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Hochspannungstaster
Einleitung
In diesem Beitrag fasse ich zusammen, was wir bei der Konstruktion unserer Hochspannungtaster beachtet haben. Als eine wichtige Grundlage haben wir die Diplomarbeit (Präzisionshochspannung für das KATRIN-Experiment)[https://www.uni-muenster.de/Physik.KP/AGWeinheimer/Files/theses/Diplom_Stephan_Rosendahl.pdf] verwendet. Die Zielspezifikation an den Hochspannungteiler war eine Kurzfriststabilität von 100ppm bei Spannungen bis 20kV.
Aufbau
primäre Teilerkette
Der Taster besteht aus zwei Teilerketten. Die eigentliche Messkette bestehend aus 20 Caddock USF 371 25MOhm Widerständen und einem 25kOhm Metallfolienwiderstand als Messabgriff. Die 25MOhm Widerstände sind nominal mit 2.5kV belastbar, haben einen geringen Spannungskoeffizienten von deutlich unter 0.02ppm/V und einen geringen Temperaturkoeffizienten von 5ppm/K. Der 25kOhm Metallfolienwiderstand hat einen Temperaturkoeffizienten von unter 1ppm/K. Bei einer Einzelbelastung der 25MOhm Widerstände von 40mW ergibt sich eine Temperaturerhöhung von etwa 2K (to be verified).
Steuerkette
Alle Widerstände müssen die gleiche homogene elektrische Feldverteilung im Betrieb sehen, damit eine Extrapolation vom Verhalten der Widerstände bei 1kV auf das Verhalten im Teiler zulässig ist. Dazu wird mit einer zweiten Teilerkette, die gleichen Potentiale wie im primären teiler erzeugt. Diese Potentiale werden auf leitfähige Ringe gegeben, die den primären Teiler umgeben. Damit ergibt sich ein nahezu homogenes Feld für die einzelnen Widerstände wie beim regulären Betrieb bei 1kV.
Die Anforderungen an die Widerstände dieser Kette sind bzgl. Spannungskoeffizient und Temperaturkoeffizient geringer. Die Widerstandswerte sind allerdings auf 1% aufeinander angepasst, um die Spannungen des primären und des Steuerteilers möglichst gleich zu halten.
Montage
Die Widerstände sind zwischen FR4 Leiterplatten verlötet, die in einem Abstand von 15mm zueinander stehen. Die notwendigen funktionalen Abstände zwischen Primärteiler und Steuerteiler ergeben sich aus der Oberflächenleitfähigkeit des FR4. Eine Untersuchung verschiedener Hersteller findet man (hier)[http://www.esmat.esa.int/Publications/Published_papers/04265761.pdf]. Wir gehen von einer Leitfähigkeit 1e12 Ohm aus. Aufgrund der Toleranz der Widerstände des Steuerteilers von 1% ergibt sich bei 1kV in erster Näherung eine Potentialdifferenz zwischen äquivalenten Anschlusspunkten von 10V bei 1kV Betriebsspannung. Bei einem zulässigen Fehlerstrom von 10ppm ergibt sich eine Isolationanforderung von 2.5e10Ohm. Die Pads der primären Widerstände sind daher durch Fräsungen zusätzlich von der zentralen LP getrennt.
Fazit
Die hermetisch gekapselten Widerstände der Firma VPG eignen sich als unkomplizierte Normale bei erweiterten Messunsicherheiten von 2ppm. Bei dieser avisierten Messunsicherheit muss jedoch die anfängliche Drift durch ein verkürztes Kalibrierintervall überbrückt werden. Durch die Verwendung von mehreren Widerständen kann eine abnormale Abweichung eines einzelnen Widerstandes zuverlässig erkannt werden.