Устройство для измерения высокого и сверхвысокого напряжений

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОГО И СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЙ/ содержащее рентгеновскую трубку с подводами для подключения котролируемого источника, полупроводниковый детектор, установленный на пути потока рентгеновского излучения, предусилитель , вход которого соединен с выходом полупроводникового детектора , формирующий усилитель, вход которого подключен к илходу предусилителя , и блок реп страции, о т л ичающеес . я тем, что, с целью повышения, точности и расширения дна .пазона измерения, в него введены Восстановитель базового уровня, блок управления, ключ, амплитудный дискриминатор , многоканальный анализатор и программируемой калькулятор, причем восстановитель базового уровня включен между выходом формирующего усилителя и сигнальным входом ключа, а блок управления - между выходом предусилителя и управлягицим входом ключа,.входы амплитудного дискриминатора соединешл с выходом ключа и первым выходом программируемого калькулятора, а выход - с одним (Л из входов многоканального анализатора , второй выход программируемого калькулятора подключен к выходу блока регистрации, третий выход - к другому входу многоканального анализа- 2 тора, а вход - к выводу последнего. о ел

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

-СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 3389 478/18-21 (22) 29.01. 82 (46) 30 .09 . 83. Вюл. Р 36 (72) И. П. Зубков, Э. H. Журавлев и Б.Г. Потапов (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологической службы (53) 621. 317. 7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР 9 298897, кл. G 01 Й 19/00, 1968.

2. Патент C()JA 9 3766 383, кл. 250-51 ° 5, 19 73. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ВЫСОКОГО И СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИИ содержащее рентгеновскую трубку с подводами для подключения котролиру. емого источника, полупроводниковый детектор, установленный на пути потока рентгеновского излучения, предусилитель, вход которого соединен с выходом полупроводникового детектора, формирующий усилитель, вход ((5)) С 01 К 19/00 Сз 01 К 15/02 которого подключен к выходу предуси-: лителя, и блок регистрации, о т л ич а ю щ е е с.я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, в него введены восстановитель базового уровня, блок управления, ключ, амплитудный дискриминатор, многоканальный анализатор и программируемый калькулятор, причем восстановитель базового уровня включен между выходом формирующего усилителя и сигнальным входом ключа, а блок управления — между выходом предусилителя и управляющим входом ключа,.входы амплитудного дискриминатора соединены с выходом ключа и первым выходом программируе- g мого калькулятора, а выход - с одним из входов многоканального анализатора, второй выход программируемого калькулятора подключен к выходу блок регистрации, третий выход - к другому входу многоканального аналиэатора, а вход — к выходу последнего.

1045141

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования нри реализации котроля как постоянных, так и переменных либо импульсных напряжений н высоковольтных" установках по абсолютному методу.

Изнестно устройство для измерения высокого напряжения, содержащее рентгеновскую трубку с подводами для подключения контролируемого источ- fO ника, блок перемещающихся калиброванных поглотителей, установленный на пути потока ретгеновского излучения и выполненный в виде перемен- . ного по толщине радиационного клина, механическую следящую систему, включенную на выходе блока перемещающихся калиброванных поглотителей и со. единенную выходом с входом блока регистрации, построенного на основе двух счетчиков рентгеновских квантов различной чувствительности, между которыми помещена дополнительная поглощающая пластина (1) .

Недостаток известного устройства связан с невысокой точностью измерения, обусловленной ограниченной точностью установки клина-поглотителя на заданную толщину известное напряжение, и ограниченными практическими возможностями выдержинания расчетного профиля толщины клина.

Поскольку отсчетное положение поглотителя устанавливается на минимум суммарной интенсивности излучения, непоглощенной клином, соответствую- З5 щей малому, по конечному приграцично му участку рентгеновского спектра, на результирующей точности измерения сказывается влияние изменения интенсивности излучения рентгеновской №О трубки, зависящее также от .величины и стабильности тока трубки, вида характеристического спектра антикатода и т.п. Применение механической следящей система перемещения клина вызывает дополнительную погрешность неизбежных люфтов, снижает быстродействие и ухудшает надежность устройства. Необходимость использования и измерении в широком диапазоне напряжений нескольких сменных поглотителей предопределяет эксплуатациснные трудности.

Наиболее близким к предлагаемому, го технической сущности является устройство, обеспечинающее, в част- 55 ности, измерение высокого и сверхвысокого напряжений и содержащее рентгеновскую трубку с подводами для подключения контролируемого источника, пластину-образец из известного 6О материала, установленную на пути потока рентгеновского излучения, два полупроводниковых детектора, адин иэ которых помещен сбоку от пластины-образца, а другой — за, ней, дна предусилителя, входы которых соединены с выходами соответствую>цих полупроводниковых детекторов, два формирующих усилителя, входы которых подключены к выходам. соот нет стнующих предусилителей, а выходы — к первым входам двух пиковых детекторов, линию задержки, включенную между выходом одного из формирующих усилителей и нторыьи входами пиковых детекторов, и аналоговый делитель, входы которого соединены с выходами пиковых детекторов, а выход — с входом блока ре-. гистрации (2) .

Недостатки указанного устройства проявляются в относительно невысокой точности и ограниченном диапазоне измерения, причем для выбранной пластины-образца определение величины напряжения возможно лишь в одной фиксированной точке, соответствующей потенциалу так называемого К-края поглощения материала пластины. Причины этого в том, что реально контролируется .величина, зависящая от отно- шения между интенсивностью рентгеновского излучения, прошедшего через пластину, и интенсивностью рассеянного ею излучения, и затем определяется момент изменения знака наклона функции контролируемого отношения, которое происходит при известной для данного облучаемого элемента величине энергии К-края поглощения.

При этом калибровка выполняется,при считывании показаний килонольтметраиндикатора ретгенонской установки н указанной точке.

Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона измерения устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстно для измерения высокого и снерхвысокого напряжений, содержащее рентгеновскую трубку с подводами для подключения контролиру. емого источника, полупроводниковый детектор, установленный на пути потока рентгеновского излучения, предусилитель, вход которого соединен с выходом полупроводникового детектора, формирующий усилитель, вход которого подключен к выходу предусилителя, и блок регистрации, введены восстановитель базового уровня, блок управления, ключ, амплитудный дискриминатор, многоканальный анализатор и программируемый калькулятор, причем восстановитель базового уровня включен между выходом формирующего усилителя и сигнальным входовс ключа, а блок управления — между выходом предусилитезтя и управляющим входом ключа, входы амплитудного дискриминатора соединены с выходом ключа и первым выходом программируемого калькулятора, а выход — с одним из нходов многоканального анализатора, второй

1045141 выход программируемого калькулятора подключен к выходу блока регистрации третий выход — к другому входу многоканального анализатора, а вход— к выходу последнего.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Рентгеновская трубка 1 имеет подводы 2 и 3 для подключения контролируемого источника -и заключена в за- tO щитный корпус 4 с окном 5 для вывода излучения. На пути потока ретгеновского излучения установлен полупроводниковый детектор б, с выходом которого соединен вход предусилителя

7. Для снижения шумов детектор б и предусилитель 7 помещены, в нриостат

8 и охлаждаются до температуры жидкого азота. К выходу предусилителя 7 подключен вход формирующего усилителя 9. Восстановитель 10 базового уровня включен между выходом формирующего усилителя 9 и сигнальным входом ключа 11, а блок 12 управления — между выходом предусилителя 7 и управляющим входом ключа 11. В состав устройства входят также амплитудный дискриминатор 13, многоканальный анализатор 14, программируемый калькулятор 15 (с интерфейсом ) и блок 16 регистрации. Входы амплитуд- 30 ного дискриминатора 13 соединены с выходом, ключа 11 и первым выходом программируемого калькулятора 15, а выход — с одним из входов многоканального анализатора 14. Второй выход З5 программируемого калькулятора подключен к выходу блока 16 регистрации, третий выход — к другому входу многоканального анализатора 14, а вход — к выходу последнего..

Устройство работает следующим образом.

Измеряемое высокое напряжение прикладывается к рентгеновской трубке 1 между подводами 2 и 3. Выходящее через окно 5 излучение, как известно, 45 имеет протяженный спектр энергий от нулевой до максимальной, граничной энергии квантов Ер », равной величине приложенного напряжения 0, и умноженной на заряд электрона е 50

Ел,ц„= е0. (1)

Таким. образом, измерение U сводится к определению этой энергии по спектру излучения. 55

Кванты излучения, попадая на полупроводниковый детектор б, создают на его выходе токовые импульсы с амплитудами пропорциональными поглощенным энергиям квантов (с некоторым малым статистическим разбросом амплитуд, опи- 60 сываемым так называемой функцией отклика детектора, что определяет разрешающую способность детектора по энергиям . Так как длительности токоВНх импульсов в детекторе б составляют десятки наносекунд и их непосредственное усиление связано со значительным увеличением шума, предусилитель

7 преобразует эти сигналы в импульсы напряжения, которые далее усиливаются до уровня, необходимого для неискаженной передачи информации.

Для обеспечения высокой точности измерений детектор б должен иметь высокое собст ве н ное разреше ни е по энергиям и нужно обеспечить возможно более низкий уровень шумов детектора

6 и предусилителя 7..Поэтому в устройстве используется полупроводниковый детектор, превосходящий по разрешающей способности на один-два порядка другие типы детекторов за счет большой статистической точности преобразования энергии квантов в заряд. Для существенного снижения шумов детектор б совместнст с предусилителем 7 помещены в криостат 8.

Дальнейшее линейное усиление сигналов производится с помощью формирующего усилителя 9, который также обеспечивает как достаточно высокое отношение сигнал/шум, так и возможность. передачи большого числа импульсов в единицу времени. Поскольку шумовые составляющие лучше подавляются при увеличенной длительности импульса,формирование импульсов производится с большой постоянной времени с сохранением соотношения амплитуд. Искажения пвредаваемых сигналов из-за смещения базового уровня в схеме при больших частотах следования импульсов устраняет восстановитель 10 базового уровня, подключенный к формирующему усилителю 9. При увеличенной длительности сформированных импульсов также могут происходить искажения спект . ра амплитуд из-за наложения импульсов во времени. Блок 12 управления и ключ 11 служат для исключения наложенных импульсов ° Блок 12 управления производит селекцию импульсов по времени их появления и затем вырабатывает соответствующий управляющий сигнал, подаваемый на ключ 11.

Если интервал следования между импульсами оказывается меньше длительности сформированного импульса, второй импульс не пропускается ключом 11. В случае, когда интервал следования сравним с длительностью фронта импульса, задерживаются оба импульса.

После ключа 11 импульсы поступают через амплитудный дискриминатор 13 на вход многоканального анализатора

14, который производит анализ амплитудного спектра сигналов с накоплением данных в его запоминающем блоке. Амплитуды импульсов с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуются в цифровую форму и в зависимости от величины амплитуды производится отсчет в различных ячейках {каналах) памяти. Таким образом, номер канала соответствует определенной энергии излучения (амплитуде импульса1, а число накопленных в как<дом канале отсчетов за время измерения отвечает распределению интенсивностей в спектре энергий рентге новского излучения. Дискриминатор 13 1Î задает нижний уровень амплитуд, импульсов, пропускаемых в анализатор

14, что позволяет ограничить область измерений участком спектра вблизи максимальной энергии, а также иметь более высокое разрешение на канал при фиксированном числе используемых каналов.

Так как величина максимальной . энергии априори неизвестна, вначале в дискриминатор 13 уcTB.BàBëèâàþò нулевой уровень дискриминации и анализатор 14 измеряет полный спектр.

После накопления в блоке памяти некоторого заданного минимума данных (время набора определяется скоростью счета импульсов, зависящей от интен.сивности излучения) информация выводится в программируемый калькулятор

15. На этом этапе, калькулятор 15 по программе производит приближенное определение максимальной энергии в спектре, после чего вырабатывает команду на установление в дискриминаторе 13 соответствующего уровня для измерения в дальнейшем спектра лишь в приграничной области. Величина максимальной энергии (измеряемого напряжения ) на данном этапе определена с погрешностью, в основном обусловленной собственным разрешением детектора б и шумами, которая записывается выражением

P,E = 5,54FEE + 6 Е >, (2) где E — энергия квантов излучения;

E — средняя энергия образования 45 электронно-дырочной пары в детекторе б; с — фактор Фано (безразмерная величина равная 0,05-0,1); Ebj — вклады шумов.

Основной функцией калькулятора

15 является обеспечение более высокой точности измерения напряжения (максимальной энергии путем последующего проведения програм> ы математической обработки спектра в заданном55 приграничном интервале итерационным методом. Это эффективно повышает разрешение устройства, так как позволяет учесть и практически исключить искажения спектра, обусловленные 60 функцией отклика детектора 6, а также уменьшить погрешность иэ-за стаВНИИПИ Заказ 7545/46 Тир тистического разброса числа счетов 8 каналах. Проведенные численные эксперименты для различных функций отклика показали возможность улучшения точности на два-три порядка относительно собственного разрешения детектора б после выдолнения всего пяти-десяти итераций.

1(алькуля -op 15 начинает обработку после ->достижения некоторого заранее установленного числа отсчетов, например,, для наименьшей энергии (канала). в заданном интервале. Причем конкретно это число зыбирается с учетом допустимой относительной величины статистического разброса числа отсчетов в каналах. Полученное в результате обработки значение максимальной энергии в энектроновольтах или измеряемого напряжения затем фиксируется в блоке 16 регистрации.

После завершения обработки калькулятор 15 подает команду на сброс в дис криминатор 13 и анализатор 14 и цикл измерений может быть повторен.

Абсолютная калибровка устройства производится по линиям характеристического рентгеновского спектра или с помощью изотопных источников, энергии которых известны с довольно высокой точностью. Выбирая различные материалы антикатода трубки 1 либо используя набор изотопных источни-, ког,, можно провести абсолютную кали-. бровку предлагаемого устройства в очень широком диапазоне. Применение при этом машинной обработки измеряемых линий по программе с большим числом итераций позволяет с высокой точностью реализовать привязку шкаль1 устройства к известным энергиям.

Величина относительной погрешности при абсолютных измерениях высоких напряжений предлагае «ым устройством в диапазоне сотен киловольт располагается на уровне одной-двух десятых процента. При .измерении. сверхвысоких напряжений более мегавольта точность будет выше, поскольку, как следует из зависимостей (1) и (2), относительная погрешность с ростом измеряемого напряжения уменьшается, что является большим преимуществом предлагаемого устройства перед известными,где с переходом в область сверхвысоких напряжении точность измерений значительно ухудшается.

Применение предлагаемого устройства в качестве образцового средства измерения высокого и сверхвысокогс. напряжений для абсолютной калибровки в широком диапазоне и аттестации других средств измерений даст значительный экономический эффект. аж 710 Подписное филиал ППП "Патент", г.ужгород„ ул, Проектная,4