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新一代KATRIN高精密分压器,电压高达65KV(下篇)

作者:开步电子 发表日期:2017-01-11 14:09:09 浏览量:73


摘要:KATRIN(卡尔斯鲁厄氚中微子)实验旨在通过氚β衰变的电子谱测定电子反中微子的质量,灵敏度200meV。这将由MAC-E-Filter型减速谱仪完成。要达到期望的灵敏度,-18.6kv的减速电势稳定性需要在至少两个月的时间内保证3ppm的精度。由于这种级别的精度无法通过商业级设备达到,于是我们研制了2ppm级的高压分压器,参考了德国联邦物理技术研究院(PTB)关于高达100KV直流电压标准分压器的理念。要达到这种高精度级别,需要考虑多方面的影响。最重要的两点是电阻的温度系数和漏电流,漏电流一般由绝缘不佳和电晕放电产生。关于分压器的第二个改进来自于对高精密电阻的选用和对分压器的散热设计。对电阻性能的提升得益于与制造商的合作。在PTB所做的设计提升,电阻的调研与选用,内置的探针和校准都将在本文中做以汇报。最终仪器达到了两年时间内低至0.1ppm/月的稳定性。



校准阶段2011


第二个校准阶段是从2011年9月到12月。这一阶段主要研究了分压比,电压系数和预热表现。预热表现测试的时候,分压比是在施加高电压三十分钟后测量的。为得到MT100可能的预热表现,我们使用K65作为参考分压器建立了一个专门的测试实验。这是通过用真空断路器将MT100连接到系统中获得的。K65稳定下来后,电压快速下降,MT100由真空断路器切换到系统中,然后电压再次上升。四个测量中观测到一些小于1ppm的微小偏离,预热表现测试后,所有测量都被修正。测量了K65在分压比 1818:1 和3636:1下的预热表现,电压18.6KV和35KV,正负两个极性的电压。-35KV,1818:1的预热表现列举在图9。18.6KV下的测量未发现任何可测量的预热偏离。


分压器的电压相关性在多种情况下测量,5KV至35KV,每5KV测量一次,正负两极都测量(见图10)。这些数据集用一个二阶多项式来拟合。二次项受到电阻的电热和电阻的温度依赖性激励。一次项是多种影响的结合。一方面漏电流随着施加功率的增大线性上升,但同时也受到电阻升温的次级影响(类似与温度相关的热传导)也可产生一个线性变化。因此,不进行更深入的调研无法量化漏电流。此外,在10KV至35KV的范围内,数据集用线性方程拟合,以便将这一结果与以前的结果相比较。35KV时分压比的相对变化接近1.5ppm。


为了明确分压器的长期稳定性,我们假设了一个从2009年到2011年的线性的时间相关性(见表3)。测量到的K65分压器所有分压比下的长期稳定性约为0.1ppm/月。


图9.加载-35KV的电压后,分压比1818:1的相对变化。分压比的测量与MT100相对比,从-35KV开始。测量前,首先令K65空转30分钟。标出的数值经过MT100预热表现修正过。数据集由五次独立测试结果的平均值组成。误差棒表示五次测量的标准偏差。拟合方程是指数方程和线性方程的结合,因为观测到了一个小的线性漂移。这个拟合具有一个时间常数0.42(7) 分钟。首次测量点被舍弃,拟合在30分钟的时间范围内完成。无法通过小的线性漂移-2.6(6)•10-9预测长期漂移。它可能产生自分压器缓慢热化的过程中,没有在一个较长的时间内观察。


7 结论与展望


K65分压器相比K35进步了很多,具有改进的热性能和更好的长期稳定性。使用配对的方式对电阻温度系数进行补偿、使用预先老化的电阻、使用具有保护电极系统的密封恒温箱,保证了高压分压器具有ppm级别的精度。K65满足了,甚至超过了KATRIN实验对分压器各方面的要求,也减小了系统不确定度。作为一个可运输的设备,K65也可在其他应用中使用。


使用预先老化的电阻可以保证长期稳定性在0.1ppm/月。不同分压比下的线电压相关性小于1ppm每KV,受预热表现的影响非常小,在理想的范围内。经过了一分钟左右的预热阶段,达到35KV的电压后,可达到小于1ppm的精度。电压相关性可以通过一个二阶多项式描述。


我们认为这种高压分压器的提升空间已经很有限了。也许可以通过增加表面绝缘强度减小漏电流,例如在支架表面切槽或使用绝缘效果更好的材料。也许可以通过增大控制分压电器的阻值或者把它分开成多个链,来降低温度的影响,例如将其分为四个链而不是一个,来将热负载更均匀地在容器中分布。


此高压分压器具有非常低的温度系数,它的分压比甚至可以在低压下进行校准,只需在精度方面做几个ppm的妥协。可以通过Fluke 752A参考分压器完成,输入电压1KV甚至更低。首先100:1的分压比是在1KV的输入电压下确定的。其次在100:1分压比的连接部分施加350V的电压。使用100:1抽头作为输入,引入与分压比1818:1 和3636:1的输出相同的电压,就好比35KV电压直接施加到高压输入端。总结了使用“低压校准技术”测量的分压比的两个步骤,我们可以使用商用设备测量1818:1和3636:1的分压比,不确定度小于5ppm。低压校准的细节和结果将会在[21]中展开。



图10. 分压比1818:1 和3636:1的电压相关性。数据集由二次多项式(蓝线,系数α,ε)和线性方程(未标出,系数α‘,ε’)拟合。两个分压比在35KV下的相对变化为1.5ppm。

漏电流的影响已经在[10]中提到过,但是对K65的具体影响需要进一步研究才能确知。


表3. 2011年在PTB进行的校准总结。列出的是校准电压下的分压比,它们的相对标准偏差,和校准不确定度。温度稳定性在所有分压比下都是相同的。列出了1818:1 和 3636:1线电压相关性(正负两极电压均予以测量)。测量了1818:1 和 3636:1的预热偏差和时间常数,两者的偏差为小于1ppm和小于1分钟。



感谢


我们要感谢威世集团Mr. H. Faierstein, Mr. D. Sachau 和 Mr. F. Weise,建设性的、成功的且友好的合作使得开发ppm级高压分压器成为可能。这项工作由德国教研部长支持,参考05A08PM1 和 05A11PM2。


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