Диссертация (1145374), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Амплитуда данного сигналазависит от активного параллельного сопротивления (см. рисунок 7.15(а)).Точность измерения частоты зависит решающим образом от такого важногопараметра детектирующей системы, как отношения сигнала к шуму (SNR –signal-to-noise ratio). Чем выше SNR, тем быстрее можно достигнуть195определённую точность при измерении частоты. На рисунке 7.16 представленаэквивалентная схема детектирующей системы установки PENTATRAP.
Ионпредставлен в данной схеме, как источник тока . Ёмкость резонатора складывается из ёмкостей ловушки, индуктивности и проводов. Эффективноеактивное сопротивление покрывает потери энергии в резонаторе, ловушке ипроводах. Усилитель моделируется набором входных сопротивления ,ёмкости и источников шумового напряжения и тока . Ёмкость электрически развязывает резонатор и усилитель.Рис. 7.16: Эквивалентная схема определения частоты ловушечного движения.Ион представлен в данной схеме, как источник тока . Ёмкость резонатора складывается из ёмкостей ловушки, индуктивности и проводов. Эффективноеактивное сопротивление покрывает потери энергии в резонаторе, ловушке ипроводах.
Усилитель моделируется набором входных сопротивления ,ёмкости и источников шумового напряжения и тока . Ёмкость электрически развязывает резонатор и усилитель.Применяя закон Киргофа для анализа данной схемы, можно прийти кследующим выражениям для параметров схемы:(1) Отношение между напряжением на входе усилителя и на резонаторе равно:≈21 +2 +≡ ≡ ,(7.12)196где , , – индуктивный, емкостной и полный факторы развязки резонатораи усилителя.(2) Входные сопротивление и ёмкость С усилителя нагружают резонатор.Эффективное активное сопротивление резонатора равно:, ≈ || 2=112+ .(7.13)Эффективная ёмкость резонатора равна:, ≈ + 2 +.(7.14)(3) Источник шумового тока создаёт на входе в усилитель шумовое напряжение , равное: = 2 , .(7.15)Для выбора оптимального фактора развязки необходимо учитыватьследующие факторы:(1) Фактор развязки влияет на ширину минимума в частотном спектре(рисунок 7.15(б)), а также на отношение сигнала к шуму SNR.Слишком узкий минимум приводит к его размытию благодаря нестабильностипотенциала ловушки, тогда как слишком широкий минимум не позволяетопределить частоты с заданной точностью.
Фактор развязки выбирается так,чтобы ширина минимума равнялась примерно 1 Гц.Частотный спектр системы ловушка-резонатор-усилитель без иона (шумовойрезонанс)представляетсобойпадениенапряжениянаэффективном197сопротивлении , , вызванного некогерентной суммой температурногошумового тока резонатора и шумового тока усилителя. Наличие иона вловушке приводит к возникновению минимума.
В идеале глубина минимума(сигнал) равна высоте шумового резонанса. Данный спектр размываетсяшумовым напряжением усилителя (шум). Таким образом, отношениесигнала к шуму выражается следующим образом: =22∙� 2 ∙4∙ ∙∙,+ 4 ∙,.(7.16)Необходимо отметить, что выбор конкретного электрода, к которомуподключается резонатор,также является свободным параметром приоптимизации SNR, так как он определяет эффективное расстояние и,следовательно, ширину минимума в частотном спектре (см. выражение (7.10)).(2) Если ионы не охлаждены, то они проявляются в частотном спектре как пикна частоте исследуемого ловушечного движения иона (см. рисунок 7.14).
Вданном случае фактор развязки влияет на отношение сигнала к шуму SNR ина время затухания , определяющее скорость охлаждения исследуемоголовушечного движения иона (см. выражение (7.10)). Сигналом являетсянапряжение, вызванное прохождением тока , наведённого ионом в резонаторе,через эффективное сопротивление резонатора , . Шумом являетсянекогерентная сумма шумового напряжения и напряжения на эффективномсопротивлении , , вызванного некогерентной суммой температурногошумового тока резонатора и шумового тока усилителя. Таким образом,отношение сигнала к шуму в данном случае равно: =∙, ∙22∙�2 + 2 ∙4∙ ∙∙,+ 4 ∙,.(7.17)198В качестве оптимального значения фактора развязки для аксиальногорезонатора на установке PENTATRAP выбрано значение 1/3.Как уже было отмечено, выбор конкретного электрода, к которомуподключается резонатор, определяет эффективное расстояние и, какследствие, скорость охлаждения исследуемого ловушечного движения иширину минимума в частотном спектре.
В таблице 7.4 приведены эффективныерасстояния для разных электродов ловушки установки PENTATRAP.Таблица 7.4: Эффективные расстояния ловушки установки PENTATRAPпри подключении аксиального резонатора к электродам RE, CE и EC, а такжеих половинкам и одновременно к CE и EC.ECCEEC+CEEC/2CE/2RE/2(EC+CE)/232.511.18.162.523.13121.17.9 Измерительная системаИзмерительная система установки PENTATRAP состоит из аксиальной ициклотронной систем.
Каждая из них имеет две ступени: (1) малошумящаякриоэлектроника для первичной обработки ионного сигнала и (2) втораяступень, находящаяся при комнатной температуре (“тёплая“ электроника) ислужащая для конечного формирования ионного сигнала. Схема расположенияотдельных компонентов измерительной электроники приведена на рисунке7.17. Первая ступень как аксиальной, так и циклотронной систем являетсяполностью криогенной и представляет собой резонатор и усилитель.
Онирасполагаются в непосредственной близости от электродов ловушек в общем словушками вакуумном объёме. Это позволяет подключать резонаторы иусилители короткими однородными кабелями непосредственно к электродамловушек, не используя электрические разъёмы, что существенно увеличиваетотношение сигнала к шуму на выходе усилителя. Далее ионный сигналпередаётся через электрические разъёмы по криогенным кабелям ко второй199ступени - “тёплой“ электронике, которая располагается на крепёжном фланце ислужит для конечного формирования ионного сигнала.Рис.
7.17: Схема расположения отдельных компонентов измерительнойэлектроники. Первая ступень детектирующей системы является полностьюкриогенной и располагается в непосредственной близости от электродовловушек. Ионный сигнал, прошедший обработку первой ступенью, передаётсяс помощью криогенных кабелей ко второй ступени - “тёплой“ электронике,которая располагается на крепёжном фланце и служит для конечногоформирования ионного сигнала.200Вторая ступень состоит из основного усилителя и преобразователя спонижением частоты (down-converter).
Электрические линии передачи рчимпульсов для возбуждения ионных ловушечных движений, а такжепостоянные напряжения для ловушек и усилителей, подаются к ловушкам иусилителямспомощьюкриокабелейикриопроводовчерезсистемукриофильтров и электрических разъёмов.Криогенная аксиальная измерительная системаКриогенная аксиальная измерительная система состоит из тороидальногосверхпроводящего резонатора и малошумящего усилителя с высоким входнымсопротивлением.Любой резонатор характеризуется такими параметрами, как индуктивность,ёмкость и параллельное сопротивление.
Основным критерием при созданииаксиального резонатора является максимизация его добротности, т.е. всевозможныепотеризапасённойврезонатореэнергиидолжныбытьминимизированы. Хороший обзор по созданию такого рода высокодобротныхрезонаторов даётся в [218]. Основными источниками потерь энергии врезонаторе являются наличие определённого активного сопротивления резонатора, потери во внешнем экране резонатора и потери вдиэлектрическом материале, используемым для электрической изоляцииотдельныхвитковпроволокирезонатора,атакжедляэлементов,удерживающих вместе отдельные части резонатора. Наличие внешнего экраназащищает резонатор от внешних рч-полей.НаустановкеPENTATRAPприменяютсятороидальныерезонаторы(рисунок 7.18), в которых для создания определённого значения индуктивностииспользуется сверхпроводящая тонкая NbTi-проволока толщиной 75 µм.
Вкачествематериалаиспользуетсятефлондержателя,(PTFE),накоторыйкоторыйнаматываетсяобладаетпроволока,сравнительнонизкимкоэффициентом диэлектрических потерь. Тефлоновый держатель с намотанной201на него проволокой помещается в цилиндрический стакан (экран) избезкислородноймеди,обладающейоченьвысокойэлектрическойпроводимостью. Каждый экран для того, чтобы сэкономить место в камере сэлектроникой, содержит два тороидных резонатора.Рис. 7.18: Конструкция аксиального резонатора.
(а) Тефлоновый тороидныйдержатель обмотки резонатора. (б) Цилиндрический медный стакан (экран),содержащий две обмотки. К экрану прикрепляется медная коробка с двумяусилителями. (с) Фотография сборки, состоящей из двух аксиальныхрезонаторов и двух усилителей.Аксиальный резонатор, обладая 761 витком NbTi проволоки, имеетиндуктивность и ёмкость, равные, соответственно, примерно 3.2 мГн и 8 пФ.Собственная резонансная частота и добротность такого резонатора, неподключённого к ловушке и усилителю, равна, соответственно, примерно 930кГц и 65000.Криогенный усилитель выполняет двоякую роль.
Во-первых, с помощьюданного усилителя проводится предварительное усиление ионного сигнала.Качество криоусилителя определяет отношение сигнала к шуму. Во-вторых, сего помощью производится развязка резонатора и линии передачи сигнала ковторой ступени. При создании криоусилителя внимание обращается на такиеключевыепараметрыусилителя,каквысокоевходноесопротивлениеусилителя, его низкие входные шумовые ток и напряжение, а также низкая202потребляемая мощность.
Усилитель собран на GaAs полевых транзисторах(FET). Схема аксиального усилителя приведена на рисунке 7.19.Рис. 7.19: Схема малошумящего аксиального криоусилителя, применяемого наустановке PENTATRAP.Входной каскад усилителя формируется двумя параллельными FETтранзисторами NE25139 (NEC) с общим истоком и закороченными друг надруга затворами. Такая схема включения позволяет добиться высоких входногосопротивления и усиления, а также существенного понижения уровня шума,правда, за счёт некоторого увеличения входной ёмкости. При низкихтемпературах доминирующим источником шума в таких транзисторах являетсярассеяниеэлектроновнапримесях.Уровеньданногошумаобратнопропорционален частоте.
Приемлемые шумовые характеристики достигаютсяпри усилении частот, превышающих значение 200 кГц. Второй каскадусилителя формирует транзистор 3SK124 (NEC), включенный по каскоднойсхеме. Такая схема позволяет дополнительно повысить входное сопротивлениеусилителя. Выходным каскадом является истоковый повторитель на базетранзистора 3SK124 для согласования выходного импеданса усилителя с 50омным импедансом последующей линии передачи сигнала. Усилитель203помещается в медную коробку, расположенную с боку на медном экранерезонатора. Численные параметры аксиального криоусилителя приводятся втаблице 7.5.Таблица 7.5: Основные параметры аксиального криоусилителя.усиление15.6 дБ9 мВт 610 пВ/�Гц 3.7(3) фА/�Гц 11.3 МОм2.1 пФВыбор подходящего материала печатной платы усилителя важен дляуменьшения паразитных ёмкостей в схеме, которые ухудшают характеристикиусилителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
