Устройство для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждения кристалла ниобата лития при атмосферном давлении Российский патент 2023 года по МПК G01R31/26 G01T1/00 H01J3/00 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для установления оптимальных условий генерации электронных пучков твердотельными пироэлектрическими элементами.

Известно устройство для детектирования тока эмиссии [E.M. Bourim, C.W. Moon, S.W. Lee, V. Sidorkin, and I.K. Yoo, “Pyroelectric electron emission from -Z face polar surface of lithium niobate monodomain single crystal,” J. Electroceram, vol. 17, pp. 479-485, July 2006] при ее пироэлектрическом механизме с -Z поверхности образца ниобата лития конгруэнтного состава в ваккумной камере, которое использует для измерения тока разряда кремниевый p-n фотодиод AXUV-100 и электрометр модели 6514 (Keithely Instruments, Inc). Зазор между поверхностью кристалла и детектором электронов варьировался от 90 мкм до 5 мм.

Недостатком данного устройства является невозможность прямого измерения тока разряда используемыми фотодиодом и его электронной системой обработки, поскольку импульсы этого тока имеют длительность менее 1 мкс и носят спорадический характер, и эмитируемые электроны не могли детектироваться в пределах времени разрешения электроники.

Наиболее близким по исполнению к предлагаемому устройству для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждения пироэлектрического кристалла ниобата лития является схема регистрации термически индуцированных при атмосферном давлении газовых разрядов с использованием пироэлектрических кристаллов, в которой производится измерение тока между остроконечным электродом, расположенным ортогонально к центру +Z-поверхности кристалла на расстоянии 1 мм от нее, и заземленным плоским электродом, контактирующим с его -Z-поверхностью, пикоамперметром или осциллографом с полосой частот 200 МГц по падению напряжения на измерительном резисторе R_l = 100 Ом. [M.J. Jonson, J. Linczer, D.B. Go, “Thermally induced atmospheric pressure gas discharges using pyroelectric crystals,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 23, 065018, September 2014].

Недостатками этого устройства регистрации пироэлектрической генерации электронов являются: сильная неоднородность электрического поля в разрядном промежутке, ограничивающая вклад в суммарный ток разряда периферийных областей кристалла с поперечными размерами, заметно превышающими этот промежуток; значительные индуктивности одиночного измерительного резистора и проводников, соединяющих его с осциллографом, затягивающие передний фронт импульсов разряда и искажающие их временную зависимость; отсутствие цепей, согласующих измерительный резистор с линией передачи измеряемого импульсного сигнала к осциллографу, устраняющих эффекты переотражения импульсов; сильные электромагнитные наводки на проводники измерительных цепей от импульсов разряда. Его использование позволило авторам оценить амплитуду импульсов разряда, как ~80 нА в цикле нагрева и как ~7 нА в цикле естественного охлаждения кристалла, но не позволило измерить и подробно рассмотреть их временные параметры.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждения пироэлектрического кристалла ниобата лития при атмосферном давлении.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждения кристалла ниобата лития при атмосферном давлении, включающего нагревательный блок; камеру, находящуюся при атмосферном давлении; пироэлектрический кристалл; медный анод; блок измерительного резистора; коаксиальный согласующий резистор; медный винт; коаксиальный разъем типа «гнездо» для линий передачи с волновым сопротивлением 50 Ом; коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом с двумя разъемами типа «штырь»; причем камера выполнена в виде медного полого цилиндра с размещенными в нем соосно имеющими цилиндрическую форму пироэлектрическим кристаллом и медным анодом, соединенным проводником цилиндрической формы с блоком измерительного резистора, выполненным в виде шайбы из односторонне фольгированного стеклотекстолита с напаянными чип-резисторами, соединенного медным винтом с цилиндрическим контактом имеющего номинал 50 Ом согласующего коаксиального резистора, второй цилиндрический контакт которого соединен с центральным проводником коаксиального разъема типа «гнездо».

Предлагаемое устройство для регистрации отличается от описанного в прототипе тем, что соосное расположение пироэлектрического кристалла и медного анода, имеющих цилиндрическую форму, обеспечивает высокую степень однородности электрического поля в разрядном промежутке, позволяющую реализовать вклад в ток разряда со всей поверхности кристалла и значительно увеличить его величину. Использование коаксиальной геометрии на основе камеры в виде медного полого цилиндра и размещенных на его оси кристалла, медного анода, блока измерительного резистора в виде шайбы из фольгированного стеклотекстолита с напаянными чип-резисторами и коаксиального согласующего резистора, соединенного с центральным проводником коаксиального разъема типа «гнездо», обеспечивает минимальные индуктивности блока измерительного резистора и электрических цепей, соединяющих его с медным анодом и с осциллографом, что существенно уменьшает затягивание переднего фронта импульса разряда и искажения их временной зависимости. Наличие в устройстве согласующего коаксиального резистора с номиналом 50 Ом позволяет согласовать импеданс цепи регистрации тока разряда блоком измерительного резистора с коаксиальной линией передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, что устраняет эффекты переотражения импульсов разряда наносекундной длительности от входной цепи осциллографа с сопротивлением 50 Ом и от цепи регистрации тока разряда. Кроме того, преимущество используемой совокупности элементов с коаксиальной конструкцией и камеры в виде медного полого цилиндра перед прототипом заключается в устранении сильных электромагнитных наводок на цепь передачи наносекундных импульсов к регистрирующему осциллографу.

Технический результат заявляемого решения заключается в регистрации при атмосферном давлении в воздушном зазоре между поверхностью +Z или - Z кристалла ниобата лития и плоским медным электродом наносекундных импульсов разряда отрицательной/положительной полярности с токами в максимуме, достигающими значений 600 мА и более. Это достигается за счет используемой коаксиальной геометрии устройства, возможности изменения ориентации кристалла цилиндрической формы на противоположную, применения циклов нагрева и охлаждения. В цикле нагрева кристалла заявляемое устройство позволяет реализовать определение оптимальных условий генерации электронных пучков твердотельными пироэлектрическими элементами при атмосферном давлении путем вариации размерами кристалла и зазора между его поверхностью и медным анодом, а также скоростью и режимом увеличения температуры в цикле нагрева.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами элементов устройства для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждении кристалла ниобата лития при атмосферном давлении, представленными на чертежах фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.

Фиг. 1 - Общий вид разрядной камеры с размещенным в ней пироэлектрическим кристаллом

Фиг. 2 - Общий вид блока измерительного резистора

Фиг. 3 - Электрическая схема регистрации тока разряда

Основой катодного блока C разрядной камеры, представленной на фиг. 1, является медный стакан цилиндрической формы, с установленным в углублении в его днище пироэлектрическим кристаллом ниобата лития 1. Для устранения краевых эффектов кристалл 1 изолируется от окружающей воздушной среды фторопластовым колпачком 2 с диаметром верхнего отверстия около 10 мм.

Внутри цилиндрического медного стакана анодного блока A размещаются цилиндрический анод 3, изготовленный из меди, узел сопротивлений нагрузки 4 и согласующий резистор 5. Поверхность анода 3, обращенная к кристаллу, подвергается тщательной полировке, а боковая кромка скругляется до радиуса около 2 мм. Для предотвращения электрических пробоев с боковой поверхности анода 3, он помещен внутрь диэлектрической шайбы 6.

На фиг. 2 показан схематический вид блока измерительного резистора 4, который представляет собой диск, изготовленный из фольгированного стеклотекстолита с односторонним слоем медной фольги, нанесенной в форме двух круговых полос i и e, между которыми впаяны измерительные чип-резисторы 7. Изменение числа напаянных чип-резисторов 7 позволяет использовать различные значения измерительного сопротивления. Электрический контакт внешнего кольца и блока измерительного резистора 4 со стаканом анодного блока A (см. фиг. 1) обеспечивается за счет их механического прижатия друг к другу диэлектрической шайбой 6. Для создания надежного контакта анода 3 с внутренним кольцом i узла сопротивлений нагрузки 4 и согласующим сопротивлением 5 используется медный винт 8.

Выбор диаметров для элементов коаксиальных отрезков в анодном блоке A (см. фиг. 1), используемых после блока измерительного резистора 4, обеспечивает близость их волнового сопротивления к значению ρ ≈ 50 Ом. Для этого, во-первых, отношение диаметров головки винта 8 и медной вставки 9 к соответствующему внутреннему диаметру стакана анодного блока A (d_A = 14 мм) выбирается примерно равным 2,3. Во-вторых, размещаемый между головкой винта 8 и медной вставкой 9 согласующий резистор 5 типа MELF, имеющий цилиндрическую форму и диаметр 2,2 мм, центрируется шайбой 10, изготовленной из гетинакса, с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r ≈ 5.

Электрическая схема заявляемого изобретения представлена на фиг. 3.

Устройство для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждения кристалла ниобата лития при атмосферном давлении работает следующим образом.

Катодный блок C электрически заземляется, и размещается на электрически управляемом нагревателе, позволяющем регулировать его температуру в режиме нагрева пироэлектрического кристалла 1 от 20 °C до 80 °C со скоростью до 9 °C/мин. Температура катодного блока измеряется термопарой типа «К» (хромель-алюмель), контактирующей с его наружной цилиндрической поверхностью. В режиме охлаждения используется естественное снижение температуры катодного блока C. Анодный блок A размещается на катодном блоке C, обеспечивая хороший электрический контакт между их корпусами и необходимый зазор h_g между поверхностью +Z (или - Z ) кристалла 1 и анода 3, зависящий от высоты кристалла 1 и составляющий от 0,5 мм до 4,0 мм.

Импульсы тока разряда, генерируемые в воздушном промежутке при атмосферном давлении между поверхностью кристалла +Z и анодом 3 в циклах нагрева/охлаждения кристалла 1, вызывают протекание тока I_d(t) (см. электрическую схему на чертеже фиг. 3) через результирующее сопротивление R_l блока измерительного резистора 4. Для регистрации возникающего на этом сопротивлении импульса напряжения U_l(t) = R_lI_d(t) используется схема согласования, включающая коаксиальный резистор 5 с номиналом R_m = 50 Ом. Импульс напряжения U_out(t) с выхода схемы согласования подается на цифровой осциллограф с входным сопротивлением R_in= 50 Ом с использованием коаксиального кабеля (ρ = 50 Ом) и стандартного высокочастотного разъема 11. Центральный электрод этого разъема 11 стыкуется со вставкой 9, а его корпус монтируется на верхней поверхности анодного блока A.

При изменении сопротивления нагрузки R_l от долей Ома до ~5 Ом, как следует из чертежа электрической схемы регистрации тока разряда I_d(t), показанной на фиг. 3 и принимающей во внимание описанные выше элементы с параметрами R_l, R_m, ρ и R_in, суммарное сопротивление на входе коаксиальной линии передачи R_Σ = R_l + R_m будет отличаться, но незначительно, от волнового сопротивления ρ = 50 Ом. Поэтому согласование данной схемы по входу будет неполным, что должно привести к заниженным значениям измеряемого осциллографом напряжения U_d(t) по сравнению со случаем идеального согласования, когда ρ = R_∑. В пренебрежении таким рассогласованием, связь определяемого тока разряда I_d(t) с измеряемым напряжением U_d(t) может быть получена в следующем виде:

Предлагаемое устройство может дополнительно содержать кольцевые медные вставки различной толщины, размещаемые между анодным блоком А и катодным блоком С (фиг. 1), позволяющие варьировать величину зазора h_g между поверхностью +Z (или - Z ) кристалла 1 и анода 3 от 0,5 мм до 4,0 мм, для кристаллов с различной высотой.

Пример работы устройства.

Предлагаемое изобретение использовалось для регистрации импульсной генерации электронных пучков при атмосферном давлении в цикле охлаждения цилиндрического образца ниобата лития 1 с диаметром 13 мм и толщиной 7 мм, при зазоре h_g = 0,5 мм между его поверхностью +Z и анодом 3. Импульсы разряда регистрировались при результирующем сопротивлении R_l = 1,7 Ом блока измерительного резистора 4, содержащего 3 напаянных чип-резистора с номиналом 1,7 Ома, с использованием цифрового осциллографа Keysight DSO-X 3102T (полоса частот 1 ГГц, частота дискретизации 5 Гвыб/с). В цикле естественного охлаждения разрядной камеры с размещенным в ней пироэлектрическим кристаллом ниобата лития (см. фиг. 1) от температуры 80 °С до 25 °С осциллографом, в режиме синхронизации по нарастающему фронту, регистрировалось 34 импульса напряжения положительной полярности $$U_d(t)$$с длительностью около 15 нс, временем нарастания от 1 до 1,9 нс и с напряжением в максимуме от 200 до 350 мВ. Использование приведенной выше формулы (1) позволяет вычислить временную зависимость импульсов тока разряда $$I_d(t)$$ и определить его параметры. В рассматриваемом случае результирующего сопротивления блока измерительного резистора R_l = 1,7 Ом регистрировались импульсы со значением тока в максимуме от 235 до 412 мА и с переносимым зарядом от анода к кристаллу до ~4 нКл. Таким образом, предлагаемое устройства, в отличие от прототипа, позволяет зарегистрировать временную зависимость импульсов разряда в наносекундном диапазоне и определить их параметры, при этом полученное значение тока разряда в максимуме в цикле естественного охлаждения кристалла более чем на 7 порядков превышает значение ~7 нА, приведенное в описании данного прототипа.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для установления оптимальных условий генерации электронных пучков твердотельными пироэлектрическими элементами. Технический результат - уменьшение искажений, вносимых электрической схемой регистрации тока при пироэлектрической генерации в циклах нагрева и охлаждения кристаллов ниобата лития. Устройство для регистрации содержит нагревательный блок; камеру, находящуюся при атмосферном давлении; пироэлектрический кристалл; медный анод; блок измерительного резистора; коаксиальный согласующий резистор; медный винт; коаксиальный разъем типа «гнездо» для линий передачи с волновым сопротивлением 50 Ом; коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом с двумя разъемами типа «штырь». Камера выполнена в виде медного полого цилиндра с размещенными в нем соосно имеющими цилиндрическую форму пироэлектрическим кристаллом и медным анодом, соединенным проводником цилиндрической формы с блоком измерительного резистора, выполненным в виде шайбы из односторонне фольгированного стеклотекстолита с напаянными чип-резисторами, соединенного медным винтом с цилиндрическим контактом имеющего номинал 50 Ом согласующего коаксиального резистора, второй цилиндрический контакт которого соединен с центральным проводником коаксиального разъема типа «гнездо». Нагревательный блок выполнен в виде теплопроводящей медной пластины с резистивным нагревательным элементом и термопарой, соединенными с управляемым регулятором температуры с программируемым температурным режимом нагрева. Режим охлаждения осуществляется естественным образом при отключении нагревательного элемента и контролируется термопарой. 3 ил.

Устройство для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждения кристалла ниобата лития при атмосферном давлении, содержащее нагревательный блок; камеру, находящуюся при атмосферном давлении; пироэлектрический кристалл ниобата лития и цифровой осциллограф, отличающаяся тем, что камера выполнена в виде медного полого цилиндра с размещенными в нем соосно имеющими цилиндрическую форму пироэлектрическим кристаллом ниобата лития и медным анодом, соединенным проводником цилиндрической формы с блоком измерительного резистора, выполненным в виде шайбы из односторонне фольгированного стеклотекстолита с напаянными чип-резисторами, соединенного медным винтом с цилиндрическим контактом имеющего номинал 50 Ом согласующего коаксиального резистора, второй цилиндрический контакт которого соединен с центральным проводником коаксиального разъема типа «гнездо»; нагревательный блок выполнен в виде теплопроводящей медной пластины с резистивным нагревательным элементом и термопарой, соединенными с управляемым регулятором температуры с программируемым температурным режимом нагрева, тогда как режим охлаждения осуществляется естественным образом при отключении нагревательного элемента и контролируется термопарой.