Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

Т а б л и ц а 2

диамагнитных свойств у сверхпроводников, и увеличения доброт­ ности сверхпроводящих резонаторов до ~ 1 0 7—ІО8 и выше [18] 2. Используя эффект квантования магнитного потока, можно, как ука­ зывалось выше, создать объем, полностью свободный от магнитно­

Новые возможности открываются перед квантовыми твердотель­ ными генераторами при замене одного из зеркал оптического резо­ натора матовой рассеивающей поверхностью [19—22], что зна­ чительно увеличивает стабильность их частоты и в принципе поз­ воляет надеяться на создание эталонов частоты с относительной по­ грешностью ІО-1 5—ІО-16, т. е. почти такой, какая имеет место при эффекте Мессбауэра.

2 В сантиметровом диапазоне величина Q может доходить до 109.

180

Раздел пятый

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИИ

Г л а в а 1

'ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ

При конструировании высокочувствительных ламповых уси­ лителей необходимо применять в первых каскадах лампы с малым эквивалентным сопротивлением шумов, а именно, триоды с большой крутизной s, поскольку их шумовое сопротивление равно

в то время как для пентода величина R N определяется формулой

где / а0 и / а0 — токи в цепи анода и экранной сетки.

Т а б л и ц а 1

Зная величину R N, нетрудно найти эффективное шумовое на­ пряжение, вносимое лампой:

181

Схемы малошумящих низкочастотных усилителей приведены в [1—14] и в [20, 21].

На основе применения усилителей с дополнительными узко­ полосными фильтрами можно измерять переменные низкочастот­ ные напряжения порядка нескольких нановольт [7]. Измерение малых токов можно проводить с помощью электрометрических усилителей, описание которых дано в § 1 гл. 1.

В качестве примера применения узкополосных усилителей с ис­ пользованием триода в первом каскаде для измерения низкочастот­ ных напряжений порядка нановольт на рис. 72 и 73 приведены эле­ менты схемы низкочастотного нановольтметра [7]. Он состоит из измерительного усилителя У2-1А (28ИМ) и осциллографа С1-1 (ЭО-7) с активным трехзвенным 7?С-фильтром (Д/ = (0,1 -4-5) гц), собранным на лампе первого каскада вертикального усилителя осциллографа с заменой лампы 6Н8С на лампу 6Н9С и включением

вее анодную цепь добавочного переменного сопротивления Ra =

=150 кОм. Калибровка чувствительности нановольтметра осу­ ществлена с помощью катодного вольтметра и двухступенчатого делителя напряжения (1 : 1000 и 1 : 100) от звукового генератора B3-13 (ГЗ-35). С целью уменьшения взаимного влияния генерато­ ра, усилителя, осциллографа и стабилизаторов питания эти при­ боры разнесены друг от друга на расстояние до трех метров, а их коммутация осуществлена коаксиальным кабелем РК-75-4—11 (РК-101).

Активный PC-фильтр, настроенный на частоту / = 550 гц, состоит из трех звеньев для поворота фазы на 180°, что обеспечи-

Рис. 72. Блок-схема низкочастотного нановольтметра

I — усилитель; 2 — осциллограф; 3 — катодный вольтметр; 4J— звуковой {генератор калибровки

Рис. 73. Принципиальная схема активного трехзвенного /^С-фильтра j

1S2

а

вает возможность работы схемы как регенеративного усилителя

сэквивалентным высокодобротным контуром (Аf = (0,1 -г 5) гц). Регулировка усиления в данной схеме осуществляется потен­

циометром в цепи катода выходной лампы.

На рис. 74 показан типичный вид выходного сигнала нановольт­ метра при различных напряжениях на его входе.

§ 1 . Электрометрические усилители

Для измерения весьма малых токов в высокоомных цепях (на­ пример, в цепях с ФЭУ или масс-спектрометрической камерой, ионизационной камерой и др.) применяются электрометрические усилители, которые обладают очень большим входным сопротив­ лением Двх ~ 1011 ІО12 Ом на малых частотах (единицы или до- ■ли герца) и большим коэффициентом усиления по току.

Теория электрометрических усилителей в настоящее время хо­ рошо известна [15]. Приведем некоторые соотношения для пре­ дельной чувствительности таких усилителей и рассмотрим две кон­ кретные схемы этих устройств.

183

При очень большом сеточном сопротивлении, применяемом в электрометрических усилителях, тепловой шум определяется уже не величиной этого сопротивления, а величиной емкостей сетка — катод и сетка — анод (CgK и С?а):

1,3 мкВ, что соответствует предельной чувствительности усилителя

т. е. величина флуктуации тока будет составлять (Р)'/2 =

=0,45-ІО-19 А при времени наблюдения т = RC — ІО8 с.

Вбольшинстве случаев, однако, фактором, определяющим пре­ дельную чувствительность электрометрического усилителя, явля­ ется дрейф нуля, зависящий от целого ряда причин — нестабиль­ ности питающих напряжений, нестабильности параметров ламп и

старения их катодов, температурного режима и т. д., поэтому, чем меньше будет влияние таких факторов на схему, тем выше бу­ дет ее чувствительность.

На рис. 75 [13] приведена схема электрометрического усили­ теля для измерения постоянного тока в пределах от 1-10-15 до 3-10_s А с пентодной электрометрической лампой. Применение электрометрического пентода вместо тетрода позволяет повысить коэффициент усиления этого каскада с нескольких единиц до не­ скольких десятков (до 80—100). Это дает возможность снизить требования к величине дрейфа последующих каскадов усилителя, который поэтому может быть сделан транзисторным.

Усилитель собран по четырехкаскадной схеме со 100%-ной от­ рицательной обратной связью. В качестве электрометрической лам­ пы использован сверхминиатюрный электрометрический пентод стержневого типа (П5), ток сетки которого равен (3-4-5)- ІО-15 А, а коэффициент усиления в данной схеме равен приблизительно 100.

Компенсация дрейфа рабочей точки при изменении напряжения питания накала осуществляется напряжением смещения на R 3. Коэффициент усиления лампы Л %около 10, а суммарный коэффи­ циент усиления всей схемы (по напряжению) равен ~ 104. Постоян­ ная времени усилителя при = 1012 Ом составляет 0,1 с, дрейф

184