Работа 2.3 Оптимизация электронного тракта полупроводникового спектрометра гамма излучения

Цель работы - изучение искажений информации в электронном тракте спектрометра энергий гамма квантов и приемов настройки электронного тракта.

Введение

Электронный тракт спектрометра [13] представляет собой совокупность аппаратуры, приема и преобразования токового сигнала от детектора в цифровой код. Структурная схема полупроводникового спектрометра показана на рис. 2.3.1. В ней выделены три основных функциональных блока: собственно ППД, зарядочувствительный предварительный усилитель (ЗЧПУ) и линейный усилитель формирователь (ЛУФ).

Возможности детектора могут быть реализованы только при соответствующем конструировании и настройке электронного тракта. Работа отдельных блоков в спектрометре взаимосвязана, условия достижения наилучших значений их параметров неоднозначны и выявляются эмпирической оценкой качества спектрометра.

Ge(Li)-детектор выполнен в виде отдельного блока, который находится в криостате в условиях высокого вакуума при температуре жидкого азота. Входной каскад с полевым транзистором конструктивно объединен с ППД и также помещен в криостат.

При прохождении ионизирующей частицы через чувствительный объём детектора в нем возникают носители заряда, число которых пропорционально поглощенной энергии, и формируются соответствующие этим зарядам сигналы.

Зарядочувствительный предварительный усилитель (ЗЧПУ), условная упрощенная схема которого приведена на рис. 2.3.1, предназначен для оптимального согласования ППД со входом спектрометрического тракта. Интегрированный с ППД входной каскад ЗЧПУ увеличивает отношение сигнал/шум, по крайней мере, в 10 раз по сравнению с той же величиной для схемы с токовым съёмом сигнала (токовый повторитель - кабель - усилитель). Этим обстоятельством объясняется преимущественное использование ЗЧПУ в спектрометрах с ППД.

Заряд q, возникший в чувствительном объёме детектора, собирается под действием приложенного к детектору электрического поля и передаётся на входной каскад ЗЧПУ. Во входном каскаде, как правило, используется полевой транзистор, которому присущи исключительно высокое входное сопротивление и высокая крутизна преобразования управляющего напряжения в ток, что способствует снижению уровня шумов на входе ПУ.

ЗЧПУ, изображенный на рис. 2.3.1, является интегратором тока (инвертирующим усилителем с глубокой отрицательной обратной связью через цепочку R_ОСC_ОС), преобразующим возникающий в детекторе заряд q в пропорциональное напряжение на его выходе:

, ( 2.3.1)

где К_У - коэффициент усиления У1 с разомкнутой цепью обратной связи (К_У = 10³ … 3 10⁴).

Наиболее важные характеристики ЗЧПУ: Q - коэффициент преобразования заряда в выходное напряжение и ΔE_Ш - уровень шумов, приведенный ко входу предусилителя.

Коэффициент преобразования заряда в выходное напряжение выражается соотношением:

(2.3.3)

в предельном случае, когда (C_Н +С_ОС)/К_У << C_OC, Q достигает величины 10¹³… 10¹² В/Кл или (500 – 50) мВ/МэВ.

Ø U_СМ Ø U_ВУ

R_OC

ППД и входной каскад

ЗЧПУ в криостате

R_КПН C_OC

ЛУФ

i_ВХ С_Д

i_T

У1

R_Н С_Н i_ВЫХ

R_Д

ЗЧПУ

Рис. 2.3.1 Структурная схема спектрометрического тракта с ЗЧПУ.

C_ОС и R_ОС - емкость и сопротивление, соответственно, в цепи обратной связи интегратора (C_ОС ≈ 0,1…1 пФ, R_ОС ≈ 5.10⁹ Ом); R_Н и C_Н =C_ДЕТ +C_К +C_ВХ - соответственно, сопротивление и суммарная емкостная нагрузка детектора; С_ДЕТ - емкость детектора (С_ДЕТ ≈ 50..100 пФ ); С_К - емкость соединительного звена между детектором и предварительным усилителем (С_К ≈ 5 … 10 пФ);

С_ВХ - входная емкость предусилителя (С_ВХ ≈ 5 … 10 пФ). У1 - усилительная секции; С_Д , R_Д - элементы дифференцирующей цепочки. R_КПН - подстроечное сопротивление цепи компенсации полюса нулем. ЗЧПУ - зарядочувствительный предварительный усилитель. ЛУФ – линейный усилитель-формирователь.

Шумы ЗЧПУ определяются тремя основными источниками, перечисленными ниже в порядке уменьшения величины их вклада:

• флюктуациями i_ВХ - входного тока ЗЧПУ,

• тепловыми флюктуациями i_Т - тока через R_Н ,

• флюктуациями i_ВЫХ - выходного тока ЗЧПУ.

Линейный усилитель – формирователь (ЛУФ) предназначен для увеличения амплитуды импульсов до нескольких вольт, что необходимо для эффективного преобразования амплитуды в цифровой код в АЦП. Для оптимизации отношения сигнал/шум в ЛУФ включают сопротивление для компенсации полюса нулем, дифференцирующие и интегрирующие цепи. Дифференцирующая цепь подавляет низкочастотные составляющие (шума и полезного сигнала), а интегрирующая - высокочастотные. Через систему формирователей пропускается некоторая ограниченная полоса частот, характерная для полезных сигналов. Таким образом, повышается отношение сигнал/шум. Необходимым условием оптимального формирования является равенство τ_И = τ_Д в ЛУФ.

Уровень шумов спектрометрического тракта принято характеризовать энергетическим эквивалентом ПШПВ_Ш - полной шириной на половине высоты пика полного поглощения, выраженным в единицах энергии регистрируемого излучения, создающего на выходе спектрометрического тракта сигналы с амплитудой, равной амплитуде сигналов шума. Если Δ_Ш - стандарт распределения шумов, выраженный в энергетических единицах, то ПШПВ_Ш = 2,36 Δ_Ш.

Ниже приведена формула [14] для энергетического эквивалента шума (ПШПВ_Ш) изображенного на рис. 2.3.1 спектрометрического тракта с постоянными времени интегрирования τ_И = R_ИC_И и дифференцирования τ_Д = R_ДC_Д (τ_И = τ_Д) при наличии перечисленных выше основных источников шума. В формулу входят параметры детектора, ЗЧПУ и постоянных времени формирования линейного усилителя:

, (2.3.3)

где: е - заряд электрона;

i_ВХ и i_ВЫХ - входной и выходной токи ЗЧПУ;

С_Н и R _Н - емкость и сопротивление нагрузки детектора;

S - крутизна характеристики полевого транзистора в ЗЧПУ;

W - средняя энергия, расходуемая на образование одной пары носителей заряда (электрона и дырки в кристалле);

τ_И = τ_Д - постоянные времени (равные) интегририрующей и дифференцирующей цепочек (τ_И = τ_Д = 0,5 .. 12 мкс);

Соотношение (2.3.3) позволяет сформулировать правила, которыми целесообразно руководствоваться при компоновке и настройке электронного тракта спектрометра с ППД, чтобы достигнуть минимального уровня шумов:

• объединяют конструктивно ЗЧПУ с ППД, что уменьшает емкость переходного звена С_К до 0,5 … 1,0 пФ;

• используют в ЗЧПУ полевой транзистор с максимальной крутизной характеристики S и минимальным входным током i_ВХ;

• настраивают тракт, подбирая величины τ_И = τ_Д таким образом, чтобы достигнуть минимального значения ПШПВ_Ш.

В процессе настройки тракта производится минимизация суммарного влияния электронных шумов и, так называемого, индукционного эффекта [15]. Этот эффект обусловлен различием подвижности отрицательных и положительных носителей заряда. Он проявляется как зависимость постоянной времени собирания носителей заряда от места возникновения первичного быстрого электрона в чувствительном объеме ППД или как зависимость амплитуды сигнала на выходе усилителя от постоянной времени формирования τ_И = τ_Д. Влияние индукционного эффекта становится пренебрежимо малым при τ_И = τ_Д ≥ 5 мкс.

Помимо рассмотренных существуют и другие факторы, ухудшающие разрешающую способность ППД:

• наложение исследуемых сигналов друг на друга;

• процессы перезарядки C_Д и C_И при прохождении однополярных сигналов через спектрометрический тракт.

При случайном наложении исследуемых сигналов друг на друга предшествующий сигнал становится пьедесталом для последующего (см. рис. 2.3.3). Это обстоятельство вызовет деформацию пика полного поглощения в сторону высоких энергий (предполагается, что сигналы однополярные, положительные). Дифференцирование сигнала уменьшает его длительность и вероятность наложений, однако полностью не решает этой проблемы, особенно при повышенной частоте поступления сигналов.

Перезарядка C_Д вызывает появление отрицательного хвоста на заднем фронте импульса. Наложения сигналов на отрицательный выброс уширяет пик полного поглощения. Введение сопротивления R_КПН ≈ R_Д параллельно C_Д (см. рис. 2.3.1) позволяет ускорить переходный процесс и предотвратить появление отрицательного выброса ценой некоторого удлинения заднего фронта импульса. Процедуру подбора величины R_КПН называют компенсация полюса нулем (см. рис. 2.3.3).

V

Наложение импульсов

ΔV – смещение за счет наложения

ΔV

ΔV ΔV

Смещение нулевой линии

ΔV – величина смещения

ΔV

t

Без компенсации полюса нулем

С компенсацией полюса нулем

t

Р и с. 2.3.3. Диаграммы импульсов в спектрометрическом тракте. Полярности импульсов указаны условно.

Перезарядка C_И вызывает появление постоянной составляющей - смещение нулевой линии на выходе У3. Эта постоянная составляющая становится пьедесталом для всех измеряемых сигналов и вызывает смещение пика полного поглощения. Проблема усугубляется при повышенной интенсивности регистрируемого излучения и, соответственно, повышенной вероятности наложений сигналов (см. рис. 2.3.3).

Для борьбы с последствиями наложений сигналов применяют пассивные и активные средства.

К числу пассивных относят укорачивание сигналов посредством дифференцирования, формирование биполярного сигнала, а также ликвидация отрицательного выброса на заднем фронте импульса методом компенсации полюса нулем. Пассивные меры эффективны при не очень высокой загрузке тракта, когда потенциалы на ёмкостях C_И и C_Д успевают восстанавливаться к моменту прихода следующего импульса. Если восстановление не произошло, то возникает смещение нулевой линии - к амплитуде импульса добавляется некоторая постоянная составляющая, величина которой зависит от случайного значения потенциалов на C_И и C_Д в момент прихода импульса, что вызывает ухудшение разрешения спектрометра и смещение пиков полного поглощения.

Для расширения диапазона интенсивности исследуемых сигналов разработаны активные устройства - восстановители постоянной составляющей и режекторы наложений. Последние предназначены для исключения из анализа импульсов с наложениями и автоматической стабилизации нулевой линии. Эти устройства включаются в профессиональные спектрометрические комплексы.

Какую величину ПШПВ_Ш можно считать допустимой? При формулировании ответа на этот вопрос следует сопоставлять энергетический эквивалент шума с энергетическим разрешением современных ППД, составляющим несколько сотен эВ (ПШПВ_ППД ≈ 0,4 кэВ при 122 кэВ; см. табл. 2.2.1 на стр. 28 ). Учитывая тот факт, что

, (2.3.4)

то можно считать допустимым ПШПВ_Ш не превышающий 0,5 кэВ.

Хорошие ЗЧПУ имеют уровень шума 0,5 кэВ, в лучших образцах современных ЗЧПУ уровень шумов приближается к теоретическому пределу 80 … 100 эВ. Однако эту величину не следует считать нижней границей анализируемого спектра гамма-квантов. Она определяется потерями энергии в оболочке и "мертвом слое" ППД. и может достигать 5 …10 кэВ, даже если в оболочке имеется окно, изготовленное из ⁹Ве - вещества слабо поглощающего гамма кванты.