Приборы и техника эксперимента, 2019, № 6, стр. 46-48

Быстродействующий преобразователь тока с оптоволоконной развязкой предназначен для исключения проникновения плавающего потенциала опорного электрода зонда Ленгмюра в сигнал тока зонда, т.е. для повышения точности определения концентрации и спектров электронов и ионов плазмы методом сравнения экспериментальной и модельной вольт-амперных характеристик зонда [1–3].

На установке КИ-1 [4–6] в Институте лазерной физики (ИЛФ) СО РАН используются зонды Ленгмюра нескольких типов с преобразователем, выполненным на быстрой диодной оптопаре АОД129А. Особые условия, существующие на установке: переменные магнитные поля в плазме в широком диапазоне частот и амплитуд, поток мягкого рентгена в экспериментах с инжекцией электронного пучка, поток ультрафиолетового излучения в экспериментах с лазерной плазмой, а также высокий уровень электромагнитных помех со стороны коммутационного энергетического и электрического оборудования.

Концентрация заряженных частиц в ходе эксперимента меняется в широких пределах, что является причиной возникновения на измерительном электроде зонда Ленгмюра токовых сигналов. Минимально регистрируемое значение тока зонда – 0.1 мА, в предельном случае достигает 1.2 А. Характерная длительность лазерного импульса составляет порядка 50 нс.

Использующиеся на настоящий момент оптроны интегральной компоновки, и в частности АОД129А, сконструированы так, что имеют проходную (барьерную) емкость порядка 1–2 пФ, через которую в канал тока проникает помеха, сравнимая по величине с основным сигналом, что затрудняет правильную интерпретацию зарегистрированных величин.

Кроме того, используя в эксперименте в качестве преобразователя оптрон и зная его коэффициент передачи по току, можно сделать выводы только о том, какая часть тока была передана с зонда Ленгмюра, не имея представлений о линейной или нелинейной характеристике самого сигнала.

Однако существенно возросшие требования к точности измерений ведут к необходимости улучшения метрологических характеристик прибора. Для этого в ИЛФ СО РАН был разработан быстродействующий преобразователь тока с оптоволоконной развязкой, упрощенная блок-схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Блок-схема преобразователя тока с оптоволоконной развязкой.

В конструкции преобразователя было предложено использовать пластиковое оптическое волокно ∅1 мм, переносящее свет 650 нм (Fiber Optic), интенсивность которого пропорциональна току зонда Ленгмюра. В качестве излучателя использован светодиод IF-E91 (Fiber Optic), а в качестве приемника фотодиод IF-D91 (Fiber Optic).

Для обеспечения правильной и надежной работы оптического канала были введены новые узлы принципиальной схемы, реализующие следующие функции:

– согласование импедансов зонда, цепей передачи сигнала и цепей стабилизации потенциала зонда – каскад на мощном м.о.п.-транзисторе p‑типа IRFR9310 (International Rectifier);

– согласование шкал максимального тока зонда и допустимого тока светодиода – каскад “токовое зеркало” на биполярных транзисторах повышенной линейности KSD1616A (ON Semiconductor);

– ограничение максимального тока зонда – каскад на мощном м.о.п.-транзисторе n-типа IRFR320 (International Rectifier);

– усиление сигнала тока фотоприемника транс-импедансным усилителем на быстром операционном усилителе ADA4817-1ARDZ (Analog Devices);

– выдача сигнала для регистрации в дифференциальную линию из витой пары.

Предполагалось, что замена интегрального оптрона на раздельные излучатель и фотоприемник позволит уменьшить барьерную емкость до любой необходимой величины, а также увеличить электрическую прочность барьера. В отличие от систем со стеклянными волокнами, данное решение должно обеспечить линейность, соотношение сигнал/шум на коротких расстояниях (при приемлемой стоимости), что даст возможность повысить быстродействие канала.

При разработке были учтены особые условия, существующие на установке. Устройство выполнено на многослойной печатной плате размером 100 × 40 мм с чистым зазором между проводниками с плавающим потенциалом и землей 10 мм. Номинальное напряжение питания 12 В, потребляемый ток до 50 мА. Длительность фронта переходной характеристики по уровням 0.1–0.9% составляет 15 нс.

С целью подтверждения соответствия характеристик преобразователя проектным были проведены испытания на стенде в условиях, близких к реальным параметрам установки КИ-1, где потенциал на опорном электроде зонда Ленгмюра может достигать 1 кВ, а 500–600 В является типичным. Для этого был собран генератор импульсов с длительностью импульсов 1.2 мкс, амплитудой 600 В и длительностью фронта 15 нс.

Была смоделирована ситуация после воздействия лазерного излучения на мишень, когда созданная плазма только начинает расширяться и ее объемный заряд уже перезаряжает опорный электрод зонда и, соответственно, барьерную емкость оптрона, а тока, созданного ионами плазмы между электродами зонда Ленгмюра, еще нет. Сигнал, наблюдаемый на выходе устройства в этот момент, может быть обусловлен только проникновением помехи.

Такому же испытанию с таким же генератором ранее был подвергнут преобразователь, собранный с использованием оптрона АОД129А. На рис. 2 и 3 приведены осциллограммы для обоих устройств, где видна помеха, амплитуду которой можно сравнить: на рис. 2 она эквивалентна 800 мА тока ионов, а на рис. 3 эквивалентна 6 мА, что примерно в 100 раз лучше. После установки заранее предусмотренных экранов 35 × 15 мм с двух сторон платы, помеха не видна на фоне шумов транс-импедансного усилителя фототока, т.е. проблема проникновения помехи в канал тока полностью устранена. Тепловые шумы соответствуют расчетным и обеспечивают динамический диапазон 12 разрядов эффективных без перегрузки светодиода по току.

Рис. 2.

Осциллограмма сигналов для преобразователя с оптроном АОД129А: 1 – амплитуда помехи 400 мВ (масштаб 100 мВ/клетка), эквивалентна 800 мА на входе, 2 – импульс с генератора (1 В/клетка).

Рис. 3.

Осциллограмма сигналов для преобразователя с волоконно-оптической линией связи. 1 – амплитуда помехи 60 мВ (масштаб 200 мВ/клетка), эквивалентна 6 мА на входе, 2 – импульс с генератора (500 мВ/клетка).

Таким образом, проведенные испытания показали, что вновь разработанный преобразователь соответствует проектным характеристикам и существенно превосходит предыдущую конструкцию, а именно: достигнуто ослабление помехи ниже порога чувствительности, расширена полоса пропускания, увеличен динамический диапазон, улучшена линейность, введены устройства защиты от перегрузок.

В настоящий момент комплект готов к установке и будет использован при экспериментах с КИ-1.