Спектрометрический усилитель Советский патент 1992 года по МПК G01T1/17 

Изобретение относится к технике физического эксперимента, в частности к спектрометрическим измерениям с полупроводниковыми детекторами ядерных излучений.

Известен спектрометрический усилитель с .формирователем квазигауссовской формы.

Недостаток такого усилителя состоит в том, что амплитуда импульса на выходе усилителя зависит от времени собирания заряда в детекторе. Проявляется так называемый эффект баллистического дефицита. Чем больше время собирания в детекторе, тем меньше амплитуда импульса, хотя энергия, выделенная в детекторе, одинакова.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является усилитель, содержащий в числе других каскадов неинвертирующий каскад, в котором включены два резистора, определяющие коэффициент усиления этого каскада (а также всего усилителя).

Недостаток этого усилителя состоит в том, что нет компенсации, баллистического дефицита и энергетическое разрешение ухудшается из-за флуктуации времени собирания. Кроме того, баллистический дефицит снижает быстродействие работы, так как не позволяет работать при коротких постоянных времени формирования(обычно с германиевыми детекторами работают при постоянной времени 2 мкс, тогда как минимальный уровень шумов наблюдается при постоянных времени около 1 мкс).

Цель изобретения - повысить энергетическое разрешение и быстродействие путем компенсации баллистического дефицита и флуктуации времени собирания. Введение такой компенсации позволяет .улучшить

VI

ю

GJ СЛ 4 4

энергетическое разрешение .при одновременном повышении быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что в спектрометрический усилитель, содержащий первый и второй усилители, причем вход первого усилителя является входом спектрометрического усилителя, выход пер- вогб усилителя соединен с неинвертирую- щим входом второго усилителя, а инвертирующий вход второго усилителя че- рез первый резистор подключен к выходу этого усилителя, являющемуся выходом спектрометрического усилителя, и через второй резистор подключен к общей шине усилителя, дополнительно введены диффе- ренцирующее звено, третий усилитель, ком- паратор напряжения, управляемый интегратор тока, источник постоянного тока, повторитель напряжения, квадратор, полевой транзистор, конденсатор и третий резистор, причем вход спектрометрического усилителя соединен со входом дифференцирующего звена, выход которого через последовательно соединенные третий усилитель и компаратор подключен к первому входу управляемого интегратора тока, второй вход которого связан с источником тока, а выход через последовательно соединенные повторитель напряжения и квадратор с затвором полевого транзистора и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого и исток полевого транзистора соединены с общей шиной спектрометрического усилителя, а сток полевого транзистора через третий резистор соединен с инвертиру- ющим входом первого усилителя.

Сущность изобретения сводится к тому, что в спектрометрический усилитель, содержащий неинвертирующий усилительный каскад с резистором, определяю- щим коэффициент усиления, всего спектрометрического усилителя, вводят дополнительный канал, включенный между входом и указанным резистором. В этом канале вырабатывается напряжение, про- порциональное времени собирания в детекторе, которое затем возводят в квадрат и используют для изменения резистора и, значит, для коррекции усиления усилителя. Величину резистора изменяют при помощи параллельно включенного полевого транзистора.

Все вновь введенные узлы, составляющие дополнительный канал и соответствующие им связи, являются отличительными признаками изобретения.

На чертеже приведена блок-схема спектрометрического усилителя.

Спектрометрический усилитель содержит первый усилитель 2, в который включены усилительные каскады и формирующие цепи исходного усилителя без коррекции, и второй усилитель 3, который представляет собой неинвертирующий усилительный каскад с резисторами 4 и 5. Вход спектрометрического усилителя 1 является входом первого усилителя 2 и соединен со входом дифференцирующего звена 6. Выход первого усилителя соединен с неинвертирующим входом второго усилителя 3, а инвертирующий вход усилителя 3 соединен через резистор 4 с выходом этого усилителя и через резистор 5 с общей шиной усилителя.

Выход дифференцирующего звена 6 соединен со входом третьего усилителя 7, выход усилителя 7 соединен со входом компаратора 8, выход компаратора соединен с управляющим входом интегратора 9, источник постоянного тока 10 соединен с рабочим входом интегратора, выход интегратора 9 соедини со входом повторителя напряжения 11, выход повторителя напряжения соединен со входом квадратора 12, выход квадратора соединен с затвором полевого транзистора 14 и с одним из выводов конденсатора 13, другой вывод конденсатора и исток полевого транзистора заземлены, а сток полевого транзистора через согласующий резистор. 15 соединен с инвертирующим входом второго усилителя 3.

Дифференцирующее звено 6 - это пассивный RC-фильтр верхних частот. Усилитель 7 имеет время нарастания около 20 не, коэффициент усиления его около 50. Такой усилитель можно выполнить на операционном усилителе К544УД2.

Компаратор напряжения 8 реализуется на микросхеме К554СА2, управляемый интегратор тока на К544УД2, повторитель напряжения 11 на полевом транзисторе КПЗОЗ.

Квадратор (схему возведения в квадрат) можно выполнить на полупроводниковых диодах.

Устройство работает следующим образом.

Входные импульсы с разными временами нарастания поступают одновременно на вход исходного усилителя без коррекции (усилители 2 и 3) и на дифференцирующую цепь 6. Поскольку постоянная времени дифференцирующей цепи мала (около 50 - 100 не), на выходе этой цепи формируются импульсы, совпадающие по длительности и форме с импульсом тока входного сигнала. После усилителя 7 и компаратора 8 вырабатывается стандартный по амплитуде импульс, равный по длительности времени собирания. Напряжение, создаваемое на выходе интегратора, пропорционально времени собирания. Для того, чтобы это напряжение можно было использовать в качестве управляющего для коррекции баллистического дефицита, его необходимо возвести в квадрат. Для этого введен квадратор 11.

Соединение между выходом квадратора и затвором полевого транзистора зашун- тировано на землю конденсатором 13, чтобы исключить возможные наводки по этой цепи.

Резистор 15 между стоком полевого транзистора и инвертирующим входом усилителя 3 включен для того, чтобы уменьшить возможное влияние температурной нестабильности сопротивления канала полевого транзистора. Это уменьшение достигается, конечно, ценой уменьшения чувствительности корректирующего канала. Однако, необходимое изменение коэффициента невелико, всего (1-2%), поэтому уменьшение чувствительности неопасно. Типичная величина резистора 5-1 кОм, выходного сопротивления полевого транзистора 200 Ом. Если при этом резистор 15 имеет сопротивление 2 К, то для изменения коэффициента усиления на 1 % необходимо подать на затвор полевого транзистора около 0,1 В, что вполне реалистично. Таким образом, по чувствительности схема проходит. С другой стороны, введением резистора 15. температурная нестабильность выходного сопротивления полевого транзистора подавлена примерно в 10 раз.

В результате работы схемы коррекции амплитуда импульса на выходе спектрометрического усилителя от времени собирания не зависит. Это улучшает энергетическое

й

разрешение на 30-40% при одновременном повышении быстродействия на 20-30%. Формула изобретения Спектрометрический усилитель, содер5 жащий первый усилитель, инвертирующий вход которого соединен через первый резистор с его выходом, и который является выходом спектрометрического усилителя, а через второй резистор связан с общей ши10 ной усилителя, отличающийс ятем, что, с целью повышения быстродействия и энергетического разрешения путем компенсации баллистического дефицита и флуктуации времени собирания, в него вве15 дены дифференцирующее звено, второй усилитель, компаратор напряжения, управляемый интегратор тока, источник постоян- ного тока, повторитель напряжения, квадратор, полевой транзистор, конденса20 тор и третий резистор, причем неинвертирующий вход первого усилителя через третий усилитель подключен к входу спектрометрического усилителя и соединен с входом дифференцирующего звена, выход которого

25 через последовательно соединенные второй усилитель и компаратор подключен к первому входу управляемого интегратора тока, второй вход которого связан с источником тока, а выход - через последователь- 30 но соединенные буфферный усилитель и квадратор с затвором полевого транзистора и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого и исток полевого транзистора соединен с общей шиной спектрометри35 ческого усилителя, а сток полевого транзистора через третий резистор соединен с инвертирующим входом первого усилителя.

Изобретение относится к технике спектрометрических измерений с полупроводниковыми детекторами ядерных излучений. Целью изобретения является повышение быстродействия и энергетического разрешения путем компенсации баллистического дефицита и флуктуации времени собирания. Устройство содержит исходный спектрометрический усилитель, внутри которого имеется резистор, определяющий усиление усилителя. Кроме того, введен дополнительный канал от входа усилителя до указанного резистора, содержащий дифференцирующее звено, быстрый усилитель, интегратор тока, квадратор и полевой транзистор. Дополнительный канал предназначен для измерения длительности входного импульса тока и выработки управляющего напряжения для воздействия на полевой транзистор и осуществления компенсации. 1 ил. СЛ С