Диссертация (1145374), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Все криогенные усилители на установке PENTATRAP собраны намедно-тефлоновом ламинате (Taconic).Добротность и резонансная частота полной аксиальной схемы ловушкарезонатор-криоусилитель, находящейся в магнитном поле 7 Тл, равны,соответственно, примерно 3000 и 380 кГц.Криогенная циклотронная измерительная системаКак было упомянуто ранее в данной главе, частоты ловушечных движенийиона планируется определять с помощью аксиальной измерительной системы.Тем не менее, для определённых вспомогательных целей планируется каждуюловушку оборудовать криогенной циклотронной измерительной системой,которая, как и аксиальная система, состоит из резонатора и малошумящегоусилителя с высоким входным сопротивлением.Принципы создания циклотронного и аксиального резонаторов аналогичны.Различие в дизайне обусловлено значительной разницей аксиальной ициклотроннойчастот.Резонанснаячастотациклотронногорезонаторапревышает 20 МГц.
В данном случае ток протекает в поверхностном слоепроволоки. Это приводит к тому, что вместо тонкой сверхпроводящей NbTiпроволокипредпочтительнееиспользоватьтолстуюмеднуюпроволокудиаметром 1 мм. Так как обмотка циклотронного резонатора содержит всего 15204витков, то она является не тороидной, а цилиндрической (рисунок 7.20(б)).Собственные резонансная частота и добротность свободного резонатора равнысоответственно 59.26 МГц и 4000. Его ёмкость и индуктивность равнысоответственно 3.2 пФ и 2.3 µГн.Рис. 7.20: (а) Схема малошумящего циклотронногоприменяемого на установке PENTATRAP. (б) Схемациклотронного цилиндрического резонатора.криоусилителя,и фотографияСхема малошумящего криоусилителя приведена на рисунке 7.20(а). Онасостоит из входного и выходного каскадов.
Входной каскад образован FETтранзистором NE25139, включённым по каскодной схеме. Выходной каскадявляется истоковым повторителем на базе FET транзистора ATF35143 (Avago),необходимым для согласования выходного импеданса усилителя и 50-омногоимпеданса последующей линии передачи сигнала. Варатор на входе усилителяпозволяет слегка менять резонансную частоту циклотронной криогеннойдетектирующей системы. Потребляемая мощность не превышает трёхмилливатт. Усиление и шумовое напряжение равны, соответственно, 15.8 дБи 500 пВ/�Гц.205“Тёплые“ аксиальная и циклотронная измерительные системыИонные сигналы с выходов как аксиальных, так и циклотронныхкриоусилителей передаются по криогенной линии длиной примерно 1.5 метра вобласть комнатной температуры для их частотного анализа с помощью Фурьетрансформ анализатора (FFT analyzer).
Для того, чтобы отношение сигнала куровню шума анализатора было достаточно большим, сигнал должен бытьдополнительно усилен с помощью основного усилителя. Более того, усиленныйсигнал должен быть преобразован в сигнал с меньшей частотой порядканескольких десятков кГц, т.к. полоса пропускания FFT анализатора непревышает100кГц.Этопреобразовательспреобразовательпростодостигаетсяпонижениемуменьшаетпропусканиемчастотычастотусигнала(down-converter).сигналаначерезДанныйзаданнуюфиксированную величину. Усилитель и преобразователь находятся накрепёжном фланце при комнатной температуре. Поэтому данная ступеньименуется “тёплой“ измерительной системой.
Иллюстрация полной схемыизмерительной системы (аксиальной или циклотронной) приведена на рисунке7.21.Рис. 7.21: Полная схема измерительной системы (аксиальной и циклотронной)установки PENTATRAP, состоящей из криогенной и “тёплой“ ступеней иФурье-трансформ анализатора (FFT анализатор).206В аксиальной измерительной системе используется основной усилительфирмы Stahl-Electronics с встроенным преобразователем с понижениемчастоты. В циклотронной детектирующей системе используется основнойусилитель ZFL-500LN и преобразователь с понижением частоты ZAD-6+фирмы MiniCircuits.Схема подвода кабелей и проводов к электродам ловушкиСхема подвода рч-импульсов и постоянных напряжений к электродамловушки, а также схема отвода ионных сигналов от электродов ловушки(рисунок 7.22) обусловлена следующими факторами:(1) Детектирующая система должна быть подключена к электроду сопределённым эффективным расстоянием , т.к.
при фиксированномотношении массы к заряду время охлаждения ионов зависит только отданногоэффективногорасстоянияиотэффективногосопротивлениярезонатора , . Эффективные расстояние и сопротивление определяются,соответственно, выбором конкретного электрода ловушки и определённогофактора развязки .Аксиальный сигнал снимается с корректирующего электрода CE, чтопозволяет иметь достаточно малые времена охлаждения и, следовательно,достаточно широкий минимум в частотном спектре охлаждённого аксиальногодвижения даже для низкозаряженных ионов.(2)Длясоздания в ловушкедипольныхрч-полей длявозбуждениямагнетронного и циклотронного движений иона, а также для приложенияконвертирующегоэлектродов.-импульса,требуетсясегментацияопределённых207Дипольное рч-поле создаётся посредством приложения определённой фазырч-импульса на одну половину оконечного электрода EC, а противоположнойфазы-на другую половину.(3) Длявозбужденияаксиального движения желательно использоватьнесегментированный электрод.(4) Все постоянные напряжения должны проходить через фильтры нижнихчастот для уменьшения уровня высокочастотного шума.(5) Все рч-импульсы возбуждения ловушечных движений проходят череземкостной делитель напряжения для уменьшения уровня внешних шумов,проникающих с рч-импульсом на электроды ловушки.(6) Требуется заземление линий возбуждения ловушечных движений вмоменты времени, когда они не используются.208Рис.
7.22: Схема подвода рч-импульсов и постоянных напряжений к электродамловушки, а также схема отвода ионных сигналов от электродов ловушки.7.10 Ультра-стабильный источник электрического потенциала дляловушек Пеннинга.Чтобы иметь возможность измерять свободную циклотронную частоту сотносительнойточностьюпорядка10-11,относительнаястабильностьпотенциала ловушки на временном отрезке в 10 минут не должна быть хуже,чем 4·10-8. Потенциал ловушки в зависимости от отношения массы к зарядуисследуемого иона варьируется от нескольких до ста вольт.
К сожалению,коммерческогоисточниканапряжениясподобнойстабильностьюнесуществует. Поэтому ультра-стабильный источник электрического потенциаладля ловушек Пеннинга установки PENTATRAP был создан в нашей группесовместно с электронной лабораторией института ядерной физики имени209Макса-Планка и институтом PTB в Брауншвейге (Physikalisch-TechnischeBundesanstalt, Braunschweig). Источник имеет название StaReP (Stable Referencefor Penning Trap Experiments).Общие требования к StaRePОсновные требования к источнику StaReP приведены в таблице 7.6.Установка PENTATRAP имеет пять ловушек Пеннинга, каждая с пятьюэлектродами. Следовательно StaReP должен иметь 25 каналов ультрастабильных напряжений в интервале от нескольких вольт до -100 вольт.Относительная стабильность напряжения каждого канала на временном отрезкев 10 минут не должна быть хуже, чем 4·10-8.
StaRep должен бытьмалошумящим с уровнем шума, не превышающим значения 1 нВ/�Гц. Дляоптимизации формы потенциала ловушки очень важно иметь возможностьизменять напряжение с шагом 1.5 µВ. Должна существовать возможностьпереключать каналы в режим линейного изменения напряжения междузаданными значениями напряжения за определённый промежуток времени.Данный режим необходим для транспортировки ионов между ловушками.Относительный температурный дрейф напряжений не должен превышатьзначения 4·10-7/К. Система управления источником StaReP базируется напрограммном пакете LabViewTM и встроена в общую систему управленияустановкой PENTATRAP.Таблица 7.6: Требуемые параметры источника StaReP.параметрзначениечисло каналов25диапазон напряженийот 0 до -100 В-8относительная стабильность4·10 в течение 10 минутразрешение1.5 µВтемпературный дрейф4·10-7/КАрхитектура источника StaReP210АрхитектураStaRePифотографияготовогоисточникаприведенысоответственно на рисунках 7.23 и 7.24.
Трансформаторная станция институтапитает низковольтный (LV) и высоковольтный (HV) трансформаторы StaReP, атакже преобразователи переменного напряжения в постоянное. Постоянныенапряжения с LV и HV трансформаторов питают, соответственно, модульэталона напряжения и каждый канал источника StaReP.LVтрансформаторсовстроеннымпреобразователемпеременногонапряжения в постоянное питает сердце источника StaReP – модуль эталонанапряжения, от стабильности которого зависит стабильность выходногонапряжения источника.
Данный трансформатор также питает DAC модули(Digital-to-Analog Converter) каналов источника. HV трансформатор служитисточником питания для высоковольтных усилителей каналов источника.Данные трансформаторы служат не только для преобразования напряжения, ноипредотвращаютпроникновениевStaRePвнешнихпомех.Припроектировании трансформаторов был учтён опыт создания подобных систем винституте PTB. Трансформаторы защищены от воздействия внешних полей спомощью Мю-металла (Mu-metal).211Рис. 7.23: Архитектура источника StaReP.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
