Súprava na meranie ionizujúceho žiarenia Roboton RFT 20046 je uspôsobená pre použitie s rôznymi detektormi a teda môže byť použitá aj ako 200 kanálový scintilačný spektrometer gama, podľa zapojenia na obrázku e-1.
 

Obr.e-1. Scintilačný spektrometer. Žiarič. Detektor - ktorého súčasťou je scintilátor a fotonásobič. Scintilátor, pre registráciu žiarenie gama najčastejšie NaI(Tl). Fotonásobič. (Signál sa často odoberá s poslednej dynody, lebo anóda sa používa pre rýchly výstup na časovú synchronizáciu). Zdroj vysokého napätia pre fotonásobič. Predzosilňovač. (Pri scintilačnom detektore máva zosilenie @ 1 a slúži len na prispôsobenie prenosu impulzov k aparatúre cez spojovací kábel). Zosilňovač, ktorého úlohou je zosilniť a upraviť tvar impulzov (pomocou integračných a derivačných tvarovaní) tak, aby príspevok šumu bol minimálny. Diskriminátor s počítadlom impulzov vo funkcii analyzátora (v podmienkach praktika jednokanálový analyzátor s automatickým posuvom diskriminačnej hladiny) slúžiaci na odmeranie amplitúdy registrovaného impulzu

Gama žiarenie dopadajúce na scintilačný detektor sa premení v scintilátore najprv na svetelný záblesk a tento po dopade na fotokatódu a zosilnení fotonásobičom má na výstupe podobu elektrického impulzu. (Celková účinnosť konverzie gama kvant na elektrický impulz závisí od niekoľkých parciálnych účiností: konverznej účinnosti scintilátora, účinnosť zberu svetla zo scintilátora na fotokatódu, kvantovej účinnosti fotokatódy a procesu zosilnenia fotonásobiča. Mierou energie, odovzdanej ionizujúcou časticou alebo gama kvantom v detektore, je. veľkosť náboja, ktorý sa zozbiera na výstupe detektora. Až v obvodoch nasledujúcich za detektorom dochádza k transformácii náboja na prúdový alebo napäťový impulz, ktorého amplitúda je úmerná náboju a tým aj energii, ktorú častica stratila v citlivom priestore detektora.)

Impulz na výstupe scintilačného detektora, amplitúda ktorého je úmerná energii odovzdanej časticou alebo kvantom gama v citlivom objeme detektora (v tomto prípade scintilátora) má malú amplitúdu pre priame spracovanie na analyzátore a preto ho treba zosilniť. na amplitúdu, ktorá je vhodná pre analyzátor (resp. jeho prevodník amplitúda - kód => ADC). Rozsah vhodných amplitúd pre vstup do jednokanálového analyzátora na báze súpravy RFT 20046 je 0 až 5 V. (Napríklad pre polovodičový detektor bude treba zvoliť väčšie zosilnenie ako pre scintilačný detektor, nakoľko množstvo náboja vytvorené interakciou ionizujúcej častice s aktívnym objemom detektora, ktoré určuje amplitúdu výstupného impulzu z detektora je menšie v prípade polovodičového detektora ako pri scintilačnom detektore. Nakoľko amplitúda impulzného signálu z niektorých detektorov ionizujúceho žiarenia (polovodičový detektor, ionizačná komora) nie je dostatočná pre kvalitnú amplitúdovú analýzu, zosilňuje sa signál z detektora najprv v predzosilňovači (ktorý sa umiestňuje v bezprostrednej blízkosti detektora) a potom v spektrometrickom zosilňovači (môže byť aj v určitej vzdialenosti od detektora). Z dôvodu univerzálneho použitia súpravy pre rôzne detektory ako aj z dôvodu, že amplitúda impulzu na vstupe detektora tiež závisí od veľkosti pracovného napätia detektora vyplýva požiadavka na regulovateľné zosilnenie súpravy.)

V závislosti od vnútorného odporu detektora R_i a vstupného odporu zosilňovača (prípadne predzosilňovača) R_v sa zosilňovače (predzosilňovače) delia na prúdové (R_i< R_v) alebo napäťové (R_i>  R_v).

Na zosilnenie impulzov z polovodičového detektora sa používa modifikácia napäťového zosilňoavča tzv. nábojovo citlivý predzosilňovač, ktorý má tú vlastnosť, že amplitúda ním zosilnených impulzov je len málo závislá od kapacity, pripojenej k jeho vstupu, t.j. od vlastnej kapacity detektora. Veľkosť tejto kapacity je totiž v prípade polovodičového detektora závislá od pracovného napätia na detektore (pozri úlohu č.5).

V prípade iných detektorov jadrového žiarenia, ako napr. proporcionálny alebo scintilačný počítač, sa prúdový impulz zosilňuje priamo v detektore a amplitúda signálu na výstupe detektora je pomerne veľká. Používa sa len zosilňovač a o veľkosti potrebného zosilnenia rozhodujú parametre dostupnej aparatúry, menovite vstupná citlivosť analyzátora alebo diskriminátora, ako aj veľkosť amplitúdy signálu z detektora.

Na obrázku e-2 je zobrazený impulz z generátora, ktorý svojim tvarom simuluje tvar impulzu na výstupe scintilačného detektora so scintilátorom Na(Tl). Svetelný záblesk scintilátora NaI(Tl) má veľmi krátke trvanie čela impulzu (~ ns) a trvanie impulzu, ktoré je určené priebehom svetelného impulzu so scintilátora s charakteristickým exponenciálnym priebehom s časovou konštantou okolo 0,5 ms.
 

Obr. e-2. Tvar impulzu z generátora, ktorý modeluje impulz scintilačného záblesku. Scintilačný záblesk je charakteristický rýchlym trvaním čela impulzu a exponenciálnym priebehom tyla. Časová konštanta spádu tyla impulzu závisí od typu scintilátora a pre scintilátor NaI(Tl) je okolo 0,5ms.

V zosilňovači sa tvar signálu z detektora upravuje na optimálny pre spracovanie v analyzátore alebo diskriminátore s ohľadom na optimálny pomer signál/šum. Dosahuje sa to úpravou tvaru impulzov pomocou zapojenia vhodných integračných a derivačných obvodov, najčastejšie až po predzosilnení v hlavnom (spektrometrickom) zosilňovači (príslušné prepínače na zmenu integračnej a derivačnej konštanty sa nachádzajú na paneli zosilňovača, resp. v súprave RFT 40046, používanej v praktiku, bez možnosti zmeny časovej konštanty so stálym nastavením t_i=t_d=0,5ms). Optimálny pomer signál/šum sa dosahuje pri rovnakých časových konštantách integračného a derivačného obvodu, t.j. t_i=t_d. Avšak úprava tvaru impulzu, s ohľadom na optimálne spracovanie signálu na analyzátore, obvykle vyžaduje t_i<>t_d.

V reálnom experimente je tvar impulzov komplikovanejší ako na obrázku e-2 jednak vplyvom rôznych poruchových signálov (napr. sieťový brum) ako aj tým, že výskyt impulzov nie je rovnomerne sa vyskytujúci ako z generátora, ale nerovnomerne v čase rozložený, čo môže hlavne pri vysokých početnostiach spôsobovať superpozíciu impulzov a tým zhoršovať presnosť merania amplitúdy impulzu. Preto sa po určitom stupni zosilnenia impulzu v predzosilňovači pre ďalšie zosilnenie používa upravený tvar impulzu (v najjednoduchšom prípade skrátený pomocou tvarovania na derivačnom CR článku), čo symbolicky znázorňuje obrázok e-3. V dôsledku existencie vlastnej kapacity detektora a nedokonalostí zosilňovača pri zosilňovaní veľmi rýchlych zmien impulzov (ktoré sa svojimi vlastnosťami prejavujú ako integračný článok RC) vnáša zosilňovač určité skreslenie tvaru impulzov - je to vlastne skreslenie spôsobené spomenutým integračným RC a derivačným RC článkom náhradného obvodu zosilňovača. Podstatné vlastnosti spektrometrickhho zosilňovača charakterizuje jeho náhradný obvod, zobrazený na obrázku e-4.
 

Obr. e-3.Porovnanie tvaru impulzov na výstupe predzosilňovača (a) a zosilňovača (b). Aby nedochádzalo pri vyššich početnostiach k superpozíciam impulzov, ktoré by mohli skresľovať meranie ich amplitúdy počas procesu zosilňovania sa impulzy aj skracujú. (Použitý obdĺžnikový tvar impulzov má len demonštratívny charakter, Pozri obrázok e-5.)

Obr. e-4.Náhradný obvod spektrometického zosilňovača. Hlavnou požiadavkou kladenou na spektrometrický zosilňovač je vysoká linearita prenosu, možnosť regulácie zosilnenia (A=A1.A2.A3) a úprava tvaru impulzov (prenosovej charakteristiky) pomocou tvarovacích obvodov (v náhradnom obvode pomocou integračného RC a derivačného CR článku).

Obrázok e-5 ilustruje ako sa zmení tvar impulzu zo scintilačného detektora po prechode cez zosilňovač (určený na spektrometrické merania) Z obrázku vidno, že došlo k predlženiu pôvodne veľmi krátkeho trvanie čela impulzu na trvanie okolo 0.5 ms. (Upravený impulz z výstupu spektrometrického zosilňovača nemá už dostatočne rýchle trvanie čela pre koincidenčné merania, cieľom ktorých je vysoké časové rozlíšenie.) Takýto zvonovitý tvar impulzu je totiž optimálny z hľadiska minimálneho šumu, od ktorého závisí rozlíšenie detektora a pri impulze zo scintilačného detektora sa dá dosiahnuť pomocou zosilňovača s časovou konštantou t_CR ~ t_{RC .}

Prítomnosť derivačného článku (oddeľovacieho kondenzátora medzi zosilňovacími stupňami) pri vyššich početnostiach registrovaných udalostí spôsobuje jednosmerný posuv nulovej úrovne v zosilňovači (posuv pracovného bodu tranzistorov) v dôsledku zostatkového náboja na tomto oddeľovačom kondenzátore. Posuv nulovej úrovne v konečnom dôsledku zhoršuje rozlíšenie spektrometra. Pri menších početnostiach impulzov k posuvu jednosmernej úrovne nedochádza a používa sa jedno polárny (ako na obrázku e-4) tvar impulzu (pomocou, ktorého sa dosahuje väčšia presnosť merania), pre vyššie početnosti je vhodnejší bipolárny tvar impulzu, vďaka tvaru ktorého je menší posuv jednosmernej kľudovej úrovne pre analyzátor (Tento posuv spôsobujú väzobné kondenzátory zosilňnovača. Pri bipolárnom tvare impulzu sa väzobné kapacity po nabití vybíjajú a zostatkový náboj na kondenzátore a teda aj posuv jednosmernej úrovne je minimálny).

Preto v kvalitnejšich spektrometrických zosilňovačoch obvykle existuje možnosť voľby tvaru výstupného impulzu. Naša súprava RFT 20046 sa pokladá za bežné servisné zariadenie, ktoré takúto možnosť voľby jednopolárneho/bipolárneho tvaru impulzu a ani možnosť optimalizovania časových konštánt zosilňovača (pomocou prepínačov derivačnej a integračnej časovej konštanty) nemá.
 
 

Obr.e-5. Unipolárny tvar impulzu na výstupe spektrometrického zosilňovača, tvar ktorý je vhodný pre merania s nízkymii početnostiam registrovaných udalostí.

 

	Obr.e-6 Bipolárny tvar impulzu na výstupe spektrometrického zosilňovača, tvar ktorý je vhodný pre merania s veľkými početnostiami.

Amplitúdy zosilnených a tvarovo vhodne upravených signálov sa vyhodnocujú amplitúdovou analýzou. Pri jednoduchších spektrometrických meraniach sa analýza prevádza pomocou integrálneho alebo diferenciálneho diskriminátora amplitúd signálov.

Po náležitom zosilnení a vhodnej tvarovej úprave analógového signálu z detektora sa informácia napr. o ionizačných účinkoch jednotlivých častíc v citlivom objeme detektora vyhodnocuje zariadeniami, analyzujúcimi amplitúdy impulzov (v jednoduchom prípade nášho praktika pomocou tzv. jednokanálového analyzátora s automatickým posúvaním diskriminačnej hladiny, ktorého hlavnou súčasťou je diskriminátor a počítadlo impulzov). V špeciálnom zariadení na meranie amplitúdy impulzov - amplitúdovom analyzátore sa registrovaným impulzom na krátky čas (potrebným na zosnímanie informácie) nabije kondenzátor na vstupe jeho amplitúdovo - číslicového prevodníka. Číslicový kód úmerný napríklad odmeranej amplitúde impulzu sa potom zapíše do pamäti a možno ho ďalej napríklad pomocou počítača vyhodnocovať.

Pri jednoduchších spektrometrických meraniach sa analýza amplitúd impulzov dá realizovať pomocou  integrálneho diskriminátora amplitúd impulzov (umožňuje oddeliť menšie amplitúdy impulzov od väčšich amplitúd) alebo diferenciálneho diskriminátora amplitúd impulzov (umožňuje vybrať amplitúdy impulzov len z určitého amplitúdového intervalu) .
 
 

Na výstupe integrálneho diskriminátora sa objaví impulz len vtedy, ak amplitúda skúmaného impulzného signálu, ktorý sa privádza na vstup diskriminátora, je väčšia ako nastavená tzv. prahová hladina A_p. Ak sa pri meraní prahová hladina A_p bude postupne meniť v rozmedzí celého spektra amplitúd od A_min po A_max a pri každej hodnote A_p sa bude merať početnosť impulzov na výstupe integrálneho diskriminátora (vždy za rovnaký časový interval), potom zodpovedajúca závislosť početnosti impulzov od prahovej hladiny A_p sa nazýva integrálne amplitúdové spektrum impulzov. V súčasnosti sa  analýza pomocou integrálneho diskriminátora používa zriedka, pretože je pomerne pracná pri ďalšom spracovaní experimentálnych výsledkov.

Na výstupe diferenciálneho diskriminátora sa objaví impulz len vtedy, ak amplitúda skúmaného signálu je väčšia ako tzv. dolná hladina A_d, ale zároveň nepresahuje ďalšiu vyššie nastavenú tzv. hornú hladinuA_h. Počítadlo impulzov, pripojené na výstup diferenciálneho diskriminátora, bude teda registrovať impulzy, amplitúda ktorých spadá do rozmedzia amplitúd od A_d po A_h (tzv. kanál). Ak budeme posúvať interval D=A_h-A_d (tzv. šírka kanálu) cez celé rozmedzie amplitúd a zároveň po každom posuve merať početnosť impulzov (vždy za rovnaký časový interval T), potom zodpovedajúca závislosť početnosti impulzov od amplitúdy sa nazýva diferenciálne amplitúdové spektrum impulzov. Podľa tohto princípu vlastne pracuje jednokanálový amplitúdový analyzátor, ktorý má však vážny nedostatok - pomerne veľkú dobu merania. Na premeranie celého spektrálneho rozdelenia amplitúd od A_min=0 po A_max je potrebné m=A_max/D meraní a celkový potrebný čas je potom mT.

Je zrejmé, že čím je jemnejšie delenie amplitúdového rozsahu (čím je viacej kanálov), tým viac sa diskrétny, schodovitý tvar diferenciálneho spektra impulzov (histogram) blíži svojim tvarom k spojitému spektru a na jeho meranie je vhodnejšie použiť mnohokanálový amplitúdový analyzátor. Najväčšia prednosť mnohokanálového analyzátora v porovnaní s jednokanálovým spočíva v tom, že počas doby merania T sa v mnohokanálovom analyzátore registrujú impulzy vo všetkých kanáloch.

[Návrat]