Способ измерения токов и напряжений электрометрической лампой Советский патент 1989 года по МПК H01J21/10 

1.

(21)4183933/24-21

(22)20.01.87

(46) 23.09.89. Бюл. № 35

(71)Уральский политехнический институт им. С.М. Киррва

(72)А.С. Портнягин, В.С.Кортов, И.И. Мильман и А.И. Слесарев

(53)621.385(088.8)

(56)Шюкович A.M. Техника электро- метрии.-М.: Энергия, 1976, с. 121.

Бонч-Бруевич A.M. Радиоэлектроника В экспериментальной физике.-М.: Наука, 1966, с. 630.

(54)СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ ЛАМПОЙ

(57)Изобретение относится к технике электрометрии, в частности к электрометрическим лампам (ЭМЛ), и может быть использовано для повьшения точности измерений с помощью ЭМЛ. Целью

изобретения является повышение точности измерений путем уменьшения сеточного тока. Макет ЭМЛ, реализующей предложенный способ, состоит из цилиндрического фторопластового корпуса 1, помещенного:;в вакуумную камеру исследовательской установки, вольфрамового термокатода 2, закрепленного внутри корпуса 1 на керамическом изоляторе 3, никелевой сетки 4, которая полукольцом охватьшает окно в корпусе лампы и крепится на янтарном изоляторе 5, никелевого анода 6 и вторично- электронного умножителя 7. Предложенный способ позволяет снизить сеточньм ток ЭМЛ до оптимальной величины, без снижения усилительных свойств лампы и дает возможность существенно повысить точность измерения токов и потенциалов в высокоомных цепях при помощи ЭШ1. 3 ил.

Изобретение относится к технике электрометрии , в частности, к электрометрическим лампам (ЭМЛ), и может быть использовано для повышения точности измерений с помощью ЭМЛ. Целью изобретения является повышение точности измерений путем уменьшения сеточного тока. Макет ЭМЛ, реализующей предложенный способ, состоит из цилиндрического фторопластового корпуса 1, помещенного в вакуумную камеру исследовательской установки, вольфрамового термокатода 2, закрепленного внутри корпуса 1 на керамическом изоляторе 3, никелевой сетки 4, которая полукольцом охватывает окно в корпусе лампы и крепится на янтарном изоляторе 5, никелевого анода 6 и вторично-электронного умножителя 7. Предложенный способ позволяет снизить сеточный ток ЭМЛ до оптимальной величины без снижения усилительных свойств лампы и дает возможность существенно повысить точность измерения токов и потенциалов в высокоомных цепях при помощи ЭМЛ. 3 ил.

Фие.1

Изобретение относится к технике электрометрии, в частности к электрометрическим лампам (ЭМЛ), и может быть использовано для повышения точ- ности нзмерею1й с помощью ЭМЛ.

Цель изобретения - повыше1ше точности измерений за счет уменьшения сеточного тока.

Па фиг. 1 представлена конструк- .дая макета ЭМЛ; на фиг, 2 - схема включения ЭМЛ; на фиг, 3 - зависимость потенциала U,. измеренного электрометрической лаьшой, от выходного сопротивления источника сигнала

Макет ЭМЛ состоит из цилиндрического фторопластового корпуса 1, помещенного в вакуумную камеру исследовательской установки, вольфрамового термокатода 2, закрепленного внутри :корпуса 1 на керам ческом изоляторе 3, шгкелевой сетки 4 (диаметр проволоки 20 мкм, шаг ячейки 0,5 мм), полукольцом охватывающей окно в корпус лампы и кренящейся на янтарном изоля торе 5j никелевого анода 6 и вторично-электронного умножителя 7 типа ВЭУ-7.

Сеточньй ток электронной лампы С1сладывается из нескольких составляющих

электронньш ток сети, вызван оседанием на сетку части электронов, летящих от като™ 35 да к аноду;

ток утечки по изоляторам;

ток термоэлектронной эмиссии с сетки, вызван передачей тепла от катода к сетке; 40

ток фотоэмиссии с сетки,- вызван воздействием света

, -I Л1 +1 Ап+1 .

Фэс - - 1 ( де ,, компонента, вызванная световым Излучением катода; 45 1,,- компонента, вызванная виешн-им источником света; I - коьшонента, вызванная свечением возбужденных молекул остаточного газа; 50 1ф - компонента, вызванная сверх-Ф1)

мягким рентгеновским излучением с анода;

IWOK ионный ток, вызван ионами, оседающми на сетку.

- т -4- Т -4- Т

Ui

-ч он

где компонента, связанная с йог низацией молекул остаточного

газа электронами, летящими от катода к аноду; Ii,j- компонента, вызванная ионами, эмиттированными с катода, и термоионами, возникающими при попадании молекул остаточного газа на катод; I - компонента, вызванная ионами, образованными при ионизации остаточного газа космическим или радиоактивным излучением окружающей среды; остаточный ток. Основной вклад в сеточный ток у современных ЭМЛ дают компоненты I j ,, „, , I. Величина I , эл+1 Ф t4 + + 1,, линейно зависит от тока катода. Величина 1 },,+ 1ф зависит от температуры катода. Если снижением температуры катода уменьшать катодный ток, то сумма 1 + 1 будет стремиться к нулю, а полг ьй сеточный ток - к ве1Н1Чине I 1,+1 , которая от катодного тока не зависит.

Суммарное значение компонент сеточного тока, зависящих от тока катода, т.е. сумму 1 + 1 можно опреде- Аить по разности полного сеточного тока 1с и сеточного тока I со при 1 О и при эксплуатационном значении напряжения на сетке U

1,+ L - i( Icos

так как 1с 1со 1з«

Значения I , и 1|..„можно определить с некоторой средней квадратической погрешностью Л1 с и Д1 с соответственно, обусловленной шумовым током сетки и.погрешностью измерительной аппаратуры. Погрешность разности этих значений

4(1с-1со) -MfVTTI.

5

0

5

Необходимо уменьшать ток катода и сетки с номинальной величины I,. , IC.HOM Д° пор, пока сумма компонент сеточного тока, зависящих от тока катода, не станет равна погрешности ее измерения, т.е. до оптимальных величин Г „„, I с, опт

k.onr

/ -с. опт -Со с. I

+ 4г;

-Со - С- опт -LCO 5 где 4 1с.опт- погрешность определения

сеточного тока;

Дальнейшее уменьшение тока катода не приводит к снижению йеточного тока, так как последний полностью определяется компонентами, независимыми от катодного тока

т у

с.опг -

Условие, определяющее сеточный ток, равный оптимальному

,- I,

1с. опт .

С.ОПТ со

является необходимым и достаточным для определения оптимального тока катода I

к. оп т

Здесь I с.опт значение

сеточного тока при I пп с.опт погрешность его определения. Так как внутри рабочего, диапазона Uc -максимальный катодный ток, а следовательно, и максимальное значение I , наблюдается при Uc UC.MOIKC, то выбор 1 рпт должен производиться при Uc

с.1(лаг(

Из всех компонент сеточного тока лишь электронная имеет сильную зависимость от потенциала управляющей сетки

кт

Т Т о . - эл

поэтому снижение тока катода по позволяет расширить рабочий диапазон сеточного потенциала в область положительных значений без существенного увеличения сеточного тока.

Однако снижение тока катода приводит к потере усилительных свойств ЭМЛ. Чтобы предотвратить это явление поток электронов, прошедпшх сквозь управляющую сетку, перед анодом усиливают при помощи дополнительно введенного электронного умножителя. Коэффициент усиления К у умножителя выбирают так, чтобы при снижении ка- тодного тока анодньй ток оставался неизменным

„ IK.ном

т

. 1к.олт

Таким образом, способ позволяет понизить сеточный ток ЭМЛ до величины 1с,опт чт Фг и

снижения усилительных свойств лампы и позволяет существенно повысить точность змерения токов и потенциалов в высо- коомных цепях при помощи ЭМЛ.

Пример реализации .способа иллюстрирован на макете лампы, конструкция которой приведена на фиг. 1.

В исходном режиме, лампа работает без электронного умножителя. При токе катода , анодном напряжении 10 В .и потенциале сетки Ц. „ + 5 В сеточный ток составляет 7,3 . Он измеряется по скорости заряда эталонного конденсатора, подклю0

5

5

ч енного к сетке . Ми1шмальный сеточный ток наблюдается при U В и составляет .

Для измерения напряжений в высоко- омных цепях предварительно изучена анодно-сеточная характеристика лампы - зависимость анодного тока « от потенциала сетки U . Дальнейшее измерение потенциала на сетке лампы осуществляют по величине анодного тока. Схема включения ЭМЛ при измерении напряжения в высокоомных цепях приведена на фиг. 2. Измеряемое напряжение подается от источника питания постоянного тока и контролируется цифровым вольтметром 8. Высокое вьк ходное сопротивление источника питания моделируется резистором ,вели0 чина которого варьируется от 10 до 10 Ом. Анодньш ток лампы измеряют при помощи шунта R и вольтметра 9. На фиг. 3 показаны зависимости показаний ЭМЛ (приведенные через анодно- сеточную характеристику лампы к вели- чине и) от номинального сопротивления резистора R pfдля дв5 значений U;,,.,:+5B (кривая 10) и 2В (кривая 11). При R. j, большем 10 Ом, в первом случае, и 10 Ом во втором показания ЭМЛ существенным образом отличаются от измеряемого напряжения Unn Различие между значениями и U, т.е. погрешность измерения, возникает за счет проте-кания сеточного тока через выходное сопротивление источника питания Riof при больших номиналах последнего.

Способ осуществляют следующим образом.

Температуру катода уменьшают путем снижения напряжения накала катода UHOIK. Усиление потока электронов, прошедших сквозь управляющую сетку,

обеспечивается дополнительно уста- .новленным меяоду сеткой и анодом электронным умножителем. Серия измерений сеточного тока при различных токах катода позволяет определить вид зависимости величины сеточного тока от тока катода. Путем экстраполяции по-г лученной зависимости определяют область катодного тока, где может выполняться условие

0

5

0

0

Т- т

- с,опт со

.,п, +.dl

Со

Оптимальный ток катода определен по результатам нескольких измерений внутри этой обл асти и составляет

-ц.опг

1,6 . Коэффициент усиления электронного потока выбирается по соотношению

1к. ном

I,

Vt

-к, ол г

и равен К ус 6,25-10. Сеточный ток при I к.опг и Uc. составляет ID, опт 9-10 + 1,5 , а сеточны ток при Uc. и равен 1со 7-10- + 1,5-10 А,

Сеточный ток Ic.nr измеряют по следующей методике.

На сетку подают потенциал U. . +5В, затем цепь сетки разрывают и по скорости разряда собственной емкости сетки определяют ток

с-и

-L с Г7

де С - емкость сетки;

и - небольшое, порядка 5%, изменение сеточного потенциала вбилизи значения U „„кс определяемое по изменению тока 25 анода и анодно-сеточной характеристике;

t - интервал времени, необходимый для изменения сеточного потенциала на и .30

Погрешность определения I,

составляет

-к, ном

лт -1( с ча 1с,( с) + (-7 4и ) +(,-) S

где Л С, ли , ut средние квадрати- ческие погрешности определения вели- чин С, и и t соответственно.

Методика измерения 1, несколько отличается. На сетку подают потенциал

к.спг,Ь

35

величин

плуатационном значени на сетке и,;., подач напряжения на сетку, личины измеряемых нап ков по величине анодн личающийся лью повышения точност

и,

t.MMKC,

цепь -сетки разрывают и на вре- 40 шения сеточного тока.

катода I

выбирают

катода I

к.опт

45

с. опт

г I,

со

{&

я t выключают накал катода. По исечении этого времени включают накал атода и измеряют уход напряжения на етке и от первоначального значения UC,, .

Контрольные измереш1я сеточного тока при р.азличных напряжениях на упавляющей сетке показывают, что сеточный ток не превышает во всем рабочем диапазоне Uc.

Измерение напряжения в высокоом- ной цепи после реализащ1и предлагаемого способа проводят при тех же условиях, что и измерения в исходном режиме. На фиг. 3 кривая 12 изображает 55 коэффициент К ус экспериментальную зависимость показаний ЭМЛ от выходного сопротивления источника питания при Uy В. Кривыби

точный ток Ij-p чины, определяем

где Ij,g - сеточн

Ic.onr, Л..

50

средни решнос ветств 1со

а у введенного м кой и анодом эле ного потока выби

.0«

I к.опт

К,с

вая 13 показывает такую же зависимость при -2 В. Обнаруживается совпадение показаний ЭМЛ, приведенных к

и

с

и значений

во всем диапазо- (,j, т.е. погрешность

и«п

не варьирования R измерения, обусловленная сеточным током, не наблюдается. Ожидается, что эта погрешность будет возрастать лишь при 10 Ом, однако отсутствие калиброванных резисторов с номиналами выше этого.

10 Ом не позволяет выявить

5

0

5

0

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность измерения напряжений в высоко- омных цепях при помощи электрометрической лампы за счет уменьшения ее сеточного тока. Аналогично улучшается точность измерения тока, заряда и сопротивления в В..гсокоомных цепях.

Формула изобретения

Способ измерения токов и напряже- 1ШЙ электрометрической лампой, вклю- снижение температуры катода для уменьшения токов катода и сетки с номинальных величин соответственно

-к, ном

IC MOM Д° оптимальных

к.спг,Ь с.опт При ЭКС5

величин

плуатационном значении напряжения на сетке и,;., подачу измеряемого напряжения на сетку, определение величины измеряемых напряжений или токов по величине анодного тока, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьзначение тока

шения сеточного тока.

катода I

к.опт

выбирают так, чтобы сеточный ток Ij-p уменьшился до величины, определяемой из соотношения

с. опт

г I,

со

{&

с. опт

со J

5 коэффициент К ус

где Ij,g - сеточный ток при I О,

Ic.onr, Л..

0

средние квадратические погрешности определения соотт ветственно величин I опт и 1со

а у введенного между управляющей сеткой и анодом электронного умножителя усиления электронного потока выбирают из соотношения

.0«

I к.опт

К,с

фиг. 2

W W JIdo6(OH)

о-о/1

Фи8.3