DETECTOR TIEN KHUECH DAI

Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy I Hệ Thống Điện Tử Hạt Nhân Các hệ thống điện tử hạt nhân hệ thống khối chức nhằm đo đếm, xác định giá trị đại lượng liên quan tới xạ hạt nhân Do đại lượng đo vật lý hạt nhân gắn liền với phép đo hạt nhân dạng không điện nên phải biến đổi thành đại lượng điện Sơ đồ tổng quát khối điện tử hạt nhân sau: S Biến đổi Hình thành xung Xử lí xung Khuếch đại xung ADC MDC Máy tính Hình 1: Hệ thống đo xạ hạt nhân Trong điện tử hạt nhân, xạ hạt nhân biến đổi thông qua phận gọi detector Detector thường đặt xa nơi đo để tránh nguy hiểm xạ hạt nhân Do tín hiệu điện sau detector thường nhỏ để truyền tín hiệu xa người ta thường phải ghép nối detector với khuếch đại khối tiền khuếch đại Sơ đồ tổng quát khối đo sau: Hình Hệ thống đo xạ hạt nhân ghép tiền khuếch đại Sơ lược trình hoạt động: Các nguồn phóng xạ (kể xạ phông coi nguồn phóng xạ tự nhiên) tạo xạ hạt nhân, detector thu nhận biến thành xung điện, nhân lên nhiều lần trước đến phận khuếch đại phổ kế Amp (Amplifier) Qua khuếch đại, tín hiệu khuếch đại đủ lớn biên độ, hình thành Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy xung chuẩn, tín hiệu lối khối khuếch đại phổ kế dạng tương tự cung cấp cho ADC ADC (Analog to Digital Convertor) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số với điều kiện biên độ thời gian định trước gọi ngưỡng, đồng thời truyền tải tín hiệu qua khối MCD (Multi Channel Data processing) MCD có nhiệm vụ ghi lại kiện mà ADC cung cấp vào nhớ RAM mình, đồng thời đưa tín hiệu vừa ghi lại qua máy tính để máy tính làm nhiệm vụ xử lý hiển thị lên hình theo số thông số mà người lập trình muốn đưa vào (như thời gian phân giải, lượng, cường độ…) Kết hiển thị cho ta nhiều thông tin nguồn phóng xạ cần đo, từ tiến hành phân tích kết để đến mục đích sử dụng khác II Tiền Khuếch Đại 2.1 Khái niệm tiền khuếch đại: khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ, nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu lấy từ lối detector Trên quan niệm khuếch đại xung điện, người ta thường chia khuếch đại làm hai phần: Khuếch đại sơ ( tiền khuếch đại) khuếch đại Tiền khuếch đại thường đặt gần detector với mục đích làm giảm điện dung ký sinh, mà điện dung kí sinh làm tồi thời gian tăng làm suy giảm biên độ tín hiệu hiệu dụng Đồng thời với cách ghép nối cho phép nâng cao tỉ số S/N Tiền khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại biến đổi dạng tín hiệu điện lối detector thành điện áp.Vì khuếch đại thường khuếch đại điện áp Đồng thời tầng phối hợp trở kháng detector cáp đồng trục nối ghép với khuếch đại Vì khuếch đại thường đặt xa với tiền khuếch đại Thông thường trở kháng detector cao lúc cáp có trở kháng thấp Với mục đích nêu tiền khuếch đại phải đảm bảo thực chức sau: Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy - Biến đổi dạng xung điện lối detector thành điện - Khuếch đại xung - Hình thành xung - Đảm bảo tối ưu tỷ số S/N - Đảm bảo tốt việc phối hợp trở kháng - Có khả chống bảo hòa lối 2.2 Phân Loại Tiền Khuếch Đại Thường người ta dựa vào chức thứ để phân loại tiền khuếch đại có loại sau: Nhạy điện tích Nhạy điện Nhạy dòng điện Trên thực tế tiền khuếch đại nhạy dòng điện sử dụng với nguồn tín hiệu có trở kháng thấp, hoàn toàn không sử dụng hệ thống ghi xạ, detector thường có trở kháng cao Hình Sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện Trong trường hợp ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ, ống đếm Geiger-Muller có điện áp lối đủ lớn tiền khuếch đại sử loại nhạy điện Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy với điện áp lối Vo , Ct điện dung tổng cộng có mặt lối vào tiền khuếch đại Đây điều lưu ý việc ổn định điện dung detector thời gian hoạt động Đây nhược điểm loại tiền khuếch đại nhạy điện Nhược điểm tiền khuếch đại nhạy điện khắc phục sử dụng loại tiền khuếch đại nhạy điện tích Với tiền khuếch đại nhạy điện tích điện áp lối ra: Vo=-Q/Ct Với cách mắc cho thấy điện áp lối không phụ thuộc vào điện dung detector Trên thực tế TKĐ nhạy điện tích thiết kế Transistor lối vào TKĐ với transistor lối vào có tạp âm cao, nhược điểm khắc phục sử dụng FET lối vào đặc biệt với cách mắc cascade, FET hoạt động sở điều khiển với detector cho dòng bé TKĐ trở nên tối ưu Hình Sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện tích Mạch TKĐ thực tế mắc thêm điện trở Rf//Cf với mục đích: - Cấp đường DC dòng thiên áp lối vào cho tiền khuếch đại - Tạo đường phóng cho tụ Cf trình tích phóng, để đảm bảo tránh bảo hòa lối TKĐ 2.3 Các Cách Ghép Nối Tiền Khuếch Đại Với Detector 2.3.1 Nối AC tiền khuếch đại Detector: Trên hình vẽ đưa sơ đồ cách ghép nối AC, cách nối đảm bảo nhờ vào tụ liên kết Ci tiền khuếch Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy đại detector Cách ghép nối sử dụng dòng detector lớn Mạch bao gồm biến đổi điện tích thành điện áp tụ nối tầng Ci Với cách mắc Ci đóng góp làm tăng thêm nguồn tạp âm song song Trong thực tế với giá trị Ci xác định việc giảm tạp âm có giảm nhờ vào việc giảm phần tạp âm nối tiếp, với cấu hình nêu việc tăng Rf để giảm tạp âm Song việc tăng Rf hữu hạn, Rf lớn số làm khả chống bão hòa lối khuếch đại FET đầu vào đặt cách li DC điều khiển phân cực Detector thay đổi Detector không cần điều khiển tiền khuếch đại Ngoài mở rộng dải động tiền khuếch tăng vận tốc đếm khái niệm phân giải không ảnh hưởng tới phân cực Detector Bố trí theo hình 8a tốt giá trị UH lớn Bố trí hình 8b sinh tạp âm cao cao ảnh hưởng đến tụ ghép Hình 5: Ghép AC tiền khuếch đại với Detector 2.3.2 Nối DC tiền khuếch đại Detector: Trên hình vẽ đưa sơ đồ cách ghép nối DC Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy Hình 6: Ghép DC tiền khuếch đại với Detector Cách ghép nối DC cách nối trực tiếp tiền khuếch đại Detector Cách nối sử dụng dòng nhỏ Ví dụ detector bán dẫn Ge siêu tinh khiết dòng Id=0,01 nA Ghép DC cho S/N cao thích hợp với hệ thống đo cần độ phân giải cao Mạch bỏ nguồn tạp âm song gây Ci phần tạp âm nối tiếp gây Rd Như vậy, tạp âm hạn chế Rf III TIỀN KHUẾCH ĐẠI CHO DETECTOR BÁN DẪN VÀ NHẤP NHÁY 3.1 Liên kết tiền khuếch đại cho detector bán dẫn: Trong Detector bán dẫn tụ điện tiếp xúc Cd phụ thuộc vào áp công tác Uh coi số, Uh ổn định Bởi để tích phân xung dòng cần phải sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích Hằng số thời gian mạch vào: T0=(R//ri)Cn Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy Hình 7a: Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với Detector bán dẫn Hình 7b: Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với Detector bán dẫn 3.1.1 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn 2004 Bộ khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2004 thiết kế để sử dụng với hai detector bán dẫn dung kháng thấp cao Tiền khuếch đại biến đổi phần tử mang điện detector khoảng kiện hạt nhân thành xung hàm Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy bước, biên độ xung tỉ lệ với điện tích tổng cộng tích lũy kiện Lối cung cấp tín hiệu phân cực dương sử dụng với detector thiên áp dương phần tín hiệu suy giảm với số thời gian 50μs Đặc trưng tần số cao thiết kế minh chứng khả tần số nạp tốt 2x10-7 C/s hay 4.5x10-6 MeV/s detector Si Để tận dụng toàn ưu điểm khả tần số cao thế, khuếch đại với khả tần số điếm cao 2020 sử dụng Hình trình bày sơ đồ chức tiền khuếch đại 2004 tầng đầu hoạt động tích phân tạo nên lối tỉ lệ với điện tích tích lũy Bộ tích phân nối với tầng đệm lối nhờ mạch điều chỉnh cực zêrô Bộ tiền khuếch đại cung cấp tạp âm 2.8 keV, FWHM, Si với tần số tạp âm tăng với điện dung vào 10 eV/pF Hệ số biến đổi bình thường mV/MeV hay 45 mV/ MeV (Si) chọn phích cắm bảng mạch in tiền khuếch đại Thêm vào đó, mạch vào bao gồm mạch bảo vệ ngăn chặn hỏng FET lối vào chuyển cao áp hay lấy thiên áp detector đột ngột Tất nguồn nuôi cung cấp khuếch đại qua cáp nguồn khuếch đại có chiều dài 3m Hình Sơ đồ chức tiền tiền khuếch đại 2004 10 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy 3.1.2 Những đặc trưng kỹ thuật: Lối vào detector: tiếp nhận xung điện tích từ detector bán dẫn Lối vào kiểm tra: điện tích nối với tiền khuếch đại 2.2 pC/V, Zin =93 Ω Lối vào cao thế: cho phép thiên áp detector lên tới ± 2000 V DC, detector nối tiếp với trở thiên áp 110 MΩ Lối lượng: xung đuôi bị đảo, thời gian tăng bảng 4.4, số thời gian giảm 50μs Đặc tính: Độ phi tuyến tích phân: < ± 0.02% cho 10V lối Độ trôi hệ số khuếch đại: ± 0.01%/0C (100 ppm/0C) Cách điện thiên áp detector: ± 5000 V DC Tạp âm lối ra: bảng Độ nhạy điện tích: 0.2 V/pC hay 1.0 V/pC Độ nhạy lượng (Si): 9mV/MeV hay 45 mV/MeV Thời gian tăng: bảng Yêu cầu nguồn nuôi: 24 V DC – 30 mA + 12 V DC – mA - 24 V DC – 15 mA - 12 V DC – mA Kích thước: 9.86 x 7.62 x 4.45 cm 11 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy Bảng Đặc tính tiền khuếch đại 2004 CDET Tạp âm C rms Tạp âm (keV) Thời gian tăng (ns) < 5.2x10-17 < 2.8 < 20 30 < 5.7x10-17 < 3.0 < 21 100 < 6.6x10-17 < 3.5 < 23 300 < 1.0x10-16 < 5.3 < 33 3.2 Liên kết tiền khuếch đại cho detector nhấp nháy Trong detector nhấp nháy biên độ xung tín hiệu thường có giá trị lớn mức tạp âm tiền khuếch đại Bởi tiền khuếch đại thường mắc theo kiểu lặp lại emiter Trên hình vẽ sơ đồ nguyên lí nhân quang điện Hình Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với detector nhấp nháy Nếu điện katod đất, tất điện áp cỡ kV điện áp out anod tiền khuếch đại cần nối qua tụ chia C1 Ca Cb nối song song lối nhân quang điện lối vào tiền khuếch đại cách tương ứng: Cs=Ca+Cb , điện dung toàn phần mắc song song Ra điện trở anod; Rb điện trở vào tiền khuếch đại, thường Ca~Cb~10 pF 12 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy 3.2.1 Tiền khuếch đại cho detector nhấp nháy 2005 Tiền khuếch đại 2005 loại nhạy điện tích thu điện tích từ detector nhấp nháy cho khuếch đại có hình thành xung Đối với ứng dụng điển hình với lối vào từ anốt ống nhân quang điện, tiền khuếch đại phát xung lượng phân cực dương Tiền khuếch đại hoạt động tích phân, biến đổi điện tích thành tỉ lệ thuận với điện tích tích lũy lối vào detector Lối tích phân nối với mạch bù trừ cực zêrô để tối ưu đặc trưng tải vi phân để cung cấp xung đuôi 50μs Thêm vào đó, tầng đệm cho phép tải cáp dài mà không làm méo xung Hệ số biến đổi điện tích thường 4.5 hay 22.7 mV/pC chọn chuyển mạch mạch in bên tiền khuếch đại Nguồn nuôi tiền khuếch đại thường cấp từ khuếch đại nhờ cáp nuôi có chiều dài m Hình 10 Sơ đồ chức tiền khuếch đại 2005 3.2.2 Những đặc trưng kỹ thuật: Lối vào detector: tiếp nhận xung điện tích từ detector nhấp nháy/ống nhân quang điện 13 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy Lối vào kiểm tra: điện tích nối với tiền khuếch đại 33 pC/V, Zin =93 Ω Lối lượng: xung đuôi bị đảo, thời gian tăng bảng 4.5, số thời gian giảm 50μs, Zout =93 Ω, nối trực tiếp Đặc tính: Độ phi tuyến tích phân: < ± 0.02% cho 10V lối Độ trôi hệ số khuếch đại: ± 0.01%/0C (100 ppm/0C) Tạp âm lối ra: bảng Độ nhạy điện tích: 0.2 V/pC hay 1.0 V/pC Thời gian tăng: bảng Yêu cầu nguồn nuôi: 24 V DC – 20 mA + 12 V DC – mA - 24 V DC – 14 mA - 12 V DC – mA Kích thước: 7.6 x 10.2 x 4.4 cm Bảng Đặc tính tiền khuếch đại 2005 Mẫu CDET Tạp âm C rms Thời gian tăng (ns) 2005 1x10-15 [...]...Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy Bảng 1 Đặc tính của tiền khuếch đại 2004 CDET Tạp âm C rms Tạp âm (keV) Thời gian tăng (ns) 0 < 5.2x10-17 < 2.8 < 20 30 < 5.7x10-17 < 3.0 < 21 100 < 6.6x10-17 < 3.5 < 23 300 < 1.0x10-16 < 5.3 < 33 3.2 Liên kết tiền khuếch đại cho detector nhấp nháy Trong detector nhấp nháy biên độ xung của tín hiệu thường có... toàn phần mắc song song Ra điện trở anod; Rb là điện trở vào của tiền khuếch đại, thường Ca~Cb~10 pF 12 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy 3.2.1 Tiền khuếch đại cho detector nhấp nháy 2005 Tiền khuếch đại 2005 là loại nhạy điện tích thu điện tích từ các detector nhấp nháy cho bộ khuếch đại cơ bản có hình thành xung Đối với ứng dụng điển hình với lối vào từ anốt của ống nhân quang... bộ khuếch đại cơ bản nhờ cáp nuôi có chiều dài 3 m Hình 10 Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2005 3.2.2 Những đặc trưng kỹ thuật: Lối vào detector: tiếp nhận xung điện tích từ detector nhấp nháy/ống nhân quang điện 13 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 33 pC/V, Zin =93 Ω Lối ra năng lượng: xung đuôi bị đảo, thời... - 12 V DC – 2 mA Kích thước: 7.6 x 10.2 x 4.4 cm Bảng 2 Đặc tính của tiền khuếch đại 2005 Mẫu CDET Tạp âm C rms Thời gian tăng (ns) 2005 0 1x10-15 ... đại với Detector 2.3.2 Nối DC tiền khuếch đại Detector: Trên hình vẽ đưa sơ đồ cách ghép nối DC Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector nhấp nháy Hình 6: Ghép DC tiền khuếch đại với Detector. .. cho detector bán dẫn detector nhấp nháy Hình 7a: Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với Detector bán dẫn Hình 7b: Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với Detector bán dẫn 3.1.1 Tiền khuếch đại cho detector. .. Đại Với Detector 2.3.1 Nối AC tiền khuếch đại Detector: Trên hình vẽ đưa sơ đồ cách ghép nối AC, cách nối đảm bảo nhờ vào tụ liên kết Ci tiền khuếch Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn detector