устройство с многокаскадным преобразованием электронного потока

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО С МНОГОКАСКАДНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА, содержащее электронный прибор, регулируемый источник напряжения питания, первый резистор, первый стабилитрон, включенный между эмиттером и управляющим электродом электронного прибора, второй стабилитрон, включенный между управляющим и первым электродами электронного прибора, третий стабилитрон, включенный между первым и третьим электродами электронного прибора и группу последовательно соединенных стабилитронов, подключенных к промежуточным электродам электронного прибора, расположенным между его третьим и предпоследним электродами, соединенными со свободными выводами группы стабилитронов, причем первый резистор включен между коллектором электронного прибора и плюсом источника напряжения питания, а также четвертый стабилитрон, подключенный к предпоследнему электроду прибора, отличающееся тем, что оно снабжено пятым стабилитроном, вторым резистором, выключателем и переменным резистором подключенным своим средним выводом к второму электроду электронного прибора, а двумя другими выводами - к третьему электроду электронного прибора и к минусу источника стабилизированного напряжения питания, подключенному через пятый стабилитрон к эмиттеру электронного прибора, коллектор которого соединен с последним электродом, при этом второй резистор одним своим концом подключен к плюсу источника стабилизированного напряжения питания и к выключателю, а другим соединен со свободными клеммами четвертого стабилитрона и выключателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для преобразования электронных потоков в электрический сигнал в широком диапазоне амплитуд и частот с высокой эффективностью использования энергетических затрат.

Изобретение может быть использовано при разработке и эксплуатации таких приборов как фотоумножители, электронные усилители, интегральные схемы, детекторы излучений, электронно-оптические преобразователи, лампы с вторичной эмиссией, суперортиконы, оптические вычислительные машины и др.

Известно устройство, содержащее подключенные к первым и конечным каскадам умножения стабилитроны и транзисторы, а также включенный между стабилитронами и источником напряжения питания балластный резистор [1].

Недостатками этого устройства являются ограниченный диапазон измерения и повышенная потребляемая мощность, обусловленная наличием балластного резистора.

Также известно широкодиапазонное устройство питания фотоумножителя, содержащее стабилитроны, резисторы и два источника напряжения питания, в котором путем внешнего улучшения внутренних параметров фотоумножителя достигнуто расширение динамического диапазона прибора до восьми порядков [2].

Недостатком этого устройства является ограниченный влиянием резисторов диапазон измерения и высокие энергозатраты, обусловленные наличием второго источника напряжения, включенного в цепь через балластный резистор.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее фотоумножитель, регулируемый источник напряжения питания, группу последовательно соединенных стабилитронов, подключенных к катоду, управляющему электроду, диодам и аноду прибора, резистор, включенный между анодом и плюсом источника напряжения питания, и балластный резистор, включенный между минусом источника напряжения питания и катодом прибора [3] .

Недостатками устройства являются ограниченный наличием падения напряжения на балластном резисторе диапазон измерений прибора и высокая потребляемая мощность, что связано с необходимостью пропускания через стабилитроны и балластный резистор значительного начального тока.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона и сокращение энергозатрат.

Цель изобретения в устройстве, содержащем электроприбор с многокаскадным преобразованием электронного потока, источник напряжения питания, первый резистор, первый стабилитрон, включенный между эмиттером и управляющим электродом, второй стабилитрон, включенный между управляющим электродом и первым электродом, третий стабилитрон, включенный между первым и третьим электродами, и группу последовательно соединенных стабилитронов, подключенных к промежуточным электродам, расположенным между третьим и последним электродами, а также четвертый стабилитрон, подключенный к предпоследнему электроду, причем первый резистор включен между коллектором и плюсом источника напряжения питания, достигается тем, что в него дополнительно введен пятый стабилитрон, второй резистор, выключатель и переменный резистор, подключенный своим средним выводом к второму электроду, а двумя другими - к третьему электроду и к минусу источника стабилизированного напряжения питания, подключенному через пятый стабилитрон к эмиттеру прибора, коллектор которого соединен с последним электродом, при этом второй резистор одним своим концом подключен к плюсу источника стабилизированного напряжения питания и к выключателю, а другим соединен со свободными клеммами четвертого стабилитрона и выключателя.

Изобретение поясняется чертежом.

Устройство содержит электроприбор (электронный прибор) 1 с многокаскадным преобразованием электронного потока, источник 2 стабилизированного напряжения питания, первый резистор 3, первый стабилитрон 4, эмиттер 5, управляющий электрод 6, второй стабилитрон 7, первый электрод 8, третий стабилитрон 9, третий электрод 10, группу 11 последовательно соединенный стабилитронов, промежуточные электроды 12, последний электрод 13, коллектор 14, пятый стабилитрон 15, второй резистор 16, выключатель 17, четвертый стабилитрон 18, переменный резистор 19, второй электрод 20 и предпоследний электрод 21.

В качестве элементной базы опытного образца устройства были соответственно использованы: электроприбора 1 - фотоумножитель ФЭУ-84-3, источника 2 стабилизированного напряжения - высоковольтный блок питания типа ВС-22, первого резистора 3 - МЛТ-0,5-75, первого 4, второго 7, третьего 9 и группы 11 стабилитронов - 2С980А, пятого 15 и четвертого 18 стабилитронов - 2С524А, второго резистора 16 - МЛТ-0,5-150к, выключателя 17 - тумблер П1Т4 и переменного резистора 19 - СПО-1-4,7М.

Перед началом работ с устройством выключатель 17, предназначенный для выбора режимов функционирования устройоства из логарифмического (включен) и линейного (выключен), устанавливают в соответствующее положение.

В логарифмическом режиме устройство работает следующим образом.

Вначале устанавливают напряжение источника 2 таким, чтобы ток нагрузки находился в пределах 0,1-1 мА. Затем после подачи на фотокатод светового сигнала устанавливают средний вывод переменного резистора 19 в положение, соответствующее максимальному отношению сигнал/шум.

Допустим, что эмиттер 5 покинул один термоэлектрон с энергией V = 0, который через некоторый (7) интервал времени выбил из электрода 8 вторичные электроны с энергией V₈ < V₂₀, где V₂₀ - тормозящий потенциальный барьер, образованный на электроде 20. Тогда, в соответствии с неравенством V₈ < V₂₀, вторичные электроны будут заторможены и возвращены на этот же электрод 8.

Далее допустим, что эмиттер 5 покинул также один фотоэлектрон, но с энергией V > 0, который также выбил из электрода 8 вторичные электроны, но с энергией V₈ > V₂₀. Тогда в соответствии с неравенством V₈ > V₂₀, вторичные электроны преодолевают тормозящий потенциальный барьер электрода 20 и продолжают движение в направлении электрода 10.

Следовательно, в результате реализации заявленного технического решения осуществляют энергетическую селекцию предварительно ускоренных и усиленных электронов, при которой улучшают отношения сигнал/шум на входе умножительной системы прибора, чем достигают расширение диапазона измерения снизу и уменьшение энергетических затрат путем ослабления шумовой составляющей электронного потока.

Далее представим, что электрод 10 поглотил три и излучил девять электронов. Потеря электродом 10 шести электронов обусловит энергетическую нестационарность, что за счет положительной обратной связи изменит потенциал этого электрода. Однако данное изменение за счет отрицательной обратной связи возвратит указанный потенциал к исходному значению. Восстановление потенциала осуществляют с постоянной времени, определяемой суммарным значением динамических и статических сопротивлений последовательно включенных стабилитронов 4, 7, 9, 15.

Аналогичный указанному механизм будет работать при прохождении электронным потоком расположенных на пути его следования к коллектору 14 промежуточных электродов 12 с разницей, заключающейся в том, что его энергия будет увеличиваться как за счет ускорения электронов, так и за счет их вторично-электронного умножения. При этом в систему динамических обратных связей, образующихся и включающихся между электродами прибора 1 и источником 2, будет вовлекаться все большее соответствующее количеству участвующих в преобразовании потока каскадов системы умножения число стабилитронов группы II.

Предположим, что предпоследний электрод 21 поглотил со стороны последнего электрода 13 соответственно 10 и 3 х 10 электронов. При этом допустим, что 2х10 электронов из последней группы достигают выхода прибора, а остальные 10 электронов тормозятся и возвращаются полем собственного пространственного заряда обратно на электрод 21 путем электронной авторотации. Обусловленная потерей 10 электронов нестационарность электрода 21 за счет положительной обратной связи изменит его потенциал, что включит отрицательную обратную связь устранения указанной нестационарности и поддержания потенциала электрода 21 на исходном уровне. Глубина и постоянная времени включения отрицательной обратной связи будут определяться суммарным значением как статических, так и динамических сопротивлений стабилитронов 4, 7, 9, 11, 15 и 18.

Гальваническая связь между электродом 13 и коллектором 14 ослабляет условия для образования в последнем пролетном промежутке виртуального катода, возникающего за счет вторичных и ионизационных эффектов.

В линейном режиме малых выходных токов устройство работает аналогично изложенному с различием, заключающимся в том, что начальное напряжение источника 2 устанавливают в функции I₂ 1 мА.

В случае, когда выходной ток I₁ прибора 1 принимает значения вначале сравнимые, а затем и превышающие ток I₂, действующее значение тока I₁, отбираемого от источника 2, перераспределяют путем использования системы динамических обратных связей, овеществленных внутренними сопротивлениями всех стабилитронов, действующих в цепи эмиттер 5, управляющий электрод 6, электроды 8, 20, 10, 12, 21, 13, коллектор 14, резистор 3 и источник 2, а также резистор 16.

Поскольку при импульсном значении токов I₁ = I₂ = 0,5 А внутреннее сопротивление R пролетного промежутка электрод 21 - коллектор 14 составит R = 360 Ом, то протекание основной массы отбираемого, например, от минуса источника 2 тока I₂ будет проходить через стабилитроны 15, 4, 7, 9, 11 и далее через электрод 21, промежуток электрод 21 - коллектор 14 и резистор 3 до замыкания на плюс источника 2.

Анализ результатов, полученных при лабораторных испытаниях опытного образца устройства, позволяет сделать следующие выводы: в линейном режиме работы при начальном токе I₂ = 0,2 мА сохраняется метрологически обеспеченная работоспособность устройства до значений I₁ = 4 мА. Поскольку известные устройства являются работоспособными при прочих равных условиях до значений I₁, не превышающих 2 мкА, достигаемое расширение динамического диапазона сверху составляет по крайней мере три порядка.

При логарифмическом режиме работы устройства достигается дополнительное расширение диапазона измерения сверху за счет сжатия динамического диапазона входных сигналов еще примерно на три порядка.

Достигаемое путем энергетической селекции электронов улучшение отношения сигнал/шум позволяет дополнительно расширить динамический диапазон снизу примерно на порядок и уменьшить потребляемую при этом мощность также примерно на порядок.

Таким образом, использование предложенного устройства позволяет улучшить эксплуатационную эффективность по меньшей мере на восемь порядков суммарного значения магнитуды.

Устройство может найти применение при исследованиях быстропротекающих процессов и явлений искусственного и естественного происхождения.