Устройство для регистрации ядерных излучений (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G01T1/24 

Изобретение относится к области регистрации ядерн;:.гх излучений и может быть использовано в физических экспериментальных, связанных с применением полупроводниковых детекторов.

Целью изобретения является повьше- ние энергетического разрешения и загрузочной способности устройства для регистрации ядерных излучений.

На фиг.1 и 2 схематично изображена функциональная схема вариантов устройства, на фиг.З - эпюры напряжений в характерных точках.

Устройство содержит германиевый детектор 1, высоковольтный источник 2 питания детектора, изолированный источник 3 питания, зарядочувствитель- ной секции, зарадочувствительную секцию 4 предусилителя , входной полевой транзистор 5, конденсатор 6 обратной связи, выходную секцию 7, конденсатор 8 и резистор 9 дифференцирующей цепи, предусилитель 10, транзистор 11 в каскаде с общей базой, разделительный

20 в данном случае представляет собой просто усилительный каскад (инвертирующий или неинвертирующий). Выход этого каскада является выходом предусилителя 10 и выходом устройства, с

резистор 12, диоды 13 и 14, управляе- 25 которого сигнал подается на спектромый интегратор 15, дискриминатор 16, задержку 17, генератор 18 импульсов, истоковый конденсатор . 19, низкоомный резистор 20, истоковый резистор 21, импульсный трансформатор 22, а также базовый конденсатор 23 и базовый низкоомный резистор 24.

Детектор 1 (фиг.О соединен непосредственно с затвором входного поле- вего транзистора 5. Зарядочувствитель- ная секция 4 питается от изолированного источника 3 питания. Этот истрч-i ник питания изолирован как от внешнего корпуса, так и от сети питания. Отрицательный вывод высоковольтного источника 2 соединен t отрицательным выводом изолированного источника питания.

Положительный полюс изолированного источника соединен через индуктивность 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 кометрический усилитель и затем на аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, выходная секция через развязывающий резистор 12 соединена с первь

30 входом управляемого интегратора 15. Управляемый интегратор 15 представляет собой операционный усилитель, в цепи обратной связи которого включен конденсатор обратной связи, а парал35 лельно этому конденсатору - полевой транзистор, затвор.которого используется для подачи сигнала управления. Могут быть и другие разновидности схем управляемого интегратора. Диоды

40 15 и 16 служат для ограничения выходного сигнала предусилителя.

В варианте устройства, на фиг.2 обратная восстанавливающая связь подается также от генератора 18 импуль45 сов, 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.

50

55

Устройство работает следующим образом.

Изменение входного потенциала вызы вает более сильное изменение потенциала на выходе зарядочувствительной секции, поэтому верхний допустимый по тенциал на затворе определяется моментом насыщения выходного каскада (фиг.З, эпюры 25 и 26). Чтобы не дороткое 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 низкоомным резистором. Сток полевого транзистора через каскад с общей базой с транзистором 11 соединен со следуняцей усилительной секций зарядочувствительного предусилителя.

Вькод зарядочувствительной секции 4 через дифференцирующую цепь (емкость В 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 первь

входом управляемого интегратора 15. Управляемый интегратор 15 представляет 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 подается 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 на выходе зарядочувствительной секции, поэтому верхний допустимый потенциал на затворе определяется моментом насыщения выходного каскада (фиг.З, эпюры 25 и 26). Чтобы не допустить этого, необходимо при приближении к верхней допустимой границе разряжать емкость затвора (и конден.сатора обратной связи),.т. е. восстанавливать заряд на затворе. В обычных схемах импульсного восстановления для этого контролируют специальной схемой выходной потенциал зарядочувствитель- ной секций. В данном случае, когда вся эта секция находится под высоким потенциалом, выходной потенциал контролировать непросто (еще сложнее вы- поднять всю схему восстановления под высоким потенциалом, так как для это- го потребуется очень мощный изолированный источник питания этой схемы, и даже не один). Поэтому предлагается определять момент восстановления по- другому .

10

15

Импульс восстановления после пр хождения кабеля и импульсного тран форматора поступает в исток, имея рицательную полярность. При этом п реход затвор-исток полевого транзи тора открывается, и в течение длительности импульса восстановления происходит частичный перезаряд емк сти детектора, причем изменение по тенциала на емкости детектора соот ветствует амплитуде импульса восст новления, за вычетом падения напря ния на самом переходе затвор-исток.Т ким образом, чтобы осуществить перез ряд емкости детектора трубуетсяпода |В исток отрицательный импульс (на ни коомном сопротивлении) порядка одн вольта. Длительность импульса опре ляется временем перезаряда емкости

Однополярные выходные сигналы пред-2о тектора, которую грубо можно опред

30

35

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 зарядочувствитель- ной 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 импульса в спектрометрическом усилителе (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 ампл итудный анализ в течение времени восстано вления предусилителя.

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

лить по следующей формуле:

dU-C

-

где А и С - I 40

45

50

55

требуемое изменение потели ала на детекторе, емкость детектора, импульсный ток заряда в те чение времени восстановлен Пусть AU 0,1. В, С 20 пФ,1 10 мкА, тогда Т 0,2 мкс.

Как только импульс восстановлени окончится, полевой транзистор войде в свой нормальный режим, но потенци на затворе изменится в отрицательну сторону на 0,1 Ей это приведет к тр буемому изменению выходного потенци ла зарядочувствительной секции. Дал снова будет идти регистрация импуль сов детектора.и поступление заряда (вместе с сигнальными импульсами то в затвор полевого транзистора . Ско рость измерения потенциала на затво и на выходе -зарядочувствительной се ции определяется интенсивностью рад оактивного источника. Можно показат что даже при нагрузке 10 имп/с от и точника с энергией 1 МэВ интервал м ду . импульсами восстановления будет менее 50 мкс, а это означает, что п теря времени на восстановление невел ка.

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

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.Таким образом, чтобы осуществить перезаряд емкости детектора трубуетсяподать |В исток отрицательный импульс (на низ- коомном сопротивлении) порядка одного вольта. Длительность импульса определяется временем перезаряда емкости детектора, которую грубо можн

лить по следующей формуле:

dU-C

-

30

5

25

где А и С - I 0

5

0

5

требуемое изменение потели ала на детекторе, емкость детектора, импульсный ток заряда в течение времени восстановления Пусть AU 0,1. В, С 20 пФ,1 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 0,1 Ей 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 источника 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

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

Второй вариант устройства работает так же, как. первый. Отличие состоит в том, что импульс восстановления подается не в исток, а через биполярный транзистор в сток. При этом им- пульс восстановления, также отрица- .тельной полярности, но амплитуда этого импульса больше, так как исходное напряжение на стоке вьше, чем напря- жение на затворе. Для открывания пе- рехода затвор-сток потребуется около 5 В. Преимущество этого варианта в том, что низкоомный резистор, на ко торый подается импульс восстановления включен в цепь базы биполярного тран- 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- 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 тог 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 10%, а повьшение загрузочной способности по сравнению с известным устройством - не менее 20%.

Формула изобретения

1. Устройство для регистрации ядер ных излучений, включающее в себ.я германиевый детектор с заземленным катс- ,дом, высоковольтный источник Питания 55 детектора, изолированный от сети источник питания зарядочувствительной секции предусилителл и предусилитель,

«,

0 s 0 5 о

0

5

в состав которого входят зарядочувст- вительная секция с полевым транзистором на входе, каскадом с общей базой, и конденсатором обратной связи, сое- динякщим 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 зат- вором 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 предусилн- теля, а положетельный вывод высоковольтного источника питани-я детектора заземлен, эмиттер транзистора в каскаде с общей базой соединен со стоком полевого транзистора, отличающееся тем, что, с целью повышения энергетического разрешения и за- грузочной 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, вьЬсрд

задержки соединен с входом генератора импульсов, один из выходов которого соединен с вторым выводом первичной обмотки импульсного трансформато- ра, а другой является выходом для по- дачи сигнала Запрет в аналого-цифровой преобразователь.

2. Устройство по П.1, включающее в себя германиевый детектор с заземленным катодом, высоковольтный источ- ник питания детектора, изолированный от корпуса и от сети источник питания зарядочувствительной секции предуси- лителя и предусилитель, в состав 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 вы- ходная секция, выход которой является выходом устройства, соединенная с зарядочувствительной секцией с помощью дифференцирующей цепи, причем сигнальный вывод германиевого детектора со- единен непосредственно с затвором полевого .транзистора, выводы, подачи положительного и отрицательного питания зарядочувствительной секции предуси- лителя 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 положительный вывод высоковольтного источника питания детектора заземпен, эмиттер транзистора в каскаде с общей базой соединен со стоком полевого тран- :зистора, отличающееся тем что, с целью повьшения энергетического разрешения и загрузочной способности устройства, в него дополнительно введены базовый конденсатор и базовьй 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 заземлен, 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 втб- рым входом управляемого интегратора и с входом задержки, выход которой соединен с входом генератора импульсов, один из выходов которого соединен с базовьм низкоомным резистором, а другой является выходом для подачи сигнала Запрет в аналого-цифровой преобразователь.

Выход

Запрет

фиг. 1

фиг. 2.

25

fVr

27

JVsJx

jsNKK

JO

31

II Запрет

фиг. J

Редактор Н.Егорова

Составитель М.Данилов

Техред М.Ходанич Корректор А.Тяско

Заказ 3700/44Тираж 728Подписное

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

Изобретение относится к устройству для регистрации ядерных излучений, например германиевому детектору, соединенному с зарядочувствительным предусилителем, входная секция которого находится под высоким потенциа- лом. 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 низ- коомного истокового резистора мал, в результате повьшается энергетическое разрешение устройства (на 10%). Повышается также загрузочная способность устройства (на 20%) из-за того, что на выходе зарядочувствитель- ной секции имеют прямоугольную форму (отсутствует сопротивление обратной связи), а на выходе предусилителя - ст Ього однополярную форму с одной зк- спонентой. 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 (/