Способ определения энерговыделения в детекторе

(51) 5 001 Т 1 24 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛ СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН компенсации баллистич измеряемого импульса лителя квазитреуголь амплитудной добавки Ь щим образом. Опредеп тельности импульса ток запоминают в том моме квазитреугольного имп ной добавки. находят из пт = 05 для прямоугол детектора. 4 ил. М 4 ь К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Объединенный институт ядерных исследований(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В ДЕТЕКТОРЕ(57) Изобретение относится к технике физическогоэксперимента, 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 еского дефицита амплитуды имеющего на выходе усиную форму, путем введения А которую находят следуюяют момент окончания дпиа в детекторе, измеряют и нт мгновенную величину Аи ульса Величину амппитудсоотношения ЬА=тпА, гдепьной формы импульса токаИзобретение 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 Аф) и А 2(т) квазитреугольной формы; на фиг. 2 - входные импульсы спектрометрического усилителя одинаковой амплитуды, т,е, одинаковой входной энергии, причем первый импульс имеет время собирания 1 с 1, а второй - сг; кроме того, пунктиром изображены выходной Ао(т) и соответствующий ему входной импульсы при 1 с = 0 (в этом идеализированном случае выходной импульс имеет строго треугольную форму); на фиг. 3 - электрическая схема ус 5 10 15 20 тройства для реализации предлагаемогоспособа; на фиг. 4 - эпюры напряжений вхарактерных точках электрической схемы.Изобретение основано на компенсациибаллистического дефицита. Эффект баллистического дефицита при измерении амплитуды импульсов возникает вследствие того,что время собирания (длительность импульса тока) полупроводниковых детекторовфлуктирует в зависимости от места взаимо- З 0действия ядерного излучения с кристалломдетектора, В результате амплитуда импульса на выходе спектрометрического усилителя также флуктирует, В германиевыхдетекторах время собирания изменяется от З 520 до 200 нс и это приводит к флуктуациямамплитуды до 1 - 5 О (при оптимальной длительности импульсов с точки зрения отношения сигнала к шуму), тогда как самиспектрометрические измерения необходимо проводить с точностью около 0,1,На практике для уменьшения эффектабаллистического дефицита умышленно формируют более длинные импульсы, но увеличение длительности импульса, например, в 452 раза по сравнению с оптимальной означает уменьшение загрузочной способности втакое же число раэ и некоторое ухудшениеточности измерения,Как видно из графиков (с. фиг. 1), чем 50больше время собирания, тем меньше выходная амплитуда импульсов и тем большебаллистический дефицит ЛА 1, Ь А 2. Задача компенсации баллистического дефицитасводится к определению амплитудной добавки ЬА 1, ЬА 2, которую необходимо добавить к измеренной амплитуде, чтобыполучить 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 Ап, Параболическая вершина квазитреугольного импульса в точке максимума не достигает максимальной амплитуды исходного треугольного импульса на величину дефицита, равную Л А = гпА, причеесли входной импульс имеет линейно нарастающий фронт, как показано на фиг, 2, что соответствует прямоугольной форме импульса тока, то в = 0,5 и Ь А = 0.5 Ап. В случае другой формы импульса тока пч = 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 амплитуднойдобавки 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 мгновеннуюмкс), т.е, повысить загрузочную способ 40 ность в 2 раза, Преобразование исходного треугольно 45 А(т)Ь(т)Ао(с - т )б т, о 50 55 величину квазитреугольного импульса, находят амплитудную добавку из соотношения ЬА- гпАпСхема 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 й 1 и С, пассивную дифференцирующую цепь 3 из элементов С 2, В 2 компаратор 4 напряжения, элемент 5 задержки, устройство 6 выборки-хранения, (УВХ), аналоговый сумматор 7, включающий в себя операционный усилитель и резисторы йз и й.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 Сг, Вг, 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 сум 5 10 15 20 25 30 35 матор 7 производит суммирование выходного импульса усилителя с напряжением "пьедестала" на выходе УВХ. Резисторы йз и й 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 У 544 УД 2, компаратор напряжения - на микросхеме К 554 СА 2, 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 го импульса Ао в квазитреугольный А(т)описывается интегралом свертки: где Ь(т) - импульсная характеристика входного сигнала, равная производной от входного сигнала Овх(1) и совпадающая с формой импульса тока:т- постоянная времени формирования,Для входного сигнала, изображенного на фиг. 2,ф) представляет собой прямоугольник длительностью Т,Передний фронт исходного .импульса треугольной формы, показанного на фиг, 1 пунктиром, описывается линейной функ1637544 Тс 2 15 Формула изобретения 0 цией Ао(т) - И. Решая интеграл свертки, находят параболическую часть квазитреугольного импульса А(т) = М - которая в момент2окончания импульса тока выражается фор- мулой Нетрудно заметить, что максимум кваэитреугольного импульса смещен на 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 измереТЬ 1 = - относительно максимума треуголь 2ного импульса, Отсюда находят величинудефицита ЬА5 ЛА=2 А, - ) - 2 К( - У(56) Балдин С, А. и др, Прикладная спектро метрия с полупроводниковыми детекторами М.: Атомиэдат, 1974, с. 94-96.Р. 3. ОоцОп 9, О. А.апсз. ЕЕЕ. Тгапз.оп час. Яс 1988, ч. й 3-35, М 1, р. 120-124. ния, определяют момент окончания длительности импульса тока в детекторе, измеряют и запоминают в этот момент 20 мгновенную величину Ап кваэитреугольного импульса, а величину амплитудной добавки находят из соотношения ЬА=вАп, где в - коэффициент, равный для прямоугольной формы импульса тока в детекторе 25 0,5.1637544 оставитель М. Даниловехред М,Моргентал,. - Корректор М. Петров РедакторГ. Бельская одписное Тираж П НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4 Заказ 37 Производственно-издательский комбинат "П г, Ужгород, ул,Гагарина, 101