|
|
|
Ионизационная камера с операционным усилителем
| |
| | Ср, 30.01.2019, 22:28 | Сообщение # 1
|
polubrat
Постов: 8
ОК |
Доброго времени суток. Сразу скажу что я химик и в радиотехнике не силен, так что просьба сильно не пинать за банальные вопросы. В целях получения устройства для замера ионизационной способности газовых сред была изготовлена ионизационная камера с опорой на следующую статью. Была использована схема с двумя симметричными плечами.
Между электродом и банкой формируется потенциал, за счет ионизации в схеме течет ток порядка единиц фемтоампер, одно плечо схемы усиливает ток, а второе служит для компенсации утечек и вывода показаний "в ноль". Схема вполне рабочая, но далеко не идеальна, она не всегда уходит в ноль и чувствительна к мощным излучениям.
В статье сам автор указывает на возможность применения для усиления операционного усилителя CA3080EZ (либо аналогичного), в режиме без обратной связи когда возможно максимальное усиление. Однако я практически не нашел информации о работе усилителя в данном режиме. Мне не ясен момент с тем что усилитель сравнивает и усиливает напряжения на входе, а в ионизационной камере напряжения постоянно и изменяется лишь ток, подойдет ли усилитель для этих целей?
Каким образом произвести подключение? Мне видится что нужно банально повесить корпус и электрод ионизационной камеры на входы усилителя, подать 9В (критично ли двухполярное питание?), и замерять ток между выходом и нулем, так ли это?
Благодарен за проявленное внимание.
|
|
| | Чт, 31.01.2019, 16:26 | Сообщение # 2
|
polubrat
Постов: 8
ОК |
Цитата краб (  ) Поэтому если хотите искать реально жесткое излучение бетта и гамма
Устройство изготавливается вовсе не для детектирования излучений, а для определения ионизационной способности газовых сред, для этих целей твердотельные датчики, счетчики Гейгера или осцилляторы по понятным причинам не пригодны, нужна именно открытая ионизационная камера. Вопрос мой состоит не в устройстве камеры, а в схеме подключения усилителя, буду очень рад если подскажите как его подключить. |
|
| | Чт, 31.01.2019, 22:37 | Сообщение # 3
|
mehanik_ru
Постов: 145
ОК |
Привет коллега!
Наверное во все времена химикам приходится заниматься решением физических проблем, начиная с Ломоносова, Роберта Вуда и пр, не исключая и нас с Вами... Это так, к слову.
Поверхностно познакомившись с материалом, приведенном Вами в качестве источника, первая мысль - научно популярная статья, побуждающая молодежь к Поиску. Наподобие нашего Юного техника.
Итак, что мы имеем: Камера, наполненная воздухом или иным газом при давлении 101325 Па. Расстояние между электродами + и - (анод и катод) составляет минимум сантиметр. Ток, протекающий между анодом и катодом в результате ударной ионизации порядка фА. Да, еще транзисторы MPSW45А и MPSA64.
Ток ОЧЕНЬ маленький. Таким током, уверен, ни один современный транзистор открыться не сможет. В техпаспорте того же MPSW45А ясно сказано:
Collector Cutoff Current (Ток отсечки коллектора)
(VCB = 30 Vdc, IE = 0) MPSW45 100 nA
(VCB = 40 Vdc, IE = 0) MPSW45A 100 nA
и далее:
Collector−Base Capacitance (Коллектор-базовая емкость)
(VCB = 10 Vdc, IE = 0, f = 1.0 MHz) 6.0 pF
Что это значит:
Если токи в цепях транзистора будут составлять менее 100 nA, транзистор их просто не почувствует ни одним своим органом.
Емкость КБ (входная емкость транзистора при напруге 10 В и нулевом токе) целых 6 пФ. Какую электроемкость имеет описанная измерительная камера? Можно посчитать или померить. Эта емкость будет суммироваться с входной емкостью транзистора, давая в итоге общую электроемкость системы. Далее, допустим, что заряженная частица все таки долетела до катода и создала на нем импульс тока, влившись в общий электронный газ кристаллической решетки. Правило, выражающее зависимость напряжения от изменения заряда выглядит, как известно
Q=CU отсюда
U=Q/C.
Для того, чтобы транзистор (дрыгнул ножкой), т.е. усилил входной сигнал, на его базу должно быть подано напряжение не менее 0,6 вольт. А у нас сигнал микроскопический (даже фемтоскопический)! Даже если удастся сделать камеру с электроемкостью 0,1 пФ, чтобы малая емкость в знаменателе увеличила значение всей дроби, то входная емкость 6 пФ сведет все старания на нет.
Это было про транзисторы.
Теперь про микросхемы...
Есть такая замечательная схема, называемая Операционным усилителем. Это обязательно двухвходовая схема. У неё два входа. Упрощенная до безобразия она будет напоминать схему приведенную в описании данной конструкции. Почему два входа - потому что там два плеча. Один вход называют неинвертирующий, второй - инвертирующий.
Этот волшебный усилитель не усиливает сигналы вообще, а усиливает ТОЛЬКО разницу между двумя своими входами. Например если на его одном входе напряжение 5.0 вольт, а на другом входе 5.0001 вольта, то ОУ усилит эту разницу 0.0001 вольта в определенное количество раз. Например 1000 или миллион. Но естественно, в квадриллион раз он усилить не сможет, ибо питание всего несколько вольт и это максимум, что эта микросхемка может дать на выходе.
Далее, на практике огромные коэффициенты усиления не используются, максимум 10000. Этот параметр - максимальный коэффициент усиления приводится в техпаспортах всех ОУ. И наших и зарубежных. Огромные коэффициенты усиления приводят к сильным искажениям исходных сигналов, да к тому же вместе с полезными сигналами усиливаются и шумы, всегда присутствующие в любых схемах. Для того, чтобы уменьшить коэффициент усиления ОУ и тем самым улучшить характеристики выходного сигнала, вводят отрицательную обратную связь. По простому это часть выходного сигнала подают на ИНВЕРТИРУЮЩИЙ вход (со знаком минус на схемах) с помощью резисторов различных номиналов. Есть определенные закономерности, позволяющие вычислить номиналы этих резисторов для получения определенного КУ.
Для получения максимального КУ, приводимого в справочниках, эту обратную связь подключать не надо. Просто, подаем питание на соответствующие ножки микросхемы, входной сигнал подаем на один из входов ОУ, второй вход вешаем на землю. Уровни входных и выходных сигналов ведь приводятся относительно нулевого потенциала земляного провода.
Усиленный выходной сигнал забираем с выходной ножки ОУ. Если нужна постоянная составляющая выходного сигнала, после ОУ сразу можно поставить стрелочный микроамперметр, но при этом есть опасность сжечь нежный механизм микроамперметра довольно неслабыми выходными токами усилителя. Поэтому можно уменьшить КУ или применить схемы защиты микроамперметра. Если нужна переменная составляющая выходного сигнала, ставим конденсатор, задерживающий постоянку, но пропускающий переменку.
Еще про камеру хочу добавить:
Длина свободного пробега молекул в воздухе 0.07 микрон. (Можно посчитать) Если расстояние между анодом и катодом камеры будет составлять даже труднодостижимый 1 мм, то сколько раз ион столкнется с нейтральными молекулами, прежде чем долетит до своего электрода?........ Да и долетит ли вообще?.....
Поэтому, для того, чтобы в цепи пошел какой ни будь ток, достаточный для дальнейшего усиления, сколько таких ионов должно образоваться за единицу времени... Т.Е. какой интенсивности должно быть излучение, дающее достаточный ток......... 
Прилепляю техпаспорт на транзистор.
|
|
| | Чт, 31.01.2019, 23:11 | Сообщение # 4
|
polubrat
Постов: 8
ОК |
Уважаемый mehanik_ru!
Благодарен вам за развернуты ответ. Согласен с вашими замечаниями, однако, замечу что схема (на четырех транзисторах) рабочая, она в данный момент собрана и работоспособна, расстояние между электродами действительно на много порядков больше длинны свободного пробега иона (около 3см) я думаю что причиной работоспособности схемы является лавинная многократная ионизация газа в камере, что на много порядков повышает число носителей заряда и увеличивает ток. Мне кажется что такой параметр как длинна свободного пробега мало применим в данном случае, так как к электродам приложен хоть и небольшой, потенциал из-за чего даже крайне низкоэнергетические продукты вторичной ионизации не могут рекомбинироваться (по причине движения в разные стороны) и преодолевают длительный путь к электродам. Спасибо вам за указания по внедрению усилителя в схему, буду пробовать. Однако мне все еще не ясно то будет ли при таком включении (когда электроды подвешены на входы усилителя) создаваться напряжение на этих электродах (оно необходимо чтобы заряды начали движение), опасаюсь что нет, быть может я просто мыслю не верно?
|
|
| | Пт, 01.02.2019, 00:17 | Сообщение # 5
|
mehanik_ru
Постов: 145
ОК |
Уф, нарисовал. 
 Добавлено (01.02.2019, 01:36)
---------------------------------------------
Операционники можно (по памяти): Советские КР544УД1, К140УД8 (не желательно, работает неустойчиво), импортные: NE5534, только оригинал, на Ali много подделок. Больше не помню. Главное, чтобы на входе стояли не биполярные, а полевые транзисторы. По даташитам в названиях должно быть: MOSFET INPUT. Добавлено (01.02.2019, 01:39)
---------------------------------------------
Входы ОУ по постоянному току изолируются кондерами на 100 нФ.
|
|
| | Пт, 01.02.2019, 13:10 | Сообщение # 6
|
polubrat
Постов: 8
ОК |
Уважаемый mehanik_ru!
Спасибо вам за подробную схему. Попробую реализовать в ближайшее время. Несколько не понял зачем в схеме нужен динамик, для звуковой индикации? Думаю его наличие не критично. Предназначение остальных элементов мне более-менее понятно, так что надеюсь на успешный исход предприятия.
|
|
| | Пт, 01.02.2019, 13:49 | Сообщение # 7
|
msmmmm
Постов: 891
Друзья |
mehanik_ru, не будет схема работать. Неинвертирующий вход ОУ по постоянному току болтается в воздухе - будет плавать, а скорее всего загонится в одно из крайних положений и так и останется. Нижний 100n нужно убрать.
Параллельно камере подключены два делителя с общим сопротивлением 5,5кОм (с учетом остальной схемы будет еще меньше). Полевой вход ОУ бесполезен.
|
| |
| | Пт, 01.02.2019, 22:44 | Сообщение # 9
|
msmmmm
Постов: 891
Друзья |
Цитата mehanik_ru ( ) Что можете предложить?
Схемотехнически мне нравится первый вариант входа - ток очень слабый и, чтобы его не "расплескать" он весь входит в базу транзистора. Только вот составной сюда не очень - они тормознутые, а тут все важно. Можно попробовать поставить входной транзистор с "суперБета", нагрузить его на сотню кОм, а затем уже усиливать операционником. Не зная параметров входного сигнала тяжело говорить конкретнее.
В принципе, если первая схема работает, только плавает, может просто выбросить ее правую часть и установить интегратор на ОУ для автоматического поддержания нуля. Защиты от мощных излучений кроме экранировки не знаю.
Да, кстати, polubrat, микроамперметр показывает отдельные импульсы или интегрирует (отклоняется дальше когда излучение интенсивнее?). |
|
| | Пт, 01.02.2019, 22:52 | Сообщение # 10
|
mehanik_ru
Постов: 145
ОК |
Цитата msmmmm ( ) прямо на вход осциллографа
Отличная идея!!!
Стоит попробовать! |
|
Внимание! Форум переехал на Tehnodium.ru
|
|
