Способ определения энерговыделения в детекторе

 

Изобретение относится к технике физического эксперимента, в частности к методике спектрометрических измерений с полупроводниковыми детекторами ядерных излучений. Цель изобретения - упрощение способа, а также увеличение быстродействия и точности измерения. Способ основан на компенсации баллистического дефицита амплитуды измеряемого импульса, имеющего на выходе усилителя квазитреугольную форму, путем введения амплитудной добавки ΔA, которую находят следующим образом. Определяют момент окончания длительности импульса тока в детекторе, измеряют и запоминают в том момент мгновенную величину A_n квазитреугольного импульса. Величину амплитудной добавки находят из соотношения ΔA=mA_n, где m = 0,5 для прямоугольной формы импульса тока детектора. 4 ил.

Изобретение относится к технике физического эксперимента, в частности к методике спектрометрических измерений с полупроводниковыми детекторами ядерных излучений. Целью изобретения является упрощение способа, а также увеличение быстродействия и точности измерения. На фиг. 1 изображены выходные импульсы усилителя А₁(t) и А₂(t) квазитреугольной формы; на фиг. 2 - входные импульсы спектрометрического усилителя одинаковой амплитуды, т. е. одинаковой входной энергии, причем первый импульс имеет время собирания I_с1, а второй - I_с2; кроме того, пунктиром изображены выходной А_o(t) и соответствующий ему входной импульсы при I_c = 0 (в этом идеализированном случае выходной импульс имеет строго треугольную форму); на фиг. 3 - электрическая схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 4 - эпюры напряжений в характерных точках электрической схемы. Изобретение основано на компенсации баллистического дефицита. Эффект баллистического дефицита при измерении амплитуды импульсов возникает вследствие того, что время собирания (длительность импульса тока) полупроводниковых детекторов флуктирует в зависимости от места взаимодействия ядерного излучения с кристаллом детектора. В результате амплитуда импульса на выходе спектрометрического усилителя также флуктирует. В германиевых детекторах время собирания изменяется от 20 до 200 нс и это приводит к флуктуациям амплитуды до 1-5% (при оптимальной длительности импульсов с точки зрения отношения сигнала к шуму), тогда как сами спектрометрические измерения необходимо проводить с точностью около 0,1% . На практике для уменьшения эффекта баллистического дефицита умышленно формируют более длинные импульсы, но увеличение длительности импульса, например, в 2 раза по сравнению с оптимальной означает уменьшение загрузочной способности в такое же число раз и некоторое ухудшение точности измерения. Как видно из графиков (с. фиг. 1), чем больше время собирания, тем меньше выходная амплитуда импульсов и тем больше баллистический дефицит ΔА₁, Δ А₂. Задача компенсации баллистического дефицита сводится к определению амплитудной добавки ΔА₁, ΔА₂, которую необходимо добавить к измеренной амплитуде, чтобы получить величину импульса, соответствующую нулевому времени собирания. Решение данной задачи для квазитреугольного импульса облегчается рядом особенностей этой формы импульса. Так передний фронт квазитреугольного импульса состоит из трех частей: параболической нарастающей части, линейно нарастающей части и параболической вершины. Параболическая нарастающая часть продолжается в течение всего времени собирания Тс в детекторе, и при этом величина импульса изменяется от нуля до А_n. Параболическая вершина квазитреугольного импульса в точке максимума не достигает максимальной амплитуды исходного треугольного импульса на величину дефицита, равную ΔА = mA_n, причем, если входной импульс имеет линейно нарастающий фронт, как показано на фиг. 2, что соответствует прямоугольной форме импульса тока, то m = 0,5 и ΔА = 0,5 А_n. В случае другой формы импульса тока m = 0,4-0,6. Таким образом, для определения амплитудной добавки достаточно измерить величину импульса в момент окончания времени собирания и взять от этой величины определенную часть, например, половину, в случае прямоугольного импульса тока в детекторе. Процедура определения амплитудной добавки проще, чем в известном способе, так как не требуются операции умножения и возведения в квадрат, и поэтому точность определения добавки выше. Кроме того, в данном способе точность измерения временного интервала - основного параметра, определяющего величину коррекции, - существенно выше. Это связано с тем, что здесь требуется найти момент окончания четко определенного импульса тока. В известном же способе измеряется временной сдвиг относительно вершины несуществующего импульса, вследствие чего производится измерение наносекундного сдвига после микросекундной задержки. При этом окончание временного интервала определяется моментом прохождения пикового значения пологой вершиной, что также не может быть измерено с высокой точностью. Более высокое быстродействие настоящего способа определяется тем, что измерение момента окончания импульса тока и самой амплитудной добавки производится существенно раньше, чем появится вершина импульса. Таким образом, основные отличительные признаки изобретения состоят в том, что определяют момент окончания длительности импульса тока в детекторе, измеряют и запоминают в этот момент мгновенную величину квазитреугольного импульса, находят амплитудную добавку из соотношения ΔА = mA_n. Схема устройства для реализации способа показана на фиг. 3. Входной сигнал поступает на вход усилителя 1 с формирователем импульсов квазитреугольной формы. Кроме усилителя 1 схема содержит узел 2 активного дифференцирования, состоящий из операционного усилителя и пассивных элементов R₁ и С₁, пассивную дифференцирующую цепь 3 из элементов С₂, R₂ компаратор 4 напряжения, элемент 5 задержки, устройство 6 выборки-хранения, (УВХ), аналоговый сумматор 7, включающий в себя операционный усилитель и резисторы R₃ и R₄. Временные диаграммы 8-15 сигналов показаны на фиг. 4 в точках наблюдения 8-15 фиг. 3. Устройство работает следующим образом. Выходной сигнал усилителя 1 (диаграмма 9) имеет квазитреугольную форму, причем амплитуда этого сигнала зависит от времени нарастания входного сигнала (диаграмма 8). В идеальном случае, если бы время нарастания было равно 0 (это показано на диаграммах 8 и 9 пунктиром), выходной сигнал усилителя имел бы форму импульса, близкую к треугольной, и максимальную амплитуду. С увеличением времени нарастания входного сигнала амплитуда выходного сигнала падает и форма импульса искажается. Входной сигнал одновременно с усилителем поступает на узел 2 активного дифференцирования, на выходе которого формируется прямоугольный импульс, равный по длительности времени нарастания входного сигнала (диаграмма 10). Этот импульс дифференцируется пассивной дифференцирующей цепью 3 из элементов С₂, R₂, постоянная времени которой короче дифференцируемого импульса. Второй импульс на выходе этой цепи (диаграмма 11) соответствует окончанию времени нарастания входного сигнала усилителя. Этот момент времени фиксируется последующим компаратором 4 напряжения, на выходе которого вырабатывается стандартный по амплитуде и короткий по времени сигнал (диаграмма 12). Этот сигнал стробирует УВХ 6, на вход которого поступает выходной сигнал усилителя. На выходе УВХ возникает напряжение (диаграмма 14), соответствующее выходному импульсу усилителя в момент окончания времени нарастания входного импульса усилителя или, что одно и то же, окончанию импульса тока в детекторе. Аналоговый сумматор 7 производит суммирование выходного импульса усилителя с напряжением "пьедестала" на выходе УВХ. Резисторы R₃ и R₄ определяют веса, с которыми производится суммирование. В результате сложения на выходе аналогового сумматора 7 формируется импульс с увеличенной амплитудой, равной амплитуде треугольного импульса (диаграмма 15). Импульс после задержки в элементе 5 осуществляет сброс УВХ, когда импульс усилителя окончится (диаграмма 13). УВХ - известный функциональный узел, широко используемый в электронике для фиксации мгновенных значений изменяющихся во времени сигналов. Единственное требование к этому узлу в данной схеме - он должен быть достаточно быстродействующим. Типичное время собирания в полупроводниковых детекторах 50-200 нс, поэтому время выборки УВХ должно быть порядка 20-30 нс. Это легко реализуется, так как известны УВХ с временем выборки 1 нс. Все остальные узлы устройства также легко выполнимы. В частности, узел активного дифференцирования и аналоговый сумматор можно выполнить на операционных усилителях У544УД2, компаратор напряжения - на микросхеме К554СА2. Элемент задержки можно использовать любого типа, так как время задержки некритично. Таким образом, внедрение настоящего метода компенсации позволит повысить энергетическое разрешение на 40-60% (сравнительно с использованием типичного спектрометрического усилителя без компенсации дефицита), а также работать при постоянной времени около 1 мкс (вместо 2 мкс), т. е. повысить загрузочную способность в 2 раза. Преобразование исходного треугольного импульса А_о(t) в квазитреугольный А(t) описывается интегралом свертки: A(t) = h(t)A_o(t-τ)dτ. где h(t) - импульсная характеристика входного сигнала, равная производной от входного сигнала Uвх(t) и совпадающая с формой импульса тока; τ- постоянная времени формирования. Для входного сигнала, изображенного на фиг. 2, h(t) представляет собой прямоугольник длительностью Т_с. Передний фронт исходного импульса треугольной формы, показанного на фиг. 1 пунктиром, описывается линейной функцией А_о(t) = kt. Решая интеграл свертки, находят параболическую часть квазитреугольного импульса А(t) = k которая в момент окончания импульса тока выражается формулой A_n = k . Нетрудно заметить, что максимум квазитреугольного импульса смещен на Δt= относительно максимума треугольного импульса. Отсюда находят величину дефицита ΔА: ΔA = 2·A = 2K = . (56) Балдин С. А. и др. Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами. М. : Атомиздат, 1974, с. 94-96. F. S. Goulding, D. A. Landis. IEEE. Trans. on Nucl. Sci. , 1988, v. NS-35, N 1, р. 120-124.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В ДЕТЕКТОРЕ, включающий компенсацию флуктуаций времени собирания зарядов путем введения амплитудной добавки в измеряемый импульс квазитреугольной формы, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, а также увеличения быстродействия и точности измерения, определяют момент окончания длительности импульса тока в детекторе, измеряют и запоминают в этот момент мгновенную величину А_п квазитреугольного импульса, а величину амплитудной добавки находят из соотношения Δ A= mA_п, где m - коэффициент, равный для прямоугольной формы импульса тока в детекторе 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3