Устройство питания систем компенсации электрических полей в ионных ловушках

Полезная модель относится к системам питания и распределения электрической энергии с возможностью регулирования напряжения и предназначена, преимущественно, для питания систем компенсации электрических полей в ионных ловушках.
Известно устройство регулируемого повышающего преобразования постоянного напряжения [RU 2734101 C1, H02M 3/18, 13.10.2020], содержащее входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n подсоединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, n-1 разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом, отличающийся тем, что в него введены двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, между выходным выводом которого и общим выводом включена нагрузка, дополнительный выходной конденсатор, соединяющий дополнительный выходной и общий выводы преобразователя, дополнительный разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода и конденсатора второй цепочки и дополнительным выходным выводом, причем выходные выводы преобразователя подключены к входным выводам двухуровневого широтно-импульсного регулятора.
Недостатком устройства является относительно высокая сложность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является регулируемое устройство питания систем высокого напряжения [US 7893561 B2, H02J 1/100, 22.02.2011], содержащее набор батарей, переключателей, позволяющих осуществлять как параллельное, так и последовательное подключение данного набора батарей между собой для регулирования выходного напряжения и допустимого тока, выходной переключатель, осуществляющий подключение к нагрузке, а также ограничитель выходного тока, поступающего на выходную нагрузку.
Недостатком устройства является относительно низкая точность, поскольку обеспечивает возможность формирования только строго фиксированного набора выходных напряжений, кратных напряжениям батарей из набора, а также относительно высокая сложность регулирования, обусловленная необходимостью использования большого числа переключателей.
Действительно, для обеспечения питания устройств с высоким потреблением тока и рабочим напряжением от переносных источников, таких как батарея, существует необходимость возможности коммутировать источники как параллельно, так и последовательно, что обуславливает использование переключателей в прототипе. Однако в приложениях с низким потреблением тока, таких как обеспечение потенциалов на электродах для компенсации внешних электрических полей в рабочем объеме, отсутствует необходимость в параллельной коммутации. При этом в данных приложениях имеется требование к точной подстройке выходного напряжения устройства с разрешением лучшим, чем 1 мВ, что недостижимо за счет перекоммутации батарей в прототипе.
Задача, которая решается в полезной модели, направлена на создание устройства, обеспечивающего возможность более точной и более простой настройки выходного напряжения, что обеспечит возможность применения устройства в приложении к системам компенсации внешних электрических полей в ионных ловушках.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности и упрощении настройки выходного напряжения.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее набор последовательно соединенных батарей, входным контактом которого является контакт отрицательного потенциала первой из последовательно соединенных батарей, согласно полезной модели,введенреостат, входной и выходной контакты которого подключены к контактам соответственно положительного и отрицательного потенциала последней батареи набора батарей, при этом плавающий контакт реостата является выходным контактом устройства с положительным потенциалом, а выходным контактом устройства с отрицательным потенциалом является контакт отрицательного потенциала первой из последовательно соединенных батарей.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что количество батарей в наборе выбирают равным от 7 до 100.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что номинальное сопротивление реостата составляет от 100 кОм до 10 МОм, а число оборотов реостата составляет не менее 10.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что набор батарей установлен в пластиковом квазигерметичном корпусе.
На чертеже представлено устройство питания систем компенсации электрических полей в ионных ловушках.
На чертеже обозначены:
1.1, 1.2, … 1.N - батареи набора последовательно соединенных батарей;
1.1-  - контакт отрицательного потенциала батареи 1.1 (входной контакт набора последовательно соединенных батарей);
1.N-, 1.N+ - контакты отрицательного и положительного потенциалов батареи 1.N;
2 - реостат;
2.1, 2.2 - входной и выходной контакты реостата соответственно;
2.3 - плавающий контакт реостата;
3 - выходной контакт устройства;
3.1, 3.2 - контакты выходного разъема;
4 - квазигерметичный пластиковый корпус.
Устройство генерации высокого напряжения содержит набор батарей 1, включающих N последовательно соединенных батарей 1.1, 1.2 … 1.N, где N варьируется от 7 до 100, таким образом, что отрицательный контакт 1.1 - батареи 1.1 подключен к контакту 3.2 выходного разъема 3, контакты 1.N- и 1.N+ подключены к выводам 2.1 и 2.2 соответственно реостата 2, а контакт 2.3 реостата 2 подключен к контакту 3.1 выходного разъема 3, при этом между контактами 3.2 и 3.1 формируется напряжение, равное сумме напряжений батарей 1.1, 1.2 … 1.N и напряжения, получаемого за счет регулировки реостата 2.
Устройство питания систем компенсации электрических полей в ионных ловушках используется следующим образом.
Устройство содержит в себе набор последовательно соединенных батарей 1 с рабочим напряжением отдельной батареи, например, 9 Вольт в количестве от 7 до 100 в зависимости от требуемого рабочего напряжения. Устройство содержит также многооборотный реостат 2 с номинальным сопротивлением не менее 100 кОм и числом оборотов не менее 10, выходной разъем 3 и квазигерметичный пластиковый корпус 4, обеспечивающий температурную стабильность напряжения батарей. Величина выходного напряжения, таким образом, определяется как (N-1)×9 В, где N - число отдельных батарей в наборе, в сумме с напряжением, обеспечиваемым делением реостатом напряжения от последней батареи в наборе. С учетом точности установки положения плавающего контакта реостата разрешение установки выходного напряжения составляет не менее 1 мВ.
Устройство предназначено для обеспечения напряжения на электродах ионной ловушки, например такой как [RU 205635 U1], для компенсации внешних электрических полей в рабочей области. Характерные значения напряжений, требуемых для решения этой задачи, составляют от единиц вольт, в случае если электроды находятся в прямой видимости относительно рабочей области и не экранируются соседними электродами, до сотен вольт, в случае удаленных от рабочей области электродов. В экспериментах с ионными ловушками требования к относительной точности установки выходного значения достигают 0,001%, что соответствует разрешению устройства свыше 10 мВ в данном диапазоне, а характерные значения флуктуаций напряжения должны по крайней мере не превосходить разрешения. В случае, когда требуемые напряжения лежат в области от Вольта до десятка Вольт, для обеспечения напряжений на электродах могут использоваться тривиальные решения, такие линейные источники питания. Однако для достижения высоких напряжений требуются более сложные технические решения, такие как повышающие DC/DC преобразователи, обладающие рядом недостатков: характерный уровень шумов выходного напряжения для устройств, обеспечивающих напряжение порядка в диапазоне от 500 В до 1000 В составляет, в зависимости от используемых выходных фильтров, от единиц до десятков милливольт, также данные устройства являются технически сложными, содержа в себе, как правило, несколько повышающих каскадов, и потребляют электроэнергию даже при нулевой нагрузке, что приводит к нагревам и температурным дрейфам.
Альтернативным подходом к этой задаче является использование источников на батареях. Данное решение является особенно удачным для обозначенной задачи обеспечения напряжения на электродах ионной ловушки, так как нагрузка в данном случае является чисто емкостной и для постоянного поддерживаемого значения напряжения потребление нагрузки равно нулю, то есть устройство расходует электроэнергию только за счет саморазряда батарей, что обуславливает время функционирования без обслуживания порядка нескольких лет. При этом размах флуктуаций напряжения низковольтных батарей составляет менее 10 мкВ, что существенно лучше, чем у решений, использующих повышающие преобразователи. В низкочастотной области эти флуктуации обусловлены флуктуациями температуры окружающей среды, и, следовательно, относительный уровень флуктуаций при последовательном подключении нескольких элементов значительно не увеличится и составит от 0,0001% до 0,001%.
Предлагаемое устройство также должно обладать возможностью тонкой настройки значения выходного напряжения. Для этого между полюсами крайней батареи в наборе устанавливается реостат, позволяющий делить напряжение от нее и подавать на выходной контакт с делителя. Сопротивление реостата выбирается большим 100 кОм. В такой конфигурации, так как нагрузка представляет собой бесконечное сопротивление, ток в устройстве протекает только между выводами крайней батареи через реостат и составляет не более 100 мкА, что с учетом емкостей батарей в диапазоне от 100 до 1000 мАч обеспечивает время работы в несколько лет.
Разрешение установки напряжения определяется разрешением установки положения делителя реостата, принимаемой равной 1 градусу из 3600 градусов поворота ручки реостата при 10 оборотах. Таким образом разрешение установки напряжения составляет около 2,5 мВ.
Основным источником флуктуаций напряжения для предложенного устройства являются температурные эффекты. Так как предполагаемый ток нагрузки строго равен нулю, единственным источником флуктуаций температуры является внешняя среда. Для изоляции от внешней среды набор последовательно соединенных батарей устанавливается в квазигерметичный корпус, изготовленный из пластика.
Настройка требуемого выходного напряжения в приложении компенсации электрических полей в ионных ловушках с помощью устройства должна проводиться в два этапа, так как диапазон перестройки выходного напряжения ограничен напряжением отдельной батареи. Для первичной настройки может быть использован как прототип, так и повышающий преобразователь с высоким уровнем шумов и низким разрешением установки выходного напряжения. В экспериментах с ионными ловушками целевой функцией для установки напряжения является положение ионов, которые должны находиться на оси ловушки. Для грубой настройки, как правило, используют наблюдение с помощью видеокамеры, которое может быть осуществлено с использованием прототипа или повышающего преобразователя. После этого в предлагаемом устройстве реализуется последовательное соединение батарей в требуемом количестве, и далее для более тонкой подстройки и работы в стационарном режиме используется предлагаемое устройство.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает достижение требуемого технического результата, заключающегося в повышении точности и упрощении настройки выходного напряжения.
Настоящая полезная модель была разработана в рамках реализации мероприятия № 13 «Подготовка и подача патентных заявок» детализированного плана-графика за 2021 год программы деятельности Лидирующего исследовательского центра «Квантовые вычисления» (соглашение №014/20 от 18.05.2020) в соответствии с дорожной картой «сквозной» цифровой технологии - «Квантовые технологии» при поддержке Фонда НТИ и АО «РВК».