RU217706U1

RU217706U1 - Многоканальный источник высокого напряжения для питания фотоэлектронных умножителей

Info

Publication number: RU217706U1
Application number: RU2022132146U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Чепурнов; Александр Фёдорович Шамарин; Василий Юрьевич Иониди
Original assignee: Общество с Ограниченной Ответственностью "Марафон" (ООО "Марафон")
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2023-04-13

Abstract

Полезная модель относится к области ядерно-физических измерений. Технический результат заключается в обеспечении многоканального источника высокого напряжения для построения многоканальных систем питания фотоэлектронных умножителей. Устройство содержит корпус, на лицевой панели которого размещены четыре выходных разъема высокого напряжения высоковольтных одноканальных модулей и соединенные с каждым каналом высоковольтного одноканального модуля светодиод индикации высокого напряжения, светодиод наличия питающего напряжения, переключатели выключения/включения питания, обеспечивающие раздельное подключаемое напряжение питания, индикацию по каждому каналу и наличие высокого напряжения на выходных разъемах. При этом четыре высоковольтных одноканальных модуля, соединенных с выходными разъемами высокого напряжения, элементы гальванической изоляции, микросхемы драйверов, реализующих физический уровень интерфейса CAN, элемент защиты интерфейса CAN от перенапряжений, конвертеры напряжения, формирующие напряжения для питания высоковольтных одноканальных модулей и элементов интерфейса CAN, установлены внутри корпуса. Все это выполнено на базовой плате конструктива 3U Евростандарта на стандартном конструктиве Евромеханика шириной 4НР и высотой 3U со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика и защищено коммутационной платой. При этом элементы гальванической изоляции двунаправленно соединены с каналами высоковольтных одноканальных модулей и с микросхемами драйверов, реализующих физический уровень интерфейса CAN, которые, в свою очередь, двунаправленно соединены со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика, предназначенным для подключения многоканального ВВ источника напряжения в стандартный конструктив, причем стандартный разъем DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика соединен с конвертерами напряжения, которые формируют напряжения для питания высоковольтных одноканальных модулей и элементов интерфейса CAN. 5 ил.

Description

Полезная модель относится к области ядерно-физических измерений, приборов и аппаратуры и может быть использована в качестве многоканального источника высокого напряжения для питания фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), (далее ВВ источник), относится к устройствам для построения научно-технических систем многоканальных ВВ источников.

В настоящее время возрастает роль применения приборов, регистрирующих фотоны в промышленности, энергетике и на транспорте. Прежде всего, это ядерные технологии в промышленности и атомной энергетике - сфере, где Россия удерживает лидирующие позиции.

Сейчас реализуются программы развития атомной энергетики на основе малых атомных станций типа «РИТМ-200», «РИТМ-400». Планируется строительство и прием в эксплуатацию в труднодоступных зонах крайнего севера объекты атомной энергетики. Активно строится флот атомных ледоколов и плавучих атомных электростанций. В этой связи все более широко применяются фотоприемники и 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 высокого напряжения порядка 1500 В…3000 В отдающих ток до 1000 мкА. 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.

Вместе с обозначенным выше, в России создаются научные мега установки. Растут целевые капитальные вложения в ядерно-физическую науку. В РФ реализуется национальный проект «Наука» - создание сети научно-исследовательских центров, источников синхронного излучения, установок термоядерного синтеза, нейтронных исследовательских реакторов, мега проекта «Ника» в Дубне, создание под Санкт-Петербургом Международного центра нейтронных исследований и другое

В реализации всех указанных выше нацпроектов необходимы приборы регистрации фотонов, а для них - ВВ источники напряжения.

Решение поставленной задачи (измерение одного фотона) достигается созданием ВВ источников напряжения с чрезвычайно малым уровнем помех и высокой стабильностью. Большая часть фотодетекторов построена на ФЭУ - для их работы требуются ВВ источники напряжения от 700 В до 3000 В.

Актуальность разработки оригинальных российских высоковольтных многоканальных источников соответствует «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года».

ВВ источники обеспечат выполнения НИОКРов по разработке современных вакуумных приборов, приборов оптоэлектроники, фотоники, квантовой электроники и пьезотехники.

В ряде областей применения требуются значительное количество одновременно работающих ФЭУ. Так, в мега проекте JUNO (Китай, Россия)- для регистрации антинейтрино требуется порядка 20000 ФЭУ. Это предполагает широкое применение стандартных недорогих конструктивных решений с возможностью изготовления таких ВВ источников в России.

В настоящее время известны многоканальные системы высоковольтного питания ФЭУ, наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является устройство ведущей фирмы в этой области (CAEN А7236 - 12/24/32 Channel 3.5 kV, 1.5/0.15 mA (4W) Common Floating Return Dual Range Boards - CAEN - Tools for Discovery. Найдено в Интернет 01.12.2022 по адресу: https://www.caen.it/products/a7236/). Многоканальная система высоковольтного питания ФЭУ имеет 12/24/32 независимо управляемых канала высокого напряжения, выходное напряжение 3,5 кВ. Двойной диапазон тока: высокую мощность: 1,5 мА (разрешение текущего монитора 5 нА); высокое разрешение: 150 мкА (разрешение монитора тока 500 пА). Доступен как с положительной, так и с отрицательной полярностью. Радиальные 52-контактные или коаксиальные разъемы SHV, общий плавающий возврат, общий для всех каналов. Имеет низкую пульсацию. Оповещение о пониженном/повышенном напряжении, защиту от перегрузки по току и максимальному напряжению, логику блокировки для включения агрегата и программный инструмент для простого управления каналами. Недостатком данных устройств является чрезмерная стоимость и сложность конструкции, специфические конструктивы, которые не производятся в России, что делает их применение в РФ затруднительным.

Задача, на решение которой направлена разработка заявляемой полезной модели - это создание компактного высоконадежного прецизионного многоканального ВВ источника напряжения для питания ФЭУ, который может производиться в России по приемлемой стоимости и в компактных габаритах.

Технический результат заключается в создании многоканального высоконадежного прецизионного компактного ВВ источника для построения многоканальных систем питания ФЭУ.

Технический результат достигается тем, что создан многоканальный источник высокого напряжения для питания фотоэлектронных умножителей, содержащий корпус, на лицевой панели которого размещены четыре выходных разъема высокого напряжения высоковольтных одноканальных модулей и соединенные с каждым каналом высоковольтного одноканального модуля светодиод индикации высокого напряжения, светодиод наличия питающего напряжения, переключатели выключения/включения питания, обеспечивающие раздельное подключаемое напряжение питания, индикацию по каждому каналу и наличие высокого напряжения на выходных разъемах, при этом четыре высоковольтных одноканальных модуля, соединенных с выходными разъемами высокого напряжения, элементы гальванической изоляции, микросхемы драйверов, реализующих физический уровень интерфейса CAN, элемент защиты интерфейса CAN от перенапряжений, конвертеры напряжения, формирующие напряжения для питания высоковольтных одноканальных модулей и элементов интерфейса CAN, установлены внутри корпуса и все это выполнено на базовой плате конструктива 3U Евростандарта на стандартном конструктиве Евромеханика шириной 4НР и высотой 3U со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика и защищено коммутационной платой, при этом элементы гальванической изоляции двунаправленно соединены с каналами высоковольтных одноканальных модулей и с микросхемами драйверов, реализующих физический уровень интерфейса CAN, которые, в свою очередь, двунаправленно соединены со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика, предназначенным для подключения многоканального источника высокого напряжения в стандартный конструктив, причем стандартный разъем DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика соединен с конвертерами напряжения, которые формируют напряжения для питания высоковольтных одноканальных модулей и элементов интерфейса CAN.

Сущность полезной модели «Многоканальный источник высокого напряжения для питания фотоэлектронных умножителей» (далее ВВ-источник) поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 показан внешний вид ВВ источника со стороны лицевой панели. На лицевой панели установлены четыре переключателя напряжения питания высоковольтных каналов (on/off), индикатор питания высоковольтного одноканального модуля (PWR), индикатор наличия высокого выходного напряжения (HV) и защитная коммутационная плата;

на фиг. 2 показан внешний вид ВВ источника со снятой защитной коммутационной платой. На фигуре представлено размещение четырех высоковольтных одноканальных модулей;

на фиг. 3 представлен чертеж ВВ источника, на котором видно размещение - на лицевой панели светодиода индикации высокого напряжения; светодиода наличия питающего напряжения; переключателей выключения/включения питания высоковольтных каналов (on/off); четырех выходных разъемов высокого напряжения; защитной коммутационной платы; четырех высоковольтных одноканальных модулей производства ООО «Марафон»; стандартного разъема DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика для подключения ВВ источника в стандартный конструктив и базовой платы;

на фиг. 4 представлен 32-канальный источник высокого напряжения в стандартном конструктиве Евромеханика 3U. Этот источник состоит из восьми предлагаемых ВВ источников, а также платы адаптера (опционно) для сопряжения интерфейса CAN с интерфейсом USB компьютера для сервисного управления и контроля;

на фиг. 5 представлена функциональная схема ВВ источника.

Многоканальный источник высокого напряжения для питания фотоэлектронных умножителей (ВВ-источник) (см. фиг. 1, 2, 3, 4, 5) содержит корпус, на лицевой панели (1) которого размещены четыре выходных разъема высокого напряжения (5) высоковольтных одноканальных модулей (7) и соединенные с каждым каналом высоковольтного одноканального модуля (7) светодиод индикации высокого напряжения (2), светодиод наличия питающего напряжения (3), переключатели выключения/включения питания (on/off) (4), обеспечивающие раздельное подключаемое напряжение питания, индикацию по каждому каналу высоковольтного одноканального модуля (7) и наличие высокого напряжения на выходных разъемах высокого напряжения (5) высоковольтных одноканальных модулей (7).

При этом четыре высоковольтных одноканальных модуля (7) соединены с выходными разъемами высокого напряжения (5). Двунаправленно соединены с элементами гальванической изоляции (10) и через элементы гальванической изоляции (10) двунаправленно соединены с драйверами (11), реализующих физический уровень интерфейса CAN, выполненных в виде микросхем. Высоковольтные одноканальные модули (7) через элементы гальванической изоляции (10) и через драйверы (11), реализующие физический уровень интерфейса CAN, двунаправленно соединены с элементом защиты интерфейса CAN (12), выполненным в виде схемы защиты от перенапряжений, и через элемент защиты интерфейса CAN (12) двунаправленно соединены со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика (8), который, в свою очередь, соединен с DC-DC конвертером напряжения (13), формирующим напряжение для питания высоковольтных одноканальных модулей (7) и элементов интерфейса CAN (на фигурах не показаны).

Четыре высоковольтных одноканальных модуля (7), соединенных с выходными разъемами высокого напряжения (5), элементы гальванической изоляции (10), драйверы (11), реализующие физический уровень интерфейса CAN, элемент защиты интерфейса CAN (12) от перенапряжений, DC-DC конвертеры напряжения (13), формирующие напряжения для питания высоковольтных одноканальных модулей (7) и элемент интерфейса CAN установлены внутри корпуса и все это выполнено на базовой плате (9) конструктива 3U Евростандарта на стандартном конструктиве Евромеханика шириной 4НР и высотой 3U со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика (8) (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) и защищено коммутационной платой (6).

Устройство работает следующим образом.

ВВ источник конструктивно состоит из четырех экранированных независимых высоковольтных одноканальных модулей (7), которые подключены на базовой плате (9) к элементу интерфейса CAN. Каждый высоковольтный одноканальный модуль (7) реализует интерфейс CAN (протокол CANopen профиль DS401).

Благодаря использованию протокола CANopen, каждый высоковольтный одноканальный модуль (7) управляется с внешнего вычислительного устройства. Например, в качестве таких устройств могут применяться промышленные панели оператора (HMI), компьютер.

В конструкции ВВ источника высоковольтные одноканальные модули (7) имеют раздельное подключаемое напряжение питания через переключатели выключения/включения питания (on/off) (4), что позволяет отключить не используемые в данный момент каналы высоковольтного одноканального модуля (7). Также имеется индикация по каждому каналу через светодиод индикации высокого напряжения (2) и через светодиод наличия питающего напряжения (3), напряжения питания, наличия высокого напряжения на выходных разъемах высокого напряжения (5).

Выходной разъем высокого напряжения (5) каждого канала высоковольтного одноканального модуля (7) имеет конструкцию, которая исключает случайное касание контакта электрической части.

Высоковольтные одноканальные модули (7) являются оригинальной разработкой ООО «Марафон», выполнены в экранированном корпусе. Схема каждого высоковольтного одноканального модуля (7) основана на трансформаторном решении с использованием высоковольтного умножителя. Регулировка выходного напряжения выполняется 16 битным ЦАП, а измерение выходного высокого напряжения 24 битным АЦП, что позволяет с помощью цифровой обратной связи обеспечить высокую точность установки выходного напряжения. Выходной ток также измеряется 24-битным АЦП.

Все управление и контроль каждого высоковольтного одноканального модуля (7) реализуется автономно. Результаты измерений, а также команды управления передаются по протоколу CANopen. Со стандартного разъема DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика (8) поступает питание, из которого DC-DC конверторами (13) формируются необходимые напряжения для работы ВВ источника.

Управление ВВ источником выполняется по элементу интерфейса CAN, подключаемый через стандартный разъем DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика (8) к внешней системе управления. Сигнал по элементу интерфейса CAN является двунаправленным, соответственно, элементы гальванической изоляции (10), драйверы (11), реализующие физический уровень элемента интерфейса CAN, элемент защиты интерфейса CAN (12) от перенапряжений элементы также являются двунаправленными (см. функциональная схема ВВ источника на фиг. 5).

Сигналы управления по элементу интерфейса CAN защищены элементом защиты интерфейса CAN (12) от перенапряжений, принимаются драйверами (11), реализующими физический уровень элемента интерфейса CAN и через элементы гальванической изоляции (10) поступают на высоковольтные одноканальные модули (7), которые выполняют команды по элементу интерфейса CAN (установка напряжений, параметров). Высоковольтные одноканальные модули (7) производят измерения и выдают по элементу интерфейса CAN через элементы 10, 11, 12 и 8 информацию о своем состоянии во внешнюю систему управления.

Конструкция ВВ источника выполнена таким образом, что обеспечивается защита от случайного касания цепей высокого напряжения. Это достигается за счет защитной коммутационной платы (6) (см. фиг. 3) конструкции высоковольтного выходного разъема.

В качестве примера представлен 32-канальный источник высокого напряжения в стандартном конструктиве Евромеханика 3U с использованием заявляемых ВВ источников без специального дополнительного программного обеспечения (см. фиг. 4). Этот источник состоит из восьми предлагаемых ВВ источников, а также платы адаптера (опционно) для сопряжения интерфейса CAN с интерфейсом USB компьютера для сервисного управления и контроля.

Таким образом создан ВВ источник представляемый собой 4-канальный цифровой высоковольтный источник положительного или отрицательного напряжения до 3000 В с рабочим шифром HV3000-04-pc, выполненный в виде высоковольтного одноканального модуля на базовой плате конструктива 3U Евростандарта на стандартном конструктиве Евромеханика шириной 4НР и высотой 3U для построения многоканальных систем источников высокого напряжения питания. Внешний вид ВВ источника представлен на фиг. 1 и 2. Использование интерфейса CANopen позволяют легко интегрировать ВВ источник в сложные многоканальные системы (см. фиг. 4) без разработки специального программного обеспечения.

Геометрические параметры ВВ источника представлены на чертеже - фиг. 3.

ВВ источник разработан в двух модификациях - для положительного или отрицательного выходного высокого напряжения. На базе ВВ источника проектируются сложные многоканальные системы источников высокого напряжения для питания ФЭУ, в частности, в 19 дюймовом крейте высотой 3U Евростандарта могут разместиться 32 высоковольтных канала и плата управления адаптер CANopen - USB оригинальной разработки ООО «Марафон» (фиг. 4) для технологического подключения компьютера (сервисный контроль параметров, регулирование, настройка).

Claims

Многоканальный источник высокого напряжения для питания фотоэлектронных умножителей, содержащий корпус, на лицевой панели которого размещены четыре выходных разъема высокого напряжения высоковольтных одноканальных модулей и соединенные с каждым каналом высоковольтного одноканального модуля светодиод индикации высокого напряжения, светодиод наличия питающего напряжения, переключатели выключения/включения питания, обеспечивающие раздельное подключаемое напряжение питания, индикацию по каждому каналу и наличие высокого напряжения на выходных разъемах, при этом четыре высоковольтных одноканальных модуля, соединенных с выходными разъемами высокого напряжения, элементы гальванической изоляции, микросхемы драйверов, реализующих физический уровень интерфейса CAN, элемент защиты интерфейса CAN от перенапряжений, конвертеры напряжения, формирующие напряжения для питания высоковольтных одноканальных модулей и элементов интерфейса CAN, установлены внутри корпуса и все это выполнено на базовой плате конструктива 3U Евростандарта на стандартном конструктиве Евромеханика шириной 4НР и высотой 3U со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика и защищено коммутационной платой, при этом элементы гальванической изоляции двунаправленно соединены с каналами высоковольтных одноканальных модулей и с микросхемами драйверов, реализующих физический уровень интерфейса CAN, которые, в свою очередь, двунаправленно соединены со стандартным разъемом DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика, предназначенным для подключения многоканального источника высокого напряжения в стандартный конструктив, причем стандартный разъем DIN41612M-64ABR конструктива Евромеханика соединен с конвертерами напряжения, которые формируют напряжения для питания высоковольтных одноканальных модулей и элементов интерфейса CAN.