Устройство для регистрации ядерных излучений (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (11) Т 1 24 ПИСАНИ ТЕНИЯ подачи имп ролируется входной се предусилит выходное на или а и пред ройс ется г.ееог Йез ост УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ВТОРСИОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Объединенный институт ядерных исследований(56) 1,апд 1 я Р.А. аС а 1 Рц 1 зей ЪасЕ гесп 1 ццея Хог Бешсопйцсо гесог яресйгошегегя. - 1 ЕЕЕ Тгапя. оп Нцс 1. Бсг., Я 5-18, М 1(1971), р. 115.Е 1 ас 1 Е. ГЕТ ргеашр 11 здегз Еог Бешдсопйцсгог гай 1 от 1 оп йейесгогя,- 1 БРВА Ицс 1 еаг Е 1 есггопдсз Бушрояшш, 1969, р. 34, Р 3.я 15 а.Авторское свидетельство СССР У 1107668, кл. С 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 которого находится под высоким потенциалом. Этот факт определяет оригинальную схему обратной связи для восстановления напряжения на входе полевого транзистора, Для определения момента ульса восстановления контне выходное напряжениеции зарядочувствительноголя, а проинтегрированноепряжение выходной секцииля. В первом варианте устульс восстановления пода к полевого транзистора ч и ниэкоомное сопротивле ние нагрузки импульсного трансформатора. Из-за того, что в схеме отсутствуют сопротивление обратной связи нагрузочное сопротивление детектора(и соответственно их шумовой вклад вимпульс детектора) шумовой вклад низкоомного истокового резистора мал, врезультате повышается энергетическоеразрешение устройства (на 10%). Повышается также загрузочная способностьустройства (на 20%) из-за того, чтоимпульсы на выходе зарядочувствительной секции имеют прямоугольную форму(отсутствует сопротивление обратнойсвязи), а на выходе предусилителястрого однополярную форму с одной экспонентой. Второй вариант отличаетсятем, что импульс восстановления подается в базу транзистора в каскаде собщей базой, а через него - в стокполевого транзистора, 2 с, и, ф-лы,3 ил.,69 1 12428Изобретение относится к области регистрации ядерных излучений и может быть использовано в физических экспе"чриментальных, связанных с применением полупроводниковых детекторов. 5Целью изобретения является повышение энергетического разрешения и загрузочной способности устройства для регистрации ядерных излучений.На фиг.1 и 2 схематично изображе на Функциональная схема вариантов устройства, на фиг,3 - эпюры напряжений в характерных точках.Устройство содержит германиевый детектор 1, высоковольтный источник 2 1 питания детектора, изолированный ис" точник 3 питания, зарядочувствительной секции, зарадочувствительную секцию 4 предусилителя , входной полевой транзистор 5, конденсатор 6 обратной 20 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 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. Зарядочувствитель" ная секция 4 питается от изолированного источника 3 питания. Этот источ- ник 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 индуктивность 4 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 5 З 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 неинвертиру 1 ощий). Выход этого каскада является выходом пред- усилителя 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 первьу входом управляемогоинтегратора 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, зпюры 25 и 26). Чтобы не до 1242869пустить этого, необходимо при прибли, жении к верхней допустимой границеразряжать емкость затвора (и конденсатора обратной связи),.т. е. восстанавливать заряд на затворе. В обычныхсхемах импульсного восстановления дляэтого контролируют специальной схемойвыходной потенциал зарядочувствительной секции. В данном случае, когдався эта секция находится под высокимпотенциалом, выходной потенциал контролировать непросто (еще сложнее выполнять всю схему восстановления подвысоким потенциалом, так как для этого потребуется очень мощный изолированный источник питания этой схемы,и даже не один). Поэтому предлагаетсяопределять момент восстановления подругому.Однополярные выходные сигналы предусилителя ограничиваются диодами 13 и14 (фиг.2, эпюра 27) и интегрируютсяв управляемом интеграторе (фиг.2, эпюра 28), Управляемый интегратор так. же, как и зарядочувствительная секция, 25измеряет дозу ядерного излучения, поэтому, если подобрать соответствующийкоэффициент 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, Приэтом момент включения импульса становления задерживают (фиг2,. эпюра 30)после срабатывания дискриминатора навремя, требуемое для формирования импульса в спектрометрическом усилите 40ле (несколько микросекунд). Однакоимпульс сброса интегратора снимаетсяс выхода дискриминатора на управляе-,мый вход интегратора до задержки длятого, чтобы обеспечить заряд интегратора и подготовить его к измерениюочередной дозы излучения.Импульс восстановления формируетсяв генераторе импульсов, в нем же формируется несколько более длинный импульс запрета (фиг,2, эпюра 31), необходимый для того, чтобы исключитьамплитудный анализ в течение временивосстановления предусилителя.Процесс восстановления заряда на 55затворе и конденсаторе обратной связив предусилителе происходит следующимобразом,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 восстановленияпроисходит 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 податьв исток отрицательный импульс (на низкоомном сопротивлении) порядка одноговольта, Длительность импульса определяется временем перезаряда емкости детектора, которую грубо можно опредлить по следующей формуле:НСТгде дП - требуемое изменение потенцала на детекторе,С - емкость детектора,1 - импульсный ток заряда в течение времени восстановленияПусть дБ = 0,1 В, С = 20 пф,1 =10 мкА, тогда Т = 0,2 мкс.Как только импульс восстановленияокончится, полевой транзистор войдетв свой нормальный режим, но потенциална затворе изменится в отрицательнуюсторону на О, 1 В и это приведет к требуемому изменению выходного потенциала зарядочувствительной секции. Далееснова будет идти регистрация импульсов детектора.и поступление заряда(вместе с сигнальными импульсами тока)в затвор полевого транзистора . Скорость измерения потенциала на затвореи на выходе зарядочувствительной секции определяется интенсивностью радиоактивного источника. Можно показать,что даже при нагрузке 10 имп/с от ис 5точника с энергией 1 МэВ интервал между импульсами восстановления будет неменее 50 мкс, а это означает, что потеря времени на восстановление невелика.Низкоомный резистор, включенный вцепь истока, является источником шума, поэтому его сопротивление нужновыбирать как можно меньше. Шумовойвклад этого резистора можно уменьшить,если параллельно первому входному полевому транзистору включить второй полевой транзистор. При этом во второмтранзисторе низкоомный резистор не включается, так как для подачи импульса восстановления достаточно использовать один транзистор.МВторой 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 пульс восстановления, также отрица,тельной полярности, но амплитуда этого импульса больше, так как исходное напряжение на стоке вьппе, чем напря - жение на затворе. Для открывания пе рехода 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 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 пред" усилителя 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 энергетическогоразрешения составляет (0,2-0,3) кэВ,на уровне (2-2,5) кэВ, т. е. около107, а повышение загрузочной способности по сравнению с известным устройством - не менее 20%,Формула изобретения1. 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, восход7 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 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 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 предусилителя подключены к соответствующим выводам изолированного источника питания зарядочувствительной секции предусилителя, отрицательный полюс высоковольтного источника питания детектора соединен с отрицательным выводом 869 8источника 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 дру" гой является выходом для подачи сигнала "Запрет" в аналого-цифровой преобразователь.1242869 Составитель М.ДаниловТекред М.Ходанич Корректор А.Тяскс ка 8 е роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, у 700/44 Тираж ВНИИПИ Государстве по делам изобр 113035, Москва, Жнного коми етений и оРаушская Подлета СССРкрытийнаб д. 4