Построение высоковольтных схем электропитания ФЭУ

Основные проблемы построения каналов измерения ионизирующих излучений на основе сцинтилляционных детекторов с ФЭУ в качестве фотоэлектрических преобразователей связаны со стабильностью их характеристик. Причины, вызывающие эту нестабильность многочисленны:

- деградация и изменение характеристик сцинтилляторов при колебаниях температуры;

- изменение коэффициента усиления ФЭУ при изменении температуры;

- нестабильность питающих напряжений;

- снижение чувствительности фотокатода под воздействием больших разовых доз излучения, и из-за эффекта накопления [15].

Одной из основных причин вариации коэффициента усиления ФЭУ является нестабильность напряжений на его динодах. Она во многом определяется схемой питания. Известны следующие схемы питания динодов ФЭУ:

- от высокоомного делителя напряжения;

- от цепи последовательно включённых стабилитронов;

- от активного делителя напряжения, состоящего из высокоомного резистивного делителя и повторителей на биполярных или полевых транзисторах;

- от последовательно включённых источников напряжения, представляющих собой ступени умножителя напряжения.

Рассмотрим достоинства и недостатки каждой из них.

Высокоомные делители напряжения – одно из наиболее распространённых решений. Схема этого варианта представлена на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 – Электропитание динодов ФЭУ от высокоомного делителя

Резисторы делителя выбирают так, чтобы ток делителя на порядок превышал суммарный ток динодов и анода. Нарушение этого требования может привести вариациям напряжения на динодах при изменении интенсивности счёта и, как следствие, к нестабильности коэффициента усиления и нелинейности световой характеристики ФЭУ.

При высокой амплитуде импульсов изменение падений напряжения на резисторах делителя из-за увеличения тока динодов всё же остаётся значительным. Снизить эту зависимость можно уменьшением сопротивления делителя. Однако это приводит к значительному росту потребляемой мощности от высоковольтного источника и росту температуры ФЭУ при расположении такого делителя вблизи цоколя ФЭУ (что широко применяется на практике). Частично проблема преодолевается за счёт уменьшения динамического сопротивления делителя шунтированием его резисторов конденсаторами. В нашем случае при многоканальной детекторной системе проблема роста температуры ФЭУ обостряется и может привести к существенному увеличению уровня шумов ФЭУ, изменениям коэффициента усиления и, даже, эффективности сцинтилляторов.

Применение схемы электропитания с использованием высоковольтных стабилитронов решает вопрос стабильности напряжения при существенном снижении потребляемого тока. Обычно достаточно 1,5-2-х кратного превышения тока стабилитронов по отношению к току последнего динода. Основная сложность при использовании такой схемы состоит в ограниченной номенклатуре высоковольтных стабилитронов, существенном разбросе напряжений стабилизации, а, главное, в ограниченных возможностях изменения напряжение на динодах с целью оптимизации режима работы ФЭУ.

Применение активных делителей напряжения – относительно хороший вариант питания динодов, т.к. возможно существенное снижение тока делителя (на 1-2 порядка), и, при этом, выходное сопротивление делителя напряжения оказывается малым за счёт низкого выходного сопротивления повторителей [15]. Схема устройства электропитания с активным делителем представлена на рисунке 5.19. Повторители напряжения построены на составных биполярных транзисторах, что позволяет на два порядка уменьшить ток делителя по сравнения с классическим решением, представленным на рисунке 5.18. Но достигается это применением резисторов делителя с номинальными значениями сопротивлений в десятки Мом, что затрудняет обеспечение высокой стабильности коэффициентов деления высокоомного делителя.

Рисунок 5.19 – Активный делитель на составных биполярных транзисторах,

V – базовое напряжение, коэффициенты показывают кратность напряжения

Причиной изменения коэффициентов деления являются токи утечки, связанные с загрязнениями и влиянием влаги. Кроме того, для данной схемы характерна повышенная чувствительность к броскам напряжения, приводящая к отказам делителя, а также выделение существенной мощности на транзисторах при больших импульсах тока ФЭУ.

Несколько улучшить ситуацию позволяют конденсаторы, шунтирующие последние эмиттерные повторители каскадов.

В последнее время для питания динодов ФЭУ всё большее распространение получает схема Кокрофта-Валтона, изображённая на рисунке 5.20 [16].

Рисунок 5.20 – Схема электропитания ФЭУ по схеме Кокрофта-Валтона

Диноды в этом случае питаются от ступеней умножителя напряжения. Эта схема до некоторой степени эквивалентна схеме с делителем напряжения, резисторы которого шунтированы конденсаторами, однако время восстановления напряжения после перегрузки оказывается очень малым из-за низкого выходного сопротивления каждой ступени умножителя. Схема потребляет минимальный ток, определяемый лишь токами утечки. Напряжения на ступенях умножителя слабо зависят от изменений токов утечки, а надёжность таких устройств существенно выше надёжности устройств с активными делителями, прежде всего, за счёт малой мощности рассеиваемой диодами умножителя при максимальных импульсах тока ФЭУ.

Недостатки этого способа питания состоят в невозможности тонкого управления режимами, т.к. напряжения всех динодов будут кратны напряжению одной ступени умножения. Поэтому при использовании таких схем питания к ФЭУ предъявляются более жёсткие требования по допустимому разбросу характеристик.

В некоторой степени преодолеть этот недостаток можно, используя комбинированную схему, в которой для подгонки напряжений используются резисторные делители (R11- R12 на рисунке 3.20). Дополнительным недостатком такого решения можно считать и невозможность использования готовых высоковольтных встраиваемых источников питания.

Организацию источников питания для детекторов с фотоэлектронным умножителем рассмотрим на примере блока детектирования альфа излучения с кристаллическим сцинтиллятором ZnS(Аg) и фотоэлектронным умножителем ФЭУ-148 (рисунок 2).

Особенность схемы питания ФЭУ практически исключает возможность размещения высоковольтного источника вне блока детектирования. Питание фотоэлектронного умножителя блока детектирования осуществляется по схеме Кокрофта-Валтона, т.е. динодные напряжения формируются ступенями умножения напряжения. Преимущество такого способа питания состоит в низком выходном сопротивлении ступеней динодного питания, что повышает его стабильность при высокой загрузке. Для улучшения условия сбора электронов с фотокатода напряжение между ним и фокусирующим электродом выбрано равным 80% от напряжения ступени умножения, а напряжение между фокусирующим электродом и первым динодом в 1,2 раза превышает его. Это перераспределение достигается введением резистивного делителя R 11, R 12, питающимся напряжением сразу двух последних ступеней умножения (VD 2- VD 6, C 8, C 9, C 20, C 21). Данное решение вполне оправдано, т.к. токи модулятора и первого динода чрезвычайно малы, поэтому даже при высокой загрузке модуляции напряжения на электродах практически не будет. Напряжение между последним динодом и анодом для данного фотоэлектронного умножителя должно быть уменьшено по сравнению с другими динодными напряжениями, что потребовало подключения первой ступени умножения к отводу вторичной обмотки трансформатора.

Высоковольтный умножитель питается от вторичной обмотки трансформаторного двухтактного преобразователя напряжения. Схема сравнения на операционном усилителе D 1 сравнивает часть выходного напряжения (делитель R 4, R 14- R 17) с опорным напряжением, величина которого регулируется резистором R 2. Выходной сигнал регулирует постоянную составляющую напряжения на базах выходных транзисторов и тем самым величину тока преобразователя. Поскольку напряжение обратной связи снимается с 8-го динода, то именно оно и стабилизируется. Это способствует некоторой стабилизации коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя, за счёт частичной расфокусировкидинодного тракта умножения при возрастании напряжения питания ФЭУ, по отношению к номинальному напряжению, для которого и осуществлялась регулировка. Причиной подобной вариации высоковольтного напряжения является изменение загрузки фотоэлектронного умножителя. При возрастании загрузки обратная связь стремится сохранить напряжение на 8-ом диноде, в то время как ток динодов близких к катоду остаётся малым, и напряжение на соответствующих секциях умножителя возрастает. Не последнюю роль в этом играет форма коммутационных импульсов преобразователя с небольшим перерегулированием. Конденсатор С 34 улучшает динамические характеристики цепи стабилизации напряжения. Резистор R 13 создаёт небольшую нагрузку для умножителя, что улучшает динамические характеристики при малых загрузках ФЭУ (ускоряется процесс снижения высокого напряжения после резкого сброса загрузки).

Дата добавления: 2014-01-04