книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

Входной импульс Uих положительной полярности поступает на контакт Ш/15Б, и в случае, если его величина превышает уровень У?|/г, на выходе схемы (контакт Ш/6 Б) появляется сиг­ нал, равный

А.12

Этот же сигнал действует на входе Ти, и конденсатор С3 заря­ жается до амплитудного значения Дпых м. Одновременно с вход­ ным сигналом на Ш/12Б подается стробирующий импульс, пере­

на конденсаторе С3 изменяется незначительно («скол» вершины порядка 5 мВ/мкс). Так как после момента t\ напряжение на

усилителе Т\—Т7 размыкается, и разность напряжений, дейст­ вующих на базах Ти Т2, усиливается в К раз (Л’—1000). Это приводит к появлению импульса отрицательной полярности в эмиттере Т7, используемого для управления линейным ключом. Последний открывается на время около 2 мкс (схему управле­

ного типа на микросхемах У\, У2 (1 КТО11Б ) .

Управление Уь У2 осуществляется дифференциальным уси­ лителем Т\, Т5. Для расширения логических возможностей ключа предусмотрены два входа — Ш/15А, на который поступа­

жений, что обеспечивает исключение импульсов, имеющих иска­ женную полезную часть (общая задержка между моментом достижения пикового значения входного сигнала t\ и открыва­

120

/ ? 1 5 (см. рис. 2.25) «пролезание» управляющих импульсов на выход схемы незначительно (2—3 мВ при длительности помехи

0 , 1 мкс).

Режекторы наложений. Как уже указывалось в § 2.7, вероят­ ность наложений определяется длительностью весовой функции и ее формой (см. рис. 2.20). Импульсы, искаженные наложением сигналов, могут быть исключены из общего числа с помощью устройств, называемых режекторами наложений (возможные системы с коррекцией наложений, вносящие поправку в соот­ ветствующую часть информации, которая поступает на анали­ зирующие устройства, здесь не рассматриваются и интересую­ щиеся могут обратиться к оригинальным работам [79—81]).

В литературе [82, 83] подробно описаны различные схемы «инспекторов» наложений, которые проверяют сигналы, посту­ пающие от усилительного тракта, на отсутствие наложений. На­

и 3 приходят в то время, когда весовая функция W(t„, t) от­ лична от нуля, то они вносят ошибку гг, гз соответственно в амплитуду измеряемого сигнала г\. Сигнал 2, появляющийся раньше основного, приводит к погрешности измерений, опреде­ ляемой спадающей частью весовой функции, а сигнал 3 — на­ растающей. Участок весовой функции от нуля до ta соответст­ вует главной части основного сигнала, так как измерение ам­ плитуды сигнала производится в момент tu. Таким образом, режектор должен обеспечить «защиту» основного импульса от мешающих как до, так и после момента появления основного сигнала 1 в течение интервалов времени Ai и Дг соответст­ венно.

Качественные характеристики режекторов — разрешающее время, собственное мертвое время и коэффициент режекции. Разрешающее время есть тот минимальный интервал между двумя событиями, при котором режектор идентифицирует пх как раздельные. Это время, а также собственное мертвое время,

показывает, какая доля от общего числа импульсов, искажен­ ных наложением, «отсекается» схемой режектора.

Эти параметры в общем случае зависят от вида аппаратур­ ного спектра и амплитуды поступающих сигналов, что может вызывать затруднения при обработке информации. Так, искаже­

121

ние малых сигналов, как правило, регистрируется с меньшей ве­ роятностью (могут быть и обратные случаи), в результате чего изменяется спектральное отношение измеряемых линий.

Схемное решение режекторов весьма разнообразно. Они мо­ гут быть рассчитаны как на работу от «медленных» импульсов, поступающих с выхода формирующего усилителя, так и от «быстрых» сигналов ППД. В качестве примера схемы первого• типа можно указать на работы [84, 85]. Принцип, использован­ ный в работе [85], более совершенен и основам на дифферен­ цировании импульсов, имеющих гауссовскую форму, с после­ дующим суммированием основного сигнала и его второй про­ изводной. Относительные амплитуды суммируемых импульсов выбираются таким образом, что в отсутствие наложений вы­ ходной сигнал был равен нулю к моменту достижения пикового значения основного импульса. Этому условию не удовлетворяютсигналы, искаженные наложением, что идентифицируется по­ следующей схемой.

Прецизионный режектор, рассчитанный на работу как от ко­ ротких токовых сигналов, так и от импульсов напряжения,

сигналов 400 и 200 соответственно. Полная принципиальная схе­

При выполнении условия (2.33) срабатывает дискриминатор пересечения нулевого уровня, и на выходе схемы появляется сигнал, свидетельствующий об отсутствии наложений. Если в момент t = t 3 напряжение на элементе памяти от мешающих импульсов будет больше, чем величина pUM, то суммарный сигнал не пересекает нулевую линию, и дискриминатор не сра­ батывает.

1 22

Описанная схема с большей вероятностью блокирует им­ пульсы малой амплитуды, что удобно, если необходимо достичь минимального искажения аппаратурной кривой при максималь­ ном объеме выходной информации. Но это же может служить источником ошибок в том случае, если осуществляется сравне­ ние интенсивностей спектральных линий. Принципиальная схема режектора, приведенная в работе [87], содержит 12 транзисто­ ров и характеризуется разрешающим временем 5ч-15 нс в за­ висимости от выбранной величины коэффициента р (р — 0,05ч- 4-0,15).

Задержка t3

Рис. 2.26. Структурная схема режектора наложений.

Эффективность применения режекторов наложений иллюст­ рируется данными, представленными в табл. 2.7 (по данным работы [29]).

Т а б л и ц а 2.7

Эффективность применения режекторов наложений (источник 60Со)

Следует иметь в виду, что при больших загрузках примене­ ние режектора существенно уменьшает скорость регистрации. Так, согласно работе [29] при загрузке 105 с- 1 (источник 6 0 Со, детектор Ge(Li) 40 см3) и длительности сформированного им­

123

щем параграфе, имеется довольно обширный круг работ, посвя­ щенных расчету искажений аппаратурного спектра, обусловлен­

сангл. Под ред. Л. II. Паникова. М., Атомнздат, 1965.

3.Джиллеспи А. Б. Сигнал, шум и разрешающая способность усилителен. М., Атомнздат, 1964.

22.Kandiah K. e. a. Proc. of Intern. Symp. on Nucl. Electr., Paris, 1968, re­ port, No. 69.

23. Radeka V.— «IEEE Trans. Nucl. Sci.», 1970, v. NS-17, No. 3, p. 433.

24.Satterfield M. M., Dyer G. R., McClain W. J.— «Nucl. Instrum. and Meth.», 1969, v. 75, No. 2, p. 312.

124

p. 269.

35.Letourneau R., Passerieux J. P., Quidort J .—«Nucl. Instrum. and Melh.», 1969, v. 70, No. 1, p. 106.

36.Lauch F. — «Kcrnlechnik», 1968, No. 19, S. 683.

125

Глава 3

СПЕКТРОМЕТРИЯ а-ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

§ 3.1. БЛОКИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПОСТРОЕНИЯ

При определении требований к ПГ1Д, используемым для спектрометрии тяжелых заряженных частиц, следует рассмот­ реть некоторые особенности потерь энергии этого вида ионизи­

и существенно реже — корпускулярного излучения ускорителей тяжелых заряженных частиц.

Поскольку настоящая работа посвящена в основном вопро­ сам прикладной спектрометрии, в ней рассматриваются вопро­ сы, относящиеся к спектрометрии наиболее широко исследуе­ мых видов излучения.

На рис. 3.1 приведена зависимость между пробегом и энер­

ких сотен килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт, видно, что толщина полупроводникового материала, в пределах которой происходит полная потеря энергии тяжелой заряжен­ ной частицей, составляет от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров. Следовательно, протяженность чувствительной области ППД должна быть в указанных пре­

ние вытекает из необходимости получения наименьшей нелиней­ ности между образованным в чувствительной области ППД за­ рядом и энергией регистрируемой частицы.

Наибольшее практическое применение для спектрометрии тяжелых заряженных частиц будут иметь детекторы,- устойчиво работающие при нормальных условиях и не требующие созда­ ния специальных условий для их эксплуатации (пониженные температуры, глубокий вакуум и т. д.). По этим причинам в этой

127

Энергия, МэВ

Рис. 3.1. Зависимость пробега от энергии тяжелых за^ ряженных частиц в кремнии.

Рис. 3.2. Удельные ионизационные поте­ ри тяжелых заряженных частиц в

•кремнии.

диктуемых требованиями эксперимента, для спектрометрии тя­ желых заряженных частиц используют германиевые детекто­ ры 12—7].

Типы полупроводниковых детекторов. Для спектрометрии

миллиметров. Площадь чувствительной поверхности таких де­ текторов достигает 12 см2, толщина мертвого слоя — от долей микрометра до десятков микрометров. Поверхностно-барьерные Г1ПД получили широкое распространение благодаря относи­ тельной простоте изготовления, н их промышленное производ­ ство широко освоено в СССР и в зарубежных странах.

Диффузионные детекторы имеют примерно те же геометри­ ческие параметры, что и поверхностно-барьерные детекторы, однако технология их изготовления более сложна,

При необходимости спектрометрироваипя ионизирующих частиц с пробегом в несколько миллиметров используют диф­ фузионно-дрейфовые кремниевые детекторы с поверхностным барьером.

Создание поверхностного барьера на входном окне такого П'ПД диктуется необходимостью получения минимальной тол­ щины мертвого слоя, поскольку мертвые слои собственно диф­ фузионно-дрейфового кремниевого ППД в лучшем случае со­ ставляют десятки микрометров.

В тех случаях, когда спектрометрия тяжелых заряженных частиц должна проводиться в условиях высоких температур и мощных радиационных полей, применяют детекторы из карбида кремния и алмаза. При этом нужно отметить, что энергетиче­ ское разрешение этих детекторов существенно хуже чем крем­ ниевых.

Такие детекторы в основном применяют для регистрации кор­ пускулярного излучения в активной зоне ядерных реакторов при

ластях экспериментальной ядерной физики.

Для быстрой оценки применимости различных типов ППД экспериментаторы часто пользуются номограммой для опреде­

жение и удельное сопротивление полупроводникового материала