Устройство для регистрации ядерных излучений (его варианты)

 

Изобретение относится к устройству для регистрации ядерных излучений , например германиевому детектору, соединенному с зарядочувствительным предусилителем, входная секция которого находится под высоким потенциалом. Этот факт определяет оригинальную схему обратной связи для восстановления напряжения на входе полевого транзистора. Для определения момента подачи импульса восстановлег ия контролируется не выходное напряжение входной секции зарядочувствительного предусилителя,- а проинтегрированное выходное напряжение выходной СЕКЦИИ предусилителя. В первом варианте устройства импульс восстановления подается в исток полевого транзистора через емкость и низкоомное сопротивление нагрузки импульсного трансформатора . Из-за того, что в схеме отсутствуют сопротивление обратной связи И нагрузочное сопротивление детектора (и соответственно их шумовой вклад в импульс детектора) шумовой вклад низкоомного истокового резистора мал, в результате повьшается энергетическое разрешение устройства (на 10%). Повышается также загрузочная способность устройства (на 20%) из-за того, что на выходе зарядочувствительной секции имеют прямоугольную форму (отсутствует сопротивление обратной связи), а на выходе предусилителя - ст Ього однополярную форму с одной зкспонентой. Второй вариант отличается тем, что импульс восстановления подается в базу транзистора в каскаде с общей базой, а через него - в сток полевого транзистора. 2с. п. ф-лы, 3 ил.. i (/

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ow nu (51) 4 G 01 Т 1 24.ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3848331/24 — 25 (22) 17.01.85 (46) .07.07.86. Бюл. М - 25 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) А.Е.Банифатов, А.И.Калинин и В.К.Тюпиков (53) 539.1.076(088.8) (56) Landis D.À. at al> Pulsed teed

back tecniques for Semiconductor detector spectrometers. — IEEE Trans.

on Nucl. Sci., Я S-18, N 1 (1971), p.- 115.

Elad Е. FET preamplisiers for Semiconductor radiotion detectors,ISPRA Nuclear Electronics Symposium, 1969, р. 34, Fig 15 а.

Авторское свидетельство СССР

У 1107668, кл. G 01 Т 1/24, 1984. (54). УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) Изобретение относится к устройству для регистрации ядерных излучений, например германиевому детектору, соединенному с зарядочувствительным предусилителем, входная секция кото,.рого находится под высоким потенциалом. Этот факт определяет оригинальную схему обратной связи для восстановления напряжения на входе полевого транзистора. Для определения момента подачи импульса восстановления контролируется не выходное напряжение входной секции зарядочувствительного предусилителя, а проинтегрированное выходное напряжение выходной сЕкции предусилителя. В первом варианте устройства импульс восстановления подается в исток полевого транзистора через емкость и ниэкоомное сопротивление нагрузки импульсного трансформа тора. Из-за того, что в схеме отсутствуют сопротивление обратной связи и нагрузочное сопротивление детектора (и соответственно их шумовой вклад в импульс детектора) шумовой вклад низкоомного истокового резистора мал, в результате повышается энергетическое разрешение устройства (на 10%). Повышается также загрузочная способность устройства (на 20%) из-за того, что импульсы на выходе зарядочувствительной секции имеют прямоугольную форму (отсутствует сопротивление обратной связи), а на выходе предусилителя строго однополярную форму с одной экспонентой. Второй вариант отличается тем, что импульс восстановления подается в базу транзистора в каскаде с общей базой, а через него — в сток полевого транзистора. 2 с. и. ф-лы, 3 ил..

1 12428

Изобретение относится к области регистрации ядерных излучений и может быть использовано в физических экспеч риментальных, связанных с применением полупроводниковых детекторов. 5

Целью изобретения является повышение энергетического разрешения и загрузочной способности устройства для регистрации ядерных излучений.

На фиг.1 и 2 схематично изображе- 19 на функциональная схема вариантов устройства, на фиг.3 — эпюры напряжений в характерных точках.

Устройство содержит германиевый детектор 1, высоковольтный источник 2 15 питания детектора, изолированный источник 3 питания, зарядочувствительной секции, зарадочувствительную секцию 4 предусилителя, входной полевой транзистор 5, конденсатор 6 обратной щ связи, выходную секцию 7, конденсатор

8 и резистор 9 дифференцирующей цепи, предусилитель 10, транзистор 11 в каскаде с общей базой, разделительный резистор 12, диоды 13 и 14, управляе- 25 мый интегратор 15, дискриминатор 16, задержку 17, генератор 18 импульсов, истоковый конденсатор 19, низкоомный резистор 20, истоковый резистор 21, импульсный трансформатор 22, а также Зо базовый конденсатор 23 и базовый низкоомный резистор 24.

Детектор 1 (фиг.1) соединен непа" средственно с затвором входного полевего транзистора 5. Зарядочувствительная секция 4 питается от изолированного источника 3 питания. Этот источник питания изолирован как от внешнего корпуса, так и от сети питания.

Отрицательный вывод высоковольтного источника 2 соединен с отрицательным выводом изолированного источника питания.

Положительный полюс изолированного источника соединен через индуктивность45 со стоком полевого транзистора. Исток полевого транзистора через истоковый резистор 21 соединен с отрицательным полюсом изолированного источника питания. Кроме того, с истоком соединен истоковый конденсатор 19, который включен последовательно с низкоомным резистором. 20. Величина истокового резистора 21 порядка килоома, он служит для того, чтобы задать режимный ток полевого транзистора. Истоковый конденсатор, емкость которого около трех-пяти нанофарад, осуществляет ко. роткое замыкание истока на землю по высокой частоте. Низкоомный резистор

20 предназначен для того, чтобы подать импульс восстановления в исток транзистора. Величина этого, резистора не более .10 Ом, так как большая величина сопротивления приведет к увеличению шумового вклада. Импульсный трансформатор 22 включен для согласования выходного сопротивления кабеля с ниэкоомным резистором. Сток полевого транзистора через каскад с общей базой с транзистором 11 соединен со следующей усилительной секций зарядочувствительного предусилителя.

Выход зарядочувствительной секции

4 через,цифференцирующую цепь (емкость 8 и сопротивление 9) соединен со входом выходной секции 7, которая в данном случае представляет собой просто усилительный каскад (инвертирующий или неинвертирующий). Выход этого каскада является выходом предусилителя 10 и выходом устройства, с которого сигнал подается на спектрометрический усилитель и затем на аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, выходная секция через развязывающий резистор 12 соединена с первым входом управляемого интегратора 15.

Управляемый интегратор 15 представля- ет собой операционный усилитель, в цепи обратной связи которого включен конденсатор обратной связи, а параллельно этому конденсатору — полевой транзистор, затвор. которого используется для подачи сигнала управления, Могут быть и другие разновидности схем управляемого интегратора. Диоды

15 и 16 служат для ограничения выходного сигнала предусилителя.

В варианте устройства. на фиг.2 обратная восстанавливающая связь поцается также от генератора 18 импульсов, но через базовый конденсатор 23 и базовый низкоомный резистор 24 в базу транзистора 11 каскада с общей базой и через него в сток полевого транзистора 5.

Устройство работает следующим образом.

Изменение входного потенциала вызывает более сильное изменение потенциала ва выходе эарядочувствительной секции, поэтому верхний допустимый потенциал на затворе определяется моментом насыщения выходного каскада (фиг.3 эпюры 25 и 26). Чтобы не до1242869 пустить этого, необходимо при прибли, жении к верхней допустимой границе разряжать емкость затвора (и конденсатора обратной связи),.т. е. восстанавливать заряд на затворе. В обычных схемах импульсного восстановления для этого контролируют специальной схемой выходной потенциал зарядочувствительной секции. В данном случае, когда вся эта секция находится под высоким потенциалом, выходной потенциал контролировать непросто (еще сложнее вы.полнять всю схему восстановления под высоким потенциалом, так как для этого потребуется очень мощный изолированный источник питания этой схемы, и даже не один). Поэтому предлагается определять момент восстановления подругому.

Однополярные выходные сигналы пред- о усилителя ограничиваются диодами 13 и

14 (фиг.2, эпюра 27) и интегрируются в управляемом интеграторе (фиг.2, эпюра 28), Управляемый интегратор так . же, как и зарядочувствительная секция, 25 измеряет дозу ядерного излучения, поэтому, если подобрать соответствующий коэффициент передачи управляемого интегратора, моменты достижения максимального уровня в зарядочувствительной секции и в управляемом интеграторе будут одновременны. Порог срабатывания дискриминатора выбирают несколько ниже максимального уровня (фиг.2, эпюра 29) для того, чтобы не испортить последний пришедший сигнал. При этом момент включения импульса становления задерживают (фиг ° 2,. эпюра 30) после срабатывания дискриминатора на время, требуемое для формирования им» пульса в спектрометрическом усилите40 ле (несколько микросекунд). Однако импульс сброса интегратора снимается с выхода дискриминатора на управляе-, мый вход интегратора до.задержки для того, чтобы обеспечить заряд интегратора и подготовить его к измерению очередной дозы излучения.

Импульс восстановления формируется в генераторе импульсов, в нем же формируется несколько более длинный импульс запрета (фиг.2, эпюра 31), необходимый для того, чтобы исключить амплитудный анализ в течение времени восстановления предусилителя.

Процесс восстановления заряда на затворе и конденсаторе обратной связи в предусилителе происходит следующим образом.

Импульс восстановления после прохождения кабеля и импульсного трансформатора поступает в исток, имея отрицательную полярность. При этом переход затвор-исток полевого транзистора открывается, и в течение длительности импульса восстановления происходит частичный перезаряд емкости детектора, причем изменение потенциала на емкости детектора соответствует амплитуде импульса восстановления, за вычетом падения напряжения на самом переходе затвор-исток. Такимобразом, чтобы осуществитьперезаряд емкости детектора трубуется подать

I в исток отрицательный импульс (на низкоомном сопротивлении) порядка одного вольта. Длительность импульса определяется временем перезаряда емкости детектора, которую грубо можно опред лить по следующей формуле: НС

Т

Р) Т У где дП вЂ” требуемое изменение потенц ала на детекторе, С вЂ” емкость детектора, — импульсный ток заряда в течение времени восстановления

Пусть AU = 0,1 В, С = 20 пФ,I =

10 мкА, тогда Т = 0,2 мкс.

Как только импульс восстановления окончится, полевой транзистор войдет в свой нормальный режим, но потенциал на затворе изменится в отрицательную сторону на О, 1 В и это приведет к требуемому изменению выходного потенциала зарядочувствительной секции. Далее снова будет идти регистрация импульсов детектора.и поступление заряда (вместе с сигнальными импульсами тока) в затвор полевого транзистора . Скорость измерения потенциала на затворе и на выходе .зарядочувствительной секции определяется интенсивностью радиоактивного источника. Можно показать, что даже при нагрузке 10 имп/с от ис5 точника с энергией 1 МэВ интервал между импульсами восстановления будет не менее 50 мкс, а это означает, что потеря времени на восстановление невелика.

Низкоомный резистор, включенный в цепь истока, является источником шума, поэтому его сопротивление нужно выбирать как можно меньше. Шумовой вклад этого резистора можно уменьшить, если параллельно первому входному полевому транзистору включить второй полевой транзистор. При этом во втором

1242869 транзисторе низкоомный резистор не включается, так как для подачи импульса восстановления достаточно использовать один транзистор.

Второй вариант устройства работает так же, как, первый. Отличие состоит н том, что импульс восстановления подается не в исток, а через биполярный транзистор в сток. При этом им- 10 пульс восстановления, также отрица.тельной полярности, но амплитуда этого импульса больше, так как исходное напряжение на стоке выше, чем напря— жение на затворе. Для открывания перехода затвор-сток потребуется около

5 В. Преимущество этого варианта в том, что низкоомный резистор, на который подается импульс восстановления, включен в цепь базы биполярного тран- 2б зистора, второго от входа, поэтому шумовой вклад от резистора ничтожный. Кроме того, в этом варианте импульсный трансформатор можно исключить из схемы, так как сопротивление низкоом- pg ного базового резистора равно 50 Ом.

Таким образом, применение предлагаемого устройства по сравнению с известным дает повышение энергетического разрешения, так как. нет резистора обратной связи и вообще нет никаких элементов на затворе, кроме детектора и конденсатора обратной связи, повышение загрузочной способности устройства, так как импульс на выходе предусилителя имеет строго однополярную форму с одной экспонентой. Кроме того, нет необходимости производить прецизионную настройку компенсации полюса нулем. (В известном устройстве такая настройка осуществлялась в выходном .усилителе-интеграторе).

Реальное улучшение энергетического разрешения составляет (0,2-0,3) кэВ, на уровне (2-2,5) кэВ, т. е. около

10Х, а повышение загрузочной способности по сравнению с известным устройством — не менее 20%, Формула изобретения

1. устройство для регистрации ядер ных излучений, включающее в себя германиевый детектор с заземленным като, дом, высоковольтный источник питания детектора, изолированный от сети источник питания зарядочувствительной секции предусилителя, и предусилитель, в сос.тав которого входят зарядочувствительная секция с полевым транзистором на входе, каскадом с общей базой, и конденсатором обратной связи, соединяющим выход зарядочувствительной секции с затвором полевого транзистора, и выходная секция, выход которой является выходом устройства, соединенная с. зарядочувствительной секцией с помощью дифференцирующей цепи, причем сигнальный вывод германиевого детек,тора соединен непосредственно с затвором полевого транзистора, выводы подачи положительного и отрицательного питания зарядочувствительной секции предусилителя подключены к соответствующим выводам изолированного источника питания зарядочувствительной секции предусилителя, отрицательный полюс высоковольтного источника питания детектора соединен с отрицательным выводом источника питания зарядочувствительной секции предусилителя, а положетеЛьный вывод высоковольтного источника питания детектора заземлен, эмиттер транзистора в каскаде с общей базой соединен со стоком полевого транзистора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения энергетического разрешения и загрузочной способности устройства, в него дополнительно введены истоковый резистор и конденсатор, низкоомный резистор, импульсный трансформатор, разделительный резистор, два диода, управляемый интегратор, дискриминатор, задержка и генератор импульсов, причем исток полевого транзистора через истоковый резистор соединен с отрицательным полюсом источника питания зарядочувствительной секции предусилителя, а через истоковый конденсатор соединен с низкоомным резистором и с первым выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора, а другой конец низкоомного резистора, второй вывод вторичной обмотки и первый вывод первичной обмотки трансформатора заземлены, выход устройства соединен с разделительным резистором, другой конец которого соединен с первым входом управляемого интегратора и с двумя диодами, противоположные выводы которых заземлены, выход управляемого интегратора соединен с входом дискри— минатора, а выход этого дискриминатора соединен с задержкой и вторым входом управляемого интегратора, восход

7 1242 задержки соединен с входом генератора импульсов, один из выходов которого соединен с вторым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, а другой является выходом для подачи сигнала "Запрет" в аналого-циф— ровой преобразователь.

2. Устройство по п.1, включающее в себя германиевый детектор с заземленным катодом, высоковольтный источ- 10 ник питания детектора, изолированный от корпуса и от сети источник питания зарядочувствительной секции предусилителя и предусилитель, в состав которого входят зарядочувствительная 15 секция с полевым транзистором на входе, каскадом с общей базой и конденсатором обратной связи, соединяющим выход зарядочувствительной секции с затвором полевого транзистора, и вы- 2О ходная секция, выход которой является выходом устройства, соединенная с зарядочувствительной секцией с помощью дифференцирующей цепи, причем сигнальный вывод германиевого детектора со- 25 единен непосредственно с затвором полевого, транзистора, выводы. подачи положительного H отрицательного питания зарядочувствительной секции предусилителя подключены к соответствующим выводам изолированного источника питания зарядочувствительной секции предусилителя, отрицательный полюс высоковольтного источника питания детектора соединен с отрицательным выводом 35

869 8 источника питания зарядочувствительной секции предусилителя, а положительный вывод высоковольтного источника питания детектора заземлен, эмиттер транзистора в каскаде с общей базой соединен со стоком полевого тран; зистора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения энергетического разрешения и загрузочной способности устройства, в него дополнительно введены базовый конденсатор и базовый низкоомный резистор, разделительный резистор, два диода, управляемый интегратор, дискриминатор, задержка и генератор импульсов, причем базовый конденсатор одним концом соединен с базой транзистора, а другим — с базовым низкоомным резистором, противоположный конец которого эаземлен, выход устройства соединен с разделительным резистором, другой конец которого соединен с первым входом управляемого интегратора и с двумя диодами, противоположные выводы которых заземлены выход управляемого интегратора.соединен с входом дискриминатора, выход этого дискриминатора соединен с втбрым входом управляемого интегратора и с входом задержки, выход которой соединен с входом генератора импульсов, один из выходов которого соединен с базовым низкоомным резистором, а другой является выходом для подачи сигнала "Запрет" в аналого-цифровой преобразователь.

f242869

1242869

1242869 прел

Составитель M.Äàèèëîâ

ТехРед М.Ходанич Корректор А.Тяскс

Редактор Н.Егорова

Заказ 3700/44 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4