Загрузил b.og

Приборы радиационного контроля

Реклама
2
Оглавление
Введение ....................................................................................................................................................................... 3
Характеристики ионизирующих излучений и единицы измерения ....................................................................... 4
Основные термины и определения ............................................................................................................................ 7
Классификация средств радиационного контроля ................................................................................................... 8
Взаимодействие излучения со средой ....................................................................................................................... 9
Классификация детекторов................................................................................................................................... 14
Детекторы излучений ................................................................................................................................................ 16
Импульсные ионизационные камеры и пропорциональные счётчики ............................................................. 16
Газоразрядные счётчики ....................................................................................................................................... 17
Обозначение, характеристики и параметры газонаполненных счётчиков ................................................... 22
Выбор режимов работы газоразрядных счетчиков ........................................................................................ 26
Схемы включения газоразрядных счётчиков .................................................................................................. 30
Сцинтилляционные счётчики ............................................................................................................................... 32
Полупроводниковые детекторы ............................................................................................................................... 34
Фотодетекторы фотонов ........................................................................................................................................... 34
Креминиевые фотоэлектронные умножители. Устройство, принцип действия и основные характеристики
SiФЭУ ..................................................................................................................................................................... 36
Компоненты средств радиационного контроля ...................................................................................................... 42
Усилители .............................................................................................................................................................. 43
Согласование детектора и усилителя .................................................................................................................. 46
Примеры временных усилителей ..................................................................................................................... 48
Дискриминаторы ................................................................................................................................................... 50
Анализаторы импульсов ....................................................................................................................................... 53
Пересчетные схемы ............................................................................................................................................... 56
Источники высоковольтного питания детекторов ................................................................................................. 58
Умножители напряжения ......................................................................................................................................... 60
Параллельный умножитель .................................................................................................................................. 60
Последовательный умножитель ........................................................................................................................... 63
Симметричные схемы умножителей напряжения .............................................................................................. 64
Расчёт умножителей .............................................................................................................................................. 65
Особенности высоковольтных схем электропитания ФЭУ ............................................................................... 69
Пример реализации источника вторичного электропитания многоканального радиометра...................... 72
4
Характеристики ионизирующих излучений и единицы измерения
Активность (А) - мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида,
находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени
A=dN/dt,
где dN- ожидаемое число спонтанных ядерных превращений из данного энергетического
состояния, происходящих за промежуток времени dt.
Единицей активности является беккерель (Бк)=1/с.
Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) составляет 3,7 .1010
Бк.
Она определяется через постоянную распада λ и число атомов, способных к распаду:
А = N =
0.693 N
,
T1 2
(1)
Постоянная распада λ представляет собой производную по времени от числа
атомов, способных к распаду:
=
1 dN
Т dt
.
(2)
Она однозначно связана с периодом полураспада Т1/2:
=
0,693
Т 12
.
(3)
Первоначальное число способных к распаду ядер радиоактивного вещества определяется
общей формулой подсчёта числа атомов в массе вещества
N=
m
m
=
,
M 1а.е.м. M 1,66057 10 −27 кг
(4)
где m – масса вещества (кг);
М – атомная масса данного вещества.
Поскольку число ядер, способных к распаду, в радиоактивном веществе со временем
убывает (за счёт уже распавшихся ядер), то со временем будет убывать и его активность:
А = А0 е −t =
A0
t
2
T1
.
(5)
2
Активностью характеризуется любой источник радиоактивных излучений независимо от
его массы и объёма. Для характеристики же способности к радиоактивному распаду
вещества используют удельную активность. Именно её используют как показатель
загрязнённости пищевых продуктов, воды, почвы, строительных материалов и т.д.
радиоактивными веществами.
Активность удельная (объемная) - отношение активностиА радионуклида в веществе к
массе m(объему V) вещества:
Am=A/m; Av=A/V
5
Единица удельной активности - беккерель на килограмм, Бк/кг. Единица объемной
активности - беккерель на метр кубический, Бк/м3.
Поглощённая доза D - отношение поглощённой энергии к массе облучаемого вещества.
D=
W
m
,
(6)
где W – энергия, поглощённая облучаемым веществом;m – масса облучаемого вещества.
В системе СИ единицей поглощённой дозы является Грэй (Гр).
1 Гр = 1 Дж/кг.
Кроме неё часто используют внесистемную единицу Рад (рад).
1 рад = 0,01 Гр.
Экспозиционная дозаJ- отношение заряда Q одного знака, образовавшегося вследствие
ионизации под действием излучения, к массе m ионизированного воздуха.
J=
Q
,
m
(7)
Единицей СИ экспозиционной дозы является кулон/кг (кл/кг).
Но наиболее часто используется внесистемная единица рентген (Р).
Дозе в 1 Р соответствует образование 2,083·109 пар ионов в 1 см3 воздуха или 1,61·1012
пар в 1 г воздуха. 1 Р = 2,58·10-4 Кл/кг; 1 кл/кг = 3,86·103 Р
Поскольку известна энергия, необходимая для ионизации 1 кг воздуха, экспозиционную
дозу можно выразить через поглощённую дозу:
1 Р = 8,77 мДж/кг = 8,77 мГр.
 -отношение поглощённой дозы D к времени t, в течение
Мощность поглощённой дозы D
которого происходило облучение
D
D = .
t
(8)
Единица мощности дозы - грэй/секунда (Гр/с).1 Гр/с = 1 Вт/кг.
Внесистемной единицей является рад/секунда (рад/с). 1 Гр/с = 100 рад/с.
Мощность экспозиционной дозы - отношение экспозиционной дозы J ко времени t, в
течение которого происходило облучение:
J
J =
t
.
(9)
Единицей мощности экспозиционной дозы в системе СИ является А/кг, а внесистемной
единицей – рентген в секунду Р/с.
1 Р/с = 2,58•10-4 А/кг.
Ионизационная постоянная - мощности дозы, создаваемой источником γ-излучения
активностью 1 Бк на расстоянии 1 м.
Зная ионизационную постоянную вещества и активность источника, можно найти
мощность дозы облучения:
6
KA
D = 2
r
,
(10)
где К – ионизационная постоянная источника γ-излучения, А – активность источника
излучения;r – расстояние от источника (точечного) излучения.
В таблице 1 представлены значения ионизационных постоянных наиболее широко
используемых источников γ-излучения.
Таблица 1. Ионизационные постоянные источников γ-излучения
Источник Натрий
22
К,
9,95·
Дж·м2/кг ·10-17
Натрий
24
1,47·
·10-16
Железо
59
4,98·
·10-17
Кобальт
60
1,01·
·10-16
Йод
131
1,71·
·10-17
Цезий
134
6,82·
·10-17
Радий
226
6,35·
·10-17
Уран
238
6,89·
·10-19
Эквивалентная доза- биологическая доза, которая определяется умножением
поглощённой дозы на переводной коэффициент Q и характеризует воздействие
радиоактивного излучения на живую ткань.
Dэ = QD .
(11)
Эквивалентная доза не является физической величиной, поскольку переводной
коэффициент Q для разных видов излучения определяется эмпирически, а не с помощью
физических законов. Но если при этом поглощённая доза выражается в единицах СИ (Гр),
то соответствующую единицу считают принадлежащей системе СИ. Такой единицей
считается зиверт (Зв):
1 Зв = 1 Гр·Q.
Однако в медицине чаще применяется внесистемная единица бэр:
1 бэр = 1 рад·Q = 0,01 Зв.
В таблице. 5 приведены значения переводных коэффициентов для основных видов
радиоактивного излучения.
Таблица 5. Значения переводных коэффициентов Q для основных видов радиоактивного
излучения
Виды
Рентгенов- γизлучения ские лучи лучи
Q, бэр/Гр 100
100
βлучи
100
αлучи
1000
Медл.
Быстрые Быстрые Осколки
нейтроны нейтроны протоны деления
300
1000
1000
2000
Мощность эквивалентной дозы определяется её отношением ко времени облучения и
измеряется в Зв/с или бэр/час.
Различают:
Амбиентный эквивалент дозы – какую эквивалентную дозу получит наше тело, если
будет находиться в том месте, где проводится измерение
Амбиентный эквивалент дозы
Направленный эквивалент дозы
Индивидуальный эквивалент дозы
7
Основные термины и определения
Грунт - горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой
многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом
инженерно -хозяйственной деятельности человека.
Контроль радиационный - получение информации о радиационной обстановке в
организации, в окружающей среде и об уровнях облучения людей (включает в себя
дозиметрический и радиометрический контроль).
Место рабочее - место постоянного или временного пребывания персонала для
выполнения производственных функций в условиях воздействия ионизирующего
излучения в течение более половины рабочего времени или двух часов непрерывно.
Накопительная камера - устройство для пассивного отбора пробы при измерении
плотности потока радона с поверхности грунта или строительных конструкций.
Предел дозы (ПД) - величина годовой эффективной или эквивалентной дозы
техногенного облучения, которая не должна превышаться в условиях нормальной работы.
Соблюдение предела годовой дозы предотвращает возникновение детерминированных
эффектов, а вероятность стохастических эффектов сохраняется при этом на приемлемом
уровне.
Предел годового поступления (ПГП) - допустимый уровень поступления данного
радионуклида в организм в течение года, который при монофакторном воздействии
приводит к облучению условного человека ожидаемой дозой, равной соответствующему
пределу годовой дозы.
Плотность потока радона (ППР) - отношение активности радона, выделяющегося с
поверхности грунта и других материалов в единицу времени к площади поверхности.
Радиационная безопасность населения - состояние защищенности настоящего и
будущих поколений людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующего
излучения.
Уровень вмешательства (УВ) - уровень радиационного фактора, при превышении
которого следует проводить определенные защитные мероприятия.
Случайная (статистическая) погрешность измерения - составляющая погрешности
результата измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях
одной и той же величины.
Систематическая погрешность измерения - составляющая результата погрешности
измерения, постоянная или слабо меняющаяся при повторных измерениях одной и той же
величины, и связанная с особенностями методики подготовки счетного образца, условий
измерений и процедуры поверки.
Абсолютная погрешность измерения- погрешность результата измерения, выраженная в
единицах измеряемой величины
8
Классификация средств радиационного контроля
Регистрация ионизирующих излучений состоит в преобразовании излучений
детектором и измерительной схемой в сигналы, удобные для измерений. Прибор,
измеряющий ионизирующие излучения, содержит детектор, измерительную схему и
вспомогательные элементы. Детектор преобразует информацию о параметрах излучений
в другие сигналы (далеевсветовые или электрические). Измерительная схема выделяет,
преобразует, накапливает, хранит и выдает информацию в виде электрических сигналов,
удобных для наблюдения, записи, вычисления. Вспомогательные элементы
обеспечивают заданные режимы работы детектора и измерительной схемы. К
вспомогательным элементам относятся: источники питания, устройства управления режимом работы, тестирования, регистрирующие устройства (печатающие, самописцы,
осциллографы, счетчики импульсов).
По способу обработки сигналов различают – устройства с дискретными и
аналоговыми сигналами. В устройствах с дискретными сигналами используются
усилители, нормализаторы, дискриминаторы импульсов, анализаторы формы, счетчики.
Импульсы, несущие информацию о параметрах излучения>могут отличаться по
амплитуде, форме и времени появления. Разделением этих импульсов по их параметрам с
помощью анализирующих устройств удается измерять не только плотность потока
излучения по средней скорости следования импульсов, но и энергию, вид и
пространственное распределение излучения.
В устройствах с аналоговыми сигналами используются электрометрические
усилители, преобразователи ток-напряжение, цифроаналоговые преобразователи.
По назначению
Дозиметры - приборы, предназначенные для получения информации об экспозиционной
дозе и мощности экспозиционной дозы.
Радиометры - приборы, предназначенные для получения информации об активности
нуклидов, плотности потока ионизирующих частиц или фотонов.
Спектрометры - приборы, предназначенные для получения измерительной информации о
спектре распределения ионизирующего излучения по одному или более параметрам,
характеризующим источники и поля ионизирующих излучений.
Сигнализаторы - приборы ионизирующих излучений, имеющие устройство,
формирующее сигнал, предупреждающий о превышении измеряемыми физическими
величинами заданных значений.
Комбинированные приборы - выполняющие функции двух и более приборов для
измерения ионизирующих излучений разного функционального назначения.
По роду контролируемых излучений
Приборы контроля ионизирующих излучений делятся на измеряющие потоки:
γ- и рентгеновских лучей;
α-частиц;
протонов;
осколков деления;
β-частиц, электронов и позитронов;
нейтронов.
Промышленные средства контроля в большей степени соответствуют следующей
классификации:
9
1. Универсальные переносные радиометры-дозиметры для измерений различных видов
ядерных излучений, в том числе и для нейтронного излучения, представляющие собой
общий измерительный пульт, подключаемый к различным блокам детектирования при
измерениях различных видов ядерных излучений.
2. Переносные радиометры-дозиметры отдельных видов излучения.
3. Портативные универсальные дозиметры-радиометры для измерений различных видов
ядерных излучений со встроенными детекторами различных видов ядерных излучений.
4. Радиометры загрязнённости поверхностей.
5. Радиометры объёмной активности газов и аэрозолей (включая и измерения объёмной
активности радона).
6. Радиометры и спектрометры специального назначения (измерение радиоактивности
горных пород, руд и жидкостей при каротаже, поиск и паспортизация радиоактивных
источников и т.д.).
7. Индивидуальные носимые дозиметры накопленной дозы облучения (включая гамма- и
нейтронное облучение).
8. Транспортные и пешеходные порталы для контроля радиоактивных загрязнений и
перемещений радиоактивных материалов.
9. Распределённые системы радиационного мониторинга на ядерных объектах и
окружающей местности.
Взаимодействие излучения со средой
Основные виды регистрируемого излучения :  - и  - частицы, -кванты и медленные
(реже быстрые) нейтроны. Первые две частицы относятся к заряженным, последние — к
нейтральным.
-частицы представляют собой лишенные электронной оболочки ядра атомов 4Не. Одни
состоят из двух нейтронов и двух протонов, определяющих положительный
электрический заряд +2е, где е — заряд электрона, и относительную атомную массу,
равную четырем. Свойства -излучения в основном характерны и для других заряженных
частиц, которые иногда называют тяжелыми: протонов, дейтронов, ядер трития, 3Не, 7 Li и
др.
 -частицы представляют собой поток электронов, реже позитронов – частиц малой массы
(лёгкие частицы) и единичного заряда. Его условно подразделяют на
высокоэнергетическое и низкоэнергетическое в зависимости от средней кинетической
энергии электронов.
 -излучение - поток элементарных частиц, не имеющих заряда и массы покоя, и
обладающих кинетической энергией.
Нейтроны — электрически нейтральные частицы единичной атомной массы. При
кинетической энергии менее 1 эВ нейтроны считают медленными, при энергии более 100
кэВ - быстрыми, при средних энергиях - промежуточными. В дальнейшем кинетическую
энергию частицы, определяемую ее скоростью, будем называть просто энергией частицы
или излучения в целом.
Заряженные - и  -частицы непосредственно ионизируют среду, в которой они движутся.
При воздействии -излучения вещество ионизируется от прохождения в нем  -частиц,
выбиваемых -квантами из атомов среды. Существенно, что -излучение ионизирует
любую среду, чего не обеспечивают медленные нейтроны.
10
Для ионизации вещества медленными нейтронами необходимо присутствие в нем
специальных компонентов, называемых радиаторами. При взаимодействии медленных
нейтронов с радиаторами происходят ядерные реакции, в результате которых в среду
вылетают заряженные ионизирующие частицы. В зависимости от типа радиатора их
условно делят на тяжелые осколки деления — ионы тяжелых элементов от кобальта до
лантаноидов — и на легкие осколки деления — протоны, -частицы, 3Н, 7Li и т.п. В свою
очередь два осколка каждой ядерной реакции также носят названия тяжелого и легкого.
Быстрые нейтроны достаточно высокой энергии могут ионизировать любую среду с
образованием ядер отдачи, т.е. путем передачи энергии атомам среды с одновременной их
ионизацией. Практически такая ионизация эффективна только в присутствии легких ядер:
Н, Не, Li, Be и т.п. Если эти вешества специально вводятся в детектор для регистрации
быстрых нейтронов, их также называют радиаторами. Легкие элементы способны
замедлять быстрые и промежуточные нейтроны для последующей регистрации
детекторами тепловых нейтронов. В качестве замедлителей используют парафин, воду,
чистый графит и другие материалы, главным образом водородсодержащие.
Одним из наиболее распространённых видов детекторов являются газоразрядные
детекторы. Воздействие любого излучения на газоразрядный детектор приводит к
ионизации рабочего газа детектора легкими (электроны, позитроны) или тяжелыми (от
протона до тяжелых осколков) заряженными частицами.
Эти два вида заряженных частиц существенно различаются по своему поведению в
газоразрядных детекторах. Для разбора этих отличий выделим в конструкции
газоразрядных детекторов рабочий газ и стенки, к которым отнесем металлические детали
детектора: корпус, электроды, стойки и др.
По сравнению с тяжелыми заряженными частицами электроны или позитроны
сравнительно легко проникают через достаточно тонкие стенки детектора, но
относительно слабо ионизируют рабочий газ. Внешнее  -излучение с энергией более 1
МэВ проникает через стальной корпус детектора толщиной менее 0,7 мм. Такого же
порядка и глубина выхода из стенки детектора электронов, образуемых -квантами. Масса
активной части стенок детектора, испускающей электроны от -излучения в рабочий газ,
обычно существенно превышает массу рабочего газа, поэтому конструкционные
материалы детектора существенно влияют на ионизацию детекторов 7-излучения. С
ростом атомного номера материалов стенок повышается эффективность регистрации
детектора, т.е. доля зарегистрированных 7-квантов.
Ионизацию рабочего газа вдоль трека электрона можно считать равномерной, поскольку
расстояние, проходимое электроном до полной потери скорости (пробег в газе), для
многих детекторов превышает размеры детектора. Указанное соотношение является
одной из причин слабой ионизации газа электронами по сравнению с тяжелыми
частицами. Другой причиной слабой ионизации электронами является их относительно
малый электрический заряд. Например, у а-частицы заряд больше в два раза, а у осколков
деления тяжелых элементов — в 20 раз и более.
Пробег любых заряженных частиц в среде зависит от энергии частицы, но при равных
энергиях тяжелая заряженная частица проходит значительно меньшие расстояния по
сравнению с электронами. Часто пробегом называют поверхностную плотность слоя
твердого вещества, который полностью задерживает данные частицы. Эту величину
применяют и для газов, называя ее пробегом, выраженным в граммах на квадратный
сантиметр. Фактически это произведение пробега в линейных единицах на объемную
11
плотность среды. Целесообразность применения этой величины определяется
существованием обратной пропорциональной зависимости пробега всех заряженных
частиц от объемной плотности вещества.
Обычные значения пробега тяжелых заряженных частиц в газах при атмосферном
давлении составляют несколько сантиметров. Чтобы полностью выделить на ионизацию
газа энергию, например, а-частицы в рабочем газе, достаточно подобрать
соответствующий рабочий зазор между электродами (межэлектродный или рабочий
зазор), а также состав и давление рабочего газа. Значительно сложнее обеспечить
попадание тяжелых заряженных частиц в рабочий объем. Практически важные для
газоразрядных детекторов значения пробегов тяжелых заряженных частиц составляют
единицы —десятки миллиграмов на квадратный сантиметр. Таким образом, внешнее aизлучение с энергией 5 МэВ может быть зарегистрировано газоразрядным детектором
только при наличии в его корпусе чрезвычайно тонкого окна. Толщина окна из
органических пленок не должна превышать десятков микрометров, а металлических
пленок — единиц микрометров. Аналогичные ограничения существуют и для толщины
слоя твердых радиаторов газоразрядных детекторов тепловых нейтронов.
Ионизация рабочего газа газоразрядного детектора, полученная в результате движения в
газе заряженных частиц от воздействия ионизирующего излучения, называется первичной
ионизацией. В рабочем газе детектора возникают заряды ионизации: положительные ионы
и электроны. Последние могут взаимодействовать с нейтральными атомами рабочего газа,
образуя отрицательные ионы. Прикладывая электрическое напряжение к электродам
газоразрядного детектора, собирают заряд первичной ионизации. При этом
положительные ионы движутся к катоду, а электроны и отрицательные ионы - к аноду.
***
Дрейф ионов к электродам противоположного знака под воздействием электрического
поля происходит со скоростью, много меньшей скорости их хаотического теплового
движения. Примерные значения этих величин могут составлять, например, 5 и 500 м/с
соответственно. Электрическое поле практически не нарушает теплового равновесия
атомов и ионов газа, слабо изменяет их тепловую энергию (сотые доли электрон-вольта
при нормальных условиях).
Напротив, свободные электроны могут ускоряться в рабочем газе под воздействием
электрического поля до энергии, значительно превышающей энергию теплового
движения (до нескольких электрон-вольт), в результате чего скорость дрейфа электронов
к аноду достигает высоких значений, примерно несколько тысяч метров в секунду.
Если электроны захватываются нейтральными атомами, скорость дрейфа образовавшихся
носителей отрицательного заряда (отрицательных ионов) будет невелика, примерно
такая же, как и у положительных ионов.
***
После начала дрейфа зарядов в межэлектродном зазоре образуются зоны различной
концентрации зарядов: у катода зона без положительных ионов, у анода — зона без
отрицательных зарядов. Тепловое движение частиц газа вызывает диффузию зарядов в эти
зоны и замедляет дрейф ионов и электронов по направлению электрического поля. В
процессе дрейфа положительные и отрицательные заряды могут рекомбинировать друг с
другом, т.е. взаимно нейтрализоваться, превращаясь в нейтральные атомы и молекулы
рабочего газа. Таким образом, диффузия и рекомбинация препятствуют сбору
первичного заряда ионизации, что наиболее сильно проявляется при низких значениях
напряженности электрического поля.
Режим рекомбинации – это режим, при котором происходит неполный сбор заряда
первичной ионизации, поскольку рекомбинация обычно преобладает над диффузией. В
12
современных газоразрядных
используется.
детекторах
режим
рекомбинации
практически
не
Повышение электрического напряжения на электродах до установления определенной
напряженности поля приводит к ослаблению влияния рекомбинации и диффузии. Поле
высокой напряженности обеспечивает высокую скорость дрейфа зарядов, и за время
своего движения к электродам они не успевают рекомбинировать или продиффундировать.
Режим, при котором диффузией и рекомбинацией зарядов можно в первом приближении
пренебречь, называют режимом работы ионизационной камеры, а газоразрядный
детектор, работающий в этом режиме, называют ионизационной камерой.
Камеры могут работать как в токовом, так и в импульсном режиме обработки сигнала
детектора. В первом случае заряды от большого числа актов ионизации суммируются
путем накопления на электрической емкости камеры и входа усилителя. Во втором случае
достаточно малая постоянная времени на входе усилителя позволяет раздельно
регистрировать большинство актов первичной ионизации в камере. Кроме двух основных
режимов обработки сигнала в современных системах контроля на базе ионизационных
камер применяется также флюктуационный режим.
Параметры токовых и, особенно, импульсных камер существенно улучшаются при
снижении времени собирания зарядов, представляющего собой частное от деления
линейного размера межэлектродного зазора камеры на скорость дрейфа зарядов
первичной ионизации. Время сбора зарядов определяет, например, время разрешения
импульсной ионизационной камеры, т.е. тот минимальный интервал времени, который
должен разделять два последовательных импульса, уверенно регистрируемых
аппаратурой. Межэлектродный зазор по возможности делают минимальным для снижения
времени сбора заряда и размеров камеры. Однако чрезмерное уменьшение зазора может
привести к неполному сбору заряда первичной ионизации, поскольку пробег тяжелых
заряженных частиц в газе будет существенно больше зазора. Значительные возможности
по уменьшению времени сбора заряда имеются на пути увеличения скоростей дрейфа
зарядов.
Если преобладают концентрации отрицательных ионов над концентрацией электронов, то
получить высокие значения скорости дрейфа практически невозможно. Газы, атомы
которых хорошо захватывают электроны за счет высокого коэффициента прилипания,
называют электроотрицательными. В современных промышленных ионизационных
камерах применяют только электроположительные газы (азот, инертные газы и др.) с
низким коэффициентом прилипания электронов.
В токовом режиме обеспечивается сбор как положительных, так и отрицательных
зарядов, поэтому применение электроположительных газов дает ограниченное улучшение
характеристик токовых камер. В импульсном режиме при малой постоянной времени
усилителя можно обеспечить сбор только электронного заряда (камера с электронным
собиранием), что позволяет в десятки — сотни раз улучшить некоторые характеристики
камер. Загрязнение рабочего газа приводит к его электроотрицательности и
соответственно к ухудшению параметров камер.
Токовые ионизационные камеры зарекомендовали себя как наиболее надежные,
стабильные датчики ионизирующих излучений. Однако они предназначены для
контроля излучений только высокой плотности потока частиц. Импульсные
ионизационные камеры способны измерять потоки ионизирующих частиц низкой
13
плотности, но здесь значительные трудности создает малая амплитуда импульса,
определяемая низкими значениями заряда первичной ионизации. Одним из наиболее
простых решений этой проблемы является усиление первичной ионизации в самом
газоразрядном детекторе. Такое усиление возникает при повышении электрического
напряжения до определенного уровня.
***
Импульсный газоразрядный детектор, у которого заряд импульса на выходе
превышает заряд первичной ионизации, называют газоразрядным счетчиком.
***
Разделение газоразрядных детекторов по принципу наличия или отсутствия газового
усиления в детекторе достаточно строго соблюдается в отечественной литературе. В
зарубежных источниках применяют термин, не подпадающий под это правило:
импульсную ионизационную камеру деления, распространенную разновидность
газоразрядного детектора, называют fission counter, т.е. счетчик деления. Применение
этого термина оправдано импульсным режимом работы детектора и большой амплитудой
его импульсов, сравнимой с амплитудой некоторых газоразрядных счетчиков.
При увеличении напряженности поля до значений, превышающих область работы
ионизационной камеры, электроны будут приобретать значительную энергию и
передавать ее нейтральным атомам при столкновении. Если энергия электрона
оказывается больше энергии ионизации атома газа (например, 15,8 эВ для аргона),
нейтральный атом может быть ионизован. В результате столкновения с атомом электрона
первичной ионизации появляются положительный ион и электрон вторичной ионизации.
Последний также может ускориться в электрическом поле и при столкновении с атомом
газа образовать положительный ион и вторичный электрон следующего поколения. Таким
образом, по мере перемещения электронов к аноду число ионов и свободных электронов
будет лавинообразно нарастать. Процесс образования такой электронно-ионной лавины
называют ударной ионизацией или первичным процессом.
***
Коэффициент газового усиления (КГУ) ударной ионизации - отношением суммы
первичного заряда ионизации и вторичного заряда от ударной ионизации к заряду
первичной ионизации.
***
Пропорциональные счетчики - газоразрядные счетчики, формирование импульсов у
которых происходит главным образом за счет первичного процесса. Основное свойство
этих счетчиков – пропорциональная зависимость между зарядом первичной ионизации и
зарядом выходного импульса. Формирование импульса пропорциональных счетчиков
происходит в результате сбора заряда положительных ионов, который происходит
значительно медленнее сбора заряда электронов вследствие малой скорости дрейфа
ионов.
При движении ионов в газе и главным образом при подходе ионов к катоду возникают
вторичные процессы, которые образуют дополнительное количество вторичных
электронов. Суммарное действие первичного и вторичных процессов обеспечивает полное
газовое усиление в пропорциональном счетчике, которое характеризуется коэффициентом
полного газового усиления (полным КГУ). В пропорциональных счетчиках влияние
вторичных процессов невелико, полный КГУ незначительно превышает КГУ ударной
ионизации, поэтому можно говорить о КГУ пропорционального счетчика как о КГУ
ударной ионизации.
Обычные значения КГУ пропорциональных счетчиков не превышают значения 10 000.
При снижении напряжения на аноде КГУ счетчика уменьшается, и при значении, равном
единице, счетчик переходит в режим работы ионизационной камеры. Таким образом,
14
значение КГУ позволяет четко разделить газоразрядные детекторы на камеры и счетчики:
камера — при единичном значении КГУ и счетчик — при КГУ больше единицы. Такие
определения прочно вошли в практику, хотя при строгом подходе они не применимы к
счетчикам Гейгера —Мюллера. Понятие КГУ для этих счетчиков не имеет физического
смысла, но в данном случае его условно можно считать бесконечно большим.
Счетчики Гейгера — Мюллера (ГМ) первыми из газоразрядных детекторов получили
широкое распространение благодаря выходным импульсам большой амплитуды
(несколько вольт), не требуюшим сложной регистрирующей аппаратуры. Уже в 20-х годах
их применяли для регистрации космических излучений и для других целей.
Ионизационные камеры и пропорциональные счетчики — это детекторы с
несамостоятельным разрядом в газе. Этот вид разряда может поддерживаться только
при наличии внешнего источника электрических зарядов, каковым в данном случае
является ионизирующее излучение.
Работа ГМ-счетчиков основана на появлении самостоятельного коронного разряда в
газе при попадании в счетчик хотя бы одной ионизирующей частицы.
Самостоятельный разряд — самоподдерживающийся и может протекать независимо от
наличия внешнего источника электрических зарядов.
Из многочисленных видов самостоятельного разряда в счетчиках используется только
коронный разряд на аноде, или положительная корона. Она отличается относительно
спокойным протеканием и управляемостью. Возникновение самостоятельного разряда
при сравнительно небольших напряжениях обеспечивается заполнением ГМ-счетчика
рабочим газом при давлениях ниже атмосферного. Значительное снижение давления
газа позволяет также увеличить рабочий объем детектора, с чего и были начаты работы по
ГМ-счетчикам.
Для регистрации ГМ-счетчиком ионизирующих частиц после первого акта ионизации
необходимо включение механизма гашения самостоятельного разряда. Были разработаны
два способа гашения: при помощи подбора параметров электрической схемы
включения и путем введения в рабочий газ специальных паров или газов (гасящих
добавок). Счетчики с гашением по первому способу называют несамогасящимися, по
второму — самогасящимися.
Классификация детекторов
По виду регистрируемого излучения различают детекторы медленных и быстрых
нейтронов, детекторы  - излучения,  - излучения и  -,  - излучения. Последние
подразделяют на тонкостенные и толстостенные детекторы. Первые регистрируют  излучение,  - излучение высоких энергий и  - излучение низких энергий; вторые низкоэнергетическое  - излучение не регистрируют. Разработка газоразрядных
детекторов  - излучения с пониженной чувствительностью к  - излучению практически
невозможна.
По режиму газового разряда и сбора заряда ионизации газоразрядные детекторы
подразделяют на ионизационные камеры и газоразрядные счетчики, причем последние
бывают трех видов: пропорциональные, коронные и ГМ-счетчики. По назначению и
способу изготовления различают серийные, или промышленные, детекторы и
лабораторные, несерийные, детекторы, используемые в научных исследованиях.
15
Отдельные группы детекторов также имеют свою классификацию. Широко
распространенные газоразрядные детекторы медленных нейтронов часто называют в
соответствии с химическим составом и физическим состоянием радиатора.
Различают нейтронные детекторы с газовым наполнением и с твердым покрытием. К
первым обычно относят 10BF3-детекторы и гелиевые (3Не) детекторы, ко вторым —
камеры деления (уран, плутоний и др.) и борные детекторы (10В). Самогасящиеся ГМ счетчики подразделяют в зависимости от добавки в рабочий газ, которая обеспечивает
гашение разряда. Различают галогенные и кислородные ГМ-счетчики, а также счетчики с
гашением органическим паром.
Камеры различаются по количеству электродов и по конструкции электродной системы:
с цилиндрической и плоскопараллельной системой электродов. Счетчики по конструкции
подразделяются на цилиндрические и торцевые. Все счетчики работают в импульсном
режиме, все гамма камеры - в токовом режиме, а нейтронные камеры различаются по
режиму работы регистрирующей аппаратуры: импульсные, флюктуационные, токовые и
универсальные, которые могут работать последовательно в двух или трех режимах при
изменении условий измерений.
Фактически количество распространенных типов приборов ограниченно. Например, не
применяются ГМ - счетчики медленных нейтронов.
 
16
Детекторы излучений
Импульсные ионизационные камеры и пропорциональные счётчики
Двухэлектродная ионизационная камера обычно содержит два пластинчатых
электрода в газовой среде, к которым приложено напряжение. Заряженные частицы
теряют энергию на ионизацию, т.е. создание пар зарядов. Напряжённость поля такова, что
потери на рекомбинацию малы, а ударная ионизация и автоэлектронная эмиссия
исключены. Суммарный ток камеры складывается из электронной и ионной
составляющих. Подвижность электронов на порядок выше подвижности ионов и прямо
пропорциональна напряжённости поля и обратно пропорциональна давлению газа:
𝐸
𝐸
𝑉Э = 𝜇Э 𝑃, 𝑉И = 𝜇И 𝑃 и 𝜇и = 10−3 см−3 мм. рт. ст./мкс.
Поэтому время собирания Тэ -электронов около 1 мкс, а ионов –Ти -1 мс. Электронный и
ионный токи, существующие в течении интервала Тэ и Ти соответственно имеют
величины:
𝐼Э =
𝑄𝑉Э
𝑄𝑉И
, 𝐼И =
,
𝐿
𝐿
где L – расстояние между пластинами ионизационной камеры.
Так как нагрузкой камеры является цепь с эквивалентной постоянной времени
определяемой входным сопротивлением и ёмкостью, то напряжение быстро возрастает за
счёт электронной составляющей. Ёмкость состоит из входной ёмкости усилителя, ёмкости
камеры и монтажной ёмкости. Дальнейшее увеличение напряжения происходит медленно
за счёт ионной составляющей. Максимальное значение тока определяется зарядом Q и
эквивалентной ёмкостью Cвх. При постоянной времени превышающей время сбора ионов
амплитуда напряжения достигнет:
Um=Q/Cвх.
Если постоянную времени сделать сравнимой с временем собирания электронов, то
импульс напряжения будет существенно короче, а амплитуда уменьшится.
Для ионизации одной молекулы требуется энергия около 35 эВ. Одна частица с
энергией 1МэВ ионизирует около n=30 тыс. молекул с суммарным зарядом
Q=2en=21,602176565·10−193104=10-14 Кл. При ёмкости входной цепи 30 пФ выходной
сигнал будет равен 0,3 мВ. Т.е. камера - типичный датчик тока, т.к. выходное напряжение
определяется величиной нагрузки.
Пропорциональный счётчик имеет устройство аналогичное далее рассмотренным
газоразрядным счётчикам, т.е. по существу является их разновидностью. Отличие состоит
в выборе режима в области пропорциональных амплитуд. Протекающий через детектор
ток в основном определяется медленной ионной составляющей. Резкое нарастание до
половины амплитуды составляет десятки наносекунд и объясняется быстро собираемой
электронной составляющей. При малой постоянной времени входной цепи усилителя
амплитуда сигнала лежит в пределах 1 - 10 мВ. Выражения для определения формы и
величины напряжения будут приведены при анализе газоразрядных счётчиков.
17
Газоразрядные счётчики
Конструктивно представляют собой цилиндрическую или торцевую конструкцию
(рисунок 1).
В первом случае это коаксиальная тонкая нить – анод из вольфрама или стали
толщиной 0,02-0,3 мм и катод в виде металлической или металлизированной стеклянной
трубки. Отличие торцевых счётчиков состоит в том, что один конец нити впаян в торец
стеклянной трубки, а другой закреплён в изолирующей бусине напротив торцевого окна
на расстоянии 1-3 мм от него. Окно изготавливают из слюды или тонкой алюминиевой
фольги. Счётчики реагируют на несколько типов излучений. Однако для α – частиц
необходимо применять торцевые счётчики с малой толщиной окна.β – частицы
регистрируются тонкостенными цилиндрическими счётчиками (энергия не менее 500-700
кэВ) и торцевыми со слюдяными окнами (100-200 кэВ). В нейтронных счётчиках
используются ядерные реакции расщепления изотопа бора (10В) с испусканием α – частиц.
Бор вводится в виде газа (BF3) или катод покрывают слоем, соответствующим длине
пробега α – частиц, аморфного бора.
2
1
А
3
1
2
а)
3
4
б)
К
в)
Рисунок 1 – цилиндрический а) и торцевой б) газоразрядные счётчики,
условное графическое обозначение в);
1 – анод, 2 – катод, 3 – корпус, 4 - окно
Прозрачность стенки окна для β – частиц выраженная в процентах пропускания:
𝑁
4/3
= 𝑒 −2200𝑑/𝐸𝑚𝑎𝑥 ,
𝑁0
где N0 – число частиц, попадающих на стенку окна счётчика; N–число частиц попадающих
внутрь счётчика; d– поверхностная плотность окна мг/см2; Еmax – максимальная энергия β
– частиц, МэВ.
Эффективность регистрации γ–излучения определяется взаимодействием его со стенками
счётчика, приводящем к возникновению вторичных электронов, ионизирующих газ в
счётчике.
Распространённость счётчиков объясняется высокой чувствительностью за счёт эффекта
вторичной ионизации, простотой конструкции, большой мощностью выходного сигнала,
малой стоимостью, широким диапазоном рабочих температур и относительно невысокими
требованиями к стабильности напряжения питания.
Они могут работать в режимах:
Пропорционального газового усиления;
Режиме ограниченной пропорциональности;
Самостоятельного газового разряда.
Так называемые счётные характеристики газонаполненных детекторов
представлены на рисунке 2 [1].
18
Рисунок 2 – счётная характеристика
газового детектора
Характеристики приведены для
трёх
значений
начальной
5
ионизацииn0: 10 пар ионов от αчастицы, 103от β-частицы и10 от γизлучения. Здесь предполагается,
что постоянная времени τ= RC,
учитывающая
сопротивление
нагрузки и эквивалентную ёмкость
счётчика и входной цепи много
больше времени собирания заряда в
детекторе.
Предполагается:
конструкция счётчика соответствует рисунку 1а;
рабочий объём заполнен инертным газом при нормальных
условиях;
источник питания ограниченной
мощности.
Частица, попадая внутрь счетчика,
вызывает
ионизацию
газа.
Электроны, тяжелые положительные и отрицательные ионы,
образованные ионизирующей час-
тицей, двигаясь в электрическом поле, испытывают многократные упругие и неупругие
столкновения, с молекулами газа. Средняя скорость направленного движения электронов
и ионов пропорциональна напряженности электрического поля и обратно
пропорциональна давлению газа. Возникающий ток обусловлен в основном электронами,
так как их подвижность на три порядка выше, чем подвижность тяжелых ионов.
При малых значениях U (участок I) происходят два конкурирующих процесса:
собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме. При
увеличении поля скорость ионов увеличивается, что уменьшает вероятность
рекомбинации. Однако здесь число пар ионов, уносимых полем из рабочего объёма на
электроды, ещё незначительно по сравнению с числом ионов, которые рекомбинируют в
том же объёме, или вне его вследствие диффузии ионов в газе. На участке I газ имеет, как
и любой проводник со свободными носителями заряда, постоянную электропроводность,
т.е. здесь выполняется закон Ома. По мере увеличения напряжения число собираемых
ионов возрастает (участок I) до насыщения, при котором все ионы, созданные начальной
ионизацией, оказываются полностью собранными на электродах. Рекомбинация при этом
практически отсутствует. Насыщение сохраняется при дальнейшем увеличении
напряжения (горизонтальный участок II) Этот участок кривой называют областью
насыщения. Именно в этой области работают ионизационные камеры.
Изменение напряжения на счётчике определяется сгенерированным зарядом за счёт
ионизацииNq и величиной ёмкости счётчика C(типично 10 пФ):
∆𝑈 =
𝑁𝑞
𝐶
.
(1)
При дальнейшем увеличении напряжения электроны, созданные в результате
первичной ионизации, ускоряются полем настолько, что становятся способными при
столкновении с нейтральными атомами газа ионизировать их, т.е. создавать некоторое
число вторичных ионов. Это происходит прежде всего в области прилегающей к аноду.
19
Для цилиндрического счётчика напряженность поля Е имеет наибольшее значение на
поверхности анода с радиусом rА.
𝐸=
𝑈
𝑟𝑙𝑛
𝑅
𝑟А
,
(2)
где R – радиус катода.
Происходит так называемое газовое усиление. При этом амплитуда импульса сначала
растет пропорционально первичной ионизации – это пропорциональная область(ПО). В
этой области (III) работают так называемые пропорциональные счетчики. Если
электрон в среднем ионизирует А пар молекул, то величина изменения напряжения на
счётчике:
∆𝑈 = 𝐴
𝑁𝑞
𝐶
,
(3)
а величину А называют газовым усилением. Газовое усиление зависит от напряжения на
счётчике.
На участке напряжений III каждая лавина развивается независимо от других лавин,
так что величина начальной ионизации не влияет на коэффициент газового усиления,
который здесь является константой. В пределах пропорциональной области А может
изменяться при изменении напряжения на счётчике от 1000 до 10000, возрастая
экспоненциально к концу области III.
Область работы пропорциональных счетчиков затем сменяется областью
ограниченной пропорциональности IV (ООП).На участках III и IV образуются лавины
электронов и положительных ионов, а возникший при этом разряд называется лавинным
или таусендовским. Форма разряда, соответствующая начальной части вольтамперной
характеристики, включая и область насыщения (участки I и II), называется тихим
разрядом. Тихий и лавинный разряды прекращаются по достижении «первичными»
электронами (ионами), или их лавиной поверхности электродов, поэтому они относятся к
категории несамостоятельного разряда. Именно лавинный разряд сопровождается
явлением газового усиления, которое связано с процессами вторичной ионизации и
сопровождается увеличением заряда, собираемого на электродах, по сравнению с зарядом
«первичных» пар ионов. Динамика процесса определяется нарастанием градиента
электрического поля у анода. Электроны очень быстро достигают анода, а массивные
ионы вынуждены проходить весь путь от анода до катода. Существует некоторая
начальная задержка t0, определяющаяся местом возникновения первичной ионизации, что
затрудняет привязку события ко времени. Полагая большими внутреннее сопротивления
счётчика и сопротивления нагрузки можно считать, что нагрузкой счётчика служит
эквивалентная ёмкость на входе усилителя (определяется схемой включения). В этих
условиях временные зависимости тока и напряжения в пропорциональном режиме можно
определить как:
𝐼=
𝐴𝑁𝑞
𝑅
2 ln
𝑟𝐴
(𝑡+𝑡0 )
;𝑈=
𝐴𝑁𝑞
𝑡
𝑡0
.
2𝐶вх ln ( +1)
Форма импульсов тока и напряжения представлена на рисунке 3.
(4)
20
Рисунок 3 – Форма импульсов тока и напряжения на выходе счётчика в
пропорциональном режиме при большой постоянной времени измерительной цепи
С ростом напряжения на счётчике область ионизации расширяется, а облако
отрицательных заряженных частиц экранирует анод, понижая напряженность поля у него.
Это приводит к ограничению пропорциональности, т.к. амплитуда выходных импульсов
дополнительно будет зависеть от области, в которую попадает ионизирующая частица или
гамма – квант. При дальнейшем повышении напряжения единственная пара зарядов
приводит к полной ионизации внутреннего объёма и коэффициент А достигает 1010, а
собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. При этом амплитуда выходных
импульсов превышает 10 В. На участке V работают счётчики Гейгера-Мюллера. Однако
разряд, как и в предыдущих областях, остается вынужденным, т. е. начинается после
прохождения ионизирующей частицы.
Из-за большой концентрации зарядов и недостатка нейтрального газа в местах
образования лавин разряд за счёт фотоионизации начинает распространяться в область
большого градиента поля (вдоль нити анода) и из несамостоятельного переходит в
самостоятельный. Характер перехода и тип возникающего самостоятельного разряда
зависят от геометрии электродов, характера питающего напряжения и мощности его
источника, а также от природы и состояния наполняющего газа. Из существующих видов
самостоятельного разряда для регистрации излучений широко используется коронный
разряд (счётчики Гейгера-Мюллера и коронные счётчики). Коронный разряд возникает
при сравнительно больших давлениях газа во всех тех случаях, когда поле в разрядном
промежутке очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны поверхности одного или
обоих электродов и достаточного расстояния между ними.
Ионизация, а также свечение газа происходит лишь около электрода с малым
радиусом кривизны в тонком слое, называемом короной. Коронирующий слой занимает
область пробега электронных лавин, оставляющих позади себя положительные
пространственные заряды большой плотности. Во внешней области коронного разряда,
так называемой «тёмной», свободных электронов нет, ионизация столкновения первого
рода не происходит, и ток создаётся движением ионов. Характерной особенностью
коронного разряда является то, что сила тока в нём обусловлена не сопротивлением
внешней цепи, а ограниченной проводимостью внешней области разряда, которая зависит
от геометрии электродов, напряжения между ними, а также от природы и состояния газа.
В исходном состоянии у такого счётчика (коронного) существует небольшой
флуктуирующий ток. При появлении ионизирующих частиц ток импульса будет
превышать флуктуационный ток в 10-20 раз.
Коронный разряд возникает на участке напряжений V и прекращается после
каждого единичного акта начальной ионизации принудительно:
добавкой к наполняющему рабочий объём инертному газу одного из галогенов или
органических молекул, ликвидирующих опасность вторичных лавин (счётчики с
самостоятельным гашением) в т.ч. за счёт поглощения ультрафиолетового излучения;
резким ограничением мощности источника напряжения путём последовательного
включения высокоомного сопротивления(109ом), которое на время движения
положительных ионов к катоду сохраняет напряжение на электродах ниже порога
зажигания самостоятельного коронного разряда, уменьшенного за счёт накопления
21
отрицательного заряда на аноде в процессе разряда (счётчики с несамостоятельным
гашением). Ширина области существования прерываемой короны (участок напряжений
V), после которой начинается непрерывный самостоятельный разряд (участок VI),
пропорциональна величине сопротивления, включаемого последовательно с детектором.
Дальнейшее увеличение напряжения приводит к непрерывному разряду (область
VI), поэтому эта область для регистрации частиц не используется.
Следует учитывать, что счетная характеристика самогасящихся счетчиков
ухудшается по мере распада многоатомных молекул газа наполнителя: уменьшается
протяженность плато и увеличивается его наклон. Кроме того, в процессе эксплуатации,
вследствие изменения состава газовой смеси и повышения давления плато счетчика
сдвигается. Поэтому при работе счетчика время от времени следует проверять его
счетную характеристику для внесения поправки в величину рабочего напряжения.
Самогасящиеся счётчики допускают большую скорость счёта без специальных
электронных схем гашения разряда, поэтому они нашли широкое применение.
Самогасящиеся счётчики с органическими гасящими примесями имеют ограниченный
срок работы (108-1010импульсов). При использовании в качестве гасящей примеси одного
из галогенов (чаще всего применяется менее активный Br2) срок службы становится
практически неограниченным из-за того, что двухатомные молекулы галогена после
диссоциации на атомы (в процессе разряда) образуются снова. К недостаткам галогенных
счётчиков следует отнести сложность технологии их изготовления из-за химической
активности галогенов и большое время нарастания переднего фронта импульсов из-за
прилипания первичных электронов к молекуле галогена. «Затягивание» переднего фронта
импульса в галогенных счётчиках делает их неприменимыми в схемах совпадений.
Газонаполненные детекторы имеют два неустранимых недостатка. Во-первых,
плотность газа низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала, что не
позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизирующие частицы.
Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе велика (30-40
эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает
энергетическое разрешение.
22
Обозначение, характеристики и параметры газонаполненных счётчиков
Промышленные счетчики имеют три системы наименований.
В первой системе обозначают: СИ - счетчик излучений, цифры - номер
конструкции, буквы за цифрами - регистрируемое излучение (А - альфа, Б — бета, Г гамма, Н - нейтронное, Р - рентгеновское, Ф - фотоны), например, СИ-20Г, СИ-3 Б Г, СИ1Ф.
Во второй системе обозначают: первые буквы - материал катода (М - медный, Г графитовый, В - вольфрамовый, СТ - стальной), буква С - самогасящийся, цифра в конце
маркировки - номер конструкции счетчика, например, МС-7, ВС-6 и т. д. Для торцевых
счетчиков добавляется буква Т, например МСТ- или МСТР-4 (последняя буква обозначает
вид регистрируемого излучения).
Третья система обозначений: С - счетчик; вторая буква - вид регистрируемого
излучения; третья - конструктивные особенности счетчика (С — стеклянный, М металлический, Т - торцевой, У - увиолевое стекло); число после букв - номер
конструктивной модификации (например, СНМ-3, САТ-7, СБМ-9).
Для промышленных счетчиков широко используются следующие характеристики.
Эффективность - выраженное в процентах отношение числа зарегистрированных частиц
(фотонов) к числу частиц (фотонов), падающих на рабочую поверхность счетчика.
Чувствительность - изменение тока или скорости счета при изменении потока
измеряемого излучения на единицу.
Уровень натурального (темпового) фона - скорость счета без внешних источников
излучения.
Скорость счета - количество импульсов, зарегистрированных в единицу времени.
Счетная характеристика - зависимость скорости счета от приложенного напряжения.
Вольт-амперная характеристика - зависимость тока, протекающего через счетчик, от
напряжения при постоянной интенсивности облучения.
Допустимая интенсивность облучения - кратковременная допустимая перегрузка
счетчика по интенсивности облучения, при которой происходит отклонение параметров
счетчика от норм технических условий. После прекращения облучения и выключения
высокого напряжения параметры счетчика восстанавливаются.
Наибольшее рабочее облучение — интенсивность облучения, при которой возможна
эксплуатация счетчика с сохранением гарантированного ресурса работы.
Наибольшая рабочая скорость счета - скорость счета, при которой возможна
эксплуатация счетчика с сохранением гарантированного ресурса работы.
Наибольшая скорость счета — допустимая кратковременная перегрузка счетчика по
скорости счета. При этом происходит отклонение параметров счетчика от норм
технических условий. После снятия облучения и выключения высокого напряжения
параметры счетчика восстанавливаются.
Наибольший уровень фонового излучения — интенсивность ионизирующего
излучения, на фоне которого возможна регистрация другого излучения.
Наклон вольт-амперной характеристики - выраженное в процентах отношение
изменения силы тока к изменению напряжения. Наклон вольт-амперной характеристики
вычисляется по формуле
𝛿=
2(𝐼2 −𝐼1 )∙100%
(𝐼1 +𝐼2 )(𝑈𝐾 −𝑈𝐻 )
,
гдеI1, I2–сила тока при напряжениях, соответствующих началуUH,и концуUKплато.
(5)
23
Наклон плато счетной характеристики - выраженное в процентах отношение
изменения скорости счета к изменению напряжения. Определяется аналогично наклону
вольт-амперной характеристики [см. формулу (4)].
Плато счетной характеристики - прямолинейный участок счетной характеристики, на
котором наклон плато не превышает заданной величины.
Напряжение начала счета - наименьшее напряжение, приложенное к счетчику, при
котором импульсы регистрируются схемой, имеющей определенную чувствительность.
Перенапряжение - разность между рабочим напряжением и напряжением начала
счета.
Рабочее напряжение счетчика - напряжение, при котором рекомендуется эксплуатировать счетчик.
Рабочий диапазон температур - диапазон температур, в котором параметры счетчика
изменяются незначительно. Допустимые изменения параметров оговариваются
техническими условиями.
Ресурс работы - количество импульсов, которое счетчик может зарегистрировать без
изменения или с небольшими изменениями своих параметров. Допустимое изменение
параметров оговаривается техническими условиями.
Электрическая прочность газового промежутка - напряжение, приложенное к
счетчику, выше которого может произойти пробой газового промежутка счетчика.
При описании параметров счётчиков используются следующие обозначения:
l - длина, мм;
lЧ - чувствительная часть длины счетчика, мм;
-диаметр, мм;
р0 - плотность чувствительной части окна, мг/см2;
d -толщина чувствительной части окна, мкм;
т- масса, г;
Uр - рабочее напряжение, В;
UH напряжение начала счета, В;
U3K - напряжение зажигания короны, В;
€- эффективность, %;
Н- чувствительность к медленным нейтронам, имп. см2/нейтрон;
Un - протяженность плато, В;
- наклон плато, %;
N -скорость счета, имп./мин;
Nmax - максимальная скорость счета, имп./мин;
NФ - уровень натурального фона, имп./мин;
Рmax-максимальная мощность дозы (кратковременная), Р/ч;
Рф - максимальное фоновое облучение;
P𝛼 -максимальная рабочая интенсивность α-облучения на площадь окна, част./мин;
D- ресурс работы;
t - рабочая температура, °С;
RHl - сопротивление нагрузки, МОм;
RH2 - дополнительное сопротивление в цепи питания счетчика, МОм;
RК- сопротивление в цепи катода, кОм;Rвых
- выходное сопротивление схемы
включения, кОм;
Rи - сопротивление изоляции, МОм;
СP1 - разделительная емкость к сопротивлению нагрузки RН1, пФ;
СP2 - разделительная емкость к дополнительному сопротивлению нагрузки Rн2, пФ;
Сп — паразитная емкость, пФ;
Свых - выходная емкость, пФ;
24
Сш - шунтирующая емкость, мкФ;
Ск - емкость в цепи катода, мкФ;
UИ - амплитуда выходных импульсов, В;
UИK - амплитуда импульсов коронного разряда, мВ;
 - чувствительность измерительной схемы, В;
I - ток, мкА.
В таблице 1 приведены параметры некоторых счётчиков.
Таблица 1 Параметры некоторых газоразрядных счётчиков
Тип счётчика
СИ-38Г.
СС3.394.053 ТУ.
Регистрация
γ-излучеиия
с мощностью
дозы
1000Р/ч.
Оформление
стеклянное
СИ-3Б
СУ3.394.053 ТУ.
Катод – медь.
Оформление
стеклянное,
торцевое
СИ-3БГ
СУ3.394.063 ТУ.
Работает в
импульсном и
токовом
режимах. Катод—сеточный
никелевый.
Оформление
стеклянное
СНМ-16
ОТЗ 394.132 ТУ
Регистрация
медленных
нейтронов.
Оформление
металличеcкое.
Наполнение –
смесь гелия-3 с
3% аргона до
общего давления
7 атм.
Габар.
l=55
UP=500600
=10
m=3,5 UП=100
Наклон
плато
 =0,3
N= 8,8-13,2
имп./с
при 1 Р/ч
NФ = 0,5
Pmax= 3600
D=2х109имп
Uп=80
ф=0,35
Сх.вкл Парам.сх.
1а
CР1=12
CП=8
RН1=2,2
RВХус=0,75
l =90
=38
m=25
UH=1350- Nmax=
1650
104имп./с
UП=150
NФ = 25
=0,03
D=5*107имп
Uп=75
ф =0,15
1а
CР1=20-35
CП=10
RН1=2,2
=0,2-0,5
l =55
=10
m=25
UP=380460
UH=290330
UП=80
=0,25
N= 8,8-13,2
имп./с
при 3,6mР/ч
P= 300
Pmax= 900
D=100ч
1г
Rк=30
Cш=10
Cк=10
Uзк=2000
Uр=2300
UП=400
=0,03
Н=1
l=128
=18
m=20
NФ = 5
При уровнеγизлучения 50
Р/ч
D=500 ч
RН1=2
RН2=103
1а
RН1=47
CР=390
RИ=103
RВХус=16
Изменение
Н при
фоне γизлучения
50 Р/ч15%
25
Таблица 2 дополнительно СИ38Г
Наименование параметра, единица измерения
Протяженность плато счетной характеристики, В
Наклон плато счетной характеристики, %/В
Чувствительность по скорости счета,
имп х с -1 х А-1 х кг
(имп. х с-1 х Р-1х ч)
Амплитуда импульсов напряжения, В
Собственный фон, имп/с
Рабочий интервал напряжений, В
Наибольшая рабочая мощность
экспозиционной дозы гамма- излучения,
А/кг
(Р/ч)
Изменение чувствительности от
первоначального значения, в %
Наибольший рабочий ток, мкА
Норма
не менее
100
-
не более
0,35
1,22x108
(8,8)
20
500
1,82x108
(13,2)
0,008
600
7,17х10-5
(1000)
-
-
+/-20
40
26
Выбор режимов работы газоразрядных счетчиков
Главным условием успешной эксплуатации газоразрядного счетчика является
правильный выбор рабочего напряжения. Оно определяется напряжением начала счета,
протяженностью и наклоном плато, „мертвым” временем, сроком службы,
чувствительностью измерительной схемы и диапазоном рабочих температур.
Особое внимание необходимо обращать на протяженность и наклон плато. Чем
больше протяженность плато и меньше его наклон, тем меньше ошибок измерений при
колебаниях напряжения питания счетчика.
У хороших счетчиков протяженность плато составляет не менее 100 В, а его наклон
не превышает нескольких процентов. Причинами, вызывающими увеличение наклона
плато с ростом рабочего напряжения, являются возрастание числа вторичных электронов,
создающих ложные импульсы, и увеличение чувствительности счетчика. Счетная
характеристика несколько смешается при изменении загрузки счетчика. При повышении
интенсивности облучения плато сдвигается в сторону более высоких напряжений.
Для уменьшения ошибок измерений
необходимо выбирать счетчик с минимальным
наклоном плато. Однако и у хороших счетчиков
вначале и конце плато скорость счета меняется на
10-15%. С увеличением напряжения в пределах
участка плато:
Увеличивается
число
многократных
импульсов в результате выбивания из катода
электронов положительными ионами;
уменьшается
„мертвое”
время
и
увеличивается скорость счета;
увеличивается
чувствительный
объем
Рисунок 1 – Счётные характеристики
счетчика
и
телесный
угол,
в
котором
появившаяся
счётчика при использовании методов
пара ионов может вызвать разряд.
улучшения:
Первые две причины наклона плато могут
быть
исключены стандартизацией „мертвого”
1 – исходная характеристика
времени счетчика. Третья причина устраняется
(наклон плато 8%);
диафрагмированием счетчика и облучением
2 – диафрагмирование
только центральной его части, в которой
(наклон плато 3%)
эффективность регистрации не зависит от
3 – диафрагмирование и
напряжения.
стандартизация мёртвого времени
(наклон плато 0,3%)
На рисунке 1 показана эффективность различных методов улучшения счётных
характеристик газоразрядных счётчиков [2]. Мертвое время счетчиков можно
стандартизировать с помощью схем искусственного гашения разряда или применением
импульсного питания. Более часто разряд гасится спусковыми схемами с одним
устойчивым состоянием, которые после разряда уменьшают напряжение на счетчике ниже
напряжения начала счета. Лучшее разрешающее время имеют схемы, которые после
каждого разряда изменяют полярность напряжения на электродах счетчика, В этом случае
положительные ионы быстрее собираются на близко расположенном аноде и „мертвое”
время счетчика уменьшается. Основным преимуществом реверсирующих схем по сравнению с импульсным питанием счетчиков является более высокая чувствительность в
широком диапазоне измерений.
Срок службы самогасящихся счетчиков, как отмечалось, определяется расходом
многоатомных молекул гасящей примеси. С распадом многоатомных молекул повышается
давление в счетчике, что вызывает смещение плато в область более высоких напряжений
27
и увеличивает его наклон. Расход молекул гасящей примеси при разряде меньше при
напряжениях, соответствующих первой трети плато. Поэтому выбор рабочего напряжения
зависит от требуемых потерь счета импульсов и срока службы.
При отсутствии особых требований к увеличению срока службы рабочее напряжение выбирается на 100 В больше, чем в начале счета. Для увеличения амплитуды
импульсов рабочее напряжение необходимо выбирать в середине или конце плато
характеристики. Следует избегать даже кратковременных перегрузок счетчика по
напряжению и интенсивности излучения, так как это может привести к изменению
параметров или порче счетчика.
Существенное влияние на режим работы счетчика оказывает пороговая
чувствительность измерительной схемы. С повышением пороговой чувствительности измерительной схемы напряжение начала счета UH смещается к меньшим значениям. Это
позволяет существенно расширить диапазон измерений за счёт уменьшения мёртвого
времени, т.е. повышения скорости счёта.
Следует также отметить зависимость скорости счёта импульсов от ориентации оси
счётчика относительно потока заряженных частиц даже для цилиндрических счётчиков
(не говоря о торцевых). Максимальная скорость достигается при поперечной ориентации
счётчика и по сравнению с продольной ориентацией выигрыш может превышать 10%.
Режим импульсного питания.С повышением интенсивности излучения в режиме
постоянного питания газоразрядного счетчика интервал между двумя последующими
разрядами в счетчике может оказаться равным „мертвому” времени счетчика. Дальнейшее
повышение интенсивности излучения не может увеличить число разрядов за единицу
времени т.е. наблюдается завал счётной характеристики.
Для того чтобы газоразрядные счетчики можно было использовать и при
измерении больших уровней излучений, следует либо уменьшить их „мертвое” время,
либо использовать режим импульсного питания.
В режиме импульсного питания разряд в счетчике возникает только при совпадении момента прохождения ионизирующей частицей объема счетчика с моментом
поступления импульса напряжения питания. Вид нагрузочной характеристики в режиме
импульсного питания может быть определен на основе вероятностного подхода.
Вероятность того, что за время подачи одного импульса напряжения питания
длительностью  ионизация в счетчике за счет γ-излучения возникает п раз, определяется
формулой Пуассона:
(𝑁𝜏)𝑛
𝑃𝑛 = 𝑛! 𝑒 −𝑁𝜏 , n=0,1,2…
(1)
гдеN̅ - среднее число ионизаций в с от источника излучений. Вероятность отсутствия
ионизации в течении импульса напряжения на счётчике (n=0):
𝑃0 = 𝑒 −𝜏𝑁 .
(2)
Вероятность же того, что за время импульса питания не произойдёт ни одной ионизации,
или произойдёт любое их количество, как вероятность достоверного события – равна 1:
𝑃0 + ∑∞
(3)
𝑛=1 𝑃𝑛 = 1.
Поэтому вероятность ионизации за время импульса питания равна:
−𝜏𝑁
∑∞
.
(4)
𝑛=1 𝑃𝑛 = 1−𝑃0 = 1 − 𝑒
Чтобы исключить влияние „мертвого” времени на работу счетчика врежиме импульсного питания длительность импульсов напряжения питания обычно выбирается в
10-100 раз меньше его „мертвого” времени. Вследствие этого за время подачи одного
питающего импульса возможен максимум один разряд в счетчике. Этот разряд называется
первым актом ионизации. Все последующие акты ионизации, которые могут произойти
в счетчике за время подачи питающего импульса длительности, накладываются на
разряд, возникший от первого акта ионизации. Поэтому вероятность того, что за время
подачи одного питающего импульса длительностью  в счетчике произойдет разряд, равна
вероятности возникновения одного или любого другого числа актов ионизации,
28
определенной по формуле (4). Если частота импульсов напряжения питания F, то 1 - Р 0 из
них сопровождается разрядом в счетчике. Отсюда количество разрядов счетчика за 1 св
режиме импульсного питания равно:
𝑁 = 𝐹 × (1 − 𝑒 −𝜏𝑁 ).
(5)
Среднее число ионизаций в счётчике за 1 с пропорционально уровню радиации в точке
измерения:
𝑁 = 𝐻𝑃,
(6)
где Р – уровень радиации, Р/ч; Н – имп/с при уровне радиации 1 Р/ч.
В качестве примера приведём сравнительные характеристики для режимов
постоянного и импульсного питания счётчиков СИ-3БГ. Для счётчиков СИ-3БГ параметр
Н лежит в диапазоне от 400 до 700 имп/с. На рисунке 2 приведены нагрузочные
характеристики счетчика СИ-3БГ в режимах постоянного и импульсного питания при
различных длительностях питающих импульсов (F= 2000 Гц). Как видно, применение
импульсного питания существенно увеличивает верхний предел измерений, а
нагрузочную характеристику делает ближе к линейной.
Рисунок 2 – нагрузочные х-ки счётчика СИ-3БГ в режиме постоянного и импульсного
питания (F=2 КГц) при различных длительностях питающих импульсов.
В заданном диапазоне мощностей доз от РН до Р В можно выбрать такую
нагрузочную характеристику, чтобы ее отклонение от линейной было минимальным.
Оптимальная линейная нагрузочная характеристика должна иметь вид:
𝑁
𝑁
𝑁 = 2𝑃𝐻 + 𝑃 𝐵 𝑃,
(7)
𝐻
𝐵
где РН, РВ – нижняя и верхняя границы диапазона; NН, NВ – соответствующие им скорости
счёта.
Для оценки степени отклонения реальной нагрузочной характеристики от
линейной вводится критерий нелинейности Ф:
𝑁−𝑁
±Ф = 𝑁 л,
(8)
л
где Nл – значение для идеальной линейной нагрузочной характеристики. Знаки «-»,
«+» относятся к значению отклонения на нижней и верхней границе диапазона
соответственно.
При конструировании прибора параметры импульсного питания счетчика
выбираются так, чтобы при заданном отклонении нагрузочной характеристики от
линейной обеспечивалось измерение уровней радиации до верхнего предела, равного РВ.
При этом верхний предел диапазона измерений связан с заданной степенью нелинейности
и параметрами импульсного питания приближенным соотношением:
1+Ф
𝑃В ≈ 𝐻𝜏(1−Ф) (1 − 𝑒 −𝐻𝜏𝑃В ).
(9)
29
Увеличение частоты питающих импульсов ведет к линейному увеличению
коэффициента наклона (N/Р) нагрузочной характеристики, т. е. к увеличению
чувствительности. Линейный участок нагрузочной характеристики может быть
значительно улучшен и продлен в область больших уровней излучений за счет коррекции
частоты питающих импульсов. Для получения полностью линейной нагрузочной
характеристики частоту питающих импульсов следует увеличивать с увеличением
измеряемой мощности дозы в соответствии с формулой:
𝑎𝑃
𝐹(𝑃) = 1−𝑒 −𝐻𝜏𝑃 ,
(10)
Линейная нагрузочная характеристика N=aP, должна быть касательной при Р=0 к
нагрузочной характеристике. При этом угол наклона линейной характеристики и
определяет частоту питающих импульсов:
𝑎 = 𝐹𝐻𝜏.
(11)
Ограничением сверху для частоты является условие того, что её период не должен
быть меньше «мёртвого» времени счётчика. При использовании импульсного питания сам
счётчик питается от блокинг-генератора, частота которого регулируется цепью обратной
связи (при повышении интенсивности автоматически повышается частота импульсов
питания). Для снижения амплитуды импульсов питания применяют комбинированное
питание – постоянное, и наложенное на него импульсное. При этом постоянное
напряжение выбирается ниже напряжения начала счёта.
Следует отметить, что мёртвое время может быть непродлевающимся (не
реагирующем на событие, происходящее в этом временном интервале), и
продлевающимся.
Средние скорости регистрации r в этих случаях определяются выражениями:
Ещё один вариант учёта мёртвого времени 𝑁
−𝑁𝜏𝑁𝐸
коррекция
результата расчётным методом.
𝑟=
,
𝑟 = 𝑁𝑒
.
1 + 𝑁𝜏𝑁𝐸
30
Схемы включения газоразрядных счётчиков
При питании газоразрядных счётчиков постоянным напряжением могут быть
применены схемы, представленные на рисунке ниже.
А
СР1
RН1
А
RН2
+
RН1
К
К
СР1
+
а)
б)
А
RН2
А
+
RН1
К
-
К
СК
+
RК
в)
А
г)
RН1
СР1
К
RН2
А
+
RН1
+
СР2
К
д)
е)
Рисунок 1 – Схемы включения газоразрядных счётчиков питаемых постоянным
напряжением
Схема, представленная на рисунке а) считается классической. Резистор Rн снижает
напряжение на счётчике при возникновении газового разряда, обеспечивая гашение
несамогасящихся счётчиков. Величина напряжения питания должна превышать
напряжение зажигания Uзаж. У этой схемы есть два недостатка. Для корректной работы
требуется высоковольтный разделительный конденсатор и входное сопротивление
последующего усилителя должно быть достаточно большим. Его величина существенно
31
влияет на протяженность плато. С увеличением Rн протяжённость плато увеличивается и
уменьшается его наклон. При малой величине входного сопротивления напряжение на
конденсаторе будет препятствовать гашению счётчика. Значение сопротивления Rн
галогеновых счётчиков типично 5-10 МОм, а входное сопротивление измерительной
схемы может быть 1-2 МОм. Собственные и монтажные ёмкости счётчиков в среднем 1520 пФ, а разделительные ёмкости могут быть до 100 и более пФ.
Так как эта ёмкость заряжена до
напряжения питания, то потенциал анода
удерживается высоким и создаются условия для
повторных вспышек. При этом повторные разряды
в счётчике могут продолжаться до перезаряда этой
ёмкости. []. Для борьбы с этим явлением следует
Рисунок 2 – Влияние
повышать входное сопротивление до 5 и более
чувствительности измерительной
МОм или/и снижать разделительную ёмкость до 5
схемы на протяжённость плато
-10 пФ. Чувствительность измерительной схемы
также влияет на наклон плато (рисунок 2).
Влияние измерительной цепи можно снизить в схеме включения 1б. Резистор
нагрузки в этом случае разделён на две части. При этом RН1 обеспечивает эффективное
выключение счётчика. Входную цепь (усилитель) подключают к точке соединения
резисторов нагрузки. При этом RН1 должен иметь меньшую величину сопротивления.
Однако емкость нагрузки совместно с RН1 приводит к уменьшению крутизны импульса. В
некоторой степени это компенсируется шунтированием резистора RН1 дополнительным
конденсатором СР1 рисунок 1д.
Амплитуда тока, как отмечалось ранее, зависит от внутреннего сопротивления
газоразрядного счётчика в момент разряда. Значение сопротивления для некоторых
счётчиков приведены в таблице [].
Таблица - Сопротивления некоторых счётчиков в момент разряда
Тип счётчика
СГС- 6
СИ-2БГ
СИ-3БГ
СТС-6
ВС-4
Внутреннее
сопротивление, ком
270
800
270
270
150
В схеме 1в исключается необходимость в использовании высоковольтного
разделительного конденсатора, т.к. высокое отрицательное напряжение подаётся на катод
газоразрядного счетчика, а анодная цепь заземляется через резистор нагрузки. Следует
учитывать, что в данной схеме выходной импульс имеет отрицательную полярность.
Кроме того, усилитель по-прежнему должен иметь высокое входное сопротивление.
Данная схема может вызывать проблемы связанные с перегрузкой усилителей высоким
напряжением. При этом применять схемы ограничения на входе нельзя в связи с резким
снижением величины сопротивления в области ограничения и нарушением условий
гашения счётчика без самогашения.
В схемах 1г, 1е усилитель может иметь любое входное сопротивление. Функции
гашения выполняются резистором в цепи анода, а нагрузкой является резистор в цепи
катода. В схемах с биполярными транзисторами его функции может выполнять цепь
базового делителя. При применении транзисторов обратной проводимости не требуется
установка специальных ограничительных цепей, т.к. по существу газоразрядный счётчик
со стороны катода работает в режиме короткого замыкания. Схема 1е по сути
32
идеализированная, т.к. емкость катода относительно общего провода значительна и может
меняться при изменении конструкции прибора.
Для схемы 1г на рисунке 3 приведены диаграммы выходных сигналов.
а)
б)
в)
Рисунок 3 – диаграммы выходных сигналовгазоразрядных счётчиков
На рисунке 3а кривая 1 соответствует одной лавине, 2 – нескольким лавинам в
несамогасящемся счётчике.
На рисунке 3б форма импульсов самогасящегося счётчика. 3 - при регистрации
частицы в начале, 4 - в конце счётчика.
На рисунке 3в показано влияние мёртвого времени на реакцию счётчика.
Скорость нарастания выходного напряжения зависит от превышения напряжением
питания Е напряжения зажигания Uзаж, внутреннего сопротивления счётчика
сопротивления и ёмкости в точке подключения нагрузки:
𝑈вых = 𝑅
𝑅Н
𝐻 +𝑅ВН
(𝐸 − 𝑈ЗАЖ ) (1 − 𝑒
𝑅 +𝑅
− 𝐻 ВН ∙𝑡
СН 𝑅Н 𝑅ВН
),
(1)
Величина внутреннего сопротивления определяется размерами счётчика, составом
и давлением газа и может достигать 107 Ом.
При высоких интенсивностях потоков ионизирующих частиц влияние мёртвого
времени на скорость счёта становится доминирующей. Выходом может быть применение
пропорциональных счётчиков, имеющих малую величину мёртвого времени. При этом
скорость счёта может достигать сотен тысяч имп. / с. Рабочее напряжение должно
устанавливаться ближе к началу пропорциональной области, что способствует
повышению разрешающей способности счётчика. Однако амплитуда импульсов
становится слишком малой, что требует большого усиления. Кроме того, высокая
чувствительность приводит к регистрации фоновых частиц, а это требует применения
защиты из свинца, чугуна или методов дискриминации (схем антисовпадений,
компенсации).
Коронные счётчики должны работать в начальной области плато, т.к. их плато
имеет отрицательный наклон. Для отделения импульсов коронного разряда и фона от
регистрируемого излучения следует использовать амплитудную дискриминацию, без чего
применение коронных счётчиков бессмысленно.
Сцинтилляционные счётчики
Сцинтилляционные счётчики основаны на измерении параметров световых
вспышек вызванных взаимодействием ионизирующих частиц с некоторыми веществами
при переходах их молекул и атомов в возбуждённое состояние, и последующего возврата
в начальное состояние, а также при рекомбинации электрических зарядов и др.Время
высвечивания лежит в пределах от единиц наносекунд до микросекунды. Фронты могут
быть очень короткими (до долей нс). Т.к. интенсивность вспышек мала, то для
регистрации используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) или фотодиоды с
33
линейными
усилителями.
Чувствительность
сцинтилляционных
детекторов,
характеризуемая энергией для создания одного кванта света хуже чем у газоразрядных
детекторов (0,7 кэВ). У органических сцинтилляторов она хуже в 3 раза. Преимуществом
же является их высокая временная разрешающая способность, вплоть до
субнаносекундного диапазона.
При работе с медленными сцинтилляторами (Тсцинт10-6÷10-7 с) ФЭУ можно
считать безинерционным прибором. Суммарное время пролёта между динодами от 4 до 70
нс, а время выхода вторичных электронов из фотокатода и динодов не более пс. Время
нарастания тока анода 0,5-3 нс, а разброс времени пролёта 0,2-1 нс.
Работу ФЭУ можно описать через число электронов совершающих работу выхода
из фотокатода:
𝑡
𝑡
𝑛=𝑁
−
−
𝑒 𝑇сп −𝑒 𝑇ф
𝑇сп−𝑇ф
,
(1)
где N – полное число фотоэлектронов вышедших из фотокатода; Тф, Тсп –постоянные
определяющие время фронта и спада. Постоянная спада больше чем фронта. В
неорганических сцинтилляторах временем фронта, вообще, можно пренебречь в
сравнении со спадом.В этой связи сцинтилляционный процесс может быть описан одной
или несколькими спадающими экспонентами:
𝑡
𝑛=𝑁
−
𝑒 𝑇сп
𝑇сп
.
(2)
В предположении неискажающего ФЭУ ток анода может быть представлен:
𝑡
𝑖(𝑡) = 𝐼
−
𝑒 𝑇с
𝑇с
,
(2)
где I – амплитуда анодного тока; Тс – время высвечивания сцинтиллятора.
Реальная форма тока искажена за счёт разных траекторий электронов между
динодами. При этом форма анодного тока одиночного фотоэлектрона апроксимируется
законом Гаусса. Для улучшения формы тока следует уменьшать время пролёта
электронов. Форма импульсов тока зависит от вида частиц. Пример для стильбена
представлен на рисунке 1 [3].
Рисунок 1 – Форма сцинтилляционных
импульсов в стильбене для:
1 – - частицы;
2 –протоны;
3 –электроны
Выходной сигнал ФЭУ поражается шумом, обусловленным тепловыми электронами
вылетающими из фотокатода.
34
Полупроводниковые детекторы
Фотодетекторы фотонов
Для регистрации импульсного оптического излучения малой интенсивности
используются различные типы фотодетекторов – приборов, преобразующих энергию
фотонов в электрический сигнал. Наиболее широкое распространение для решения этой
задачи получили вакуумные фотоэлектронные умножители – ФЭУ, способные
регистрировать отдельные фотоны. Эффективность преобразования излучения
современных ФЭУ достигает 45%, расширяется и их спектральный диапазон
чувствительности. Основные недостатки, препятствующие использованию ФЭУ в
некоторых конкретных применениях, – большие размеры, высокое напряжение питания и
чувствительность к магнитным полям. Кроме того, при построении систем, содержащих
сотни тысяч каналов регистрации, важнейшим фактором становится цена детектора,
которая в случае ФЭУ достаточно высока. Эти факторы стали причиной активной
разработки твердотельных приборов, использующих явление внутреннего фотоэффекта.
Полупроводниковые детекторы фотонов можно разделить на две большие группы:
1. фотодетекторы, в которых преобразование светового сигнала происходит без
внутреннего усиления заряда;
2. фотодетекторы с внутренним усилением заряда.
К первой группе относятся p-i-n-фотодиоды, которые благодаря своей надежности,
компактности и невысокой стоимости успешно применяются в различных физических
экспериментах. Квантовая эффективность этих фотодиодов в максимуме спектральной
чувствительности достигает 90%. Однако при регистрации света малой длительности
(менее 1 мкс) необходимо применять внешний широкополосный усилитель, шумы
которого не позволяют зарегистрировать вспышку света с числом фотонов менее 1000.
Кроме того, относительно большая толщина обедненной области делает p-i-n-фотодиоды
чувствительными к другим видам излучения (гамма-кванты, заряженные частицы).
У детекторов второй группы внутреннее усиление заряда происходит, как правило, за
счет ударной ионизации носителей в сильных электрических полях. Под действием поля
свободный носитель заряда (электрон или дырка) приобретает энергию, достаточную для
ионизации нейтрального атома и освобождения еще одной электронно-дырочной пары,
причем такой процесс может повторяться неоднократно. Полупроводниковые детекторы с
внутренним усилением заряда, обусловленным ударной ионизацией, – лавинные
фотодиоды (ЛФД) – были разработаны более 50 лет назад. Достоинства ЛФД – высокие
быстродействие и квантовая эффективность (до 90%), а также широкий динамический
диапазон. Коэффициент усиления промышленных образцов кремниевых ЛФД,
работающих в пропорциональном режиме (т.е. при сигнале на выходе ЛФД,
пропорциональном интенсивности регистрируемого света), составляет ~102 . Специальные
технологии позволяют изготавливать ЛФД с коэффициентом усиления до ~103 [1]. При
таком коэффициенте усиления сигнал от одиночного фотоэлектрона может превысить
35
уровень шумов усилителя, однако флуктуации коэффициента умножения в ЛФД не
позволяют зарегистрировать световые импульсы, содержащие менее 20–50 фотонов.
Увеличить коэффициент умножения традиционного кремниевого ЛФД до 104 и более не
представляется возможным. Это связано с тем, что коэффициенты ионизации для
электронов и дырок в кремнии при больших напряженностях электрического поля очень
близки и в образовании лавины участвуют оба типа свободных носителей, что приводит к
неограниченному росту лавины и, как следствие, к тепловому пробою p-n-перехода и
выходу прибора из строя. Таким образом, регистрировать одиночные фотоны
традиционными детекторами на основе p-n-перехода, работающими без усиления и в
пропорциональном режиме усиления, невозможно.
Однако был найден способ, позволяющий увеличить усиление, – это создание
структуры, в которой лавинный разряд ограничивается механизмом обратной связи.
Работы в этом направлении в России проводились в Физическом институте им.
Лебедева РАН, где исследовалась структура типа металл-диэлектрик-полупроводник
(МДП). В таких структурах появляющиеся во время лавины носители накапливаются на
границе раздела полупроводник—диэлектрик, что приводит к локальному снижению
напряженности электрического поля, уменьшению коэффициентов ударной ионизации и
прекращению образования лавины.
Основные недостатки МДП-структур – необходимость подачи импульсного
напряжения смещения для рассасывания инверсного заряда и деградация характеристик
прибора. Проблемы были решены при использовании структур металл—резистивный
слой—полупроводник (МРП). В отличие от МДП-структур МРП имеют высокую
проводимость резистивного слоя, что предотвращает накопление встроенного заряда на
границе раздела слоев. Это позволило существенно увеличить коэффициент усиления
фототока (до 104), улучшить стабильность характеристик, увеличить площадь
чувствительной поверхности и срок службы приборов.
Одновременно в ряде лабораторий мира изучалась возможность применения для
регистрации одиночных фотонов p-n-переходов, работающих в лавинном режиме при
напряжении выше пробойного, т. е. в режиме гейгеровского разряда. Такие детекторы,
названные SPAD (Single Photon Avalanche Diode), способны регистрировать одиночные
фотоны с эффективностью до 80%.
В гейгеровском режиме сигнал от одного фотона, поступающий на 50-Ом нагрузку,
может составлять несколько вольт. Для регистрации следующего фотона лавина, после
возникновения, должна как можно быстрее прекратиться, погаснуть. Это означает, что
гейгеровский разряд необходимо ограничивать, что предохраняет p-n-переход от
повреждения. Гейгеровский разряд гасится с помощью либо внешнего резистора
(пассивное гашение), либо электронных схем гашения лавины и принудительного
восстановления рабочего напряжения на p-n-переходе (активное гашение). Активное
гашение позволяет существенно увеличить быстродействие детектора.
В настоящее время SPAD изготавливаются на различных полупроводниковых
материалах с соответствующим диапазоном спектральной чувствительности и находят
широкое применение в системах, где требуется счет фотонов.
36
Недостаток SPAD – фиксированная амплитуда сигнала на выходе, не зависящая от
величины внешнего воздействия, а также нечувствительность детектора к внешнему
воздействию в период после срабатывания и до момента восстановления. В разработку
твердотельных детекторов одиночных фотонов с улучшенными характеристиками
включились кафедра физики элементарных частиц Московского инженерно-физического
института, принимавшая с момента своего образования в 1992 году активное участие в
международных проектах по физике высоких энергий, и ФГУП НПП "Пульсар" при
поддержке Немецкого национального исследовательского центра DESY (Гамбург). В
результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований и был
предложен детектор фотонов нового типа.
Креминиевые фотоэлектронные умножители. Устройство, принцип
действия и основные характеристики SiФЭУ
SiФЭУ – это фотоприемник на основе упорядоченного набора (матрицы) p-nпереходов (ячеек), выполненных на общей подложке (рисунок 1). Характерный размер
ячейки составляет порядка 30–100 мкм. Плотность упаковки матрицы – 100–1000
ячеек/мм 2 .Площадь чувствительной поверхности SiФЭУ,
Рисунок 1 - конструкция (а), осциллограмма сигналов (б) фотография фоточувствительной
поверхности кремниевого фотоумножителя (SiФэУ) (в)
разработанных в ходе совместной работы МИФИ -"Пульсар", лежит в пределах от
1×1 до 5×5 мм. Все ячейки одинаковые. Все они объединены в общей точке
токопроводящими шинами. Напряжение смещения всех ячеек общее и на несколько вольт
(значение перенапряжения) превышает напряжение пробоя p-n-перехода. Каждая ячейка
содержит токоограничивающий резистор, в результате чего гейгеровский разряд в ячейке
ограничен. Сигнал каждой ячейки – логический и не зависит от числа первоначальных
37
носителей, вызвавших срабатывание ячейки. Однако сам SiФЭУ как целое представляет
собой аналоговый детектор, так как его выходной сигнал равен сумме одинаковых
сигналов p-n-переходов, сработавших при поглощении ими фотонов (что хорошо видно на
осциллограмме на рисунке 1б).
Эффективность
регистрации
фотонов
ε
(основная
характеристика
фотоприемника) – это вероятность того, что падающий на фотоприёмную площадку
SiФЭУ фотон будет за регистрирован. Эффективность можно определить следующим
образом:
ε = <N ячеек >/<N фотонов >,
где <N фотонов > – среднее число фотонов во вспышке, падающих на
фотоприемную площадку, <N ячеек > – среднее число ячеек SiФЭУ, сработавших от
вспышки.
Эффективность регистрации ε можно выразить через произведение трех основных
независимых друг от друга составляющих:
ε = QE·A·G,
где QE – квантовая эффективность p-n-перехода, A – геометрическая эффективность и G –
вероятность возникновения гейгеровского разряда.
Квантовая эффективность QE – вероятность генерации фотоном свободного
носителя, который достигнет области умножения (области высокого поля, достаточного
для ударной ионизации). Использование просветляющего покрытия, оптимизация
толщины слоя, где происходит поглощение излучения, позволяют получать значения
квантовой эффективности до 90%.
Геометрическая эффективность A, определяемая соотношением активной и общей
площади ячейки SiФЭУ, зависит от размера ячейки и составляет 30–80% для ячеек
размером от 30×30 до 100×100 мкм.
Вероятность возникновения гейгеровского разряда G при попадании свободного
носителя в область высокого поля зависит от значения перенапряжения, т. е. разности
между приложенным к SiФЭУ напряжением и напряжением пробоя. Экспериментальная
зависимость эффективности регистрации ε от перенапряжения для одного из типов SiФЭУ
представлена на рисунке 2.
38
Рисунок 2 - зависимости от перенапряжения эффективности регистрации света с длиной
волны 595 нм и коэффициента усиления SiФэУ
Эффективность регистрации света зависит от длины волны регистрируемого излучения.
Достигнутые на последних образцах SiФЭУ значения ε в максимуме спектральной
чувствительности составляют 30–40% (рисунок 3).
Рисунок 3 - спектральная зависимость эффективности регистрации света SiФэУ
Коэффициент усиления SiФЭУ (К) зависит от значения накопленного емкостью
ячейки заряда: К= С я ·(U - U пр )/е, где С я – емкость ячейки; (U - U пр ) –
перенапряжение, е – заряд электрона. Значение емкости ячейки определяется ее площадью
и шириной области пространственного заряда. Типичное значение емкости лежит в
диапазоне (25–500) фФ при размерах ячейки от 30×30 до 100×100 мкм. При
перенапряжении 2–5 В значения коэффициента усиления находятся в диапазоне 3·105 –
1·107 (рис.2).
39
Отметим, что в отличие от обычных лавинных фотодиодов зависимость
коэффициента усиления SiФЭУ от перенапряжения является линейной, поэтому
требования к стабильности напряжения питания для этих приборов гораздо ниже, чем для
ЛФД. Разброс значения коэффициента усиления определяется технологическим
разбросом значений емкости ячеек и напряжения пробоя от ячейки к ячейке и составляет
менее 10%. Такой разброс позволяет получать амплитудные спектры сигналов SiФЭУ с
отличным одноэлектронным разрешением (рисунке 4).
Рисунок 4 -Аплитудный спектр SiФЭУ при регистрации света слабой
интенсивности
Темновой счет. При рабочем напряжении, приложенном к SiФЭУ в отсутствие
светового воздействия, выходные импульсы по форме и амплитуде соответствуют
сигналам сработавших ячеек. Причины их появления – тепловая генерация свободных
носителей, генерация носителей в сильном электрическом поле, освобождение носителей,
захваченных ловушками в запрещенной зоне при прохождении предыдущих разрядов.
Абсолютное значение скорости темнового счета зависит от качества кремния (времени
жизни неосновных носителей) и объема, из которого носители могут попадать в область
умножения. Типичные значения в рабочем режиме при комнатной температуре
составляют 0,5–2 МГц/мм2. Скорость темнового счета, как и эффективность регистрации
света и коэффициент усиления, определяется значением перенапряжения. Это означает,
что для каждого конкретного применения SiФЭУ необходимо выбирать рабочую точку по
напряжению, при которой соотношение параметров будет оптимальным. При
повышенных требованиях к скорости темнового счета в ряде случаев может помочь
охлаждение SiФЭУ. С понижением температуры частота темновых импульсов для
фиксированного перенапряжения снижается, уменьшается и напряжение пробоя p-nперехода (рисунок 5).
Временные характеристики SiФЭУ определяются временем развития
гейгеровского разряда в ячейке. Собственной характеристикой детектора является разброс
времени срабатывания одиночной ячейки SiФЭУ. Измерения, проведенные при
использовании полупроводникового лазера (λ= 670 нм) с длительностью импульса 40 пс,
показали, что такой разброс равен 100 пс (полуширина на половине высоты). При
увеличении интенсивности вспышки разброс времени срабатывания уменьшается
40
пропорционально квадратному корню из числа сработавших ячеек. Для 30 ячеек
временное разрешение равно 20 пс.
Рисунок 5 - зависимости частоты темновых импульсов SiФэУ от перенапряжения
при различных значениях температуры
Динамический диапазон и линейность. Сигнал на выходе SiФЭУ
пропорционален интенсивности входного сигнала до тех пор, пока вероятность того, что
срабатывание ячейки вызвано двумя или большим числом электронно-дырочных пар,
будет пренебрежимо мала. В этом случае диапазон линейности SiФЭУ определяется
полным числом ячеек. При высокой интенсивности вспышки света наступает насыщение
сигнала SiФЭУ (рисунок 6). Форма кривой зависимости для детектора фиксированной
конструкции постоянна. Ее можно предварительно измерить и использовать для
коррекции насыщения выходного сигнала.
Рисунок 6 - зависимость амплитуды выходного сигнала SiФэУ от среднего числа фотонов
во вспышке, падающих на чувствительную поверхность детектора, для образцов SiФэУ с
полным числом ячеек 576, 1024 и 4096
области применения SiФэУ Первое масштабное применение SiФЭУ нашли в уникальном
детекторе, используемом в области ускорительной физики высоких энергий для
41
измерения энергии и прослеживания траекторий элементарных частиц, – адронном
калориметре со сверхвысокой гранулярностью. Первые испытания прототипа на тестовом
пучке CERN прошли успешно и показали, что SiФЭУ в целом удовлетворяют
поставленным перед ними задачам. Прототип калориметра позволил наблюдать и
исследовать события, которые еще никто и никогда не видел, – развитие адронного ливня
во всех подробностях, как в пространстве, так и во времени (рисунок 7).
Рисунок 7 - адронный ливень, зарегистрированный прототипом калориметра
Вторая область применения SiФЭУ – медицинское оборудование. В первую
очередь это объясняется тем, что SiФЭУ прекрасно подходит для применения в
позитронно-эмиссионных томографах (PET). Многочисленные эксперименты показали
возможность детектирования гамма-квантов с энергией 511 кэВ с помощью сборки
сцинтиллятор (LSO, на кристалле окси-ортосиликата лития, или LYSO, на легированном
церием ортосиликате литетиума иттрия)–SiФЭУ. Энергетическое разрешение фотопика
измерялось для различных размеров кристаллов сцинтиллятора, различной площади
чувствительной поверхности SiФЭУ и условий оптического контакта между
поверхностью SiФЭУ и сцинтиллятором. Время высвечивания сцинтиллятора LSO
составляет 40 нс. При регистрации аннигиляционных гамма-квантов временное
разрешение системы LSO-SiФЭУ равно ~1 нс. При получении томографического
изображения это позволяет использовать не только амплитудную, но и временную
информацию о событиях, что существенно улучшает контраст изображения. На рисунке
10 в качестве примера показано амплитудное распределение, полученное со сборки LSO–
SiФЭУ при регистрации гамма-квантов с энергией 511 кэВ от радиоактивного источника
22 Na.
Рисунок 8 - амплитудное распределение, полученное LSO–SiФэУ
42
Построенные на основе SiФЭУ позитронные томографы имеют следующие
преимущества перед традиционными с использованием ФЭУ:
1. более высокая пространственная разрешающая способность (каждый кристалл
сцинтиллятора считывается одним SiФЭУ);
2. возможность использования время-пролетной методики, что существенно
повышает контраст изображения;
3. низкое напряжение питания SiФЭУ, не более 100 В;
4. нечувствительность SiФЭУ к магнитным полям, что позволяет строить
комбинированные системы позитронного эмиссионного и магнитнорезонансного томографа;
5. возможность создания передвижных томографов (благодаря компактности и
простоте установки SiФЭУ);
6. значительно более низкая стоимость.
Клемин С. Кремниевый фотоэлектронный умножитель. С. Клемин, Ю.Кузнецов,
Л.Филатов (и др.) //Электроника 2007, №8
Кремниевые фотоумножители компании SensL (SPMMicro3020X05 – второй слева, корпус ТО-5,
диаметр активной области 3х3 мм2, размер ячейки 20 мкм, 8640 ячеек, без охлаждения – имеется в наличии)
Компоненты средств радиационного контроля
Средства радиационного контроля представляют собой, детекторы излучения
измерительную цепь и совокупность функциональных узлов, предназначенных для
преобразования электрических сигналов, поступающих в схемы от детекторов ядерных
излучений.
Радиометрические приборы включают:
детектор ионизирующего излучения;
источником электропитания детектора;
первичную и вторичные измерительные цепи, осуществляющие преобразование
электрических сигналов (изменение амплитуды, формы, количества, длительности
электрических сигналов и их анализ, т.е. приведение полученных с детектора
электрических сигналов к виду, удобному для их анализа и регистрации);
вспомогательные устройства такие, как регистрирующие и показывающие,
источники питания, управления.
Усилители
Цифровые процессоры сигналов
Дискриминаторы
Анализаторы импульсов
Пересчётные схемы
Измерители скорости счёта
Схемы совпадений
Схемы антисовпадений
43
Время-амплитудный конвертор
Аналого-цифровые преобразователи
Усилители
Амплитуда сигналов детекторов, как правило, недостаточна для срабатывания
регистрирующих и анализирующих устройств. Так у импульсных ионизационных камер
и полупроводниковых детекторов она составляет единицы – сотни микровольт. В то
же время динамический диапазон входных сигналов таких, например, приборов как АЦП
(аналого-цифровой преобразователь) обычно составляет 0-5 В. Поэтому сигналы
детекторов необходимо, усиливать в 102 (сцинтилляционный счётчик) – 107
(ионизационная камера) раз в зависимости от типа детектора и энергии регистрируемого
излучения.
При детектировании ионизирующих излучений в большинстве случаев получается
слабый электрический сигнал в виде усреднённого постоянного электрического тока или
дискретных электрических сигналов различной формы. В тех и других случаях сигнал
преобразуется электронной схемой до параметров, удобных для регистрации. Приборы,
применяемые для увеличения амплитуды электрических сигналов, называются
усилителями. Для усиления слабого постоянного тока используют усилители постоянного
тока, для усиления электрических быстро меняющихся во времени и изменяющих свою
полярность сигналов – усилители переменного тока. Усилители переменного тока,
специально предназначенные для усиления электрических импульсов, называются
импульсными усилителями. Эти усилители имеют свои специфические особенности.
Импульсные сигналы, поступающие от детекторов излучений, имеют крутой
передний фронт и довольно пологий спад. Длительность переднего фронта колеблется для
различных детекторов излучений в очень широких пределах – от миллисекунд до
наносекунд. Во многих задачах возникает необходимость в правильной передаче
переднего фронта импульса с минимальными задержками. Такие требования становятся
особенно жёсткими в тех случаях, когда необходимо точно знать момент регистрации
частицы или кванта. Длительный спад импульса не желателен, так как он ограничивает
амплитудное и временное разрешение устройства. Поэтому длительность спада должна
быть ограничена в самом усилителе. Следовательно, усилители импульсов детекторов
излучений должны не только усиливать сигналы, но и формировать их. Для этого в такие
усилители вводятся укорачивающие схемы, а их частотная характеристика выбирается
из условия правильной передачи переднего фронта импульса.
Обычно усилительное устройство состоит из двух частей – предусилителя и
основного усилителя.
Основная задача, которую выполняют предусилители — это усилить и
преобразовать сигнал с детектора без заметного ухудшения отношения сигнал/шум.
Предусилитель располагается как можно ближе к детектору, чтобы свести к минимуму
паразитные емкости и наводки на входные цепи. Регулировки, необходимые для
оперативной работы, в предусилителе сведены к минимуму. Основной усилитель
располагается обычно за радиационной защитой, часто на довольно большом расстоянии
от предусилителя и детектора.
В предусилителях используются различные способы обработки сигналов, в
зависимости от типа детектора и от того, измеряется ли амплитуда (энергия) или время.
Сигналы от детекторов некоторых типов, таких например, как сцинтилляторы с
фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), довольно велики, что при временных
44
измерениях и простом счете событий позволяет соединять их непосредственно с
усилителями с малыми входными сопротивлениями. А при измерении энергии
использовать относительно простые предусилители, с учетом того, что они не будут
вносить заметного ухудшения в, итак, невысокое разрешение этих устройств.
Для рентгеновской и гамма – спектроскопии, спектроскопии заряженных частиц
часто используются детекторы с существенно лучшим энергетическим разрешением,
такие как кремниевые и германиевые детекторы и пропорциональные счетчики. Сигналы
с этих детекторов малы и важно, чтобы входные цепи предусилителей были
малошумящими. Для этого во входных цепях зарядочувствительных предусилителей
используют полевые транзисторы. Предусилители для кремниевых и германиевых
детекторов заряженных частиц и пропорциональных счетчиков обычно работают при
комнатной температуре. Однако для гамма – и рентгеновской спектроскопии высокого
разрешения, когда германиевые и кремниевые детекторы работают при температуре
жидкого азота, полевые транзисторы предусилителей для уменьшения шума также
охлаждают и они помещаются внутри криостата.
В соответствии с назначением, применяемые в эксперименте усилители можно
разделить на два основных типа: временные и спектрометрические или линейные.
Временные усилители служат для извлечения прецизионной временной
информации о регистрируемых событиях в наносекундном и субнаносекундном
диапазонах, а также для счета событий с высокой частотой следования. Временные
усилители должны хорошо передавать короткие фронты сигналов от предусилителей и
соответственно обладать широкой полосой пропускания (до 108-109 Гц). Однако,
желательно, чтобы полоса пропускания усилителя не была избыточна, т.к. в этом случае
не улучшив временные характеристики, будет ухудшено отношение сигнал/шум.
Длительность импульсов быстрых усилителей меньше 20 нс. Таким образом, возможен
счет событий со средней частотой в несколько МГц всего с ~10% потерями на мертвое
время. Коэффициент усиления временных усилителей не превышает 100-200. Во
временных усилителях может быть предусмотрена возможность формирования
импульсов. Они используются с ФЭУ и кремниевыми детекторами заряженных частиц.
Для получения временной информации при работе с германиевыми детекторами обычно
используются быстрые усилители без формирования импульсов. Соответственно
длительность выходных импульсов в таких усилителях определяется предшествующей
электроникой и детектором.
Спектрометрические усилители используются при амплитудном анализе
сигналов. Одна из функций спектрометрических усилителей - линейное увеличение
амплитуд выходных сигналов предусилителей, которые находятся в диапазоне
милливольт, до диапазона 0,1-10 В, в котором работают амплитудные анализаторы.
Для правильной передачи соотношений между амплитудами импульсов усилители
должны обладать стабильным коэффициентом усиления, а линейность их амплитудной
характеристики должна быть высокой (<0.2%). Кроме того, во многих экспериментах
усилители не должны быть подвержены перегрузкам – временно́му изменению
параметров от сигналов больших амплитуд либо от кратковременного значительного
увеличения частоты их следования. В усилителях с большим коэффициентом усиления (от
нескольких тысяч до 107), рассчитанных для работы с малыми сигналами, следует
стремиться к минимальному уровню шумов UШ с целью улучшения отношения UСГ/UШ,
что необходимо как для лучшего отделения полезного сигнала от помехи в случае простой
регистрации, так и для повышения точности измерения в спектрометрии.
Так как источники шума в детекторе и первых усилительных каскадах имеют более
широкую частотную полосу, чем полоса полезной информации, отношение сигнал/шум
45
может быть улучшено соответствующей фильтрацией. В спектрометрических усилителях
импульсов удаётся уменьшить уровень шумов до нескольких микровольт при полосе
пропускания, обеспечивающей хорошую передачу сигналов. Но оптимальное
энергетическое разрешение требует довольно длительных импульсов. Длительность
выходных сигналов спектрометрических усилителей находится в микросекундном
диапазоне (~3-70 мкс). Однако при высоких скоростях регистрации событий для
минимизации наложений импульсов, они наоборот должны быть короткими. Кроме того,
нередко нужно сохранить и временную информацию, а это связано с достаточно широкой
полосой пропускания. Оптимальное решение часто является результатом компромисса.
Современные линейные усилители позволяют работать при загрузках до ~7000 с-1 без
ухудшения разрешения и до ~90000 с-1 с небольшим его ухудшением.
Практически все детекторы являются датчиками тока или импульсов тока. Задача
последующих электронных устройств – преобразование этих импульсов в форму удобную
для последующей обработки. Практически используются две схемы устройств –
усилители напряжения, на входе которых импульс напряжения формируется входной
RвхCвх – цепью, и усилители тока, выходной сигнал которых преобразуется в напряжение,
например, с помощью RC – цепи. Последние сложнее в реализации из-за малой
длительности импульсов тока, но обладают большим разрешением.
Если входное сопротивление очень велико (усилитель с полевыми транзисторами
на входе), импульс тока (для упрощения прямоугольной формы от ионизационной камеры
или полупроводникового детектора p-i-n) заряжает входную ёмкость практически по
линейному закону в течении длительности импульса tи. При этом амплитуда напряжения
на входе усилителя
Uвхm=Iдtи/Свх. Напряжение увеличивается в течении
длительности импульса, а затем падает по экспоненте с постоянной RвхCвх (рисунок 1).
Рисунок 1 – Зависимость формы импульса от величины
входного сопротивления. Время нормировано по
отношению к длительности импульса - ti.
Следует иметь в виду что постоянная времени
влияет одновременно на амплитуду и длительность
импульса (при увеличении растёт амплитуда, но и
длительность импульса). Поэтому приходится искать
компромисс.
Чаще вх>>ti, т.е. отдаётся предпочтение большей
амплитуде в ущерб временному разрешению.
При этом амплитуда импульса на входе усилителя UвхmQ/Cвх. Для получения
максимального временного разрешения вх< ti, а амплитуда импульса получается малой
Uвхm IdmRн. Здесь Idm – амплитуда тока датчика. Часто постоянную выбирают
примерно равной времени импульса. При конструировании всегда стремятся
конструктивными методами минимизировать входную ёмкость, а затем выбирают
компромиссное значение сопротивления нагрузки детектора.
Если необходимо получить максимальную амплитуду импульса от ионизационной
камеры, то собирают как электронную, так и ионную компоненты тока. При этом
постоянная времени должна превышать время сбора ионов примерно в 5-10 раз. Импульс
напряжения будет иметь характерный излом на фронте, определяемый быстрым сбором
электронной составляющей тока и медленным нарастанием за счёт тока ионов.
Длительность импульса может достигать десятых долей секунды. При выборе постоянной
времени в пределах 5-10 времени сбора электронов, получим импульс напряжения с
46
крутым фронтом и длительностью в несколько мкс. Характерные диаграммы напряжения
приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 – напряжение на нагрузке импульсной ионизационной камеры для полного а) и
электронного б) собирания зарядов
Следует помнить, что повышение сопротивления нагрузки приводит к увеличению
шумов.
Для пропорциональной камеры требуется меньшее усиление от усилителя, т.к.
существует газовое усиление (величина напряжения 10 -100 мВ). Это позволяет собирать
только электронную компоненту, поэтому сопротивление нагрузки выбирается из условий
требуемого разрешения 1-5 мкс.
Амплитуда импульсов самогасящихся счётчиков Гейгера достигает десятков
вольт. При этом постоянную времени выбирают примерно равной или меньшей мёртвого
времени менее 100 мкс.
Для несамогасящихся счётчиков входное сопротивление, выбираемое из условий
самогашения, может достигать 109 Ом. Поэтому нередко применяют специальные схемы
гашения, а сопротивление нагрузки можно уменьшить.
Для ФЭУ чаще всего постоянная для высокого разрешения должна быть меньше
времени высвечивания или в небольшое число раз превышать его – 50-1000 Ом при
ёмкости входа 5 пФ. Это характерно при спектрометрических исследованиях, т.к.
необходимо с большей точностью передать соотношение амплитуд, а это означает, что
весь заряд должен собираться, а амплитуду импульсов желательно иметь больше. Для
получения большей амплитуды сопротивление может достигать 106 Ом, но только при
нежёстких требованиях ко времени разрешения.
Согласование детектора и усилителя
Как отмечалось, усилитель может быть усилителем напряжения или тока. В первом
случае входное сопротивление собственно усилителя должно существенно превышать
сопротивление нагрузки с тем, чтобы не быть дестабилизирующим фактором при
вариации его величины. Самым простым вариантом соединения детектора и усилителя
является гальваническая связь. Такой вариант вызывает проблемы при высокой разности
потенциалов выходной цепи детектора и усилителя (например, при анодном питании и
нагрузке в анодной цепи), или при невозможности обеспечить входной ток смещения при
большой величине сопротивления нагрузки. Альтернатива – применение ёмкостной связи,
причём конденсатор должен быть высоковольтным с малой утечкой.
47
+
-Ек
RН2
А
А
RН
СР
К
К
Сф
RН1
+
а)
б)
Рисунок 3 – Варианты соединения усилителя с нагрузкой
СР
RН
СД
СЭ
RС
Рисунок 4 – Обобщённая эквивалентная
схема соединения детектора с нагрузкой: Сд
– ёмкость детектора; Сэ – ёмкость усилителя
и монтажа; Rc – сопротивление сигнальной
цепи усилителя
Чаще всего разделительная ёмкость выбирается существенно больше ёмкости детектора и
эквивалентной ёмкости усилителя Ср>>Cд, Ср>>Cэ. При этом Свх=Сд+Сэ, а Rнэ=Rн||Rс.
При этом импульс напряжения растянут относительно импульса тока детектора. Для
укорочения импульса напряжения обычно выбирают Rн=Rс, Ср= (Сд+Сэ)/2. Однако
эффективность такого подхода низка из-за больших потерь амплитуды. С.31
48
Примеры временных усилителей
Первым рассмотрим универсальный зарядовый усилитель для газоразрядных
счётчиков с катодным питанием и пороговым устройством (рисунок 1). Он предназначен
для усиления, селекции и стандартизации по амплитуде импульсов, поступающих с
детекторов, и представляет собой двухкаскадное устройство. Первый каскад –
инвертирующий усилитель, построенный на быстродействующем операционном
усилителе (ОУ) DA1. Второй каскад – пороговое устройство на компараторе DA2.
Поскольку для питания усилителей-формирователей используется однополярный
источник питания с напряжением пять вольт, то это сказывается на особенностях его
реализации. Прежде всего, это ориентация на отрицательные импульсы с выходов
детекторов (обычно это обеспечивается как в сцинтилляционных детекторах с ФЭУ, так и
в устройствах на газоразрядных счётчиках). Во-вторых, с учётом многофункционального
назначения данного унифицированного измерительного блока, для обеспечения
возможности использования различных операционных усилителей (не ограничивая их
номенклатуру только усилителями с диапазоном сигналов от минимального до
максимального напряжения питания по входу и выходу (R-R)), усилители работают с
небольшим начальным смещением. Оно задаётся делителем R3, R4. Для источников с
токовым выходом, к которым относятся ФЭУ и газоразрядные счётчики, в отсутствие
входного резистора R9 потенциал входного зажима усилителя оказывается примерно
равным потенциалу неинвертирующего входа операционного усилителя, определяемого
делителем R3, R4 (1 В). Входное сопротивление усилителя-формирователя определяется
резистором R1 = 4,3 К. В качестве операционных усилителей в измерительном блоке при
работе с относительно низкоскоростными детекторами (газоразрядные счётчики)
используются ОУ LMP7715 c типичной частотой единичного усиления 17 МГц, а при
работе с сцинтилляционными и полупроводниковыми детекторами – OPA353 c частотой
единичного усиления 44 МГц.
При работе от высокоомных источников сигнала (в отсутствие R9) усилитель
представляет собой преобразователь ток-напряжение. Соответствующим выбором
постоянной времени 2 = R2∙С2 его можно превратить в зарядовый усилитель.
Пороговое устройство помимо формирования импульсов обеспечивает и
амплитудную селекцию для подавления шумов. Порог задаётся делителем R7, R8.
Применяемый компаратор имеет встроенный гистерезис около 7 мВ. Однако, для
исключения дребезга и реакции на шумы общей шины, вызванные работой цифровых
устройств (основной источник – микро-ЭВМ с тактовой частотой 32 МГц), цепью
положительной обратной связи R6, R5 введён дополнительный гистерезис величиной 50
мВ.
Наиболее простыми являются усилители для счётчиков Гейгера. Высокий
уровень выходных сигналов позволяет применять однокаскадные усилителиформирователи в виде ключей с общим эмиттером (транзистор VT3). При разряде
счётчики выдают импульсы тока отрицательной полярности, открывающие транзисторы,
и на выходе формируются импульсы положительной полярности с амплитудой около 4,5
В. Резистор R3 обеспечивает гашение счётчиков, а резистор R10 закрывает транзистор по
окончании импульса тока. Конденсатор С1– форсирующий. Диод VD1 предотвращает
пробой управляющего перехода транзистора VT3 положительными выбросами
напряжения, что особенно актуально в момент подключения высокого напряжения к
счётчикам.
Усилитель для детектора на фотоумножителе (рисунок 3). Для обеспечения
усиления коротких импульсов необходимо иметь большую полосу пропускания. Чтобы
исключить затягивание фронтов импульсов необходимо снижать входное сопротивление
усилителя. Здесь входное сопротивление – это динамическое сопротивление каскада по
схеме с общей базой на транзисторе VT3. Поэтому, практически весь ток анода Iа попадает
49
в коллекторную цепь транзистора VT3, нагрузкой которого является резистор R18 (10
Ком). Далее сигнал усиливается по току эмиттерным повторителем. Таким образом,
токовый выходной сигнал фотоэлектронного умножителя усиливается каскодным
усилителем ОБ-ОК, охваченным отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению
последовательного типа. ООС стабилизирует усилитель по постоянному току, а обратная
связь по переменному току блокируется конденсатором C17. Такой усилитель
обеспечивает малую постоянную времени нагрузки, имеет низкое выходное
сопротивление, облегчая согласование с кабельной линией, и обеспечивает относительно
большую амплитуду выходного напряжения Uвых= IаR18 (сопротивление передачи 10
Ком).
C2 1,6 пФ
У1
C1* 10
R6
100к
R5 1к
R2* 30 к
П10
R3 24 к
D1
PMLL4448
П9
4
1
R9
DA2
LMV7219
DA1 LMP7715
5
R1 4,3 к
3
R7 22 к
+
2
R4 6,2 к
C3
10,0
3
5
1
C4
0,1
2
4
R8 22 к
C5 0,1
R9 – заложить под него
место, но не устанавливать
Рисунок 1 – Универсальный зарядовый усилитель для газоразрядных счётчиков с
катодным питанием и пороговым устройством
-Е
+5 В
VD1
BD1
СИ-38Г
C1 R10
R3
VT3
Вых
R11
Рисунок 2 – Усилитель выходных сигналов счётчиков Гейгера
Рисунок 3 – Усилитель с низким входным сопротивлением
для детектора на фотоумножителе
50
Дискриминаторы
В радиометрии имеется большой круг задач, связанных с исследованием
амплитуды и формы импульсов, получаемых от детекторов излучений. Простейший метод
амплитудного анализа импульсов состоит в отделении (дискриминации) импульсов,
соответствующих исследуемому излучению от сигналов меньших амплитуд, например, от
шумов или от импульсов более мягкого излучения. Для этого применяются амплитудные
дискриминаторы.
Дискриминатор,
устройство,
преобразующее
изменение
контролируемого параметра электрического сигнала (на входе) в изменение полярности
напряжения (на выходе).
Амплитудный дискриминатор выдаёт импульс на выходе в том случае, когда
амплитуда входного сигнала превышает некоторую определённую величину – порог
дискриминации Uпор. Обычно имеется возможность изменять порог дискриминации в
широких пределах и тем самым отделять для последующей регистрации импульсы
определённых амплитуд.
В дискриминаторе сравниваются значения параметра (амплитуды, длительности,
полярности, частоты, фазы) входного сигнала с заданным значением этого параметра. В
результате сравнения на выходе дискриминатора возникает разностное напряжение
(напряжение рассогласования). Его амплитуда и полярность определяются степенью и
знаком отклонения значения данного параметра входного сигнала от номинального.
Дискриминаторы
различают
по
сравниваемым
параметрам
сигнала.
Амплитудный дискриминатор имеет определённый уровень срабатывания и пропускает
только сигналы с амплитудой выше (ниже) номинального значения. Во временном
дискриминаторе импульсный сигнал пропускается или блокируется в заданные моменты
времени. При частотном и фазовом детектировании промодулированные по частоте и фазе
колебания высокой частоты преобразуются дискриминатором в амплитудномодулированные колебания, которые затем в большинстве случаев подаются на детектор.
В этом случае в фазовом дискриминаторе применяют опорный сигнал с фиксированной
начальной фазой.
Временная привязка (хронирование) служит для фиксации момента регистрации
события в детекторе.
Различается два типа устройств, реализующих временную привязку. Одни
используют "медленные" спектрометрические сигналы. Это временные одноканальные
анализаторы. Другие, быстрые дискриминаторы, используют сигналы либо
непосредственно от детекторов, либо от быстрых усилителей.
И в тех, и в других устройствах используются следующие методы временной
привязки:
привязка по переднему фронту импульса,
привязка по нулю биполярного импульса,
метод следящего порога и его разновидности.
Амплитудный дискриминатор - один из основных узлов спектрометрической
аппаратуры, используемой для амплитудного анализа импульсов напряжения,
пропорциональных энергии ядерного излучения. Дискриминатор предназначен для
пропускания импульсов в последующие устройства анализатора только с определёнными
амплитудами.
Амплитудный дискриминатор - устройство, автоматически выделяющее
электрические сигналы, амплитуда которых превышает определённое (пороговое)
значение величины.
Амплитудные дискриминаторы применяют для выделения полезного сигнала из
шумов и при исследовании случайных процессов с помощью амплитудных анализаторов.
51
Сигналы
некоторых
детекторов
несут
информацию
об
энергии
зарегистрированного кванта или частицы: их амплитуда пропорциональна энергии.
Поэтому, исследуя распределение амплитуд импульсов нетрудно получить спектр
излучения. В простейшем случае такие измерения могут быть выполнены также с
помощью амплитудного дискриминатора. Для этого производится подсчёт импульсов
на выходе дискриминатора при разных порогах срабатывания в течение одинаковых
интервалов времени. Получаемая при этом кривая n=f(Uпор) (рисунок 1а) называется
интегральным амплитудным спектром. Каждая точка кривой показывает, какое число
импульсов имеет амплитуду А, превышающую порог срабатывания Uпор
дискриминатора. По форме интегральной кривой можно судить о составе спектра
исследуемого излучения. Интегральный дискриминатор вырабатывает выходной сигнал
под действием каждого входного сигнала, напряжение которого превышает заданный
уровень, называемый порогом дискриминатора. В зависимости от требований,
предъявляемых к интегральному дискриминатору, выходной сигнал или воспроизводит в
определённом масштабе часть входного импульса, лежащего над порогом
дискриминатора, или является стандартным по амплитуде и форме.
В первом случае дискриминатор имеет линейноломаную амплитудную характеристику (рисунок 1а),
тангенс угла наклона которой выражает коэффициент
усиления входного импульса. Такой дискриминатор в
сочетании с усилителем на выходе применяется для
дополнительного растягивания интересующей части
спектра и называется расширителем динамического
диапазона
или
экспандером.
Расширительустройство, преобразующее входные импульсы в
импульсы прямоугольной формы, сохраняя при этом
амплитуду. Расширители используются при сложении
аналоговых сигналов или для уменьшения искажений
амплитудных
распределений,
вызванных
так
называемыми "резаными" импульсами в АЦП. Этот
Рисунок 1 – Амплитудные
эффект
возникает,
когда
аналого-цифровой
спектры: интегральный(а)
преобразователь, обработав сигнал, открывается для
и дифференциальный(б).
обработки следующего во время его спада.
Во втором случае, когда выходной сигнал является стандартным по амплитуде и
форме, дискриминатор имеет скачкообразную характеристику (Рис. 2б) и, в сочетании с
формирующим устройством на выходе, применяется для получения интегрального
спектра. В большинстве случаев удобнее пользоваться дифференциальным амплитудным
спектром n*=f(A) (рисунок 2б), который показывает, сколько имеется импульсов каждой
амплитуды. Дифференциальный спектр может быть получен из интегрального спектра
путём дифференцирования последнего. Подобный метод получения дифференциального
спектра связан с длительными расчётами, требует повышенной стабильности порога
срабатывания дискриминаторов и вынуждает вести измерения интегрального спектра с
очень большой статистической точностью. Для непосредственного получения
дифференциального спектра разработаны специальные приборы – одноканальные и
многоканальные дифференциальные амплитудные анализаторы.
Дифференциальный дискриминатор срабатывает и выдаёт на выходе стандартный
сигнал только от импульсов с амплитудами, лежащими в определённых пределах,
задаваемых двумя порогами дискриминатора– нижним и верхним. Разница между
порогами называется шириной окна. Изменяя синхронно нижний и верхний пороги
дискриминатора, можно получать дифференциальный спектр.
52
Дифференциальный дискриминатор включает в
себя два интегральных дискриминатора с порогами
срабатывания, отличающимися на ширину окна, и схему
антисовпадений, запрещающую прохождение на выход
сигнала с амплитудой, большей срабатывания верхнего
дискриминатора.
Дифференциальный
дискриминатор
имеет
двойную скачкообразную амплитудную характеристику
(рисунок 2в). К дискриминаторам предъявляются общие
требования: стабильность порога срабатывания во
времени, линейность и чёткость излома амплитудной
дискриминационной характеристики, некритичность к
амплитудным перегрузкам и постоянство порога
срабатывания для импульсов, различающихся по
длительности и фронту нарастания, а также высокое
быстродействие
(малое
разрешающее
время),
постоянство сопутствующей задержки импульсов и
большое входное сопротивление для исключения
влияния на предшествующие каскады. Важным
параметром дискриминатора является его входная
Рисунок 2 – Амплитудные
чувствительность. В амплитудном дискриминаторе
характеристики
используют
электронные
схемы,
имеющие
дискриминаторов:
амплитудную характеристику с резко выраженной
а– экспандера;
нелинейностью (изломом). Такими характеристиками
б–интегрального
обладают
диоды
(особенно
электровакуумные),
дискриминатора;
некоторые
приёмно-усилительные
лампы
и
в– дифференциального
специальные электронные спусковые схемы. Наиболее
дискриминатора.
распространена диодная схема с использованием излома
характеристики анодного тока.
В зависимости от запирающего напряжения, которое в такой схеме равно порогу
дискриминации, через диод проходят только сигналы с амплитудой, превышающей
запирающее напряжение. Точность такого амплитудного дискриминатора в основном
определяется стабильностью диодной характеристики. Для надёжной работы с сигналами
малой амплитуды применяют предварительное усиление, а для исследования
наносекундных импульсов производят дополнительное формирование сигналов с
помощью специальных схем. Формирователи на основе амплитудных дискриминаторов
позволяют получить на выходе импульсы, амплитуда и длительность которых не зависят
от формы входного сигнала. Медленный дифференциальный дискриминатор
(одноканальный анализатор) это устройство, которое анализирует амплитуду входного
сигнала и, если она находится в установленных пределах (между нижним и верхним
уровнями дискриминации), генерирует стандартный логический импульс. Нижний и
верхний уровни дискриминации могут устанавливаться независимо. При установке
верхнего уровня на максимум одноканальный анализатор работает в интегральном
режиме. В одноканальных анализаторах также обычно есть режим, при котором
устанавливается нижний уровень дискриминации, и ширина окна ∆E. Время появления
выходного импульса в таких одноканальных анализаторах не зависит от амплитуды и
формы входного импульса. Они в основном используются для счета событий.
Одноканальные анализаторы устанавливаются в «медленных» спектрометрических цепях.
Входные импульсы они обычно получают от спектрометрических усилителей и от времяамплитудных конвертеров.
53
Большими возможностями обладают одноканальные анализаторы с временной
привязкой или временные одноканальные анализаторы. В них выходные сигналы
привязаны по времени к моменту появления входных импульсов. Существует несколько
способов временной привязки (к максимуму импульса, по переднему фронту импульса, по
нулю биполярного импульса, привязка со следящим порогом). Временные одноканальные
анализаторы используются не только для амплитудного, но и временного анализа. Их
сигналы подаются на схемы "медленных" совпадений/антисовпадений и на времяамплитудные конверторы.
Точность временной привязки во временных одноканальных анализаторах
варьируется от единиц наносекунддо~100 нс. Для временного согласования временные
анализаторы обычно имеют встроенную регулируемую задержку выходных импульсов
до~10 мкс.
Анализаторы импульсов
Дифференциальные
амплитудные
анализаторы
используются
для
непосредственного получения дифференциального амплитудного спектра. Амплитудный
анализатор импульсов, устройство для определения закона распределения амплитуд
электрических импульсов. С помощью амплитудного анализатора обычно анализируют
распределение амплитуд случайного импульсного процесса, по зависимости числа
появлений импульсов в заданном интервале амплитуд. Амплитудный анализатор широко
применяют для анализа распределения энергии частиц различных видов излучения, для
исследования непрерывных стационарных случайных процессов при условии выделения
дискретных амплитудных значений случайного процесса в виде последовательности
импульсов. В состав простейшего одноканального амплитудного анализатора (Рис. 8)
входят два амплитудных дискриминатора и схема антисовпадений, пропускающая на
выход сигналы с амплитудами, значения которых укладываются в разность между
уровнями дискриминаторов (ширина канала). Исследование спектра производят
последовательными измерениями при постоянной ширине канала, но с разными
абсолютными значениями уровней дискриминации.
Существует много различных систем амплитудных анализаторов, отличающихся
диапазоном и одновременностью измеряемых величин, точностью, наличием регистрации
на выходе: многоканальные амплитудные анализаторы, с электронным коммутатором, и
др.
Дискриминатор
верхнего уровня
Схема
антисовпадений
Дискриминатор
нижнего уровня
Рисунок1 – Блок-схема одноканального амплитудного анализатора.
Одноканальный амплитудный анализатор регистрирует все импульсы, амплитуды
которых превышают некоторый нижний порог Uпор.н и не достигают верхнего порога
Uпор.в (рисунок1).
54
Разность Uпор.в-Uпор.н=Uк называется шириной канала амплитудного
анализатора. При снятии дифференциального спектра ширина канала Uк сохраняется
неизменной, меняется только его положение. Так, первое измерение ведётся при Uпор.н
=0; второе– Uпор.н=Uк; третье– при Uпор.н=2Uк. Все измерения проводятся в течение
одинаковых интервалов времени; когда интервалы неодинаковы, результаты
нормируются.
Рисунок 2 – Измерениедифференциального амплитудного спектра.
Во время измерений одноканальным анализатором регистрируется лишь
небольшая часть импульсов, амплитуды которых лежат в пределах канала (Uпор.н
≤А≤Uпор.в); все остальные импульсы теряются. Поэтому при исследовании слабых
эффектов, или короткоживущих изотопов, применяются многоканальные амплитудные
анализаторы. В многоканальном анализаторе регистрация возможна в любом из N каналов
с шириной Uк. Обычно каналы устанавливаются так, что их нижние пороги
соответственно равны 0, Uк, 2Uк, 3Uк и т.д.
Спектрометрический
усилитель
Существуют разные системы многоканальных анализаторов с числом каналов от
нескольких десятков до нескольких тысяч. Число каналов амплитудного анализатора
определяется в основном энергетическим разрешением детектора. Современные
многоканальные анализаторы обычно представляют собой устройство, базирующееся на
высокоскоростном АЦП и накапливающем запоминающем устройстве (рисунок 3).
Адрес
АЦП
Микроконтроллер
Данные
Накапливающее
ОЗУ
УВВ
Рисунок 3 – Многоканальный амплитудный анализатор
Входные импульсы вначале приводятся к диапазону АЦП с помощью
спектрометрического усилителя. Далее скоростным АЦП их амплитуда оцифровывается,
и цифровой отсчёт интерпретируется микроконтроллером как адрес текущей ячейки
накапливающего
оперативного
запоминающего
устройства.
Микроконтроллер
инкрементирует содержимое текущей ячейки запоминающего устройства. Накопленные в
ОЗУ отсчёты представляют собой зависимость интенсивности потока частиц (число в
конкретной ячейке памяти) от порядкового номера ячейки памяти (однозначно
соответствующего амплитуде входного импульса) - т.е. амплитудный спектр.
55
Кроме прямого измерения амплитуд импульсов, в некоторых экспериментах
(например, при исследовании осколков деления) требуется определять отношения
амплитуд двух импульсов А1/А2. В этом случае используются специальные схемы,
позволяющие получать распределение таких отношений. Но это распределение может
быть получено на основе обработки спектра.
Разработаны также методы для разделения импульсов сцинтилляционных
детекторов по их форме, зависящей от типа регистрируемого излучения. В основу такого
решения может быть положена схема рисунка 3, однако АЦП оцифровывает при этом не
амплитуду импульса, а его огибающую. Далее быстрым вычислительным устройством
осуществляется классификация импульса по отсчётам его огибающей.
Существуют анализаторы, определяющие зависимость числа импульсов от двух и
более параметров. Например, при исследовании γ-лучей от реакции захвата нейтронов
измеряется ряд спектров γ-лучей для разных энергий нейтронов n=f(En; Eγ).
Анализаторы, предназначенные для этих целей, регистрируют момент появления
импульса от γ-кванта и его амплитуду А, т.е. n=f(t,A). В результате измерений получается
двумерный спектр.
Рисунок 4 – Двумерный амплитудно-временной спектр
Многомерные измерения находят место также в γ-спектрометрии при
исследовании каскадных переходов; в экспериментах по рассеянию нейтронов; в
исследованиях с частицами высоких энергий. В последних двух случаях анализаторами
накапливается и сортируется информация, поступающая от большого числа детекторов,
расположенных в пространстве. Анализаторы, предназначенные для решения подобных
задач, называются двумерными, трёхмерными и т.д., иначе многомерными или
многопараметрическими.
56
Пересчетные схемы
Регистрируемые с помощью детекторов излучений события носят статистический
характер, поэтому в радиометрии при проведении различных измерений для уменьшения
вероятностной ошибки производитсяподсчёт большого числа событий. В простейших
измерениях подсчитываются все импульсы, возникающиепри нагрузке детектора, в более
сложных задачах определяется число импульсов, имеющих определённую амплитуду
либо возникающих в определённый момент времени и т.п. в большинстве экспериментов
измеряется число импульсов в течение некоторого интервала времени. Иногда решается
обратная задача: измеряется время, в течение которого регистрируется определённое
число импульсов. Информация в виде числа импульсов, зарегистрированных в течение
некоторого времени очень удобна. Она позволяет легко вычитать фон, вести
количественную обработку и т.п. Для измерения числа импульсов используют
пересчётные схемы и запоминающие устройства.
Счётные системы являются дискретными (цифровыми) устройствами и
регистрируют абсолютное число сигналов, поступивших за произвольный интервал
времени и распределённых в нём равномерно или случайно.
В радиометрической аппаратуре счётные схемы применяют для регистрации числа
электрических импульсов, создаваемых детектором ядерного излучения, для счёта
совпадений, антисовпадений, импульсов от амплитудных дискриминаторов, а также в
ряде других случаев.
С помощью специальных счётных систем, регистрирующих, например, разность
числа сигналов от двух детекторов или определяющих отношение между скоростями их
поступления, ведущих измерения сразу в нескольких энергетических или временных
интервалах (многоканальные анализаторы) можно получить более полное представление
об измеряемом объекте, а также сократить при этом время накопления необходимой
информации.
На вход пересчётных устройств обычно подаются стандартные логические сигналы
от быстрых дискриминаторов или одноканальных анализаторов. Если длительность
сигналов детектора не является лимитирующим фактором, быстрые дискриминаторы
позволяют обеспечить разрешающее время от 5 до 65 нс. Разрешающее время в данном
случае нужно понимать, как способность различать два следующих один за другим
сигнала. Для статистически распределенных по времени сигналов максимальная скорость
счета, которая ограничивается разрешающим временем, при этом может достигать ~20 х
106c-1 при ~10% потерях за счет мертвого времени. Такие детекторы как ФЭУ и
микроканальные пластины вместе с быстрыми дискриминаторами позволяют получить
временное разрешение ~5 нс. С другими детекторами, такими как сцинтилляционные и
полупроводниковые детекторы, разрешающее время будет заметно больше.
Разрешающее время счётной системы – минимальный интервал времени между
двумя входными сигналами, при котором они регистрируются счётной системой ещё как
раздельные.
Одноканальное пересчетное устройство считает количество поступивших на его
вход импульсов. Оно может запускаться и останавливаться вручную. Можно также
использовать автоматическую остановку.
В этом случае могут быть два режима.
В одном из них предварительно устанавливается время измерения и
результатом, который может отражаться на дисплее устройства, является количество
импульсов сосчитанныхза это время.
В другом - устанавливается количество импульсов и результатом является время,
за которое предустановленное количество импульсов сосчитано. Одноканальное
пересчетное устройство с внешним автоматическим управлением (например, от
компьютера) позволяет также получать зависимости скорости счета от времени. Мертвое
57
время, в данном случае это время между измерениями, необходимое для считывания,
сброса информации и повторного запуска счета, у обычных пересчетных устройств
довольно большое (от микросекунд до миллисекунд). Кроме того, временные интервалы
∆t, которые могут устанавливаться у одноканальных пересчетных устройств, редко
бывают меньше10 мс.
Устройство многоканального пересчета считает количество поступающих на его
вход в интервал времени t ÷ t + ∆t импульсов как функцию времени. Время квантуется, t =
n∆t, где n- номер канала.
Результаты счета последовательно ("поканально") записываются в память.
Минимальное время квантование ∆t у устройств многоканального пересчета может быть
от нескольких микросекунд до нескольких наносекунд, максимальное- до нескольких
часов. Разрешающее время у устройств многоканального пересчета может составлять ~5
нс, а мертвое время быть практически нулевым.
Ёмкость счёта – максимальное число сигналов, которое может быть
зарегистрировано и храниться в счётной системе. Определяет предельное значение
статистической счётной системы.
Разрешающее время и ёмкость счётной системы определяют время, необходимое
для измерения средней скорости поступления случайных сигналов с заданной
погрешностью.
Дополнить микроконтроллерными системами с квази-скользящим средним.
58
Источники высоковольтного питания детекторов
Источники
высоковольтного
питания
газонаполненных
детекторов
и
фотоумножителей
сцинтилляционных
детекторов
обычно
выполняются
как
высоковольтные преобразователи напряжения с умножителем напряжения на выходе. Для
снижения габаритов трансформаторов и сглаживающих фильтров они работают на
повышенной частоте (20-100 КГц).
Прямоходовые преобразователи. Однотактный прямоходовой преобразователь.
Простейшая схема прямоходового преобразователя показана на рис. 1. Первичная цепь
преобразователя содержит ключ K и трансформатор. Вторичная цепь образована
вторичной обмоткой трансформатора, диодами 1 VD и 2 VD, дросселем, сглаживающим
трансформатором и сопротивлением нагрузки.
Рисунок 1 – Однотактный прямоходовой преобразователь
Ключ в первичной цепи периодически замыкается и размыкается. Управление
ключом осуществляется с помощью управляющих импульсов. Рассмотрим
установившийся режим работы преобразователя. Будем считать диоды безынерционными,
а трансформатор идеальным. Это означает, что ток намагничивания равен нулю и не
оказывает влияния на процессы в преобразователе. Каждый цикл преобразования
длительностью T можно разбить на два интервала. Интервал времени, в течение которого
ключ замкнут, обозначим tи. Соответственно, интервал, в течение которого ключ
разомкнут, равен T – tи.
Рассмотрим процессы в преобразователе отдельно для каждого интервала.
1. На интервале 0- tи − ключ замкнут. При этом диод VD1открыт, а VD2 закрыт. Ток
замыкается через вторичную обмотку трансформатора, дроссель L, конденсатор С
и сопротивление нагрузки Rн.
2. В момент tи ключ размыкается. Напряжение обмоток трансформатора изменяет
полярность на обратную. За счет этого диод VD1 закрывается, а VD2 открывается.
Во вторичной цепи ток замыкается в контуре, образованном диодом VD2,
дросселем L, конденсатором С и сопротивлением нагрузки Rн.
Нетрудно показать, что напряжение на выходе прямоходового преобразователя
w1
U=
D.
w2
Здесь D= tи /T – коэффициент заполнения импульсов, w1 и w2 – число витков
первичной и вторичной обмоток. Изменяя коэффициент заполнения импульсов, мы можем
регулировать величину выходного напряжения. Таким образом, регулировочная
характеристика
рассмотренного
преобразователя
аналогична
характеристике
понижающего импульсного регулятора. Заметим, что передача энергии в нагрузку
происходит только на интервале 0 – tи, когда ключ замкнут. Поэтому преобразователь
называется однотактным прямоходовым. При рассмотрении процессов в прямоходовом
59
преобразователе полагали, что трансформатор идеальный. Иными словами, мы считали,
что ток намагничивания очень мал и не оказывает влияния на процессы в
преобразователе. В реальной схеме наличие тока намагничивания приведет к резкому
возрастанию напряжения на зажимах ключа при его размыкании. Поэтому простейшую
схему необходимо изменить так, чтобы была возможность передать энергию,
накопленную в индуктивности намагничивания, в источник либо в нагрузку. На рисунке 2
это осуществляется с помощью замыкания тока через диод и стабилитрон. При этом ток
должен за время разомкнутого состояния ключа упасть до нуля. Иначе с каждым
периодом намагниченность сердечника будет возрастать.
Рисунок 2 – защита с помощью цепи ограничения
Полагая, что изменение напряжений происходит по линейному закону:
UСТ (T − t и ) = Et И.
Напряжение стабилитрона
tИ
D
E=
E.
T − tИ
1−D
Сердечник будет успевать размагничиваться при условии:
D
UCT >
E.
1−D
Энергия, рассеиваемая в стабилитроне ухудшает к.п.д.:
2
1
tИ
t 2И 2
Wрасс = Lμ ( ) E 2 =
E .
2
Lμ
2Lμ
UСТ =
Отсюда следует, что для
индуктивность намагничивания.
уменьшения
потерь
необходимо
увеличивать
Двухтактный
прямоходовой
преобразователь.
Схема
двухтактного
преобразователя показана на рис. 3. Первичная цепь образована источником напряжения,
первичной обмоткой трансформатора и двумя ключами. Каждый ключ замкнут половину
периода, поэтому исключается возможность насыщения сердечника трансформатора.
Вторичная цепь преобразователя представляет двухполупериодный
выпрямитель со сглаживающим фильтром. Во вторичной цепи может быть
использована и мостовая схема выпрямителя. Одно из важных преимуществ двухтактных
преобразователей перед однотактными – более эффективное использование
трансформатора. В двухтактной схеме на рисунке 3 индукция в сердечнике изменяется от
−B max до +Bmax, тогда как в однотактном преобразователе приращение индукции
значительно меньше ΔB = Bmax − Br. Поэтому для наведения такой же ЭДС в
однотактной схеме требуется магнитопровод, имеющий значительно большее сечение. По
этой и другим причинам КПД двухтактных преобразователей значительно выше, чем у
60
однотактных. Еще одно существенное преимущество – меньшие размеры трансформатора
и сглаживающего фильтра.
Рисунок 3 - Двухтактный преобразователь
В приведенных схемах вместо выпрямителей применятся умножители напряжения.
Умножители напряжения
Схемы с умножением напряжения позволяют значительно снизить вес и габариты
аппаратуры, а также стоимость трансформаторов. Схемы умножителей напряжения
разделяются на симметричные и несимметричные. Для начала рассмотрим принцип
работы и построения несимметричных схем. Несимметричные схемы умножителей
подразделяются на два типа: Схемы умножителей первого рода и схемы умножителей
второго рода.
Параллельный умножитель
Параллельный умножитель (несимметричная схема первого рода) представлен на рисунке
1.
Б)
А)
Рисунок 1 - Схема умножения первого рода: А, Б альтернативные изображения
61
В полупериод напряжения, когда в точке “А” имеется отрицательный потенциал
относительно точки “F” конденсатор С1 будет заряжаться по цепи “F” -VD1 –“B” - С1 –
“A” до амплитудного значения напряжения на входе схемы ( в точках “А” –“F”).
Одновременно с зарядом С1 будет также заряжаться конденсатор С3 по цепи “F” –VD1 –
“B” – VD2 – “C” - VD3 –“D” – C3 – “A” также до амплитудного значения напряжения на
входе схемы. Также будут заряжаться и другие конденсаторы схемы умножения, которые
могут быть и которые подключены одним выводом к точке “А”. Обратим внимание на то,
что все эти конденсаторы заряжаются по цепочке последовательно соединенных диодов.
Через диод VD1 течет ток заряда конденсаторов всех ступеней умножения, через диоды
VD2, VD3 и далее – ток заряда всех остальных конденсаторов, подключенных одним
выводом к точке “А”, кроме первого.
Таким образом, через диоды в первоначальный момент проходят значительные
токи заряда емкостей. Это необходимо учесть при выборе элементов для схемы
умножения. Конденсаторы С2 и все которые могут быть в других ступенях и
подключаются одним выводом к точке “F” в этот полупериод не заряжаются, поскольку
оказываются шунтированными парами диодов VD1-VD2, VD3-VD4 и далее VD(N)VD(N+1).
С началом другого полупериода положительный потенциал будет в точке “А”.
Поскольку конденсатор С1 уже заряжен до такого же потенциала, как максимальный Uo,
то он оказываются включенным последовательно с источником питания и будут
разряжаться по цепи “В” - VD2 –“С” - С2 –“F” – Источник – “А” . Поскольку конденсатор
С2 был разряжен, то теперь он зарядится почти до удвоенного амплитудного напряжения
Uo. “Почти” потому, что С1 за этот небольшой промежуток времени отдаст часть своего
заряда конденсатору С2. Если емкость конденсатора С1 намного больше емкости
конденсатора С2, то С2 зарядится до удвоенного амплитудного значения напряжения Uo.
Если емкости этих конденсаторов равны, то все равно, через несколько периодов
напряжение на конденсаторе С2 достигнет удвоенного Uo. Аналогично, по цепи “D” –
VD(N) – “E” - C(N) – “F” – Источник – “А” произойдет заряд конденсатора С(N) до
удвоенного напряжения Uo. В следующий полупериод напряжения конденсатор С2,
заряженный до удвоеннного напряжения Uo, будет включен последовательно и по цепи
“С” – VD3 –“D”- C3 – “А” – Источник – “F” зарядит конденсатор С3 почти до утроенного
напряжения Uo. А конденсатор С1 будет подзаряжен до напряжения Uo. В следующий
полупериод конденсатор С2 будет заряжен так же как уже было описано, до удвоенного
напряжения, а конденсатор С(N) будет заряжен по цепи D – VD(N) – E – C(N) –F –
Источник – А – С3. Причем за счет утроенного напряжения на конденсаторе С3 и
напряжения на входе конденсатор С(N) зарядится до учетверенного Uo. Если наращивать
ступени умножения и дальше, их работа ничем не будет отличаться от работы первых
ступеней умножения.
Следует отметить, что в один из полупериодов будут заряжаться конденсаторы,
подключенные одним выводом к точке “А”, а в другой – конденсаторы, подключенные
одним выводом к точке “F”, поэтому частота пульсаций на выходе схемы умножения
первого рода равна частоте питающего напряжения.
62
Минимально допустимую величину конденсатора на выходе схемы умножения
С(N) можно посчитать, исходя из заданного уровня пульсаций выпрямленного
напряжения. Для начала определим сопротивление нагрузки:
Rн (Ком) = Uвых (В) / Iн (mA)
Пусть напряжение на выходе умножителя 1200 Вольт при токе 400 мА. При этом Rн = 3
Ком.
Теперь определим емкость конденсатора на выходе схемы умножения.
С(n) = 5,7 / Kп* Rн ( мкф)
Выберем Кп = 0, 1% , тогда: С(n) = 19 мкф (принимаем - 20 мкф).
Для того, чтобы получить как можно более пологую статическую характеристику
важно соблюдать определенные пропорции в емкостях конденсаторов, которые обеспечат
равенство энергий, накапливаемых каждым конденсатором при работе на реальную
нагрузку. Наилучшие результаты дает ряд емкостей, для которого:
С(N) = M * С(n),
где: C(N) –емкость конкретного конденсатора, С(n) – емкость конденсатора на выходе
схемы, М – коэффициент увеличения емкости, определяемый по таблице.
Номер
конденсатора
по схеме
Кратность умножения напряжения
5
4
3
2
Номинальное значение
ёмкости при Uвых =1200В
Iвых =0,4А, мкФ
С1
25
16
9
4
320 Х 300 В
С2
6,25
4
2,25
1
80 Х 600 В
С3
2,78
1,78
1
-
35,6 Х 900 В
С4
1,56
1
-
-
20 Х 1200 В
С5
1
-
-
-
-
Основной их недостаток - увеличение напряжения на конденсаторах с увеличением
числа ступеней умножения, ограничивает их применение до выходного напряжения
примерно 20 кВ.
63
Последовательный умножитель
Несимметричная схема умножения второго рода представлена на рисунке 2.
Б)
А)
Рисунок 2 - Несимметричная схема умножения второго рода
Основное отличие заключается в том, что в этой схеме все конденсаторы за
исключением С1 заряжаются только до удвоенного напряжения Uo. Конденсатор С1
заряжается только до Uo. Таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов в
умножителе напряжения второго рода может быть значительно ниже, чем в умножителе
первого рода. “Пусковой” ток через диоды в этой схеме тоже меньше, поскольку
определяется емкостью только одного конденсатора С1. Ток диодов может быть оценен
как:
Iпр. = 2,1 * Iн
Необходимая емкость конденсаторов в этой схеме определяется по формуле:
С (мкф) = 2,85 * N / Кп*Rн
Несмотря на увеличение каждой емкости в два раза, общая емкость конденсаторов
в такой схеме будет меньше, при тех же пульсациях. Необходимо только увеличить
емкость конденсатора С1 в 4 раза по сравнению с остальными. Хотя в большинстве
случаев достаточно и двух-трехкратное увеличение емкости конденсатора С1.
О включении нагрузки в такой схеме: При четном количестве ступеней умножения
(например 2,4,6,8 и т.д.) напряжение на нагрузку снимается с конденсаторов с четными
номерами ( точки “С” “Е” и т.д.) Если необходимо получить нечетное количество
ступеней умножения (3,5,7 и т.д.) Нагрузка подключается к конденсаторам с нечетными
номерами (точки “А”, “D” и т.д.).
64
Эти умножители применяют наиболее часто. Они более универсальны, напряжение на
диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большее число
ступеней умножения.
Симметричные схемы умножителей напряжения
Симметричная схема умножения напряжения получается, если применить две
несимметричных схемы, у одной из которых необходимо сменить полярность
электролитических конденсаторов и изменить проводимость диодов (рисунок 3).
Рисунок 3 – Симметричный умножитель
а.
б.
Рисунок 4 – варианты схем двухполупериодных умножителей
Таблица 2. Типовые значения параметров и область применения умножителей напряжения
Выходное
напряжение, В
Выходная
мощность, Вт
Типовые
значения
входного
напряжения, В
1000
< 50
50...200
> 200
200...500
500
500
+
+
+
2500
< 50
50...200
> 200
250...500
1000
1000
+
+
+
5000
< 50
250...2500
+
+
Однополупериодный
умножитель
Двухполупериодный
умножитель
65
50...200
> 200
2500
2500
+
10000
< 50
50...200
> 200
2500...5000
5000
5000
+
+
+
20000
< 50
50...200
> 200
2500...10000
5000...10000
5000...10000
+
+
+
30000
< 50
50...200
> 200
2500...10000
5000...10000
5000...10000
+
+
+
50000
< 30
30...100
> 100
5000...10000
5000...10000
5000...15000
+
+
+
75000
< 30
>= 30
7500...15000
более 5000
+
+
100000
< 30
>= 30
7500...15000
более 5000
+
+
150000
< 30
>= 30
7500...15000
более 5000
+
+
Расчёт умножителей
При расчете умножителя следует задать его основные параметры: выходное
напряжение, выходную мощность, входное переменное напряжение, требуемые габариты,
условия работы (температура, влажность).
Кроме того, необходимо учесть некоторые ограничения: входное напряжение
может быть не более 15 кВ, частота переменного напряжения ограничена в пределах
5...100 кГц, выходное напряжение - не более 150 кВ, интервал рабочей температуры от -55
до +125 град. С, а влажности - 0... 100 %. На практике разрабатывают и применяют
умножители с выходной мощностью до 50 Вт, хотя реально достижимы значения в 200 Вт
и более.
Выходное напряжение умножителя зависит от тока нагрузки. При условии, что
входное напряжение и частота постоянны, для последовательного умножителя оно
определяется формулой:
𝑈вых = 𝑁𝑈ВХ −
𝐼 (𝑁 +
9𝑁
4
𝑁
+ 2)
12𝐹𝐶
,
где I - ток нагрузки, А; N - число ступеней умножителя; F - частота входного
напряжения, Гц; С - емкость конденсатора ступени, Ф. Задавая выходное напряжение, ток,
частоту и число ступеней, из нее вычисляют требуемую емкость конденсатора ступени.
66
Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов
последовательном умножителе равно полному размаху входного напряжения.
в
В параллельном умножителе для получения того же выходного тока необходимая
емкость меньше. Так, если в последовательном емкость конденсатора 1000 пф, то для
трехступенчатого параллельного умножителя потребуется емкость 1000 пФ / 3 = 333 пФ.
В каждой последующей ступени такого умножителя следует применять конденсаторы с
большим номинальным напряжением.
При практической реализации умножителя следует уделить особое внимание
выбору его элементов, их размещению и изоляционным материалам. Конструкция должна
обеспечивать надежную изоляцию во избежание возникновения коронного разряда,
который снижает надежность умножителя, приводит к выходу его из строя.
Если требуется изменить полярность выходного
включения диодов следует изменить на обратную.
напряжения,
полярность
В соответствии со сказанным выше силовые каскады высоковольтных
преобразователей, как правило, двухтактные. При этом они могут работать в ключевом
режиме с регулируемой скважностью, в линейном режиме с регулируемой амплитудой
тока, на синусоидальном токе с регулируемой частотой. Применение линейных режимов
оправдано малой потребляемой мощностью (таблица 1). Входное напряжение
преобразователей обычно низкое, что позволяет ограничить номенклатуру напряжений
вторичного источника электропитания и обеспечить возможность питания приборов от
аккумуляторных батарей в мобильном варианте, а также снизить требования к рабочим
напряжениям транзисторов выходного каскада. Для стабилизации рабочих напряжений с
целью стабилизации характеристик детекторов преобразователи охватываются обратной
связью по напряжению.
Таблица 1. Напряжения и токи питания некоторых типов детекторов излучения
Тип детектора
Бета-1
СИ-3БГ
СИ-38Г
СНМ-16
ФЭУ-148
Ионизац. камера
Uном ,В
450
420
350
2300
2300
400
Imax,мкА
20
40
25
1000
-
На рисунке 5 представлен источник высоковольтного питания коронного счётчика
СНМ-16. Он представляет собой высоковольтный преобразователь с выходным напряжением - 2300 В.
Преобразователь построен по двухтактной трансформаторной схеме с общей базой
на транзисторах VT3, VT4. Напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает
на 12-ступенчатый умножитель напряжения на диодах VD21-VD24 и конденсаторах C8C20. Высокое напряжение отрицательной полярности подаётся на катод счётчика.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется регулированием рабочего
тока преобразователя за счёт изменения напряжения на базах транзисторов двухтактного
преобразователя. В свою очередь, величина этого напряжения определяется усилителем
67
рассогласования, на входе которого сравниваются величины эталонного тока и тока
обратной связи. Для уменьшения тока нагрузки резисторы цепи обратной связи
подключены к части выходного напряжения умножителя (к выходу второй ступени). Этот
часто используемый подход позволяет применять не слишком высокоомные резисторы
(следовательно, более точные) и в тоже время работать при приемлемых значениях тока,
отбираемого от умножителя. Резистор R11 величиной 33 Мом обеспечивает
автоматическое гашение счётчика.
Анодная цепь счётчика содержит резистивную нагрузку величиной 1 Мом, однако,
усилитель с низким входным сопротивлением обеспечивает режим близкий к короткому
замыканию. Такой подход довольно часто используется в схемах с катодным питанием
счётчика и позволяет нейтрализовать влияние паразитной входной ёмкости на
длительность выходных импульсов счётчика.
Примеры:
Умножитель на 8
Umax (C2, C3) – U
Umax (C1, C4, C5) – 2U
Umax (C6, C7, C8) – 2U
Umax (VD) – 2U
Симметричная схема, две полярности
относительно общей точки.
Umax (C2) – 5U
Umax (C3) – 3U
Umax (C1, C4, C5) – 2U
Umax (C6, C7, C8) – 2U
Umax (VD) – 2U
Симметричная схема (однополярная)
68
Рисунок 5 – Двухтактный повышающий преобразователь с умножителем
напряжения для питания коронного счётчика СНМ-16
69
Особенности высоковольтных схем электропитания ФЭУ
Основные проблемы построения каналов измерения ионизирующих излучений на
основе сцинтилляционных детекторов с ФЭУ в качестве фотоэлектрических
преобразователей связаны со стабильностью их характеристик. Причины, вызывающие
эту нестабильность многочисленны:
− деградация и изменение характеристик сцинтилляторов при колебаниях
температуры;
− изменение коэффициента усиления ФЭУ при изменении температуры;
− нестабильность питающих напряжений;
− снижение чувствительности фотокатода под воздействием больших разовых доз
излучения, и из-за эффекта накопления [15].
Одной из основных причин вариации коэффициента усиления ФЭУ является
нестабильность напряжений на его динодах. Она во многом определяется схемой питания.
Известны следующие схемы питания динодов ФЭУ:
− от высокоомного делителя напряжения;
− от цепи последовательно включённых стабилитронов;
− от активного делителя напряжения, состоящего из высокоомного резистивного
делителя и повторителей на биполярных или полевых транзисторах;
− от последовательно включённых источников напряжения, представляющих
собой ступени умножителя напряжения.
Рассмотрим достоинства и недостатки каждой из них.
Высокоомные делители напряжения – одно из наиболее распространённых
решений. Схема этого варианта представлена на рисунке 5.18.
Ф
А
Выход
Rн
М
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
C
R1
R2
R3
C
11
C
12
C
Rk
-Е
Рисунок 5.18 – Электропитание динодов ФЭУ от высокоомного делителя
Резисторы делителя выбирают так, чтобы ток делителя на порядок превышал
суммарный ток динодов и анода. Нарушение этого требования может привести вариациям
напряжения на динодах при изменении интенсивности счёта и, как следствие, к
нестабильности коэффициента усиления и нелинейности световой характеристики ФЭУ.
При высокой амплитуде импульсов изменение падений напряжения на резисторах
делителя из-за увеличения тока динодов всё же остаётся значительным. Снизить эту
зависимость можно уменьшением сопротивления делителя. Однако это приводит к
значительному росту потребляемой мощности от высоковольтного источника и росту
температуры ФЭУ при расположении такого делителя вблизи цоколя ФЭУ (что широко
применяется на практике). Частично проблема преодолевается за счёт уменьшения
динамического сопротивления делителя шунтированием его резисторов конденсаторами.
В нашем случае при многоканальной детекторной системе проблема роста температуры
ФЭУ обостряется и может привести к существенному увеличению уровня шумов ФЭУ,
изменениям коэффициента усиления и, даже, эффективности сцинтилляторов.
70
Применение схемы электропитания с использованием высоковольтных
стабилитронов решает вопрос стабильности напряжения при существенном снижении
потребляемого тока. Обычно достаточно 1,5-2-х кратного превышения тока
стабилитронов по отношению к току последнего динода. Основная сложность при
использовании такой схемы состоит в ограниченной номенклатуре высоковольтных
стабилитронов, существенном разбросе напряжений стабилизации, а, главное, в
ограниченных возможностях изменения напряжение на динодах с целью оптимизации
режима работы ФЭУ.
Применение активных делителей напряжения – относительно хороший вариант
питания динодов, т.к. возможно существенное снижение тока делителя (на 1-2 порядка), и,
при этом, выходное сопротивление делителя напряжения оказывается малым за счёт
низкого выходного сопротивления повторителей [15]. Схема устройства электропитания с
активным делителем представлена на рисунке 5.19. Повторители напряжения построены
на составных биполярных транзисторах, что позволяет на два порядка уменьшить ток
делителя по сравнения с классическим решением, представленным на рисунке 5.18. Но
достигается это применением резисторов делителя с номинальными значениями
сопротивлений в десятки Мом, что затрудняет обеспечение высокой стабильности
коэффициентов деления высокоомного делителя.
Рисунок 5.19 – Активный делитель на составных биполярных транзисторах,
V – базовое напряжение, коэффициенты показывают кратность напряжения
Причиной изменения коэффициентов деления являются токи утечки, связанные с
загрязнениями и влиянием влаги. Кроме того, для данной схемы характерна повышенная
чувствительность к броскам напряжения, приводящая к отказам делителя, а также
выделение существенной мощности на транзисторах при больших импульсах тока ФЭУ.
Несколько улучшить ситуацию позволяют конденсаторы, шунтирующие последние
эмиттерные повторители каскадов.
В последнее время для питания динодов ФЭУ всё большее распространение
получает схема Кокрофта-Валтона, изображённая на рисунке 5.20 [16].
71
А
Ф
М
R11
2
3
4
5
6
7
8
9
C22
C23
C24
C25
C26
C27
C28
C29
C30
10
11
12
C12
C18
C19
C33
VD29
VD25
VD26
VD24
VD22
C17
VD23
VD20
C16
VD21
VD18
C15
VD19
VD16
C14
VD17
VD15
VD13
VD11
VD14
C13
C32
C6 VD28
C11
VD12
VD10
VD8
C10
C31
C7 VD27
C9
VD9
VD6
VD4
C8
VD5
VD3
C21
VD7
R12
C20
VD2
1
Рисунок 5.20 – Схема электропитания ФЭУ по схеме Кокрофта-Валтона
Диноды в этом случае питаются от ступеней умножителя напряжения. Эта схема до
некоторой степени эквивалентна схеме с делителем напряжения, резисторы которого
шунтированы конденсаторами, однако время восстановления напряжения после
перегрузки оказывается очень малым из-за низкого выходного сопротивления каждой
ступени умножителя. Схема потребляет минимальный ток, определяемый лишь токами
утечки. Напряжения на ступенях умножителя слабо зависят от изменений токов утечки, а
надёжность таких устройств существенно выше надёжности устройств с активными
делителями, прежде всего, за счёт малой мощности рассеиваемой диодами умножителя
при максимальных импульсах тока ФЭУ.
Недостатки этого способа питания состоят в невозможности тонкого управления
режимами, т.к. напряжения всех динодов будут кратны напряжению одной ступени
умножения. Поэтому при использовании таких схем питания к ФЭУ предъявляются более
жёсткие требования по допустимому разбросу характеристик.
В некоторой степени преодолеть этот недостаток можно, используя
комбинированную схему, в которой для подгонки напряжений используются резисторные
делители (R11- R12 на рисунке 3.20). Дополнительным недостатком такого решения
можно считать и невозможность использования готовых высоковольтных встраиваемых
источников питания.
Организацию источников питания для детекторов с фотоэлектронным
умножителем рассмотрим на примере блока детектирования альфа излучения с
кристаллическим сцинтиллятором ZnS(Аg) и фотоэлектронным умножителем ФЭУ-148
(рисунок 2).
Особенность схемы питания ФЭУ практически исключает возможность
размещения высоковольтного источника вне блока детектирования. Питание
фотоэлектронного умножителя блока детектирования осуществляется по схеме
Кокрофта-Валтона, т.е. динодные напряжения формируются ступенями умножения
напряжения. Преимущество такого способа питания состоит в низком выходном
сопротивлении ступеней динодного питания, что повышает его стабильность при высокой
загрузке. Для улучшения условия сбора электронов с фотокатода напряжение между ним
и фокусирующим электродом выбрано равным 80% от напряжения ступени умножения, а
напряжение между фокусирующим электродом и первым динодом в 1,2 раза превышает
его. Это перераспределение достигается введением резистивного делителя R11, R12,
питающимся напряжением сразу двух последних ступеней умножения (VD2-VD6, C8, C9,
C20, C21). Данное решение вполне оправдано, т.к. токи модулятора и первого динода
чрезвычайно малы, поэтому даже при высокой загрузке модуляции напряжения на
электродах практически не будет. Напряжение между последним динодом и анодом для
данного фотоэлектронного умножителя должно быть уменьшено по сравнению с другими
72
динодными напряжениями, что потребовало подключения первой ступени умножения к
отводу вторичной обмотки трансформатора.
Высоковольтный умножитель питается от вторичной обмотки трансформаторного
двухтактного преобразователя напряжения. Схема сравнения на операционном усилителе
D1 сравнивает часть выходного напряжения (делитель R4, R14-R17) с опорным
напряжением, величина которого регулируется резистором R2. Выходной сигнал
регулирует постоянную составляющую напряжения на базах выходных транзисторов и
тем самым величину тока преобразователя. Поскольку напряжение обратной связи
снимается с 8-го динода, то именно оно и стабилизируется. Это способствует некоторой
стабилизации коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя, за счёт частичной
расфокусировкидинодного тракта умножения при возрастании напряжения питания ФЭУ,
по отношению к номинальному напряжению, для которого и осуществлялась регулировка.
Причиной подобной вариации высоковольтного напряжения является изменение загрузки
фотоэлектронного умножителя. При возрастании загрузки обратная связь стремится
сохранить напряжение на 8-ом диноде, в то время как ток динодов близких к катоду
остаётся малым, и напряжение на соответствующих секциях умножителя возрастает. Не
последнюю роль в этом играет форма коммутационных импульсов преобразователя с
небольшим
перерегулированием.
Конденсатор
С34
улучшает
динамические
характеристики цепи стабилизации напряжения. Резистор R13 создаёт небольшую
нагрузку для умножителя, что улучшает динамические характеристики при малых
загрузках ФЭУ (ускоряется процесс снижения высокого напряжения после резкого сброса
загрузки).
Пример реализации источника вторичного электропитания многоканального радиометра
Источник предназначен для питания аналоговых и цифровых узлов радиометра и
реализован в виде единой версии, обеспечивающей питание от сети переменного тока 127220 В и бортового источника (рисунок 3 не обозначен, приведен в виде чертежа). Это
достигнуто за счёт применения современных преобразователей AC-DC перекрывающих
диапазон входных напряжений 90-240 В. Выходная мощность преобразователя KAM0712
– 7,5 Вт достаточна как для питания детекторов, так и измерительного блока с
клавиатурой и устройством индикации. Напряжение питания измерительного блока и
блока детекторов стабилизируется линейным стабилизатором с выходным напряжением 5
В. При этом потребление измерительного блока не превышает 200 мА. Для питания
гальванически
развязанного
интерфейса
RS-232
применён
изолированный
преобразователь DC-DCTSM-1212D.
На операционном усилителе DA2 построен источник опорного напряжения 7,5 В.
Его напряжение используется в качестве опорного в преобразователях высокого
напряжения и для питания схем управления блоков детектирования.
Бортовая сеть подключается к входу линейного стабилизатора напряжения. При
этом она развязана от преобразователей переменного тока в постоянный и
преобразователя, питающего интерфейс RS-232, диодом VD2. Бортовая сеть подключается
к блоку питания через диодный мост VD4-VD7, исключающий проблемы с
переполюсовкой.
Выбор преобразователя переменного тока в постоянный с выходным напряжением
12 В обусловлен тем, что такое напряжение позволяет построить канал подзаряда
аккумуляторов по схеме с понижением напряжения. Использование же энергетически
более выгодного варианта преобразователя переменного тока в постоянный с выходным
напряжением 5 В приведёт к усложнению схемотехники зарядного устройства, т.к. для
заряда
потребуется
повышающе-понижающий
преобразователь
(напряжение
аккумуляторов может быть как выше, так и ниже напряжения питания - 4-6 В). В данной
реализации для заряда аккумуляторов используется автономное устройство
73
Рисунок 2 – Источник питания сцинтилляционного детектора на ФЭУ
Перв. примен.
ЮЗГУ 186002.006 Э3
A1
S1
Х2:9
+V +12
AC/N
Сеть
~127-220 В
A2
PM-05-12
AC/L
Х2:1
220-12В/
127-12В
VD1
ОБЩ
VD2
VD4-VD7
R2
VD3
Бортовая
сеть 12 В
11
DC/DC
TRACOPOWER
TSM-1212D
12В -12В
09
2
08
R1
-V
Справ. №
1
+12RS
Х1:1
-12RS
SG
Х1:2
Х1:3
+5
Х1:4
DA1
C1
0,47
КР142ЕН5А
C2
0,47
GND
Х1:5
DA2
Подпись и дата
7
3
Uоп
Х1:6
4
C3
0,47
Инв.№ дубл.
6
2
8
R4
R5
Инв.№ подл.
Подп. и дата
Взам.инв.№
R3
ЮЗГУ 186002.006 Э3
Изм Лист
№ докум.
Разраб.
Бондарь О.Г.
Дрейзин В.Э.
Усенков В.Н.
Пров.
Т. контр.
Н. контр.
Утв.
Подп.
Дата
Блок питания
Схема электрическая
принципиальная
Лит.
Лист
Рыбочкин А.Ф
Дрейзин В.Э.
Копировал
Формат А4
Масса
Масштаб
Листов
Литература
1Бекман И. Н. Измерение ионизирующих излучений. Курс лекций. МГУ, 2006. Www/http:
profbeckman.narod.ru.
2 Сидоренко, В.В. Детекторы ионизирующих излучений на судах [Текст]: Справочник /
В.В. Сидоренко, Ю.А. Кузнецов, А.А. Оводенко. Л.: Судостроение, 1984. 240 с.
3 Цитович, А. П. Ядерная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1984. – 408 с.
4 Левин В.Е., Хамьянов Л.П. Регистрация ионизирующих излучений. Изд. 2-е. М.:
Атомиздат, 1973. 256 с.
5 Групен К. Детекторы элементарных частиц: Справочное издание. Пер. с англ.
Новосибирск: «Сибирский хронограф», 1999. 390 с.
6 Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике / Ю. К. Акимов, О. В.
Игнатьев, А. И. Калинин, В. Ф. Кушнерук. М.: Энергоатомиздат, 1989. 344 с.
7 Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Физическая электроника газоразрядных устройств.
Плазменная электроника. В 2-х ч. Ч.1: Учеб.пособие. М.: Высш. шк. 1993. – 240 с.
8 Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц,
(Экспериментальные методы ядерной физики, ч. 1), М., 1966.
Скачать