Усилители

Компоненты средств радиационного контроля

Средства радиационного контроля представляют собой, детекторы излучения измерительную цепь и совокупность функциональных узлов, предназначенных для преобразования электрических сигналов, поступающих в схемы от детекторов ядерных излучений.

Радиометрические приборывключают:

детектор ионизирующего излучения;

источником электропитания детектора;

первичную и вторичные измерительные цепи, осуществляющие преобразование электрических сигналов (изменение амплитуды, формы, количества, длительности электрических сигналов и их анализ, т.е. приведение полученных с детектора электрических сигналов к виду, удобному для их анализа и регистрации);

вспомогательные устройства такие, как регистрирующие и показывающие, источники питания, управления.

Усилители
Цифровые процессоры сигналов
Дискриминаторы
Анализаторы импульсов
Пересчётные схемы
Измерители скорости счёта
Схемы совпадений
Схемы антисовпадений
Время-амплитудный конвертор
Аналого-цифровые преобразователи

Амплитуда сигналов детекторов, как правило, недостаточна для срабатывания регистрирующих ианализирующих устройств. Так у импульсных ионизационных камер и полупроводниковых детекторов онасоставляет единицы – сотни микровольт. В то же время динамический диапазон входных сигналов таких, например, приборов как АЦП (аналого-цифровой преобразователь) обычно составляет 0-10 В. Поэтомусигналы детекторов необходимо, усиливать в 10² (сцинтилляционный счётчик) – 10⁷(ионизационная камера) раз в зависимости от типа детектора и энергии регистрируемого излучения.

При детектировании ядерных излучений в большинстве случаев получается слабый электрическийсигнал в виде усреднённого постоянного электрического тока или дискретных электрических сигналовразличной формы. В тех и других случаях сигнал преобразуется электронной схемой до параметров, удобныхдля регистрации. Приборы, применяемые для увеличения амплитуды электрических сигналов, называютсяусилителями. Для усиления слабого постоянного тока используют усилители постоянного тока, для усиленияэлектрических быстро меняющихся во времени и изменяющих свою полярность сигналов – усилителипеременного тока. Усилители переменного тока, специально предназначенные для усиления электрическихимпульсов, называются импульсными усилителями. Эти усилители имеют свои специфические особенности.

Импульсные сигналы, поступающие от детекторов излучений, имеют крутой передний фронт и довольно пологийспад. Длительность переднего фронта колеблется для различных детекторов излучений в очень широкихпределах – от миллисекунд до наносекунд. Во многих задачах возникает необходимость в правильнойпередаче переднего фронта импульса с минимальными задержками. Такие требования становятся особенножёсткими в тех случаях, когда необходимо точно знать момент регистрации частицы или кванта. Длительныйспад импульса не желателен, так как он ограничиваетамплитудное и временное разрешение устройства. Поэтому длительность спада должна бытьограничена в самом усилителе. Следовательно, усилители импульсов детекторов излучений должны нетолько усиливать сигналы, но и формировать их. Для этого в такие усилители вводятся укорачивающиесхемы, а их частотная характеристика выбирается из условия правильной передачи переднего фронтаимпульса.

Обычно усилительное устройство состоит из двух частей – предусилителя и основного усилителя.

Основная задача, которую выполняют предусилители - это усилить и преобразовать сигнал с детектора беззаметного ухудшения отношения сигнал/шум. Предусилитель располагается как можно ближе к детектору, чтобы свести к минимуму паразитные емкости и наводки на входные цепи. Регулировки, необходимые дляоперативной работы, в предусилителе сведены к минимуму. Основной усилитель располагается обычно зарадиационной защитой, часто на довольно большом расстоянии от предусилителя и детектора.

В предусилителях используются различные способы обработки сигналов, в зависимости от типадетектора и от того, измеряется ли амплитуда (энергия) или время.

Сигналы от детекторов некоторых типов, таких например, как сцинтилляторы с фотоэлектроннымиумножителями (ФЭУ), довольно велики, что при временных измерениях и простом счете событий позволяетсоединять их непосредственно с усилителями с малыми входными сопротивлениями. А при измеренииэнергии использовать относительно простые предусилители, с учетом того, что они не будут вноситьзаметного ухудшения в итак невысокое разрешение этих устройств.

Для рентгеновской и гамма – спектроскопии, спектроскопии заряженных частиц часто используютсядетекторы с существенно лучшим энергетическим разрешением, такие как кремниевые и германиевыедетекторы и пропорциональные счетчики. Сигналы с этих детекторов малы и важно, чтобы входные цепипредусилителей были малошумящими. Для этого во входных цепях зарядочувствительных предусилителейиспользуют полевые транзисторы. Предусилители для кремниевых и германиевых детекторов заряженныхчастиц и пропорциональных счетчиков обычно работают при комнатной температуре. Однако длягамма - ирентгеновской спектроскопии высокого разрешения, когда германиевые и кремниевые детекторы работаютпри температуре жидкого азота, полевые транзисторы предусилителей для уменьшения шума также охлаждают иони помещаются внутри криостата.

В соответствии с назначением, применяемые в эксперименте усилители можно разделить на дваосновных типа: временные и спектрометрические или линейные.

Временные усилители служат для извлечения прецизионной временной информации орегистрируемых событиях в наносекундном и субнаносекундном диапазонах, а также для счета событий свысокой частотой следования. Временные усилители должны хорошо передавать короткие фронты сигналовот предусилителей и соответственно обладать широкой полосой пропускания (до 10⁸-10⁹ Гц). Однако, желательно, чтобы полоса пропускания усилителя не была избыточна, т.к. в этом случае не улучшиввременные характеристики, будет ухудшено отношение сигнал/шум. Длительность импульсов быстрыхусилителей меньше 20 нс. Таким образом, возможен счет событий со средней частотой в несколько МГцвсего с ~10% потерями на мертвое время. Коэффициент усиления временных усилителей не превышает 100-200. Во временных усилителях может быть предусмотрена возможность формирования импульсов. Онииспользуются с ФЭУ и кремниевыми детекторами заряженных частиц. Для получения временнойинформации при работе с германиевыми детекторами обычно используются быстрые усилители безформирования импульсов. Соответственно длительность выходных импульсов в таких усилителяхопределяется предшествующей электроникой и детектором.

Спектрометрические усилители используются при амплитудном анализе сигналов. Одна из функцийспектрометрических усилителей - линейное увеличение амплитуд выходных сигналов предусилителей, которые находятся в диапазоне милливольт, до диапазона 0,1-10 В, в котором работают амплитудныеанализаторы.

Для правильнойпередачи соотношений между амплитудами импульсов усилители должны обладать стабильнымкоэффициентом усиления, а линейность их амплитудной характеристики должна быть высокой(<0.2%). Кроме того, во многих экспериментах усилители не должны быть подвержены перегрузкам – временно́му изменениюпараметров от сигналов больших амплитуд либо от кратковременного значительного увеличения частоты ихследования. В усилителях с большим коэффициентом усиления (от нескольких тысяч до 10⁷), рассчитанных для работы с малымисигналами, следует стремиться к минимальному уровню шумов U_Ш с целью улучшения отношения U_СГ / U_Ш, чтонеобходимо как для лучшего отделения полезного сигнала от помехи в случае простой регистрации, так и дляповышения точности измерения в спектрометрии.

Так как источники шума в детекторе и первых усилительныхкаскадах имеют более широкую частотную полосу, чем полоса полезной информации, отношениесигнал/шум может быть улучшено соответствующей фильтрацией. В спектрометрических усилителях импульсов удаётсяуменьшить уровень шумов до нескольких микровольт при полосе пропускания, обеспечивающей хорошуюпередачу сигналов.Но оптимальное энергетическоеразрешение требует довольно длительных импульсов. Длительность выходных сигналов спектрометрическихусилителей находится в микросекундном диапазоне (~3-70 мкс). Однако при высоких скоростях регистрациисобытий для минимизации наложений импульсов, они наоборот должны быть короткими. Кроме того, нередко нужно сохранить и временную информацию, а это связано с достаточно широкой полосойпропускания. Оптимальное решение часто является результатом компромисса. Современные линейныеусилители позволяют работать при загрузках до ~7000 с^-1 без ухудшения разрешения и до ~90000 с^-1 снебольшим его ухудшением.

Практически все детекторы являются датчиками тока или импульсов тока. Задача последующих электронных устройств – преобразование этих импульсов в форму удобную для последующей обработки. Практически используются две схемы устройств – усилители напряжения, на входе которых импульс напряжения формируется входной RвхCвх – цепью, и усилители тока, выходной сигнал которых преобразуется в напряжение, например, с помощью RC – цепи. Последние сложнее в реализации из-за малой длительности импульсов тока, но обладают большим разрешением.

Если входное сопротивление очень велико (усилитель с полевыми транзисторами на входе), импульс тока (для упрощения прямоугольной формы от ионизационной камеры или полупроводникового детектора p-i-n) заряжает входную ёмкость практически по линейному закону в течении длительности импульса tи. При этом амплитуда напряжения на входе усилителя Uвхm=Iд×tи/Свх. Напряжение увеличивается в течении длительности импульса, а затем падает по экспоненте с постоянной RвхCвх (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость формы импульса от величины входного сопротивления. Время нормировано по отношению к длительности импульса - ti.   Следует иметь в виду что постоянная времени влияет одновременно на амплитуду и длительность импульса (при увеличении растёт амплитуда, но и длительность импульса). Поэтому приходится искать компромисс. Чаще tвх>>ti, т.е. отдаётся предпочтение большей амплитуде в ущерб временному разрешению.

При этом амплитуда импульса на входе усилителя Uвхm»Q/Cвх. Для получения максимального временного разрешения t_вх>>t_{i ,} аамплитуда импульса получается малой Uвхm»Idm×Rн. Здесь Idm – амплитуда тока датчика. Часто постоянную выбирают примерно равной времени импульса. При конструировании всегда стремятся конструктивными методами минимизировать входную ёмкость, а затем выбирают компромиссное значение сопротивления нагрузки детектора.

Если необходимо получить максимальную амплитуду импульса от ионизационной камеры, то собирают как электронную, так и ионную компоненты тока. При этом постоянная времени должна превышать время сбора ионов примерно в 5-10 раз. Импульс напряжения будет иметь характерный излом на фронте, определяемый быстрым сбором электронной составляющей тока и медленным нарастанием за счёт тока ионов. Длительность импульса может достигать десятых долей секунды. При выборе постоянной времени в пределах 5-10 времени сбора электронов, получим импульс напряжения с крутым фронтом и длительностью в несколько мкс. Характерные диаграммы напряжения приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – напряжение на нагрузке импульсной ионизационной камеры для полного а) и электронного б) собирания зарядов

Следует помнить, что повышение сопротивления нагрузки приводит к увеличению шумов.

Для пропорциональной камеры требуется меньшее усиление от усилителя, т.к. существует газовое усиление (величина напряжения 10 -100 мВ). Это позволяет собирать только электронную компоненту, поэтому сопротивление нагрузки выбирается из условий требуемого разрешения 1-5 мкС.

Амплитуда самогасящихся счётчиков Гейгера достигает десятков вольт. При этом постоянную времени выбирают примерно равной или меньшей мёртвого времени менее 100 мкС.

Для несамогасящихся счётчиков входное сопротивление, выбираемое из условий самогашения, может достигать 10⁹ Ом. Поэтому нередко применяют специальные схемы гашения, а сопротивление нагрузки можно уменьшить.

Для ФЭУ чаще всего постоянная для высокого разрешения должна быть меньше времени высвечивания или в небольшое число раз превышать его – 50-1000 Ом при ёмкости входа 5 пФ. Это характерно при спектрометрических исследованиях, т.к. необходимо с большей точностью передать соотношение амплитуд, а это означает, что весь заряд должен собираться, а амплитуду импульсов желательно иметь больше. Для получения большей амплитуды сопротивление может достигать 10⁶ Ом, но только при нежёстких требованиях ко времени разрешения.

Дата добавления: 2014-01-04