В Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова были разработаны прецизионные источники высокого напряжения для детекторов ядерного излучения (полупроводниковых, на основе ФЭУ и пр.) на трансформаторах. Источники используются в ряде экспериментов и промышленных установках, обеспечивая качество, надежность, температурный диапазон и необходимый функционал.
Источники высокого напряжения (HV) являются важными элементами измерительных установок в экспериментальной ядерной физике. Как правило, они используются для питания разнообразных детекторов радиоактивного излучения (полупроводниковых, на основе фотоумножителей и др.). В экспериментах в зависимости от решаемой задачи количество детекторов может сильно различаться (от единиц до нескольких тысяч). Существует ряд общих требований к таким источникам: широкий диапазон выходного напряжения разной полярности — от десятков вольт до киловольт, минимальные шумы и пульсации (единицы милливольт), стабильность, мощность до 10 Вт, компактность, надежность и ремонтопригодность. В каждой установке могут использоваться детекторы разного типа.
Поэтому к источникам питания предъявляются и специальные требования. Например, для полупроводниковых детекторов — это низкие пульсации выходного напряжения, минимальные электромагнитные наводки, возможность плавного подъема и снижения напряжения. Для детекторов с ФЭУ — это высокая стабильность выходного напряжения (0,01 %/◦С) и эффективность (КПД) источника.
Источники HV изготавливаются по типу DC-DC-преобразователей, в состав которых входят силовой узел, формирующий HV, фильтр для сглаживания пульсаций и шумов, система управления с использованием, как правило, контроллера ШИМ.
Это обеспечивает высокую эффективность устройства и его технические характеристики. За счет того, что трансформатор работает при более низком выходном напряжении, коэффициент трансформации небольшой, поэтому общая емкость и индуктивность рассеяния трансформатора в разы меньше, а рабочая частота гораздо выше при тех же потерях в преобразовании. Это позволяет получать высокие технические характеристики устройства при одновременном снижении размеров магнитопровода и фильтра. Хотя требования к трансформатору менее жесткие, чем к изготавливаемому высоковольтному трансформатору, тем не менее от точного расчета и качества изготовления будут зависеть основные потребительские характеристики источника питания, поэтому желательно использовать готовый трансформатор промышленной сборки.
Высоковольтные блоки: а — блоки питания ФЭУ (БВН-2кВ) в корзине управления установки ВУК; б — автономный высоковольтный модуль (БПФ-2кВ); в — блок питания кремниевых полупроводниковых детекторов (БПД-500В)
На базе доступных электронных компонентов были разработаны прецизионные высоковольтные источники питания для ФЭУ и полупроводниковых детекторов ядерного излучения. Блоки представляют собой обратноходовые DC-DC-преобразователи. Основным элементом схемы выступает силовой узел, который построен на базе доступного и недорогого трансформатора POL-12012 c емкостно-диодным умножителем напряжения. Частота работы преобразователя 80–150 кГц. Такая схема позволила получить напряжение на выходе до 2500 В с низкими пульсациями, незначительным шумом и высоким КПД приборов — до 77 %. Такие блоки высокого напряжения успешно используются в спектрометрах ВУК, для детектирующей системы фрагмент-сепаратора КОМБАС (ЛЯР ОИЯИ), в установках для обнаружения (опасных) взрывчатых веществ на основе метода меченых нейтронов.