Для генерации требуемого напряжения в NIM-источниках напряжения смещения часто используют электронный ключевой преобразователь. Он создает высокочастотную помеху, которая может проникнуть в предусилитель и вызвать значительное ухудшение качества спектра. Эта проблема может быть решена с помощью тщательного заземления и использования экранированного кабеля. Помеха, генерируемая источником питания, может также вызвать ложные сигналы в цепи режекции наложений импульсов детекторов. Источник напряжения смещения фотоумножителя, даже не NIM-типа, может быть источником высоко- частотной помехи. Обычно самым полезным помощником для определения наличия мешающей электрической помехи от какого-либо источника является осциллограф.

Заметим, что источники напряжения смещения детектора могут быть смертельно опасными для человека. Необходимо быть внимательным, особенно при работе с источниками с высокими значениями тока, которые подают напряжение на ФЭУ. Сотрудникам, которым обычно приходится работать с низким напряжением, низкой мощностью и транзисторными цепями, необходимо осознавать опасность, связанную с использованием мощных источников питания.

4.4 ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ

Для германиевых и кремниевых детекторов требуются предусилители, которые также нужны для улучшения характеристик сцинтилляционных детекторов NaI. Выходной сигнал детектора обычно является коротким по времени импульсом тока с низкой амплитудой; обычный импульс может иметь амплитуду, равную 10 мВ и длительность – 200 нс. Предусилитель преобразует этот импульс тока в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии, потерянной гамма-излучением в процессе взаимодействия с детектором. Для того чтобы получить максимальное отношение сигнал/шум и сохранить информацию относительно энергии гамма-излучения, предусилитель следует помещать как можно ближе к детектору. Близость предусилителя минимизирует емкость на входе предусилителя, уменьшая этим уровень выходного шума. Предусилитель также служит в качестве устройства, которое согласует высокий импеданс детектора и низкий импеданс коаксиального кабеля, который передает основному усилителю усиленный сигнал детектора. Усилитель и предусилитель могут быть разнесены друг от друга на расстояние в несколько сотен метр ов.

Так как детектор и предусилитель должны располагаться близко друг к другу, предусилитель часто находится в неудобном месте, окруженном защитой, и недоступен в процессе использования. Большинство предусилителей не имеют внешнего управления; регулировка коэффициента усиления и формы импульса производится основным усилителем, который обычно находится в более удобном месте, близко к другим электронным устройствам системы. Из-за отсутствия внешнего управления, объем предусилителя составляет лишь несколько сотен кубических сантиметров. Когда предусилитель должен быть расположен внутри защиты детектора, его небольшой объем является достоинством. Предусилитель обычно помещают в небольшую прямоугольную коробку. Для одиночных детекторов NaI предусилитель часто встраивают в цилиндрический корпус, который содержит ФЭУ и панель для его включения. В последние годы предусилители

Ðèñ. 4.3. Детекторы, имеющие предусилители кольцевой, цилиндричес кой и прямоугольной формы

для германиевых и кремниевых детекторов упаковывали в кольцевую конфигурацию за крышкой криостата детектора. Такая конфигурация исключает использование неудобных коробок, которые выступают за криостат, и облегчает экранирование детекторов. На рис. 4.3 показаны основные конфигурации описываемых здесь предусилителей.

Хотя обычно предусилители почти не управляются, они имеют несколько разъемов. Обычно это один или два выходных разъема и один тестовый вход, че- рез который могут подаваться импульсы от электронного генератора импульсов для моделирования гамма-излучения с целью проверки работы предусилителя и других устройств обработки сигнала системы. Смоделированный пик гамма-из- лучения может дать хорошую оценку электронных потерь в системе (см. главу 5). Часто через вмонтированный в блок предусилителя разъем к детектору прикладывают напряжение смещения. Обычно для обеспечения питания предусилителя используется многоштырьковый разъем; питание часто поступает от основного усилителя. Некоторые предусилители для детектора NaI получают необходимое низкое напряжение от источника напряжения смещения дете ктора.

Выходной импульс предусилителя имеет форму быстро растущей положительной ступеньки, за которой следует медленный спад. Время нарастания импульса равно нескольким десятым микросекунды, а время спада изменяется от 50 до 100 мкс. Амплитуда быстро растущей ступеньки пропорциональна заряду, переданному на вход предусилителя, и поэтому пропорциональна энергии, потерянной гамма-квантом в детекторе. Длительное время спада приводит к тому, что второй импульс часто поступает до того, как спадет хвост предыдущего импульса. Этот эффект можно увидеть на рис. 4.4, на котором показаны выходные импульсы предусилителя от большого коаксиального германиевого детектора. Амплитуда быстро растущей ступеньки содержит важную информацию об энергии взаимодействия гамма-излучения. Она искажается только при чрезмерно высокой скорости потери энергии в детекторе, когда средний уровень постоянного тока предусилителя возрастает до такого уровня, что некоторые последующие быстро растущие ступеньки выходят за линейный диапазон усилите ля.

Ðèñ. 4.4. Выходные импульсы типового предусилителя германиевого детектора. Важная энергетическая информация содержится в амплитуде быстр о растущей ступеньки напряжения (0,5 мкс). Наложение импульсов на длинных хво стах (50 мкс) не искажает энергетическую информацию

Большинство производителей предлагают несколько моделей предусилителей, которые оптимизированы для различных типов детекторов. Такие параметры, как уровень шума, чувствительность, время нарастания импульса и пропускная способность (максимальная загрузка) могут отличаться для различных моделей. Максимальная загрузка обычно определяется как максимальный заряд в единицу времени (Кл/c), переданный от детектора на вход предусилителя. Для германиевых и кремниевых детекторов часто указывается эквивалентная энергия в единицу времени (МэВ/c). Если это число поделить на среднюю энергию гам- ма-излучения, получается максимальная скорость счета (или загрузка), с которой может справиться предусилитель.

Обычно можно выбрать всего несколько вариантов предусилителя для детектора NaI. Однако для германиевых детекторов существует несколько значительно отличающихся вариантов, выбор зависит от детектора и задачи измерения. Поскольку германиевые детекторы всегда продаются вместе с интегральным предусилителем, выбор должен быть сделан в момент покупки дете ктора.

В первом усилительном каскаде предусилителя германиевого детектора всегда применяется полевой транзистор из-за низкого шума. Когда появились первые германиевые детекторы, полевой транзистор работал при комнатной температуре, характерной для всего предусилителя. Однако, если полевой транзистор охлаждается вместе с кристаллом детектора, можно достичь лучшего разрешения. Существенное улучшение разрешения детектора достигается при энергиях ниже 200 кэВ. Сейчас имеются предусилители с полевыми транзисторами, работающими как при комнатной температуре, так и при охлаждении. Резистор обратной связи предусилителя и другие компоненты схемы могут быть расположены внутри криостата вместе с полевым транзистором и кристаллом детектора. Расплата за улучшение эксплуатационных характеристик состоит в том, что если полевой транзистор вышел из строя и должен быть заменен, необходимо вскрыть криостат, что обычно делается только производителем и обходится дорого для пользователя. Тем не менее, предусилители, которые используют охлаждаемые полевые транзисторы, сейчас настолько надежны и так хорошо защищены от высоковольтных помех, что транзисторы чрезвычайно редко выходят из строя. В результате, этот тип предусилителя сейчас является наиболе е распространенным.

Большинство производителей предлагают также высоко- и низкоскоростные варианты предусилителей. Эти варианты необходимы, поскольку нельзя оптимизировать разрешение детектора для высокой и низкой скоростей счета одновременно. Большинство детекторно-предусилительных блоков оптимизируются для работы при низкой скорости счета (< 10000 имп./c), поскольку это обеспечи- вает наилучшее разрешение. Если предполагается, что скорости счета будут превышать 50000 имп./с, от производителей надо потребовать оптимизации детектора для высоких скоростей счета.

Кристаллы германиевого детектора выполняются в планарной и коаксиальной геометриях; обозначение указывает на форму кристалла и расположение контактов, собирающих заряд. Небольшие планарные детекторы (< 10 см3) благодаря своей очень низкой электрической емкости, имеют шум ниже и разрешение лучше, чем большие детекторы. Чтобы получить наилучшее разрешение от небольших планарных детекторов, из предусилителя иногда удаляют резистор обратной связи. Однако без него время спада выходного импульса очень велико, и уровень выходного напряжения растет с каждым последующим импульсом. На рис. 4.5 показан сигнал на выходе предусилителя, который не имеет резистора обратной связи. При достижении максимально возможного уровня постоянного тока, предусилитель должен быть восстановлен с использованием импульсно-оп- тического или транзисторного методов. Однако импульс переустановки может насытить основной усилитель на несколько сотен микросекунд, и в этом случае спектрометр должен быть отключен, чтобы не анализировать неправильные импульсы. Из-за этих сложностей импульсно-оптические предусилители выбираются только тогда, когда абсолютно необходимо небольшое улучшение в разрешении. Импульсно-оптические предусилители имеют низкую пропускную способность, чаще только на уровне 5000 МэВ/c и не больше уровня 50000 МэВ/с,