Digital approach to thermionic emission current to voltage conversion for high-voltage sources of electrons

• Autorzy: Kania Bartosz

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.3255

Warianty tytułu

PL

Cyfrowe podejście do metody konwersji natężenia prądu termoemisji elektronowej na napięcie dla wysokonapięciowych źródeł elektronów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The thermionic emission current is used in many vacuum devices such as evaporators, rare gas excimers, or electron beam objects for highenergy physics. The stability of the thermionic emission current is a very important requirement for the accuracy of those devices. Hence, there is a number of control systems that use a feedback signal directly proportional to the emission current in order to stabilize the thermionic emission current. Most of them use feedback from a high-voltage anode circuit to a low-voltage cathode circuit. However, there is a novel solution that uses linear cathode current distribution and processing of two cathode circuit voltage signals for converting the emission current to voltage. However, it is based on old-fashioned analog technology. This paper shows the thermionic emission current to voltage conversion method with the use of a digital control system. A digital realization of a multiplicative-additive algorithm is presented and proper work in closed-loop mode is confirmed.

PL

Prąd termoemisji elektronowej jest wykorzystywany w wielu przyrządach próżniowych takich jak ewaporatory, ekscymery gazów rzadkich czy w fizyce wysokich energii. Stabilność natężenia prądu termoemisji elektronowej jest ważnym wymaganiem w kontekście dokładności tych przyrządów. Istnieje wiele układów regulacji natężenia prądu termoemisji elektronowej, które używają sygnału sprzężenia zwrotnego wprost proporcjonalnego do natężenia prądu termoemisji elektronowej w celu jego stabilizacji. Większość z nich wykorzystuje sprzężenie od wysokonapięciowego obwodu anody do niskonapięciowego obwodu katody. Istnieje nowe rozwiązanie, które wykorzystuje liniowy rozkład prądu katody oraz przetwarzanie dwóch sygnałów z obwodu katody w celu konwersji natężenia prądu termoemisji na napięcie. Niestety metoda ta bazuje na przestarzałej technologii analogowej. W niniejszej pracy pokazana została konwersja natężenia prądu termoemisji elektronowej na napięcie z użyciem cyfrowego układu automatycznej regulacji. Cyfrowa realizacja algorytmu multiplikatywno-addytywnego została zaprezentowana, a poprawna praca w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego potwierdzona.

Słowa kluczowe

EN

electron emission; electron source; control system synthesis; digital control

PL

emisja elektronów; źródło elektronów; synteza systemu sterowania; sterowanie cyfrowe

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2022
• Tom: T. 12, nr 4
• Strony: 78--81
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kania Bartosz

• Lublin University of Technology, Department of Automatics and Metrology, Lublin, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8429-6360

Bibliografia

• [1] Ahn J. et al.: Microprocessor‐controlled Electron Impact Ion Source Operated at Constant Discharge Current and Voltage. Review of Scientific Instruments 57(3), 1986, 325–328 [http://doi.org/10.1063/1.1138939].
• [2] Angiolillo P.: On Thermionic Emission and the Use of Vacuum Tubes in the Advanced Physics Laboratory. American Journal of Physics - Amer J Phys 77, 2009, 1102–1106 [http://doi.org/10.1119/1.3212463].
• [3] Barcellan L. et al.: A Battery-Operated, Stabilized, High-Energy Pulsed Electron Gun for the Production of Rare Gas Excimers. Review of Scientific Instruments 82(8), 2011, 095103 [http://doi.org/10.1063/1.3636078].
• [4] Chapman R.: Versatile Wide Range Electron Current Regulator. Review of Scientific Instruments 43(10), 1972, 1536–1538 [http://doi.org/10.1063/1.1685484].
• [5] Close K. J., Yarwood J.: A Precision Electron Emission Regulator. Vacuum 22(2), 1972, 45–46 [http://doi.org/10.1016/0042-207X(72)90001-2].
• [6] DAQ M Series Manual. National Instruments, 2016.
• [7] Donkov N., Knapp W.: Control of Hot-Filament Ionization Gauge Emission Current: Mathematical Model and Model-Based Controller. Measurement Science and Technology 8(7), 1997, 798–803 [http://doi.org/10.1088/0957-0233/8/7/016].
• [8] Durakiewicz T.: Electron Emission Controller with Pulsed Heating of Filament. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 156(1), 1996, 31–40 [http://doi.org/10.1016/S0168-1176(96)04417-5].
• [9] Flaxer E.: Programmable Smart Electron Emission Controller for Hot Filament. Review of Scientific Instruments 82(2), 2011, 025111 [http://doi.org/10.1063/1.3555340].
• [10] Foil Resistors VPR220 & VPR221. Vishay Precision Group, 2014, http://www.vishaypg.com/foil-resistors/list/product-63012/
• [11] Halas S., Sikora J.: Electron Emission Stabiliser with Double Negative Feedback Loop. Measurement Science and Technology 1(9), 1990, 980–982 [http://doi.org/10.1088/0957-0233/1/9/023].
• [12] Herbert B. K.: A Circuit for Stabilizing the Electron Current to the Anode of a Hot-Filament Device. Vacuum 26(9), 1976, 363–369 [http://doi.org/10.1016/S0042-207X(76)80225-4].
• [13] Kania B., Sikora J.: System Identification of a Hot Cathode Electron Source: Time Domain Approach. AIP Advances 8(10), 2018, 105107 [http://doi.org/10.1063/1.5044258].
• [14] Kania B., Sikora J.: Thermionic emission controller with PID algorithm. 23rd International Conference “Mixed Design of Integrated Circuits and Systems” MIXDES 2016, 480–83 [http://doi.org/10.1109/MIXDES.2016.7529790].
• [15] Kuś D. et al.: Conversion Method of Thermionic Emission Current to Voltage for High-Voltage Sources of Electrons. Electronics 10(22), 2021, 2844 [http://doi.org/10.3390/electronics10222844].
• [16] Lin X. W. et al.: A Miniature Electron‐beam Evaporator for an Ultrahigh‐vacuum Atom‐probe Field‐ion Microscope. Review of Scientific Instruments 61(12), 1990, 3745–3749 [http://doi.org/10.1063/1.1141547].
• [17] Meyer zu Heringdorf F. J., Belton A.C.: Flexible Microprocessor-Based Evaporation Controller. Review of Scientific Instruments 75(12), 2004, 5288–5292 [http://doi.org/10.1063/1.1818911].
• [18] Oberai A., Jiann-Shiun Y.: Smart E-Beam for Defect Identification & Analysis in the Nanoscale Technology Nodes: Technical Perspectives. Electronics 6(4), 2017, 87 [http://doi.org/10.3390/electronics6040087].
• [19] Pepitone K. et al.: Operation of a High-Current Drive Beam Electron Gun Prototype for the Compact Linear Collider. Review of Scientific Instruments 91(9), 2020, 093302 [http://doi.org/10.1063/5.0013144].
• [20] Shaw S. Y., Juh T. L.: An Integrated Circuit Based Vacuum Ionisation Gauge Meter. Journal of Physics E: Scientific Instruments 13(11), 1980, 1150–1153 [http://doi.org/10.1088/0022-3735/13/11/003].
• [21] Sikora J.: Dual Application of a Biasing System to an Electron Source with a Hot Cathode. Measurement Science and Technology 15(1), 2003, N10–14 [http://doi.org/10.1088/0957-0233/15/1/N03].
• [22] Sikora J. et al.: Thermionic Electron Beam Current and Accelerating Voltage Controller for Gas Ion Sources. Sensors 21(8), 2021, 2878 [http://doi.org/10.3390/s21082878].
• [23] Siwek M., Edgecock T.: Application of Electron Beam Water Radiolysis for Sewage Sludge Treatment, a Review. Env. Science and Pollution Research 27(34), 2020, 42424–42448 [http://doi.org/10.1007/s11356-020-10643-0].
• [24] Stevie F. A., Carrie L. D.: Introduction to X-Ray Photoelectron Spectroscopy. Journal of Vacuum Science & Technology A 38(6), 2020, 063204 [http://doi.org/10.1116/6.0000412].
• [25] Zimek Z.: Wytyczne do budowy radiacyjnej instalacji obróbki wód balastowych przy użyciu wiązki elektronów. Raporty IChTJ. Seria B nr 2/2020.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).