CS259709B1

CS259709B1 - Input element of cryogenic low noise charge sensitive preamplifier

Info

Publication number: CS259709B1
Application number: CS854662A
Authority: CS
Inventors: Ladislav Fojtik; Jiri Merinsky; Alzbeta Polackova; Jiri Bendl; Karel Knapp
Original assignee: Ladislav Fojtik; Jiri Merinsky; Alzbeta Polackova; Jiri Bendl; Karel Knapp
Priority date: 1985-06-25
Filing date: 1985-06-25
Publication date: 1988-10-14
Also published as: CS466285A1

Abstract

Nízkošumový nábojově citlivý předzesilovač zpracovává signály z polovodičových detektorů určených pro spektrometrická měření záření X. Konstrukční řešení musí respektovat nejen požadavky elektronické, ale i kryogenické. Uspořádání vstupního prvku předzesilovače ovlivňuje výsledné konstrukční řešení kryogenního stupně a rozhoduje o funkčních vlastnostech celého spektrometrického stupně. Vstupní prvek předzesilovače tvoří alespoň jedna podložní izolační destička, na které je vytvořen vodivý obrazec pro připojení vývodů čipu tranzistoru, topného prvku a kapacitní zpětné vazby. Může sloužit také k připojení optoelektronického prvku a čidla pro měření teploty. Soustava podložních izolačních destiček je pevně připojena k přívodu chladu kryotechnických prostředků. Toto uspořádání vstupního prvku umožňuje lepší využití omezeného prostoru kryogenních prostředků k umístění funkčních částí. Navržené řešení znamená snížení šumu předzesilovače a tím l zvýšení energetické rozlišovací schopnosti celé detekční jednotky.A low-noise charge-sensitive preamplifier processes signals from semiconductor detectors intended for spectrometric measurements of X-rays. The design solution must respect not only electronic but also cryogenic requirements. The arrangement of the input element of the preamplifier influences the resulting design solution of the cryogenic stage and determines the functional properties of the entire spectrometric stage. The input element of the preamplifier consists of at least one substrate insulating plate, on which a conductive pattern is created for connecting the terminals of the transistor chip, heating element and capacitive feedback. It can also be used to connect an optoelectronic element and a sensor for temperature measurement. The system of substrate insulating plates is firmly connected to the cold supply of cryogenic devices. This arrangement of the input element allows better use of the limited space of cryogenic devices for placing functional parts. The proposed solution means reducing the noise of the preamplifier and thereby increasing the energy resolution of the entire detection unit.

Description

Vynález se týká uspořádání vstupního prvku kryogenního nízkošumového nábojově citlivého předzesilovače s regulovaným chlazením.The invention relates to an arrangement of an input element of a cryogenic low noise charge sensitive preamplifier with controlled cooling.

Typické obvodové řešení vstupního prvku — obvodu předzesilovače s regulovaným chlazením, obsahuje polovodičový detektor, vazební člen, vstupní diskrétní prvek, kryotechnické prostředky zajišťující chlazení polovodičového detektoru a vstupního diskrétního prvku, topný prvek a další nechlazenou část nízkošumového předzesilovače. Je známa celá řada realizací konstrukčních variant vstupního aktivního prvku a souvisejících součástí zajišťujících jeho regulované chlazení.A typical circuit design of an input element - a controlled cooling preamplifier circuit, comprises a semiconductor detector, coupler, input discrete element, cryotechnical means for cooling the semiconductor detector and input discrete element, a heating element and other uncooled part of a low noise preamplifier. A number of realizations of design variants of the input active element and related components providing its controlled cooling are known.

Typické uspořádání tvoří tranzistor umístěný na izolačním držáku, který je přichycen na tenkostěnné kovové trubce, na které je umístěn topný prvek. Ke druhému konci tenkostěnné kovové trubky je přiveden přívod chladu.A typical arrangement is a transistor placed on an insulating bracket that is attached to a thin-walled metal tube on which the heating element is placed. A cold supply is provided to the other end of the thin-walled metal tube.

Uvedené řešení má vedle své robustnosti ještě celou řadu nevýhod. Objevují se zde problémy materiálové, protože taková konstrukce vyžaduje použití kvalitních tepelně vodivých izolačních materiálů a vhodných tmelů odolných proti nízkým teplotám pro spojování jednotlivých dílů. Konstrukční uspořádání vykazuje velké rozptylové kapacity, nedostatečnou mechanickou stabilitu a podobně.In addition to its robustness, this solution has a number of disadvantages. Material problems arise because such construction requires the use of high-quality thermally conductive insulating materials and suitable low-temperature sealants for joining individual parts. The design has large scattering capacities, insufficient mechanical stability and the like.

Nepříznivě se projevuje také obtížná montáž choulostivého polovodičového prvku, vazebních členů a jejich vývodů. Robustnost tohoto řešení se projeví jako nevýhoda při požadavku na miniaturizaci celkového provedení předzesilovače. Elektrický příkon topného prvku je relativně vysoký a nepříznivě ovlivňuje spotřebu chladicího média. ' Tyto nedostatky odstraňuje vstupní prvek kryogenního nízkošumového nábojově citlivého předzesilovače podle vynálezu, jehož podstatou je, že je tvořen alespoň jednou podložní izolační destičkou zhotovenou z korundové keramiky, na jejímž povrchu je vytvořen vodivý obrazec pro připojení vývodů diskrétních funkčních prvků, přitom podložní izolační destička je pevně připojena k přívodu chladu kryotechnických prostředků. Diskrétní funkční prvky tvoří čip tranzistoru, topný prvek, tvořený buď odporovým, nebo polovodičovým elementem, kondenzátor zpětné vazby, případně optoelektronický prvek nebo i čidlo pro měření teploty.Difficult assembly of the delicate semiconductor element, couplers and their terminals is also unfavorable. The robustness of this solution proves to be a disadvantage in the requirement for miniaturization of the overall preamplifier design. The electrical input of the heating element is relatively high and adversely affects the consumption of the coolant. These drawbacks are eliminated by the input element of the cryogenic low-noise charge-sensitive preamplifier according to the invention, which consists of at least one corundum ceramic backing plate on which a conductive pattern is formed on the surface for connecting discrete functional element outlets. firmly connected to the cold inlet of cryotechnics. Discrete functional elements consist of a transistor chip, a heating element consisting of either a resistive or semiconductor element, a feedback capacitor, or an optoelectronic element or even a temperature sensor.

Uspořádání vstupního prvku podle vynálezu umožňuje lépe využít omezený prostor kryogenních prostředků k umístění všech funkčních částí. Minimalizací konstrukčního uspořádání vstupního prvku kryogenního nízkošumového nábojově citlivého předzesilovače lze docílit zvýšení mechanické stability, snížení mikrofónie, rozptylových kapacit a tepelného příkonu nutného k regulaci teploty tranzistoru. Montáž se zjednodušuje a parametry konstrukce jsou lépe definovány. Zlepší se také kryotechnické podmínky tím, že se urychlí stabilizace teploty vstupního prvku i detektoru a sníží se odpor chladivá. Použití vstupního prvku podle vynálezu ve vstupním obvodu vede ke snížení šumu předzesilovače a tím ke zvýšení rozlišovací schopnosti detekční jednotky, která je určujícím parametrem celého detekčního zařízení.The configuration of the input element according to the invention makes it possible to better use the limited space of cryogenic means to accommodate all functional parts. By minimizing the design of the input element of the cryogenic low noise charge sensitive preamplifier, mechanical stability can be increased, the microphones, scattering capacities and thermal input required to control the transistor temperature can be reduced. Assembly is simplified and construction parameters are better defined. Cryotechnical conditions will also be improved by accelerating the stabilization of the temperature of the input element and the detector and reducing the refrigerant resistance. The use of an input element according to the invention in an input circuit results in a reduction of the preamplifier noise and thus an increase in the resolution of the detection unit, which is a determining parameter of the entire detection device.

Konkrétní uspořádání vstupního prvku kryogenního nízkošumového nábojově citlivého předzesilovače podle vynálezu je uvedeno na přiloženém výkrese. Na podložní destičce '1 je vytvořen vodivý obraz 2, který slouží k připojení vývodů diskrétních funkčních prvků 3, 4 a 5, případně také 6 a 7, přitom podložní izolační destička 1 je pevně připojena k přívodu chladu 8 kryotechnických prostředků. Diskrétní funkční prvky 3 avoří čip tranzistoru, 4 topný prvek a 5 kondenzátor zpětné vazby. Funkční prvek 6 tvoří optoelektronický prvek a prvek 7 je čidlo pro měření teploty.A particular arrangement of the input element of the cryogenic low noise charge sensitive preamplifier according to the invention is shown in the attached drawing. A conductive image 2 is formed on the substrate plate 1, which serves to connect the terminals of the discrete functional elements 3, 4 and 5, possibly also 6 and 7, the substrate insulation plate 1 being firmly connected to the cold supply 8 of the cryotechnical means. Discrete functional elements 3 form a transistor chip, 4 a heating element and 5 a feedback capacitor. The functional element 6 is an optoelectronic element and the element 7 is a temperature measuring sensor.

Vstupní prvek podle vynálezu byl využit jako součást vstupního obvodu nízkošumového nábojově citlivého předzesilovače, který je určen ke zpracování signálu z polovodičového detektoru při spektrometrii záření X na rastrovacím elektronovém mikroskopu.The input element according to the invention has been used as part of the input circuit of a low noise charge sensitive preamplifier, which is designed to process a signal from a semiconductor detector in X-ray spectrometry on a scanning electron microscope.

Konstrukční uspořádání podle vynálezu bylo odzkoušeno na konkrétním provedení, kdy podložní izolační destička 1 byla zhotovena z korundové keramiky a na ni byl známou technikou hybridních obvodů vytvořen vodivý obraz 2. Jako prvku 3 bylo použito čipu tranzistoru JFET, kapacitní zpětná vazba pomocí prvku 5 byla realizována vodičem paralelním s vývodem čipu tranzistoru 3 a topný prvek 4 byl vytvořen odporovou vrstvou. Ve funkci čidla teploty 7 byla použita polovodičová dioda.The construction according to the invention has been tested in a particular embodiment in which the backing plate 1 was made of corundum ceramic and a conductive image 2 was produced by a known hybrid circuit technique 2. The element 3 was a JFET chip, capacitive feedback using element 5 was realized. a conductor parallel to the terminal of the transistor 3 chip and the heating element 4 has been formed by a resistive layer. A semiconductor diode was used as temperature sensor 7.

Vstupní prvek byl spolu s křemíkovým detektorem umístěn v nástavci kryostatu, který se zasouvá do pracovní komory rastrovacího elektronového mikroskopu. V dalším provedení byla použita ještě svítivá dioda jako optoelektronický prvek 6, opticky vázána na čip tranzistora 3.The input element, together with the silicon detector, was placed in a cryostat extension that is inserted into the scanning chamber of the scanning electron microscope. In another embodiment, a light-emitting diode was used as an optoelectronic element 6, optically coupled to the chip of transistor 3.

Vstupní prvek kryogenního nízkošumového nábojově citlivého předzesilovače podle vynálezu lze využít ve všech aplikacích, kde polovodičový detektor a vstupní obvody předzesilovače jsou udržovány na nízké teplotě.The input element of the cryogenic low noise charge sensitive preamplifier according to the invention can be used in all applications where the semiconductor detector and preamplifier input circuits are kept at a low temperature.

Claims

An input element of a pryogenic low noise charge sensitive preamplifier, characterized in that it comprises at least one corundum ceramic backing plate (1), on the surface of which a conductive pattern (2) is formed for connecting the terminals of discrete functional elements (3, 4) , 5) or (6, 7) respectively, the underlying insulating plate (1) being fixedly connected to the cold supply (8) of the cryo-technical means.

VYNALEZU

An input element according to claim 1, characterized in that the discrete functional element (3) forms a transistor chip, the discrete functional element (4) forms a heating element formed by either a resistive or semiconductor element and the discrete functional element (5 j forms a feedback capacitor) or the discrete functional element (6) forms an optoelectronic element and the discrete functional element (7) forms a temperature measuring sensor.