Fontes de Alta Tensão

VI WORKSHOP DE FÍSICA e ASTROFÍSICA DE NEUTRINOS 2009
V ENCONTRO DO PROJETO NEUTRINOS ANGRA
Propostas para Fontes de Alta Tensão para Tubos
Fotomultiplicadores do Detector Neutrinos Angra
Gabriel Luis Azzi
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Mário Vaz da Silva Filho 2
1
2
Laboratório Eletrônica - CAT - CBPF
LAFEX – CBPF
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Tópicos
Requisitos para a alimentação de PMTs
Protótipos Realizados das Fontes de
Alta Tensão Positiva e Negativa
Resultados Obtidos,
Conclusões e Perspectivas
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Ponto de partida
• Necessidade de fontes de alta tensão para
alimentar tubos fotomultiplicadores – PMT
com tensões positivas ou negativas, nas
faixas de +1500 a +2300 volts a 3 mA e
-500 a -1000 a 0,5 mA, respectivamente.
• As fontes de alta tensão tem conversores
CC-CC com:
• Ruído e consumo baixos,
• Estabilidade e rendimento altos.
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Motivações
Fontes Comerciais:
- Custo mais alto
- Modificações e manutenção difíceis
- Informações do fabricante insuficientes
- Falta de peças de reposição no mercado
- Protegidas com resina epoxi
Nosso protótipo:
- Modular e Adaptável
- Baixo custo
- Manutenção fácil
- Monitoramento remoto
- Confiabilidade e taxa de falhas adequados
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Requisitos da Alimentação para PMTs
•
O ganho do PMT é função da alta tensão aplicada no PMT:
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G = K. V N 
K é uma constante
N é o n° de dinodos
 depende do material do
dinodo, entre 0.6 e 0.8
• O ganho é muito sensível à variação da
alta tensão, e da temperatura.
• Para medidas de precisão com a PMT é preciso
que a fonte de alta tensão apresente:
- Alta estabilidade e regulação de linha e carga,
- Alta estabilidade com a temperatura,
- Baixo ripple.
• É necessário também controle ou monitoração da temperatura.
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Knoll G. Radiation Detection and Measurement John Wiley Sons, 1999
Projeto da Fonte Chaveada
Diagrama de Blocos
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Protótipo de fonte de alta tensão positiva - 1
Especificações:
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Tensão de saída: 1700V a 2300V
Corrente de saída máxima: 3mA
Tensão de Alimentação: 10V a 14V
Consumo máximo de potência: 6,9 W
Tensão de ondulação (ripple) < 10mV
Regulação de linha < 0,1%
Regulação de carga < 0,2%
Estabilidade: melhor que 0,1%
Eficiência: rendimento melhor que 80%
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Protótipo da fonte de alta tensão positiva - 2
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Protótipo da Fonte Positiva - 3
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Protótipo da Fonte Positiva
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Estabilidade da Fonte Positiva:
1º Ensaio: com PMT
V entrada = 12Volts
Período: 96 horas
Temperatura: 25 °C
Estabilidade: ± 0.1%
Gráfico da estabilidade na primeira hora de funcionamento
2º Ensaio: com carga p/ 2mA
Estabilidade: ± 0.1%
V entrada = 12Volts
I saída= 2mA
Período: 14 horas
Temperatura: 21°C
Monitoramento: digital - LabView
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Gráfico da estabilidade no período de 14 horas
Rendimento da Fonte Positiva
a)
Para correntes de carga diferentes:
Condições:
Ventrada= 12 Volts
HV= 1900 Volts
b) Para tensões de entrada diferentes:
Condições:
I saída= 2mA
HV=1900 Volts
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Ensaios com a Fonte Positiva no teste da Hamamatsu 5912
AngraNote 003-2007
Test Setup to Measure Gains of the Angra
Photomultipliers Using the Single
Photoelectron Technique
AngraNote 004-2007
Measurements of Signals from Muons Crossing
Vertically and Horizontally the Hamamatsu
R5912 PMT
W. Raposo, M. Vaz - CBPF, Rio de Janeiro, Brazil
L. Villasenor - UMSNH, Morelia, Mexico
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Protótipo de fonte de alta tensão negativa - 1
•
O projeto é idêntico ao do protótipo da fonte de altas tensões positivas. Difere
quanto ao dobrador de tensão com filtro capacitivo que fornece tensões negativas
e a realimentação para estabilização da tensão de saída.
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Protótipo de fonte de alta tensão negativa - 2
Especificações:
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Tensão de saída: -500V a -1000V
Corrente de saída máxima: 0,5mA
Tensão de Alimentação: 10V a 14V
Consumo máximo de potência: 0,5 W
Tensão de ondulação (ripple) < 10mV
Regulação de linha < 0,1%
Regulação de carga < 0,2%
Estabilidade: melhor que 0,1%
Eficiência: rendimento melhor que 80%
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Protótipo Final de fonte de alta tensão negativa - 3
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Trabalhos em Andamento
• Implementação da lógica de controle por meio de
microcontroladores PIC e/ou DSP’s.
• Utilização de componentes em tecnologia SMD;
• Melhoria da estabilidade e do ripple.
• Optimização do lay-out e encapsulamento,
aperfeiçoando a imunidade a ruídos (EMI);
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Trabalhos em Andamento
• Criação da interface com o computador para o
monitoramento das leituras das tensões e correntes
de entrada e saída da fonte de alta tensão
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Trabalhos em Andamento
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Conclusões -1
•
Projetou-se e construiu-se fontes de alta tensão positivas e
negativas na faixa de utilização esperada para os tubos
fotomultiplicadores – PMTs do detector Neutrino Angra.
•
As fontes foram usadas no CBPF em testes de PMTs ( dois anos
com a Hamamatsu R5912 e um ano com a H7546A) que duravam
vários dias, sem nenhuma falha, mantendo-se a estabilidade
melhor que 0,1%.
•
Custo das partes é inferior a 200 reais.
•
Determinou-se as características principais das fontes, que
apresentaram baixo ruído, alta estabilidade e regulação, baixo
consumo, e um rendimento de cerca de 84%, para carga nominal,
adequados a PMTs.
•
Está na hora de interagirmos com o grupo da Bahia para concluir o
monitoramento e controle remotos.
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Fonte de Alta Tensão Negativa na Bandeja
Questões
•
Poderemos usar um sistema de no-break com banco de baterias
seladas alimentadas por um carregador / retificador de 220 Vac ?
•
Teremos um canal de tensão alimentando uma ou mais PMT?
( agrupar PMT por ganho, uso de splitters com ajuste de tensão
individual)
•
Usaremos o cabo de alta tensão para conduzir sinal ?
( redução do número de cabos com o uso de splitters )
•
Quais as PMT ? Esperamos especificações de tensões máxima e
mínima, consumo, ruído/estabilidade da tensão, limitações para
correntes e tensões, tudo isto para poder completar o projeto das fontes
de alta tensão do detector Neutrinos Angra.
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