ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 112-116
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.38
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ СТОЛИКА ПЕЧИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРИЕМНИКА ИОНОВ В УСКОРИТЕЛЕ ИЛУ-3
© 2014 г. В. И. Нуждин, В. Ф. Валеев, Д. А. Коновалов, Г. Г. Гумаров
Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦРАН Россия, 420029, Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7 E-mail: nuzhdin@kfti.knc.ru Поступила в редакцию 31.01.2014 г.
Описана принципиальная схема устройства. Предложен способ подключения термопар в вакуумной камере приемника ионов ускорителя ИЛУ-3, обеспечивающий учет температуры "холодного спая". Максимальная температура стабилизации столика печи в высокотемпературном приемнике ионов составляет 800°C, минимальная температура стабилизации зависит от режимов имплантации. Точность поддержания температуры ±3°С.
DOI: 10.7868/S0032816214050218
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важнейших параметров, влияющих на физико-химические свойства слоев, получаемых при ионной имплантации, является температура облучаемой мишени. Для решения ряда научных задач требуется исследование слоев, полученных при высокой температуре. Целью данной работы являлась разработка и создание устройства для измерения и стабилизации температуры столика печи в высокотемпературном приемнике ионов ускорителя ИЛУ-3.
Для нагерва образца во время имплантации используют нагревательные печи, устанавливаемые между образцом и столиком объектодержате-ля [1—3]. Конструкция и расчет печи высокотемпературного приемника ионов ускорителя ИЛУ-3 подробно описаны в работе [4]. Для измерения температур в широком диапазоне (включая высокие — более 1000°С) обычно используют термопарные датчики. При этом возникает необходимость учета температуры "холодного спая" термопары. В регуляторах типа ПТ200 и МикРа 600 [5] предусмотрен такой учет с привязкой к температуре внутреннего датчика, т.е. к температуре корпуса прибора. Однако в высокотемпературном приемнике ионов "холодные" концы термопар находятся в вакуумной камере в тепловом контакте с трубопроводом системы охлаждения столика объектодержателя, температура которого существенно отличается от температуры корпуса регулятора. По этой причине в разработанном устройстве преобразователь сигнала термопары выполнен в виде выносного модуля, имеющего тепловой контакт с трубопроводом системы охлаждения.
КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА
На рис. 1 представлена блок-схема разработанного устройства (терморегулятора) для измерения и стабилизации температуры.
Особенностью разработанного устройства является использование в нем магнитного электро-термоконтакта со встроенным преобразователем (м.э.т.к.) [6, 7] и оригинального фазового регулятора мощности [8], позволяющего регулировать значения среднего тока или напряжения нагревателя печи. Терморегулятор обеспечивает "мягкую" быстродействующую стабилизацию температуры и рассчитан на работу с нагревателями, имеющими небольшую тепловую инерцию.
На рис. 2 представлена принципиальная схема блоков измерения и регулировки температуры.
Термо-э.д.с. термопары ВК1, установленной на столике печи, усиливается микросхемой М1 и подается на преобразователь напряжение—частота М2. Индикатор температуры собран на микросхеме 1СМ7226 [9]. С выхода эмиттерного повторителя на транзисторе Т1 сигнал передается на дополнительный индикатор, размещенный на пульте оператора ускорителя ИЛУ-3. Микросхема М1 [10] имеет встроенный компенсатор температуры холодного спая, а также нормированную крутизну преобразования 10 мВ/°С.
Для корректной работы преобразователя "температура—напряжение" концы ХТ1, ХТ2 термопары ВК1 и корпус микросхемы М1 должны находиться при одной температуре. В разработанном устройстве это условие обеспечивается привязкой к температуре трубопровода системы водяного охлаждения столика объектодержателя ([11,
Рис. 1. Блок-схема устройства для измерения и стабилизации температуры. М.э.т.к. — магнитный электротермокон-такт со встроенным преобразователем; ВК1 - термопара; ХТ2 - холодные спаи термопары, находящиеся в приемнике ионов; ХТ3 - электрический контакт, находящийся на фланце приемника; ХТ4 — точка контакта м.э.т.к. с трубопроводом системы охлаждения приемника ионов.
Рис. 2. Принципиальная схема блоков измерения и регулировки температуры. М1 - AD597AR, М2 — АБ654, М3 — OP177FP; Ть Т2, Т5 - КТ315Г, Т3 - КТ361Г, Т4 - КТ973Б, Т6 - КТ117Б; Д- 2Д509А; - ТСО124-50-8.
рис. 2]), поскольку температура проточной воды на входе и выходе приемника практически не отличается. Холодный конец термопары ХТх имеет тепловой, а ХТ2 - тепловой и электрический кон-
такты с трубопроводом водяного охлаждения приемника в вакуумной камере ускорителя. М.э.т.к. с микросхемой Мх в точке ХТ4 имеет тепловой и электрический контакты с трубопрово-
Рис. 3. Конструкции магнитных электрических контактов ХТ3 (а) и ХТ4 (б). 1 — корпус; 2 — магнит; 3 — контактная пластина; 4 — место пайки проводника (соединенного с выводом 1 микросхемы (рис. 2)); 5 — микросхема М^ 6 — чашеобразный изолятор; 7 — латунное кольцо; 8 — резиновая прокладка; 9 — фторопластовая втулка; 10 — накидная гайка.
дом водяного охлаждения на атмосферной стороне фланца приемника.
На рис. 3 показаны в разрезе конструкции магнитных электрических контактов ХТ3 и ХТ4. В корпусе 1, выполненном из магнитного материала, с помощью закатки зафиксированы шай-
бы неодимового магнита 2 и контактной пластины 3, выполненной из немагнитного металла.
Принципиальная схема дополнительного индикатора температуры приведена на рис. 4.
Входной частотный сигнал через гнездо Г подается на последовательно соединенные светоди-оды оптронов Оп1 и Оп2. С оптрона Оп1 сигнал через гнездо Г2 поступает на компьютер для записи температуры во время облучения, а с оптрона Оп2 — на вход микросхемы М2 (1СМ7226В) индикатора температуры, выполняющего функцию частотомера [9]. Схема представленного индикатора температуры полностью соответствует индикатору температуры на рис. 2.
На рис. 5 представлена принципиальная схема блоков регулировки максимального значения тока и напряжения нагрузки.
В режиме стабилизации среднего значения тока напряжение, падающее на шунте Яш, сравнивается с опорным на входах микросхемы М. Сигнал рассогласования усиливается и подается на Лх оптронного регулятора. Уменьшение сопротивления на выходе оптронного регулятора (выводы а, б) приводит к более позднему включению све-
Рис. 4. Принципиальная схема дополнительного индикатора температуры. М1 — К1А7805, М2 — 1СМ7226В; Оп1, Оп2 — АОТ128Б, Д — BL2W10; в качестве цифрового индикатора используется одна сборка на четыре разряда — СС56-12GWA; Тр - ТП-122-1.
Рис. 5. Принципиальная схема блоков регулировки максимального значения тока и напряжения нагрузки. М -OP177FP; Тх - BD135G, Т2 - транзисторная сборка L-610MP4BT/BD, Т3 - BD648; Д - КВРС3510, Д2 - КД208А, -см. рис. 2; Тр - изготовлен на тороидальном сердечнике от лабораторного автотрансформатора, рассчитанного на ток нагрузки 9 А, ^ - 330 витков проводом ПЭВ-2-1.0, ^ - 60 витков в два провода ПЭВ-2-1,5; Яш - ШИП75-15А; РА -М42303-15А, РУ - М42303-25У.
тодиода 51Л оптосимистора в фазовом регуляторе мощности (рис. 2), открыванию силовой его части - симистора 512 (рис. 5) и уменьшению мощности, выделяемой в нагрузке. Так осуществляется обратная связь по току. По показаниям индикатора тока РА с помощью переменных резисторов Ях и Я2 осуществляется соответственно грубая и точная настройка значения среднего тока нагрузки. Подбором номинала резистора Я3 добиваются отклонения стрелки прибора РА на всю шкалу при выводе подвижных контактов резисторов Я{ и Я2 в крайнее верхнее (по схеме) положение. Подбором номинала резистора Я4 достигается полное отключение оптосимистора S1 при выводе подвижных контактов в крайнее нижнее положение.
Для стабилизации напряжения в оптронном регуляторе используется второй вход. По показаниям индикатора напряжения РУ с помощью переменных резисторов Я5 и Я6 осуществляется соответственно точная и грубая настройка значения среднего напряжения, прикладываемого к нагрузке. Время нарастания напряжения от момента включения сетевого выключателя 5А до полного отклонения стрелки ~4 с. Подбором номинала резистора Я7 достигается полное отключение си-
мистора при выводе подвижных контактов резисторов Я5 и Я6 в крайнее левое (по схеме) положение. Подбором числа витков вторичной обмотки трансформатора Тр и номинала резистора Я8 добиваются отклонения стрелки на всю шкалу прибора РУ при выводе подвижных контактов резисторов Я5 и Я6 в крайнее правое (по схеме) положение. Резистор Я9 является нагрузкой оптосимистора 5\.
Оптронный регулятор выполнен на отдельной плате и помещен в светонепроницаемый корпус (26 х 17 х 13 мм). В качестве оптических излучателей Ль Л2 выбраны лампы накаливания соответственно СМН-6,3-20 и СМН-12-80 (две, соединенные последовательно). Инерционность свечения вольфрамовой нити ламп накаливания обеспечивает плавность регулировки мощности.
Разработанное устройство обеспечивает максимальную температуру стабилизации 800°С. Минимальная температура стабилизации зависит от режимов имплантации. Определяющими параметрами являются энергия и плотность ионного тока. Например, при имплантации ионов с энергией 30 кэВ с плотностью ионного тока 7 мкА/см2 при дозе 1017 ионов/см2 температура столика печи в применяемом высокотемператур-
ном приемнике ионов без дополнительного нагрева достигает значения ~120°С, поэтому минимальная температура стабилизации в данном случае не может быть ниже этого значения.
Для калибровки блока измерения температуры была изготовлена специальная термопара, состоящая из двух термопар с одним общим горячим спаем. Первая термопара подсоединяется согласно схеме на рис. 2. Выводы второй термопары через вакуумный разъем во фланце высокотемпературного приемника подключаются к милливольтметру. Реальная температура определяется по показаниям милливольтметра с помощью переводной таблицы термопары хромель-алюмель с учетом температуры холодного спая. Калибровка проводится в рабочем режиме высокотемпературного приемника в вакуу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.