PL228237B1 - Układ automatycznej regulacji napiec katody i anody zródła elektronów i stabilizacji napiecia przyspieszajacego elektrony i natezenia pradu termoemisji elektronowej - Google Patents

Abstract

Celem zgłoszenia jest uzyskanie wysokiej jakości parametrów wiązki termoelektronowej poprzez zastosowanie automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów, w celu stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej. Układ zawiera wzmacniacze operacyjne (WO1 - WO5), wzmacniacz pomiarowy (WP1) tranzystor (T1) katodę (K) i anodę (A) źródła elektronów, źródło (UWZ1) napięcia wzorcowego pierwszego, źródło (UWZ2) napięcia wzorcowego drugiego oraz rezystory (R1 - R10), w którym wyjście wzmacniacza (WO4) operacyjnego czwartego jest połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza (WP1) pomiarowego pierwszego, zaś wartość ilorazu rezystancji rezystora (R8) ósmego i rezystancji rezystora (R7) siódmego jest równa jeden plus wartość ilorazu rezystancji rezystora (R10) dziesiątego i rezystancji rezystora (R9) dziewiątego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów i stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej.

Termoemisyjne źródła elektronów charakteryzują się relatywnie niską ceną i prostą budową. Parametry uzyskiwanych wiązek termoelektronowych, między innymi, odchylenia standardowe natężenia prądu termoemisji elektronowej i napięcia przyśpieszającego elektrony zależą od sposobu sterowania źródłem. W dotychczasowych układach stabilizatorów, wykorzystujących detekcję prądu termoemisji elektronowej w obwodzie anody, natężenie wiązki termoelektronowej jest stabilizowane poprzez automatyczną regulację napięcia katody, natomiast napięcie przyspieszające elektrony jest sterowane w układzie otwartym, który nie zapewnia odpowiedniej redukcji zakłóceń. W konsekwencji, napięcie przyspieszające elektrony i energię elektronów charakteryzuje relatywnie duży poziom fluktuacji, co ma negatywny wpływ na dokładność przyrządów pomiarowych implementujących powyższe rozwiązanie np. spektrometrów mas, układów pomiarowych do wyznaczania przekrojów czynnych na jonizację gazów wiązką elektronową, W celu zmniejszenia poziomu fluktuacji energii elektronów należy zapewnić automatyczną regulację napięć katody i anody i stabilizację napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 217991 układ stabilizacji natężenia prądu termoemisji elektronowej i napięcia przyśpieszającego elektrony w źródłach elektronów z gorącą katodą posiadający tranzystor, którego emiter jest połączony z pierwszym zaciskiem rezystora drugiego i wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego, przy czym baza tranzystora jest połączona z wyjściem wzmacniacza operacyjnego pierwszego, natomiast kolektor tranzystora jest połączony z pierwszym zaciskiem rezystora trzeciego i wejściem odwracającym wzmacniacza różnicowego, drugi zacisk rezystora trzeciego jest połączony do masy, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego pierwszego jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora pierwszego i anodą źródła elektronów, natomiast drugie zaciski rezystorów są połączone z wyjściem wzmacniacza napięciowego, wyjście wzmacniacza różnicowego jest połączone do katody, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego drugiego oraz drugie zaciski źródeł napięć referencyjnych pierwszego i drugiego są połączone do masy, natomiast pierwszy zacisk źródła napięcia referencyjnego drugiego jest połączony z pierwszym zaciskiem rezystora piątego a drugi zacisk rezystora piątego jest połączony z wejściem nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego drugiego, natomiast wyjście wzmacniacza operacyjnego drugiego jest połączone do wejścia wzmacniacza napięciowego i pierwszego zacisku rezystora siódmego, drugi zacisk rezystora siódmego jest połączony do wejścia odwracającego wzmacn iacza operacyjnego drugiego, charakteryzujący się tym, że katoda źródła elektronów jest połączona z pierwszym zaciskiem rezystora szóstego i pierwszy zacisk źródła referencyjnego pierwszego jest połączony z pierwszym zaciskiem rezystora czwartego a drugie zaciski rezystorów czwartego i szóstego są połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego drugiego. Napięcie przyśpieszające elektrony jest sterowane w układzie otwartym, co implikuje relatywnie dużą wrażliwość napięcia przyśpieszającego elektrony względem sygnałów zakłócających.

Znane są z opisów patentowych polskich nr 73594, nr 174650, nr 201623 sposób i układy stabilizacji prądu termoemisji elektronowej, z dotychczasowej literatury znane są również i stosowane przedmiotowe układy- J. Sikora, Dual application of a biasing system to an electron source with a hot cathode, Measurements Science and. Technology, 15, 2004, N10 - N14, J. Sikora, S. Hałas, A novel circuit for independent control of electron energy and emission current of a hot cathode electron source, Rapid. Commun. Mass Spectrom. 25, 2011, 689-692, E. Flaxer. Programmable Smart Electron Emission Controller for Hot Filament, Review of Scientific Instruments, 82, 2011, 025111 ale nie zapewniają one automatycznej regulacji napięcia katody i anody źródła elektronów i stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony.

Celem wynalazku jest uzyskanie wysokiej jakości parametrów wiązki termoelektronowej poprzez zastosowanie automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów w celu stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej.

Istotą układu automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów i stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej, posiadającego wzmacniacz operacyjny pierwszy, którego wejście nieodwracające jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora pierwszego i anodą, wejście odwracające jest połączone z pierwszym, zaciskiem rezystora drugiego i emiterem tranzystora pierwszego, zaś drugi zacisk rezystora pierwszego jest

PL 228 237 B1 połączony z drugim zaciskiem rezystora drugiego, wyjście wzmacniacza operacyjnego pierwszego jest połączone z bazą tranzystora pierwszego, zaś kolektor tranzystora pierwszego jest połączony z pierwszym zaciskiem, rezystora trzeciego i wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego, drugiego, przy czym rezystancje rezystorów pierwszego, drugiego i trzeciego są jednakowe, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego drugiego jest połączone z pierwszym zaciskiem źródła napięcia wzorcowego pierwszego i pierwszym zaciskiem rezystora piątego, natomiast wyjście wzmacniacza operacyjnego drugiego jest połączone z pierwszym zaciskiem katody i pierwszym zaciskiem rezystora czwartego, drugi zacisk rezystora czwartego i drugi zacisk rezystora piątego są połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego trzeciego i pierwszym zaciskiem rezystora szóstego, drugi zacisk rezystora szóstego jest połączony z wyjściem wzmacniacza operacyjnego trzeciego i pierwszym zaciskiem rezystora siódmego, drugi zacisk rezystora siódmego jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego czwartego i pierwszym zaciskiem rezystora ósmego, zaś drugi zacisk rezystora ósmego jest połączony z wyjściem wzmacniacza operacyjnego czwartego, wejście nieodwracające wzmacniacza pomiarowego pierwszego jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora dziewiątego i pierwszym zaciskiem rezystora dziesiątego, przy czym drugi zacisk rezystora dziesiątego jest połączony z wyjściem wzmacniacza operacyjnego piątego i drogim zaciskiem rezystora drugiego, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego piątego jest połączone z pierwszym zaciskiem źródła napięcia wzorcowego drugiego, zaś drugi zacisk źródła napięcia wzorcowego drugiego, drugi zacisk rezystora dziewiątego, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego czwartego, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego trzeciego, drugi zacisk rezystora trzeciego, drugi zacisk źródła napięcia referencyjnego pierwszego i drugi zacisk katody są połączone z masą układu, przy czym rezystancje rezystorów czwartego, piątego i szóstego są jednakowe, według wynalazku, jest to, że wyjście wzmacniacza operacyjnego czwartego jest połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza pomiarowego pierwszego zaś wartość ilorazu rezystancji rezystora ósmego i rezystancji rezystora siódmego jest równa jeden plus wartość ilorazu rezystancji rezystora dziesiątego i rezystancji rezystora dziewiątego.

Korzystnymi skutkami wynikającymi z zastosowania układu automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów i stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej jest znacząca redukcja wrażliwości napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej względem sygnałów zakłócających, co umożliwia stosowanie układu w wielu przyrządach i systemach pomiarowych takich jak próżniomierze jonizacyjne, spektrometry mas, układy pomiarowe pracy wyjścia elektronu, systemy pomiarowe do wyznaczania przekrojów czynnych na jonizację gazu elektronami.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku przedstawiającym schemat ideowy układu automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów i stabilizacji napięcia przyspieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej.

Układ automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów i stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej posiada: wzmacniacze WOi, WO2, WO3, WO4, WO5 operacyjne, wzmacniacz WPi pomiarowy, tranzystor Ti pierwszy, katodę K i anodę A źródła elektronów, źródło Uwzi napięcia wzorcowego pierwszego, źródło Uwz2 napięcia wzorcowego drugiego oraz rezystory R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10. Wejście nieodwracające wzmacniacza WOi operacyjnego pierwszego jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora Ri pierwszego i anodą A, natomiast wejście odwracające jest połączone z pierwszym, zaciskiem rezystora R2 drugiego i emiterem tranzystora Ti pierwszego, drugi zacisk rezystora Ri pierwszego jest połączony z drugim zaciskiem rezystora R2 drugiego, natomiast wyjście wzmacniacza WOi pierwszego operacyjnego jest połączone z bazą tranzystora Ti pierwszego, zaś kolektor tranzystora Ti pierwszego jest połączony z pierwszym zaciskiem rezystora R3 trzeciego i wejściem odwracającym wzmacniacza WO2 operacyjnego drugiego, przy czym rezystancje rezystora Ri pierwszego, rezystora R2 drugiego i rezystora R3 trzeciego są jednakowe, wejście nieodwracające wzmacniacza WO2 operacyjnego drugiego jest połączone z pierwszym zaciskiem źródła Uwzi napięcia wzorcowego pierwszego i pierwszym zaciskiem rezystora R5 piątego, natomiast wyjście wzmacniacza WO2 operacyjnego drugiego jest połączone z pierwszym zaciskiem katody K i pierwszym zaciskiem rezystora R4 czwartego, drugi zacisk rezystora R4 czwartego i drugi zacisk rezystora R5 piątego są połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza WO3 operacyjnego trzeciego i pierwszym zaciskiem rezystora R6 szóstego, zaś drugi zacisk rezystora R6 szóstego jest połączony z wyjściem wzmacniacza WO3 operacyjnego trzeciego i pierwszym zaciskiem rezystora R7 siódmego, przy czym rezystancje rezystora R4 czwarte4

PL 228 237 B1 go, rezystora R5 piątego i rezystora R6 szóstego są jednakowe, drugi zacisk rezystora R7 siódmego jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza WO4 operacyjnego czwartego i pierwszym zaciskiem rezystora R8 ósmego, zaś drugi zacisk rezystora R8 ósmego jest połączony z wyjściem wzmacniacza WO4 operacyjnego czwartego, wejście nieodwracające wzmacniacza WP1 pomiarowego pierwszego jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora R9 dziewiątego i pierwszym zaciskiem rezystora R10 dziesiątego, przy czym drugi zacisk rezystora R10 dziesiątego jest połączony z wyjściem wzmacniacza WO5 operacyjnego piątego i drugim zaciskiem rezystora R2 drugiego, wejście nieodwracające wzmacniacza WO5 operacyjnego piątego jest połączone z pierwszym zaciskiem źródła Uwz2 napięcia wzorcowego drugiego, zaś drugi zacisk źródła Uwz2 napięcia wzorcowego drugiego, drugi zacisk rezystora R9 dziewiątego, wejście nieodwracające wzmacniacza WO4 operacyjnego czwartego, wejście nieodwracające wzmacniacza WO3 operacyjnego trzeciego, drugi zacisk rezystora R3 trzeciego, drugi zacisk źródła Uwz1 napięcia referencyjnego pierwszego i drugi zacisk katody K są połączone z masą układu, przy czym rezystancja rezystora R4 czwartego, rezystancja rezystora R5 piątego i rezystancja rezystora R6 szóstego są jednakowe. Wyjście wzmacniacza WO4 operacyjnego czwartego jest połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza WP1 pomiarowego pierwszego, zaś wartość ilorazu rezystancji rezystora R8 ósmego i rezystancji rezystora R7 siódmego jest równa jeden plus wartość ilorazu, rezystancji rezystora R10 dziesiątego i rezystancji rezystora R9 dziewiątego. Wzmacniacz WO2 objęty obwodem ujemnego sprzężenia zwrotnego, który składa się z rezystora R1 pierwszego, katody anody A, oraz zwierciadła prądowego zawierającego wzmacniacz WO1 operacyjny, tranzystor T1, rezystor R1 pierwszy, rezystor R2 drugi, stanowi układ automatycznej regulacji napięcia katody i stabilizacji natężenia prądu termoemisji elektronowej. Natężenie prądu termoemisji elektronowej jest wprost proporcjonalne do napięcia źródła Uwz1 napięcia wzorcowego pierwszego. Wejścia układu sumującego, zbudowanego w oparciu o wzmacniacz WO3 operacyjny trzeci i rezystory R4, R5, R6, są sterowane napięciem źródła Uwz1 napięcia wzorcowego pierwszego i napięciem katody K. Napięcie wyjściowe wzmacniacza WO4 operacyjnego czwartego, wprost proporcjonalne do sumy napięcia źródła Uwz1 napięcia wzorcowego pierwszego i napięcia katody K, steruje wejście odwracające wzmacniacza WP1 pomiarowego pierwszego. Wejście nieodwracające wzmacniacza WP1 pomiarowego pierwszego, połączone z dzielnikiem rezystancyjnym utworzonym z rezystorów R9, R10, jest sterowane napięciem wprost proporcjonalnym do napięcia anody A. Napięcie wyjściowe wzmacniacza WP1 pomiarowego pierwszego, wprost proporcjonalne do różnicy potencjałów anody A i katody K, steruje wejście odwracające wzmacniacza WO5 operacyjnego piątego, natomiast wejście nieodwracające wzmacniacza WO5 operacyjnego piątego jest sterowane napięciem źródła Uwz2 napięcia wzorcowego drugiego. Wzmacniacz WO5 operacyjny piąty, objęty obwodem ujemnego sprzężenia zwrotnego, regulując napięcie anody A zapewnia stabilizację napięcia przyśpieszającego elektrony.

Claims (1)

1. Układ automatycznej regulacji napięć katody i anody źródła elektronów i stabilizacji napięcia przyśpieszającego elektrony i natężenia prądu termoemisji elektronowej, posiadający wzmacniacz operacyjny pierwszy, którego wejście nieodwracające jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora pierwszego i anodą wejście odwracające jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora drugiego i emiterem tranzystora pierwszego, zaś drugi zacisk rezystora pierwszego jest połączony z drugim zaciskiem rezystora drugiego, wyjście wzmacniacza operacyjnego pierwszego jest połączone z bazą tranzystora pierwszego, zaś kolektor tranzystora pierwszego jest połączony z pierwszym zaciskiem rezystora trzeciego i wejściem, odwracającym wzmacniacza operacyjnego drugiego, przy czym rezystancje rezystorów pierwszego, drugiego i trzeciego są jednakowe, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego drugiego jest połączone z pierwszym zaciskiem źródła napięcia wzorcowego pierwszego i pierwszym zaciskiem rezystora piątego, natomiast wyjście wzmacniacza operacyjnego drugiego jest połączone z pierwszym zaciskiem katody i pierwszym zaciskiem rezystora czwartego, drugi zacisk rezystora czwartego i drugi zacisk rezystora piątego są połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego trzeciego i pierwszym zaciskiem rezystora szóstego, drugi zacisk rezystora szóstego jest połączony z wyjściem wzmacniacza operacyjnego trzeciego i pierwszym, zaciskiem rezystora siódmego, drugi, zacisk rezystora siódmego jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjPL 228 237 Β1 nego czwartego i pierwszym zaciskiem rezystora ósmego, zaś drugi zacisk rezystora ósmego jest połączony z wyjściem wzmacniacza operacyjnego czwartego, wejście nieodwracające wzmacniacza pomiarowego pierwszego jest połączone z pierwszym zaciskiem rezystora dziewiątego i pierwszym zaciskiem rezystora dziesiątego, przy czym drugi zacisk rezystora dziesiątego jest połączony z wyjściem, wzmacniacza operacyjnego piątego i drugim zaciskiem rezystora drugiego, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego piątego jest połączone z pierwszym zaciskiem źródła napięcia wzorcowego drugiego, zaś drugi zacisk źródła napięcia wzorcowego drugiego, drugi zacisk rezystora dziewiątego, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego czwartego, wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego trzeciego, drugi zacisk rezystora trzeciego, drugi zacisk źródła napięcia referencyjnego pierwszego i drugi zacisk katody są połączone z masą układu, przy czym rezystancje rezystorów czwartego, piątego i szóstego są jednakowe, znamienny tym, że wyjście wzmacniacza (WO4) operacyjnego czwartego jest połączone z wejściem, odwracającym wzmacniacza (WP1) pomiarowego pierwszego, zaś wartość ilorazu rezystancji rezystora (Rg) ósmego i rezystancji rezystora (R7) siódmego jest równa jeden plus wartość ilorazu rezystancji rezystora (R10) dziesiątego i rezystancji rezystora (Rg) dziewiątego.