X)dX центр тяжести зарядов относительно электрода 4;
X₂= (L-X)·ρ(X)dX центр тяжести зарядов относительно электрода 3, при этом
Х₁+Х₂=L.

Полный заряд q связан с дозой гамма-квантов D соотношением
q -e ·η·N·D[рад] (5) где е=4,8 ˙10^-10 заряд электрона;
λ- пробег гамма-квантов в кварце;
η радиационный ток в единицах электрон/квант;
δ- пробег комптоновского электрона в кварце;
N поток гамма-квантов, дающий в кварце дозу в 1 рад.

Для квантов с энергией 1 МэВ имеем
λ=12 см, η6˙10^-3, δ=λ˙η 0,72 мм, N 2 10⁹ квант/см².

Подстановка числовых значений приводит соотношение (5) к виду
q=-4,8 ˙10^-4 L (см) ˙D (рад). (6)
Рассмотрим, каким будет сдвиг частоты, если корректирующие конденсаторы 5 и 6 отсутствуют, т.е. при С₁=С₂=0. Вместо формулы (2) получим
4πGqF_o;
F_o= F(C₁=C₂=0) . (7)
Оценим F_o, предполагая, что X₁≈X₂ ≈L; L₁ ≈L₂, причем 1; 1 Тогда
F 0,1.

Используя выражение (6), находим
4π·6,5·10^-8·4,8·10^-4L(см)·D(рад)·0,1 4·10^-11L(см)·D(рад), (8)
Обычная толщина пьезоэлектрических резонаторов L=2 мм= 0,2 см. При таком значении L формула (8) дает
0,8·10^-11(рад). (9)
Соотношение (9), полученное расчетным путем, согласуется с экспериментально найденной зависимостью (1). Можно, следовательно, заключить, что формула (3) правильно передает зависимость сдвига частоты от величины емкости введенных конденсаторов 5 и 6.

Для решения поставленной задачи стабилизации частоты при постепенном накоплении электрических зарядов в объеме пьезоэлектрического резонатора 2, обусловленном действием проникающей радиации, выбирает С₁ и С₂ такими, чтобы сдвиг частоты, определяемый формулами (2) и (3), обратился в ноль. Полагая в формуле (3) А=0, приходим к следующему условию:
X₂C₂-X₁C₁= H. (10)
Правая часть в условии (10) может быть любого знака, тогда как емкости С₁ и С₂ положительные числа. Поэтому формулу (10) следует представить в двух видах:
H > 0; C₂= ·(X₁C₁+H), (11) где С₁ произвольная величина (в частности, можно положить С₁=0, т.е. конденсатор 6 отсутствует, этот случай показан на фиг.2),
H < 0; C₁= ·(X₂C₂-H), (12) где С₂ произвольная величина, например можно принять С₂=0.

Использованная для вывода условия (10) одномерная модель может нуждаться в уточнении, если, например, электроды 3 и 4 занимают лишь часть поверхности пьезоэлектрического резонатора 2. Более детальный анализ показывает, что стабилизацию частоты можно обеспечить, если выбирать емкости С₁ и С₂ из соотношения, обобщающего формулу (10):
α₂·X₂C₂-α₁X₁C₁= , (13) где α_1,2,β_1,2 безразмерные положительные коэффициенты порядка единицы.

Точный расчет входящих в выражение (13) величин затруднителен, в частности, потому, что действующая радиация имеет обычно смешанный характер и сложное угловое и энергетическое распределение. Ввиду этого подбор корректирующих емкостей С₁ и С₂ для конкретных радиационных условий целесообразно проводить экспериментально, используя для настройки конденсаторы переменной емкости типа варикапов. Начальные значения С₁ и С₂ можно оценить с помощью формулы (10). После того, как подбор закончен, варикапы можно заменить конденсаторами с постоянной емкостью, более пригодными при длительной эксплуатации.

Если характер действующей на пьезоэлектрический резонатор радиации может существенно измениться, например, при переходе спутника на новую орбиту, то для таких случаев варикапы следует сохранить, чтобы при появлении сдвига частоты, обусловленного накоплением зарядов от нового вида радиации, с помощью следящего устройства изменить емкость варикапов соответствующим образом.

П р и м е р.

L=0,2 см; Х₁=0,7˙L=0,14 см; Х₂=0,3 ˙L=0,06 см;
L₁=L₂=1 cм; S=2 см²;
H 1,3·10^-2> 0;
C₂= 0,14·C₁+1,3·10.

При C₁= 0 C₂= 0,22 см o,24 пФ.

При C₁=1 пФ=0,9см C₂= 0,14·0,9+1,3·10= 2,3см 2,6 пФ.

Введение дополнительной емкостной связи пьезоэлектрического резонатора 2 с металлическим корпусом 1 через конденсаторы 5 и 6 может повлиять на работу устройства. Для того, чтобы уменьшить это влияние, последовательно с конденсаторами 5 и 6 включены нагрузки 8 и 9 соответственно (фиг. 3).

Накопление зарядов в пьезоэлектрическом резонаторе 2 и соответствующая зарядка корректирующих конденсаторов 5 и 6 процессы медленные, квазистатические, на которые нагрузки 8 и 9 никак не влияют. Для обеспечения нормальной работы устройства сопротивление нагрузок 8 и 9 выбирают следующим образом.

Пусть Z_o(f), Z₂(f), Z₁(f) комплексные сопротивления резистора 2, нагрузок 8 и 9 на рабочей частоте f соответственно. Тогда влияние конденсаторов 5 и 6 на работу устройства пренебрежимо мало при выполнении условия
Z_k(f) + ≫ Z_o(f)(k 1, 2) (14)
П р и м е р. Примем, что нагрузки число омические, т.е. Z₁=R₁, Z₂=R₂.

Вблизи резонансной частоты Z 10³ Ом.

При С₁=С₂=1 пФ 10^-12 Ф и рабочей частоте f=10⁷ Гц условие (14) запишется так:
R_k+i·1,6·10 ≫ 10³ (k 1, 2).

Отсюда следует, что приняв R₁=R₂=10⁶ Ом, можно добиться того, что введение конденсаторов 5 и 6 не скажется на работе устройства.

Необходимо отметить, что выполнение условия (10) обеспечивает обpащение в ноль структурного фактора F в формуле (2). Это означает, что сдвига частоты нет при любом значении полного заряда q и, следовательно, согласно формуле (6) при любом значении дозы облучения D.

Использование: в радиоэлектронике для создания радиационно-стойких стабилизаторов частоты. Сущность изобретения: радиационно-стойкий вибратор содержит металлический корпус 1, пьезоэлектрический резонатор 2, электроды 3, 4 и конденсаторы 5, 6, которые являются корректирующими, а величина их выбрана в таком соотношении с другими параметрами, что достигается компенсация сдвига частоты пьезоэлектрического разонатора, вызываемого постепенным накоплением в объеме кристалла электрических зарядов в условиях действия проникающей радиации, в результате чего стабильность частоты поддерживается независимо от дозы облучения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ ВИБРАТОР, выполненный на пьезоэлектрическом резонаторе, на грани которого нанесены электроды и который размещен в металлическом корпусе, отличающийся тем, что в него введено N конденсаторов, одна из обкладок которых подключена к металлическому корпусу, а другая к соответствующему электроду пьезоэлектрического резонатора, при этом величина емкости каждого из конденсаторов определена из соотношения

где N ≥ 1 число конденсаторов;
K 1, 2, N номер конденсатора;
C_к емкость k-го конденсатора, п Ф;
S_к площадь k-го электрода, см²;
L_к расстояние между k-м электродом и металлическим корпусом, см;
X_к расстояние между центром тяжести зарядов, наведенных внешним ионизирующим излучением, и k-м электродом, см;
α_к, β_к положительные или отрицательные коэффициенты, абсолютная величина которых заключена в пределах 0,5 5,0. 2. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что последовательно по меньшей мере с одним из конденсаторов включена нагрузка, величина которой выбрана из условия
/Z(f) + Z_c(f)/ >> /Z_o(f)/,
где f рабочая частота, Гц;
Z(f), Z_c(f), Z_o(f) комплексное сопротивление соответственно нагрузки, конденсатора и пьезоэлектрического резонатора, Ом.