RU2020644C1

RU2020644C1 - Multistage electron-flow converting device

Info

Publication number: RU2020644C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Алексеевич Макаров
Original assignee: Юрий Алексеевич Макаров
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: device has variable resistor and additional voltage regulator diode connecting emitter to negative terminal of power supply. Last electrode of multielectrode device is connected to collector. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для преобразования электронных потоков в электрический сигнал в широком диапазоне амплитуд и частот с высокой эффективностью использования энергетических затрат. The invention relates to electronic equipment and is intended to convert electronic flows into an electrical signal in a wide range of amplitudes and frequencies with high efficiency of energy consumption.

Изобретение может быть использовано при разработке и эксплуатации таких приборов как фотоумножители, электронные усилители, интегральные схемы, детекторы излучений, электронно-оптические преобразователи, лампы с вторичной эмиссией, суперортиконы, оптические вычислительные машины и др. The invention can be used in the development and operation of such devices as photomultipliers, electronic amplifiers, integrated circuits, radiation detectors, electron-optical converters, lamps with secondary emission, superorthicons, optical computers, etc.

Известно устройство, содержащее подключенные к первым и конечным каскадам умножения стабилитроны и транзисторы, а также включенный между стабилитронами и источником напряжения питания балластный резистор [1]. A device is known that contains zener diodes and transistors connected to the first and final cascades of multiplication, as well as a ballast resistor connected between the zener diodes and the power supply source [1].

Недостатками этого устройства являются ограниченный диапазон измерения и повышенная потребляемая мощность, обусловленная наличием балластного резистора. The disadvantages of this device are the limited measurement range and increased power consumption due to the presence of a ballast resistor.

Также известно широкодиапазонное устройство питания фотоумножителя, содержащее стабилитроны, резисторы и два источника напряжения питания, в котором путем внешнего улучшения внутренних параметров фотоумножителя достигнуто расширение динамического диапазона прибора до восьми порядков [2]. A wide-range photomultiplier power device is also known, containing zener diodes, resistors, and two power supply sources, in which, by external improvement of the internal parameters of the photomultiplier, the dynamic range of the device is expanded to eight orders of magnitude [2].

Недостатком этого устройства является ограниченный влиянием резисторов диапазон измерения и высокие энергозатраты, обусловленные наличием второго источника напряжения, включенного в цепь через балластный резистор. The disadvantage of this device is limited by the influence of resistors, the measuring range and high energy consumption due to the presence of a second voltage source connected to the circuit through a ballast resistor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее фотоумножитель, регулируемый источник напряжения питания, группу последовательно соединенных стабилитронов, подключенных к катоду, управляющему электроду, диодам и аноду прибора, резистор, включенный между анодом и плюсом источника напряжения питания, и балластный резистор, включенный между минусом источника напряжения питания и катодом прибора [3] . The closest in technical essence to the proposed one is a device containing a photomultiplier, an adjustable voltage supply source, a group of zener diodes connected in series, connected to a cathode, a control electrode, diodes and anode of the device, a resistor connected between the anode and the plus of the power supply source, and a ballast resistor, connected between the minus of the power supply source and the cathode of the device [3].

Недостатками устройства являются ограниченный наличием падения напряжения на балластном резисторе диапазон измерений прибора и высокая потребляемая мощность, что связано с необходимостью пропускания через стабилитроны и балластный резистор значительного начального тока. The disadvantages of the device are limited by the presence of a voltage drop across the ballast resistor, the measurement range of the device and high power consumption, which is associated with the need to pass through the zener diodes and the ballast resistor a significant initial current.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона и сокращение энергозатрат. The purpose of the invention is the expansion of the dynamic range and the reduction of energy consumption.

Цель изобретения в устройстве, содержащем электроприбор с многокаскадным преобразованием электронного потока, источник напряжения питания, первый резистор, первый стабилитрон, включенный между эмиттером и управляющим электродом, второй стабилитрон, включенный между управляющим электродом и первым электродом, третий стабилитрон, включенный между первым и третьим электродами, и группу последовательно соединенных стабилитронов, подключенных к промежуточным электродам, расположенным между третьим и последним электродами, а также четвертый стабилитрон, подключенный к предпоследнему электроду, причем первый резистор включен между коллектором и плюсом источника напряжения питания, достигается тем, что в него дополнительно введен пятый стабилитрон, второй резистор, выключатель и переменный резистор, подключенный своим средним выводом к второму электроду, а двумя другими - к третьему электроду и к минусу источника стабилизированного напряжения питания, подключенному через пятый стабилитрон к эмиттеру прибора, коллектор которого соединен с последним электродом, при этом второй резистор одним своим концом подключен к плюсу источника стабилизированного напряжения питания и к выключателю, а другим соединен со свободными клеммами четвертого стабилитрона и выключателя. The purpose of the invention in a device containing an electrical device with multi-stage conversion of the electron stream, a voltage source, a first resistor, a first zener diode connected between the emitter and the control electrode, a second zener diode connected between the control electrode and the first electrode, a third zener diode connected between the first and third electrodes , and a group of series-connected zener diodes connected to intermediate electrodes located between the third and last electrodes, as well as four the second zener diode connected to the penultimate electrode, the first resistor connected between the collector and the plus of the power supply voltage, is achieved by the fact that an additional fifth zener diode, a second resistor, a switch and a variable resistor connected with its middle terminal to the second electrode, and two other - to the third electrode and to the minus of the stabilized power supply source connected through the fifth zener diode to the emitter of the device, the collector of which is connected to the last electrode, while The second resistor is connected at one end to the plus of the stabilized power supply source and to the switch, and the other is connected to the free terminals of the fourth zener diode and switch.

Изобретение поясняется чертежом. The invention is illustrated in the drawing.

Устройство содержит электроприбор (электронный прибор) 1 с многокаскадным преобразованием электронного потока, источник 2 стабилизированного напряжения питания, первый резистор 3, первый стабилитрон 4, эмиттер 5, управляющий электрод 6, второй стабилитрон 7, первый электрод 8, третий стабилитрон 9, третий электрод 10, группу 11 последовательно соединенный стабилитронов, промежуточные электроды 12, последний электрод 13, коллектор 14, пятый стабилитрон 15, второй резистор 16, выключатель 17, четвертый стабилитрон 18, переменный резистор 19, второй электрод 20 и предпоследний электрод 21. The device comprises an electrical appliance (electronic device) 1 with multi-stage conversion of the electron beam, a source 2 of a stabilized supply voltage, a first resistor 3, a first zener diode 4, an emitter 5, a control electrode 6, a second zener diode 7, a first electrode 8, a third zener diode 9, and a third electrode 10 , group 11 zener diodes connected in series, intermediate electrodes 12, last electrode 13, collector 14, fifth zener diode 15, second resistor 16, switch 17, fourth zener diode 18, variable resistor 19, second elec od penultimate 20 and electrode 21.

В качестве элементной базы опытного образца устройства были соответственно использованы: электроприбора 1 - фотоумножитель ФЭУ-84-3, источника 2 стабилизированного напряжения - высоковольтный блок питания типа ВС-22, первого резистора 3 - МЛТ-0,5-75, первого 4, второго 7, третьего 9 и группы 11 стабилитронов - 2С980А, пятого 15 и четвертого 18 стабилитронов - 2С524А, второго резистора 16 - МЛТ-0,5-150к, выключателя 17 - тумблер П1Т4 и переменного резистора 19 - СПО-1-4,7М. As the elemental base of the prototype of the device, respectively, the following were used: electrical appliance 1 — FEU-84-3 photomultiplier, stabilized voltage source 2 — high-voltage power supply type VS-22, first resistor 3 — MLT-0.5-75, first 4, second 7, the third 9 and the zener diode group 11 - 2С980А, the fifth 15 and the fourth 18 zener diodes - 2С524А, the second resistor 16 - МЛТ-0,5-150к, the switch 17 - the toggle switch П1Т4 and the variable resistor 19 - СПО-1-4,7М.

Перед началом работ с устройством выключатель 17, предназначенный для выбора режимов функционирования устройоства из логарифмического (включен) и линейного (выключен), устанавливают в соответствующее положение. Before starting work with the device, the switch 17, designed to select the operating modes of the device from the logarithmic (on) and linear (off), is set to the appropriate position.

В логарифмическом режиме устройство работает следующим образом. In logarithmic mode, the device operates as follows.

Вначале устанавливают напряжение источника 2 таким, чтобы ток нагрузки находился в пределах 0,1-1 мА. Затем после подачи на фотокатод светового сигнала устанавливают средний вывод переменного резистора 19 в положение, соответствующее максимальному отношению сигнал/шум. First, set the voltage of the source 2 so that the load current is in the range of 0.1-1 mA. Then, after applying a light signal to the photocathode, the average output of the variable resistor 19 is set to the position corresponding to the maximum signal to noise ratio.

Допустим, что эмиттер 5 покинул один термоэлектрон с энергией V = 0, который через некоторый (7) интервал времени выбил из электрода 8 вторичные электроны с энергией V₈ < V₂₀, где V₂₀ - тормозящий потенциальный барьер, образованный на электроде 20. Тогда, в соответствии с неравенством V₈ < V₂₀, вторичные электроны будут заторможены и возвращены на этот же электрод 8.Suppose that emitter 5 left one thermoelectron with energy V = 0, which after some time interval (7) knocked out secondary electrons with energy V ₈ <V ₂₀ from electrode 8, where V ₂₀ is the braking potential barrier formed on electrode 20. Then , in accordance with the inequality V ₈ <V ₂₀ , the secondary electrons will be inhibited and returned to the same electrode 8.

Далее допустим, что эмиттер 5 покинул также один фотоэлектрон, но с энергией V > 0, который также выбил из электрода 8 вторичные электроны, но с энергией V₈ > V₂₀. Тогда в соответствии с неравенством V₈ > V₂₀, вторичные электроны преодолевают тормозящий потенциальный барьер электрода 20 и продолжают движение в направлении электрода 10.Further, let us assume that emitter 5 also left one photoelectron, but with energy V> 0, which also knocked out secondary electrons from electrode 8, but with energy V ₈ > V ₂₀ . Then, in accordance with the inequality V ₈ > V ₂₀ , the secondary electrons overcome the inhibitory potential barrier of the electrode 20 and continue to move in the direction of the electrode 10.

Следовательно, в результате реализации заявленного технического решения осуществляют энергетическую селекцию предварительно ускоренных и усиленных электронов, при которой улучшают отношения сигнал/шум на входе умножительной системы прибора, чем достигают расширение диапазона измерения снизу и уменьшение энергетических затрат путем ослабления шумовой составляющей электронного потока. Therefore, as a result of the implementation of the claimed technical solution, energy selection of pre-accelerated and amplified electrons is carried out, in which the signal-to-noise ratio at the input of the multiplying system of the device is improved, thereby achieving an extension of the measurement range from below and a reduction in energy costs by attenuating the noise component of the electron beam.

Далее представим, что электрод 10 поглотил три и излучил девять электронов. Потеря электродом 10 шести электронов обусловит энергетическую нестационарность, что за счет положительной обратной связи изменит потенциал этого электрода. Однако данное изменение за счет отрицательной обратной связи возвратит указанный потенциал к исходному значению. Восстановление потенциала осуществляют с постоянной времени, определяемой суммарным значением динамических и статических сопротивлений последовательно включенных стабилитронов 4, 7, 9, 15. Next, imagine that electrode 10 has absorbed three and emitted nine electrons. The loss of six electrons by the electrode 10 will cause energy unsteadiness, which due to positive feedback will change the potential of this electrode. However, this change due to negative feedback will return the indicated potential to its original value. The potential recovery is carried out with a time constant determined by the total value of the dynamic and static resistances of the zener diodes 4, 7, 9, 15 connected in series.

Аналогичный указанному механизм будет работать при прохождении электронным потоком расположенных на пути его следования к коллектору 14 промежуточных электродов 12 с разницей, заключающейся в том, что его энергия будет увеличиваться как за счет ускорения электронов, так и за счет их вторично-электронного умножения. При этом в систему динамических обратных связей, образующихся и включающихся между электродами прибора 1 и источником 2, будет вовлекаться все большее соответствующее количеству участвующих в преобразовании потока каскадов системы умножения число стабилитронов группы II. A similar mechanism will work when the electron beam is located on the path of its passage to the collector 14 of the intermediate electrodes 12 with the difference that its energy will increase due to the acceleration of electrons, and due to their secondary electron multiplication. In this case, the system of dynamic feedbacks formed and connected between the electrodes of the device 1 and source 2 will involve an ever greater number of Zener diodes of group II corresponding to the number of cascades of the multiplication system involved in the conversion of the stream.

Предположим, что предпоследний электрод 21 поглотил со стороны последнего электрода 13 соответственно 10 и 3 х 10 электронов. При этом допустим, что 2х10 электронов из последней группы достигают выхода прибора, а остальные 10 электронов тормозятся и возвращаются полем собственного пространственного заряда обратно на электрод 21 путем электронной авторотации. Обусловленная потерей 10 электронов нестационарность электрода 21 за счет положительной обратной связи изменит его потенциал, что включит отрицательную обратную связь устранения указанной нестационарности и поддержания потенциала электрода 21 на исходном уровне. Глубина и постоянная времени включения отрицательной обратной связи будут определяться суммарным значением как статических, так и динамических сопротивлений стабилитронов 4, 7, 9, 11, 15 и 18. Suppose that the penultimate electrode 21 has absorbed 10 and 3 x 10 electrons from the side of the last electrode 13, respectively. At the same time, suppose that 2x10 electrons from the last group reach the output of the device, and the remaining 10 electrons are inhibited and returned by the field of their own space charge back to electrode 21 by electronic autorotation. Due to the loss of 10 electrons, the unsteadiness of the electrode 21 due to the positive feedback will change its potential, which will include negative feedback eliminating the specified non-stationary and maintaining the potential of the electrode 21 at the initial level. The depth and time constant of the inclusion of negative feedback will be determined by the total value of both the static and dynamic resistances of the zener diodes 4, 7, 9, 11, 15, and 18.

Гальваническая связь между электродом 13 и коллектором 14 ослабляет условия для образования в последнем пролетном промежутке виртуального катода, возникающего за счет вторичных и ионизационных эффектов. The galvanic connection between the electrode 13 and the collector 14 weakens the conditions for the formation of a virtual cathode in the last span of the gap arising from secondary and ionization effects.

В линейном режиме малых выходных токов устройство работает аналогично изложенному с различием, заключающимся в том, что начальное напряжение источника 2 устанавливают в функции I₂ ≥ 1 мА.In the linear mode of low output currents, the device operates similarly to the one described above, with the difference that the initial voltage of source 2 is set to function I ₂ ≥ 1 mA.

В случае, когда выходной ток I₁ прибора 1 принимает значения вначале сравнимые, а затем и превышающие ток I₂, действующее значение тока I₁, отбираемого от источника 2, перераспределяют путем использования системы динамических обратных связей, овеществленных внутренними сопротивлениями всех стабилитронов, действующих в цепи эмиттер 5, управляющий электрод 6, электроды 8, 20, 10, 12, 21, 13, коллектор 14, резистор 3 и источник 2, а также резистор 16.In the case when the output current I _{1 of the} device 1 takes on values that are initially comparable and then exceed the current I ₂ , the effective value of the current I ₁ taken from source 2 is redistributed by using a system of dynamic feedbacks embodied by the internal resistances of all the zener diodes acting in circuit emitter 5, control electrode 6, electrodes 8, 20, 10, 12, 21, 13, collector 14, resistor 3 and source 2, as well as resistor 16.

Поскольку при импульсном значении токов I₁ = I₂ = 0,5 А внутреннее сопротивление R пролетного промежутка электрод 21 - коллектор 14 составит R = 360 Ом, то протекание основной массы отбираемого, например, от минуса источника 2 тока I₂ будет проходить через стабилитроны 15, 4, 7, 9, 11 и далее через электрод 21, промежуток электрод 21 - коллектор 14 и резистор 3 до замыкания на плюс источника 2.Since at an impulse value of currents I ₁ = I ₂ = 0.5 A, the internal resistance R of the span of the electrode 21 - collector 14 is R = 360 Ohms, the flow of the bulk of the current I ₂ , taken from the minus, for example, ₂ will pass through the zener diodes 15, 4, 7, 9, 11 and further through the electrode 21, the gap of the electrode 21 is the collector 14 and the resistor 3 until the plus 2 closes the source 2.

Анализ результатов, полученных при лабораторных испытаниях опытного образца устройства, позволяет сделать следующие выводы: в линейном режиме работы при начальном токе I₂ = 0,2 мА сохраняется метрологически обеспеченная работоспособность устройства до значений I₁ = 4 мА. Поскольку известные устройства являются работоспособными при прочих равных условиях до значений I₁, не превышающих 2 мкА, достигаемое расширение динамического диапазона сверху составляет по крайней мере три порядка.An analysis of the results obtained in laboratory tests of a prototype of the device allows us to draw the following conclusions: in a linear mode of operation with an initial current of I ₂ = 0.2 mA, the metrologically ensured operability of the device is maintained up to I ₁ = 4 mA. Since the known devices are operable, ceteris paribus to values of I ₁ not exceeding 2 μA, the achieved expansion of the dynamic range from above is at least three orders of magnitude.

При логарифмическом режиме работы устройства достигается дополнительное расширение диапазона измерения сверху за счет сжатия динамического диапазона входных сигналов еще примерно на три порядка. In the logarithmic mode of operation of the device, an additional extension of the measuring range from above is achieved by compressing the dynamic range of the input signals by about three more orders of magnitude.

Достигаемое путем энергетической селекции электронов улучшение отношения сигнал/шум позволяет дополнительно расширить динамический диапазон снизу примерно на порядок и уменьшить потребляемую при этом мощность также примерно на порядок. The improvement in the signal-to-noise ratio, achieved by energy selection of electrons, allows one to further expand the dynamic range from below by about an order of magnitude and reduce the power consumption while also by about an order of magnitude.

Таким образом, использование предложенного устройства позволяет улучшить эксплуатационную эффективность по меньшей мере на восемь порядков суммарного значения магнитуды. Thus, the use of the proposed device can improve operational efficiency by at least eight orders of magnitude of the total magnitude.

Устройство может найти применение при исследованиях быстропротекающих процессов и явлений искусственного и естественного происхождения. The device can find application in the research of fast processes and phenomena of artificial and natural origin.

Claims

ELECTRONIC FLOW TRANSMISSION DEVICE, comprising an electronic device, an adjustable voltage supply source, a first resistor, a first zener diode connected between an emitter and a control electrode of an electronic device, a second zener diode connected between a control and the first electrodes of an electronic device, a third zener diode connected between the first and the third electrodes of the electronic device and a group of series-connected zener diodes connected to the intermediate electrodes of the electronic a device located between its third and penultimate electrodes connected to the free terminals of the zener diode group, the first resistor being connected between the collector of the electronic device and the plus of the power supply source, as well as a fourth zener diode connected to the penultimate electrode of the device, characterized in that it is equipped with a fifth zener diode , a second resistor, a switch, and a variable resistor connected by its middle terminal to the second electrode of the electronic device, and two other terminals to to the electronic device’s electrode and to the minus of the stabilized power supply source connected through the fifth zener diode to the emitter of the electronic device, the collector of which is connected to the last electrode, while the second resistor is connected at one end to the plus of the stabilized power supply and to the switch, and the other is connected to free terminals of the fourth zener diode and switch.