ISSN 1318-0010 KZLTET 32(3-417)165(1998) KONSTRUKCIJA NAPAJALNIKA ZA VISOKOVAKUUMSKI MERILNIK S HLADNO KATODO CONSTRUCTION OF POWER SUPPLY FOR HIGH VACUUM GAUGE WITH COLD CATHODE I. GRAŠIČ1, A. PREGELJ2, M. DRAB2 1Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, ra~unalni{tvo in informatiko, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija 2In{titut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 1111 Ljubljana, Slovenija Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19 Pri razvoju visokovakuumskega merilnika s hladno katodo smo naleteli na problem napajanja merilne glave z visoko napetostjo in merjenje majhnih tokov pri visokih napetostih. Napajalnik mora poleg zahtev po minimalnih dimenzijah in majhni porabi imeti tudi posebno karakteristiko. Le-ta zagotavlja trajno kratkostično obratovanje, ter se vede približno tako, kot idealni napetostni vir z visoko notranjo upornostjo. Poskrbeti je tudi treba za pretvorbo nelinearnega razmerja i=f(p) med dejanskim tlakom v sistemu in merjenim ionskim tokom merilne glave. Poseben problem so elementi, ki so pod visoko napetostjo, visokonapetostne ter hkrati visokovakuumske prevodnice. V pri~ujo~em ~lanku je opisana konstrukcija in izvedba tak{nega napajalnika. While developing the high vacuum gauge with cold cathode we met with the problem of supplying the gauge head with high voltage and measuring a low current at high voltage. A power supply should be small as possible, have special characteristics enabling long term short circuit operation and act like an ideal voltage source with appreciable resistance. The transformation of nonlinear ratio between the real pressure in the system and the measured ion current i=f(p) in the gauge head should be provided. Elements under high voltage and/or high vacuum represent a special care. The article describes the construction and realization of such a power supply. 1 MERILNIKI S HLADNO KATODO Fizikalno delovanje merilnika bomo opisali le na kratko, podrobnej{o razlago pa je moč najti v 12. Slika 1a prikazuje visoko vakuumski Penningov merilnik s hladno katodo. Delovanje merilnikov s hladno katodo temelji na vzpostavitvi plazovite ionizacije ali razelek-trenja med dvema kovinskima elektrodama, med katerima je napetostna razlika nekaj kilovoltov3. Pri ioni-zacijskem trku elektrona z molekulo dobimo ion in dva elektrona. Tako se elektroni z večkratnimi zaporednimi ionizacijskimi trki pomnožujejo in njihovo {tevilo sprva eksponentno nara{ča z rastočo razdaljo od katode. Ko nastane dovolj elektronov, njihov prostorski naboj in zunanji upor omejita nadaljnje pomnoževanje tako, da dobimo stabilno razelektritev. Tok razelektritve je odvisen od tlaka plina in lahko rabi kot merilo za določanje tlaka. Plazovita ionizacija v električnem polju je pri razdaljah med elektrodami nekaj Slika 1: a) Visokovakuumski merilnik s hladno katodo; b) Visokovakuumski sistem za merjenje karakteristike U-I merilne glave Figure 1: a) High vacuum gauge with cold cathode; b) High-vacuum system for measuring U-I characteristics of gauge head KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 165 I. Grašič et al.: Konstrukcija napajalnika za visokovakuumski.. milimetrov možna le pri tlakih, višjih od 10-4 mbar. Ko tlak nižamo, postane srednja prosta pot delcev v primerjavi z razdaljo med anodo in katodo premajhna, da bi se elektroni zadostikrat pomnožili, in razelektritev ugasne. Temu se deloma izognemo z uvedbo primernega magnetnega polja tako, da poti elektronov povečamo ali pa s povečevanjem ionizacijske napetosti. Pri primernih velikostih magnetnega in električnega polja v merilni celici dobimo lepo enolično odvisnost toka od tlaka. V drugi skrajnosti, pri visokih tlakih (10-4 - 10-2 mbar), pa se s tlakom - pri sicer konstantni napetosti - nebrzdano povečuje ionski tok. Med elektrodama v celici zagori plazma, pri kateri postane vrednotenje toka in s tem tudi tlaka nemogoče. Proizvajalci tovrstnih senzorskih glav zato vgrajujejo v tokokrog primerne upore (R = 4 - 40 MOhm), ki ionski tok samodejno zmanjšujejo. Merilna karakteristika sicer ni več linearna, toda predstavlja dober izkaz za odčitavanje tlaka tudi v tem tlačnem intervalu. Merilnik tlaka s hladno metodo meri delni (parcialni) tlak in je ponavadi umerjen na dušik N2. Za druge pline moramo izmerjeni tlak pomnožiti s pripadajočim faktorjem iz primerjalne tabele, ki jo najdemo npr. v 1. Točnost teh merilnikov je v območju +50%. Poleg naštetih procesov poteka v merilnikih s hladno katodo tudi proces getranja5. 2 MERITVE MERILNE GLAVE Na tem mestu bomo izhajali s predpostavke, da je merilna glava že narejena. Le-to smo sicer načrtovali in po mnogih preizkusih (opisani v 6) ter meritvah izdelali sami. Ker pa je ta članek namenjen predstavitvi razvoja napajalnika za vakuumski merilnik s hladno katodo, temu delu ne bomo posvečali pozornosti. Za posnemanje karakteristike upornosti merilne glave v odvisnosti od tlaka v sistemu Rd=/(p) smo sestavili vakuumski sistem, kot ga prikazuje slika 1b. Sistem smo izčrpali najprej z rotacijsko črpalko in nato še z ionsko-getrsko do tlaka 1.10-8 mbar. Tlak smo vzdrževali z ion-sko-getrsko črpalko. Z vpuščanjem dušika smo spreminjali tlak v sistemu, s tem se je spreminjal tok in seveda napetost (=upornost Rd) na merjeni merilni glavi (slika 2). Napetost na merilni glavi smo morali z naraščajočim tlakom zmanjšati, saj uporabljen napetostni vir ni bil tokovno dovolj zmogljiv, predvsem pa nismo želeli s preveliko močjo vplivati na fizikalne procese v merilni glavi. Meritve smo ciklično ponavljali nekaj dni. Rezultate prikazuje slika 2 in so nekako pričakovani. Upornost merilne glave je nelinearna funkcija tlaka, in z naraščajočim tlakom upada. 3 KONSTRUKCIJA MERILNIKA V poglavju Merilniki s hladno katodo in Meritve merilne glave smo orisali približno fizikalno sliko de- lovanja merilnika. Električni model merilne glave je torej Slika 2: Meritve merilne glave IM2. Izvedli smo več meritev. V legendi je vsaka označena z datumom in zaporedno številko Figure 2: Measurement of gauge head IM2. A few measurements were taken, signed in the legend with actual date and sequential number neka nelinearna upornost. Zaradi padajoče upornosti merilne glave z naraščajočim tlakom moramo v želji, da bi lahko naredili merilnik čim manjši (čim manjša poraba) in natančen (meritev ionskega toka), moramo napajalno napetost merilne glave z naraščajočim tlakom zmanjševati (podrobneje v 10). Upadanje napetosti je treba upoštevati v merjenem ionskem toku. Osnovne zahteve za merilnik so torej, da zmore generirati enosmerno napetost nekaj kilovoltov, meriti ionske tokove velikostnega razreda 10nA100|iA in zagotoviti nelinearno pretvorbo merjenega ionskega toka v prikazovani dejanski tlak v sistemu. Zaradi kompatibilnosti z drugimi proizvajalci podobnih merilnikov smo za izhodni signal iz merilnika, ki nam podaja informacijo o merjenem tlaku, izbrali analogni napetostni izhod z naslednjimi napetostnimi nivoji: U»t=3,5V ® p=10-7 mbar... Uout=8,5V ® p=10-2 mbar. Izhodna napetost pomeni logaritemsko merilo za tlak, in sicer lV/dekado tlaka. Odmik napetostnih nivojev navzgor ali navzdol pomeni napako merilnika. Možnih izvedb merilnika je veliko. Zelena nizka cena serijske proizvodnje merilnika je narekovala uporabo stikalnega napajalnika 15V/3500V in vezje za korekcijo karakteristike, izvedeno z nelinearnim večstopenjskim pretvorniškim ojačevalnikom. Blok-shemo prikazuje slika 3. 3.1 DC/DC pretvornik DC/DC pretvornik sestavlja stikalno vezje, visokonapetostni transformator, pomnoževalno vezje ter za vezje krmilje in regulacijo. Elementi so izbrani tako, da je pri tlaku 10-2mbar in napajalni napetosti okoli 34kV ionski tok 100||A. Glede na zelo veliko razmerje med vhodno in izhodno napetostjo pridejo v poštev samo pretvorniki, ki imajo kot osnovni člen za pretvarjanje transformator7,9. Na izhod transformatorja smo zaradi zahtev po majhnem transformatorju (velika prestavna razmerja pomenijo veliko izolacije med legami navitja) 418 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5 I. Grašič et al.: Konstrukcija napajalnika za visokovakuumski.. Slika 3: Blok-shema merilnika. V vezju je ena močnostna in dve signalni masi. To je potrebno za odpravo visokofrekvenčnih motenj, ki jih povzročajo preklopi stikalnih tranzistorjev Figure 3: Principal drawing of the high vacuum gauge. In circuit there are three grounds: one power and two signal grounds. This was necessary to eliminate high frequency noise due the to switching of tranzistors dali pomnože valno vezje. Ker to vezje obremenjuje sekundarno navitje transformatorja v obeh polperiodah, pridejo v poštev samo mostične ali "push-pull" izvedbe pretvornikov. Zaradi manjšega števila elementov smo izbrali izvedbo "forward push-pull", ki jo je mogoče realizirati s krmilnim vezjem SG3526A8. Napetostno regulacijsko zanko smo uporabili za stabilizacijo napetosti na izhodu, tokovno pa za pretokovno zaščito. Elemente smo preračunali po 10. 3.2 Korekcijsko vezje Zaradi preproste izvedbe in nizke proizvodne cene smo se odločili za analogno izvedbo z nelinearnim večstopenjskim pretvorniškim ojačevalnikom4. Pri takšnem vezju je sicer nekoliko težje doseči zahtevano točnost, saj so ojačevalniki za posamezne odseke med sabo 1 1 1 "1 i ■ , ■ Ti- r- L n . . ~[f L—"" -*-Llzti2[Y] UjhJ|U| 1L-UÇ It05 1L-M I ti-LI] ft-M pjntijr] Slika 4: Meritev prenosne karakteristike celotnega merilnika Figure 4: Measurement of transfer characteristics of the whole gauge 419 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5 povezani enosmerno, kar pomeni časovno in toplotno drsenje. Elemente vezja izračunamo tako, da imamo pri ionskem toku 100||A maksimalno napetost na izhodu merilnika. Drugi napetostni nivoji se ravnajo po specifikaciji na strani 2. 4 IZVEDBA IN PREIZKUSI Vezje smo izvedli v dveh delih: visokonapetostni del na enostranski tiskanini, zaliti v zalivko MITOPUR 302 SU/5, ter nizkonapetostni del na dvostranski tiskanini z elementi SMD, oboje okrogle oblike f60mm. Vseh meritev in preizkusov, ki smo jih opravili, ne moremo prikazati na tem mestu. Zato smo podali le diagram s končnega preskusa celotnega merilnika (slika 4), kjer so vrisane tri meritve. Rezultati so sipani, kar smo tudi nekako pričakovali. 5 ZAKLJUČEK Pri konstrukciji visokonapetostnega dela pretvornika smo upoštevali norme IEC 664, 664A in DIN VDE 0110, ki predpisujejo varnostne in plazilne razdalje za varno obratovanje naprave. Veliko težav nam je povzročala zahteva po majhnih dimenzijah naprave, saj smo morali upoštevati varnostne razdalje, da ne pride do prebojev. V pričujočem delu so opisana izhodišča, izračuni in konstrukcija cenenega ter preprosto izvedljivega visoko-vakuumskega merilnika s hladno katodo. Zaradi svoje konstrukcije in lastnosti nam tovrstni merilniki rabijo bolj kot indikatorji in industrijski instrumenti kot pa pre-cizijski merilniki. I. Grašič et al.: Konstrukcija napajalnika za visokovakuumski.. 6 LITERATURA 1 M. Kurepa, B. Cobic, Fizika i tehnika vakuuma, Naučna knjiga Beograd, 1988 2 Osnove vakuumske tehnike, Zbornik predavanj, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Ljubljana 1984 3 S. Poberaj, Fizika snovi, Ljubljana 1980 4 Leon O. Chua, Introduction to Nonlinear Network Theory, McGraw Hill, New York, 1969 51. Grašič, Visokonapetostni napajalnik za ionsko-getrsko črpalko, 3. slovenska konferenca o materialih in tehnologijah, Portorož, 4.-6. oktober 1995 6 V. Bego, Merenja u elektrotehnici, Tehnična knjiga, Zagreb 1990 7 J. G. Kassakian, Principles of power electronics, Massachusetts Institute of Technology, Addison Wessley Publishing Company, 1991 8Unitrode Applications Handbook 1985-86, Unitrode Corporation, 1985 9O. Kilgenstein, Schaltnetzteile in der Praxis, VOGEL Buchverlag Wurzburg, 1988 101. Grašič, Visokovakuumski merilnik s hladno katodo, Poročilo o razvoju (za interno uporabo), Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Ljubljana, 1997 420 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5