|
|||
|
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра общей физики Касьяненко Павел Валентинович 1 курс, группа 036 -1Научный руководитель А. С. Кривенко (ИЯФ СО РАН) ОТЧЁТ о курсовой работе Разработка вакуумметра для локального измерения давления в потоке газа Аннотация В данной работе спроектирован и изготовлен вакуумметр для измерения распределения давления в компактном ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией. Манометр имеет размеры ~1 см и измеряет давление от 10 -4 до 10-1 Па. Изготовлены стабилизатор тока эмиссии в диапазоне 1-20 мА, при токе накала до 2,5 А и усилитель тока коллектора, позволяющий измерять ток от 10 нА до 50 мкА. Проведена калибровка вакуумметра в диапазоне давлений от 10-3 до 10-1 Па. Показания вакуумметра с точностью 20% аппроксимируются уравнением Uвых[мВ]=11186·P[Па]+10 при токе эмиссии 5 мА. Показания вакуумметра линейно зависят от тока эмиссии. Начато исследование токов утечки манометра. Предложена методика измерений, позволяющая уменьшить влияние тока утечки. Проведён анализ погрешностей измерений.Введение В настоящее время в рамках проекта источника нейтронов для нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей [1] в ИЯФ СО РАН разрабатывается сильноточный электростатический ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией на энергию ускоренных протонов до 2,5 МэВ с током до 40 мА. Компактный ускоритель с такими параметрами в стационарном режиме создаётся впервые.Одной из частей ускорителя является мишень, преобразующая ускоренные до половинной энергии отрицательные ионы водорода в протоны. В качестве такой мишени выбрана трубка диаметром 10-12 мм, длиной 20-40 см, в центр которой напускается газ. Размеры трубки определяются параметрами пучка. Расход газа из такой трубки может достигать 0,3 л× торр/с [2]. Считается, что давление 10 -3 Па в ускоряющем промежутке является достаточным, а 10-2 Па - неприемлемым. Для обеспечения указанного давления рассматриваются различные схемы откачки, в том числе в высоковольтном электроде ускорителя. Окончательный выбор схемы откачки планируется осуществить после проведения экспериментов.Планируется измерить распределение давления в системе откачки внутри высоковольтного электрода, а также в межэлектродном пространстве вдоль пучка. Характерные размеры областей, в которых требуется измерить давление, составляют величину порядка нескольких сантиметров. Поэтому манометр должен иметь размеры ~1 см и измерять давление от 10 -4 до 10-1 Па. Кроме этого показания манометра должны мало зависеть от направления потока газа.В данном диапазоне давлений в основном применяются ионизационный и магниторазрядный манометры [3,4]. Магниторазрядный манометр не подходит по размерам из-за необходимости использования магнитов. Ионизационный манометр с внешним цилиндрическим коллектором не удовлетворяет требованию прозрачности для потока газа. Поэтому был выбран ионизационный манометр с осевым коллектором (Байарда-Альперта). Для выбранного манометра были разработаны и изготовлены схема стабилизации тока эмиссии и усилитель тока коллектора. Проведена калибровка вакуумметра в диапазоне давлений 10 -3-10-1 Па, измерена зависимость показаний вакуумметра от тока эмиссии. Начато исследование токов утечки манометра.Конструкция вакуумметра.
Схема изготовленного манометра показана на рис. 1. По оси преобразователя расположен ионный коллектор, изготовленный из нержавеющей стали диаметром 1 мм. Сетка выполнена из танталовой проволоки диаметром 0,4 мм. В отличие от классической схемы Байарда-Альперта катод представляет собой кольцо, окружающее сетку. Такая конструкция датчика более симметрична, что уменьшает зависимость от направления потока газа. Катод изготовлен из торированного вольфрама в виде проволоки диаметром 0,1 мм. Конструктивно датчик собран на изоляторе стандартного разъёма. Такой изолятор выдерживает нагрев до температуры 400 ° С. Предусмотрен прогрев сетки протекающим по ней током для обезгаживания.Катод находится под потенциалом +100 В относительно земли, чтобы предотвратить уход электронов на стенки камеры. На сетку подаётся напряжение +300 В относительно земли. Коллектор находится под потенциалом земли. Ток эмиссии должен составлять величину 5-20 мА и быть стабилизированным. Схема стабилизатора тока эмиссии должна обеспечивать ток накала катода до 2,5 А. Ток коллектора, который нужно измерить при этом меняется от 10 нА до 50 мкА. Блок-схема измерений представлена на рис. 2
Рис. 2 Блок схема вакуумметра
Так как стабилизатор тока эмиссии электрически соединён только с катодом и с точкой А (Рис. 2), то ток через его вход равен току эмиссии. Схема изменяет ток накала так, чтобы ток через вход А, а значит, и ток эмиссии был равным заданному значению. На рис. 3 представлена схема стабилизатора тока эмиссии.
Рис. 3 Схема стабилизатора тока эмиссии. Cтабилизатор тока эмиссии работает следующим образом: ток эмиссии создаёт падение напряжения на резисторе R9, которое, поступая на вход операционного усилителя, сравнивается с напряжением, снимаемым с движка резистора R5. Если это напряжение (имеющее отрицательное значение) по модулю меньше напряжения, поступающего с R5, то напряжение на выходе операционного усилителя увеличивается, вызывая увеличение тока накала катода, вследствие чего его температура и ток эмиссии увеличиваются, и наоборот. Описанный процесс повторяется непрерывно, вследствие чего ток эмиссии постоянно колеблется с очень малыми отклонениями относительно заранее выставленного значения. Ключ K2 позволяет отключать накал катода. Цепь C8R3 предотвращает самовозбуждение стабилизатора, резисторы R1, R2 защищают мощный транзистор VT2 и катод датчика от перегрузок по току, диоды VD7, VD8 защищают вход операционного усилителя от попадания высокого напряжения. Схема усилителя ионного тока представлена на рис. 4 
Рис. 4 Схема усилителя тока коллектора. Усилитель ионного тока выполнен по схеме инвертирующего усилителя с интегрирующей цепочкой в цепи обратной связи. В схеме использован прецизионный операционный усилитель с малым напряжением смещения К140УД17Б, что обеспечивает высокую линейность и малую погрешность усиления. Основные источники погрешностей в усилителе:
Kur 120 000, погрешность D Ub Uвых.max /Kub 0,1 мВ в конечной точке шкалы, что соответствует D Iвхb 1 нА. Iвхb 12 нА - погрешность измерения тока При правильной настройке смещение "нуля" не превышает 0,1 мВ, что соответствует D Iвхb 1 нА. Питание усилителя осуществляется от двуполярного стабилизатора, напряжения, схема которого приведена на рис. 5
Рис. 5 Схема источника питания усилителя.Методика эксперимента. Манометр был помещён в цилиндрическую вакуумную камеру диаметром 0,5 м и высотой 1 м. Накал катода и сетки наблюдался через окно в стенке камеры. Вакуумная камера откачивалась турбомолекулярным насосом до давления 10 -3 Па. Давление в камере контролировалось вакуумметром ВМБ-1/8/001 (на основе магниторазрядного манометра ПММ-46). Указанный вакуумметр позволяет измерять давления в диапазоне от 10-8 до 10-1 Па. Основная относительная погрешность этого вакуумметра от -60% до +120% по сухому воздуху. Абсолютное значение давления в камере нам известно с этой точностью. Показания вакуумметра ВМБ-1/8/001 считывались по светодиодной индикации с точностью ± 20%.Для изменения давления в камере канал между вакуумной камерой и турбомолекулярным насосом частично перекрывался заслонкой. Токи эмиссии и накала катода контролировались по показаниям миллиамперметра и амперметра (см рис 1). Результаты эксперимента. Измеренная зависимость выходного напряжения усилителя тока коллектора от давления в камере показана на рис. 6. Из графика видно, что с точностью 20% зависимость линейная во всём диапазоне давлений. Такая точность соответствует погрешности считывания со светодиодной индикации вакуумметра ВМБ-1/8/001. Погрешностью усилителя в этом случае можно пренебречь. Данная зависимость апроксимируется прямой Uвых[мВ]=11186·P[Па]+10 (рис. 6). Сдвиг прямой относительно нуля соответствует среднему току утечки. Было проведено прямое измерение тока утечки. Для этого после выключения тока накала катода измерялось напряжение на выходе усилителя. В начале серии экспериментов после выключения эмиссии измеренное напряжение составляло 0,3 мВ, что соответствует току утечки 2,7 нА. Это напряжение, по мере остывания датчика, меньше чем за одну минуту становилось ниже 0,1 мВ (<1 нА). После длительной работы манометра напряжение на выходе усилителя в отсутствие эмиссии могло достигать 100 мВ (0,1 мкА). Это напряжение также спадало до нуля, но за время порядка нескольких десятков минут, что связано с прогревом всей конструкции датчика.
При измерении давлений от 10 -2 до 10-1 Па достаточно периодически отключать ток накала для остывания датчика. В диапазоне давлений от 10-4 до 10-2 Па нужно контролировать ток утечки и при необходимости вычитать его.При измерении показанной на рис. 6 зависимости в диапазоне давлений от 3,7·10 -3 до 1·10-2 Па ток утечки был достаточно мал, т.к. датчик ещё не прогрелся. В диапазоне давлений от 2·10-3 до 3,7·10-3 Па измеренный ток утечки вычитался в каждой точке.Зависимость выходного напряжения от тока эмиссии при давлении 2·10 -3 Па показана на рис. 7. Каждая точка этой зависимости представляет собой разность выходных напряжений при включенном и выключенном после этого накале катода. Таким образом, ток утечки исключается из результата. Основная погрешность определялась точностью измерения меняющихся со временем напряжений при включенном и выключенном накале катода.
Рис. 7. Зависимость выходного напряжения вакуумметра от тока эмиссии при давлении 2·10 -3 Па.Заключение. В данной работе были спроектированы и изготовлены схема стабилизации тока эмиссии и усилитель тока коллектора. Проведённые измерения показали, что схема с хорошей стабильностью поддерживает в процессе работы заданный ток эмиссии от 1 до 20 мА. В целом, созданный вакуумметр позволяет измерять давления 10 -3-10-1 Па. Проведена калибровка вакуумметра в этом диапазоне давлений. Измерена зависимость показаний вакуумметра от тока эмиссии. Начато исследование токов утечки манометра. Предложена методика измерений, позволяющая уменьшить влияние тока утечки.В дальнейшем предполагается для снижения тока утечки:
Благодарности. Работа выполнена при поддержке ИЯФ СО РАН. Автор благодарит А. С. Кривенко (ИЯФ СО РАН) за предложенную тему за консультации, за внимание к работе, за помощь при работе на экспериментальной установке. Литература.
|
|||
 |
