专利名称：反射式高能电子衍射仪用电子枪电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子衍射技术，具体的说是一种反射式高能电子衍射仪用
-25KV电子枪电源。
背景技术：
-25KV电子枪电源是与长焦距电子枪配套使用，合称为反射式高能电 子衍射仪(RHEED )。该衍射仪是分子束外延生长设备不可缺少的监控仪器。 主要用来研究MBE生长过程中样品表面再构、粗糙度、台阶和小面等无序 情况。同时配合RHEED强度振荡检测系统，还可作日常生长中的束流标准、 合金组成的控制，量子阱和超晶格厚度的测量，生长温度的控制等。
以前生产的电源，存在灯丝电流不能直接显示，高压易打火损坏，束 流不稳，偏转有时失效；显示多采用数字量表和模似量表，表数量多、结 构复杂，切换时容易发生打火现象，工作可靠性不好。
发明内容
为了克服现有技术中工作可靠性差的不足，本发明的目的在于提供一 种工作可靠、结构简单的反射式高能电子衍射仪用-25KV电子枪电源。
为了实现上述目的，本发明的技术方案包括对偏转器施加偏转电压 的偏转电源，在超高真空中对灯丝和栅极施加高压的高压电源，在栅极施 加栅极电压的栅极电源，增加灯丝工作电流的灯丝电源；其特征在于所 述高压电源为-25kv,由高压部分、低压调整两部分组成，其中
高压部分包括
谐振电路，其输出信号经变压器升压送至倍压整流电路； 倍压整流滤波电路，经10倍压整流滤波产生-25KV高压，接至电子枪 灯丝和栅极上；
低压调整部分包括
调整管，接至高压部分第1电感器及第2驱动管，由第2驱动管驱动； 第2驱动管，接至过流保护及故障报警电路的输出端及电压电流误差
放大电路的输出端；
过流保护及故障报警电路，输入信号来自高压部分及电流取样放大电
路的输出，输出经缓启电路；
高压测量显示电路，输入信号为高压部分的电压测量端，输出信号至
显示器；
取样放大电路，包括电压、电流取样放大电路，电压取样放大电路将 缓启电路输出的给定信号及高压部分的电压反馈端信号叠加，输出用来调
节第2驱动管的基极电压；电流取样放大电路，将来自高压部分的电流反 馈端的电位与来自5V的参考电位比较接至过流保护及故障报警电路；
缓启动电路，输入信号来自过流保护及故障报警电路。
所述偏转电源为两套结构相同的X、 Y偏转系统提供静电偏转的士400V 的电源，其中一套包括低压信号电路、高压放大电路，高压放大电路输入 信号来自提供两极性相反的电压信号的低压信号电路，输出接至偏转板；
所述倍压整流滤波电路十倍压整流结构，电流反馈端接电流取样放大 电路，电压测量端接高压测量显示电路，电压反馈端接电压取样放大电路；
所述过流保护及故障报警电路包括第1-1运算放大器，第3驱动管、第 11 12二极管、第4-2运算放大器、第6-l运算放大器及第6-2运算放大器， 其中第1-1运算放大器作为比较器，其反相端经分压电阻接电源2.5V，提 供一个参考电位，同相端接第1~2三极管的发射极节点，输出分两路一 路经第12二极管分别接第3驱动管，第2驱动管的基极，影响其基极电位； 第1-1运算放大器另 一路输出经第6-1运算放大器及第6-2运算放大器接缓 启电路；
所述缓启电路包括第4-1运算放大器、第4-2运算放大器、第17 18 二极 管、第8电容及第4~5三极管，其第4-l运算放大器输入接5V电源，输出接 至第4-2运算放大器同相端，第4-2运算放大器的输入还经第4三极管、启动 开关接15V电源或地，第4-2运算放大器输出经第5三极管的集电极及第18 二极管接电源；第4-2运算放大器的输出经第l调节电位器改变其电位后至电 压取样放大电路；第8电容跨接在第4三极管的集电极与地之间；
所述电压取样放大电路包括第2-1运算放大器、第14 二极管、第19 20 二极管，第2-l运算放大器反相端的信号为缓启电路输出的给定信号及高压 部分电压反馈端信号的叠加信号，其输出端接至第2驱动管的基极，调节 第2驱动管的基极电压；
所述电流取样放大电路第2-2运算放大器、第13二极管、第15 16二 极管及第61电阻组成，第2-2运算放大器输入端信号是由来自高压部分的 电流反馈端的、经第27电阻形成电位与来自5V的参考电位比较的信号， 其输出经第13 二极管接至第2驱动管及过流保护及故障报警电路中第1-1 运算放大器的同相端；
所述高压测量显示电路，高压部分的电压测量端信号，是高压的万分 之二分压后得到的，经隔离后再反相，形成对应0 -25KV的0-5V的电压送 给显示电路；
所述低压信号电路包括第11运算放大器、第12-1运算放大器、第12-2 运算放大器及第13-1运算放大器、第13-2运算放大器，其中第ll运算放 大器作为射随器，其输入为0 -5V,输出经第12-2运算放大器、第19电 容滤波，至第12-l运算放大器两倍反相放大，再接至第13-2运算放大器的 反相输入端及第2调节电位器的一端，第13-2运算放大器的输出至第2调
节电位器的另一端，使其在第2调节电位器的两端形成正负极性相反的电
压；第2调节电位器的滑动端经第13-1运算放大器至高压放大电路；
所述高压放大电路包括第11 12放大管，第22运算放大器，第7-l光 电藕合器、第7-2光电藕合器，其中第11 12放大管输出端组成正负两个方 向的放大，至第22运算放大器输入端；第12放大管输入端还经第7-2光电 藕合器、第7-l光电藕合器至第22运算放大器输出端，第22运算放大器的 输入信号来自低压信号电路；第11放大管的发射极与第12放大管集电极 连接后的节点为输出端，接至偏转板。 本发明具有如下优点
1. 本发明的高压电源采用模块化形式，体积小，可靠性高。高压对地 直接短路，不必担心损坏电源。高压起动后可直接关闭电源，再次启动后 会按上次设定值缓启动。
2. 虽然灯丝电源悬浮在-25KV上，其灯丝电流可在低端用直读法显示。
3. 采用本发明，无论是0 -25KV高压，灯丝，栅压，还是土400V偏转 电源均由0-5V电位控制，用电位器手动及计算机控制均可。
4. 高压，灯丝，栅压，東流，XI、 Yl、 X2、 Y2八个物理量用液晶屏 同时实时显示，便于观察和调整。
图l为电子枪连接结构示意图。
图2为本发明高压电源电路原理图。
图3为高压电源低压调整部分电路原理图。
图4-1为偏转电源供电电路原理图。
图4-2为偏转电源低压信号电路原理图。
图5为偏转电源高压放大器电路原理图。
具体实施例方式
如图l所示，电子枪主要由灯丝l、栅极2，阳极3，偏转器4，荧光 器6，照相机7组成，在超高真空中对灯丝1和栅极2施加高压(来自高压 电源9)状态下，增加灯丝工作电流(来自灯丝电源11),使灯丝l发射电 子。电子在阳极3作用下，加速并向阳极3方向移动。穿过阳极孔到达荧 光屏。由灯丝1尖部发射的电子汇聚在阳极3外形成一个交叉斑点，在栅 极施加一个适当栅极电压(来自栅极电源10)来增加电子枪的焦长，将阳 极孔处的电子束交叉斑点移至荧光屏，形成长焦枪。当对偏转器4施加偏 转电压(来自偏转电源8)时，可改变电子束运动轨迹，形成对样品5的 1°角掠射，移动并转动样品既可在荧光屏上得到不同方位的衍射图像，用 照相机对准荧光屏拍照记录。
偏转电源8、高压电源9、栅极电源10、灯丝电源11构成-25KV电子 枪电源，其中栅极电源10为-300V，灯丝电源11 (电流为0-3.5A)，以高压 电源9为参考电位，属现有技术；
高压电源9为-25kv，由高压部分、低压调整两部分组成，如图2、 3 所示。高压部分见图2，包括谐振电路和倍压整流滤波电路，具体由第 1 2三极管G1 G2，第2~3电阻R2 R3,第1电感器Ll及第33电容C33组 成30Kc谐振电路，经变压器Tl升压后再经10倍压整流滤波产生-25KV高 压，接至电子枪灯丝和栅极上。倍压整流滤波电路由第1~10 二极管 D1 D10、第1 10电容C1 C10组成十倍压整流结构，其第7 8电阻R7 R8 为测量电阻，第9 10电阻R9 R10为电压反馈电阻，If端代表电流反馈， 接电流取样放大电路，Vd端代表电压测量端，接高压测量显示电路，Vf 端是电压反馈，接电压取样放大电路。所述低压调整部分参见图3,由调整 管Tl,第2驱动管T2，过流保护及故障报警电路，高压测量显示电路，取 样放大电路(包括电压、电流取样放大电路)，缓启动电路组成，其中
调整管T1集电极经第2电感器L2接24V,发射极接至第l电感器L1 的另一端，基极接第2驱动管T2的集电极，由第2驱动管T2驱动；第2 驱动管T2基极接至过流保护及故障报警电路的输出端；
过流保护及故障报警电路包括第l-l运算放大器UlA,第3驱动管T3、 第11 12二极管D11 D12、第4-2运算放大器U4B、第6-1光电藕合器U6A 及第6-2光电藕合器U6B,其中第1-1运算放大器U1A作为比较器，反相 端经分压电阻接2.5V，提供一个参考电位，同相端经过流取样电阻R25接 第1 2三极管G1 G2的发射极节点，输出分两路 一路经第12 二极管D12 分别接第3驱动管T3，第2驱动管T2的基极，影响其基极电位；第3驱 动管T3的输出端经第11 二极管Dll接电源；第1-1运算放大器U1A另一 路输出经第6-1光电藕合器U6A及第6-2光电藕合器U6B的6脚接缓启电 路中的第4三极管T4的基极，其5脚接第4-1运算放大器U4A及第4-2运 算放大器IJ4B及电源；
缓启电路包括第4-1运算放大器U4A、第4-2运算放大器U4B、第17 18 二极管D17 D18、第8电容E8及第4 5三极管T4 T5，其第4-1运算放大 器U4A同相输入接5V电源，输出经第17 二极管D17与第4三极管T4接 第4-2运算放大器U4B同相输入端，第4-2运算放大器U4B的输入还经第 4三极管T4、启动开关R/S接15V电源，第4-2运算放大器U4B输出至第 5三极管T5,第5三极管T5的集电极经第18 二极管D18接电源；第4-2 运算放大器U4B的输出经第l调节电位器Wl改变其电位后至电压取样放 大电路；第8电容E8跨接在第4三极管T4的集电极与发射极(地)之间。
缓启原理当接15V电源的启动开关R/S关闭时(接地)，5V电源经 第52电阻R52向第8电容E8充电至最大值，第4-2运算放大器U4B的7 脚逐渐升为高电位。当启动开关R/S接通后，第4驱动管T4导通，第8电 容E8经第4驱动管T4放电，从而使第4-2运算放大器U4B的7脚电位降 低，实现缓启。
过流保护及故障报警工作原理当电源短路打火时，第25电阻R25上的电压增大，当超过域值电位时，第1-1运算放大器U1A输出高电位，第3驱 动管T3导通，报警灯亮。同时第6-1光电藕合器U6A、第6-2光电藕合器 U6B导通，第4三极管T4迅速导通，第4-2运算放大器U4B的7脚电位降 低，设定值降低，高压输出下降。故障排除后，输出会自动缓慢上升。
电压取样放大电路第2-1运算放大器U2A、第14 二极管D14、第19~20 二极管D19 D20组成，第2-1运算放大器U2A反相端的信号为缓启电路输 出的第1调节电位器Wl的给定信号及高压部分第9 10电阻R9 R10的电 压反馈端Vf信号的叠加信号，其输出端经第14 二极管D14、第26电阻 R26至第2驱动管T2的基极，调节第2驱动管T2的基极电压；
电压调整过程第2-1运算放大器U2A、第2-2运算放大器U2B分别 为电压、电流取样放大电路核心器件，设定值与取样值在第2-l运算放大器 U2A-2脚求和，误差放大后送至第2驱动管T2基极。调整原理为如果高 压部分的输出端HVout电压T (设定值不变)，第2-l运算放大器U2A输出 电压T,第2驱动管T2基极电压T，第2驱动管T2集电极电压i，调整管 Tl发射极电压"高压部分的输出端HVout电压"反之亦然，从而达到调 压的目的。
电流取样放大电路第2-2运算放大器U2B、第13 二极管D13、第15 16 二极管D15 D16及第61电阻R61组成，第2-2运算放大器U2B输入端信 号是由来自高压部分的电流反馈端If的、经第27电阻R27 (与之并联的第 15 16 二极管D15 D16用于限位)与来自5V的参考电位比较的电压，其 输出经第13 二极管D13接至第2驱动管T2的基极，且经第61电阻R61 接至过流保护及故障报警电路中第1-1运算放大器U1A的同相端。第2-2 运算放大器U2B输出不仅对高压部分的输出电流有调节作用，又因其输出 在第2-1运算放大器U1A的2脚求和，也作为是否过流的判别电路。
电流调整过程
当高压回路电流增加时，第27电阻R27上电压增加，第2-2运算放大 器U2B同相端电位与第2-2运算放大器U2B反向端电位比较，如比其高， 则第2-2运算放大器U2B输出是高电位，第13二极管D13导通，第2驱 动管T2进一步导通调整管Tl射极电位降低，高压输出降低，从而回路电 流降低，实现调整的目的。反之亦然。
高压测量显示电路由第3-l运算放大器U3A (作为反相器)、第3-2运 算放大器U3B (作为射随器)组成，第3-2运算放大器U3B输入信号为高 压部分第7 8电阻R7 R8的电压测量端Vd信号的分压信号，即经第7 8 电阻R7 R8、第41电阻R41的分压送至第3-2运算放大器U3B的6脚， 经U3B隔离后其输出信号经作为反相器的第3-1运算放大器U3A至显示 器，形成对应0 -25KV的0-5V的电压送给显示电路。
所述偏转电源8为两套结构相同的X、 Y偏转系统提供静电偏转的
士400V的电源如图1、 4-1 (偏转电源供电电路)、4-2所示。其中每套中X、 Y偏转电源结构也相同，现以一套中X偏转的偏转电源8结构为例极性 相反的低压信号电路(参见图4-2)、高压放大电路(参见图5)、供电电路 (为现有技术)。
参见图4-2，低压信号电路由第11运算放大器Ull、第12-1运算放大 器U12A、第12-2运算放大器U12B及、第13-1运算放大器U13A、第13-2 运算放大器U13B组成，其中第11运算放大器Ull作为射随器，其输入为 0 -5V,输出经第12-2运算放大器U12B,至第12-1运算放大器U12A两 倍反相放大，再接至第13-2运算放大器U13B的反相输入端及第2调节电 位器CW1的一端，第13-2运算放大器U13B的输出至第2调节电位器CW1 的另一端，使其在第2调节电位器CW1的两端形成正负极性相反的电压； 第2调节电位器CW1的滑动端经第13-1运算放大器U13A至高压放大电路。
极性相反的低压信号工作原理0-5V电位经第11运算放大器Ull隔 离后，经第12-2运算放大器U12B，第19电容E19滤波，再经第12-1运 算放大器U12A两倍反相放大，加在第2调节电位器CW1 —端，再经第 13-2运算放大器U13B反相后接第2调节电位器CWl另一端，在第2调节 电位器CW1两端形成正负极性电压。经第13-1运算放大器U13A加在高压 放大电路的输入端。
参见图5，所述高压放大电路(X、 Y偏转系统的高压放大电路结构相同， 这里以一部分举例说明)包括第11 12放大管T11 T12,第22运算放大器 U22,第7-l光电藕合器U7A、第7-2光电藕合器U7B,其中第11 12放大管 T11 T12输出端组成正负两个方向的放大，至第22运算放大器U22输入端； 第12放大管T12输入端还经第7-2光电藕合器U7B、第7-1光电藕合器U7A 至第22运算放大器U22输出端，第22运算放大器U22的输入信号来自低压 信号电路中的第13-1运算放大器U13A;第11放大管Tll的发射极经电阻与 第12放大管T12集电极连接后的节点为输出端，接至偏转板；
高压放大原理当输入信号由零向正方向变化时第22运算放大器U22 输出逐渐降低，第7-l光电藕合器U7A导通，第7-2光电藕合器U7B导通， 则第12放大管T12导通，输出由零向负方向变化(如-400V)。当输入信号 由零向负方向变化时，第12放大管T12截止，第11放大管T11导通，输 出由零向正方向变化(如+400V)。从而在偏转板上得到正负高电压。
权利要求
1.一种反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，包括对偏转器施加偏转电压的偏转电源，在超高真空中对灯丝和栅极施加高压的高压电源，在栅极施加栅极电压的栅极电源，增加灯丝工作电流的灯丝电源；其特征在于所述高压电源为-25kv，由高压部分、低压调整两部分组成，其中高压部分包括谐振电路，其输出信号经变压器升压送至倍压整流电路；倍压整流滤波电路，经10倍压整流滤波产生-25KV高压，接至电子枪灯丝和栅极上；低压调整部分包括调整管(T1)，接至高压部分第1电感器(L1)及第2驱动管(T2)，由第2驱动管(T2)驱动；第2驱动管(T2)，接至过流保护及故障报警电路的输出端及电压电流误差放大电路的输出端；过流保护及故障报警电路，输入信号来自高压部分及电流取样放大电路的输出，输出经缓启电路；高压测量显示电路，输入信号为高压部分的电压测量端(Vd)，输出信号至显示器；取样放大电路，包括电压、电流取样放大电路，电压取样放大电路将缓启电路输出的给定信号及高压部分的电压反馈端信号叠加，输出用来调节第2驱动管(T2)的基极电压；电流取样放大电路，将来自高压部分的电流反馈端的电位与来自5V的参考电位比较接至过流保护及故障报警电路；缓启动电路，输入信号来自过流保护及故障报警电路；所述偏转电源为两套结构相同的X、Y偏转系统提供静电偏转的±400V的电源，其中一套包括低压信号电路、高压放大电路，高压放大电路输入信号来自提供两极性相反的电压信号的低压信号电路，输出接至偏转板。
2. 按权利要求1所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在 于所述倍压整流滤波电路十倍压整流结构，电流反馈端(If)接电流取样 放大电路，电压测量端(Vd)接高压测量显示电路，电压反馈端(Vf)接电 压取样放大电路。
3. 按权利要求1所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在 于所述过流保护及故障报警电路包括第1-1运算放大器(U1A),第3驱 动管(T3)、第11 12 二极管(D11 D12)、第4-2运算放大器(U4B)、第 6-1光电藕合器(U6A)及第6-2光电藕合器(U6B),其中第1-1运算放大 器(U1A)作为比较器，其反相端经分压电阻接电源2.5V,提供一个参考电 位，同相端接第1 2三极管(G1 G2)的发射极节点，输出分两路 一路经 第12二极管(D12)分别接第3驱动管(T3)，第2驱动管(T2)的基极，影响其基极电位；第1-1运算放大器(U1A)另一路输出经第6-1光电藕合器(U6A)及第6-2光电藕合器(U6B)接缓启电路。
4. 按权利要求1所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在 于所述缓启电路包括第4-l运算放大器(U4A)、第4-2运算放大器(U4B)、 第17 18 二极管(D17 D18 )、第8电容(E8 )及第4 5三极管(T4 T5 )， 其第4-1运算放大器(U4A)输入接5V电源，输出接至第4-2运算放大器(U4B)同相端，第4-2运算放大器(U4B)的输入还经第4三极管(T4)、 启动开关(R/S)接15V电源或地，第4-2运算放大器(U4B)输出经第5 三极管(T5 )的集电极及第18 二极管(D18 )接电源；第4-2运算放大器(U4B ) 的输出经第1调节电位器(Wl)改变其电位后至电压取样放大电路；第8 电容(E8)跨接在第4三极管(T4)的集电极与地之间。
5. 按权利要求1所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在 于所述电压取样放大电路包括第2-1运算放大器(U2A)、第14 二极管(D14)、第19 20 二极管(D19 D20),第2-1运算放大器(U2A )反相端 的信号为缓启电路输出的给定信号及高压部分电压反馈端(Vf)信号的叠加 信号，其输出端接至第2驱动管(T2)的基极，调节第2驱动管(T2)的基 极电压。
6. 按权利要求1所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在 于所述电流取样放大电路第2-2运算放大器(U2B)、第13二极管(D13)、 第15 16二极管(D15 D16)及第61电阻(R61)组成，第2-2运算放大器(U2B)输入端信号是由来自高压部分的电流反馈端(If)的、经第27电阻 (R27)形成电位与来自5V的参考电位比较的信号，其输出经第13 二极管 (D13)接至第2驱动管(T2)及过流保护及故障报警电路中第1-1运算放 大器(U1A)的同相端。
7. 按权利要求1所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在 于所述高压测量显示电路，高压部分的电压测量端(Vd)信号，是高压的 万分之二分压后得到的，经隔离后再反相，形成对应0 -25KV的0-5V的电 压送给显示电路。
8. 按权利要求1所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在 于所述低压信号电路包括第11运算放大器(Ull)、第12-1运算放大器(U12A)、第12-2运算放大器(U12B)及第13-1运算放大器(U13A)、第 13-2运算放大器(U13B),其中第ll运算放大器(U11)作为射随器，其输 入为0 -5V,输出经第12-2运算放大器(U12B)、第19电容(E19)滤波， 至第12-1运算放大器(U12A)两倍反相放大，再接至第13-2运算放大器(U13B)的反相输入端及第2调节电位器(CW1 )的一端，第13-2运算放 大器(U13B)的输出至第2调节电位器(CW1)的另一端，使其在第2调 节电位器(CW1 )的两端形成正负极性相反的电压；第2调节电位器(CW1 ) 的滑动端经第13-1运算放大器(U13A)至高压放大电路。
9.按权利要求l所述反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其特征在于所述高压放大电路包括第11 12放大管(T11 T12)，第22运算放大器 (U22),第7-1光电藕合器(U7A)、第7-2光电藕合器(U7B)，其中第 11 12放大管(T11 T12)输出端组成正负两个方向的放大，至第22运算 放大器(U22)输入端；第12放大管(T12)输入端还经第7-2光电藕合器 (U7B)、第7-l光电藕合器(U7A)至第22运算放大器(U22 )输出端， 第22运算放大器(U22)的输入信号来自低压信号电路；第11放大管(Tll ) 的发射极与第12放大管(T12)集电极连接后的节点为输出端，接至偏转 板。
全文摘要
本发明公开一种反射式高能电子衍射仪用电子枪电源，其中高压电源为-25kv，由高压部分、低压调整两部分组成，高压部分的谐振电路输出经10倍压整流滤波产生-25KV高压接至电子枪灯丝和栅极上；其低压调整部分中由调整管接高压部分及第2驱动管，第2驱动管接的输入信号来自高压部分及电流取样放大电路的过流保护及故障报警电路，缓启电路与过流保护及故障报警电路和电压取样放大电路相连；高压测量显示电路输入为高压部分，输出至显示器；其偏转电源包括低压信号电路、高压放大电路，低压信号电路提供两极性相反的电压信号，接至高压放大电路，最后接至偏转板。本发明工作可靠、结构简单。
文档编号G01N23/20GK101178371SQ20061013420
公开日2008年5月14日 申请日期2006年11月8日 优先权日2006年11月8日
发明者薛玉茹 申请人:中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司