Como um resistor de um milhão de megaohm pode ser útil?

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Eu fazia manutenção periódica em um sistema de detecção de partículas com baixo nível de energia. Seu circuito incluía um resistor de um milhão de megaohm . Estava em um tijolo sólido selado feito talvez de baquelite , cerca de 10 cm x 15 cm. Quero dizer, não há menos resistência entre você e eu agora? Como isso foi útil?

/ edit add 2016.12.13

Parece que eu tenho jogado involuntariamente sem querer, sem dizer para que serve esse equipamento. Como todos os manuais técnicos foram classificados como classificados, fiquei desconfortável ao declarar qual era o equipamento. Esses manuais têm agora mais de 55 anos. Além disso, qualquer um poderia ter vinculado meu perfil, acessado meu site e visto meu currículo. Isso mostraria que eu era um operador de reator em um submarino nuclear. A informação, pelo menos em geral, é extremamente improvável ainda ser classificada, e minha carreira nunca foi. Então, eu decidi apenas dizer.

Estou falando do sistema detector de nêutrons de baixo nível de potência no meu submarino. Estava ativo enquanto o reator estava desligado. Desativamos isso durante a inicialização e voltamos ao final do desligamento. Também tínhamos sistemas de detecção de faixa intermediária separados (usados durante partidas e paradas) e um sistema de detecção de alta potência usado durante a operação.

Desculpe se essa falta de informação foi frustrante para as pessoas. Foi frustrante para mim, sentir como se estivesse falando sobre coisas que deveria dizer.

RichF
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Quero dizer, não há menos resistência entre você e eu agora? Provavelmente, mas essa resistência é 1) não de uma forma muito utilizável 2) tem um valor muito imprevisível. Obviamente, para o funcionamento adequado deste dispositivo, é necessária uma resistência tão alta. Enquanto não sabemos como o detector funciona, só podemos adivinhar por que um resistor de 10 M ohm não funcionaria.
Bimpelrekkie
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@FakeMoustache Não acreditei totalmente no esquema quando o vi pela primeira vez. Achei que era uma impressão errada.
RichF
@ Peter_Mortensen, obrigado por adicionar o link para o Bakelite e suas outras edições.
RichF 11/12
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Lembre-se de que não é muito incomum que um resistor / capacitor / indutor com um valor próximo às características "naturais" do circuito seja usado apenas para garantir que o circuito se comporte de maneira previsível, em comparação com o enlouquecimento, porque, digamos, a resistência deste O caso é extraordinariamente alto, porque todas as estrelas estavam alinhadas.
Hot Licks
@ HotLicks, obrigado pela informação. Ele fornece diretamente uma razão para a minha pergunta: "Como isso foi útil?". Se você o tivesse oferecido como resposta, eu teria votado positivamente. No caso específico do sistema de detecção mencionado, acho que Andy_aka provavelmente está certo. Faz muito sentido que seja o resistor de feedback de um amplificador de transimpedância.
RichF 12/12

Respostas:

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O tipo de detector era um detector de nêutrons na faixa da fonte. Os detectores mais comuns usados ​​para esse fim são um contador proporcional BF3 ou um contador proporcional B-10. Estes são usados ​​na maioria dos reatores de água pressurizada para detecção de fluxo de nêutrons excore. Não há nada classificado aqui. Esta é a instrumentação padrão de detecção de nêutrons. Os detectores são posicionados fora do núcleo e medem os nêutrons térmicos vazando para fora do núcleo. Isso produz uma aproximação muito rápida (centenas de tempo de resposta em milcosegundos) do nível de potência do núcleo. Por nível de potência, estou me referindo ao nível de energia nuclear. Quando as emissões de urânio são produzidos, em média, dois nêutrons. Medindo o número de nêutrons, você pode determinar se as reações nucleares estão aumentando ou diminuindo e inferir a taxa de fissão.

Os detectores de faixa de fonte são usados ​​quando o reator é desligado ou durante a inicialização. Devido à natureza da construção do detector, ele deve ser desligado em níveis altos de energia ou será destruído. Em níveis de potência mais altos, há muitos nêutrons para contar pulsos individuais e outros métodos são usados.

O objetivo do resistor de grande valor é detectar a corrente e desenvolver uma tensão. A razão pela qual foi envolto em baquelite foi porque havia um potencial de alta tensão nele. A câmara BF3 ou B10 requeria uma tensão de polarização de 1500-3000 Vcc para operar na região proporcional. Normalmente, a tensão de polarização é de 2500 Vcc. Os pulsos de nêutrons desse tipo de detector são da ordem de 0,1 picocolumb (pC). A corrente é coulombs por segundo. Um pulso de 0,1 pC através de um resistor de 1 T ohm produzirá uma tensão de 100 mV. Essa tensão pode ser amplificada e contada. Como pulsos devidos a nêutrons são maiores que pulsos devidos à radiação gama de fundo, os pulsos de nêutrons são diferenciados de gama de fundo com base na altura do pulso.

É muito difícil medir 1 Tohm, mas isso geralmente é feito nesses detectores. Qualquer corrente de fuga pode mascarar os sinais de nêutrons e contribuir com erros na medição. Para medir um milhão e um milhão de ohms, uma fonte de alimentação de alta tensão produz uma tensão de polarização no detector. Um amperímetro flutuante é conectado em série com a tensão de polarização e é feita uma medição de corrente lateral alta. Demora várias horas para a corrente estabilizar. Andar ou mesmo renunciar a mão sobre o equipamento afeta a medição. Como a resistência de 1 milhão e milhão de ohms pode ser alcançada usando uma câmara e cabos de algumas polegadas de diâmetro, eu estimaria que a resistência entre vocês seria substancialmente maior.

user125718
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Uau!! É incrível o tipo de resposta detalhada e de qualidade que se pode obter se ele não tentar ocultar informações! Obrigado usuário. Eu tinha esquecido muitos detalhes porque já faz mais de 35 anos desde que trabalhamos com esse material.
RichF
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Eu fazia manutenção periódica em um sistema de detecção de partículas com baixo nível de energia

Bem, a carga nessas partículas pode ser a carga em um elétron (1,60217662 × 10 -19 coulombs) e se houvesse 1000 elétrons sendo coletados a cada segundo, a corrente será de 1,60217662 × 10 -16 amperes.

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A tabela abaixo fornece uma idéia sobre o valor do resistor necessário para produzir 1 volt para a corrente fornecida: -

insira a descrição da imagem aqui

Observe que 1 pA é de aproximadamente 62 milhões de elétrons por segundo.

Estou pensando em uma espectrometria de massa de gás muito sensível aqui e no circuito coletor de feixe de íons, mas talvez sua máquina tenha algo a ver com a contagem de fótons?

Andy aka
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Suponho que esses resistores exóticos só estariam disponíveis em tolerâncias apertadas como +/- 0,001% ou algo assim e custariam uma fortuna. Se fosse envasado em um material semelhante a baquelite, talvez o corte a laser não estivesse disponível no momento.
Wossname
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Bem, de nada, Andy :) confuso Não esperava gratidão explícita pela edição sem conteúdo do drive-by! Tenha um ótimo dia!
Marcus Müller
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Obrigado por responder. Desculpe a ser vago, mas eu não sei o quanto eu posso dizer
RichF
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Acabei de ler sobre amplificadores de transimpedância na Wikipedia. Ele diz que eles geralmente eram implementados usando amplificadores operacionais. Em geral, nossos equipamentos usavam um número razoável deles, provavelmente o que estava sendo usado aqui.
RichF
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Em uma nota relacionada, eu faço espectrometria de massa de gás nobre como meu trabalho diário e o detector Faraday Cup que usamos em um instrumento possui um resistor de 10 ^ 10 Ohm para seu amplificador de transimpedância. Um detector semelhante em outro instrumento similar que requer maior sensibilidade possui um resistor de 10 ^ 13 Ohm.
Heypete
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ΩΩ

Ω

É claro que tudo tem que ser "justo" para obter esse nível de vazamento, não é apenas uma questão de colocar tudo em um PCB barato. (Foto da Keysight).

insira a descrição da imagem aqui

Lembre-se de que mesmo em 1fA (1mV em 1T) ainda há alguns elétrons por segundo - mais de 6.000 dos pequenos. Também haverá muito ruído Johnson-Nyquist em um resistor com esse valor alto, vários mV à temperatura ambiente em uma largura de banda de 1kHz. Alega-se que o instrumento Keysight mostrado acima resolve 0,01fA ou cerca de 60 elétrons por segundo (embora a especificação da corrente de polarização não seja espetacular).

Spehro Pefhany
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O sistema de detecção definitivamente não foi barato! Também não havia PCBs. 🗿 Obrigado pela informação.
RichF 11/12
Para economizar uma pesquisa: Keysight B2987A . Preço inicial: $ 11.241.
Duskwuff
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As outras respostas explicaram o uso do resistor no circuito, mas esta parte ainda não foi respondida:

Quero dizer, não há menos resistência entre você e eu agora?

Vamos supor que estamos a um metro de distância (em vez da metade do globo) um do outro. Existem dois caminhos para a corrente entre nós:

  1. Pelo ar . A resistência do ar para um volume de 2x0,5x1 metros é de aproximadamente 10 16 ohms.
  2. Através da superfície do piso, o que podemos assumir é relativamente semelhante à superfície do PCB . É aqui que a diferença é feita: dependendo de quão limpa é a superfície, sua resistência a uma distância de 1 metro pode variar de 10 9 ohms a 10 17 ohms.

Portanto, uma resistência de isolamento acima de 10 12 ohms é certamente alcançável, mas não é um dado. Ao trabalhar com esse dispositivo, você provavelmente deve evitar deixar suas impressões digitais em qualquer isolador.

jpa
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Não deixar impressões digitais é realmente importante, mas um ex-colega me disse anos atrás, sem limpeza especial do resistor de alto valor, o ajuste de um circuito para medição de radiação não era possível.
Uwe
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Eu sempre assumiu que a principal razão da resistência foi envasadas em que tijolo era especificamente para minimizar possíveis problemas com impressões digitais, umidade, poeira, realmente olhares médios, etc
RichF
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A resposta poderia ser produzir uma constante de tempo de vazamento longa.

Certamente houve muito interesse nesta questão e muitas respostas interessantes, mas nenhuma parece explicar por que é necessária uma resistência tão alta.

Pensamos na corrente contínua como o fluxo constante de cargas por segundo [C / s] e, portanto, não possui espectro de frequências.

Mas o que, se a corrente é medida, são apenas pequenas transferências de carga que ocorrem sendo transferidas de um detector de capacitância muito baixa por intervalos de segundos, minutos ou horas.

Mesmo um passo no campo E estático, sem fluxo de descargas de corrente ou aleatórias no espaço galáctico, que pode ter intervalos muito longos. O campo E em segundo plano deve ser anulado, enquanto a acumulação de carga pode ocorrer por um longo intervalo para eventos.

Ou considere o projeto de monitorar campos E estáticos de alta tensão que agora são voltagens microscópicas em junções de nano tamanho de wafer em uma linha de fabricação ou processamento de wafer para monitoramento em tempo real da prevenção de ESD em uma sala limpa com faixas de silicone capazes de descarregar a 100 uV por nanômetro. Qualquer alteração nos campos E subindo lentamente de quaisquer partículas de poeira que se movem no chão devido ao movimento de operadores que usam botas de solas pegajosas em salas limpas por cima das meias pode ser prejudicial, mesmo que o uso de correias nos pés do chão seja dissipado.

Se você tiver zero partículas de poeira, não poderá haver acúmulo de carga e vice-versa neste ambiente.

Considere que os desafios da fabricação de bolachas e pequenas descargas estáticas de campo E podem danificar uma bolacha devido à contaminação iônica e descarga ESD.

como em qualquer coisa, o lema dos engenheiros de teste é ...

Se não pode medi-lo, você não pode controlá-lo.

Talvez você já entenda que é necessária uma resposta de frequência muito baixa ou uma constante de tempo muito longa com uma taxa de descarga controlada com uma resistência muito grande.

Nem todo sensor de campo eletrônico, fóton, elétron ou pósitron é de 1pF e pode ser maior ou menor, pois existem muitas aplicações diferentes para tensão de carga estática ou detecção de campo E com alterações de frequência muito baixas. Só podemos especular para que serve este detector.

Portanto, sugiro que essa resistência seja necessária para cortar os campos E estáticos perdidos que são realmente estáticos e que não variam de tempo, para que, durante um intervalo de tempo mais longo que T = RC, em um ambiente benigno, ele possa decair para zero enquanto ocorrem eventos. mais rápido que esse período constante pode ser acumulado como tensão de carga em um detector sub-pF muito pequeno.

Sabemos que o acoplamento de tensão dos campos E da série à capacitância de derivação do sensor é transformado como um divisor de tensão resistivo, exceto como um divisor de tensão capacitivo. portanto, quanto menor a capacitância do detector, melhor para baixa atenuação.

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Desculpe-me, enquanto sinto o céu

(1016 Ω)

insira a descrição da imagem aqui

Aqui está o provável circuito TIA, mas o amplificador não seria um OpAmp compensado interno convencional com apenas 1 ~ 10MHz de GBW. Ter alto ganho para um pulso <~ 50MHz

insira a descrição da imagem aqui

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Esta é uma aplicação interessante para resistência muito alta. Nada disso me parece familiar, mas eu não trabalho no equipamento mencionado no OP desde meados dos anos 80. (O equipamento provavelmente foi projetado no final dos anos 50 ou no início dos anos 60.) Como estava detectando baixos níveis de energia, uma constante de tempo pode ter sido necessária. Você rejeita a ideia de o 1 TΩ ser um resistor de feedback de um amplificador de transimpedância? Eu sinto que você provavelmente responderá em geral - para que resistores de alto valor podem ser usados?
RichF
Tony, acabei de visitar sua página de perfil. Seu gráfico unicode compacto de caracteres EE copiáveis ​​é ótimo! O engraçado foi que, para o meu comentário, eu fiz uma pesquisa no Google para encontrar o caractere Ω. O seu teria sido muito mais fácil de encontrar. Rich
RichF
Sim, ele pode ser usado para obter ganhos, mas a parte interessante é que o grande feedback R implica em TIA de largura de banda muito baixa. Enquanto que para a detecção de campo E ou detecção de carga pC, isso implica em um ponto de corte muito baixo para HPF de banda larga, o que é mais útil. teria que estar livre de contaminação por fluência em todas as superfícies condutivas para conseguir isso e poderia potencialmente ter tensões muito altas em kV ou MV, impondo um tamanho grande e também poderia ser usado para redimensionamento de tensão por queda de alta tensão, mas geralmente os divisores de tampão são usado para divisores AC e R para DC. Portanto, poderia ser usado para o HVDC, que era popular no final dos anos 60. © ®
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Este equipamento de detecção atenderia a demanda por "largura de banda muito baixa". Enquanto o sistema geral foi ligado, esse eqpt de detecção em particular foi mantido. Somente quando o sistema foi desativado foi ativado. Vamos chamá-lo de "fora do medidor". 🤖 A alta tensão não foi um problema. ⚡️
RichF
Foi usado com um detector Tempest RF E-Field? para capturar pixels CRT do outro lado da rua.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75