sumar - obsah JE

V súčastných jadrovo-fyzikálnych experimentoch sa kompletuje elektronika prevážne so štandardných modulov (NIM, CAMAC a pod.), takže fyzik - experimentátor si môže poskladať a využívať zložitú meraciu aparatúru. Hoci teda fyzik - experimentátor si nemusí sám konštruovať elektronické zapojenia je dôležité, aby chápal princíp ich činnosti. V tomto duchu je prednáška venovaná najprv súhrnu poznatkov zo základov elektroniky a elektronických obvodov, na základe ktorých potom možno lepšie pochopiť funkciu a činnosť pomerne zložitej elektronickej aparatúry, slúžiacej na zber a spracovanie informácie z rôznych detektorov ionizujúceho žiarenia.

Základné poznatky (F )
Tento text vznikal postupne, najprv na základe poznámok, ktoré uľahčovali meranie v praktiku, neskôr sa k textu postupne pridávali ďalšie časti, takže výsledkom je hypertextový dokument, ktorý sa dá čítať predovšetkým ako návod k praktikám. V prípade, že by sa chcel použiť ako materiál pre štúdium na skúšku doporučoval by som následovný postup:


	Základy analýzy lineárnych obvodov (F)


		Aktívny a pasívny n-bran, Théveninov a Nortonov náhradný obvod (F).
		Ovládané (závislé, neautonómne) zdroje (F)


	Charakterizovanie prenosových vlastností pasívnych dvojbranov (F)


		RC články s hľadiska prechodového javu - integračný článok RC, derivačný článok CR (F).
		Pohľad na RC články z hľadiska praktikovej úlohy u_ 234 (Integračný RC obvod (F), derivačný CR obvod (F), impulzný transformátor (F).
		Použitie RC a CR článkov na tvarovanie impulzov TTL (F).
		RC články ako frekvenčné filtre - dolnopriepustný filter, hornopriepustný filter. (F) Parametre umožňujúce porovnať frekvenčnú a prechodovú charakteristiku. (F).
		Pohľad na RC filtre z hľadiska praktikovej úlohy u_1 (RC článok (F), CR článok (F).
		Články CR a RC ako súčasť lineárneho zosilňovača (F).
		Šírka pásme zosilňovača (F).


		Lineárne obvody z rozloženými parametrami - vedenia a káble (F).


	Signály (F).


	Nelineárne prvky (F).


	Dióda (F).


		Dióda ako usmerňovač (F), Zenerova dióda (F), Obmedzovač a spínač (F).
		Parametre náhradného obvodu diódy (F).
		Stabilizátor napätia so Zenerovou diódou (F).


	Bipolárny tranzistor


		Skúška funkčnosti bipolárneho tranzistora (F).
		Tranzistorový spínač. (F).
		Náhradný obvod pre veľký signál (F).
		Náhradný obvod tranzistora pre malý signál (F).
		Prúdový zosilňovací činiteľ v zapojení SE (F).
		Millerova kapacita (F).
		Zapojenie tranzistora so spoločným emitorom (F).
		Impulzný zosilňovač (F).
		Emitorový sledovač (F) t.j. zapojenie so spoločným kolektorom (F).
		Impulzný emitorový sledovač (F).


	Unipolárny tranzistor (FET F).


		JFET(F), MOSFET (F), charakteristiky FET-u (F).
		FET ako meniteľný odpor(F) , spínač pre analógový signál s FET-om (F).


	Operačné zosilňovače


		Základné typy obvodov (F), použitie operačného zosilňovača ako komparátora a tvarovacieho obvodu (F).
		Použitie operačného zosilňovača so spätnou väzbou(F ), frekvenčná kompenzácia zosilňovača so spätnou väzbou (F).
		Vplyv rôzneho typu spätnej väzby na vlastnosti zosilňovača (F).


	Základy číslicovej a impulznej elektroniky (F) .

Cieľom jadrovo - fyzikálneho experimentu je získať informáciu o vzájomnej interakcii atómových jadier a elementárnych častíc. Pri tom sa pomocou detektorov analyzuje elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie, ktoré vzniká pri alebo sa pohlcuje pri rozpade alebo premene jadier a častíc alebo pri ich interakcii. Na základe analýzy tohto žiarenie možno určiť:


q	pravdepodobnosť a zodpovedajúcu početnosť registrovaných udalostí;
q	typ častice alebo žiarenia;
q	energiu;
q	uhlový rozptyl;
q	polarizáciu;
q	informáciu o časovej korelácii udalostí.

Vo väčšine prípadov sa pri tom pomocou detektorov registruje alebo analyzuje energia častíc alebo kvantov. V detektore teda vzniká elektrický signál, ktorý väčšinou treba najprv zosilniť a až potom vykonať jeho amplitúdovú a časovú analýzu. Na základe príkladov, ilustrovaných v:


	Použitie elektronickej aparatúry v jadrovo-fyzikálnom experimente (F).

možno rozdeliť elektronickú aparatúru na niekoľko častí:


q	Predzosilňovač - ktorý je nutný v prípade, že:
	signál z detektora je veľmi malý na to aby ho bolo možné bez straty pomeru signál/šum preniesť cez dlhý kábel, v prípade, že treba konvertovať nábojový signál na napäťový impulz (Fkapacita PN prechodu polovodičového detektora).
q	Hlavný alebo lineárny zosilňovač, ktorého úlohou je:
	zosilniť signál z predzosilňovača na úroveň, ktorú si vyžaduje ďalšie analyzujúce zariadenie, pomocou filtrov zlepšiť pomer signál/šum, poprípade inak upraviť tvar impulzov.
q	Ďalšie analógové prístroje (napr. lineárne hradlo), ktoré slúžia na výber potrebných udalostí pri vysokých početnostiach registrovaného impulzného signálu.
q	Tvarovacie a diskriminačné obvody, pomocou ktorých možno získať potrebné referenčné (logické) impulzy pre časovú analýzu udalostí v koincidenčných obvodoch.
q	Pomocné napájacie zdroje pre elektroniku a detektory, generátory na kalibráciu experimentálneho zariadenia.
q	Číslicové prístroje predovšetkým na registráciu početnosti udalostí, na meranie časových intervalov a na testovanie prístrojov.
q	Analyzátory amplitúdy, časových intervalov, zariadenia na zhromažďovanie, ukladanie, zobrazovanie a spracovanie experimentálnych údajov.


a)	Detektor

Detektory sú vlastne meniče jadrového žiarenia (nabitých alebo neutrálnych častíc , fotónov) na elektrický náboj Q. Rozličné typy detektorov sa odlišujú podľa energie, ktorá je potrebná na vytvorenie páru elektrón - Ión alebo páru elektrón - diera:


q	Scintilačný detektor	300 eV
q	Plynový detektor	25 eV
q	Si - polovodičový detektor	3,66 eV

Prednosťou polovodičového detektora je aj vysoká energetická rozlišovacia schopnosť a je preto najpoužívanejším detektorom v oblasti fyziky nízkych energii. Prakticky všetky spektrometrické detektory sú prúdové zdroje(F), takže veľkosť pracovného odporu nehrá rozhodujúcu úlohu, dokonca čím je menší tak sa stáva detektor rýchlejším.


	Náhradný obvod detektora (F)


b)	Predzosilňovač

V spektrometrickom detektore má signál na výstupe detektora malú amplitúdu.


	Predzosilňovač (F)

Amplitúda impulzu z detektora je väčšinou úmerná energii prelietajúcej častice alebo kvanta. Čelo impulzu z detektora má trvanie, ktoré zodpovedá trvaniu zberu nosičov náboja (napr. v polovodičovom detektore od 1 do 100ns, v plynových od stoviek ns do niekoľko mikrosekund). Nábojovo citlivý predzosilňovač (F) musí tiež integrovať vstupný náboj a konvertovať ho na výstupný impulz s amplitúdou, ktorá je úmerná energii. Ako integrátor sa používa najčastejšie operačný zosilňovač s kapacitnou spätnou väzbou (F). Impulz na výstupe nábojovo-citlivého predzosilňovača má stupňovitý tvar (nakoľko v porovnateľnej mierke s trvaním čela impulzu trvanie tyla impulzu na výstupe predzosilňovača ~50ms, závislé od spätnoväzobnej časovej konštanty R_FC_F (F), je podstatne dlhšie). Pri vysokých početnostiach (predovšetkým ak by sa pri následnom zosilňovaní neskrátilo trvanie impulzu) by preto mohlo dochádzať k superpozícii impulzov a tak ku skresleniu amplitúdy meraných impulzov.

Aby bolo možné bez odrazov transportovať impulzy z predzosilňovača k hlavnému zosilňovaču pomocou dlhšieho kábla treba prispôsobiť výstup predzosilňovača vlnovému odporu kábla (F).

Aby impulzy potrebné pre amplitúdovú analýzu neovplyvňovali tvar impulzov potrebných pre časovú analýzu, odoberajú sa príslušné impulzy s oddelených výstupov (F).


		Šum na výstupe predzosilňovača (F).

Šum predzosilňovača závisí od nasledujúcich faktorov:


		výstrelového šumu prúdu detektora (F);
		tepelného šumu odporov v obvode detektora (F);
		šumu vstupných tranzistorov) (F);
		šumu kapacít vstupného obvodu (F).

Uvedené zložky prispievajú k výslednému šumu. Spektrálna hustota šumu tohto typu tzv. bieleho šumu je rovnomerne zastúpená zložkami všetkých frekvencii (na rozdiel napr. od ružového - 1/f šumu (F) a preto pomocou vhodného zúženia frekvenčného pásma zosilňovača Df (F) môže byť jeho vplyv na signál zmenšený, resp. pomer signál / šum optimalizovaný (F).


c)	Hlavný zosilňovač

Hlavný (alebo tiež nazývaný lineárny) zosilňovač by mal mať možnosť meniť zosilnenie (od 1 do 10⁴ podľa typu pripojeného detektora), mať vysokú linearitu a vysokú stabilitu zosilnenia. Pre použitie hlavného zosilňovača s rôznymi typmi detektorov sa požaduje dostatočne široká šírka frekvenčného pásma zosilňovaného signálu s možnosťou meniť, resp. optimalizovať pomer signál/šum (teda tvar impulzov pomocou derivačnej a integračnej konštanty) podľa typu pripojeného detektora.


	Lineárny zosilňovač (F)

Najjednoduchším spôsobom tvarovania impulzov z výstupu predzosilňovača (ich tvar F) je skracovanie ich trvania pomocou CR derivačného článku a ďalšia úprava tvaru pomocou integračného RC článku z hľadiska potrieb dosiahnutia optimálneho pomeru signál / šum:


		Spracovanie signálu z detektora (F).

Optimálny pomer signál šum sa dosahuje (pomocou časových konštánt t~ t_i=t_d~0,1 až 100ms, najčastejšie t~1-10msF) pri približne symetrickom tvare impulzu:

Pri vysokých početnostiach registrovaných impulzov dochádza k hromadeniu náboja na derivačnej kapacite, čo môže spôsobovať posun jednosmernej zložky signálu (F obr. BLR):

Pri registrovaní vyšších početností impulzov sa upravujú impulzy na bipolárny tvar, ktorý zabezpečí rýchlejšiu obnovu náboja na sériove zapojených kondenzátoroch:

Na úpravu unipolárnych impulzov so scintilačných detektorov (ktoré majú krátke trvanie čela impulzu) na bipolárne sa používajú s výhodou oneskorovacie vedenia (F):

Skompenzovanie podkmitu impulzu, ktorý sa vytvorí po dvojnásobnom CR tvarovaní (prvé CR skrátenie trvania impulzu v predzosilňovači a potom ďalšie tvarovanie pomocou CR derivačného článku v prvých stupňoch lineárneho zosilňovača) možno niekedy zmenšiť s použitím upraveného derivačného článku:

Pomocou špeciálnych ochranných obvodov možno zabrániť, aby sa analyzovali nasuperponované amplitúdy impulzov.

Potlačenie nasuperponovaných impulzov (F).


d)	Spracovanie analógových impulzov

Ďalšie spracovanie lineárnych signálov (napr. z výstupu hlavného zosilňovača) závisí predovšetkým od typu experimentálneho merania:

Najjednoduchší a najrýchlejší spôsob prevodu amplitúdy impulzu na číselný kód je tzv. paralelný A/D prevod, založený na použití n - komparátorov (napr. pri 8 bitovom prevodníku 2ⁿ=256 kanálov). Vstupy komparátorov (s veľkou operačnou rýchlosťou), na ktoré sa privádza krátky meraný impulz sú porovnávané s etalónovým napätím, ktoré je vytvorené pomocou presného deliča (problém stability prahového napätia pri viac ako 8-10 bitovom prevodníku).


		Digitalizácia amplitúdy impulzu paralelným spôsobom (F).

Pre rozlišovaciu schopnosť vyššiu ako 8 bitov treba použiť iné metódy A/D prevodu. V jadrovo-fyzikálnych meraniach sú najviac používané metódy:


		Wilkinsonova metóda s lineárne narastajúcim kompenzačným napätím (F).
		Metóda postupnej aproximácie amplitúdy (F).

Presnosť A/D prevodu závisí od počtu kanálov prevodníka a od linearity a stability prevodu:

Rýchlosť prevodu závisí od rýchlosti generovania referenčného napätia D/A prevodníkom, od frekvencie generátora (100-250MHz), od počtu kanálov (napr. 12bit s 8192 kanálmi):


		Prevodník D/A (F).
		Trvanie prevodu D/A (F).


e)	Tvarovanie a spracovanie časových signálov

Pri zhromažďovaní a analýze amplitúdových spektier jednou z hlavných úloh jadrovo - fyzikálneho experimetu je meranie časových intervalov, určovanie vzájomnej časovej súvislosti medzi meranými udalostiami a výber amplitúd impulzného signálu pre analýzu pri splnení zadaných časových podmienok. Podmienky na dosiahnutie vysokého amplitúdového rozlíšenia a na zabezpečenie dostatočnej presnosti merania času nie je možne realizovať pri rovnakom spôsobe zosilňovania a tvarovania impulzov. Preto sa tvarovanie impulzov pre získanie časovej informácie vykonáva v oddelenej časti aparatúry:


	Spracovanie impulzov s časovou informáciou (F).

Časová informácia o okamihu výskytu častice alebo kvanta v detektore je zakódovaná v tvare čela impulzu (trvanie čela od niekoľko ns do niekoľko desiatok ns). Aby nedochádzalo k skresleniu tvaru impulzu treba použiť zosilňovače s veľkou šírkou frekvenčného pásma (od 100 do 300 MHz), teda s vlastným trvaním čela impulzu 3 - 1 ns. Pre mnohé použitia, napr. v prípade fotonásobičov nie je potrebné veľké zosilnenie signálov a tiež požiadavky na linearitu a stabilitu sú podstatne nižšie ako pri spektrometrických zosilňovačoch.

Na výber amplitúd impulzov vyšších ako určitá prahová amplitúda so súčastným prevodom analógového signálu na logický impulzný signál sa používajú diskriminátory alebo tvarovače s pevným diskriminačným prahom. V diskriminátoroch a tvarovačoch hlavným kritériom nie je presnosť a stabilnosť diskriminačného prahu ale presnosť previazania okamihu výskytu výstupného impulzu s amplitúdou a trvaním čela analógového signálu (amplitúdový šum a závislosť okamihu generovania výstupného signálu od amplitúdy a trvania čela):


		Požiadavky na tvar a spôsob generovania "rýchleho" signálu (F).

Rozptyl okamihu generovania referenčného impulzu, ktorý závisí od amplitúdy vstupných impulzov možno zmenšiť:


q	ak sa použije amplitúda impulzov omnoho vyššia ako prahová úroveň (F);
q	pri stálom trvaní čela impulzov (napr. pre NaI) možno pomocou dvojnásobného CR derivovania získať referenčný impulz okamih výskytu, ktorého nezávisí od vstupnej amplitúdy (F);
q	použitím CF diskriminátora, ktorý nepoužíva stály prah ale prah úmerný časti vstupnej amplitúdy (pri prahu od 1:100 do 1:200 možno dosiahnuť časové rozlíšenie 50-100ps). Po zložení impulzov sa získa bipolárny impulz, ktorého zmena polarity presne zodpovedá okamihu dosiahnutia zadaného prahu vstupnej amplitúdy. Na zaregistrovanie okamihu zmeny polarity tohto signálu sa používa nulový diskriminátor (F).
q	ARC metódou, používajúcou špeciálny CF diskriminátor s kompenzáciou vplyvu amplitúdy a trvania čela impulzu, ktorý treba použiť pri polovodičových detektoroch väčšieho objemu. (F).


f)	Koincidenčné obvody


	Meranie časového vzťahu medzi udalosťami (F).


	Meranie časových intervalov (F).


3)	Štandardizovaná aparatúra pre experiment



	Štandard NIM (F)
	Štandard CAMAC (F)
	Zbernica IMS-2 (IEEE 488 F)