真空監(jiān)測(cè)與控制的智能冷陰極規(guī)管超高真空計(jì)的研制
本文介紹我室研制的作為真空測(cè)量與拉制的智能冷陰極規(guī)管超高真空計(jì)。它是根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室光束線和實(shí)驗(yàn)站真空監(jiān)測(cè)、控制和聯(lián)鎖保護(hù)功能的特殊要求而研制的.其真空測(cè)量范圍為5x10 -1--5x10-8Pa。采用單片機(jī)Intel 8031， 使設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 使用方便、 運(yùn)行可靠、功能可擴(kuò)。
1、前言
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)第一座專用同步輻射光子工廠，為用戶提供從真空紫外到軟X射線波段的實(shí)驗(yàn)光源。周長(zhǎng)為66M、能量為800A4ev 、平均流強(qiáng)為100-300mA的電子儲(chǔ)存環(huán)和光束線、 實(shí)驗(yàn)站均工作在10 -8 Pa左右的超高真空中，超高真空計(jì)則是監(jiān)測(cè)真空的必需設(shè)備。 特別是光束線和實(shí)驗(yàn)站上，真空計(jì)不但是真空的監(jiān)測(cè)器，而且是真空控制和聯(lián)鎖保護(hù)的傳感器。一旦光束線或?qū)嶒?yàn)站真空系統(tǒng)發(fā)生氣體泄漏事故，便以此傳感器發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光束線前端的快閥、門閥、光閘等迅速關(guān)閉，隔斷光束線與電子儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)的聯(lián)系，從而達(dá)到保護(hù)電子儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)的正常運(yùn)行之目的。
在實(shí)用過程中，由于我們的真空控制與聯(lián)鎖保護(hù)功能的特殊要求，使用國(guó)產(chǎn)的多種超高真空計(jì)均不盡人意。對(duì)于采用外購(gòu)超高真生計(jì)兼作真空控制傳感器時(shí)，均需對(duì)真空計(jì)作電路上的改進(jìn)和改裝，以適應(yīng)真空控制快速響應(yīng)、越限報(bào)警等功能要求。另外，熱陰極電離真空計(jì)在開關(guān)瞬間，由于電源沖擊、離子流波動(dòng)的影響，有時(shí)產(chǎn)生不布望的控制信號(hào)而導(dǎo)致快閥誤動(dòng)作。故根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室對(duì)真空計(jì)功能的要求，且考慮到采用單片機(jī)的智能化儀器儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、運(yùn)行可靠、功能可擴(kuò)等優(yōu)點(diǎn)，我們研制了智能冷陰極規(guī)管超高真空計(jì)。
2、工作原理
為使真空計(jì)具有量測(cè)壓強(qiáng)為10-1~10-8Pa的量程， 我們采用iechtenstein的Balzers公司的1KR020冷陰極規(guī)管閉( 也可采用成都國(guó)光電子管總廠的M 014 型反磁控式冷陰極超高真空電離真空規(guī)管) 作真空測(cè)量器件。其特性曲線見圖1所示。
冷陰極規(guī)管是一種自持放電型規(guī)管。自持放電是在氣體中置有二個(gè)電極并加上直流高壓時(shí)，在一定低壓強(qiáng)范圍內(nèi)出現(xiàn)的一種放電現(xiàn)象。自持氣體放電電流值取決于外加電壓、氣體的成分和壓強(qiáng).在陽(yáng)極電壓和磁場(chǎng)都保持常數(shù)的條件下，對(duì)于一定的氣體成分，放電電流即是一個(gè)壓強(qiáng)測(cè)量值。由圖I 特性曲線可見，自 持放電電流與壓強(qiáng)呈對(duì)數(shù)關(guān)系，故前級(jí)應(yīng)采用對(duì)數(shù)放大器。
圖2 為前級(jí)對(duì)數(shù)放大器原理圖。其工作是基于晶體管集電極電流與基一射電壓的指數(shù)關(guān)系:
Ic=Is[eqvsi/KT-1]
當(dāng)基一射電壓大于1O0mv時(shí)上式則為：
Ic=Iseqvsi/KT
對(duì)于工作于不同集電極電流的二個(gè)對(duì)稱晶體管，其V BE 之差為
參照?qǐng)D2 ，很顯然，T2集電極電位就是TI和T2管之間的△VBE，則輸出電壓Vo為
只要適當(dāng)選擇電路參數(shù)S，就可達(dá)到I Voit / Decade的輸出電壓要求。此反映真空壓強(qiáng)的輸出電壓VO ，經(jīng)過一定的信號(hào)處理： 一路經(jīng)模數(shù)變換，由單片機(jī)處理作真空度數(shù)字顯示及與計(jì)算機(jī)接口的BCD碼輸出；另一路作光束線和實(shí)驗(yàn)站真空控制和聯(lián)鎖保護(hù)的起動(dòng)信號(hào)以及玉 強(qiáng)越限時(shí)切斷高壓、保護(hù)規(guī)管的控制信號(hào)。
3 .電路設(shè)計(jì)
智能真空計(jì)( 由模擬電路和數(shù)字電 路組成(其總體方框圖如圖3 所示) 。 冷規(guī)規(guī)管的MKV高壓由20V直流電壓經(jīng)多諧振蕩器產(chǎn)生高頻方波，通過精心設(shè)計(jì)的高壓變壓器，再經(jīng)整流濾波而得到。電路尚有壓強(qiáng)越限保護(hù)電路，一旦所測(cè)壓強(qiáng)高達(dá)上限時(shí)，自動(dòng)切斷此高壓，從而保護(hù)冷規(guī)規(guī)管免受污染。冷規(guī)規(guī)管測(cè)量信號(hào)經(jīng)由集成運(yùn)放和加溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)放大器， 以放大表示壓強(qiáng)的微電流信號(hào)， 經(jīng)過信號(hào)處理電路，得到符合測(cè)量的模擬電壓。
在智能真空計(jì)電路設(shè)計(jì)中，我們采用價(jià)格較便宜的AD574(12bits ) 作模數(shù)變換器，以滿足測(cè)量精度的要求。本智能真空計(jì)的量程為5x10-1 - 5x 10-8Pa ，全量程跨越7個(gè)數(shù)量級(jí)。前級(jí)的對(duì)數(shù)放大器以1 VIDecade標(biāo)度，則輸出電壓V0為0-7V范圍。 真空度則以A.Bx10-C Pa顯示以每伏顯示100 個(gè)“0.1”字(B由0-9 并進(jìn)位至A，且A亦由0-9 ; 即100字/伏。故前級(jí)由CA3140 組件來完成放大任務(wù)，每輸出10mv，相應(yīng)于七段數(shù)碼管LED上增顯數(shù)字“0.1”。指數(shù)C在V0由0 一7V變化時(shí)相應(yīng)顯示8一1。
智能真空計(jì)采用最簡(jiǎn)單、便宜的Intel 8031單片機(jī)，程序存儲(chǔ)在外加的一片EPROM 2716中。模擬電壓VO經(jīng)A(D變換后，輸出12bits的數(shù)據(jù)。分兩次(先低位O bits ，后高位S bits)輸入單片機(jī)，再由單片機(jī)處理成小數(shù)位B和個(gè)位A以及指數(shù)位C，分別經(jīng)P1口和P3口送至七段數(shù)碼管顯示。簡(jiǎn)化的程序流程圖如圖4 所示。如有需要，也可通過簡(jiǎn)單的接口電路，將壓強(qiáng)值以BCD碼輸出， 以便與計(jì)算機(jī)連接。
4、特性與應(yīng)用
智能真空計(jì)現(xiàn)已進(jìn)行在線測(cè)量與調(diào)試，并與Balzers公司的PKG 100冷陰極規(guī)管真空計(jì)對(duì)比定標(biāo)，達(dá)到較滿意結(jié)果。
智能真空計(jì)有下列特點(diǎn): 。
1 . 量程范圍為5x10-1Pa —5x10-8Pa ;
2 . 真空度數(shù)字顯示;
3 . 在測(cè)量范圍設(shè)置的壓強(qiáng)值發(fā)出控制信號(hào)， 進(jìn)行自動(dòng)控制;
4 . 壓強(qiáng)超過上限時(shí)，自動(dòng)切斷高壓。保護(hù)規(guī)管;
5 .壓強(qiáng)值以BCD碼輸出，可與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。
國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室正在建造中的擴(kuò)延X射線吸收精紅結(jié)構(gòu)(EXAFS)光束線和實(shí)驗(yàn)站真空保護(hù)聯(lián)鎖與控制系統(tǒng) (原理方框圖見圖5所示)，準(zhǔn)備采用我們自己研制的這種智能真空計(jì)，既作真空測(cè)試與顯示裝置，又兼作光束線和實(shí)驗(yàn)站真空保護(hù)與控制的傳感器。一旦實(shí)驗(yàn)站或光束線下游發(fā)生大氣泄漏事故，智能真空計(jì)M3以滿足我們真空控制要求的響應(yīng)速度向裝置于光束線前端的快閥和門閥控制器發(fā)出信號(hào)，在大氣尚未沖至光束線前端之前，快速關(guān)閉閥FCV、氣動(dòng)門閥PV0和水冷光屏WMO，切斷真空事故源與電子儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)的聯(lián)系，避免泄漏的大氣沖入電子儲(chǔ)存環(huán)、 破壞電子儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)、扼殺束流、損壞儀器設(shè)備、造成停機(jī)的重大事故。這一智能真空計(jì)的應(yīng)用，將有利于真空控制功能的臻然發(fā)揮，加快光束線和實(shí)驗(yàn)站真空聯(lián)鎖保護(hù)的反應(yīng)速度。進(jìn)一步提高真空控制系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。
