Многоканальный источник напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов

Полезная модель относится к области ядерно-физических измерений, приборов и аппаратуры и может быть использована в качестве многоканального источника напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов (далее ИП SiФЭУ).
Микроканальный лавинный фотодиод впервые изобретен в СССР и разработан в России группой З.Я. Садыгова (патенты RU 1702831 от 27.12.1997; 2086047 от 27.07.1997), а также группой Б.А. Долгошеина (патент RU 2290721 от 27.12.2006), который позволяет регистрировать слабые потоки световых квантов, гамма излучения и ядерных частиц. ИП 81ФЭУ относится к устройствам для построения научно-технических многоканальных систем источников напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов. В настоящее время возрастает роль применения приборов, регистрирующих фотоны в промышленности, энергетике и на транспорте. Прежде всего, ядерные технологии в промышленности и атомной энергетике - сфере, где Россия удерживает лидирующие позиции.
Современные твердотельные кремниевые многопиксельные матрицы на основе лавинных диодов, в отличие от систем детектирования фотонов на основе вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) характеризуются существенным быстродействием, квантовым выходом, устойчивой работой в магнитных полях, компактными размерами, механической прочностью и питанием напряжения не более 200 В.
В России реализуются программы развития атомной энергетики на основе малых атомных станций типа «РИТМ-200», «РИТМ-400». В труднодоступных местах, как на территории России, так и за ее пределами планируется строительство и прием в эксплуатацию объектов атомной энергетики. Активно строится флот атомных ледоколов и плавучих атомных электростанций. В этой связи все более широко применяются фотоприемники детекторы ионизирующих излучений, к которым предъявляются повышенные требования к надежности и высокой стабильности работы (10 лет и более безотказной работы).
В основе работы этих приборов лежит использование высокостабильных, высоконадежных источников для питания устройств как на базе вакуумных ФЭУ, так и на базе кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов (SiФЭУ).
При этом такие источники должны иметь чрезвычайно малый уровень пульсаций, от которых в существенной степени зависит чувствительность и разрешение фотодетекторов, с помощью которых оценивается интенсивность ионизирующих излучений.
Одновременно с активным развитием атомной энергетики в России создаются научные мега установки. Растут целевые капитальные вложения в ядерно-физическую науку.
В России реализуется национальный проект «Наука» - создание сети научно-исследовательских центров, источников синхротронного излучения, установок термоядерного синтеза, нейтронных исследовательских реакторов, мега проекта «Ника» в Дубне, создание под Санкт-Петербургом Международного центра нейтронных исследований.
В реализации всех этих национальных проектов предусмотрено использование ФЭУ со специальными источниками питания.
Особенность SiФЭУ заключается в том, что для их питания требуются источники с чрезвычайно большим количеством независимых каналов питания (например, известны требования по питанию 4096 каналов, а в перспективе существенно больше) и напряжением до 200 В. Сложность реализации таких систем питания состоит в том, что выходное напряжение каждого канала задается индивидуально с высокой точностью и стабильностью.
Актуальность разработки оригинальных российских многоканальных источников питания ФЭУ соответствует «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года».
Созданные ИП SiФЭУ обеспечат выполнение НИОКРов по разработке современных приборов оптоэлектроники, фотоники и квантовой электроники.
В доступных источниках информации зарубежного и/или отечественного издания не выявлено аналога, в котором был бы описан подобный ИП SiФЭУ.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели, является устройство ведущей фирмы в этой области (CAEN SP5600 General Purpose Power Supply and Amplification Unit CAEN - Tools for Discovery. Найдено в Интернет 05.12.2022 по адресу: https://www.caen.it/products/sp5600e/). Эта система питания SiФЭУ (в иностранной технической литературе синонимы SiPM, Si-PMT, МРРС и др.) имеет всего два независимо управляемых канала выходного напряжения. При этом выходное напряжение составляет: 0…120 В; диапазон тока: 100 мкА; разрешение: 12 бит
Недостатком подобных устройств является наличие только 2-х выходных каналов напряжения. Организация в таком виде общего питания для всей матрицы лавинных диодов снижает их эффективность, ограничивает диапазон напряжений до 120 В При этом высокая стоимость и сложность конструкции с использованием специфических конструктивов, которые не производятся в России, и рыночная неопределенность делают применение зарубежных приборов в РФ затруднительным.
Задача, на решение которой направлена разработка заявляемой полезной модели - это создание компактного высоконадежного многоканального источника напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов, который может производиться в России с необходимыми техническими характеристиками, по приемлемой стоимости и в компактных габаритах.
Технический результат заключается в создании многоканального высоконадежного прецизионного компактного источника напряжения ИП SiФЭУ для построения многоканальных систем SiФЭУ.
Технический результат достигается тем, что создан, многоканальный источник напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов (ИП SiФЭУ), выполненный в виде субмодуля конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР, на котором размещены 64 выхода каналов напряжения выходного разъема, сформированных высоковольтными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) с разрешением 14 бит, выполненными конструктивно в виде двух мезонинных модулей, управляемый источник напряжения до 200 В, предназначенный для питания высоковольтных ЦАП, аналоговые коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для измерения выходных напряжений, DC-DC конвертер напряжения, компоненты, реализующие физический уровень интерфейса CAN, с элементами его гальванической изоляции, защиты и микросхемами драйверов, стандартный разъем DIN41612M-64ABR и микропроцессор, предназначенный для управления ИП SiФЭУ и создания через источник напряжения до 200 В выходного напряжения для питания высоковольтных ЦАП, при этом выход микропроцессора соединен с входом управляемого источника напряжения до 200 В, выход которого соединен с входами высоковольтных ЦАП, а выходы высоковольтных ЦАП соединены с входами 64 выходов каналов напряжения выходного разъема, а также входы и выходы высоковольтных ЦАП соединены с входами аналоговых коммутаторов, выходы которых соединены с АЦП, предназначенными для измерения выходных напряжений 64 выходов каналов напряжения выходного разъема, а выходы АЦП, выполняющие измерения и в цифровом виде передающие их в микропроцессор, соединены с входом микропроцессора, выход которого в свою очередь через входы и выходы компонентов, реализующих физический уровень интерфейса CAN с элементами его гальванической изоляции, защиты и микросхемами драйверов, соединен со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR, предназначенным для передачи информации во внешнюю сеть CAN, причем выход стандартного разъема DIN41612M-64ABR соединен с DC-DC конвертером напряжения, формирующим напряжения для питания микропроцессора и микросхем ИП SiФЭУ, на лицевой панели субмодуля конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР размещены выходной разъем на 64 канала выходного напряжения и соединенные с каждым каналом выходного напряжения светодиод индикации активности интерфейса CAN и светодиод индикации питания ИП SiФЭУ.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
На фиг. 1 - показан внешний вид многоканального источника напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов - вид сверху.
На фиг. 2 - показано размещение в субмодуле конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР высоковольтных ЦАП с разрешением 14 бит, выполненными конструктивно в виде двух мезонинных модулей - вид со стороны лицевой панели.
На фиг. 3 - представлен чертеж многоканального источника напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов, на котором видно размещение высоковольтных ЦАП с разрешением 14 бит, выполненными конструктивно в виде двух мезонинных модулей, управляемый источник напряжения до 200 В, микропроцессор, аналоговые коммутаторы, АЦП, DC-DC конвертер напряжения, компоненты, реализующие физический уровень интерфейса CAN с элементами его гальванической изоляции, защиты и микросхемами драйверов, стандартный разъем DIN41612M-64ABR. На лицевой панели размещены выходной разъем на 64 канала выходного напряжения, светодиод индикации активности интерфейса CAN и светодиод индикации питания ИП SiФЭУ
На фиг. 4 - показан вариант 1216-канального источника напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодах в субмодуле конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР. Источник состоит из девятнадцати предлагаемых источников напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов, а также платы адаптера (опционно) для сопряжения интерфейса CAN с интерфейсом USB компьютера для сервисного управления и контроля.
На фиг. 5 - функциональная схема многоканального источника напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов.
Многоканальный источник напряжения для питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов (ИП SiФЭУ) (см. фиг. 1, 2, 3) выполненный в виде субмодуля конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР (см. Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Национальные стандарты РФ. ГОСТ МЭК 60297-3-106 2020, Москва Стандартинформ, 2020. Найдено в Интернет 07.12.2022 по адресу: https://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=239284), на котором размещены 64 выхода каналов напряжения выходного разъема (1), сформированных двумя высоковольтными ЦАП (2) с разрешением 14 бит, на 32 канала, выполненных конструктивно в виде мезонинных модулей, управляемый источник напряжения до 200 В (3), предназначенный для питания высоковольтных ЦАП (2), микропроцессор (4), для управления ИП SiФЭУ и создания через источник напряжения до 200 В (3) выходного напряжения для питания высоковольтных ЦАП (2), компоненты, реализующие физический уровень интерфейса CAN с элементами его гальванической изоляции, защиты и микросхемами драйверов (8), АЦП (6) для измерения выходных напряжений, аналоговые коммутаторы (5), для коммутации напряжений выходных каналов питания ИП SiФЭУ при измерениях в АЦП (6), DC-DC конвертер напряжения (7), формирующий напряжения для питания микропроцессора (4), реализующего интерфейс CAN (протокол CANopen профиль DS401), стандартный разъем DIN41612M-64ABR (9), обеспечивающий соединение с субмодулем конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР. На лицевой панели (10) субмодуля конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР размещены выходной разъем (1) на 64 канала выходного напряжения и соединенные с каждым каналом выходного напряжения светодиод индикации активности интерфейса CAN (12) и светодиод индикации питания ИП БЮЭУ (11). Причем выход микропроцессора (4), соединен с входом управляемого источника напряжения до 200 В (3), выход которого соединен с входами высоковольтных ЦАП (2), а выходы высоковольтных ЦАП (2) соединены с входами 64 выходов каналов напряжения выходного разъема (1), а также входы и выходы высоковольтных ЦАП (2) соединены с входами аналоговых коммутаторов (5), выходы которых соединены с АЦП (6), предназначенными для измерения выходных напряжений 64 выходов каналов напряжения выходного разъема (1), а выходы АЦП (6), выполняющие измерения и в цифровом виде передающие их в микропроцессор (4), соединены с входом микропроцессора (4), выход которого в свою очередь через входы и выходы компонентов реализующих физический уровень интерфейса CAN с элементами его гальванической изоляции, защиты и микросхемами драйверов (8), соединен со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR (9), предназначенным для передачи информации во внешнюю сеть CAN, причем выход стандартного разъема DIN41612M-64ABR (9) соединен с DC-DC конвертером напряжения (7), формирующим напряжения для питания микропроцессора (4) и микросхем ИП SiФЭУ.
Устройство работает следующим образом.
Микропроцессор (4) через источник напряжения до 200 В (3) управляет высоковольтными ЦАП (2), устанавливая код по каждому каналу выходного напряжения, по которому ЦАП (2) вырабатывает соответствующее напряжение, которое поступает на выходной разъем (1). Сформированные выходные напряжения высоковольтных ЦАП (2) через аналоговые коммутаторы (5) поступают на 24 разрядный АЦП (6), который выполняет измерения, а данные измерений в цифровом виде передаются в микропроцессор (4), который, в свою очередь, через компоненты, реализующие физический уровень интерфейса CAN с элементами его гальванической изоляции, защиты и микросхемами драйверов (8) передает по интерфейсу CAN через стандартный разъем (9) информацию во внешнюю сеть CAN.
Микропроцессор (4) также реализует интерфейс CAN (протокол CANopen профиль DS401). Результаты измерений, а также команды управления передаются по протоколу CANopen. Со стандартного разъема DIN41612M-64ABR (9) субмодуля конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР поступает питание, из которого DC-DC конверторами (7) формируются необходимые напряжения для работы источника питания фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов.
Благодаря использованию протокола CANopen, каждый из 64 каналов ЦАП (2) управляется с внешнего вычислительного устройства. Например, в качестве таких устройств могут применяться, кроме компьютера, также промышленные панели оператора (HMI).
Управление ИП SiФЭУ, выполняется по интерфейсу CAN, подключаемому через стандартный разъем DIN41612M-64ABR (9) субмодуля конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР к внешней системе управления. Сигнал интерфейса CAN является двунаправленным, соответственно, компоненты, реализующие физический уровень интерфейса CAN с элементами его гальванической изоляции, защиты и микросхемами драйверов (8), также являются двунаправленными (см. фиг. 5).
Таким образом, создан высоконадежный, прецизионный, компактный многоканальный ИП SiФЭУ - 64-канальный цифровой источник питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов с выходными напряжениями по каждому каналу индивидуально до 200 В, рабочий шифр РМ200р-64 с, выполненный в виде субмодуля конструктива 3U Евромеханика шириной 4НР и высотой 3U для построения многоканальных систем, внешний вид которого представлен на фиг. 1 и 2. На базе ИП SiФЭУ могут проектироваться сложные многоканальные системы источников питания кремниевых фотоэлектронных детекторов на основе лавинных диодов. Использование интерфейса CANopen позволяет без разработки специального программного обеспечения интегрировать ИП SiФЭУ в сложные многоканальные системы питания (см. фиг. 4). Так, в 19 дюймовом субмодуле конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР могут разместиться 1216 каналов (фиг. 4) и плата управления адаптер CANopen - USB оригинальной разработки ООО «Марафон» для технологического подключения компьютера (сервисный контроль параметров, регулирование, настройка).
В качестве примера представлен 1216-канальный источник высокого напряжения, реализуемый в субмодуле конструктива Евромеханика высотой 3U, шириной 4НР с использованием заявляемого ИП SiФЭУ, без специального дополнительного программного обеспечения (см. фиг. 4). Источник состоит из девятнадцати ИП SiФЭУ, а также платы адаптера (опционно) для сопряжения интерфейса CAN с интерфейсом USB компьютера для сервисного управления и контроля.