真空監測與控制的智能冷陰極規管超高真空計的研制
本文介紹我室研制的作為真空測量與拉制的智能冷陰極規管超高真空計。它是根據我們實驗室光束線和實驗站真空監測、控制和聯鎖保護功能的特殊要求而研制的.其真空測量范圍為5x10 -1--5x10-8Pa。采用單片機Intel 8031， 使設備結構簡單、 使用方便、 運行可靠、功能可擴。
1、前言
中國科學技術大學國家同步輻射實驗室是我國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射線波段的實驗光源。周長為66M、能量為800A4ev 、平均流強為100-300mA的電子儲存環和光束線、 實驗站均工作在10 -8 Pa左右的超高真空中，超高真空計則是監測真空的必需設備。 特別是光束線和實驗站上，真空計不但是真空的監測器，而且是真空控制和聯鎖保護的傳感器。一旦光束線或實驗站真空系統發生氣體泄漏事故，便以此傳感器發出信號，驅動光束線前端的快閥、門閥、光閘等迅速關閉，隔斷光束線與電子儲存環真空系統的聯系，從而達到保護電子儲存環真空系統的正常運行之目的。
在實用過程中，由于我們的真空控制與聯鎖保護功能的特殊要求，使用國產的多種超高真空計均不盡人意。對于采用外購超高真生計兼作真空控制傳感器時，均需對真空計作電路上的改進和改裝，以適應真空控制快速響應、越限報警等功能要求。另外，熱陰極電離真空計在開關瞬間，由于電源沖擊、離子流波動的影響，有時產生不布望的控制信號而導致快閥誤動作。故根據我們實驗室對真空計功能的要求，且考慮到采用單片機的智能化儀器儀表具有結構簡單、使用方便、運行可靠、功能可擴等優點，我們研制了智能冷陰極規管超高真空計。
2、工作原理
為使真空計具有量測壓強為10-1~10-8Pa的量程， 我們采用iechtenstein的Balzers公司的1KR020冷陰極規管閉( 也可采用成都國光電子管總廠的M 014 型反磁控式冷陰極超高真空電離真空規管) 作真空測量器件。其特性曲線見圖1所示。
冷陰極規管是一種自持放電型規管。自持放電是在氣體中置有二個電極并加上直流高壓時，在一定低壓強范圍內出現的一種放電現象。自持氣體放電電流值取決于外加電壓、氣體的成分和壓強.在陽極電壓和磁場都保持常數的條件下，對于一定的氣體成分，放電電流即是一個壓強測量值。由圖I 特性曲線可見，自 持放電電流與壓強呈對數關系，故前級應采用對數放大器。
圖2 為前級對數放大器原理圖。其工作是基于晶體管集電極電流與基一射電壓的指數關系:
Ic=Is[eqvsi/KT-1]
當基一射電壓大于1O0mv時上式則為：
Ic=Iseqvsi/KT
對于工作于不同集電極電流的二個對稱晶體管，其V BE 之差為
參照圖2 ，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
只要適當選擇電路參數S，就可達到I Voit / Decade的輸出電壓要求。此反映真空壓強的輸出電壓VO ，經過一定的信號處理： 一路經模數變換，由單片機處理作真空度數字顯示及與計算機接口的BCD碼輸出；另一路作光束線和實驗站真空控制和聯鎖保護的起動信號以及玉 強越限時切斷高壓、保護規管的控制信號。
3 .電路設計
智能真空計( 由模擬電路和數字電 路組成(其總體方框圖如圖3 所示) 。 冷規規管的MKV高壓由20V直流電壓經多諧振蕩器產生高頻方波，通過精心設計的高壓變壓器，再經整流濾波而得到。電路尚有壓強越限保護電路，一旦所測壓強高達上限時，自動切斷此高壓，從而保護冷規規管免受污染。冷規規管測量信號經由集成運放和加溫度補償的對數放大器， 以放大表示壓強的微電流信號， 經過信號處理電路，得到符合測量的模擬電壓。
在智能真空計電路設計中，我們采用價格較便宜的AD574(12bits ) 作模數變換器，以滿足測量精度的要求。本智能真空計的量程為5x10-1 - 5x 10-8Pa ，全量程跨越7個數量級。前級的對數放大器以1 VIDecade標度，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“0.1”字(B由0-9 并進位至A，且A亦由0-9 ; 即100字/伏。故前級由CA3140 組件來完成放大任務，每輸出10mv，相應于七段數碼管LED上增顯數字“0.1”。指數C在V0由0 一7V變化時相應顯示8一1。
智能真空計采用最簡單、便宜的Intel 8031單片機，程序存儲在外加的一片EPROM 2716中。模擬電壓VO經A(D變換后，輸出12bits的數據。分兩次(先低位O bits ，后高位S bits)輸入單片機，再由單片機處理成小數位B和個位A以及指數位C，分別經P1口和P3口送至七段數碼管顯示。簡化的程序流程圖如圖4 所示。如有需要，也可通過簡單的接口電路，將壓強值以BCD碼輸出， 以便與計算機連接。
4、特性與應用
智能真空計現已進行在線測量與調試，并與Balzers公司的PKG 100冷陰極規管真空計對比定標，達到較滿意結果。
智能真空計有下列特點: 。
1 . 量程范圍為5x10-1Pa —5x10-8Pa ;
2 . 真空度數字顯示;
3 . 在測量范圍設置的壓強值發出控制信號， 進行自動控制;
4 . 壓強超過上限時，自動切斷高壓。保護規管;
5 .壓強值以BCD碼輸出，可與計算機聯接。
國家同步輻射實驗室正在建造中的擴延X射線吸收精紅結構(EXAFS)光束線和實驗站真空保護聯鎖與控制系統 (原理方框圖見圖5所示)，準備采用我們自己研制的這種智能真空計，既作真空測試與顯示裝置，又兼作光束線和實驗站真空保護與控制的傳感器。一旦實驗站或光束線下游發生大氣泄漏事故，智能真空計M3以滿足我們真空控制要求的響應速度向裝置于光束線前端的快閥和門閥控制器發出信號，在大氣尚未沖至光束線前端之前，快速關閉閥FCV、氣動門閥PV0和水冷光屏WMO，切斷真空事故源與電子儲存環真空系統的聯系，避免泄漏的大氣沖入電子儲存環、 破壞電子儲存環真空系統、扼殺束流、損壞儀器設備、造成停機的重大事故。這一智能真空計的應用，將有利于真空控制功能的臻然發揮，加快光束線和實驗站真空聯鎖保護的反應速度。進一步提高真空控制系統的性能和質量。
