Устройство для преобразования электронных потоков Советский патент 1979 года по МПК H01J39/12 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в электроизмерительной те нике, а также в фотометриии и дозиметрии. Известны преобразователи электрон ных потоков, используемые в различных электро- и светоизмерительных ус тановках и приборах для преобразования входных потоков в большом динамическбм диапазоне, в частности лога рифматор Балла-Грехема, Этот логариф матор состоит из фотоэлектронного ум ножителя (ФЭУ), система умножения электронов которого подключена к выходам резнетивного делителя напряжен который, в свою очередь, подключен к источнику питания через регулирующий элемент - электронную лампу. Анод фотоумножителя подключен к управляю- тему электроду электронной лампы, Анодный ток ФЭУ управляет внутренним сопротивлением электронной Лс1мпы, вы зывая его увеличение при увеличении анодного тока ФЭУ. При этом происходит перераспределение падения напряжения между последовательно включенными регулирующим элементом и делителем напряжения, питающим ФЭУ. Напряжение на резистивном делителе устанавливается на таком уровне, что за счет уменьшения ког фициента усилёния ФЭУ анодный ток остается приблизительно постоянным. Изменение падения напряжения на резистивном делителе напряжения и является .полезным сигналом, который связан с входным потоком по квазилогарифмическому закону. Для регистрации этого сигна.ла регистратор подключен пара.пл€льно -резистивному делителю напряжения 1. Недостатками логарифматора Ба.гшаГрехема являются сложность, конструкции (наличие активного регулирунзцего элемента-электронной лампы). необходимость иметь высоковольтный источник для питания устройства, большое энергопотребление. Если в целях экономии энергии, необходимой для нагрева катода электронной лампы, заменить ее транзисторной схемой, то это приведет ;к усложнению устройства и к понижению надежности, в то время как мощность, потребляемая резистивным делителем и активным уп-. равляющим элементом при прохождении через них питающего тока, останется достато« но большой, так как питающий де.питель напряжения - ток должен быть .в 10 раз больше, чем анодный ток ФЭУ, Кроме того, мощность , расходуемая в резисторах на первых каскадах умножения, тратится вхолостую, так как ток, отбираемый системой умножеf ия электронов от делителя напряжения йа первых каскадах, пренебрежимо мал по сравнению с током, текущим по дели телю, величина которого почти одинакова для всех звеньев цепи делителя напряжения. Известно устройство для преобразования электронных потоков, содержащеё электровакуумный прибор с анадом и с системой умножения электронов, подключенной к источнику питания через диодно-емкостной умножитель напряжения, а также регистрирующий Элемент, который выполнен в виде сло люминофора. Причем регистрирующий эле мент замыкает цепь между пленочным ёГНодом и нулевой шиной источника питания 2 . Применение диодно-емкостного умно датёля напряжейия для питания усйлителей яркости изображения в описанных выше преобразователях позволило peiuHTb две задачи: снизить (по сравн нию с резистивным делит елем напряжения) энергопотребление, а также осуществить ограничение выходного потока электронов при изменениивходного потока в большом динамическом диапазоне. . , . Такая конструкция преобразователя позволяет регистрировать только элек ронный ток, попадающий на анод (или плотность его распределения). Однако зависимость выходного электронного тбй:а: 0т ; входного вперечисленных выше устройствах близка к обычной пентод ной характеристике с насыщением. Между участком насыщения и линейным участком имеется лишь небольшая область характеристики (примерно 1,5-1 порядок), которая близка по форме к логарифмической зависимости.. Использ вание такой характеристики преобразо вания для измерений входного п.отока в большом динамическом диапазоне не представляется возможным; . Целью изобретения является осуществление преобразования входного сигнала по квазилогарифмическому заиону S расширенном динамическом диапазоне. Поставленная цеЛь достигается тем что в устройстве для преобразования электронных потоков, содержащем электровакуумный прибор с анодом и с системой умножения электронов, подключенной к источнику питания через диодно-емкостной умножитель напряжения, имекщий выходные каскады постоя ного напряжения, а также регистратор Одни иэ выходных касклдовдиодНо-емкостного умножителя напряжения соеди нен совходом регистратора гашьззанически, а анод подключен к нулевой шине источника питания устройства. Для приближения формы характеристики преобразования к логарифмической можно независимо друг от друга величины емкостей диодно-емкостного умножителя напряжения при наличии дискретной системы умножения электронов выбрать из соотношений --Lv.. (б72)й/ (,5,. . ,N) , С,2 С, i Этлтг j- тил cTtTtj ft где С - величина емкости, стоящей в п-ном каскаде диодно-емкостного умножителя напряжения;N - общее число каскадов; 0 - коэффициент, вторичной эмиссии отдельного каскада системы умножения электронов; а при наличии непрерывной системы умножения электронов величины емкостей диодно-емкостного. умножителя напряжения выбрать из соотношений С С Сз (,5,... ,N) . Источник питания диодно-емкостного умножителя напряжения можно выполнить в виде генератора прямоугольных импульсов. На чертеже представлена схема устройства для преобразования электронных потоков. Устройство содержит электровакуумный прибор 1 с. анодом 2 и с системой 3 умножения электронов, присоединенной к источнику питания 4 через диодно-емкостной умножитель 5 напряжения , имеющий выходные каскады по-. стоянного напряжения емкости Qj - С,, а также регистратор 6. Один из выходных каскадов диодно-е ужостного умножителя (в Данном случае каскад, емкость Сэ) соединен со входом регистратора 6 .нёпосредственно, а анод 2 соединен с нулевой шиной источника питания 4. . Предложенное устройство работает следующим образом. Диодно-емкостной умножитель напряжения 5, присоединенный к системе, умно.жения электронов 3, обеспечивает, начиная с некоторого значения ограничение анодного тока электровакуумного прибора 1. Вследствие . глубокой отрицательной обратной связи анодный ток остается практически неизменньм при изменении.входного потока в большом динамическом диапазоне. Но, так ftaK коэффициент усиления многокаскадной системы умножения электронов 3 зависит от напряжения питания по экспоненциально закону, то при неизменном анодном токе напряжения на выходных каскадах диодно-емкостного умножителя напряжения зависят от входного потока по квазилогарифмическому закону, Причем напряжения на выходных KacKaijax диодно-емкостного умножителя напряжения 5 остаются во всем динамическом диапазоне преобразования равными напряжению на первом каскаде, так как пот .,ребление тока на последующих каска;Дах значительно меньше, чем на первом. Диодно-емкостной умножитель нап ряжения 5 может быть выполнен как по однополупериодной схеме (см. черт.) , .так и по двухполупериодной схеме, как со сгла)йива Ь1Дйми R С фильтрами в каждом выходном каскаде, так и без них (см. черт.). Так как напряжения на четных выходных каскадах пульсиру ют относительно нулевой шины источни ка питания с частотой и амплитудой переменного питающего напряжения, то со входом регистратора 6,предпочтительней соединить один из нечетных каскадов, которые присоединены к сис теме умножения электронов 3 через по следовательно, соединенные емкости с левой шиной источника питания 4. Величина пульсации на нечетных каскада в несколько раз меньше, чем на четных Для того, чтобы не нарушать взаимодействие диодно-емкостнбго умножителя 5 и системы умножения электронов 3, величину напряжения на каскаде диодно-емкостного умножителя напряжения 5 необходимо регистрировать с помощью вольтметра б с входным сопро тивлением большим, чем выходное со:противление этого каскада. Для обес|печения подсаживания первого каскада диодно-емкостного умножителя напряже ния (емкость , который обеспечива ет отрицательную обратную связь необ ходимо зa якнyть цепь этого каскада, соединив анод с нулевой шиной источника питания. Анодный ток элеКтровакуумного прибора/ вызывающий подсаживание первого каскада диодноемкостного умножителя напряжения, в отличие от прототипа, для индикации величины входного потока не используется. Очевидно, что чем больше величина выходного сопротивления первого каскада диодно-емкостного умножителя напряжения, тем смёныиих зна чений начнется процесс авторегулйрования анодного тока, ,тем меньше порог логарифмирования.. Значение выход ного сопротивления ограничивается сверху темновыми токами электровакуум ного прибора. Динамический диапазон квазилогарифмической характеристики предлагаемого преобразователя составляет 4 порядка и не увеличивается при уменьшении порога логаркфмирования. Если выходное сопротивление первого каскада диодно-емкостного умножителя напряжения выбрать достаточно малым, то градуировочная характеристика преобразователя сдвинется в сторону больших входных потоков и будет ограничиваться предельнодопустимьгми токами электровакуумного прибора. Для того, .чтобы логарифмирование имело место, нео.бходимо, . по крайней мере, чтобы сопротивление первого каскада диодно-емкостного умножителя напряжения было выбрано из соотношения RBHX. ., где Евых. - выходное сопротивление 1-го каскада диодно-емкостного умножителя напряжения ; ипит, - напряжение питания электровакуумного прибора; предГ предельный ток этого прибо. . ра. Величина Квых. задается частотой переменного напряжения источника питания 4 и величиной емкости Cj. Выбор величин емкостей диодноемкостного умножигтеля напряжения из соотнсхления С,2 Сд, Сц -сёТГТЩТ- (,5,.,:N), где п - порядковый номер ,ёмкости ; N их общее Число; - коэффициент вторичной эмиссии диодов; обеспечивает наибольшуюглубину от.рицательной обратной связи, а знйчит и наибольшее приближение характеристики преобразования к логарифмической. Однако выбор величинемкостейCj,.CN ограничен сверху увеличением времени установления выходных напряжений на . каскадах диодно-емкостного умножителя напряжения. Это время можно уменьшить, если шунтировать емкости C-j.. .С, сопротивлениями. Причем, в статическом состоянии разрядные токи через эти сопротивления не должны подсаживать: выходные каскады диодно-емкостного умножителя напряжения. Для систем умножения электронов 3, имеющих распределенные диоды (например, канальные электронные умножители) , величины емкостей С ... С следует выб -1рать равными. Предлагаемый преобразователь можно выполнить как на базе фотоэлектронного умножителя (для преобразования .. свето.вых потоков) , так и на базе электронного умножителя (для электронных потоков) . Система умножения электронов 3 может быть выполнена в виде отдельных диодов, а также в виде канального умножителя электронов, В последнем случае необходимы дополнительные затраты энергии на создание распределения потенциала в непрерывном делителе напряжения канала умножения. Для обеспечения стабильности характеристики преобразования источник питания 4 необходимо выполнить в вие генератора переменного напряжения постоянной амплитуды и частоты. Наибольшее приближение формы характеристики преобразования к логарифмической обеспечивается прямоугольной формой

переменного напряжения, например, с помощью мультивибратора в качестве Источника питания 4.

Для проверки работоспособности устройства на базе электровакуумного прибора ФЭУ-83 выполнен преобразователь с динамическим диапазоном логарифмической характеристики Преобразования 10. Величины емкостей диодно-емкост.ного умножителя напряжения 5 C С 1 пф, С 22 пф (. . .27) . В качестве источника питания 4 используют равноплечий мультивибратор с частотой 1,2 .кГц, который соединяется с диодно-емкостным умножителем напряжения через трансформатор. Трансформатор обеспечивает повышение напряжения до 150 В. Выход первого каскада (емкость GI) диодно-емкостного умножителя напряжения присоединяется к вольтметру с входным сопротивлением 100 мОм. Потребление преобразователя от источника питания 4 во всем динамическом диапазоне не превышает 200 мВт.

В отличие от прототипа, в котором используется отрицательная обратная связь по анодному току, в предлагаемом преобразователе используется также и экспоненциальная зав-исимость коэффициента усиления системы умножения электронов от напряжения питания. Это позволяет существенно расширить динамический диапазон преобразования по квазилогарифмическому закону: с 1-1,5 до 4-5 порядков() при сохранении, малого энергопотребления.

Применение предлагаемого устройства особенно целесообразно в дозиметрах, интенсиметрах и других устройствах, для измерения потоков частиц в большом динамическом диапазоне, питаемых от автономных источников тока По сравнению с известными логарифматорами, в которых, питание системы умножения электронов осуществляется от резистивного делителя напряжения, потребление в предлагаемом устройстве уменьшается примерно в 100 раз, -в .10 раз за счет того, что в 14каскадной системе умножения электронов потребление энергии происходит только в последнем каскаде, а на предыдущих каскадах умножения электронов потребляемые токи уменьшаются по геометрической прогрессии в С раз где (Т 2 - 3 - коэффициент вторичной эмиссии в системе умножения элек ронов;- в 10 раз за счет того, что в резистивном делителе напряжения ток, протекс1ющий по делителю, должен во избежание подсаживания в 10 раз превьаиать анодный ток. В предлагаемом устройстве отбираемый от первого

каскада диодно-емкостного умножителя напряжения ток совпадает с анодным ГОКОМ электровакуумного прибора. Кроме того, подсаживание этого кас.када является рабочим эффектом. Выбор более низкого порога логарифмирования обеспечивает для устройства бо.лее низкое энергопотребление.

Формула изобретения

1.Устройство для преобразования .электронных потоков, содержащее электровакуумный прибор с анодом и с системой умножения электронов, подключенной к источнику питания через диодно-емкостной умножитель напряжения, и регистратор, отличающеес я тем, что, с целью осуществления преобразования входного сигнала по квазилогарифмическому закону в расширенном динамическом диапазоне, один из выходных каскадов диодно-емкостного умнозкителя напряжения соединен со входом регистратора гальванически, а . анод подключен к нулевой шине источника питания устройства.

2.Устройство по П.1,, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью улучшения формы характеристики преобразования при дискретной системе умножения электронов, величины ёмкостей диодно-емкостного умножителя напряжения выбраны из соотношений

С,2 Су Cfi (0.,. ( , 5 ,. . .. ,N) , где величина емкости, стоящей в п-ном каскаде диодно-емкостного умножителя напряжения; N - общее число каскадов; & - коэффициент вторичной .эмиссии отдельного каскада системы умножения электронов.

3.Устройство по П.1, о т ли ч аю щ е е с я тем, что, с целью улучшения формы характеристики преобразования при непрерывной системе умножения электронов, величины емкостей диодноемкостного умножителя напряжения выбраны из соотношений

Сз, С т, Сз (,5, .. . ,N) .

4.Устройство по П.1, отли чающееся тем, что, с целью улучшения формы характеристики преобразования, источник питания диодноемкостного умножителя напряжения выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертиз,е

1.Гартман В., Бернгард- Ф. Фотоэлектронные умножители. М., Госэнергоп ИЗДс1Т, 1961, С. 189.

2.Патент США 1 3, 694659,

кл. 250-212, опублик. 1972 (прототип).