Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию и науке РФ

Уральский государственный технический университет - УПИ

Кафедра экспериментальной физики

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

«Расчет сцинтилляционного блока детектирования для амплитудно-временных измерений»

Екатеринбург, 2008г



Содержание

• 1. Техническое задание на проектирование
• 2. Общая часть
• 2.1 Расчет делителя (ФЭУ)
• 2.2 Расчет согласующего каскада
• 2.3 Описание схемы
• 2.4 Элементная база


1. Техническое задание на проектирование

Разработать сцинтилляционный блок детектирования для амплитудно-временных измерений со следующими параметрами:

1. Сцинтиллятор NaJ(Tl) - (размеры кристалла и тип ФЭУ выбрать произвольно);

2. Схема включения ФЭУ с делителем для импульсных измерений (фотокатод под высоким потенциалом);

3. Сигнал с тракта временных измерений снимать с анода ФЭУ на формирователь постоянного порога;

4. В качестве порогового дискриминатора применить быстродействующий компаратор напряжений типа ADCMP551;

5. Выходной импульс временного тракта подготовить в стандарте NIM (согласованная токовая линия связи по ГОСТ 19154-73);

6. Сигнал в канал амплитудного анализа снимать с последнего динода;

7. Для передачи сигнала амплитудного канала по коаксиальной линии связи использовать согласующий усилительный каскад с линейным диапазоном по напряжению до 3В.



2. Общая часть

Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему.

Принцип работы сцинтилляционного счетчика состоит в следующем. Заряженная частица, попадая в сцинтиллятор, производит ионизацию и возбуждение его молекул, которые через очень короткое время (10-6 -- 10-9сек) переходят в стабильное состояние, испуская фотоны. Возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны. Последние под действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направляются на первый электрод (динод)электронного умножителя. Далее в результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который затем уже усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой.

Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ.

В качестве фосфоров используются:

> органические кристаллы,

> жидкие органические сцинтилляторы,

> твердые пластмассовые сцинтилляторы,

> газовые сцинтилляторы.

Основными характеристиками сцинтилляторов являются: световой выход, спектральный состав излучения и длительность сцинтилляций. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией. Часть этих фотонов будет поглощена в объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора. Световым выходом или конверсионной эффективностью сцинтиллятора называется отношение энергии световой вспышки, выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе.

Каждый сцинтиллятор испускает не моноэнергетические кванты, а сплошной спектр, характерный для данного сцинтиллятора.

Очень важно, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадали и хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ.

Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой . данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования.
Сцинтилляционная эффективность учитывает как число фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энергии, так и чувствительность данного ФЭУ к этим фотонам.

Обычно сцинтилляционную эффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, принятого за эталон.

Для увеличения светового выхода неорганических сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами. Так, например, в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий. Сцинтиллятор, построенный на основе кристалла NaJ(Tl), обладает большим световым выходом. Сцинтиллятор NaJ(Тl) имеет значительные преимущества по сравнению с газонаполненными счетчиками малую длительность сцинтилляции (2,5 *10-7 сек); линейную связь между амплитудой импульса и величиной энергии, потерянной заряженной частицей.

Последнее свойство требует пояснений. Световой выход сцинтиллятора имеет некоторую зависимость от удельных потерь энергии заряженной частицы.

Основными элементами ФЭУ являются: фотокатод, фокусирующая система, умножительная система (диноды), анод (коллектор).Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаченном до высокого вакуума (10-6мм рт.ст.).

Одной из характеристик фотокатода является его квантовый выход в, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод.

Величина может достигать 10-20%. Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).

Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя.

Существенна толщина этого слоя. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией, не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым. Поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода. Существенно, также обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади. В сцинтилляционной спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов. В отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15-20 см. Фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этой цели используется система электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом.

Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы.

При работе со сцинтилляционными счетчиками всегда необходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает оптимально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе. Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного конца плоским стеклом. Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой материала, отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу. Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85 - 0,90), используется также алюминий (0,55 - 0,85).

Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения, который позволяет подавать на каждый электрод соответствующий потенциал.

Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов делителя. Положительный полюс и другой конец делителя заземляются. Сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптимальный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи, идущие через ФЭУ.

При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном режиме на выходе ФЭУ возникают короткие (~10-8 сек) импульсы, амплитуда которых может составлять несколько единиц или несколько десятков вольт. При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие изменения, так как ток через делитель не успевает восполнить заряд, уносимый с каскада электронами.

Чтобы избежать таких колебаний потенциалов, несколько последних сопротивлений делителя шунтируются емкостями. За счет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная электронно-оптическая система, соответствующая оптимальному режиму.

В электронно-оптической системе траектория электрона не зависит от пропорционального изменения потенциалов на всех электродах, образующих данную электронно-оптическую систему. Так и в умножителе при изменении напряжения питания изменяется лишь коэффициент усиления его, но электронно-оптические свойства остаются неизменными.

При непропорциональном изменении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изменяются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал одного из динодов по отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным, либо с помощью дополнительной батареи, либо с помощью дополнительно стабилизированного делителя.

В качестве источника сигналов для проектируемого сцинтилляционного блока детектирования используем фотоэлектронный умножитель ФЭУ-85.

ФЭУ-85 предназначен для работы в сцинтилляционных счетчиках и спектрометрических установках.

Диаметр фотокатода	25мм
Число каскадов умножения	11
Материал фотокатода	Sb-Cs
Область светочувствительности	3800-4200
Ток выхода максимальный	50мкА
Напряжение выхода максимальное	8В
Напряжение питания	1кВ
световая чувствительность фотокатода, мкА/лм	80

2.1 Расчет делителя (ФЭУ)

Напряжение подаваемое на ФЭУ: U = 1кВ на последнем диноде U1 для компаратора должно быть около 5В

Uдел(фэу) = U - U1 = 1000 - 5 = 955В ,

т.к. делитель состоит из 11 последовательно установленных резисторов R4-R5-R6-…-R13, определим напряжение которое падает на каждый резистор, примем что R4=R5=R6=…=R13.

Ток ФЭУ

,

Пользуясь справочными данными,

R4=R5=R6=…=R13

примем равными 9МОм.

На узел R2-R3-C3 падение напряжение от составляет 2/3,

а на R19 падает 1/3 от

узел R2-R3-C3 играет роль фильтра

Rф= R2+R3 ,

R3 = 100~150 Ом, R2 = 5,3 - R3 ? 5,2МОм

Данный фильтр необходим, чтобы на втором диноде не было большого падения напряжения, если возникнет резкий скачек увеличения интенсивности излучения.

Исходя из характеристик ФЭУ выбираем рекомендуемые техническими условиями значения для резисторов и емкостей делителя ФЭУ:

R1=5МОм;

R2= 5МОм;

R19=3МОм;

R3= 150 Ом

С1= С4= С9=0,05мкФ.

В качестве порогового дискриминатора применен быстродействующий компаратор напряжений типа ADCMP551, совместимый по выходному сигналу с цифровыми схемами.

Основные технические характеристики компаратора

Время задержки	750пс
Потребляемая мощность	60мВт
Напряжение питания	3,15,4В
Входной диапазон	-0,2Uп-2
Гистерезис	-
Защелка сигнала	+

Узел резисторов R14,R15,R16 и R18 возьмем из справочной схемы,

R15 = 100 Ом

R14 = 0,45 МОм

R16 = 150 Ом

R18 = 100 Ом

C10 - R17 - дифференциальная цепь на выходе компаратора является формирователем выходного сигнала для временных измерений;

- на C10 малое искажение,

В качестве формирователя применен операционный усилитель К140УД5А.

Основные технические характеристики операционного усилителя К140УД5А

Напряжение питания	2(613)В
Напряжение питания номинальное	212В
Ток прямой	12мА
Напряжение смещения	10мВ

Для цепей стабилизации С6= С8=10пФ, С7= 51пФ, R21= R22= 820Ом.

Расчет отрицательной обратной связи

т.к.

R29>R28

В качестве основного элемента согласующего каскада применен операционный усилитель К140УД17.

Основные технические характеристики операционного усилителя К140УД17

Напряжение питания	2(518)В
Напряжение питания номинальное	212В
Ток прямой	5мА
Напряжение смещения	0,25мВ

В цепи стабилизации R30= 100кОм

2.2 Расчет согласующего каскада

При работе операционных усилителей на низкоомную или индуктивную нагрузку КПД не превышает 50%. Для увеличения КПД применим отрицательную и положительную обратную связь (ООС и ПОС).

Для согласования усилителя с коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом выходное сопротивление усилителя должно быть тоже 50 Ом.

где

Коос> Кпос , чтобы не было самовозбуждения;

Выберем

;

;

;

;

тогда

;

;

.

2.3 Описание схемы

R1 - нагрузочный резистор для ФЭУ;

R3R13 - Делитель ФЭУ;

С2С5 - Конденсаторы снижающие помехи по цепи питания (фильтры опорного напряжения);

С1, С9 - Конденсаторы снижающие помехи в цепи делителя ФЭУ;

R14, R16 - резисторы настройки амплитуды опорного напряжения на инверсном входе компаратора;

R19 - резистор предотвращающий большое падение напряжения на втором диноде при резком скачке увеличения интенсивности излучения, нагрузочный резистор для формирования сигнала;

Операционный усилитель К140УД5А - формирователь сигнала для амплитудных измерений;

Цепь С6 - R21 и цепь С7 - С8 - R22 являются цепями стабилизации операционного усилителя К140УД5А;

R18 - балластный резистор в цепи питания;

C10 - R17 - дифференциальная цепь на выходе компаратора является формирователем выходного сигнала для временных измерений;

Операционный усилитель К140УД17 - основной элемент согласующего каскада;

R24 -отрицательная обратная связь;

R26 -положительная обратная связь;

R29 - отрицательная обратная связь;

сцинтилляционный счетчик фотоэлектронный резистор

2.4 Элементная база

№ п/п	Обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
1	DA1	ADCMP551	1	“Analog Device”
2	DA2	К140УД5Б	1
3	DA3	К140УД17	1
4	СЦ	Сцинтиллятор NaJ(Tl) 30мм	1
5	R1	С2-29в-0,125Вт-0,45МОм1%	1
6	R2 R3	С2-29в-0,125Вт-5,2МОм1%	2
7	R4 R12	С2-29в-0,125Вт-9МОм1%	9	Рекомендовано в паспорте ФЭУ
8	R13	С2-29в-0,125Вт-9МОм1%	1	Рекомендовано в паспорте ФЭУ
9	С1 С4 С9	КМ-6а-Н90-0,05мкФ20%	3
10	С10	КМ-6а-Н90-0,01мкФ20%	1	Рекомендовано “Analog Device”
11	R17	С2-29в-0,125Вт-1МОм1%	1	Рекомендовано “Analog Device”
12	C6 C8	КМ-6а-Н90-15пФ20%	2	Рекомендовано в паспорте К140УД5Б
13	С7	КМ-6а-Н90-15пФ20%	1	Рекомендовано в паспорте К140УД5Б
14	R21 R22	С2-29в-0,125Вт-820Ом2%	1	Рекомендовано в паспорте К140УД5Б
15	R30	С2-29в-0,125Вт-100кОм1%	1	Рекомендовано в паспорте К140УД17
16	R14	СП5-3а-0,125Вт-0,45МОм5%	1	Подстроечный многооборотный
17	R15 R18	С2-29в-0,125Вт-100Ом1%	2	Справочные данные
18	R16	С2-29в-0,125Вт-150Ом10%	1	Справочные данные
19	R19	С2-29в-0,125Вт-3МОм1%	1
20	R3	С2-29в-0,125Вт-150Ом10%	1
21	R20 R23 R27 R28	С2-29в-0,125Вт-1кОм1%	4
22	R24 R29	С2-29в-0,125Вт-10кОм1%	2
23	R25	С2-29в-0,125Вт-15Ом10%	1
24	R26	С2-29в-0,125Вт-7кОм1%	1

Размещено на Allbest.ru