Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

Глава 2

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА СПЕКТРОМЕТРОВ

§ 2.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Основные преимущества ППД — высокое энергетическое и временное разрешение, значительная эффективность — могут быть реализованы в практических системах только при нали­ чии специального электронного оборудования. Германиевые де­ текторы, работающие при криогенных температурах, могут иметь собственное разрешение около 0,1%, так что последующие электронные узлы должны вносить погрешность не более 0,006— 0,01%. В области рентгеновского излучения современные ППД имеют собственное разрешение, не превышающее 100 эВ, и к головным каскадам усилительных устройств предъявляются особенно жесткие требования по уровню шума. Таким образом,, электронные узлы и блоки спектрометров с ППД должны обра­ батывать информацию с минимальными искажениями, чтобы обеспечить получение измерительных параметров всего спект­ рометра на уровне, определяемом параметрами детекторов.

Хотя со времени, прошедшего после того, как в работе [1] были определены условия для получения наибольшего отноше­ ния сигнал/шум, прошло более двух десятков лет, схема усили­ тельного тракта спектрометрических детекторов (неорганиче­ ские кристаллы Nal, Csl, ионизационные камеры, пропорцио­ нальные счетчики и т. д.) долгое время оставалась неизменной [2, 3] и включала предусилитель и усилитель с простым CR— RC формированием. Появление ППД с высокими измеритель­ ными параметрами заставило критически пересмотреть многие сложившиеся традиции и привело к интенсивным исследованиям в области разработки устройств, предназначенных для спектро­ метров с ППД. В результате этих исследований разработано большое количество специализированных устройств, например предусилителей с охлаждаемым головным каскадом на полевом транзисторе, схем импульсной и электроннооптической обратной связи, фильтров с переменными временными параметрами, ак­ тивных восстановителей, стретчеров и т. п., предназначенных специально для спектрометров с ППД. Наличие этих узлов и блоков позволило эффективно применять для накопления и по­ следующей обработки информации многоканальные и многомер-

63

ные анализирующие устройства, используемые в экспериментах

•с детекторами ионизирующих излучений. Поэтому в настоящей главе рассматриваются электронные устройства, специфичные для спектрометров с ППД. Типовые узлы и блоки, например дискриминаторы, схемы совпадений и антисовпадений, преобра­ зователи типа амплитуда-— время, многоканальные накопители и т. п., используемые в различных спектрометрических систе­ мах, здесь не рассматриваются.

Структурная схема усилительного тракта спектрометра, осу­ ществляющая преобразование информации, поступающей от де­ тектора, к виду, необходимому для передачи ее на последующие устройства, показана на рис. 2 .1 .

Рис. 2.1. Структурная схема усилительного тракта спектрометра с ППД.

Предусилитель— головное электронное устройство всех

•спектрометров, следующее за детектором. Так как длительность токового импульса ППД составляет десятки наносекунд, то не­ посредственное усиление этих сигналов связано со значитель­ ным увеличением шума. Поэтому в предусилителе токовые сиг­ налы детектора преобразуются в импульсы напряжения, кото­ рые далее усиливаются до уровня, необходимого для неиска­ женной передачи информации на последующие устройства. Ес­ ли необходимо осуществлять селекцию сигналов по времени их появления, в предусилителе должен быть предусмотрен «быст­ рый» выход.

Второй узел, формирующий усилитель, служит для дальней­ шего усиления сигналов предусилителя, и его передаточная функция должна обеспечивать как достаточно высокое отно­ шение сигнал/шум, так и возможность передачи максималь­ ного количества информации в единицу времени. Как будет по­ казано далее, эти два требования часто противоречивы, поэто­ му для оптимизации одних характеристик приходится идти на ухудшение других.

Предусилитель и формирующий усилитель — линейные уст­ ройства, так как по крайней мере теоретически информация, поступающая с выхода блока формирующего усилителя, может

€4

jI

По,следующие узлы и блоки, входящие в состав нелинейного преобразователя, не обладают этим свойством и их функцио­ нирование связано с потерей части информации.

Нелинейный преобразователь предназначен для связи фор­ мирующего усилителя с входом амплитудного или временного анализатора. Входным узлом нелинейного преобразователя обычно бывает пороговый усилитель, который применяют в тех случаях, когда число каналов или разрешающая способность анализатора недостаточны для детального анализа аппаратур­ ного спектра. Пороговый усилитель с коэффициентом передачи К обеспечивает «растяжку» выбранного энергетического диапа­ зона в К раз и, что не менее важно, снижает в К раз требо­ вания к измерительным параметрам последующих устройств. Так как в пороговом усилителе происходит измерение информа­ ции, например амплитуды входного сигнала относительного по­

номный блок. Наличие этого блока существенно уменьшает по­ грешности, связанные с флуктуацией и смещением потенциала на выходе разделительных С7?-цепей при статистических флук­ туациях или изменении скорости регистрации импульсов.

Следующие узлы нелинейного преобразователя — стретчер и линейный ключ — осуществляют нормирование параметров вы­ ходного сигнала (длительность, фронты нарастания и спада), так как анализирующие устройства рассчитаны, как правило, на работу с входными импульсами прямоугольной формы. Наличие линейного ключа в составе усилительного тракта позволяет осу­ ществить предварительный отбор информации до ее подачи на анализирующие устройства, если это необходимо по условиям эксперимента.

Например, режектор наложений, управляющий одним из входов линейного ключа, позволяет существенно улучшить ам­ плитудное разрешение при больших загрузках.

Основные факторы, определяющие искажение сигнала во времени его прохождения через усилительный тракт, — шумы, наложение импульсов, статистические флуктуации, нелиней­ ность, температурная и временная нестабильности. Эти факторы могут действовать в различных узлах и блоках спектрометра (предусилитель, формирующий усилитель, пороговый усилитель и т. д.) и, в общем случае, по-разному влиять па энергетическое разрешение и другие характеристики спектрометров. В прецизи­ онных системах все узлы и блоки должны обеспечивать мини­ мальное искажение информации этими факторами. Выпускае­ мые промышленностью серийные узлы и блоки, предназначен­ ные для спектрометров ионизирующих излучений, имеют, как правило, унифицированные значения параметров (поскольку линейный ключ может предшествовать пороговому усилителю.

то требования к его характеристикам не должны быть ниже, чем к техническим данным остальных блоков). Обычно все блоки имеют уровень выходного сигнала 5— 10 В, интегральную нелинейность не более 0 ,2 %, температурную нестабильность не хуже 0,02—0,005% на Г С .

Для прецизионных спектрометров, рассчитанных на большие загрузки, все блоки должны допускать гальваническую связь входных и выходных цепей. Взаимозаменяемость блоков обес­ печивают, широко применяя унифицированные блоки габарит­ ных размеров, разъемы для связи блок—-стойка и блок — блок, шины питания и т. п. Благодаря этому при относительно небольшой номенклатуре выпускаемых блоков можно реализо­ вать различные измерительные комплексы.

Лабораторные спектрометры, содержащие фильтры с пере­ менными временными параметрами, могут не иметь столь чет­ кой классификации функционального назначения отдельных уст­ ройств. Входящий в состав этих спектрометров процессор осу­ ществляет весь комплекс по определению времени поступле­ ния сигналов, управлению фильтрами с переменными времен­ ными параметрами, стабилизации характеристик преобразова­ теля и по другим операциям, необходимым для передачи инфор­ мации в устройство накопления данных.

§ 2.2. ПРЕДУСИЛИТЕЛИ

Чтобы реализовать высокие измерительные параметры, кото­ рыми обладают полупроводниковые счетчики, к предваритель­ ным усилителям их сигналов предъявляются особенно жесткие требования по уровню собственного шума, интегральной и диф­ ференциальной нелинейности, нестабильности, наклону шумовой характеристики и т. п.

До середины 60-х годов преимущественное распространение имели ламповые предусилители. Была разработана детальная теория [4, 5], позволяющая точно учесть все шумовые пара­ метры электронных ламп, рассчитать их вклад в шумовую ши­ рину энергетической линии. Лучший результат, полученный с предусилителем такого типа, составил по зарубежным работам A£S1 =1,5 кэВ [4] и АДСе = 0,8 кэВ [6 ] по данным советских ис­

следователей.

Со второй половины 60-х годов благодаря быстрому разви­ тию и совершенствованию технологии производства полевых (униполярных) транзисторов разрешение предусилителей с транзисторами этого типа превзошло разрешение лучших лам­ повых усилителей [7— 11]. Небольшие габариты, возможность монтажа внутри криостата и снижение за счет этого полной входной емкости головного каскада, значительное улучшение шумовых характеристик при охлаждении, удобное согласова­ ние с биполярными транзисторами и высокая граничная часто-

66

та (до 100—200 МГц) определили преимущественное примене­

шума лучших предусилителей этого типа в настоящее время на­ ходится вблизи теоретического предела A£SI= 80-M00 эВ [12, 13], что достигается тщательным отбором компонентов, исполь­ зуемых в головных каскадах, и выбором соответствующего схемного решения.

Рис. 2.2. Структурная схема зарядочувствительного предусилителя:

собственного шума должны обладать быстрым фронтом нара­ стания выходного сигнала (15—25 нс при нулевой внешней ем­ кости) и небольшим наклоном шумовой характеристики (15— 20 эВ/пФ). Объединение этих противоречивых требований пред­ ставляет весьма сложную техническую задачу.

На рис. 2.2 показана структурная схема зарядочувствитель­ ного предусилителя, отличающегося при выполнении условия KoCf^>Cm (Ко — коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи) незначительной зависимостью коэффициента

3* 67

передачи от входной емкости, высокой температурной и вре­ менной стабильностью. Эти качества обеспечили преимущест­ венное использование зарядочувствительных схем в спектромет­ рах с ППД, несмотря на то, что теоретически усилители на­ пряжения обладают несколько меньшим уровнем собственного шума.

Конструктивно головной каскад предусилителя вместе с эле­ ментами обратной связи R/, С,- размещается в отдельной сек­ ции, причем наилучшие результаты получаются при располо­ жении его в криостате, в непосредственной близости от детек­ тора. Температурный режим элементов головного каскада (по­ левого транзистора Г, и резистора R,) подбирают эксперимен­ тально по минимальному уровню собственного шума (обычно требуется охлаждение до 100— 130 К).

Связь детектора с головным каскадом. Существуют два ти­ па связи ППД с входной цепью зарядочувствительного пред­ усилителя— емкостная и гальваническая. Первый вариант тре­ бует применения двух дополнительных элементов: нагрузки де­ тектора Rn и переходного конденсатора Ср. Тепловой шум ре­ зистора /?„, ток детектора, протекающий по R„, ток утечки кон­ денсатора Ср, паразитные монтажные емкости — все это при­ водит к возрастанию уровня шума. Поэтому связь через разде­ лительный конденсатор целесообразно применять в тех слу­ чаях, когда либо обратный и сигнальный токи детектора на­ столько велики, что создают на резисторе R/ падение напряже­ ния, превышающее динамический диапазон зарядочувствитель­ ной секции, либо сам детектор по конструктивным особенностям не может быть изолирован от корпуса. Кроме того, эту связь целесообразно применять в том случае, когда собственный шум детектора намного превышает собственный шум головного кас­ када.

Гальваническая связь более удобна как для уменьшения входного шума, так и потому, что она обеспечивает защиту по­ левого транзистора при резких изменениях напряжения смеще­ ния детектора. Однако она может ограничивать возможность работы при больших скоростях регистрации. Если частицы с

Дисперсия случайной величины <7/, рассчитываемая по формуле Кэмпбелла, равна '

68

Так как мгновенное значение случайной величины Uf при уровне доверительной вероятности 0,99 может в 3—4 раза пре­ вышать стандартное отклонение, то его можно оценить по фор­ муле

только от шумового вклада, но и от той загрузки, на которую должен быть рассчитан спектрометр. Загрузку можно увеличить, применив связь детектора с головным каскадом через разде­ лительный конденсатор, так как при этом падение напряжения на резисторе Rj определяется только флуктуациоиным компо­

нентом (QIC,) Y nxj/2.

Сигнал с зарядочувствительиой секции, имеющий постоян­ ную спада т/, поступает на выходную секцию (см. рис. 2.2). Так как потенциал на выходе зарядочувствительиой секции изме­

С\. При этом выходная секция действует как дифференцирую­

где К\ — коэффициент усиления выходной секции.

На выходную секцию поступает импульс экспоненциальной формы, и наличие дифференцирующей цепи C\R\ приводит к по­ явлению выброса обратной полярности.

Импульсы, поступающие от детектора, распределены во вре­ мени статистически, и уже при небольших скоростях счета нало­ жение выбросов друг на друга приводит к смещению и флук­ туации постоянной составляющей на выходе предусилителя. Уменьшить величину этого выброса до уровня 0,01 амплитуды

то выходной сигнал является суперпозицией двух экспонент, по­ стоянные спада которых определяются полюсами передаточной функции

69