Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

Регулировка производится следующим образом. К выходу усилителя подключается осциллограф, у которого установлено максимальное усиление. Современные цифровые осциллографы Tektronics имеют чувствительность 1 – 2 мВ на деление экрана. Входные сигналы усилитель получает от сборки - радиоактивный источник + детектор + предусилитель. Использовать генератор импульсов для имитации сигналов детектора в данном случае нельзя. Наблюдая в осциллографе выходные сигналы усилителя и регулируя потенциометр Rpz, нужно убрать отрицательный выброс. При этом необходимо следить, чтобы не произошла перекомпенсация, т.е. не появился положительный "хвост". Компенсацию полюса нулем необходимо производить для каждой конкретной связки предусилитель + усилитель.

Восстановление базовой линии

В высококачественном усилителе в основном используется связь по постоянному току, за исключением, возможно, дифференцирующей схемы, расположенной вблизи его входа. Любое соединение через конденсатор приводит к смещению базовой линии так, чтобы площади импульсов над ней и под ней были равны. Это смещение зависит от частоты следования импульсов и их амплитудного распределения. Статистический характер распределения времени появления сигналов приводит к флуктуациям этого смещения. В результате небольшое смещение базового уровня после прохождения усилительных секций может вызвать большое и нестабильное смещение базового уровня на выходе усилителя. А это в свою очередь может привести к ухудшению энергетического разрешения спектрометра.

Смещение базового уровня можно сильно уменьшить, используя биполярные сигналы. Оптимальными для этого являются импульсы с одинаковыми площадями и равными длительностями положительных и отрицательных частей сигнала. Однако использование биполярных сигналов ведет к ухудшению отношения сигнал/шум и увеличению наложений импульсов из-за увеличения длительности сигналов.

Самым простым решением восстановления базового уровня является использования диода. Однако диоды не позволяют свести смещение до незначительного уровня. В частности потому, что

51

происходит выпрямление шумов. Это создает дополнительное смещение базового уровня.

Современные спектрометрические усилители обычно содержат специальные цепи восстановления базового уровня. На рис. 1.20 проиллюстрирован принцип работы таких цепей.

Рис. 1.20. Упрощенная схема системы восстановления базового уровня, где CBLR – эквивалентная емкость

В простой цепи восстановления постоянного уровня ключ S1 всегда замкнут и он работает как RC дифференцирующая цепочка. Базовый уровень между импульсами восстанавливается до потенциала земли с помощью сопротивления RBLR. Для того чтобы не ухудшить отношение сигнал/шум, постоянная времени CBLR RBLR должна быть, по крайней мере, в 50 раз больше постоянной времени усилителя. Такое восстановление базового уровня не позволяет достаточно хорошо поддерживать базовый уровень под потенциалом земли при высоких скоростях счета. В нем площадь сигнала над потенциалом земли такая же, как площадь сигнала ниже потенциала земли. При низких скоростях счета время между импульсами существенно больше длительности импульсов и базовый уровень практически равен потенциалу земли. При увеличении скорости счета базовый уровень понижается, и тем больше, чем больше скорость счета.

Лучшими характеристиками обладают стробируемые устройства восстановления базового уровня. В них ключ S1 разомкнут во время прохождения импульса и замкнут, при его отсутствии. Таким образом, дифференцирование работает только во время между импульсами. Стабильность восстановления базового уровня зависит от спо-

52

собности цепей, замыкающих и размыкающих ключ S1, определять наличие или отсутствие импульса. В простейших цепях такого рода используется пороговое устройство (дискриминатор), порог срабатывания которого вручную устанавливается немного выше уровня шумов. В более сложных устройствах уровень шума и наличие импульса определяется автоматически. В примере на рис. 1.11 приведена схема спектрометрического тракта, где используется специальная ИС фирмы Amptek – восстановитель базовой линии BLR-1.

Формирование на линиях задержки

Лучше всего усилители с формированием на линиях задержки приспособлены для сцинтилляционных детекторов. Имея хорошие временные характеристики, они в этом случае практически не ухудшают спектрометрические характеристики (отношение сигнал/шум) измерительных систем, которые в данном случае в основном определяются статистикой световыхода сцинтиллятора и электронного умножения в ФЭУ. Однако когда в основном интересует временная или счетная информация, усилители с формированием на линиях задержки могут использоваться и с другими детекторами. Можно сказать, что усилители с формированием на линиях задержки занимают промежуточное положение между быстрыми и спектрометрическими усилителями.

Импульс предусилителя складывается с инвертированным и задержанным импульсом. Так как задний фронт сигнала предусилителя имеет гораздо большую длительность, чем передний, за время задержки его уровень не успевает заметно измениться и на выходе получается прямоугольный импульс с длительностью равной времени распространения сигнала в линии задержки. Величину сопротивления 2RD (рис. 1.21) можно регулировать в небольших пределах, чтобы скомпенсировать потери амплитуды задержанного импульса в линии задержки. При должной регулировке задний фронт выходного импульса не будет иметь отрицательного выброса. Основное преимущество формирования на линии задержки заключается в том, что выходные импульсы имеют прямоугольную форму с короткими передними и задними фронтами. Задний фронт – зеркальное отражение переднего фронта. Для предотвращения наложений сигналов такое формирование близко к идеальному. Каскадированием двух цепей формирования можно получить биполяр-

53

ный сигнал с положительной и отрицательной частями одинаковой амплитуды и длительности. Таким образом, можно устранить смещение базовой линии на переходных емкостях, правда, ценой удвоения длительности сигналов и соответственно обострения проблемы их наложения. Кроме того, биполярные сигналы можно использовать для временной привязки.

Рис. 1.21. Упрощенная схема усилителя с формированием на линии задержки

С полупроводниковыми и сцинтилляционными детекторами, передние фронты импульсов которых лежат в наносекундном диапазоне, в качестве линий задержки используют обычные кабели с ~5 нс/м. Для ионизационных камер и пропорциональных счетчиков со временем сбора электронной компоненты, находящейся в микросекундном диапазоне, используют специальные кабели или искусственные линии задержки.

Усилители с формированием сигналов с помощью стробируемого интегратора

Время сбора заряда в германиевых детекторах гамма-квантов зависит от места, где произошло взаимодействие. Время сбора в небольших детекторах варьируется в диапазоне от 100 до 200 нс. В больших детекторах – от 200 до 700 нс. В результате длительность передних фронтов выходных импульсов предусилителя варьируется в этих же диапазонах. Это сказывается на величинах амплитуд выходных импульсов усилителя с квазигауссовым формированием импульсов и приводит к ухудшению энергетического разрешения спектрометра. Чем длиннее передний фронт выходного сигнала предусилителя, тем меньше амплитуда выходного сигнала усилителя. Это так называемый баллистический дефект (ballistic deficit). Для постоянных времени фильтров усилителя в диапазоне 6 — 10 мкс этот эффект мал, так как длительность выходных сигналов усилителя

54

много больше, чем максимальное время сбора зарядов в детекторе. Однако при измерениях с большими загрузками приходится использовать меньшие постоянные времени. При использовании постоянных времени < 2 мкс этот эффект становится основной причиной, ограничивающей энергетическое разрешение при использовании усилителей с квазигауссовым формированием сигналов.

Эта проблема решается следующим образом (рис. 1.22 и 1.23). Для простоты изложения в качестве предварительного фильтра возьмем формирователь на линии задержки. Рассмотрим два крайних случая – нулевая длительность переднего фронта (сплошные линии на рис. 1.22) и большая длительность переднего фронта (штриховые линии). В первом случае на выходе предварительного фильтра получается прямоугольный сигнал, во втором – трапеция. Длительность сигнала трапецеидальной формы больше, чем прямоугольной на величину длительности переднего фронта импульса предусилителя. Секция стробируемого интегратора позволяет решить две задачи. Она уменьшает высокочастотную компоненту шумов и позволяет устранить влияние баллистического дефекта.

Рис. 1.22. Формы импульсов в усилителе с формированием сигналов с помощью стробируемого интегратора: а) выход предусилителя, б) выход предварительного фильтра, в) выход усилителя

Рис. 1.23. Упрощенная схема усилителя с формированием сигналов с помощью стробируемого интегратора

55

Пока отсутствует импульс с предварительного фильтра, ключ S1 разомкнут, а ключ S2 замкнут, таким образом выход стробируемого интегратора заземлен. Когда появляется импульс с предварительного фильтра, ключ S1 замыкается, а ключ S2 размыкается, и сигнал с предварительного фильтра интегрируется на емкости С1. Время интегрирования устанавливается таким же, как длительность самого длинного импульса предварительного фильтра. Таким образом, амплитуда импульсов на выходе усилителя не зависит от длительности переднего фронта импульса предусилителя. В конце периода интегрирования ключ S1 размыкается, а ключ S2 замыкается. Выходной сигнал быстро возвращается к базовому уровню. В реальных усилителях вместо формирования на линии задержки в предварительном фильтре используются активные RC-фильтры. Формы импульсов реального усилителя показаны на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Формысигналовв усилителесформированиемсигналовспомощью стробируемогоинтегратора: а) выходпредварительногофильтра, б) выходусилителя

Усилители с формированием сигналов с помощью стробируемого интегратора имеют хорошие шумовые характеристики, сравнимые с характеристиками усилителей с квазигауссовым формированием, и в то же время они позволяют работать при высоких загрузках.

В отличие от зарядочувствительных усилителей, где требуются малые входные токи ОУ, в линейных спектрометрических усилителях могут быть использованы и другие типы ОУ (см. табл. 1.1 и 1.2). Если необходим малый вклад шумов линейного усилителя в тракт, можно рекомендовать следующие компоненты: AD8099,

56

ADA4800,AD8004, AD8000,AD829, AD8003 фирмы Analog Devices, LT1203, LT1205, LT6230, LT1993, LT1226 фирмы Linear Technology. Когда необходим большой диапазон амплитуд выходных сигналов, можно рекомендовать ОУ следующих типов: AD815, AD827, AD829, AD8019, AD8067, AD828, AD8065, AD8033 фирмы Analog Devices, LT1126, LT1127, LT1203, LT1205, LT1222 фирмы

Linear Technology. Уже упоминавшаяся фирма Amptek также выпускает гибридные ИС, предназначенные для реализации спектрометрических трактов разного уровня качества (табл. 1.8).

Во многих детектирующих системах часто прибегают к суммированию сигналов с отдельных детекторов. Схемы сумматоров достаточно просто могут быть реализованы на ОУ. Из приведенных таблиц можно выбрать для каждого конкретного типа детекторов подходящий тип ОУ. Следует только иметь в виду, что чем больше входов у сумматора, тем меньше динамический диапазон по каждому входу.

Таблица 1.8

Гибридные ИС фирмы Amptek

57

CC — конденсатор цепи компенсации снижает усиление на вы-

соких частотах, где возможна деградация фазы. При уменьшении усиления запас по фазе возрастает и усилитель стабилизируется. Типичный диапазон емкостей от 0 до 5 пФ. Величина CC зависит от

коэффициента усиления.

RC— резистор цепи компенсации сглаживает резонанс, образо-

ванный индуктивностью вывода корпуса ИС и компенсирующим конденсатором (CC) и предотвращает генерацию. Рекомендуемая

величина RC — 50 Ом для усиления 2. Этот резистор вводит нуль на

АЧХ и должен быть небольшим, чтобы нуль образовывался на высоких частотах. Типичный диапазон сопротивлений от 0 до 50 Ом.

C1—для уменьшения импеданса RC , C1 включается параллельно RC. C1 не обязателен, но заметно снижает выбросы на АЧХ. Ти-

пичное значение в диапазоне от 0 до 2 пФ.

C2 и C3 — шунтирующие конденсаторы, включаемые между обоими источниками питания для получения минимальных искажений и достаточного подавления влияния источников питания. Эти конденсаторы должны размещаться как можно ближе к выводам питания усилителя. Для C3, C5 следует использовать конденсаторы размера 0508. Такие конденсаторы имеют малую паразитную индуктивность и лучшие частотные характеристики.

C4 и C2 — электролитические шунтирующие конденсаторы. Ниже в табл. 1.9 приведены примеры выбора номиналов элементов схемы для разных коэффициентов усиления и типов корпу-

са AD8099.

60