СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2016

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 39 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2016 источника, а затем запрашивать кво- ты и выбирать поставщика. При этом в стоимость заказных изделий часто входит покрытие затрат изготовите- ля на нестандартное проектирование и использование производственного оборудования, а срок поставки может составлять несколько месяцев. Другой путь производителя электро- оборудования к получению необходи- мого высоковольтного источника пита- ния – собственная разработка – чреват возникновением проблем при констру- ировании надёжного трансформатора, выборе высоковольтных компонентов, компоновке высоковольтной платы, герметизации и особых сборочных операциях. Как правило, на разработ- Замороженные фотодатчики – экстремальная задача проектирования Современная астрофизика утверждает: из всех высокоэнергетических частиц, испускаемых во Вселенной при таких катастрофических процессах, как образование новых звёзд и вспышки гамма-лучей, только нейтрино даёт возможность точно определить место его происхождения, поскольку эти частицы слабо взаимодействуют с окружающей материей. Нейтрино порождаются в больших количествах и распространяются на тысячи световых лет, не подвергаясь влиянию магнитных полей. Поэтому непосредственное наблюдение этих фундаментальных частиц, которое стало возможным в результате развития различных технологий с 1980 гг., имеет большое значение для изучения происхождения Вселенной. Самая большая научная измерительная установка Project IceCube установлена глубоко во льдах Антарктиды. Так называемый нейтринный телескоп был разработан в результате международного сотрудничества под руководством Висконсинского Университета (США). Он представляет собой антенную решётку объёмом 1 км 3 , состоящую из приблизительно 5000 цифровых оптических модулей, которые подвешены, как бусины, в последовательных скважинах глубиной до 2,4 км, пробуренных в толще льда с помощью горячей воды. Столкновение нейтрино с протоном в молекуле воды во льду порождает мюон, который следует первоначальной траектории нейтрино и испускает слабое голубое излучение Черенкова. Фотоэлектронные умножители в каждом цифровом оптическом модуле обнаруживают этот световой след, преобразуют его в измеримый электрический сигнал и отправляют его в цифровом виде по кабелю в расположенную на поверхности измерительную аппаратуру для предварительного анализа. Затем по спутниковому каналу связи информация передаётся в Университет и становится доступной исследователям. Разработка цифровых оптических модулей для проекта IceCube была немалым подвигом. Для полноценного сбора данных каждый модуль должен иметь достаточно большой динамический диапазон. Антенная решётка из 5000 модулей должна отмечать время столкновения нейтрино с протоном с точностью больше, чем 5 нс – не только для однофотонных событий, но и для событий с испусканием 100 000 фотонов и более. Очевидно, что все модули должны функционировать без сбоев, причём глубоко во льду при температуре –40 ° C и в течение многих лет. Есть ещё одно важное требование к модулям. Поскольку нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, из миллиардов этих частиц, проходящих сквозь Землю каждую секунду, лишь несколько штук в сутки столкнутся с протонами в молекулах воды. Поэтому для фиксирования этих событий и формирования точных данных оптический фоновый шум цифровых модулей должен быть очень слабым. Для того чтобы соответствовать этим предельно жёстким критериям, цифровые оптические модули выполнены в виде оптически совершенных стеклянных шаров размером с баскетбольный мяч, способных выдерживать давление толщи льда, и включают малошумящие фотоэлектронные умножители, а также очень точные локальные источники постоянного высоковольтного напряжения с чрезвычайно точным контрольным устройством выборок обратной связи для программирования каждого из 10 динодов в умножителе. Первичный логический узел и высоковольтный источник питания размещены в каждом модуле. Это позволяет осуществлять программирование, сбор данных и электропитание модулей с помощью маломощного напряжения в кабелях, что имеет большое значение для экономии дизельного топлива в установленных на поверхности генераторах. Использованные в проекте IceCube источники постоянного напряжения XP-EMCO выполнены в корпусе с объёмом 20,5 см 3 . Их масса – менее 80 г. С помощью входного программирующего напряжения 0…2 В формируется напряжение до 2000 В при потребляемой мощности менее 300 мВт. Так как любая пульсация напряжения уменьшала бы чувствительность датчика и появлялась бы на выходе управляющего устройства, снижая точность программирования, источники питания были разработаны таким образом, чтобы обеспечить уровень пульсации менее чем 2 мВ (от пика до пика) при выходном напряжении 2050 В. Кроме того, они невосприимчивы к электростатическим разрядам и высоковольтным коротким замыканиям на логических выводах, а также не создают собственных помех или шумов. Первая цепь модулей была погружена в лёд Антарктики в 2004 г. Поскольку извлечь размещённые модули для ремонта или замены невозможно, для проекта критически важна долговременная надёжность каждого источника питания. Использование дублирования и защитных схем позволяет, согласно расчётам, обеспечить безотказную работу модулей в течение более чем 120 лет. Это значительно больше, чем изначально запрошенный конструкторами IceCube срок в 20 лет. Поскольку сегодня для таких компактных высоковольтных источников питания появляются всё новые и новые варианты применения, изделия и технологии производства, разработанные специалистами XP-EMCO для проекта IceCube, станут прекрасной базой для решения новых сложных задач. Такие важные особенности модульных преобразователей XP-EMCO, как лабораторная точность, возможность управления, небольшой корпус и экономическая эффективность открывают принципиально новые возможности для разработки портативных и мобильных систем, которые требуют надёжности в предельно жёстких условиях.