Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

зование одной пары носителей заряда в среднем состав ляют:

полупроводниковые детекторы (~ 3 эВ);

газонаполненные детекторы (~ 30 эВ);

сцинтилляционные детекторы (~ 300 эВ и более). Представленные параметры в значительной мере уп

рощают сравнение детекторных устройств между собой. Нетрудно увидеть главное преимущество полупроводни ковых детекторов в точности измерения энергии ядерных излучений. Они в 10 раз лучше газонаполненных и почти в 100 раз точнее сцинтилляционных детекторов.

Для ионизационных детекторов (газонаполненных или полупроводниковых) можно считать, что заряд Q, образо ванный частицей, попавшей в детектор, равен

Q 1 qЭ 2 E1,

где qЭ — заряд электрона, равный 1,602 10–19 Кл; Е — энер гия частицы, потерянная в детекторе (в электронвольтах);

1 — средняя энергия образования пары носителей заряда. Амплитуда А сигнала на нагрузке Rн и эквивалентной емкости СЭКВ, подключенной параллельно резистору Rн, в

режиме полного сбора носителей заряда будет равна

где Q — заряд, собранный в детекторе, в кулонах; СЭКВ — совокупная емкость элементов цепи, включенных на вы ходе детектора, т. е. эквивалентная ее емкость в фарадах.

Итак, ток детектора iД определится как

iД = Q/ti,

где ti — время собирания заряда, с.

Используя эти положения, оценим и сравним ампли туды сигналов, которые можно получить на выходе основ ных детекторов. Вначале обратимся к одному из самых первых и наиболее распространенных газовых детекторов,

широко применяемых на заре исследований ядерных пре вращений, — ионизационной камере.

Характерно, что в ней при регистрации частицы с энер гией в 1 МэВ образуется заряд ~ 5 10–15 Кл. Амплитуда тока при сборе электронной его составляющей за время 1 10–6 с,

т.е. за одну микросекунду, достигает 5 10–9 А. При экви

валентной емкости входной цепи СЭКВ 50 пФ амплитуда выходного сигнала с этого детектора составит ~ 1 10–4 В,

т.е. около 0,1 милливольта. Это весьма невысокая вели чина параметра, которая получена на выходе ионизаци онной камеры. В таком случае ее сигналы без усиления вряд ли можно использовать в дальнейших процессах их обработки.

2.5.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ

ДЕТЕКТОРЫ И ОЦЕНКА ИХ СИГНАЛОВ

Сначала обратимся к полупроводниковому детектору и сосредоточим внимание на его параметрах. Допустим, имеется детектор небольшого размера, предназначенный для регистрации рентгеновского излучения или заряжен ных частиц малой энергии. Емкость его находится в пре делах единиц пикофарад. Время сбора носителей зарядов составляет ~ 10–8 с. Рентгеновский квант с энергией 10 кэВ дает заряд величиной ~ 5,3 10–16 Кл. При этом ток не бу дет превышать значение ~ 5 10–8 А, что обеспечит на ем кости детектора в 1 пФ сигнал, амплитуда которого будет ~ 5 10–4 В, т. е. около 0,5 мВ.

Для регистрации гамма квантов в диапазоне энергий от единиц килоэлектроновольт до нескольких мегаэлект роновольт необходим полупроводниковый детектор бóль шего размера. Его емкость будет составлять несколько десят ков пикофарад. Заряд в нем соберется за время ~ 1 10–7 с. При регистрации им частицы с энергией 1 МэВ получим заряд величиной ~ 5,3 10–14 Кл. Ток в этой ситуации будет

~ 5 10–7 А, что обеспечит на емкости СЭКВ 100 пФ сигнал с амплитудой ~ 5 10–4 В, т. е. тоже ~ 0,5 мВ.

В заключение рассмотрим еще одну разновидность де текторных устройств, известную как сцинтилляционный счетчик, состоящий из кристалла NaJ(Tl) и фотоэлектрон ного умножителя (ФЭУ). Допустим, ФЭУ имеет коэффи циент усиления М = 106. При регистрации гамма квантов амплитуду сигнала на выходе ФЭУ можно оценить соот ношением

где М — коэффициент усиления ФЭУ; Е — энергия гам ма кванта или частицы в электронвольтах; qЭ — заряд электрона; 1 — средняя энергия, расходуемая на генера цию сцинтилляционной вспышки; СЭКВ — эквивалентная емкость входной цепи.

Если СЭКВ = 20 пФ, то при Е = 1 МэВ амплитуда на вы ходе данного детектора будет составлять ~ 2 В.

Итак, сцинтилляционный детектор является един ственным из всего разнообразия устройств детектирова ния, выходной сигнал которого можно обрабатывать и использовать без усиления. Детектор не обладает высоким энергетическим разрешением при амплитудном анализе, но его широко применяют для временного анализа. Времен ное разрешение, получаемое сцинтилляционным детекто ром, остается вне конкуренции по отношению к осталь ным детекторам. Более того, его можно использовать в токовом режиме.

2.6. СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

ДЕТЕКТОРНЫХ СИГНАЛОВ

Выполнена оценка амплитуды сигналов, возникающей на выходе основных детекторных устройств, при воздей ствии на них ядерного излучения. Получены результаты, которые дают весьма полезную и важную информацию, позволяющую судить о характере и параметрах такого из лучения. Прежде всего следует отметить, что амплитуда

выходных сигналов любого из детекторов независимо от его вида практически не различается. Более того, без уси ления использовать такие сигналы невозможно. Исклю чение может составить лишь сцинтилляционный детектор. В таком случае необходимо сделать следующие довольно таки принципиальные выводы.

1.Амплитуда выходного сигнала каждого из детекто ров, за исключением, может быть, лишь сцинтилляцион ного, недостаточна для корректного функционирования различных формирующих электронных устройств и схем.

2.Хотя детекторы различаются по принципу действия, все они выдают сравнительно «слабые» сигналы, которые необходимо усиливать, а в ряде случаев и формировать по амплитуде и длительности.

3.Совокупная емкость элементов цепи СЭКВ, включен ная на выходе детектора, т. е. эквивалентная ее емкость,

всущественной мере влияет на амплитуду сигнала, выде ляемого на нагрузке RН.

4.Поскольку практически у каждого из детекторных устройств выходные сигналы необходимо усиливать, то структура применяемых устройств усиления должна учи тывать специфические особенности каждого детектора.

5.Амплитудно частотные и временные характеристи ки усилительных устройств и схем определяются в основ ном временем сбора носителей заряда.

6.Подключаемые к детектору и используемые устрой ства усиления не должны способствовать росту шумовой составляющей детекторного сигнала.

В дальнейшем эти замечания и доводы необходимо учитывать при работе с конкретными детекторными уст ройствами. В то же время важно понять, что это весьма неполный перечень проблем, с которыми придется иметь дело при выделении информации о параметрах ядерных взаимодействий с помощью детекторов. Нерегулярный, случайный характер поступления детекторных сигналов будет тоже создавать дополнительные проблемы их реги страции, вызываемые разными вариантами наложений таких сигналов.

2.7. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА

ДЕТЕКТОРНОГО УСТРОЙСТВА

Информация, получаемая с детектора ионизирующе го излучения в виде сигнала, обусловлена энергетически ми потерями частиц, попавшими в него. Такие утраты энергии связаны с образованием в материале детектора носителей заряда. Для их перемещения и сбора необходи мо обеспечить электрическое поле, которое создает источ ник питания высокого напряжения. Создаваемая им на пряженность электрического поля перемещает носители зарядов в среде детектора к его выводам, наводя во внеш ней электрической цепи ток.

Детектор включен в цепь последовательно с источ ником высокого напряжения ИВН и сопротивлением на грузки RН (рис. 1). Параллельно резистору подключена эквивалентная емкость СЭКВ.

Необходимо отметить, что со противление внешней цепи, а в нашем случае это RН, суще ственно меньше внутреннего сопротивления детектора RД,

т. е. RД RН.

При такой ситуации с пол ным основанием можно счи тать, что изменение величи ны нагрузки практически не влияет на ток, протекающий в данной цепи. Из чего мож

но заключить, что для внешней электрической цепи де тектор необходимо рассматривать как источник тока, об ладающий большим внутренним сопротивлением. При этом детектор считают генератором тока, создающим то ковый сигнал во внешней цепи.

На сопротивлении нагрузки RН в течение длительности импульса тока i выделяется сигнал. Величина его ампли туды, форма, длительность и другие параметры сигнала определяются главным образом процессами, происходя щими в материале детектора. В силу этого электрическую

Рис. 2

Эквивалентная схема замещения детектора:

Д — детектор; ИВН — источник высокого напряжения; Кл — ключ; ЭС — элект ронная схема.

эквивалентную схему замещения детектора можно пред ставить в виде ключа Кл и источника тока I, которые со единены последовательно (рис. 2).

Данную схему можно использовать при анализе про цессов выделения, формирования и передачи сигналов потенциально от любого из детекторных устройств. Ток детектора iД через ключ Кл, замыкаемый на промежуток времени i, равный длительности импульса тока, поступа ет во внешнюю цепь, подключенную к детектору. Цепь состоит из резистора нагрузки RН и эквивалентной емко сти СЭКВ, подсоединенной параллельно данному резистору.

В свою очередь, эквивалентная емкость СЭКВ, которую нередко отождествляют и представляют в виде входной емкости подключенной последующей схемы, обусловлена суммой следующих емкостных компонентов:

CЭКВ = CД + СМ + СП,

где СД — емкость детектора; СМ — емкость монтажа де тектора и электронной схемы; СП — паразитная емкость всех элементов (резисторов, конденсаторов и т. п.) схемы.

Действительно, эта емкость вместе с сопротивлением нагрузки образует интегрирующую RC цепочку. Конден сатор, находящийся в ее составе, заряжается импульсом

тока детектора. Постоянная времени для такой цепочки будет равна

= RН CЭКВ.

Нетрудно понять, что от параметров данной интегри рующей RC цепочки зависит ряд принципиальных аспек тов. Прежде всего ее величина в существенной мере обуслов ливает точность измерения энергии зарегистрированной детектором частицы. Данный аспект имеет первостепен ное значение для амплитудного анализа. С другой сторо ны, точность в определении момента регистрации детек тором частицы крайне важна для временного анализа.

2.8. ФАКТОР ВРЕМЕНИ

В ПАРАМЕТРАХ ВХОДНОЙ ЦЕПИ, ПОДКЛЮЧЕННОЙ К ДЕТЕКТОРУ

Во всех процессах, сопровождающих регистрацию ионизирующих излучений, проявляется фактор времени. Он связан с моментом поступления частицы в детектор, временем взаимодействия с его материалом, этапом соби рания носителей заряда, характером изменения токовых составляющих и т. п. Во всяком случае, временные аспек ты призваны играть весьма значимую роль в процессах оптимального выделения детекторных сигналов. Данный момент крайне важен, независимо от целевого использо вания всего разнообразия детекторных структур.

Если обратиться к эквивалентной схеме замещения детектора, которая представлена на рисунке 2, то нетруд но понять, что СЭКВ можно считать входной емкостью СВХ, которая обусловлена последующей электронной схемой. Ее постоянная времени ВХ как элементарной интегриру ющей цепочки будет равна

ВХ = RН CВХ.

Важно отметить, что величина ВХ, называемая посто янной входа, является весьма весомым и значимым пара метром. При всех ситуациях, связанных с получением

информации с детекторных устройств, данный параметр определяет прежде всего среднюю допустимую интенсив ность поступающих событий, которая, естественно, долж на быть зарегистрирована.

При необходимости выделения максимальной величи ны параметра на нагрузке, т. е. достижения наибольшего значения амплитуды сигнала, постоянную времени ВХ выбирают существенно больше длительности импульса тока i, т. е. ВХ i. Такое соотношение обычно использу ется при регистрации результатов ядерных превращений с достаточно низкой интенсивностью (как правило, не бо лее сотни импульсов в секунду).

В свою очередь, минимальная амплитуда сигнала будет получена, если постоянная времени ВХ выбрана из усло вия ВХ i. При этом параметр ВХ устанавливают значи тельно меньше длительности импульса тока i детектора. Проблему решают существенным уменьшением номина ла резистора нагрузки RН и по возможности снижением величины входной емкости СВХ. Иногда это может приве сти к снижению шумовой составляющей сигнала детекто ра, так как при его формировании используется всего лишь ток, связанный с быстрыми носителями заряда.

Таким примером может служить ионизационная каме ра, в которой возникший импульс тока образуется исклю чительно одними электронами. Данная величина посто янной времени ВХ используется при изучении парамет ров ионизирующих излучений высокой интенсивности. В отдельных случаях она может доходить вплоть до 108 импульсов в секунду. Между этими двумя крайними си туациями выбора постоянной времени входной цепи весь ма часто останавливаются на соотношении ВХ i.

Данное значение временного параметра определяется, как правило, средней скоростью поступления сигналов с применяемого детекторного устройства. На практике та кая величина постоянной времени обычно используется при решении задач спектрометрии, которые тесно связа ны как с амплитудным, так и с временным анализом. Бо лее того, выбирая и устанавливая величину нагрузки RН, стремятся обеспечить минимальное значение емкости СВХ.

Средняя интенсивность поступления событий при такой ситуации должна находиться в пределах нескольких ты сяч импульсов в секунду.

Представленные рекомендации по выбору постоянной времени интегрирования лишний раз демонстрируют не обходимость и важность учета временного параметра при изучении и регистрации характеристик ядерных взаимо действий. С этой реальностью приходится считаться, не зависимо от вида детекторного устройства, применяемого в измерениях. Обращает на себя внимание весомость про блемы обеспечения и получения минимальной величины входной емкости СВХ. В большинстве случаев, как пока зывает практика, ее решают комплексно. Однако осново полагающими критериями таких решений были и оста ются рациональная конструкция детектора и оптималь ное размещение элементов его электронной схемы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какое устройство служит для обнаружения радиоактивного излучения?

2.Что представляет собой детектор с точки зрения измеритель ной техники?

3.Назовите основные направления в разделении детекторов по виду выходных сигналов.

4.Какая группа детекторов дает наибольший объем информации и за счет чего это происходит?

5.Назовите факторы, ведущие к нарушению режима пропорцио нальности работы детектора.

6.Приведите средний уровень затрат энергии на образование пары носителей заряда основных видов детекторных устройств.

7.Преимущество полупроводникового детектора. Чем оно обус ловлено?

8.Что можно сказать о величине выходного сигнала газонапол ненного детектора в виде ионизационной камеры?

9.Сравните выходные сигналы с ионизационной камеры, полу проводникового детектора и сцинтилляционного счетчика.

10.Какими достоинствами обладает сцинтилляционный счетчик по сравнению с другими детекторами?

11.Для чего предназначен источник высокого напряжения в схе ме включения детектора?

Г Л А В А 3

ЛИНЕЙНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЕТЕКТОРОВ

Сигналы практически каждого из детекторов ядерно го излучения, за исключением лишь сцинтилляционно го, как показал анализ, в дальнейшем использовать не возможно. Их необходимо усиливать, так как величина сигнала, т. е. его амплитуда, недостаточна для работы по следующих электронных схем. При этом неважно, линей ные или нелинейные методы обработки сигналов будут использованы в электронных структурах.

Следует заметить, что оба метода занимают ключевые позиции в решении задач, связанных с регистрацией ядер ных излучений. Линейная (аналоговая) форма обработки сигналов обусловливает сохранение линейной зависимо сти и связи между входом и выходом устройства. Нели нейная (дискретная) форма обработки сигналов ведет к ут рате такой связи между его входом и выходом. В этом слу чае выходной сигнал фиксирует лишь факт выполнения принятого или установленного условия.

3.1. СВОЕОБРАЗИЕ УСИЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРНЫХ СИГНАЛОВ

Наиболее распространенным видом линейной обработ ки сигналов было и остается их усиление. Оно определя ется отношением амплитуд выходного сигнала к входно му и называется коэффициентом усиления. В спектро