Предусилители

    Амплитуда сигналов детекторов, как правило, недостаточна для срабатывания регистрирующих и анализирующих устройств. Так у импульсных ионизационных камер и полупроводниковых детекторов она составляет единицы – сотни микровольт. В то же время динамический диапазон входных сигналов таких, например, приборов как АЦП (Аналого-цифровой преобразователь) обычно составляет 0-10 В. Поэтому сигналы детекторов необходимо, как правило, усиливать в 10²-10⁷ раз в зависимости от типа детектора и энергии регистрируемого излучения. Обычно усилительное устройство состоит из двух частей – предусилителя и основного усилителя. Основная задача, которую выполняют предусилители - это усилить и преобразовать сигнал с детектора без заметного ухудшения отношения сигнал/шум. Предусилитель располагается как можно ближе к детектору, чтобы свести к минимуму паразитные емкости и наводки на входные цепи. Регулировки, необходимые для оперативной работы, в предусилителе сведены к минимуму. Основной усилитель располагается обычно за радиационной защитой, часто на довольно большом расстоянии от предусилителя и детектора.
    В предусилителях используются различные способы обработки сигналов, в зависимости от типа детектора и от того, измеряется ли амплитуда (энергия) или время.
     Сигналы от детекторов некоторых типов, таких например, как сцинтилляторы с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), довольно велики, что при временных измерениях и простом счете событий позволяет соединять их непосредственно с быстрыми усилителями с малыми входными сопротивлениями. А при измерении энергии использовать относительно простые предусилители, с учетом того, что они не будут вносить заметного ухудшения в итак невысокое разрешение этих устройств.
    Для рентгеновской и гамма-спектроскопии, спектроскопии заряженных частиц часто используются детекторы с существенно лучшим энергетическим разрешением, такие как кремниевые и германиевые детекторы и пропорциональные счетчики. Сигналы с этих детекторов малы и важно, чтобы входные цепи предусилителей были малошумящими. Для этого во входных цепях зарядочувствительных предусилителей используют полевые транзисторы. Предусилители для кремниевых и германиевых детекторов заряженных частиц и пропорциональных счетчиков обычно работают при комнатной температуре. Однако для гамма и рентгеновской спектроскопии высокого разрешения, когда германиевые и кремниевые детекторы работают при азотной температуре, полевые транзисторы предусилителей для уменьшения шума также охлаждают и они помещаются внутри криостата.

Предусилители чувствительные к току

    Сигналы с некоторых ФЭУ и микроканальных пластин довольно велики  и имеют короткие передние фронты. Обработка сигналов для счета событий и извлечения временной информации в этих случаях может оказаться довольно простой. Эти устройства имеют высокое выходное сопротивление, и токовый сигнал с их выхода образует сигнал напряжения на волновом сопротивлении кабеля (чаще всего 50 Ом), служащим сопротивлением нагрузки, может оказаться достаточным для подачи непосредственно на вход быстрого дискриминатора. Однако обычно усиление сигнала все же оказывается необходимо.

Рис. 1. Упрощенная схема предусилителя чувствительного к току

    Входное сопротивление предусилителя чувствительного к току равное 50 Ом обеспечивает хорошее согласование с волновым сопротивлением кабеля (50 Ом). Импульс тока  преобразуется в импульс напряжения. Если время нарастания предусилителя мало по сравнению со временем нарастания импульса с детектора и коэффициент усиления предусилителя k, амплитуда импульса напряжения на выходе предусилителя будет

V_out = 50 I_ink,

где I_in - амплитуда токового импульса с детектора.
    При временных измерениях с использованием ФЭУ и микроканальных пластин основной вклад во временное разрешение вносят флуктуации времени пролета электронов в этих устройствах. Однако если необходимо использовать предусилители чувствительные к току, то их вклад во временную неопределенность также нужно учитывать при выборе конкретных устройств.
    Предусилитель со временем нарастания заметно меньшим, чем время нарастания сигнала с детектора, не уменьшит времени нарастания выходного сигнала, но увеличит шумы за счет неоправданно широкой полосы пропускания предусилителя, что приведет ухудшению временного разрешения. Предусилитель с заметно большим временем нарастания (соответственно с узкой полосой пропускания), чем у импульса с детектора уменьшит шумы, но увеличит время нарастания выходного импульса и увеличит временную неопределенность. Лучше всего использовать предусилитель со временем нарастания близким к времени нарастания сигнала с детектора.

Предусилители чувствительные к напряжению

Рис. 2. Упрощенная схема предусилителя чувствительного к напряжению

    Для извлечения амплитудной (энергетической) информации от таких устройств как ФЭУ и микроканальные пластины обычно используют предусилители чувствительные к напряжению.
    Предусилители чувствительные к напряжению имеют высокое входное сопротивление (~5 MОм). Токовый импульс детектора интегрируется на паразитных емкостях детектора и входа предусилителя. (Суммарно эти емкости имеют величину от 10 до 50 пФ.) В результате получается импульс напряжения с амплитудой пропорциональной заряду токового импульса и со временем нарастания равным его длительности. Сопротивление, включенное параллельно с входной емкостью, определяет экспоненциальный спад с постоянной времени  ~50-250 мкс. Усилитель, который служит буфером, имеет коэффициент усиления  ~1. Резистор на выходе имеет сопротивление равное волновому сопротивлению кабеля (обычно 50 или 100 Ом) и служит для поглощения отраженных сигналов в длинных кабелях.
     Предусилители чувствительные к напряжению обычно не используются с полупроводниковыми детекторами. В этих предусилителях амплитуда выходного импульса обратно пропорциональна величине паразитной емкости. Небольшое перемещение соединительного кабеля меняет паразитную емкость на десятые доли пикофарады и соответственно величину выходной амплитуды. Для полупроводниковых детекторов, имеющих энергетическое разрешение лучше 1%, это заметно его бы ухудшало. Кроме того, емкости полупроводниковых детекторов часто зависят от смещающего напряжения. Поэтому для полупроводниковых детекторов обычно применяются предусилители другого типа, так называемые зарядочувствительные предусилители. (Однако в физике высоких энергий при работе с вершинными кремниевыми детекторами, учитывая стабильность их выходной емкости, предусилители  чувствительные к напряжению с успехом используются)

Зарядочувствительные предусилители

    Зарядочувствительные предусилители в основном применяются с полупроводниковыми детекторами и ионизационными камерами.
    Отличительная особенность полупроводниковых детекторов состоит в том, что их емкость C_D зависит от смещающего напряжения (C_D ~ U_см^-1/2). Изменение напряжения смещения приводит к изменению емкости детектора и соответственно к изменению сигнала на его нагрузке. Действительно, в случае интегрирующей цепи на входе усилителя чувствительного к напряжению, амплитуда импульса напряжения

U_i = Q/C_eQ/C_D,

где C_e = C_D + С_входа, Обычно C_D >> С_входа.

Рис. 3. Упрощенная схема зарядочувствительного предусилителя

    Такие изменения амплитуды сигнала крайне нежелательны для спектрометров с полупроводниковыми детекторами, обладающих хорошим разрешением. Поэтому в предусилителях для полупроводниковых детекторов принимаются меры, исключающие влияние емкости детектора на величину сигнала. Такой предусилитель охватывается отрицательной обратной связью по заряду с помощью конденсатора небольшой емкости C₁  (см. рис. 3). Коэффициент усиления схемы без обратной связи должен быть большим (часто больше 10000).
    Определим амплитуду сигнала на выходе такого предусилителя, полагая, что частица образует в детекторе заряд Q. Этот заряд распределяется между C_e и C₁.Можно записать

Q = Q_e + Q₁,
Q_e = C_eU_in,
Q₁ = C₁(U_in – U_out),
U_out = kU_in.

Решая относительно U_out, получим

U_out = Q/[(C_e + C₁)/k + C₁].

Так как коэффициент усиления k большой, соответственно (C_e + C₁)/k << C₁ и

U_out Q/ C₁.

То есть амплитуда выходного сигнала предусилителя определяется зарядом, образованным ионизирующей частицей в детекторе и емкостью обратной связи и практически не зависит от емкости детектора и, соответственно от напряжения смещения на нем.
    Емкость обратной связи C₁ должна иметь высокую стабильность. Ее величина обычно ~1 пФ. Меньше ее сделать трудно, т.к. возрастает влияние паразитных емкостей, ухудшающих стабильность системы.
    Оценим чувствительность предусилителя для измерений с кремниевым детектором при комнатной температуре с емкостью C₁ = 1 пФ. Для образования одной пары электрон-дырка в кремнии необходимо 3.62 эВ. Тогда

U_out/МэВ = (10^6.1.6^.10^-19/3.62)/10^-12 = 44 мВ/МэВ.

    Параллельно конденсатору подключают резистор R₁. Этот резистор обеспечивает обратную связь по постоянному току и фактически является сопротивлением нагрузки детектора. Время экспоненциального спада определяется постоянной времени R₁C₁.
    Шумы зарядочувствительного предусилителя определяются входным транзистором, входной емкостью, токами утечки и сопротивлением обратной связи. В качестве входного транзистора обычно используется полевой транзистор. Емкости стараются сделать меньше, используя короткие с малой емкостью кабели и т.п. Сопротивление выбирают как можно большими. Однако величина сопротивления влияет на максимальную скорость счета. Максимальная скорость счета обратно пропорциональна величине сопротивления обратной связи.
    Германиевые детекторы гамма-квантов и Si(Li) рентгеновские детекторы обычно имеют гальваническую связь (связь по постоянному току) с предусилителями. В детекторах заряженных частиц сигнал обычно снимается с электрода, к которому приложено напряжение смещения. Соответственно используется емкостная связь. Кроме того, емкостная связь используется для детекторов с большими токами утечки.

Зарядочувствительные предусилители с оптоэлектронной обратной связью

    Как уже говорилось, для улучшения отношения сигнал/шум необходимо увеличивать сопротивление обратной связи. Однако, обычно оно не более 1 ГОм, в частности из-за того, что начинает сказываться распределенная емкость резистора. В предусилителях с очень хорошим разрешением используется оптоэлектронная обратная связь.

Рис. 4. Упрощенная схема предусилителя с оптоэлектронной обратной связью

    К выходу усилителя (см. рис. 4) через сопротивление R₀ подключается светодиод (LED), через который течет ток

i_LED = U_out/R₀.

Интенсивность свечения светодиода пропорциональна i_LED. Этот свет направляется на затвор полевого транзистора.  Ток затвора i_g пропорционален попадающему на него световому потоку

i_g = Фi_LED.

В итоге можно записать

i_g = U_outФ/R₀ = U_out/R',

Где R' - эквивалентное сопротивление обратной связи. Обычно Ф = 10^-6-10^-10, R₀ = 100 Ом. Соответственно R' = 10⁸-10¹² Ом. Это эквивалентное сопротивление обратной связи в отличие от обычных резисторов практически не вносит дополнительных шумов. Однако проблема больших загрузок остается.

Проблема больших загрузок и импульсная обратная связь

Рис. 5. Формы импульсов с выходов предусилителя с резистивной обратной связью и усилителя с формированием на линии задержки

     Длительность передних фронтов выходных импульсов предусилителя подключенного к детектору с малым временем собирания зарядов определяется предусилителем и обычно составляет 10-100 нс. При работе с детекторами с большим временем собирания зарядов, такими как NaI(Tl), пропорциональный счетчик, коаксиальный германиевый детектор, длительность передних фронтов выходных импульсов предусилителя определяется временем собирания заряда в детекторе и варьируется от 700 нс для больших коаксиальных германиевых детекторов до микросекунд для пропорциональных камер. При работе с  NaI(Tl) это время составляет ~500 нс и определяется временем высвечивания сцинтиллятора.
    На рис. 5 показаны импульсы на выходе предусилителя с резистивной обратной связью. У импульсов короткие передние фронты и длинные экспоненциальные задние фронты. Последние определяются постоянной времени R₁C₁ (см. рис. 3), которая обычно ~50 мкс, а иногда и больше.
    Выходные импульсы предусилителя "садятся" на экспоненциальные "хвосты" предыдущих сигналов. Так как обычно амплитуды сигналов разные и время их появления случайно, отклонение от базового уровня хаотично. По мере увеличения скорости появления событий возрастают наложения сигналов, и соответственно возрастает отклонение от базового уровня. Это отклонение ограничивается напряжением питания, которое и определяет максимальную скорость регистрации без искажений выходных импульсов. В усилителе длинные "хвосты" импульсов заметно укорачиваются (это проиллюстрировано на рис. 5).

Рис. 6. Схематическая иллюстрация импульсной обратной связи

    Для того чтобы минимизировать шумы и при этом обеспечить высокую скорость регистрации были разработаны схемы с импульсной обратной связью. Используется два способа реализации импульсной обратной связи - оптоэлектронная импульсная обратная связь, которая обычно применяется с Si(Li) детекторами для рентгеновской спектрометрии и транзисторная импульсная обратная связь, которая обычно применяется с германиевыми детекторами. В том и другом случае сопротивление обратной связи заменяется специальными цепями, которые включаются только на короткое время необходимое для разряда емкости обратной связи.
    Когда сопротивление обратной связи отсутствует, каждое регистрируемое детектором событие повышает уровень выходного сигнала предусилителя и, в конце концов, он достигает уровня напряжения питания V_пит (см. рис. 6а). Тогда включается схема разряда конденсатора, и выходной уровень в предусилителе возвращается в первоначальное состояние. Таким образом, предусилитель всегда находится в линейной области усиления, в том числе и при высоких скоростях поступления сигналов (загрузках).
    Усилитель должен сохранить информацию об относительных величинах "ступенек" на выходе предусилителя, т.е. амплитуды импульсов на выходе усилителя должны быть пропорциональны величинам "ступенек". На рис. 6б показаны сигналы на выходе усилителя с квазигауссовым формированием импульсов. В целом почти все аналогично случаю с предусилителем с резистивной обратной связью. Однако есть одна особенность в работе усилителя с предусилителем с импульсной обратной связью. Каждый разряд конденсатора - это большой импульс отрицательной полярности. Его длительность определяется постоянными времени формирующих цепочек усилителя, коэффициентом усиления усилителя, перепадом напряжения при разряде. Обычно его длительность в два - три раза превышает длительность положительных сигналов от событий в детекторе. Во время этого сигнала регистрация событий не должна осуществляться. Для этого генерируется специальный сигнал запрета (см. рис. 6в), который может использоваться, например в АЦП, блокируя его вход. Сигнал запрета может генерироваться также в предусилителе для блокировки его выхода.

[ОГЛАВЛЕНИЕ]