Jadrová elektronika

Detektory sú z elektronického pohľadu meniče energie jadrového žiarenia (nabitých alebo neutrálnych častíc, fotónov) na elektrický náboj Q. Táto konverzia energie na jej úmerný náboj sa uskutočňuje buď tým, že nabitá častica ionizuje plyn alebo materiál polovodičového detektora alebo vďaka indukovanej emisii svetla alebo fotoefektu v scintilačných detektoroch. Neutrálne častice, také ako neutróny, sa môžu detegovať pomocou procesov, v ktorých sa tvoria nabité častice.(interakciou s ľahkými atómmi alebo jadrovými reakciami.) Registrácia fotónov sa uskutočňuje prostredníctvom fotoefektu, Comptónovho efektu a tvorby pár. Rozličné typy detektorov sa odlišujú podľa energie, ktorá je potrebná na vytvorenie páru elektrón - ión alebo elektrón - diera:

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

Obr. m-1. Zber náboja z detektora a prvý stupeň tvarovania impulzu - integrácia na vstupnej kapacite (CDET+Ci) detektora. Trvanie tC prúdového impulzu iS(t) závisí predovšetkým od trvania zberu nosičov náboja (Na obrázku predpokladáme, že pohyblivosť kladných a záporných nosičov náboja je rovnaká, čo v prípade- ionizačnej komory nie je pravda). Za predpokladu, že vstupná časová konštanta Ri(CDET+Ci)>>tC je omnoho väčšia ako doba zberu náboja tC závisí maximálna amplitúda napäťového impulzu US=Qs/(CDET+Ci) na vstupnej kapacite.

Obr. m-2a.  Detektor (s uzemnenou katódou a pracovným odporom RL pripojeným na +Vn, vyžaduje použiť kvalitný oddeľovací kondenzátor CV na spojenie s predzosilňovačom) a zosilňovač (rozdelený na časť predzosilňovača a časť hlavného zosilňovača) ako súčasť jadrovo - fyzikálneho zariadenia.

Nehľadiac na princíp  činnosti je možné pokladať detektory za zdroje náhodne sa vyskytujúcich elektrických impulzných signálov s pomerne malou amplitúdou a krátkym trvaním. Tieto signály treba zosilňovať ( s ohľadom na informáciu, ktorá nás zaujíma, často oddelene (v rôznych kanáloch), s dôvodu nedokonalosti zosilňovačov, napr. obr. m-2b ) a tvarovať (napr. na zvonovitý tvar s ohľadom na optimálny pomer signál/šum, alebo na bipolárny tvar s ohľadom na vysoké početnosti impulzov, napr. obr.m-2a) predtým než je ich možné vyhodnotiť. 
 

Obr. m-2b. Príklad experimentálneho zariadenia, pozostávajúce s časového (rýchleho - fast) a spektrometrického (pomalého - slow) kanála. Experimentálne zariadenie z oblasti fyziky vysokých energii často pozostáva z podsystémov, ktoré obsahujú podobné elementy.

Prednosťou polovodičového detektora okrem vysokej citlivosti je j vysoká energetická rozlišovacia schopnosť a je preto najpoužívanejším detektorom v oblasti fyziky nízkych energii.

Hrúbka citlivej oblasti detektora musí byť dostatočne veľká na to aby sa častica daného typu a energie úplne zabrzdila v tejto oblasti (E- detektor).V niektorých prípadoch (dE/dx – detektory), napríklad pre identifikáciu častíc, môže postačiť malá hrúbka detektora na odovzdanie len malej časti energie, bez jej zabrzdenia vo vnútri detektora.

Trvanie nárastu signálu (trvanie čela impulzu) závisí predovšetkým od trvania zberu nosičov náboja. U malo rozmerných polovodičových detektorov trvá zber elektrónov a dier niekoľko nanosekúnd. U veľkorozmerných detektorov býva až desiatky nanosekúnd.

V plynových detektoroch (ionizačných komorách a proporcionálnych detektoroch) nemajú nosiče náboja rovnakú pohyblivosť – ióny sú 1000 krát menej pohyblivejšie ako elektróny. Doba zberu elektrónov, ktoré sa používajú na spektrometru v ionizačnej komore s mriežkou, je okolo 1us. (F tvar impulzu z ionizačnej komory na obr. m - 4a).

V proporcionálnych detektoroch sa využíva pomalšia iónová zložka náboja. V dôsledku existencie plynového zosilnenia (M~1000-100000) majú impulzy veľkú amplitúdu, takže ich možno pomocou derivačného obvodu skrátiť (a tým aj zmenšiť ich amplitúdu – čo vďaka plynovému zosilneniu M neznamená prílišnú redukciu) takže proporcionálny detektor môže byť rovnako rýchly ako ionizačná komora s mriežkou (pomalá iónová zložka sa ďalej už nezosilňuje a impulz bude mať tvar podobný ako na obr. 4a/b).

V Geigerovom – Műllerovom detektore má impulz na výstupe detektora stálu amplitúdu, pretože neexistuje závislosť energie od náboja, takže impulz sa len impedančne prispôsobuje pre počítadlo impulzov a preto môže slúžiť len pre indikáciu v lacnejších dozimetrických prístrojoch.

Fotonásobiče reprezentujú vákuové prístroje na registráciu fotónov (napr. pre použitie v Čerenkovových detektoroch). Najpodstatnejšou časťou fotonásobiča je fotoelement v tvare fotokatódy, v ktorom prostredníctvom vonkajšieho fotoefektu kvantá vyrážajú elektróny (fotoelektróny). Tieto elektróny sa nezbierajú priamo ale usmerňujú sa urýchľujúcim poľom na systém vhodne za sebou usporiadaných elektród (dynód), kde po dopade vyrážajú sekundárne elektróny. Takto dochádza k násobeniu náboja. Zosilnený prúd (nábojový impulz) sa zbiera z anódy (F obr. n1). 

V scintilačnom detektore sa umiestňuje na fotokatódu scintilátor, ktorý konvertuje stratu energie častice alebo gama – kvantu na jej úmerný svetelný záblesk. Tento svetelný záblesk potom dopadá na fotokatódu. Tvar svetelného impulzu (predovšetkým trvanie tyla) závisí od objemu a materiálu scintilátora. Pre spektrometru gama sa obyčajne používajú kryštály NaI(Ta) aktivované táliom, pre rýchle časové merania sa používajú scintilátory z plastickej látky (plexiskla).

Obr. n1a. Princíp činnosti fotonásobiča v scintilačnom detektore. Katóda a dynódy sú pripojené k deliču napätia. V danom prípade je na katóde –Uvn a druhý koniec deliča je uzemnený, takže signál na zosilňovač by mohol byť pripojený priamo s jednosmernou väzbou, bez oddeľovacieho kondenzátora. (DW je časti energie odovzdaná časticou v scintilátore).
	Obr. n1b. Typický tvar impulzu (a) svetelného záblesku IS(t)=Iexp(-t/TS) scintilátora NAI(Tl) (TS je dosvit scintilátora). Maximálna amplitúda na výstupe fotonásobiča Amax=Umax=Q/Cd Tvar napäťového impulzu (b), resp. pokles jeho amplitúdy na A0 v prípade, že odpor RL<>inf.

Obr. n1c Tvar prúdového impulzu z výstupu scintilačného detektora. Čelo impulzu je závislé od procesu zberu a urýchlenia elektrónov vo fotonásobiči. Trvanie tyla určuje tvar svetelného záblesku (F obr. n1b).

Obr. n1d Porovnanie spracovania (integrácie  Fvzťah (x)) impulzu z fotonásobiča pomocou: napäťového zosilňovača; prúdového zosilňovača.

Zvláštnou kategóriou násobičov na báze sekundárnej emisie sú kanálové násobiče, v ktorých sa využívajú kanáliky (tenké trubky) zo špeciálnym vnútorným povrchom. Tento povrch vykonáva súčasne úlohu kvázi spojitej dynódy a deliča napätia. Takéto kanálové násobiče možno maticovo usporiadať do tzv. mikrokanálových platničiek, ktoré môžu byť použité na dvojrozmerné zosilnenie nábojov (koordinátový detektor).

Vyššie uvedené detektory ionizujúceho žiarenia majú nehľadiac na rôzne princípy funkcie analogický spôsob zapojenia, podobný zapojeniu ionizačnej komory na obr. m-3a. Detektory potrebujú zdroj Vn na zabezpečenie pohybu nosičov náboja a vhodne zapojený pracovný alebo zaťažovací odpor R_L. Odpor R_L môže byť pripojený buď tak ako  na obr. m-2a (pre spojenie so zosilňovačom potom treba použiť oddeľovací kondenzátor), alebo tak ako na obr. m-3a a obr. n1a s jednosmernou väzbou na zosilňovač. Vnútorný odpor detektora R_d je väčšinou ďaleko väčší ako pracovný odpor R_L. Prakticky všetky spektrometrické detektory sú teda prúdové zdrojes vnútorným odporom R_d>>R_L. Amplitúda prúdu, ktorý preteká cez zaťažovací odpor R_L detektora preto prakticky nezávisí od odporu záťaže a z hľadiska dosiahnutia maximálnej amplitúdy napätia na zaťažovacom odpore by malo zmysel si zvoliť čo najvyšší odpor R_L. Tomuto režimu (R_L~inf.)  zodpovedá určenie maximálnej amplitúdy napäťového impulzu 

Umax=Q/(Cd+Cin+CL)~Q/(Cd)  na obrázku m-1,  kde sa kapacita Cd+Cin+CL~Cd

je reprezentovaná kapacitou detektora C_d , kapacitou vstupu zosilňovača C_in a kapacitou montážeC_L. Z hľadiska získania čo najväčšej amplitúdy by malo byť snahou minimalizovať kapacitu C_d. Pri vysokom odpore R_L sa však pomaly vybíja kondenzátor C_d+C_in+C_L~C_d a detektor môže byť použitý len na meranie amplitúdy riedko sa vyskytujúcich impulzov. Pri použití menšieho odporu R_L sa činnosť detektora môže zrýchliť ale dôjde k zmenšeniu amplitúdy impulzu. 

Obr. m-3a Postup pri tvorbe náhradného obvodu detektora (-ionizačnej komory). Za predpokladu, že RL||Rd~RL a Cd+Cin+CL~Cd možno detektor nahradiť obvodom v tvare zdroja prúdu (d) alebo zdroja napätia (e).

V prípade reálneho zapojenia detektora s odporom R_L<>inf.možno s použitím náhradného obvodu detektora (Fobr.m-3d) zistiť ako vplýva odpor R_L na tvar impulzu, resp. na zmenšenie amplitúdy impulzu z detektora. Pre jednoduchosť predpokladajme, že prúdový impulz má obdĺžnikový tvar  podľa obrázku m-3b (príklad F)  .(Pri doskovom usporiadaní elektród plynového detektora môže mať prúdový impulz obdĺžnikový tvar. Trvanie t_i závisí od trvania zberu nosičov náboja.)

Obr. m-3b  Tvar prúdového impulzu id(t) o trvaní ti  Prechodový jav počas prúdového skoku s amplitúdou Id.- amplitúda napätia uin(t)=id(t)RL by sa ustálila na Uin_m ako v prípade s nekonečne veľkým RL. Tvar impulzu napätia na výstupe detektora v prípade trvania impulzu ti: v intervale 0<t<ti počas trvania impulzu je uin(t)=IdRL[1-exp(-t/tin)]= (tinUin_m/ti)[1-exp(-t/tin)]; po skončení impulzu keď t>ti je uin(t)=[IdRL[(1-exp(-t/tin)-(1-exp(-(t-ti)/tin)]= (tinUin_m/ti)[(1-exp(-(t-ti)/tin)-exp(-t/tin)];

Obr. m-3c Na základe bodu (c) z obr. m-3b   skonštruovaná závislosť amplitúdy uin(t) na výstupe detektora (v relatívnych jednotkách) v závislosti od  trvania impulzu ti (ako parameter časová konštanta tin=RLCd). Uzáver: Pri tin/ti~100 je amplitúda prakticky 100% Uin_m~Q/(Cd)

Na základe zobrazenia výslednej závislosti amplitúdy u_in(t) na výstupe detektora (na obr. m-3c) v závislosti od  trvania impulzu t_i vidno, že:

•  na dosiahnutie amplitúdy U_{in_m} priebehu u_in(t)= (ako pri R_L~inf) treba splniť podmienku (t_in>>t_i) čo najväčšieho pomeru t_in/t_i. Pri t_in/t_i~100 je amplitúda prakticky 100% U_{in_m}~Q/(C_d).  So zmenšovaním tohto pomeru sa zmenšuje amplitúda a trvanie impulzu.
• ak je potrebné získať minimálne trvanie napäťového impulzu u_in(t) tvarovo blízke vstupnému prúdovému impulzu (bez ohľadu na malú amplitúdu ~I_dR_L) tak treba použiť voľbu t_in<<t_i.
• pre potreby spektrometriesi možno zvoliť t_in~t_i, poprípade s prihliadnutím na želaný typ nosičov náboja pre:

•  impulznú ionizačnú komoru, v ktorej je trvanie T_i zberu kladných iónov približne 1000 krát dlhšie ako trvanie zberu elektrónov T_e použiť voľbu t_in=10T_i (F obr. a) v  m-4a).
• impulznú ionizačnú komoru s mriežkou na zrýchlenie jej operačnej rýchlosti vzdať sa iónovej zložky náboja a pracovný odpor voliť s ohľadom na podmienku t_in=10T_e pre zber elektrónovej zložky náboja (F obr. b) v m-4a).
• polovodičovom detektore trvá zber náboja (elektrónov a dier) od niekoľko nanosekúnd (pri malo rozmerných detektoroch) po mnoho desiatok nanosekúnd  (pri rozmernejších detektoroch). Z dôvodov jednoduchšieho zosilňovania dlhších impulzov sa často volí časová konštanta t_in~1us.Z dôvodu udržania stálej kapacity detektora sa používajú nábojové predzosilňovače.
• proporcionálnom detektore sa prihliada na podmienky experimentu. V dôsledku plynového zosilnenia je amplitúda impulzu  100 - 10000 krát väčšia ako v ionizačnej komore. (Pri celkovom zbere náboja by tvar impulzu  bol podobný tvaru a) na obr. m-4a.) Pri vysoko rýchlostných proporcionálnych detektoroch sa v ďalšom spracovaní signálu (pomocou derivačného článku na vstupe zosilňovača) sa potlačuje iónová zložka náboja. Pre elektrónovú zložku náboja možno použiť voľbu t_in=10T_e~1-5us (Tvar impulzu potom bude podobný b) na obrázku m-4a avšak s podstatne väčšou amplitúdou). 
• v detektoroch s fotonásobičom (scintilačných a čerenkovských) tvar prúdového impulzu väčšinou kopíruje tvar svetelného záblesku. V dôsledku veľkého zosilnenia fotonásobiča z jeho pracovného odporu možno odoberať napäťový signál tvarovo a trvaním blízky  prúdovému impulzu (F obrázok b) na obr. n1b). Pre tento prípad by mala byť časová konštanta t_in<<T_S  omnoho kratšia ako trvanie svetelného záblesku T_S . (Napríklad pri kapacite C_d~5pF by mohla byť záťaž R_L~50 - 1000W). V prípade, že nie je prvoradá otázka vysokého časového rozlíšenia a je snaha získať čo najvyššiu amplitúdu signálu možno použiť vysoký odpor R_L(podľa obr. m5a  rádovo R_L~1MW), určený z podmienky t_in=R_LC_d=10T_S. Kvôli úplnosti len dodávam, že ako kompromisné riešenie, napr. použiteľné pre spektrometriu, je podľa obr. m-3c a obr. m-4b voľba t_in°~T_S.

Obr. m-4a. Tvar signálu uin(t) na výstupe impulznej ionizačnej komory pri zbere a) celkového náboja; b)elektrónovej zložky náboja.

Ilustráciu vplyvu zaťažovacieho odporu R_L<>inf  na  amplitúdu impulzu na výstupe detektora pri inom tvare prúdového impulzu ako obdĺžnikovom  vykonajme pre scintilačný detektor na obrázku n1. S použitím náhradného obvodu na obrázku 3a/d možno zapísať východziu podmienku pre rozdelenie prúdov  zo svetelného záblesku (podľa Kirchhoffovho zákona v Laplacceovom tvare - príklad F):
Po nájdení riešenia a "odlaplacceovaní" možno získať časový priebeh impulzu U_in(t) na výstupe detektora, okamih t_max, v ktorom dosiahne impulz maximálnu hodnotu A₀ v prípade , že odpor R_L<>inf : 
Z grafickej interpretácie získaných výsledkov na obr. m-4b plynie, že  pokiaľ nechceme podstatne strácať na amplitúde nemá zmysel voliť časovú konštantu t_in kratšiu ako 10T_S. Teda napríklad pre aplikáciu so scintilátorom NaI(Tl), ktorý má trvanie záblesku T_S=0,3us a detektor má napr. kapacitu C_d~5pF možno splniť podmienku : t_in=R_LC_d>=10T_S=3us voľbou pracovného odporu  R_L>0,5MW. 

Obr. m-4b. Ilustrácia zmeny amplitúdy impulzu od pomeru TS/tin  (teda vlastne od pracovného odporu RL, nakoľko trvanie záblesku TS je stále a vo výraze pre časovú konštantu tin=RLCd  je kapacita detektora Cd  (určená konštrukciou detektora)  tiež konštantná)

Signál z detektora ionizujúceho žiarenia  má obecne tvar krátkych prúdových impulzov (o trvaní od 100ps do 10us, v závislosti od rozmerov a typu detektora, napríklad pre scintilačný detektor v tvare na  obr. n-1c). Celkový náboj Q_S, obsiahnutý v prúdovom impulze i_S, je úmerný energii E, odovzdanej časticou alebo kvantom citlivému objemu detektora:

(x)

Obr. m-5. Možnosti integrácie prúdového impulzu: na vstupe RLCin predzosilňovača a  vytvorený napäťový impulz sa potom ďalej zosilňuje napäťovým zosilňovačom  po zosilnení impulzu prúdovým zosilňovačom dochádza na výstupe prúdového zosilňovača k integráci pomocou RC člena. (F obr. n - 2 objasňuje rozdiel medzi napäťovým a prúdovým zosilňovačom.)

 Na získanie potrebnej informácie o energii treba preto vykonať integráciu prúdového signálu i_S (t) (Fpríklad):

1. Jednou z možností je použiť vysoký odpor pracovného rezistora detektora R_L tak, aby časová konštanta R_L(C_det+C_in)>>t_c bola veľka voči dobe zberu t_c náboja v detektore. Pri voľbe dostatočne veľkej časovej konštanty R_L(C_det+C_in) (R_L~inf , nakoľko kapacita (C_det+C_in) je daná konštrukciou detektora a prevedením vstupu zosilňovača)  možno získať maximálne amplitúdu U_S=Q_S /(C_det+C_in)(F obr. m-1). Obrázky m-3c a m-4b ilustrujú ako sa zmenší amplitúda impulzu z detektora v prípade, že odpor R_L<inf . Tento spôsob, s použitím veľkého odporu R_L, vyžaduje pre zosilnenie použiť napäťový zosilňovač (Fobr. m-5a) s vysokým vstupným odporom R_in >> R_L tak, aby amplitúda napätia na vstupe zosilňovača U_in=U₀R_i/(R_in+R_L) ~ U₀ bola približne rovnaká ako pôvodná amplitúda napätia U₀=I_SR_L.Prúdový impulz i_S (t) sa teda integruje priamo na výstupe detektora pomocou člena RC a získaný napäťový signál sa potom zosilňuje. (F  obr. n1b,F  obr.n1d)
2. Inou možnosťou je najprv použiť prúdový zosilňovač (ilustruje obrázok m-5b a  obrázok m-1d) s nízkym vstupným odporom a potrebnú integráciu vykonať až na výstupe tohto zosilňovača po predbežnom prúdovom zosilnení. Pri tomto spôsobe je vstupný odpor prúdového zosilňovača malý, takže časová konštanta vstupu, ktorá je spojená s parazitnými kapacitami a kapacitou detektora je menšia alebo maximálne rovnaká ako trvanie zberu náboja (trvanie záblesku scintilátora), preto tvar prúdového impulzu z detektora len málo ovplyvňuje. Impulzy majú teda krátke trvania, najčastejšie niekoľko desiatok nanosekúnd, v závislosti od druhu použitého detektora a môžu sa vyskytovať aj s veľkou početnosťou. S takýmito krátkymi impulzmi možno uskutočniť rôzne operácie časovej selekcie (oddelenie nežiadúcich udalostí pomocou koincidenčných a antikoincidenčných obvodov) a až po výbere vhodných udalostí ich transformovať na dlhšie napäťové impulzy. Pri krátkom tvare impulzov sa potom menej môže prejaviť superpozícia amplitúdy impulzov a následne skreslenie amplitúdovej informácie.
3. V polovodičových detektoroch je kapacita detektora C_d~S/(U_d)^0,5závislá od napájacieho napätia U_d detektora (S je plocha detektora). Úpravou spätnej väzby zosilňovača (pomocou spätnoväzobnej kapacity C_F na obrázku m-7) možno eliminovať závislosť nábojového zosilnenia A_Q=U_o/Q_i~1/C_F od kapacity detektora C_d. Takýto zosilňovač - integrátor sa nazýva aj nábojový zosilňovač a predstavuje tretiu možnosť pre spracovanie signálu (odmeranie energie) zo spektrometrických detektorov.

Obr. n2  Schematické zobrazenie vplyvu spätnej typu väzby na vstupný Rin a výstupný odpor Rout u 4 základných typov zosilňovačov: Napäťový zosilňovač Prúdový zosilňovač Prevodník napätia na prúd Prevodník prúdu na napätie

Obsah prednášky z jadrovej elektroniky:

F	Detektor
F	Predzosilňovač
F	Šum na výstupe zosilňovača
F	Hlavný alebo lineárny zosilňovač
F	Analýza amplitúdy impulzov:
F	Časová analýza impulzov:
F	Štandardizovaná aparatúra pre jadrovo - fyzikálny experiment

  

Pokračovanie