ЭКВИВАЛЕНТ ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ В ПРОЦЕССЕ И ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ГАММА- НЕЙТРОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Назначение и область применения
Изобретение относится к области электронной техники, а именно к устройству для контроля параметров кварцевых резонаторов, в частности, путем исследования влияния импульсных гамма-нейтронных излучений на динамическое сопротивление кварцевого резонатора в процессе и после воздействия, установления зависимости динамического сопротивления резонатора от мощности экспозиционной дозы гамма-излучения и интегрального потока нейтронов.
Предшествующий уровень техники
В последние годы значительное внимание уделено воздействию гамма и нейтронных излучений на характеристики различных электронных компонентов и систем. Такой интерес был, в частности, сформирован необходимостью прогнозирования производительность систем управления и связи, используемых в искусственных спутниках Земли, космических аппаратах и т.п.Разработка сложных систем синхронизации и управления частотой кварцевых резонаторов, используемых в составе генераторов вышеуказанных аппаратных решений и систем, требует предложения способа и устройств, позволяющих осуществлять быстрый и достоверный контроль параметров кварцевых резонаторов, обеспечивая тем самым, уменьшение или устранение чувствительности этих устройств к воздействию импульсных гамма-нейтронных излучений.
Известно, что основными критериями оценки параметров кварцевого резонатора (КР) являются амплитуда напряжения на КР, амплитуда тока, проходящего через КР и рабочая частота. При этом, рабочий режим КР, соответствующий его техническим характеристикам, определяется схемой кварцевого генератора, в связи с чем, контроль и настройка параметров КР предпочтительно осуществлять в схемных решениях генераторов, для которых они предназначены.
Из предшествующего уровня техники, известно устройство контроля параметров КР представляющее собой эквивалент (имитатор) генератора для настройки и исследования изменения динамического сопротивления кварцевого резонатора при импульсных радиационных воздействиях (см. R.E. Paradysz and W.L. Smith CRYSTAL CONTROLLED OSCILLATORS FOR RADIATION ENVIRONMENTS. Proc. 27 Ann. Symp.Frequency Control pp.120-123. 1973). Указанное решение выполнено по емкостной трехточечной схеме и содержит генераторный транзистор, включенный по схеме с общим коллектором, буферный усилитель, включенный по схеме с общей базой и кварцевый резонатор, подключенный одним своим выводом к базе генераторного транзистора и другим - ко входу буферного усилителя. В данном решении применена схема автоматической регулировки усиления (АРУ), выходной сигнал которой, вместе с частотным выходом генератора, используется для оценки влияния импульсного гамма- нейтронного излучения на параметры кварцевого резонатора. По совокупности существенных признаков, данное решение принято за прототип.
Однако, постоянная времени цепи АРУ с установленным значением 500 мкс, обуславливает высокую инерционность схемного решения данного устройства, что не позволяет фиксировать изменения параметров резонатора непосредственно при воздействии импульсного гамма- и нейтронного излучения и после его воздействия в течение времени, по крайней мере, до 1000 мкс.Кроме того, данный фактор, также не позволяет оценить изменения тока и напряжения непосредственно на резонаторе, что является важным при разработке кварцевых резонаторов и генераторов, работающих при указанных воздействиях, и может оказать негативные последствия на качественные характеристики и стабильность работы кварцевого генератора при его практическом применении. Указанные недостатки прототипа эквивалента генератора ограничивают его использование для оценки качества кварцевых резонаторов и принятия технических решений при его разработке.
Сущность полезной модели
Техническая задача, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в создании устройства эквивалента генератора, лишенного недостатков, свойственных прототипу и предложении простой, компактной конструкции эквивалента генератора для контроля параметров кварцевых резонаторов в процессе и после воздействия импульсных гамма- и нейтронных излучений.
Технический результат, достигаемый применением заявленной полезной модели, заключается в расширении арсенала средств устройств контроля параметров кварцевых резонаторов на основе эквивалента генератора, позволяющем обеспечить стойкость генератора к воздействиям импульсных гамма- и нейтронного излучений, в том числе, в период времени от 0 до 10 наносекунд и после воздействия указанных излучений, за счет своевременной коррекции конструкции кварцевого резонатора и схемного решения генератора на его основе, без потери стабильности кварцевого генератора, работающего при воздействии указанного излучения.
Заявленное техническое решение, позволяет оценить изменение динамического сопротивления кварцевого резонатора в процессе и после воздействия импульсных гамма- и нейтронных излучений, а также определить влияние мощности данных излучений на параметры резонатора и учесть эти факторы при разработке кварцевого генератора.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют эквивалент генератора для контроля параметров кварцевых резонаторов в процессе и после воздействия импульсных гамма- и нейтронных излучений, выполненный по емкостной трехточечной схеме, содержащий источник питания и соединенные с ним генераторный транзистор, включенный по схеме с общим коллектором, буферный усилитель, включенный по схеме с общей базой и кварцевый резонатор, подключенный одним своим выводом к базе генераторного транзистора и другим ко входу буферного усилителя, отличающийся от прототипа тем, что дополнительно содержит первый и второй согласующие усилители, где первый согласующий усилитель выполнен с высоким входным сопротивлением и подключен к базе генераторного транзистора и одному из выводов кварцевого резонатора, а второй соединен с выходом буферного усилителя через коллекторную нагрузку, при этом буферный усилитель выполнен с низким входным сопротивлением, а выходы буферного усилителя, через второй согласующий усилитель, и первого согласующего усилителя соединены с выходными разъемами измерительного канала, выполненными с обеспечением возможности снятия сигнала пропорционального протекающему через кварцевый резонатор току и напряжению на нем соответственно.
В предпочтительном варианте осуществления заявленной полезной модели, источник питания выполнен автономным.
В еще одном, варианте осуществления заявленной полезной модели, эквивалент генератора дополнительно содержит гальваническую развязку источника питания и выходных разъемов измерительного канала. При этом, гальваническая развязка может содержать выходные согласующие трансформаторы, соответствующие выходным разъемам.
В другом варианте осуществления полезной модели, первый и второй согласующие усилители выполнены в виде высокоскоростных операционных усилителей.
В еще одном варианте осуществления заявленной полезной модели, эквивалент генератора может быть выполнен в виде малогабаритного переносного блока, внутри корпуса которого установлен экран из ферромагнитных сплавов.
Краткое описание чертежей
Конструкция заявленной полезной модели проиллюстрирована на следующих иллюстративных материалах:
фиг. 1 - структурная схема эквивалента генератора, согласно полезной модели;
фиг. 2 - принципиальная схема эквивалента генератора, согласно полезной модели;
фиг. 3 - структурная схема измерительной установки для контроля параметров кварцевых резонаторов в процессе и после воздействия импульсных гамма- и нейтронных излучении, выполненной на основе эквивалента генератора, согласно полезной модели
7
10
фиг. 4 - осциллограммы экспериментальных данных испытаний резонатора АТ-среза на частоте 10 МГц: а) осциллограмма измерения тока протекающего через резонатор (луч 1) и напряжения на резонаторе (луч 2) при воздействии гамма-импульсов мощностью экспозиционной дозы 1×10 Р/с, б) осциллограмма измерения тока протекающего через резонатор (луч 1) и напряжения на резонаторе (луч 2) при воздействии гамма-импульсов мощностью экспозиционной дозы 2,6×10 Р/с.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов осуществления полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает и другие возможные варианты ее осуществления.
Осуществимость полезной модели.
Как следует из представленных на фиг. 1 структурной схемы заявленного решения полезной модели, устройство эквивалента генератора состоит из:
- автогенератора 2, собранного по схеме емкостной трехточки на транзисторе VT2 (фиг. 2);
- буферного усилителя 4, собранного по схеме с общей базой на транзисторе VT1 (фиг. 2) с низким входным сопротивлением, подключенным своим входом к кварцевому резонатору 1;
- первого 3 и второго 5 согласующих усилителей, собранных соответственно на микросхемах операционных усилителей DA1 и DA2 (фиг. 2);
- первого 7 (Т1, фиг. 2) и второго 6 (Т2, фиг. 2) выходных согласующих трансформаторов, обеспечивающих гальваническую развязку источника питания с выходными каналами, подключаемыми к измерительному тракту;
- автономного источника питания 8 (Р1, фиг. 2), состоящего, например, из 4-х гальванических элементов типа АА.
Как следует из представленной на фиг. 2 принципиальной схемы заявленного устройства ЭГ, генераторный транзистор VT2, включен по схеме с общим коллектором, буферный усилитель на базе транзистора VT1, включен по схеме с общей базой, а кварцевый резонатор одним своим выводом подключен к базе генераторного транзистора VT2, а другим ко входу буферного усилителя VT1. Эквивалент генератора, согласно заявленной полезной модели, дополнительно содержит первый DA1 и второй DA2 согласующие усилители. При этом, первый DA1 согласующий усилитель выполнен с высоким входным сопротивлением и подключен к базе генераторного транзистора VT2 и одному из выводов кварцевого резонатора, а второй DA2 - соединен с выходом буферного усилителя VT1 через коллекторную нагрузку R5, причем буферный усилитель VT1 выполнен с низким входным сопротивлением. Выход буферного усилителя VT1, через второй DA2 согласующий усилитель, как и выход первого DA1 согласующего усилителя, соединен, через гальваническую развязку, соответственно с выходными разъемами X1 и X2 измерительного канала. Согласно примеру осуществления полезной модели, представленному на фиг. 2, гальваническая развязка источника питания с выходными разъемами измерительных каналов, сформирована включением соответствующих выходных согласующих трансформаторов T1 и T2, в качестве которых, например, могут быть использованы компактные сигнальные трансформаторы ADTT 1-1 (компании Mini Circuits) или иные, известные в данной области техники аналогичные элементы.
Напряжение от автономного источника питания P1 эквивалента генератора подается включением выключателя SA1, установленного на корпусе прибора.
Устройство, предпочтительно, выполнено в едином конструктивном исполнении, в виде малогабаритного переносного прибора, корпус которого, для защиты от воздействия электромагнитного импульса, возникающего в процессе импульсных гамма- нейтронных излучений, защищен экраном из ферромагнитных сплавов, установленным с внутренней стороны.
Согласующие усилители DA1 и DA2 выполнены в виде операционных усилителей (ОУ), предпочтительно, высокоскоростных, таких, например, как MAX4200 (компании: Maxim Integrated Products), или иных аналогичных, известных в уровне техники высокоскоростных операционных усилителей, обладающих, в том числе, низким уровнем шума ОУ.
В качестве генераторного и буферного усилителя, в соответствии с представленным на фиг. 2 примере осуществления полезной модели, применены малосигнальные биполярные транзисторы, например, BFS 20 (компании NXP Semiconductors). Однако, для специалиста в данной области техники очевидно, что в качестве данных элементов заявленного решения могут быть использованы и иные, аналогичные электронные компоненты, транзисторы, широко применяемые в схемных решениях кварцевых генераторов.
Устройство ЭГ, согласно заявленной полезной модели, работает следующим образом.
При включении напряжения источника питания Р1 в автогенераторе возникают незатухающие колебания с частотой 3-ей механической гармоники кварцевого резонатора. Как следует из представленной на фиг. 2 принципиальной схемы заявленного ЭГ, роль емкостей трехточечной схемы выполняют конденсаторы С9, С10 и С11 с параллельно включенной индуктивностью L1. Индуктивность предназначена для подавления нерабочей 1 механической гармоники кварцевого резонатора.
Кварцевый резонатор Q1 включен между базой транзистора VT2 и входом буферного усилителя (эмиттер VT1), имеющего низкое по сравнению с динамическим сопротивлением кварцевого резонатора входное сопротивление. Таким образом, колебательный ток, проходящий через кварцевый резонатор, преобразуется практически в равный ему коллекторный ток транзистора VT1 и выделяется в виде напряжения на коллекторной нагрузке VT1 - резисторе R5. Напряжение с резистора R5 подается на вход согласующего усилителя DA2 и с его выхода, через выходной согласующий трансформатор Т1, поступает на выходной разъем Х1. Таким образом, на выходном разъеме Х1 присутствует сигнал, пропорциональный току кварцевого резонатора. В свою очередь, напряжение с кварцевого резонатора Q1 поступает на вход первого согласующего усилителя DA1 и далее, по аналогичному тракту, а именно, с выхода DA1, через выходной согласующий трансформатор T2, к выходному разъему Х2. Согласующие трансформаторы Т1 и Т2 служат для гальванической развязки источника питания с измерительным трактом и оптимального согласования ЭГ с измерительными приборами с целью минимизации помех. Использование автономного источника исключает наводки по цепям питания.
Данное схемное решение является базовым для исследования резонаторов АТ-среза на частоты 5-30 МГц, с колебаниями как на первой, так и третьей гармонике, и дополнительно позволяет при изменении или исключении подстроечных элементов - конденсаторов С8, С9, С11, индуктивности L1, а также изменении режимов работы транзистора VT2 быстро перестраивать генератор на необходимую частоту. При этом, исключение из схемы конденсатора С8 и индуктивности L1 позволяет возбуждать резонатор на 1 механической гармонике. Использование автономного источника питания и согласующих трансформаторов существенно снижает величину наводок по цепи питания на схему генератора.
Схемные элементы R1-R4, R6-R14, а также С1-С7 и С12 являются необходимым набором компонент для работы усилителей и транзисторов, в том числе, включающие корректирующие элементы цепи ОУ, для обеспечения устойчивости, необходимой АЧХ, а также элементы питания по постоянному току и согласующие элементы схемы.
Таким образом, решение заявленного устройства эквивалента генератора (ЭГ) построено на основе автогенератора, наиболее часто применяемого в серийных кварцевых генераторах, и позволяет получать два выходных сигнала, один из которых пропорционален напряжению на кварцевом резонаторе, а другой пропорционален току, протекающему через него. Изменение величин этих сигналов позволяет оценить динамическое сопротивление кварцевого резонатора. Такое техническое решение ЭКГ позволяет непрерывно регистрировать выходные сигналы до, в процессе и непосредственно после воздействия импульсных гамма и нейтронных излучений на кварцевый резонатор.
Структурная схема измерительной установки для контроля параметров кварцевых резонаторов в процессе и после воздействия импульсных гамма- и нейтронных излучений, выполненной на основе заявленного решения эквивалента генератора, представлена на фиг. 3, где в качестве где в качестве моделирующих установок могут быть использованы, например:
- БАРС-4 (3) - импульсный твердотопливный двухзонный ядерный реактор на быстрых нейтронах;
- РИУС-5 - рентгеновский импульсный ускоритель электронов;
- УИН-10 - импульсный ускоритель электронов;
- ЛИУ-10 - импульсный ускоритель электронов;
- "Арса" - малогабаритный импульсный ускоритель электронов.
Перед началом испытаний проводится калибровка эквивалента генератора для каждого кварцевого резонатора. Для этой цели, последовательно КР подключается магазин сопротивлений с шагом 5 Ом и регистрируются напряжения на разъемах Х1 и Х2.
Напряжение на разъеме Х1 является мерой прямого тока через резонатор, напряжение на разъеме Х2 является мерой напряжения на резонаторе. Рабочая частота может быть измерена на выходе Х1.
Для исследования влияния импульсных гамма и нейтронного излучений на динамическое сопротивление кварцевого резонатора с использованием данного устройства, к выходам Х1 и Х2 подключают входы двухканального запоминающего осциллографа, например, TDS1000, синхронизированного с запуском моделирующей установки, например, РИУС-5.
Исследуемый кварцевый резонатор, с помощью длинной линии, до 1 м, подключают к эквиваленту резонатора и размещают по оси пучка импульсного гамма или нейтронного излучения на заданном расстоянии от мишени.
В процессе проведения испытаний запоминающий осциллограф переводят в режим однократного запуска с внешней синхронизацией от импульса моделирующей установки.
При воздействии импульсов моделирующей установки на экране осциллографа регистрируются 2 сигнала: с выходов XI и Х2 эквивалента кварцевого генератора.
Оценка изменения динамического сопротивления резонатора производится путем сопоставления амплитудных значений сигналов на выходах ЭГ с данными калибровочной таблицы.
На фиг. 4а) и б) представлены экспериментальные данные в отношении кварцевого резонатора АТ-среза на частоте 10 МГц, с колебаниями на 3 механической гармонике, представляющие собой формы эпюр сигналов на выходах Х1 и Х2 при различных мощностях экспозиционной дозы гамма излучения. На представленных осциллограммах: луч канала 1- сигнал пропорциональный току протекающему через кварцевый резонатор, а луч канала 2 - напряжение на кварцевом резонаторе. Вертикальные коэффициенты масштабирования каждого из каналов указаны на осциллограммах. Горизонтальные коэффициенты масштаба времени, также приведены на осциллограммах и соответствуют: 250 нс/дел для осциллограммы представленной на фиг. 4 а) и 5.0 мкс/дел для осциллограммы представленной на фиг. 4 б).
Из приведенных результатов эксперимента следует, что физические процессы, возникающие в кварцевом резонаторе при воздействии импульса гамма и нейтронного излучений вызывают значительные изменения динамического сопротивления резонатора (на фиг. 4а) амплитуда тока сильно падает во время импульса при незначительном изменении напряжения на резонаторе), а также при повышении мощности импульса изменяется режим работы автогенератора (на фиг. 4б) видно, что в автогенераторе в момент импульса возникает затухающий переходный процесс, вызванный, в частности, наличием прямой проводимости в кварцевом резонаторе в результате ионизации кварца). Восстановление параметров кварцевого резонатора происходит в течение времени 0,25-30 мкс.
При использовании прототипа фиксация данных процессов полностью теряется, что не дает возможности оценить устойчивость работы, как непосредственно кварцевых резонаторов, так и кварцевых генераторов на их основе под воздействием импульсных гамма и нейтронного излучений.
На основании экспериментальных данных, полученных с помощью предлагаемого устройства, возможно совершенствование кварцевого резонатора, например, в части выбора качества кварца с целью уменьшения влияния импульсного гамма и нейтронного излучений на его параметры, а также контроль параметров применяемых в приборах кварцевых генераторов КР, с отбраковкой не обеспечивающих стабильную работу в условиях воздействия излучений. Также, данная информация позволяет совершенствовать схемотехнические решения кварцевого генератора, с целью минимизации или полного исключения неблагоприятного влияния гамма- или нейтронных излучений на эксплуатационные характеристики кварцевого генератора, повышая тем самым стойкость генератора к воздействиям данного типа излучений.
Таким образом, решение согласно заявленной полезной модели предлагает простую в технологическом плане конструкцию ЭГ, обеспечивающую существенное повышение достоверности осуществляемых измерений и выявления зависимостей характеристик КР от воздействия импульсного гамма- и нейтронного излучения и связанное а ним, повышение стойкости генератора к воздействиям данного типа излучений.