Jadrová elektronika

Obr. m-6a. Použitie predzosilňovača na spoločné zosilnenie signálu jednak pre časovú analýzu ("rýchly" výstup - output1) ako aj pre meranie energie ("pomalý" výstup -output2).

Obr. m-6b  Rozdielne tvary impulzov na výstupoch predzosilňovača:  output1 - pre časovú analýzu (B, D), output2 - pre spektrometriu (A, C)

Amplitúda impulzu z detektora je väčšinou úmerná energii prelietavajúcej 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 detektoroch od stoviek nanosekúnd do niekoľko mikrosekúnd).
 

Obr. m-7  Nábojový zosilňovač (integrátor) a jeho náhradný obvod z hľadiska  funkcie integrátora. (Odpor RF má len pomocnú funkciu pri stabilizácii jednosmerného zosilnenia a pri vybíjaní kondenzátora CF).

Nábojovocitlivý(alebo aj kratšie nábojový) predzosilňovač musí integrovať vstupný náboj (F) a konvertovať ho (zosilniť 5 – 10 krát) na výstupný impulz s amplitúdou U_o, ktorá je úmerná energii. Ako integrátor sa používa najčastejšie operačný zosilňovač s kapacitnou spätnou väzbou. ( obr. m-7), ktorý sa volá aj nábojový zosilňovač. Na výstupe nábojového predzosilňovača  je amplitúda U_o~Q_S/C_F už nezávislá od kapacity detektora C_d (za predpokladu, že celkový náboj Q_S na vstupe sa delí na náboje Q_d= C_dU₁ a Q_F=C_F(U₁-U₂) na príslušných kapacitách C_d a C_F a pri vysokom zosilnení A):
Obrázok n-3 ilustruje tvar jedného impulzu na výstupe nábojového zosilňovača (s krátkym trvaním čela, ktoré zodpovedá trvaniu zberu nosičov náboja v detektore a dlhým trvaním tyla impulzu, ktoré má priebeh u_out(t)=U_out.exp(-t/(R_FC_F)), závislý od integrátora. Obrázok n-4 ukazuje, v inej mierke na časovej osi, ako vyzerá postupnosť niekoľkých impulzov na výstupe nábojového predzosilňovača pri nie príliš vysokej početnosti impulzov. Pri vysokých početnostiach by preto mohlo (počas trvania tyla impulzu) dochádzať k superpozícii tyl impulzov a tak ku nelineárnemu skresleniu amplitúdy meraných impulzov (čo v inej mierke času ilustruje obr. n5-1). Súčasťou predzosilňovača býva preto aj ďalší derivačný obvod (na obrázku m-8b v tvare kompenzovaného derivačného obvodu F)na dodatočné skrátenie impulzov tak ako ilustruje obrázok n5.
 

	Obr. n3  Tvar impulzu na výstupe nábojového zosilňovača.
1 – trvanie čela (trvanie zberu náboja) °~ 0,1–100ns 2 – amplitúda, napr. 10-50mV-MeV CF a  RF – sú zapojené v obvode spätnej väzby a časová konštanta RFC~50-500us určuje trvanie tyla impulzu

Obr. n-4 Tvar výstupných impulzov z výstupu nábojového zosilňovača pri normálnej záťaži (početnosti). Impulz z obr. n-3 (v inej mierke na časovej osi) je jeden z týchto zobrazených impulzov.

Aby bolo možné bez odrazov transportovať impulzy z predzosilňovača k hlavnému zosilňovaču pomocou dlhšieho kábla treba prispôsobiť výstup predzosilňovača vlnovému odporu kábla. Na obrázku m-8a je preto na výstupe predzosilňovača na hrubé prispôsobenie odporov zaradený sledovač. Pretože výstupný odpor sledovača je okolo 1-10W je potrebné na dokonalé prispôsobenie k vlnovému odporu kábla (50 - 100 W) dodať ešte sériovo zapojený rezistor na výstup. V zapojení predzosilňovača na obr.m-8a je to odpor 93W.

Pre použitie predzosilňovača v spolupráci s koincidenčnými obvodmi je určený oddelený tzv. časový výstup (timing output na obr.m-8a), nakoľko zintegrovaný tvar impulzov z pôvodného tzv. energetického výstupu predzosilňovača nemožno použiť na vytvorenie referenčných impulzov pre časovú analýzu.

Kvôli kontrole činnosti alebo na hrubú energetickú kalibráciu možno použiť špeciálny testovací vstupna obr. m-8b. Ako testovací impulz sa používa skokový impulz s veľmi krátkym trvaním čela impulzu (a veľmi dlhým trvaním tyla). Testovací impulz vstupuje cez malú väzobnú kapacitu (C_T=1pF – ktorá sa rýchlo nabije a vybije) tak, aby sa vytvoril náboj Q= C_T U (napríklad 1pC/V). Pre presnú kalibráciu sa dokonca používa vonkajší kalibračný kondenzátor. 

Obr. m-8a Schematické zapojenie nábojového predzosilňovača (integračné vlastnosti zabezpečuje článok CFRF v obvode spätnej väzby) s "rýchlym" a "pomalým" výstupom. HV vstup slúži na pripojenie VN, pracovný odpor detektora  RL=1GW je súčasťou predzosilňovača. Detektor sa pripája pomocou zvláštneho konektora. Odpor 93W v spektrometrickom kanále slúži na prispôsobenie k vlnovému odporu kábla Z=100W. Prispôsobenie pre "rýchly" kanál je zrejme "schované" v oddeľovacom zosilňovači.

Obr. m-8b Modifikácia  zapojenia predzosilňovača s obrázku m-8a , ktoré namiesto väzobného kondenzátora používa kompenzovaný derivačný článok  (P/Z).  Oddeľovací zosilňovací stupeň (buffer) má dvojstupňové prepínateľné zosilnenie. Testovací vstup (TEST) slúži pre kalibračné účely.

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