レイリーブリルアン散乱スペクトロメトリーにおける温度と圧力の精密制御法

要旨：レイリーブリルアン散乱（RBS）分光実験装置では，測定ガス室の温度と圧力を高精度に制御することが提案されている。本論文では，半導体TECモジュールと比例制御フローバルブを用いて高精度温度制御を実現した具体的な実装例を紹介する。圧力制御は、高精度圧力センサー、高精度比例制御流量バルブ、24ビットアクイジション精密PIDコントローラーを含む高精度真空圧力制御システムを採用した。この温度・圧力制御方式は広く採用され、実績があります。

導入された比例流量制御弁は https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

1.技術的要求事項
お客様のご要望に応じて、図1（赤枠部分の内容）に示すように、レイリーブリルアン散乱（RBS）分光法における温度と圧力を精密に制御するために、具体的には以下のような要件があります。
(1）温度範囲は 300K~318K です; 温度調整の正確さは ±0.02K です。
(2) 圧力範囲は30kPa〜90kPa（絶対圧）、圧力制御精度は±0.1kPa、雰囲気は99.9trogenです。

2.温度制御方式
室温付近の高精度な温度制御を実現するために、図2に示すような半導体加熱・冷却技術を利用することが提案されており、具体的な内容は以下の通りです。
(1) 加熱式冷凍機。TECモジュール。
(2) センサ：白金測温抵抗体またはサーミスタ温度。
(3) PIDコントローラ：高精度24bit温度・圧力コントローラ。

3.圧力制御方式
実験装置が動作するために必要な絶対圧の範囲は30kPa〜90kPaで、この範囲内の圧力はどの設定値でも正確で一定であることが要求されます。KaoLuの比例制御フローバルブを使用することが最適です。そこで、図2に示すような真空圧制御システムを提案し、その詳細を以下に示す。

(1) 圧力測定には、1000torrのレンジの静電容量式圧力計を使用し、その精度は±0.2%に達することができます。また、より精度の高い±0.05%の真空圧力センサーを使用して測定することも可能です。
(2) 高精度真空圧力センサーの測定精度に合わせ，制御精度を確保するため，24bit A/D 収集の高精度PID真空圧力コントローラーを採用した。
(3) エアーチャンバーの空気吸入口と排気口にそれぞれ比例流量制御弁を設置する。比例制御弁は、空気吸入口に直接設置します。

https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve/mid-flow-proportional-valve-0-130L-min.html

(4)制御中は、真空ポンプの電源投入後、ポンプ回転数が一定になるように保証されています。まず、吸気ポートの圧力と流量が一定になるように吸気電子ニードルバルブを設定し、PIDパラメータのセルフチューニングを行う必要があります。最後に排気口の流量を自動調整することで、空気室圧力の精密制御を実現します。