Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

метрии его величина составляет несколько тысяч и бо лее. Важно обеспечить ему высокую линейность в широ ком частотном диапазоне. Регистрация излучений низких энергий затруднена, так как амплитуда сигналов детек тора соизмерима с уровнем его шумов, что создает еще ряд проблем.

Другим негативным моментом принято считать воз действие и регистрацию высокоэнергетических частиц фонового излучения. Это ведет к образованию в детекторе сигналов экстремальных параметров (большая амплиту да и длительность). Они вызывают перегрузку устройств усиления, увеличивая нелинейные искажения выходных сигналов. Регистрация таких частиц нередко ведет даже к временной утрате (т. е. потере) ими усилительных свойств. Восстановление работоспособности после перегрузки дол жно происходить за минимально возможное время.

Обе проблемы, с одной стороны, минимальный уровень входного сигнала, а с другой — его экстремальное значе ние, требуют большого динамического диапазона усиле ния. При линейной обработке детекторных сигналов это создает ряд дополнительных и весьма обременительных проблем. Более того, они усугубляются целым набором аспектов, весьма характерных для регистрации ионизи рующих излучений, о чем уже упоминалось ранее.

Нерегулярный, случайный характер их поступления вызывает флуктуации нулевого выходного уровня усили тельного устройства. Это ведет к погрешностям измере ний и проявляется в виде искажений регистрируемого энергетического спектра излучений. Искажения спектра наблюдаются также при наложениях выходных сигналов в устройствах усиления. Последний момент весьма харак терен при высокой интенсивности излучения, регистри руемого детектором.

Для уменьшения уровня наводок и помех, получения высокого разрешения, снижения степени затухания сиг нала, а также получения высокого отношения сигнал/шум и т. д. усилитель с детектором соединяют обычно радио частотным коаксиальным кабелем, например типа РК 50. Однако его емкость, равная 100 пФ/м, существенно влияет

Первую часть усилительной структуры измеритель ного канала определяют следующим образом. Предуси литель — это функциональный электронный модуль, размещаемый между детектором и основным усилителем, обеспечивающий начальное, предварительное усиление сигналов для последующей их передачи по кабелю связи. Обычно используют коаксиальный радиочастотный кабель (типа РК), и его длина нередко достигает сотни метров.

Другая часть, которую специалисты стали называть спектрометрическим усилителем, считается основной. Это особая разновидность линейных, широкополосных, с до статочно высокой стабильностью параметров усилитель ных структур. Она широко применяется для прецизион ных амплитудных измерениях характеристик ядерного излучения. Их специфические особенности и основные параметры будут рассмотрены далее.

3.2.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ПРЕДУСИЛИТЕЛЯ И ЕГО РАЗНОВИДНОСТИ

Предусилитель является одной из основных разновид ностей входных устройств с исключительно линейной ха рактеристикой преобразования детекторных сигналов. Его главной отличительной особенностью служит высо кая линейность коэффициента усиления, а также долго временная его стабильность. Более того, значение этого параметра не должно меняться или зависеть от увеличе ния средней частоты поступления сигналов. Устройству данного типа необходимо иметь хорошее отношение сиг налов к шуму. Такая структура не должна вносить иска жений в усиление сигналов с крутым фронтом и относи тельно медленным их спадом. На параметры выходных сигналов не должны влиять ни случайный характер их поступления, ни спорадическое изменение их амплитуды.

Вместе с тем электронное средство такого вида можно отнести к разряду устройств, которые осуществляют со гласование импедансов. Действительно, необходимо увя зать высокое сопротивление детектора как генератора тока

и достаточно низкое входное сопротивление спектромет рического усилителя. Таким образом, предусилитель ре шает еще одну крайне важную проблему — обеспечение условий для корректного согласования и передачи сигна ла детектора по кабелю связи с минимальными потерями.

Особенность этих электронных средств состоит в том, что практика их применения в эксперименте увязана, как правило, с видом входной величины. В этом качестве мо гут выступать ток, напряжение или заряд. Каждый из этих параметров будет определять вид предусилителя. Если это предусилитель напряжения, то выходной параметр Uвых будет пропорционален входному Uвх. Оба параметра явля ются напряжением, т. е.

Uвых = ku Uвх,

где ku — коэффициент усиления по напряжению. В таком случае, как вытекает из анализа структур данного вида, его входное сопротивление Rвх много больше сопротивле

ния источника сигнала Rист, т. е. Rвх Rист. Выходное со противление устройства усиления Rвых много меньше со

противления нагрузки Rн, т. е. Rвых Rн.

В случае если входным Iвх и выходным параметром Iвых является ток, то принято считать, что это предусилитель тока. Оба эти параметра связаны соотношением

Iвых = ki Iвх,

где ki — коэффициент усиления по току. Для токового уси лителя, как показывает анализ, его входное сопротивле ние Rвх всегда много меньше источника сигнала Rист, т. е. Rвх Rист. В свою очередь, выходное сопротивление уси лителя Rвых естественно будет много больше сопротивле

ния нагрузки Rн, т. е. Rвых Rн.

Именно эти структуры усилительных устройств (до по явления полупроводниковых детекторов) доминировали и благополучно решали вопросы усиления детекторных сигналов. Введение различных видов обратных связей в та ких усилительных каскадах успешно и целенаправленно

обеспечивало приемлемую стабильность усиления в целом. Во всех детекторах нестабильности их емкости, приводя щей к изменениям амплитуды детекторных сигналов, еще не были столь критичны. Однако, как показала практика применения полупроводниковых детекторов, их емкость в значительной мере определяется и зависит от приложен ного напряжения, которое весьма тесно связано с их чув ствительным объемом.

Проявление данного факта, связанного с такой зави симостью, крайне неблагоприятно отразилось на парамет рах полупроводникового детектора. Вспомним, что в нем для образования пары носителей зарядов нужно всего ~ 3 эВ потери энергии частицей. Такая высокая энергети ческая чувствительность требует минимального уровня шумов в последующих электронных схемах. В данной си туации эта важнейшая характеристика детектора стала, по сути дела, заложницей образовавшейся зависимости. Возникла острая необходимость в электронных схемах усиления, где такие негативные аспекты были бы просто нейтрализованы.

Решение этой проблемы было найдено в создании и использовании усилительной техники особой ориентации. В ее схемотехнических решениях приняли меры, исклю чающие влияние емкости детектора на величину выход ного сигнала. Таким устройством стал зарядочувствитель ный предусилитель. Основу его входной части составляет схема предварительного усиления, которая охвачена от рицательной обратной связью по заряду.

В этом случае сигнал на выходе схемы не зависит от изменения емкости детектора, возникающего при изме нениях напряжения его смещения. Входное сопротивле ние предусилителя Rвх много больше сопротивления Rист источника сигнала, т. е. Rвх Rист. Выходное сопротивле ние устройства Rвых много меньше сопротивления нагруз

ки Rн, т. е. Rвых Rн. В связи с расширением сферы при менения таких устройств, по сравнению с предусилителя

ми тока или напряжения, будет целесообразно рассмотреть его несколько подробнее.

Именно этот резистор Rос вместе с емкостью обратной связи Сос определяет постоянную времени ( вх = RосСос) вос становления потенциала на входе зарядочувствительного предусилителя после регистрации детектором заряженной частицы. Характерно, что данный фактор нередко при нимают во внимание, останавливаясь на выборе варианта предусилителя. Необходимо заметить, что представлен ная версия усилителя с конденсатором в цепи обратной связи образует классическую схему интегратора.

Для ознакомления с рядом особенностей зарядочув ствительного предусилителя рассмотрим его типовую функ циональную схему, представленную на рисунке 5. В со ставе такой схемы можно выделить усилительный каскад с элементами отрицательной обратной связи (Rос и Сос) по заряду и входные цепи, подсоединенные к входам 1–3. Выход зарядочувствительной секции через схему компен сации полюса нулем СК подключен к двум выходным кас кадам усиления Е и Т. Обе схемы этих каскадов являются линейными усилительными структурами, причем каждая из них должна выполнять определенные функции.

Один из них Е, со ступенчато регулируемыми, т. е. ком мутируемыми, коэффициентами усиления k1 и k2 (обычно k1 = 10; k2 = 100), выделяет выходной сигнал, амплитуда которого пропорциональна потерям частицами энергии в детекторе. Этот линейный выход (вых. 1) в дальнейшем соединяется с входом спектрометрического усилителя

Рис. 5

Схема зарядочувствительного предусилителя:

E — усилительный каскад, связанный с энергией; ЗЧУ — зарядочувстви тельный усилитель; СК — схема компенсации полюса нулем; CдRд — диф ференцирующая цепочка; T — усилительный каскад, связанный со време нем; Rрк — регулировка меры компенсации.

амплитудного измерительного тракта. Вариант использо вания ступенчатой регулировки усиления повышает гиб кость управления коэффициентом усиления тракта, об легчая решение проблем амплитудного анализа.

Другой выходной каскад усиления Т своими сигнала ми связан со временем, которое фиксирует момент попа дания частиц в детектор. Его выход (вых. 2), ассоциируе мый со временем, называется быстрым выходом предуси лителя. Этот сигнал, тоже линейный, используется уже в логике отбора событий или при решении проблем времен ного анализа. Оба выхода предусилителя имеют неболь шое выходное сопротивление (Rвых < 1 Ом) и работают главным образом на коаксиальные кабели связи значи тельной длины.

Их согласование осуществляется последовательными резисторами (на рис. 5 не показаны), которые включают ся до выходных разъемов предусилителя. По величине они должны соответствовать и быть равны волновому сопро тивлению кабеля связи. В таком случае, приобретая пред усилитель, необходимо обратить внимание на его выход ные разъемы, которые должны иметь волновое сопротив ление, как и применяемые кабели связи (50, 75 или 93 Ом).

С выходными усилителями зарядочувствительный ка скад соединяется через схему компенсации СК полюса ну лем. Ею служит дифференцирующая цепочка СдRд, парал лельно которой включены два последовательно подключен ных резистора Rрк и Rк. Плавно изменяя величину одного

из них Rрк, добиваются, чтобы на входы обоих усилителей Е и Т поступали сигналы без выб росов противоположной поляр ности, что характерно для це почек типа СдRд (рис. 6). Под бирая величину сопротивления Rрк, устраняют этот выброс, что

ведет к повышению энергетического разрешения. Его ве личина считается одним из самых главных параметров из мерений. Она служит основным критерием качества амп литудного анализа.

Рассмотрим назначение каждого из входов данного предусилителя. На вход 1 обычно подается контрольный сигнал с амплитудой 1 В и фронтом 2–3 нс, имеющий до статочно длинный спад в несколько сот наносекунд. На емкости С1 = 1 пФ это будет эквивалентно 1 пКл/В, что создает условия для проверки функционирования изме рительного канала и всех его составляющих. Резистор R1 (50 или 93 Ом) обеспечивает согласование входа для конт рольного сигнала.

Вход 3 (высоковольтный разъем) служит для подачи напряжения смещения на детектор. Резистор Rф (Rф =

=10 МОм) и высоковольтная (до 3 кВ) емкость Сф (Сф =

=3,3–10 нФ) образуют Г образный сглаживающий RС

фильтр. С него через высокоомный резистор R2 и такой же разъем (вход 2) высокое напряжение с источника пита

ния поступает на детектор. Параметры резистора R2 обыч но лежат в пределах от 100 МОм до нескольких гигаом.

Несложно понять, что вход 2 в устройстве обеспечива ет выполнение двух функций: с одной стороны, осуществ ляет прием детекторных сигналов, а с другой — служит для передачи высокого напряжения на детектор. В таком

случае развязывающий конденсатор С2 тоже является высоковольтным, но небольшой емкости (единицы пико фарад) и передает сигналы детектора на зарядочувстви тельный каскад предусилителя. Разъем, подключенный к входу 2, является не только высоковольтным, но и вы сокочастотным, так как фронты входных сигналов доста точно незначительной длительности, равной нескольким наносекундам.

3.4.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАРЯДОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРЕДУСИЛИТЕЛЕЙ И МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ РАБОТЫ С НИМИ

Предусилители этого вида получили широкое распро странение и применение в практике эксперимента. Зарядо чувствительную схему усиления можно использовать фак тически с любым пропорциональным детектором: газона полненным (ионизационная камера, пропорциональный

счетчик), сцинтилляционным или полупроводниковым. Входная цепь и каскад усиления с емкостью в петле об ратной связи являются той структурой, где учитывается специфика и сфера применения данного предусилителя.

Именно эти факторы определили интерес целого ряда известных иностранных фирм ядерного приборостроения к разработке и организации производства такой электрон ной техники. Выпускается не менее десятка разновидно стей этих усилителей, и номенклатура их растет. По край ней мере для полупроводниковых детекторов известны и существуют три варианта таких предусилителей: один для малых, тонких р–n переходов, другой для больших со структурой типа p–i–n и, наконец, третий HP (high purity) Ge на основе сверхчистого германия.

Входным элементом всех вариантов зарядочувстви тельных каскадов в таких предусилителях обычно служит малошумящий, нередко специально отобранный, полевой транзистор. Именно этот транзистор и его параметры опре деляют главным образом шумовые характеристики пред усилителя, а значит, и его предельное разрешение по энер гии, которое может быть обеспечено данной структурой детектора. Как показывает практика, полевые транзисто ры на входе таких каскадов усиления крайне чувствитель ны к перегрузкам, которые обусловлены главным обра зом входными сигналами значительной амплитуды.

Это чревато тем, что такие сигналы создают условия и вызывают локальный перегрев перехода транзистора. Дан ное явление ведет к возникновению в транзисторе токов утечки, а также к их значительному росту. Примечатель но, что ситуация не меняется, если даже причина давно исчезла. В таком случае говорят, что транзистор был «по догрет», а возникший эффект проявляется и остается в виде «непонятного» ухудшения разрешения. Следует за метить, что не меньшую опасность представляет мгновен ное снятие или подача питания на детектор, а также ко роткое его замыкание или пробой. Результатом всех этих процессов является почти 100% ная утрата работоспособ ности предусилителя, вызванная разрушением полевого транзистора на входе устройства.