УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВА ПУЧКА ИОНОВ

Полезная модель относится к области установок для определения наличия, интенсивности, плотности или энергии излучения или частиц [G01T 1/20].
Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ИОНОВ [RU 2520940 С2, опубл. 27.06.2014], содержащее сцинтиллятор, установленный перпендикулярно направлению пучка ионов, фотоприемники, расположенные равномерно по периметру сцинтиллятора, схему регистрации и обработки сигналов с фотоприемников, отличающееся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде дискообразной светонепроницаемой камеры, а фотоприемники установлены в отверстиях, выполненных в ее боковой стенке, и снабжены светофильтрами, прозрачными для инфракрасного излучения, при этом сцинтиллятор вместе с фотоприемниками заключен в герметичную оболочку с отверстиями для впуска и выпуска сцинтиллирующего газа. Наиболее близким по технической сущности является ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР [Научное приборостроение, 2000, том 10, №1], содержащий схему с последовательным преобразованием сигнала, в состав которой входят сборка двух микроканальных пластин, люминесцентный экран, объектив и многоэлементный фотоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем. Сигналы запоминаются в памяти накопителя спектра, управляемого компьютером. Основной технической проблемой аналога и прототипа является высокая погрешность измерения, обусловленная низким соотношение сигнал/шум и отсутствием возможности настройки положения детектора относительно измеряемого потока частиц.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений энергетических характеристик потока ионов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена установка для измерения состава пучка ионов содержащая, детектор, аналого-цифровой преобразователь, модуль памяти, отличающаяся тем, что детектор смонтирован в детекторном модуле поперек пучка ионов на выходном валу шагового двигателя, аналоговый выход с детектора подключен одновременно к АЦП через последовательно подключенные предварительный, операционные и выходные усилители и к компараторам блока управления и измерения, при этом выходные усилители подключены к АЦП через кабель задержки, компараторы подключены к триггерному коммутатору, выходы которого через схему совпадений, линию задержки, схему «BUSY» и формирователь подключены к программируемой логической интегральной схеме, к другому входу которого подключен АЦП, при этом информационные выходы схемы «BUSY», формирователя и программируемой логической интегральной схемы через схему управления соединены с АЦП, причем программируемая логическая интегральная схема выполнена с возможностью соединения по USB-интерфейсу с управляющим компьютером, а питание детекторного блока и блока управления и измерения выполнено от отдельных блоков питания.
В частности детекторный блок выполнен в виде жесткой конструкции и соединен с блоком управления и измерения кабельной линией связи для передачи данных.
В частности детектор выполнен в виде кремниевого детектора.
В частности детектор выполнен в виде четырех падовых чувствительных элементов.
В частности управление линейным шаговым двигателем выполнено от контроллера шагового двигателя.
В частности по бокам детектора вдоль оси перемещения смонтированы концевые выключатели с возможностью ограничения линейного перемещения детектора.
В частности концевые выключатели включены в схему управления контроллера шагового двигателя.
В частности предварительный усилитель выполнен двухканальным.
В частности к каждому операционному усилителю подключены по два выходных усилителя.
В частности управление триггерным коммутатором выполнено от контроллера блока управления и измерения.
В частности питание блока управления и измерения выполнено раздельным для аналоговой и цифровой частей.
Полезная модель поясняется чертежом.
На чертеже показана структурная схема комплекса устройств измерения состава пучка ионов.
На чертеже обозначено: 1 - детекторный блок, 2 - блок управления и измерения, 3 -линейный шаговый двигатель, 4 - выходной вал, 5 - кремниевый детектор с чувствительными элементами, 6 - контроллер шагового двигателя, 7 - концевые выключатели, 8 - предварительный усилитель, 9, 10 - операционные усилители, 11-14 - выходные усилители, 15, 16 - компараторы, 17 - триггерный коммутатор, 18 - АЦП, 19 - схема совпадений, 20 - линия задержки, 21 - схема «BUSY», 22 - формирователь, 23 - контроллер, 24 - программируемая логическая интегральная схема, 25 - схема управления, 26 - модуль USB, 27 - персональный компьютер, 28 - блок питания детекторного модуля, 29 - блок питания блока управления и измерений.
Осуществление полезной модели
Устройство измерения состава пучка ионов (см. фиг.) содержит детекторный блок 1 и блок управления и измерения 2, соединенный с блоком 1. Детекторный блок 1 заключен в металлический корпус с входным и выходным окном для прохождения частиц. Внутри детекторного модуля 1 смонтирован линейный шаговый двигатель 3, на выходном валу 4 которого смонтирован кремниевый детектор 5, состоящий из четырех падовых детекторов (на чертеже не показаны). Шаговый двигатель 3 подключен к управляющим выходам контроллера шагового двигателя 6. К другим выходам контроллера шагового двигателя 6 подключены концевые выключатели 7, смонтированные вдоль выходного вала 4 с каждой из сторон корпуса кремниевого детектора 5. Кремниевый детектор 5 подключен к двухканальному предварительному усилителю 8, выходы которого подключены к операционным усилителям 9 и 10. На каждый из выходов операционных усилителей 9 и 10 приходится по два выходных усилителя 11-12 и 13-14 соответственно. Выходные усилители 11 и 13 при помощи кабельной задержки подключены к входам АЦП 18. Выходные усилители 12 и 14 через компараторы 15, 16 блока управления и измерения 2 подключены к триггерному коммутатору 17. Выходы триггерного коммутатора 17 через схему совпадений 19, линию задержки 20 и схему «BUSY» 21 подключены к формирователю 22.
Выход формирователя 22 одновременно подключен к программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) 24 и через схему управления 25 к АЦП 18. К другим входам АЦП 18 через схему управления 25 подключены выводы со схемы «BUSY» 21 и ПЛИС 24.
Управляющий выход АЦП 18 подключен к ПЛИС 24. Контроллер 23 и ПЛИС 24 могут быть для внешнего управления подключены через модуль USB 26 к персональному компьютеру 27. Питание детекторного модуля 1 и блока управления и измерения 2 выполнено от соответствующих блоков питания 28 и 29.
Установка для измерения состава пучка ионов используется следующим образом. Запитывают детекторный модуль 1 и блок управления и измерения 2 от соответствующих блоков питания 28 и 29. Для измерения состава пучка ионов в контроллере шагового двигателя 6 формируют ведущий фазовый сигнал для запуска линейного шагового двигателя 3 в режиме полушага, обычном или колебательном режимах. Задают скорость перемещения выходного вала 4 шагового двигателя, устанавливают контроллер шагового двигателя 6 в начальное положение, задают направление движения и разрешают работу контроллера шагового двигателя 6. Линейным шаговым двигателем 3 перемещают детектор 5 по линейной координате, при этом подачей нужного количества импульсов на контроллер шагового двигателя 6 задают положение детектора 5 в относительно оси пучка. При достижении детектора 5 одного из крайних своих положений срабатывает один из концевых выключателей 7 подключенных в схему управления контроллера шагового двигателя 6, шаговый двигатель 3 отключается и движение детектора 5 прекращается.
При прохождении заряженных частиц через детектор 5 формируется сигнал, пропорциональный квадрату заряду частицы. С детектора 5 сигнал последовательно пропускают через предварительный двухканальный усилитель 8, операционные усилители 9, 10 и выходные усилители 11-14. С выходных усилителей 11, 13 сигнал через кабельную задержку на 50 нс передают на вход АЦП 18, а с выходных усилителей 12, 14 на триггерную логику блока управления и измерения 2, содержащую компараторы 15, 16, подключенные к триггерному коммутатору 17.
В режиме определения положения нуля выходных усилителей 11-14 и съема шумовых характеристик детектора 5 триггерный коммутатор 17 отключает выходы компараторов 15, 16 от схемы совпадений 19, а вход схемы совпадений 19 подключается к генератору импульсов контроллера 23.
В режиме измерения триггерный коммутатор 17 подключает необходимое количество компараторов 15, 16 к входу схемы совпадений 19, при этом при выходе из строя одного из триггерных каналов триггерный коммутатор 17 отключает неработающий канал от входа схемы совпадений 19 и продолжает работу с оставшимися.
При наличии заданного количества сигналов, превышающих порог компараторов 15, 16 схема совпадений 19 разрешает дальнейшее прохождение сигнала в линию задержки 20, где триггерный сигнал отсинхронизируют с сигналом детектора 5. Далее сигнал передают в схему «BUSY» 21 и если в данный момент АЦП 18 не занят обработкой предыдущего импульса, сигнал передают в формирователь 22, в котором вырабатывают импульс длительностью от 80 нс до 400 нс разрешающий интегрирование входного сигнала АЦП 18 и запускающий ПЛИС 24.
По окончании импульса интегрирования входного сигнала от формирователя 22 ПЛИС 24 подает сигнал «хранение» на АЦП 18, при этом для уменьшения уровня шумов сигнал на начало преобразования входного сигнала задержан относительно сигнала «хранение» на 200 нс. После окончания преобразования ПЛИС 24 считывают данные из АЦП 18 одновременно из всех каналов, преобразуют полученный последовательный код в параллельный и записывают результат в модуль USB 26. После записи результата блок управления и измерения 2 переходит в режим ожидания. От модуля USB 26 оцифрованный сигнал передают IBM PC 27 для финальной обработки и визуализации амплитуды сигнала в виде гистограммы распределения амплитуды сигнала.
6
Технический результат - повышение точности измерений энергетических характеристик потока ионов, достигается за счет того, что к аналоговому выходу детектора 5 последовательно подключены предварительный 8, операционные 9, 10 и выходные 11-14 усилители, при этом операционные усилители 9, 10 включены по схеме интегратора, время формирования импульса в котором выбрано исходя из предполагаемой загрузки детектора не более 10 частиц за сброс/детектор, а на каждый из выходов операционных усилителей 9, 10 подключены по два выходных 11-14 усилителя, повышающие амплитуду полезного сигнала по отношению к уровню шума, а линия задержки 20 аналогового сигнала детектора 5 обеспечивает задержку сигнала от 11 до 266 нс, в результате чего при наложении инвертированного и задержанного сигнала уменьшается уровень шума. При этом размещение детектора 5 на выходном валу 4 линейного шагового двигателя 3 управляемого контроллером шагового двигателя 6 обеспечивает более точное положение детектора 5 относительно измеряемого пучка ионов, тем самым увеличивая уровень выходного сигнала детектора 5.