Научное приборостроение, 2019, том 29, № 1

ISSN 0868–5886          
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1, c. 5–10

РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ

5

УДК 621.384.83

 Д. Н. Кузьмин, Л. Н. Галль, А. Б. Малеев, А. В. Сапрыгин, 2019

РАЗРАБОТКА МАСС-СПЕКТРОМЕТРА 

МТИ-350ТМ — ПРИМЕР СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННОГО

НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В статье рассматриваются особенности подхода к разработке научного оборудования, позволяющего  конструктивно обеспечивать реализацию специфических научных и технологических методик, отвечающих задачам проводимых исследований.

Кл. сл.: масс-спектрометр, поверхностная термоионизация, изотопный анализ, магазин проб, твердая фаза, 
изотопы, МТИ-350

ВВЕДЕНИЕ

Современный уровень научных исследований 

и промышленных технологий постоянно требует 
введения в практику все более сложного электрофизического оборудования. Это в первую очередь 
относится к высокопрецизионным масс-спектрометрам для изотопного анализа веществ в твердой 
фазе, являющимся незаменимым оборудованием 
для технологий, реализуемых в ядерно-топливном 
и ядерно-оружейном циклах. В этих технологиях 
метод измерений изотопных отношений обеспечивает сверхточное, с ошибкой, не превышающей 
0.01 %, измерение изотопного состава урана, требуемое как в производстве ТВЭЛов, так и оружейных смесей [1]. Он также является единственным 
методом, обеспечивающим измерение изотопного 
состава плутония в смесях с ураном, трансуранами 
и с продуктами их деления, составляя основу контроля технологий переработки ТВЭЛов, причем 
ни один из радиохимических методов не может 
заменить масс-спектрометр по точности и информативности в контроле этих процессов. Важнейшей функцией твердофазной масс-спектрометрии 
является решение задачи учета и контроля ядерных материалов, особенно важной в настоящее 
время, когда в мире уже накоплено их значительное 
количество. 
Твердофазная 
масс-спектро
метрия имеет еще одну незаменимую функцию —
твердофазные масс-спектрометры остаются единственными приборами, реализующими методики 
геохронологии, дающей научную основу направленного поиска полезных ископаемых для обеспечения широкой номенклатуры технологического 
сырья для промышленности. Все это делает твердофазные масс-спектрометры, несмотря на их 
сложность и высокую стоимость, незаменимыми 

инструментами многих областей современных научных исследований и промышленных технологий.

Масс-спектрометрия в СССР была развитой от
раслью научного приборостроения, полностью 
обеспечивающей как научные, так и технологические потребности страны в изотопных измерениях. 
Более того, начиная с середины 40-х гг. отечественная изотопная масс-спектрометрия неизменно 
превышала по своим достижениям и возможностям это направление даже в наиболее развитых 
странах. Однако размещение главного производства изотопных масс-спектрометров на Украине 
(фирма "Селми") привело к тому, что после распада СССР снабжение российских предприятий 
атомной 
отрасли 
современным 
масс-спектро
метрическим оборудованием было вначале затруднено как по политическим, так и по экономическим причинам, а затем и вовсе прекращено. 
Российский рынок оказался полностью захвачен 
ведущими масс-спектрометрическими фирмами, 
а разделительные комбинаты отрасли вынуждены 
были приобретать импортные изотопные массспектрометры по несоразмерно высоким ценам, 
находясь при этом в полной зависимости от фирмпроизводителей в снабжении приборов расходными материалами и специализированными комплектующими, необходимыми для поддержания
работоспособности 
своего 
масс-спектрометри
ческого оборудования.

В связи с этим в 1999 г. Росатом РФ принял 

решение об организации замещающего производства масс-спектрометров — разработке и выпуску 
линейки современных отечественных приборов 
для нужд атомной отрасли, получивших шифр 
МТИ-350, и
эта
работа коллективом из 5 

предприятий была в короткие сроки выполнена 
на высоком  научном и техническом уровне. Были 

Д. Н. КУЗЬМИН, Л. Н. ГАЛЛЬ, А. Б. МАЛЕЕВ, А. В. САПРЫГИН

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1

6

разработаны и далее серийно производились массспектрометры трех типов: для контроля сублиматного производства гексафторида урана — массспектрометр газовый МТИ-350ГС; для контроля 
процесса разделения изотопов в разделительном 
производстве — масс-спектрометр газовый МТИ350Г и для контроля твердой фазы мокс-топлива 
и его переработки — масс-спектрометр твердофазный МТИ-350Т (рис. 1).

Однако на этапе подготовки прибора к выводу 

на рынок экономическая и политическая ситуации
в отрасли не позволили перейти к его серийному 
производству. В настоящее время рост западных 
санкций уже коснулся приобретения расходных 
материалов импортных приборов, и вновь стал 

вопрос о возобновлении замещающего производства МТИ-350Т. Однако со времени его разработки прошло уже более 15 лет, и, безусловно, ясно,
что для полного замещения рынка твердофазных 
масс-спектрометров должна быть проведена существенная модернизация, основанная на новых знаниях и новых технологических возможностях его 
производства, что и привело к созданию глубокомодернизированого 
масс-спектрометра 
МТИ
350ТМ (рис. 2).

Масс-спектрометр с поверхностной термоини
зацией МТИ-350Т является самым сложным прибором всей серии МТИ-350. Модельный ряд массспектрометров МТИ-350 построен по блочно-модульному принципу и основан на единой базовой

Рис. 1. Масс-спектрометр МТИ-350Т

Рис. 2. Масс-спектрометр МТИ-350ТМ

РАЗРАБОТКА  МАСС-СПЕКТРОМЕТРА  МТИ-350ТМ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1

7

части, что обеспечивает высокую внутреннюю 
унификацию его узлов и блоков. В то же время 
у каждой модификации есть своя специфика, обусловленная решаемыми задачами. 

МОДЕРНИЗАЦИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА 
С ПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕРМОИНИЗАЦИЕЙ

Специализация прибора с поверхностной тер
моинизацией — это работа с пробой вещества 
в твердой фазе. Основными узлами, обеспечивающими
все аналитические параметры масс
спектрометра МТИ-350ТМ, служат источник ионов с поверхностной ионизацией и многоколлекторный приемник ионов. При этом источник ионов обеспечивает и чувствительность анализа (задача узла ионизации), и формирование этих ионов 
в пучок, согласованный со свойствами выбранного 
масс-анализатора. Эти задачи в конструкции массспектрометра плотно переплетены между собой, 
поскольку окончательная точность анализа напрямую увязана с точностью связи блока ионизации 
и ионной оптики источника ионов.

Для осуществления высокоточного анализа со
держания изотопов одного элемента в твердой фазе используется не имеющий конкурентов по точности метод поверхностной термоионизации —
получение ионов на нагретой поверхности тугоплавкого металла с большой работой выхода, поскольку коэффициент ионизации зависит от температуры и от соотношения работы выхода поверхности и потенциала ионизации элемента. Поскольку все физические характеристики у изотопов одного элемента, кроме массы, практически 
одинаковы, а идентичность потенциалов ионизации изотопов возрастает с увеличением номера 
элемента, для урана (и трансуранов) реализуется 
почти равная вероятность ионизации изотопов одного вещества на поверхности сильно нагретого 
ионизатора. Для случая, когда температура начала 
интенсивного испарения вещества пробы существенно ниже температуры, при которой имеет место высокая эффективность ионизации, в узле ионизации источника ионов с поверхностной ионизацией используются испаритель и ионизатор, нагреваемые до разных температур и располагаемые 

Рис. 4. Детектор ионов МТИ-350ТМ

Рис. 3. Магазин проб масс-спектрометра МТИ-350ТМ

Д. Н. КУЗЬМИН, Л. Н. ГАЛЛЬ, А. Б. МАЛЕЕВ, А. В. САПРЫГИН

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1

8

параллельно друг другу. Блок ионизации — технически крайне сложный узел. В качестве испарителей и ионизаторов в нем используются узкие 
ленты из фольги рения, вольфрама или тантала 
шириной не более 0.8 мм, причем расстояния между ними также составляют десятые доли мм,
и они не должны изменяться в процессе нагрева 
ионизатора и испарителя [2–4].

Для увеличения точности определения содер
жания изотопов в пробе практикуется последовательное измерение N идентичных проб, размещенных в "магазине проб" (рис.
3). Магазин

проб — это держатель-барабан с установленными 
на нем блоками ионизации (до 20 и более), закрепленный на поворотном устройстве и размещаемый 
в вакуумной камере источника ионов. Поворотом 
барабана блоки ионизации последовательно выводятся на ось ионно-оптической системы источника 
ионов и подсоединяются к электрическим контактам для нагрева лент, после чего для блока реализуется последовательность процессов испарения 
и термоионизации пробы.

Различные формы и конструкции блоков иони
зации — задача, решаемая в твердофазной массспектроскопии уже много десятилетий, существенно усложняется обязательным участием оператора для нанесения анализируемых веществ 
на испаритель в том случае, если объект 
анализа — изотопы радиоактивных элементов. 
Пока что ни одной из фирм не удалось обойти 
процесс участия человека в этой операции, поскольку точность нанесения раствора анализируемого вещества на испаритель, закрепление вещества при высушивании пробы, размещение N блоков в барабане и установка барабана в источник 
ионов, определяющие реальную точность измерения, требуют достаточно большого времени контакта оператора с анализируемыми пробами. 
В связи с этим при разработке конструкции специализированного барабана и алгоритма загружения в него проб необходимо учитывать время контакта с целью минимизировать суммарное облучение оператора загружаемой пробой. 

Еще одной ключевой задачей является учет 

разделенных ионов. Для проведения изотопного 
анализа состава критически важно обеспечить одновременную регистрацию изотопов в одном анализе, т.е. по сути обеспечить спектрографический 
режим работы. Такая задача неминуемо требует 
раздельного улавливания ионов на индивидуальные детекторы (10 отдельных каналов), реализация решения такой задачи напрямую определится 
величиной дисперсии пучка в зоне фокусировки. 
В
случае 
приемника 
ионов 
МТИ-350ТМ

(рис. 4) конструкция отдельного детектора (коллектора Фарадея) должна иметь толщину всего 
2.1 мм и представляет собой металлический короб 

с графитовым дном, вложенный в наружный защитный, электрически изолированный от внутреннего, металлический короб и имеющий на входе коллимирующие диафрагмы и антидинатронный электрод. Такая инновационная конструкция 
цилиндра Фарадея обеспечивает высокий уровень 
подавления наводок от переотраженных ионов 
и паразитных токов. В конечном счете приемник 
ионов превращается в сложный узел, имеющий 
в своем составе восемь коллекторов с индивидуальными приводами, обеспечивающими точность 
позиционирования детекторов до ± 0.05 мм, 
и входными высокочувствительными усилителями 
ионного тока в специальной вакуумной камере 
с подавленным микрофонным эффектом.

Именно эти критерии легли в основу модерни
зации масс-спектрометра МТИ-350Т с целью превращения его в основной технологический и сертификационный прибор ядерно-топливного цикла 
в России [5–7]. Для решения этой задачи в ходе 
работы 
над 
конструкцией 
масс-спектрометра 

МТИ-350ТМ были разработаны и внедрены следующие принципиально новые элементы.

– Новый патентопригодный магазин проб с ин
новационной системой подачи питания на ленты.

– Новая форма катода и защита барабана и 

внутренних узлов прибора от запыления радиоактивными пробами.

– Инновационная конструкция цилиндра Фара
дея, обеспечивающая высокий уровень подавления 
наводок.

– Высокочувствительный входной усилитель 

в специальной вакуумной камере с подавленным 
микрофонным эффектом, обеспечивающий гарантию точности измерений.

Применен пирометрический контроль за рабо
той ленты-ионизатора по плоскости катода, обеспечивающий возможность достоверной отбраковки "неудачных" измерений.

Выпуск нового отечественного масс-спект
рометра МТИ-350ТМ и его ввод в действие на 
предприятиях Росатома полностью освободит отечественную атомную отрасль от необходимости 
закупок импортного оборудования и зависимости 
от угрозы санкций в этой области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Обогащение урана / Под ред. И.К. Кикоина. М.: Энер
гоатомиздат, 1983. 320 c.

2. Галль Л.Н., Галль Р.Н., Рутгайзер Ю.С., Шерешев
ский А.М. Трехленточный источник ионов // ЖТФ.
1962. Т. 32, № 2. С. 202–207.

3. Галль Л.Н., Голиков Ю.К. К теории термического 

ионизатора // Сб. "Физическая электроника". Труды 
ЛПИ. Изд. ЛГУ, 1973. № 328. С. 102–106.

4. Галль Л.Н., Соколов Б.Н. Источник ионов с поверхно

РАЗРАБОТКА  МАСС-СПЕКТРОМЕТРА  МТИ-350ТМ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1

9

стной ионизацией // Научные приборы. 1978. № 16.
С. 17. 

5. Бердников А.С., Галль Л.Н., Хасин Ю.И. Методика со
гласования источника ионов статического массспектрометра с масс-анализатором // Научное приборостроение.
2001. Т. 11, № 4. С. 28–34.
URL: 

http://iairas.ru/mag/2001/abst4.php#abst4

6. Бердников А.С., Галль Л.Н., Галль Н.Р., Леднев В.А., 

Хасин Ю.И. Современные подходы к изотопному анализу урана и трансурановых элементов в твердой фазе 
методом поверхностной ионизации // Атомная энергия. 2006. Т. 66, № 6. С. 118–127.

7. Штань А.С., Кирьянов Г.И., Сапрыгин А.В., Калашни
ков В.А., Залесов Ю.Н., Малеев А.Б., Новиков Д.В., 
Галль Л.Н., Бердников А.С., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Галль Н.Р., Иванов А.П., Леднев В.А., Бородин В.А., Горбунов В.Г., Савина Ж.А., Кудрявцев В.Н.
Масс-спектрометр для прецизионного определения
изотопного состава урана, плутония и смешанного топлива в твердой фазе (МТИ-350Т) // Вопросы атомной
науки и техники. Серия "Физика и автоматизация". 
2008. Т. 63. С. 1–38.

Экспериментальный завод научного приборостроения со специальным конструкторским бюро РАН, 
Московская область, г. Черноловка (Кузьмин Д.Н.)

Институт аналитического приборостроения РАН, 
Санкт-Петербург (Галль Л.Н.)

ООО "Контрольно-аналитический центр "Аналитика 
и неразрушающий контроль-сервис" (ООО "АНКсервис"), Свердловская область, г. Новоуральск 
(Малеев А.Б., Сапрыгин А.В.)

Контакты: Кузьмин Денис Николаевич,
kuzmin@ezan.ac.ru

Материал поступил в редакцию 28.06.2018

ISSN 0868–5886                        
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2019, Vol. 29, No. 1, pp. 5–10

10

THE  DEVELOPMENT  OF  MTI-350TM  MASS  SPECTROMETER

AS  AN EXAMPLE  OF  THE  CREATION  

OF  MODERN  SCIENTIFIC  AND  TECHNOLOGICAL  EQUIPMENT

D. N. Kuzmin1, L. N. Gall2, A. B. Maleev3, A. V. Saprygin3

1Experimental Factory of Scientific Engineering with Special Design Department,  

Chernogolovka, Moscow region, Russia

2The Institute for Analytical Instrumentation, Saint-Petersburg, Russia
3ANK Service Ltd, Novouralsk, Sverdlovsk region, Russia

The paper discusses some peculiarities of the design and development of scientific equipment, particularly 

mass spectrometers, which provide implementation of high standard scientific and technological analytical testing methods.

Keywords: mass spectrometer, surface thermo ionization, isotopic analysis, samplewheel, solids, isotopes, MTI-350

REFERENСES

1. Kikoin I.K., ed. Obogashchenie urana [Uranium enrich
ment]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1983. 320 p. (In
Russ.).

2. Gall L.N., Gall R.N., Rutgajzer Yu.S., Shereshevskij A.M.

[Three-tape source of ions]. ZhTF [Journal of Applied 
Physics], 1962, vol. 32, no. 2, pp. 202–207. (In Russ.).

3. Gall L.N., Golikov Yu.K. [To the theory of the thermal

ionizer]. Sbornik "Fizicheskaya ehlektronika". Trudy LPI
[Collection "Physical Electronics". Proc. LPI]. LGU, 
1973, no. 328, pp. 102–106. (In Russ.).

4. Gall L.N., Sokolov B.N. [Source of ions with the superfi
cial ionization]. Nauchnye pribory [Scientific Instruments],
1978, no. 16, pp. 17. (In Russ.).

5. Berdnikov A.S., Gall L.N., Hasin Yu.I. [Technique of 

coordination of a source of ions of a static mass spectrometer with a mass-analyzer]. Nauchnoe Priborostroenie
[Scientific Instrumentation], 2001, vol. 11, no. 4, pp. 28–34.

URL: http://iairas.ru/en/mag/2001/abst4.php#abst4. (In
Russ.).

6. Berdnikov A.S., Gall L.N., Gall N.R., Lednev V.A., Ha
sin Yu.I. [The modern approaches to an isotopic analysis 
of uranium and transuranic elements in a solid phase by 
method of the superficial ionization]. Atomnaya ehnergiya
[Atomic energy], 2006, vol. 66, no. 6, pp. 118–127. 
(In Russ.).

7. Shtan
A.S., 
Kir'yanov
G.I., 
Saprygin
A.V., 

Kalashnikov V.A., Zalesov Yu.N., Maleev A.B., Novikov D.V., Gall L.N., Berdnikov A.S., Manojlov V.V., Zaruckij I.V., Gall N.R., Ivanov A.P., Lednev V.A., Borodin
V.A., Gorbunov V.G., Savina Zh.A., Kudryavcev V.N. 
[Mass spectrometer for precision determination of isotope
composition of uranium, plutonium and the fuel blend in a
solid phase (MTI-350T)]. Voprosy atomnoj nauki i tekhniki. Seriya "Fizika i avtomatizaciya" [Questions of 
atomic science and technology. Physics and Automation 
series], 2008, vol. 63, pp. 1–38. (In Russ.).

Contacts: Kuzmin Denis Nikolaevitch,
kuzmin@ezan.ac.ru
Article received by the editorial office 28.06.2018

ISSN 0868–5886          
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1, c. 11–16

РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ

11

УДК 550.361

 Д. В. Лиходеев, В. В. Гравиров, К. В. Кислов, С. М. Долов, 2019

ПРЕЦИЗИОННЫЕ УЗКОДИАПАЗОННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ 

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ

С целью исследования тонкой структуры температурных полей в толще горных пород, а также учета внутренних температурных вариаций в различных геофизических приборах созданы прецизионные узкодиапазонные температурные датчики, позволяющие проводить температурные измерения с относительной погрешностью не более 0.005 oC. В статье рассмотрены принципиальные способы достижения требуемой точности измерений, калибровки, установки необходимого рабочего температурного диапазона датчиков. Проведение измерений с использованием разработанных датчиков в штольне Баксанской нейтринной обсерватории ИФЗ РАН позволит получить уникальные данные о структуре и динамике теплового поля в окрестности вулкана Эльбрус.

Кл. сл.: температурные датчики, тепловое поле Земли, мониторинг

ВВЕДЕНИЕ

Исследование тонкой структуры температур
ных полей в толще горных пород в связи с малой 
скоростью распространения температурных возмущений и высокой долговременной температурной стабильностью требует высокоточных измерений вариаций температуры. Такое измерение 
временнх вариаций температур с высокой точностью позволит получить оценку динамики температурных полей в толще горных пород уже в течение относительно непродолжительных сроков 
наблюдения. Установка подобных датчиков после 
их предварительной одновременной калибровки 
с разнесением их по вертикали позволит проводить экспериментальные высокоточные измерения 
динамики теплового потока. В качестве полигона 
для тестирования системы температурного мониторинга была выбрана уникальная геофизическая 
лаборатория № 2, находящаяся в составе СевероКавказской геофизической обсерватории ИФЗ 
РАН и располагающаяся в штольне Баксанской 
нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (БНО ИЯИ 
РАН) на расстоянии 4100 м от устья штольни [1].

Однако возможное применение приборов по
добного типа не ограничивается только измерением температур горных пород или разнообразных 
грунтов. Такие высокочувствительные термометры позволят проводить высокоточный мониторинг 
температур внутри любых геофизических приборов. Окружающая температура, как и температурный режим внутри, например, сейсмометра, ока
зывают существенное влияние на значения его 
выходных сигналов [2]. В связи с этим очевидно, 
что при проведении особо точных наблюдений 
совершенно необходимо вести измерение температуры подобных приборов [3, 4]. Неоценимую 
помощь такие термометры могут оказать при проектировании и отладке новых приборов, поскольку установка любых исполнительных устройств 
или электронных схем во внутреннем объеме 
сейсмических приборов будет вызывать внутренний локальный нагрев воздуха внутри прибора, 
что может приводить как к возникновению конвекционных воздушных потоков, так и к появлению длиннопериодных термических волн, оказывающих влияние и на  элементы конструкции прибора, и на сам чувствительный элемент прибора, 
например маятник, в случае сейсмометра [5]. Помехи подобного типа относятся к классу трудно 
идентифицируемых. Учет их влияния до сегодняшнего дня весьма затруднителен ввиду отсутствия необходимых приборов — высокочувствительных малогабаритных электронных термометров.

ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ

Температурные 
измерения, 
проводившиеся 

в БНО ИЯИ РАН с использованием различного 
типа датчиков [6, 7], позволили получить предварительную оценку температурных полей в ее окрестностях (рис. 1). На основе полученных ранее результатов измерений был сделан вывод о высокой

Д. В. ЛИХОДЕЕВ, В. В. ГРАВИРОВ, К. В. КИСЛОВ, С. М. ДОЛОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1

12

стабильности температуры в вырубке лаборатории 
№ 2, однако из-за физической невозможности расположить датчики на достаточно большом расстоянии друг от друга по вертикали, ввиду того 
что высота штольни составляет всего 3.5 м и точность измерения использованных датчиков была 
не более 0.1 ºС, погрешность измерений не позволила получить данные низкоамплитудных температурных флуктуаций.

Для измерения температур в отверстиях, про
буренных в штольне БНО ИЯИ РАН в рамках работ по совершенствованию системы температурного мониторинга в штольне Баксанской нейтринной обсерватории в ИФЗ РАН разработаны новые 
прецизионные узкодиапазонные (диапазон измерений не более 20 oC) дифференциальные температурные датчики, предназначенные для сверхточного измерения вариаций температур (с чувствительностью не хуже 0.005 oC). Проведение новых экспериментальных наблюдений с использованием этих термометров позволит в ближайшее 
время получить уникальные данные о структуре и 
динамике теплового поля. 

ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТКИ

Для 
прецизионного 
измерения 
температур 

в условиях их высокой стабильности была разработана схема специализированного узкодиапазонного дифференциального термометра, состоящего 
из нескольких взаимосвязанных блоков, представленных на рис. 2.

В качестве основного термочувствительного 

элемента термометра был выбран платиновый 
терморезистор, обладающий практически линейной 
температурной
зависимостью 
изменения 

внутреннего сопротивления от внешней температуры, великолепной долговременной стабильностью базовых характеристик. Применение подобного типа терморезисторов позволяет проводить 
оперативную и нетрудозатратную замену одного 
терморезистора на другой в случае неисправности 
ввиду практически идентичных терморезистивных 
значений (с точностью до единиц Ом), а также отличной 
терморезистивной 
точности (соответ
ствия реальных и теоретических значений зависимости сопротивления от температуры) в большом

Рис. 1. Динамика температуры в конце 
вырубки лаборатории № 2. 
Длительность записи 6 месяцев. Измерение поверхностных температур производилось при помощи миниатюрных 
термографов (логгеров) High Capacity 
Temperature Loggers iButton. Точность 
измерения 0.1 ºС [7]

Рис. 2. Базовая блок-схема термометра

Дата

T

ПРЕЦИЗИОННЫЕ  УЗКОДИАПАЗОННЫЕ ДАТЧИКИ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1

13

температурном диапазоне. Терморезистор входит 
в состав модуля формирования выходных сигналов, где текущее значение сопротивления терморезистора преобразуется в напряжение выходного 
дифференциального сигнала. Используя однополярный источник питания, оказалось возможным
не только в два раза увеличить выходной динамический диапазон прибора, но и активно бороться с 
любыми помехами, которые могут быть наведены 
в проводах и линиях связи между отдельными 
платами, поскольку внешние электромагнитные 
помехи в этом случае будут наводиться на оба выхода одновременно и одинаково. 

Так как при разработке прибора была постав
лена задача получить разрешение термометра не 
хуже 0.005 oC, то особое внимание было уделено 
мерам по дополнительному снижению уровня 

возможных электромагнитных шумов и локализации их источников. Разумеется, при такой высокой чувствительности динамический диапазон 
термометра будет весьма ограничен. Поэтому для 
решения широкого класса задач по наблюдению 
термодинамического режима разнообразных объектов было разработано семейство дифференциальных термометров, обладающих как разной чувствительностью В/oС, так и рабочим температурным диапазоном: характеристики некоторых из
них представлены на рис. 3. Из представленных 
характеристик видно, что варианты B и C обладают существенно уменьшенным рабочим диапазоном как по температуре, так и по значениям выходных дифференциальных напряжений. Это связано с тем, что данная модификация термометра,
обладающая пониженным уровнем собственных

А

С

B

Рис. 3. Семейство зависимостей 
выходного 
сигнала 
термометра 

от температуры

Рис. 4. Амплитудно-частотная 
характеристика 

выходного каскада фильтра-усилителя при установке единичного коэффициента усиления

Vout, [В]

0.1
1                                  10                                100                               1000 

[ºC]

Д. В. ЛИХОДЕЕВ, В. В. ГРАВИРОВ, К. В. КИСЛОВ, С. М. ДОЛОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1

14

и наведенных шумов, должна использоваться совместно с последующим низкочастотным фильтром-усилителем, осуществляющим как фильтрацию измеренных температурных сигналов, так 
и их усиление до величины полного рабочего динамического диапазона.
Амплитудно-частотная 

характеристика фильтра-усилителя при установке 
единичного коэффициента усиления, показана на 
рис. 4.

Частота среза низкочастотного фильтра на
строена на 8 Гц по уровню –3 дБ. Это позволяет 
избавиться от большинства средне- и высокочастотных наведенных шумовых гармоник. Кроме 
этого, в схеме прибора присутствует также дополнительная схема низкочастотной фильтрации по 
шине питания, настроенная также на частоту 8 Гц, 
что позволяет убрать как гармоники, кратные частоте сетей питания 50 Гц, так и всевозможные помехи, которые могут возникать при использовании 
для питания термометра импульсных блоков питания, модулей AC-DC и DC-DC, шин питания 
систем сбора информации и т.п.

Функционально элементы дифференциального 

термометра расположены в двух герметичных 
корпусах. В первом миниатюрном корпусе размером 50 × 35 × 15 мм (рис. 5) расположены схемы 
модуля формирования выходного сигнала и модуля защиты. Данный корпус должен быть установлен максимально близко к термодатчику-терморезистору. С этим связаны его малые габариты, 
позволяющие производить его установку в скважинах малого диаметра и т.п.

Далее полученный дифференциальный сигнал передается по витой паре во второй корпус (рис. 6), 
где смонтированы схемы модуля фильтрации напряжения питания (один для всех термометров) 
и схемы модуля НЧ-фильтрации и усиления (по 
одной на каждый термометр). На рисунке представлен вариант для 4-канального дифференциального термометра. При помощи быстросъемных 
перемычек, установленных на электронной плате 
модуля, можно оперативно и независимо для каждого термометра менять коэффициент усиления. 
На рис. 7 показан общий вид сборки макета 4-канального 
термометра, 
предназначенного 
для 

опытной установки в штольне Баксанской нейтринной обсерватории.

Выходные дифференциальные сигналы пред
ставленного термометра лежат в диапазоне от 0 до 
+ 5 В, что позволяет его легко подключать 
к большинству современных электронных систем 
сбора информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданные прецизионные температурные дат
чики найдут применение в широком круге геофизических задач, таких как учет температурных вариаций в различных сейсмодатчиках, наклономерах и других измерительных приборах. А также,
что немаловажно, в составе системы постоянного температурного мониторинга в штольне Баксанской нейтринной обсерватории, что позволит 

Рис. 5. Терморезистор с модулем формирования 
выходного сигнала и защиты

Рис. 6. Общий вид сборки 4-канального модуля 
фильтрации и усиления