Экспериментальные исследования электронного модуля обработки токовых импульсов емкостных источников сигналов

Аннотация

О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, И.М. Газизов, Н.Н. Прокопенко, П.С. Будяков, С.С. Белич

Дата поступления статьи: 11.09.2013

Приведены результаты измерений основных характеристик электронного модуля, созданного на базе двух специализированных аналоговых микросхем, при регистрации сигналов кремниевых детекторов разной площади от источника альфа- частиц 239Pu

Ключевые слова: кремниевый детектор, зарядочувствительный усилитель, спектрометр, детектор, радиометрическая система, ионизирующее излучение

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Введение

Емкостные источники сигналов, генерирующие короткие токовые импульсы, широко применяются в различных устройствах экспериментальной физики, медицины, системах мониторинга. К таким источникам относятся лавинные фотодиоды (ЛФД), кремниевые фотоэлектронные умножители [1], разнообразные конструкции кремниевых и газовых детекторов частиц и ионизирующих излучений [2] и др. С точки зрения электрических параметров, емкостные источники различаются по внутренней емкости и форме (амплитуде, длительности фронта нарастания и спада) выходного сигнала.
Обработка токовых импульсов обычно заключается в преобразовании их в напряжение с помощью зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ) и уменьшении уровня шумов полосовыми фильтрами [3-8].
Ранее для работы с ЛФД нами были разработаны, изготовлены и исследованы два электронных модуля «CRP-MDL-1» и «CRP-MDL-2» [9]. Универсальная конструкция созданных модулей допускает их применение для обработки сигналов различных детекторов частиц и ионизирующих излучений.
Целью настоящей статьи является рассмотрение особенностей работы малошумящего электронного модуля «CRP-MDL-2» в блоках детектирования при регистрации заряженных частиц.
Особенности электронного модуля «CRP-MDL-2»
Модуль «CRP-MDL-2» (рис. 1) содержит:
- три параллельно соединенных ЗЧУ на инвертирующих усилителях напряжения с головным полевым транзистором с p-n- переходом и каналом p-типа (p-ПТП) [10];
- активный полосовой фильтр со структурой CR-RC3 и ступенчатой регулировкой коэффициента усиления [11];
- выходной усилитель и инвертор напряжения;
- источник опорного напряжения;
- цепи для задания режима работы внешнего детектора;
- цепь калибровки/тестирования.

Рис. 1.– Фотография модуля «CRP-MDL-2»

Установка коэффициента преобразования тракта производится путем выбора требуемой комбинации подключения резисторов с помощью четырехпозиционного переключателя.
Результаты измерений основных параметров
Для измерений характеристик и параметров модуля применялось следующее оборудование:
- блок высокого напряжения 31020D, «Canberra»;
- блок генератора спектрометрических импульсов ГСИ-02, «Аспект»;
- спектрометрический АЦП 8К-2, установленный в компьютер;
- NIM- крейт с блоком питания БНН-01, «Аспект»;
- спектрометрические кремниевые детекторы заряженных частиц с тонким входным окном типа ПДПА-1К, «ИФТП».
Во время испытаний исследовался отклик спектрометрического тракта на воздействие ионизирующего излучения от источника альфа- частиц 239Pu и от входных тестовых сигналов, при этом определялись основные технические характеристики, в том числе энергетическое разрешение и шумовые характеристики. При амплитудных измерениях детектор находился в вакууме с остаточным давлением около 0,1 мм.рт.ст.
В результате исследований было установлено:
1. Выходной сигнал характеризуется следующими временными характеристиками: время нарастания – 1 мкс (по уровням 0,1-0,9), время «пика – 1,4 мкс, время спада – 1,8 мкс, длительность импульса – 3,5 мкс.
По своим параметрам выходной сигнал электронного модуля соответствует квазигауссовскому со временем формирования около 0,9 мкс. Такие параметры сигнала являются близкими к оптимальным для применения в спектрометрических трактах регистрации заряженных частиц.
2. Коэффициент преобразования модуля при работе с кремниевымдетектором площадью 1000 мм² и емкостью 500 пФ составил около 10,6 мВ/фКл или 0,47 В/МэВ.
3. Интегральная нелинейность (ИНЛ) спектрометрического тракта измерялась с помощью калиброванных тестовых сигналов подаваемых на вход ЗЧУ от генератора UCB-02. При этом вход соединялся с различными емкостями от 0 до 1000 пФ, имитирующими входной детектор.
ИНЛ была не хуже 0,4%, в диапазоне примерно от 0,1 до 3,2 В.
4. Шумовые характеристики модуля.
Энергетическое разрешение определялось при облучении кремниевых детекторов ПДПА-1К источником альфа- излучения 239Pu.
На детекторе ПДПА-1К2 с площадью 1000 мм² оно составило 89,1 кэВ по линии 5157 кэВ. Энергетический эквивалент шума при этом был равен 77,9 кэВ. Амплитудное распределение импульсов (от источника и тестового генератора) показано на рис. 2.

Рис. 2. – Амплитудное распределение импульсов от детектора ПДПА-1К с площадью 1000 мм² и тестового генератора

Относительно невысокое энергетическое разрешение и величина шума определяются входным каскадом ЗЧУ, а точнее - наклоном его шумовой характеристики.
На детекторе ПДПА-1К5 с площадью 150 мм² энергетическое разрешение по линии 5157 кэВ источника альфа- излучения 239Pu составило 43,8 кэВ. Энергетический эквивалент шума при этом был равен 40,6 кэВ. Амплитудное распределение импульсов в этом случае показано на рис. 3.

Рис. 3. – Амплитудное распределение импульсов от детектора ПДПА-1К5 с площадью 150 мм²

Измерялся также энергетический спектр источника альфа-частиц на детекторе ПДПА-1К с площадью 20 мм2 (рис. 4), при этом выходные импульсы модуля были близки к насыщению.

Рис. 4. – Амплитудное распределение импульсов от детектора ПДПА-1К с площадью 20 мм²

На основе выполненных измерений сделан вывод о том, что зависимость эквивалентного шумового заряда (ENC,equivalent noise charge) от емкости детектора описывается соотношением:
ENC = 3300 эл. + 33 эл./пФ,  (1)
где ENC – эквивалентный шумовой заряд.
Под эквивалентным шумовым зарядом понимается входной заряд, вызывающий на выходе системы сигнал, равный среднеквадратическому значению напряжения шумов. Обычно величина ENC описывается среднеквадратическим значением заряда, выраженным в количестве электронов (эл.).
Для существенного уменьшения шума ЗЧУ можно рекомендовать применение малошумящих дискретных транзисторов с высокой крутизной.
5. Зависимость выходного сигнала модуля от емкости детектора показана на рис. 5.

Рис. 5. – Зависимость выходного сигнала модуля от емкости детектора

Эта характеристика имеет существенное значение для детекторов с большой площадью, а значит и с большими темновыми токами. Изменение токов с температурой на таких детекторах может приводить к существенному изменению емкости из-за падения напряжения на резисторе, задающем смещение детектора. Влияние емкости на выходной сигнал модуля обусловлено малым коэффициентом усиления ЗЧУ с разомкнутой обратной связью из-за малой крутизной входного ПТП. Для устранения этого недостатка целесообразно применение дискретных входных ПТП с большой крутизной.
6. Зависимость выходного сигнала модуля от времени показана
на рис. 6.

Рис. 6. – Зависимость выходного сигнала модуля от времени

Величина временной нестабильности составила около 0,056%.

Заключение

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить:
- при использовании внешних малошумящих транзисторов разработанный модуль может найти применение при построении типовых радиометрических трактов, выпускаемых ОАО «Институт Физико-Технических Проблем Федерального Агентства по атомной энергии»;
- целесообразно применение разработанных конструктивно-схемотехнических решений при создании 4-канальной микросхемы для многоканальных радиометрических и спектрометрических систем.
Научные исследования проведены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках грантов №14.В37.21.0781, № 14.132.21.1685 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и задания 3.3.10 Государственной программы научных исследований РБ «Информатика и космос».

Литература

1. Дворников, О.В. Средства регистрации импульсного видимого излучения малой интенсивности. Часть 1. Особенности и возможности многоканальных фотоприемников с внутренним усилением / О.В. Дворников, В.А.Чеховский, В.Л. Дятлов // Приборы и методы измерений. – 2012. – № 2(5). – С. 5-13.
2. Бараночников, М.Л. Приемники и детекторы излучений. Справочник / М.Л. Бараночников. – М: ДМК Пресс, 2012. – 640 с.
3. Абрамов, И.И. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем / И.И. Абрамов, О.В. Дворников. – Минск: Акад. упр. при Президенте Респ. Беларусь, 2006. – 286 с.
4. Prokopenko N.N., Gaiduk A., Budyakov P.S., и др. Synthesis circuit correction for speed sensors of physical quantities and current-voltage converters with parasitic capacitance // 11th East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2013). - Rostov-on-Don: , 2013, С. 12-16
5. Korpar, S. Status and perspectives of solid state photon detectors / S. Korpar // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 2011. – T. A639. – C. 88–93.
6. Danilov, M. Novel photo-detectors and photo-detector systems / M. Danilov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 2009. – T. A604. – C. 183-189.
7. Н.Н. Прокопенко Высокочастотные звенья активных фильтров смешанных СнК на базе усилителей тока [Электронный ресурс]  / Н.Н. Прокопенко, С.Г. Крутчинский, В.Г. Манжула // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 2). - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/
   n4p2y2012/1397 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
8. Дворников О.В., Прокопенко Н.Н., Будяков П.С. Метод расширения диапазона частот трансимпедансных преобразователей сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей Известия ЮФУ. Технические науки. - № 2. – 2013 г. – С. 62-67.
9. Дворников, О.В. Электронный модуль обработки сигналов лавинных  фотодиодов [Электронный ресурс] / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Н.Н. Прокопенко, В.Г. Манжула // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 2). - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive
   /n4p2y2012/1338 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
10. Дворников, О.В. Применение биполярного БМК для проектирования аналоговых ИС. Часть 1. Микромощные малошумящие зарядочувствительные усилители / О.В. Дворников, В.А. Чеховский // Chip News. – 1999. – No 5. – C. 17–20.
11. Дворников, О. Универсальная аналоговая микросхема для датчиков космической аппаратуры / О.В. Дворников, В.Чеховский, В.Дятлов // Современная электроника. – 2011. – № 3. – С. 56–65.