真空监测与控制的智能冷阴极规管超高真空计的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学技术大学 国家同步辐射实验室 作者:徐锡林

  本文介绍我室研制的作为真空测量与拉制的智能冷阴极规管超高真空计。它是根据我们实验室光束线和实验站真空监测、控制和联锁保护功能的特殊要求而研制的.其真空测量范围为5x10 -1--5x10-8Pa。采用单片机Intel 8031,  使设备结构简单、 使用方便、 运行可靠、功能可扩。

1、前言

  中国科学技术大学国家同步辐射实验室是我国第一座专用同步辐射光子工厂,为用户提供从真空紫外到软X射线波段的实验光源。周长为66M、能量为800A4ev 、平均流强为100-300mA的电子储存环和光束线、 实验站均工作在10 -8 Pa左右的超高真空中,超高真空计则是监测真空的必需设备。 特别是光束线和实验站上,真空计不但是真空的监测器,而且是真空控制和联锁保护的传感器。一旦光束线或实验站真空系统发生气体泄漏事故,便以此传感器发出信号,驱动光束线前端的快阀、门阀、光闸等迅速关闭,隔断光束线与电子储存环真空系统的联系,从而达到保护电子储存环真空系统的正常运行之目的。

  在实用过程中,由于我们的真空控制与联锁保护功能的特殊要求,使用国产的多种超高真空计均不尽人意。对于采用外购超高真生计兼作真空控制传感器时,均需对真空计作电路上的改进和改装,以适应真空控制快速响应、越限报警等功能要求。另外,热阴极电离真空计在开关瞬间,由于电源冲击、离子流波动的影响,有时产生不布望的控制信号而导致快阀误动作。故根据我们实验室对真空计功能的要求,且考虑到采用单片机的智能化仪器仪表具有结构简单、使用方便、运行可靠、功能可扩等优点,我们研制了智能冷阴极规管超高真空计。

2、工作原理

  为使真空计具有量测压强为10-1~10-8Pa的量程, 我们采用iechtenstein的Balzers公司的1KR020冷阴极规管闭( 也可采用成都国光电子管总厂的M 014 型反磁控式冷阴极超高真空电离真空规管) 作真空测量器件。其特性曲线见图1所示。

  冷阴极规管是一种自持放电型规管。自持放电是在气体中置有二个电极并加上直流高压时,在一定低压强范围内出现的一种放电现象。自持气体放电电流值取决于外加电压、气体的成分和压强.在阳极电压和磁场都保持常数的条件下,对于一定的气体成分,放电电流即是一个压强测量值。由图I 特性曲线可见,自 持放电电流与压强呈对数关系,故前级应采用对数放大器。

  图2 为前级对数放大器原理图。其工作是基于晶体管集电极电流与基一射电压的指数关系:

       Ic=Is[eqvsi/KT-1]

  当基一射电压大于1O0mv时上式则为:

Ic=Iseqvsi/KT

  对于工作于不同集电极电流的二个对称晶体管,其V BE 之差为

  参照图2 ,很显然,T2集电极电位就是TI和T2管之间的△VBE,则输出电压Vo

  只要适当选择电路参数S,就可达到I  Voit / Decade的输出电压要求。此反映真空压强的输出电压VO ,经过一定的信号处理: 一路经模数变换,由单片机处理作真空度数字显示及与计算机接口的BCD码输出;另一路作光束线和实验站真空控制和联锁保护的起动信号以及玉 强越限时切断高压、保护规管的控制信号。

3 .电路设计

  智能真空计( 由模拟电路和数字电 路组成(其总体方框图如图3 所示) 。 冷规规管的MKV高压由20V直流电压经多谐振荡器产生高频方波,通过精心设计的高压变压器,再经整流滤波而得到。电路尚有压强越限保护电路,一旦所测压强高达上限时,自动切断此高压,从而保护冷规规管免受污染。冷规规管测量信号经由集成运放和加温度补偿的对数放大器, 以放大表示压强的微电流信号, 经过信号处理电路,得到符合测量的模拟电压。

  在智能真空计电路设计中,我们采用价格较便宜的AD574(12bits ) 作模数变换器,以满足测量精度的要求。本智能真空计的量程为5x10-1 - 5x 10-8Pa ,全量程跨越7个数量级。前级的对数放大器以1 VIDecade标度,则输出电压V0为0-7V范围。 真空度则以A.Bx10-C Pa显示以每伏显示100 个“0.1”字(B由0-9 并进位至A,且A亦由0-9 ; 即100字/伏。故前级由CA3140  组件来完成放大任务,每输出10mv,相应于七段数码管LED上增显数字“0.1”。指数C在V0由0 一7V变化时相应显示8一1。

  智能真空计采用最简单、便宜的Intel 8031单片机,程序存储在外加的一片EPROM 2716中。模拟电压VO经A(D变换后,输出12bits的数据。分两次(先低位O bits ,后高位S bits)输入单片机,再由单片机处理成小数位B和个位A以及指数位C,分别经P1口和P3口送至七段数码管显示。简化的程序流程图如图4 所示。如有需要,也可通过简单的接口电路,将压强值以BCD码输出, 以便与计算机连接。

4、特性与应用

  智能真空计现已进行在线测量与调试,并与Balzers公司的PKG 100冷阴极规管真空计对比定标,达到较满意结果。

  智能真空计有下列特点: 。

  1 . 量程范围为5x10-1Pa —5x10-8Pa ;
  2 . 真空度数字显示;
  3 . 在测量范围设置的压强值发出控制信号, 进行自动控制;
  4 . 压强超过上限时,自动切断高压。保护规管;
  5 .压强值以BCD码输出,可与计算机联接。

  国家同步辐射实验室正在建造中的扩延X射线吸收精红结构(EXAFS)光束线和实验站真空保护联锁与控制系统 (原理方框图见图5所示),准备采用我们自己研制的这种智能真空计,既作真空测试与显示装置,又兼作光束线和实验站真空保护与控制的传感器。一旦实验站或光束线下游发生大气泄漏事故,智能真空计M3以满足我们真空控制要求的响应速度向装置于光束线前端的快阀和门阀控制器发出信号,在大气尚未冲至光束线前端之前,快速关闭阀FCV、气动门阀PV0和水冷光屏WMO,切断真空事故源与电子储存环真空系统的联系,避免泄漏的大气冲入电子储存环、 破坏电子储存环真空系统、扼杀束流、损坏仪器设备、造成停机的重大事故。这一智能真空计的应用,将有利于真空控制功能的臻然发挥,加快光束线和实验站真空联锁保护的反应速度。进一步提高真空控制系统的性能和质量。

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