Laag vermogen hoogspannings voeding met klein signaal versterker.

Transcriptie

1 Laag vermogen hoogspannings voeding met klein signaal versterker. Base voor een 10 dynodes HAMAMATSU PMT voor enkele foton detectie. P.F.Timmer P.F.Timmer Reference: 1

2 Multi PMT systeem gebruikt voor detection van neutrinos Plaats: Bodem van de Middelandse zee. Grootte: 1 kubieke kilometer Aantal bollen : 6000 Aantal PMT s :

3 PMT-base. Optisch module Incl. verwerkings elektronica Vereisten Laag vermogen. Lage EM uitstraling. Lage rimpel. Instelbare hoogspanning. geïntegreerde versterker. Klein oppervlakte. Hamamatsu PMT met hoogspanning voeding. P.F.Timmer 3

4 PMT s in de onderste halve bol. P.F.Timmer Opstelling met ETL PMT s en hun HV voeding. Door kapton kabels makkelijk te verbinden met de Octopus print. 4

5 Impressie schema HAM_PROMiS2_V2 base Spanningsverhouding -700V to -1500V 22n 100n : totaal 13 stappen k 3 3G 22n 3V3 L4 3V3 L2 22n 22n 100n 100n d1 d pF L3 L1a 22n 100n 100n 6 FB P.F.Timmer I2C Analoge en digitale uitgang COCO 1M5 1uF 1M5 HV DAC uitgang PROMiS2 A L1b 22n 22n 22n 22n 100n 100n 22k 100n 22k 100n 22k 47n 22k 47n 56 47n 56 47n d8 d9 d

6 Ontwerp overwegingen. Selectie van componenten die tegen de hoge spanning van de CW multiplier aankunnen. Controle van de dissipatie van elk component. Controle van de afstand op de PCB tussen de HV componenten. Keuze van een betrouwbaar connector systeem. 6

7 Layout Beperkte ruimte. Het lijkt ruim, maar door HV en testpunten beperkte ruimte. Hoge dv/dt in delen van het circuit. Versterking van zeer kleine signalen. Voor een enkele foton is het signaal kleiner dan een mv. Layout van de HAM_PROMiS2_V1 7

8 P.F.Timmer Specificaties HV circuit met klein signaal versterker voor 10 dynodes PMT Lage rimpel 706 mv < T( C) < % 8.5 < T( C) < 22.1 Uitgangs spanning stabiel: 3 V < Vingang < 3.6 V Lage dissipatie Vinput 3.3 V 4,5 mw 1500V voor HV circuit 30 mw voor PROMiS2 Lage RFI dv/dt < 75 mv/µs, RFI khz-10 MHz Instelbare HV kathode voltage -700 _ V Instelbare threshold voor pulsbreedte instelling ~ 30nSec voor een foton Kleine print diameter PCB = 43 mmø Betrouwbaarheid C, voor statisch gebruik na testen 8

9 Test mogelijkheden. Uiteindelijk moet elke base getest en gecalibreerd worden. Alleen geteste en gecalibreerde printen worden op PMT s gesoldeerd. HV calibratie is nodig omdat alle toleranties van de componenten bij elkaar opgeteld voor een te grote afwijking van de hoogspanning zorgen. Calibratiegegevens met bijbehorend ID moeten worden opgeslagen in een database. Hoe? Met een systeem geïntegreerd in een assemblage lijn. Met een testsysteem geleverd door. Een combinatie (ijking, controle) is ook mogelijk. Waar? Bij een assemblage firma. Op de plek waar de Printen op de PMT s worden gesoldeerd. 9

10 Opgenomen stroom. Test procedure Meten bij 3,3 V ingangsspanning. Tussen de 8 en 12 ma zonder analoge buffer. Hoogspannings meting. 1 meting bij 700 V. HVdac instelling is meting bij 1500 V. HVdac instelling is FF. Tussen de 50 en 80 ma met analoge buffer. De 1500 V meting controleren bij 3,6V voedingsspanning en daarna bij 3V voedingsspanning. Circuit is ontworpen voor laag vermogen. Een 100 Meg meetopstelling is te laagomig. Meten met minimaal 1 Gigaohm belasting. Nauwkeurigheid 0,5% Pulsbreedte meting van de digitale uitgang. Ladings injectie op versterker ingang. Pulsbreedte meting is +/- 30nsec. Common mode spanning 1,2V. Amplitude is maximaal + en 0,4V t.o.v. de common mode spanning. (LVDS) Meting analoge buffer. Buffer aanzetten via I2C. Meting van de amplitude van analoge buffer. Common mode spanning is ½ Vvoeding. Amplitude is maximaal + en 1,5V t.o.v. common mode spanning. 10

11 PMT base functionele test met testopstelling. Controle of de opgenomen stroom binnen gestelde grenzen ligt. Controle I2C communicatie. Controle DACHV uitgang van PROMiS2. Controle schakeluitgang van de COCO. Controle pulbreedte van de schakeluitgang van de COCO. Controle maximum frequentie van de COCO. Controle of de HV op komt. Alle inter dynode spanningen worden apart gemeten. Controle van bereik van HVDAC uitgang en HV uitgang. (stappen van 50V). Controle of HV diodes en condensatoren niet lekken. Controle van het systeem met ingangsspanning variaties van 3V 3.6V. Controle pulsbreedte uitgang van PROMiS2 als er lading word geïnjecteerd. Comparator DAC is zo ingesteld dat de PROMiS2 de juiste pulsbreedte geeft.. Controle analoge uitgang van PROMiS2 als er lading word geïnjecteerd 11

12 Test setup Control Board Safety system Voltage Adjustment and Current measurement Digital value PROMIS outputs PMT Tail Adapter Test PROMIS outputs Digital values frequency and pulse width Digital value for charge adjust Digital value HV control Discharge capacitors from CW high voltage circuit PMT base adapter PMT base CoCo test frequentie and pulse width o CoCo Pr mi PROMIS om is CW High Voltage circuit Electronics for charge injection PROMIS Test HV Control And I2C HV barrier HV measurement supply unit 1 HV barrier HV measurement supply unit 14 Digital value of inter dynode voltages 12

13 De test opstelling. 13

14 Control panel for test setup

15 Start up wave forms of dynode connections 15

16 Discharge waveforms of dynode connections 16

17 File with test results Tester number: 0 Timestamp: :24 Base Type: Hamamatsu Serial number PROMiS (x): 0000AE Serial Number Base Base Power VBase (V) IBase (ma) HV Test DAC PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total Inf HV Test VBase Sweep VBase (V) PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total HV Test Discharge VBase (V) PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total HV Test Max Frequency VBase (V) PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total Analog Buffer VBase (V) IBase (ma) An Ch DAC Analog PROMiS (mv) TDC (nsec)

18 Status Van Ham_PROMiS2_V1 zijn 640 printen gemaakt. Met deze printen wordt de testopstelling geevalueerd. Van Ham_PROMiS2_V2 worden 20 prototypes gemaakt. (verandering van stack-up) Vanwege lange levertijden worden een aantal componenten door besteld. De 3 Giga ohm weerstand. Alle 200 V condensatoren. De transformator. Dy5 Dy4 Dy3 Dy2 Dy1 nc K Dy6 P Anode Dy 7 Dy8 Dy9 Dy10 P.F.Timmer Ham_PROMiS2_V1 base for Hamamatsu PMT 18

19 Vragen? 19

20 Extra sheets Temerature influence DAC value versus HV Tail protection against HV RoHS directive (thin whiskers) Hamamatsu tube with base

21 deviation Temperature influence (shock test) 100.4% 100.3% 100.2% 100.1% 1 h 1 h voltage % % % 99.7% 1 h % T [ C]

22 HV deviation Temperature influence 100.3% 100.2% 100.1% 100.0% 99.9% 99.8% 99.7% 99.6% 99.5% 99.4% T [ C] ΔT=10 C/h voltage

23 HV [V] DAC value to HV value DAC=HEX2DEC(dac) dac=dec2hex(dac) DAC value [decimals] HV=3.0887*DAC DAC=0.3238*HV

24 HV-protection Protect neighbour HV from tails neighbour from HV bases

25 RoHS directive Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electronic equipment. Consequences; Higher solder temperatures (up to 260 C) Favorite solder: SnAgCu alloy (217 C) Chance for more excessive tin whisker growth Tin whiskers, length up to 10mm, diameter up to 10µm. Optimal growth at 50 C Ref: electrical short circuits debris, contamination, metal vapor arc, due to HV. Image Courtesy of T. Riccio (STPNOC) Conformal coating like Parylene C tends to buckle the whisker