CN104702230A - 一种真空弱离子束流收集放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空弱离子束流收集放大装置，包括设置电磁屏蔽盒的上部的高真空室，高真空室内设有法拉第屏蔽筒，电磁屏蔽盒内设有pA信号偏压放大电路，法拉第屏蔽筒和pA信号偏压放大电路通过双屏蔽接头连接，高真空室与电磁屏蔽盒的连接部设有绝缘装置。本发明的优点在于，采用电路直接放大，克服了电子倍增器技术指标不达标，使用寿命短，不适于长时间工作的问题，法拉第屏蔽筒至于高真空室内，法拉第屏蔽筒通过双屏蔽接头与pA信号偏压放大电路连接，其结构简单，使收集放大装置在取下放大电路时能够进行烘烤。同时，绝缘装置保证了信号在传输过程中不会有损失，降低了噪声干扰，弱离子束流的收集和传输都有屏蔽层保护。

Description

一种真空弱离子束流收集放大装置

技术领域

本发明涉及弱离子束收集放大装置，尤其涉及一种真空弱离子束收集放大装置，特别是用于pA量级铯离子束流的电路放大装置。

背景技术

目前，小型磁选态铯原子钟内部大多采用电子倍增器对pA量级铯离子进行放大，虽然电子倍增器具有体积小、重量轻、耐高温烘烤和真空放气少的特点，但是在实际使用过程中，国内铯原子钟用到的电子倍增器的增益和寿命等技术指标都不能满足实际需要，电子倍增器性能不稳定，使用寿命短，在使用过程中倍增系数衰减很大，电子倍增器不能满足长期使用的工作要求；为此提出了利用电子倍增器与放大电路配合的方案，但实际使用过程中还是不理想，由于电子倍增器寿命短，不适合长时间使用，导致整个放大装置的寿命缩短，并且电子倍增器产生的微电流信号通过屏蔽柔性电缆引入放大器电路并放大为电压信号，在信号的传输过程中微电流信号会有所损失；直接利用放大电路对弱离子束流进行放大的装置，采用二级运算放大器放大，多级放大会引入噪声，放大方案较复杂，且二级放大电路中未考虑真空中的铯离子束流的收集、传输等环节。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空弱离子束流收集放大装置，以解决现有技术中电子倍增器使用寿命短，不适于长时间工作，不能烘烤，结构复杂，屏蔽效果差，加工不方便，铯离子束流的收集、传输不便捷的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种真空弱离子束流收集放大装置，包括高真空室5和电磁屏蔽盒4，高真空室5设在电磁屏蔽盒4的上部，高真空室5内设有法拉第屏蔽筒1，电磁屏蔽盒4内设有pA信号偏压放大电路3，法拉第屏蔽筒1和pA信号偏压放大电路3通过双屏蔽接头2连接，高真空室5与电磁屏蔽盒4的连接部设有绝缘装置。

优选的，法拉第屏蔽筒1包括收集筒6和保护筒9，收集筒6设在保护筒9内，收集筒6和保护筒9与双屏蔽接头2固定连接。

优选的，双屏蔽接头2包括收集杆11、接头电极12、收集杆屏蔽层10和接头电极屏蔽层13，收集杆11与接头电极12螺纹连接，收集杆屏蔽层10分别与保护筒9和接头电极屏蔽层13连接，收集杆11与收集筒6连接，收集杆11的端部设有支撑陶瓷管8，接头电极12与pA信号偏压放大电路3连接。

优选的，绝缘装置包括内绝缘陶瓷管14、外绝缘陶瓷管15和外屏蔽层16，内绝缘陶瓷管14套接在接头电极12上，外绝缘陶瓷管15套接在接头电极屏蔽层13上，外屏蔽层16套接在外绝缘陶瓷管15上并与电磁屏蔽盒4连接。

优选的，pA信号偏压放大电路3包括外屏蔽输入端18、内屏蔽输入端19、信号输入端20、运算放大器21、参考电源输入端24和放大输出端23，外屏蔽输入端18、内屏蔽输入端19、信号输入端20与运算放大器21的负极连接，参考电源输入端24与运算放大器21的正极连接，运算放大器21与放大输出端23连接，信号输入端20和放大输出端23之间设有反馈电阻22，参考电源输入端24和运算放大器21之间设有分压电阻25和稳压二极管26。

优选的，外屏蔽层16与外屏蔽输入端18连接，接头电极屏蔽层13与内屏蔽输入端19连接，接头电极12与信号输入端20连接，参考电源输入端24与外部电源连接。

优选的，收集杆11和接头电极12的端部设有接头封接盖17。

本发明的优点在于：本发明采用电路直接放大，避免了使用电子倍增器，克服了电子倍增器技术指标不达标，使用寿命短，不适于长时间工作的问题，法拉第屏蔽筒至于高真空室内，pA信号偏压放大电路至于电磁屏蔽盒内，中间通过双屏蔽接头进行过度，其结构简单，使弱离子束流收集放大装置在取下pA信号偏压放大电路时能够进行烘烤。同时，绝缘装置保证了信号在传输过程中不会有损失，降低了噪声对信号的干扰，弱离子束流的收集和传输都有屏蔽层保护，屏蔽效果好，加工便捷，生产成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明法拉第屏蔽筒和双屏蔽接头的局部放大图。

图3为本发明pA信号偏压放大电路的电路图。

附图标记含义如下：法拉第屏蔽筒（1），双屏蔽接头（2），pA信号偏压放大电路（3），电磁屏蔽盒（4），高真空室（5），收集筒（6），支撑陶瓷管（8），保护筒（9），收集杆屏蔽层（10），收集杆（11），接头电极屏蔽层（12），接头电极屏蔽层（13），内绝缘陶瓷管（14），外绝缘陶瓷管（15），外屏蔽层（16），接头封接盖（17），外屏蔽输入端（18），内屏蔽输入端（19），信号输入端（20），运算放大器（21），反馈电阻（22），放大输出端（23），参考电源输入端（24），分压电阻（25），稳压二极管（26）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的一种真空弱离子束流收集放大装置，包括高真空室5和电磁屏蔽盒4，高真空室5设在电磁屏蔽盒4的上部，高真空室5内设有法拉第屏蔽筒1，电磁屏蔽盒4内设有pA信号偏压放大电路3，法拉第屏蔽筒1和pA信号偏压放大电路3通过双屏蔽接头2连接，法拉第屏蔽筒1和双屏蔽接头实现了对高真空室1中的弱离子束流进行收集和弱电流信号的传输、屏蔽，高真空室5与电磁屏蔽盒4的连接部设有绝缘装置，绝缘装置均采用金属和陶瓷材料钎焊封接制成，耐高温，可以完成高温烘烤工作，整个收集放大装置结构简单，加工方便，降低了生产成本。

如图2所示的一种真空弱离子束流收集放大装置，法拉第屏蔽筒1包括收集筒6和保护筒9，收集筒6设在保护筒9内，收集筒6和保护筒9与双屏蔽接头2固定连接，收集筒6的入口处对准离子束流源。

如图2所示的一种真空弱离子束流收集放大装置，双屏蔽接头2包括收集杆11、接头电极12、收集杆屏蔽层10和接头电极屏蔽层13，收集杆11与接头电极12螺纹连接，收集杆屏蔽层10分别与保护筒9和接头电极屏蔽层12连接，收集杆11与收集筒6连接，其连接形式均为刚性连接，避免了柔性线缆连接造成的信号损失，收集杆11的端部设有支撑陶瓷管8，接头电极12与pA信号偏压放大电路3连接。

如图1、图2所示的一种真空弱离子束流收集放大装置，绝缘装置包括内绝缘陶瓷管14、外绝缘陶瓷管15和外屏蔽层16，内绝缘陶瓷管14套接在接头电极12上，外绝缘陶瓷管15套接在接头电极屏蔽层13上，外屏蔽层16套接在外绝缘陶瓷管15上并与电磁屏蔽盒4连接，内绝缘陶瓷管14、外绝缘陶瓷管15和外屏蔽层16相互配合，对电流信号的流通形成保护和电磁屏蔽，不仅降低了噪声，而且有效的保护了信号的完整性，屏蔽效果明显。

如图3所示的一种真空弱离子束流收集放大装置，pA信号偏压放大电路3包括外屏蔽输入端18、内屏蔽输入端19、信号输入端20、运算放大器21、参考电源输入端24和放大输出端23，外屏蔽输入端18、内屏蔽输入端19、信号输入端20与运算放大器21的负极连接，参考电源输入端24与运算放大器21的正极连接，运算放大器21与放大输出端23连接，信号输入端20和放大输出端23之间设有反馈电阻22，参考电源输入端24和运算放大器21之间设有分压电阻25和稳压二极管26，外屏蔽层16与外屏蔽输入端18连接，接头电极屏蔽层13与内屏蔽输入端19连接，接头电极12与信号输入端20连接，参考电源输入端24与外部电源连接，。

为了使支撑陶瓷8和内绝缘陶瓷管14能够更牢固的固定在收集杆11和接头电极12上，收集杆11和接头电极12的端部设有接头封接盖17。

本发明的工作过程如下：法拉第屏蔽筒1的收集筒6对准高真空室5内的弱离子束流，对弱离子束流进行收集并形成弱正电流信号，再经过双屏蔽接头2的收集杆11和接头电极12传输至pA信号偏压放大电路3的信号输入端20，弱正电流信号流入运算放大器21的负极，经过运算放大器21和反馈电阻22组成的I-V转换电路放大为电压信号，最后输出至放大输出端23用于后续测量。

pA信号偏压放大电路3的核心是运算放大器21的I-V转换电路，经过100GΩ的电阻将1pA电流信号转换为100mV电压信号，并且在运算放大器21的同相和反相输入端上产生正偏压， pA信号偏压放大电路3设置在电磁屏蔽盒4内，外屏蔽层16与电磁屏蔽盒4连接，对pA信号偏压放大电路3起到屏蔽保护作用，具有良好的屏蔽效果。

在弱离子束流的收集过程中，收集筒6上施加正偏压，消除了高真空室5内空间电荷的影响，保护筒9与收集杆屏蔽层10和接头电极屏蔽层12连接，将收集筒6、收集杆11和接头电极12包裹在其中并形成屏蔽层，而且屏蔽层上施加了保护电压和陶瓷绝缘，避免了双屏蔽接头2发生漏电现象。

以上所述的仅是本发明的较佳实例，本发明的技术方案并不受此限制，应当指出对于本领域普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其他等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种真空弱离子束流收集放大装置，包括高真空室（5）和电磁屏蔽盒（4），其特征在于：所述高真空室（5）设在电磁屏蔽盒（4）的上部，所述高真空室（5）内设有法拉第屏蔽筒（1），所述电磁屏蔽盒（4）内设有pA信号偏压放大电路（3），所述法拉第屏蔽筒（1）和pA信号偏压放大电路（3）通过双屏蔽接头（2）连接，所述高真空室（5）与电磁屏蔽盒（4）的连接部设有绝缘装置。

2.如权利要求1所述的一种真空弱离子束流收集放大装置，其特征在于：所述法拉第屏蔽筒（1）包括收集筒（6）和保护筒（9），所述收集筒（6）设在保护筒（9）内，所述收集筒（6）和保护筒（9）与双屏蔽接头（2）固定连接。

3.如权利要求2所述的一种真空弱离子束收流集放大装置，其特征在于：所述双屏蔽接头（2）包括收集杆（11）、接头电极（12）、收集杆屏蔽层（10）和接头电极屏蔽层（13），所述收集杆（11）与接头电极（12）螺纹连接，所述收集杆屏蔽层（10）分别与保护筒（9）和接头电极屏蔽层（13）连接，所述收集杆（11）与收集筒（6）连接，所述收集杆（11）的端部设有支撑陶瓷管（8），所述接头电极（12）与pA信号偏压放大电路（3）连接。

4.如权利要求3所述的一种真空弱离子束流收集放大装置，其特征在于：所述绝缘装置包括内绝缘陶瓷管（14）、外绝缘陶瓷管（15）和外屏蔽层（16），所述内绝缘陶瓷管（14）套接在接头电极（12）上，所述外绝缘陶瓷管（15）套接在接头电极屏蔽层（13）上，所述外屏蔽层（16）套接在外绝缘陶瓷管（15）上并与电磁屏蔽盒（4）连接。

5.如权利要求4所述的一种真空弱离子束流收集放大装置，其特征在于：所述pA信号偏压放大电路（3）包括外屏蔽输入端（18）、内屏蔽输入端（19）、信号输入端（20）、运算放大器（21）、参考电源输入端（24）和放大输出端（23），所述外屏蔽输入端（18）、内屏蔽输入端（19）、信号输入端（20）与运算放大器（21）的负极连接，所述参考电源输入端（24）与运算放大器（21）的正极连接，所述运算放大器（21）与放大输出端（23）连接，所述信号输入端（20）和放大输出端（23）之间设有反馈电阻（22），所述参考电源输入端（24）和运算放大器（21）之间设有分压电阻（25）和稳压二极管（26）。

6.如权利要求5所述的一种真空弱离子束流收集放大装置，其特征在于：所述外屏蔽层（16）与外屏蔽输入端（18）连接，所述接头电极屏蔽层（13）与内屏蔽输入端（19）连接，所述接头电极（12）与信号输入端（20）连接，所述参考电源输入端（24）与外部电源连接。

7.如权利要求1至6任一权利要求所述的一种真空弱离子束流收集放大装置，其特征在于：所述收集杆（11）和接头电极（12）的端部设有接头封接盖（17）。