В7-45 — тот кого не превзошел никто

Начнем мы необычно, а именно с расчета:

1 Кл = 1 А·с
1 A = 1 Кл/c
Элементарный электрический заряд = 1,602 176 634E−19 Кл
1 A = 1 / 1,602 176 634E−19 / c = 6,24150907446076E+18 электронов в секунду. Запоминаем эту циферку, и открываем материал под катком.

И так, знакомимся:

В7-45 Вольтметр универсальный электрометрический

Краткая историческая справка:

  • Разработка: Минский научно-исследовательский приборостроительный институт. http://mnipi.by
  • Производство: Белвар г.Минск.
  • Дата запуска в серию: 1986 год.
  • Дата прекращения производства: 90-е.
  • Страна производитель: СССР.

Интересные факты:

  • Единственный на планете серийно-выпускаемый цифровой, микропроцессорный, настольный электрометр с чувствительностью до единиц атто-ампер (1E-18).
  • Не многочисленные уцелевшие образцы активно используются в физике частиц, а так-же метрологии для передачи единицы сверх-малых токов, и негласно классифицируются как прибор-мечта. (пример)
  • Работает без применения азотно-гелиевого охлаждения, не термостатирован,  не содержит вакуумно-герметичных узлов.
  • Дизайн входных цепей — применены техники уменьшения паразитных емкостей, сапфировая изоляция для уменьшения утечек и трибо-пьезо-электрических эффектов, электрометрический блок выполнен в минималистичном дизайне для нивелирования влияния ионизирующих излучений на объем камеры БЭМ.

Городские легенды:

  • На международной выставке в конце 80-х представитель Keithley Instruments, ведущего производителя оборудования для электрометрии, настолько был поражен превосходством прибора, что публично признал это и пожал представителю МНИПИ руку, несмотря на времена все еще теплящейся холодной войны.

Ключевые характеристики по даташиту которые мне показались максимально интересными:

  • Измерение напряжений от 20 мкВ до 100В.
  • Измерение тока от 100нА до 10аА.
  • Измерение зарядов от 1E-6C до 5E-16C.
  • Предельная погрешность измерения сверх-малых токов <25% при токе >40аА.
  • Погрешность измерения тока на диапазоне 1фА 10+0.6%.
  • Погрешность измерения тока на диапазоне 10фА 4+0.5%.
  • Погрешность измерения тока на диапазоне 100фА 2.5+0.1%.
  • Среднее квадратическое значение шума 2аА.
  • Нестабильность нуля за 24ч не привышает 10аА.

Но давайте-ка перейдем от сухих фактов к рассуждениям:

Сегодня вся электрометрия на планете базируется на трансимпедансных усилителях и гигаомах в их обратной связи. Из за этого у всех современных приборов есть полка, ниже которой не позволяет опустится тепловой шум Джонсона-Найквиста.

Но сегодняшний наш обзорный прибор нарушает главный закон физики электрометрии «4kBTR∆f» focus Я обычно шучу, что в нем живут маленькие нерасторопные гномики, специально обученные штучно считать электрончики. laugh Но на самом деле все просто:

Как видим, у В7-45 нет резисторов в обратной связи на малых токах(R2 и R3 выполняют защитную функцию). Его главной фишкой является Динамический Резонансный Конденсатор (ДРК-6).

(Фото конденсатора предоставлено Владимиром — strannik2039)

Если рассмотреть методику измерения очень поверхностно, то при работе его обкладки резонируют с определенной фиксированной частотой, модулируя входной ток и преобразовывая заряд в переменное напряжение, после дальнейшего усиления, это напряжение демодулируется и измеряется.

В итоге, поскольку сопротивление у нас стремится к нулю, то формула «4kBTR∆f» перестает работать и тепловой шум хоть и имеет место, но тоже стремится к нулю. Это позволяет сказать, что инженеры СССР жестко хакнули главную электрометрическую проблему человечества и она перестала существовать. crazy

Что нам это дает на практике? А то,  что у обычных электрометров самый нижний диапазон измерения тока обычно 1пА, и более-менее они на нем могут с натугами измерять 1фА. В это время у В7-45 нижний диапазон 1фА, и он способен различать токи до единиц аА. То есть по сути чувствительность этого электрометра в тысячи раз превосходит большинство других.

А теперь вспомним расчет в начале материала, и проникнемся токами с которыми работает данный прибор, ибо атто-ампер это «минус 18-я» степень ампера, исходя из этого, получаем, что 1аА это ток электронов в проводнике всего 6,2415 электронов в секунду diablo Их по сути можно попальцам сосчитать!

Вдумайтесь — в данном приборе основное это ДРК-6, остальное там вполне повторимо и во всем этом вполне можно разобаться и повторить. Но ДРК-6 сегодня перешел в разряд Унобтаний подобного компонента, поскольку его производственная линия распилена на металл и более он не производится. dash

Сможет ли человечество повторить и улучшить результат, думаю в ближайшие 50 лет узнаем, разработки электрометрических динамических резонансных конденсаторов но уже на базе MEMS-технологии идут полным ходом. mail

Но теперь перейдем от теории к практике. Прибор мне достался за 45 тыс. руб., причем в очень плохом состоянии: сапфировые изоляторы сильно засраны, корпус и лицевая панель грязные, внутри слои вековой пыли, состояние блока БВИ говорит о том, что им забивали гвозди и пинали ногами, измерительный кабель был упакован с грубыми ошибками, из за чего пришел в полную негодность.

Я смело и без тени сомнения делаю вывод, что спас этот прибор. Сначала может показаться, что он мне обошелся очень дорого, НО найти этот прибор в любом состоянии очень большая удача. Т.к. выпускались они примерно с 86 года, мелкими тиражами по ~50-100 приборов в год, а после развала СССР выпуск был прекращен и многие из них были утилизированы, ради извлечения из них весьма скудного драгмета.

Блок БВИ был отреставрирован и настроен.

Состояние до реставрации:

После:

Кстати сказать, прибор очень легко настраивается, и не требует для этого чего-то очень раритетного. Нужно только две вещи — более-менее стабильный программируемый источник напряжения 5.5 разряда и 5.5 разрядный мультиметр с высокоимпедансным входом. Мне вполне хватило Keithley SMU 2450 и моего старичка Agilent 34410A. Особо отмечу, мультик с классическим 10M входом не способен его корректно настроить, т.к. сместит резистивные делители блока БВИ. Доступа к эталонам для его настройки не требуется, что само по себе огромный плюс.

При работе, прибор самокалибрует по встроенному «эталонному» микропроволчному резистору свои интегрирующие емкости, и получается что он почти полностью самонастраиваемый. В моем экземпляре, подстроечники блока масштабирования, деференцирования, АЦП и ЦАП были фиксированы заводской краской, т.е. никогда не подстраивались, и при этом сколь-либо значительной ошибки в измерениях у прибора не было, я лишь чуть их подстроил, по причине неутолимого перфекционизма.

Намного сложнее обстоит вопрос с очисткой:

  • Передняя панель и сам корпус легко отмылись кухонной губкой с ферри.
  • Блок БВИ потребовал удаления старой краски и следов побоев ногами, тут мне помог местный шиномонтаж, они отпескоструили его и покрасили порошковой краской. Да вышло не дешево, но довольно неплохо.
  • Входной изолятор блока БВИ преподнес целую упаковку сюрпризов. Я не смог очистить его без снятия, по этому разъем в той части пришлось аккуратно разобрать и отмыть изолятор в Cramolin Flux Off а так-же обильно отмочить его в метаноле. Но когда я поставил его назад, я обнаружил что блок БВИ сломался, выдавал ошибки 06 и 07. Как выяснилось, центральный штырь разъема служит держателем двух контактных групп электрометрических реле и двух защитных резисторов. Основательно помучавшись, его удалось восстановить, но я НИКОМУ НЕ РЕКОМЕНДУЮ это повторять, т.к. это очень сложная и тонкая работа по выравниванию тончайших и очень коротких волосков из сплава золото-никель, которые практически не доступны для какой-либо манипуляции и обзора. Одна ошибка, и блок БЭМ придет в негодность. Мне конечно сильно помог мой длиннофокусный микроскоп Tagarno FHD, но даже с ним и с набором прицизионных пинцетов, это было очень сложно.

Прибор мне достался некомплектным, у него не было ни документации, ни рем. плат, ни измерительной камеры, не говоря уже о мелких аксессуарах.

Фото блока управления:

Материнка

A9 — Аналоговое питание — 5.123.146

A11 — АЦП — 5.103.377

A10 — Дифференциатор — 5.106.051

A8 — Аналоговый выход и опторазвязки — 5.284.075

A3 — GPIB — 5.132.036

A7 — Синхроблок — 5.075.006

A5 — УФРПЗУ — 5.106.032

A2 — Главный вычислительный блок — 5.105.165

A1 — Цифровое питание — 5.123.145

A6 — Передняя панелька — 6.692.671

 

Основная магия находится здесь: Блок Выносной Измерительный(БВИ)

Под экранирующим колпаком находится электрометрический блок с реле, усилителем первой стадией и резонансным конденсатором.

Так-же БВИ содержит:

  • Демодулятор.
  • Усилитель второй стадии.
  • Масштабирующий резистивный делитель, задающий коэффициенты усиления.
  • Реле коммутации.
  • Систему поддержания резонанса обкладок конденсатора ДРК-6.
  • Цепь высоковольтного смещения для обеспечения диапазона измеряемых напряжений до +-100В.

Ну и немножко амп-порно…

Отмачивание входного сапфирового изолятора в метаноле: НЕ ПЕЙ, КОЗЛЕНОЧКОМ СТАНЕШЬ!!!

Сапфировый изолятор из разъема кабеля:

Входной триаксиал:

Документацию удалось найти в интернете, ее и прошивки моего экземпляра прибора можно скачать тут — ссылка. К сожалению ни схем, ни формуляра, ни САД найти не удалось. С некоторыми схемами мне помогли, но я их получил под честное слово, что не буду их расшаривать, да к тому-же они не полностью совпадают с тем прибором который пошел в серию. Но я обязательно продолжу искать документацию от этого прибора, и если найду, обязательно отсканирую в хорошем качестве и расшарю.

Измерительную камеру я изготовил из алюминиевой коробки Gainta BS33BK, листика китайского тефлона и куска разъема сломанного триаксиального кабеля.

 

Надо отметить, что в приборе есть большая механическая недороботка — мало того что малейшее смещение центрального штыря входного разъема приводит к смещению контактных групп реле, так еще и он сам по себе очень тонкий, а ответная часть разъема на него не всегда точно попадает, из за чего его очень легко согнуть. По этому по сути, разъем должен быть один раз соединен, и его нельзя больше трогать.

Но все-бы ничего, если-бы не тот факт, что продуцировать сверх-малые токи на резисторах — нельзя.(привет тепловой шум) Однако это не снимает необходимости проверить прибор и камеру, а значит мы сейчас с Вами окунемся в опыты дядюшки Резерфорда, который доказал, что заряд альфа-частицы равен двум элементарным зарядам. Из этого следует, что если входной электрод электрометра будет бомбордироваться альфа-частицами, то он будет заряжаться и соответственно появится ток. Для простоты понимания, высчитаем ток при бомбардировке электрода одной альфа-частицей в секунду, этот ток составит примерно 0,32аА, то есть чтобы получить ток 100аА, на электрод должно попасть ~312 альфа-частиц в секунду.

Камера была протестирована бомбардировкой альфа-частицами от образцового источника на базе изотопа Плутоний-238:

Варируя расстоянием можно получать разный ток:

Чует!!! И не удивительно, поскольку электрометрия МНИПИ собственно и выросла из задач исследования ионизирующих излучений diablo

Резюме

Я со всей ответственностью заявляю, что плюну в лицо тому, кто скажет, что в СССР выпускали посредственную измерительную технику.

В7-45 — тот кого не превзошел никто: 2 комментария

  1. Тов. strannik2039 открыл свой архив по данной теме, там среди прочего оказался документ описывающий внутреннюю структуру блока БЭМ, на которой четко прослеживается, что на центральном пине висит контакт реле… черт, это мне-бы неделю назад очень помогло, дабы заранее принять меры по его фиксации и недопущению загибания усиков контактных групп.
    Ну что-же, раз архив открыт публично, значит надо сделать копию, так и поступим…

    Вот сообщение strannik2039:

    А вот и копия:
    https://ampnuts.com/data_pub/strannik2039-20200822T135524Z-001.zip

  2. Да и…. у меня на радиокоте нет регистрации, но я все-же рискну ответить на поставленный вопрос тов. strannik2039:

    После серии вот таких постов на одном из небезызвестных ресурсов:

    Я полностью уверен что за лично мою голову точно назначена награда

Добавить комментарий