ITBO20110091A1

ITBO20110091A1 - ELECTRIC FEEDER DEVICE FOR IONIZING RADIATION DETECTORS

Info

Publication number: ITBO20110091A1
Application number: IT000091A
Authority: IT
Inventors: Elena Moretti; Nicola Sabba
Original assignee: Nem Nuclear E Mission S R L
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-08-29

Description

DISPOSITIVO ALIMENTATORE ELETTRICO PER RIVELATORI DI RADIAZIONE IONIZZANTE ELECTRIC POWER SUPPLY DEVICE FOR IONIZING RADIATION DETECTORS

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invenzione s'inquadra nel settore concernente i rivelatori di radiazione ionizzanti, in particolare per impiego in applicazioni di Medicina Nucleare, e si riferisce ad un dispositivo alimentatore elettrico per un rivelatore di radiazione ionizzante e simili destinato ad alimentare detto rivelatore di radiazione o rivelatori di particelle, camere a ionizzazione e fotomoltiplicatori con una tensione continua, stabile e virtualmente priva di rumore avente un elevato e predeterminato valore, ad esempio dell’ordine del migliaio di Volt. The present invention falls within the sector concerning ionizing radiation detectors, in particular for use in Nuclear Medicine applications, and refers to an electric power supply device for an ionizing radiation detector and the like intended to power said radiation detector or detectors. of particles, ionization chambers and photomultipliers with a continuous, stable and virtually noise-free voltage having a high and predetermined value, for example in the order of a thousand volts.

Nel settore dei rivelatori di radiazione ionizzanti, in particolare per impiego in applicazioni di Medicina Nucleare sono degli alimentatori per tali rivelatori che convertono l'energia rilasciata al loro interno dalla radiazione stessa in un segnale elettrico. In the sector of ionizing radiation detectors, in particular for use in Nuclear Medicine applications, there are power supplies for such detectors which convert the energy released inside them by the radiation itself into an electrical signal.

In genere questo segnale elettrico viene prodotto attraverso la generazione di un potenziale elettrico spesso elevato, ad esempio di qualche centinaio di Volts o indicativamente di un migliaio di volt , a seconda del tipo di rivelatore. Generally this electrical signal is produced through the generation of an often high electrical potential, for example of a few hundred Volts or approximately one thousand volts, depending on the type of detector.

Inoltre per garantire la stabilità del rivelatore nel tempo è necessario che l'alimentazione sia molto stabile, con fluttuazioni rispetto al valore medio entro l'uno per mille. Furthermore, to ensure the stability of the detector over time, the power supply must be very stable, with fluctuations with respect to the average value within one per thousand.

Per la generazione di alta tensione (fino a 1 kV) a bassa potenza (< 1 watt) si utilizza comunemente uno stadio rettificatore a ponte di diodi od un moltiplicatore di tensione; in entrambi i casi una necessità importante è quella di filtrare il rumore prodotto dallo stadio rettificatore-duplicatore a diodi. For the generation of high voltage (up to 1 kV) at low power (<1 watt) a diode bridge rectifier stage or a voltage multiplier is commonly used; in both cases an important need is to filter the noise produced by the diode rectifier-doubler stage.

Il modo più comune per filtrare la tensione in uscita di un rettificatore a diodo è l'utilizzo di un condensatore di “livellamento” di grande valore in modo da immagazzinare l'energia necessaria fra una cresta e l'altra del segnale alternato rettificato. Quando però la tensione da livellare è elevata (>150V) tale soluzione nota presenta lo svantaggio di richiedere condensatori di livellamento con capacità, e quindi con costi ed ingombri, eccessivi. Quando inoltre è richiesto un livello della ondulazione residua sovrapposta alla tensione continua inferiore allo 0, 1 per mille ed una tensione elevata, il solo condensatore di filtro diventa insufficiente. La soluzione nota più semplice ed economica è quella di adottare, oltre al condensatore, un filtro di tipo RC, ovvero comprendente un condensatore ed una resistenza, con frequenza di taglio molto inferiore alla frequenza della tensione alternata. The most common way to filter the output voltage of a diode rectifier is to use a large value “smoothing” capacitor in order to store the energy needed between one peak and the other of the rectified alternating signal. However, when the voltage to be smoothed is high (> 150V) this known solution has the disadvantage of requiring smoothing capacitors with excessive capacitance, and therefore with excessive costs and dimensions. Furthermore, when a level of residual ripple superimposed on the direct voltage lower than 0.1 per thousand and a high voltage is required, the filter capacitor alone becomes insufficient. The simpler and cheaper known solution is to adopt, in addition to the capacitor, an RC type filter, ie comprising a capacitor and a resistor, with a cut-off frequency much lower than the frequency of the alternating voltage.

Grazie alla frequenza di taglio del filtro Ft = 1/(2 IIRC) molto inferiore alla frequenza del generatore di tensione alternata, si ha una forte riduzione del rumore. Uno svantaggio di quest’ultima soluzione nota consiste nel fatto che risulta accettabile solo a patto che il carico posto in uscita assorba una corrente molto piccola, altrimenti quest’ultima soluzione nota crea una caduta di tensione sulla resistenza serie del filtro RC che peggiora la stabilità di tensione dell'alimentatore al variare del carico (variazioni della corrente assorbita da carico comportano variazioni della tensione in uscita dal filtro). Thanks to the cut-off frequency of the filter Ft = 1 / (2 IIRC) much lower than the frequency of the alternating voltage generator, there is a strong reduction in noise. A disadvantage of this last known solution consists in the fact that it is acceptable only provided that the load placed at the output absorbs a very small current, otherwise this last known solution creates a voltage drop on the series resistance of the RC filter which worsens the stability voltage of the power supply as the load varies (variations in the current absorbed by the load cause variations in the output voltage of the filter).

Uno scopo della presente invenzione è quello di proporre un dispositivo alimentatore elettrico per rivelatori di radiazione ionizzante che sia molto stabile e che sia compatto ed economico. An object of the present invention is to propose an electric power supply device for ionizing radiation detectors which is very stable and which is compact and economical.

Altro scopo è di proporre un dispositivo alimentatore che fornisca una tensione sufficientemente livellata e stabile anche durante l’erogazione di correnti relativamente elevate. Another purpose is to propose a power supply device that provides a sufficiently leveled and stable voltage even during the supply of relatively high currents.

Ulteriore scopo è di proporre un dispositivo alimentatore elettrico adatto anche a rivelatori di particelle, camere a ionizzazione e fotomoltiplicatori. A further object is to propose an electric power supply device also suitable for particle detectors, ionization chambers and photomultipliers.

Il dispositivo alimentatore elettrico per rivelatori di radiazione ionizzante oppure per rivelatori di particelle, camere a ionizzazione e fotomoltiplicatori, oggetto della presente invenzione, comprende un trasformatore il cui avvolgimento primario è alimentato con una predeterminata tensione alternata ad una predeterminata frequenza, ad esempio dell’ordine dei KHz o delle decine di Khz, ed il cui avvolgimento secondario alimenta, con una tensione opportunamente innalzata, l’ingresso per alternata di un ponte di diodi. L’uscita per la tensione raddrizzata del ponte, comprende un morsetto di massa ed un morsetto alla tensione Vcc. The power supply device for ionizing radiation detectors or for particle detectors, ionization chambers and photomultipliers, object of the present invention, comprises a transformer whose primary winding is powered with a predetermined alternating voltage at a predetermined frequency, for example of the order of KHz or tens of Khz, and whose secondary winding supplies, with a suitably raised voltage, the AC input of a diode bridge. The output for the rectified voltage of the bridge includes a ground terminal and a terminal at Vcc voltage.

Detta uscita è collegata ad un condensatore di filtro Cl, interporto tra detti morsetti di tensione e di massa, ed un filtro RC costituito da una resistenza RI avente un primo reoforo connesso al morsetto alla tensione Vcc ed un secondo reoforo connesso a massa tramite un condensatore C2. Tale filtro RC è seguito da uno stadio inseguitore a transistor BJT indicato con TR. Il filtro RC può essere dimensionato con valori di resistenza elevati e valori di capacità relativamente piccoli quindi la soluzione della presente invenzione è adatta anche per tensioni di funzionamento elevate. Said output is connected to a filter capacitor Cl, intermediate between said voltage and ground terminals, and a filter RC consisting of a resistor RI having a first lead connected to the terminal at voltage Vcc and a second lead connected to ground by means of a capacitor C2. This RC filter is followed by a BJT transistor follower stage designated TR. The RC filter can be sized with high resistance values and relatively small capacitance values therefore the solution of the present invention is also suitable for high operating voltages.

La base del transistor TR è collegata all’uscita del filtro RC ovvero al secondo reoforo della resistenza RI; il collettore del transistor TR è collegato al morsetto alla tensione Vcc e l’emettitore di tale transistor TR costituisce l’uscita del dispositivo alimentatore. Il carico RL, consistente nel rivelatore di radiazione ionizzante oppure in un rivelatore di particelle, in una camere a ionizzazione o in un fotomoltiplicatore, è collegato a detta uscita del dispositivo ovvero all’emettitore ed al morsetto di massa. The base of the transistor TR is connected to the output of the RC filter or to the second lead of the resistance RI; the collector of the transistor TR is connected to the terminal at the voltage Vcc and the emitter of this transistor TR constitutes the output of the power supply device. The load RL, consisting of the ionizing radiation detector or in a particle detector, in an ionization chamber or in a photomultiplier, is connected to said output of the device or to the emitter and to the ground terminal.

Una resistenza R2, di valore assai superiore a quello della resistenza RI, collega il secondo reoforo di tale resistenza RI al morsetto di massa. A resistor R2, of much higher value than that of the resistor RI, connects the second lead of this resistor RI to the ground terminal.

Lo stadio inseguitore (detto anche “emitter follower” o a “collettore comune”) permette di mantenere un’impedenza di uscita bassa, infatti la resistenza di uscita (Ro) dello stadio “inseguitore” è pari a Ro = Rin / Hfe dove Rin è la resistenza vista in ingresso alla base del transistor ed ha una valore pari al parallelo di RI con R2 (approssimabile al valore della resistenza RI quando la resistenza R2 ha valore molto maggiore) ed Hfe è il guadagno in corrente continua fra base e emettitore del transistor (tipicamente superiore a 100). The follower stage (also called "emitter follower" or "common collector") allows to maintain a low output impedance, in fact the output resistance (Ro) of the "follower" stage is equal to Ro = Rin / Hfe where Rin is the resistance seen at the input at the base of the transistor and has a value equal to the parallel of RI with R2 (approximate to the value of the resistance RI when the resistance R2 has a much greater value) and Hfe is the direct current gain between the base and the emitter of the transistor (typically above 100).

Le resistenze RI ed R2 sono quindi collegate in serie tra il morsetto alla tensione Vcc ed il morsetto di massa realizzando un partitore di tensione che definendo la tensione Vb alla base del transistor, determina la tensione Vce tra collettore ed emettitore del transistor come una percentuale della tensione al morsetto alla tensione Vcc. The resistors RI and R2 are then connected in series between the terminal at the voltage Vcc and the ground terminal creating a voltage divider which, defining the voltage Vb at the base of the transistor, determines the voltage Vce between the collector and emitter of the transistor as a percentage of the voltage at the terminal to voltage Vcc.

Si ha pertanto che Vb = Vcc * (R2/R1+R2), ove Vb è la tensione alla base del transistor. Scegliendo RI = 150ΚΩ e R2 = 10ΜΩ e trascurando la corrente di base, si ottiene approssimativamente: We therefore have that Vb = Vcc * (R2 / R1 + R2), where Vb is the voltage at the base of the transistor. Choosing RI = 150ΚΩ and R2 = 10ΜΩ and neglecting the base current, we obtain approximately:

Vb = Vcc * 0.99 (risultato approssimato). Vb = Vcc * 0.99 (approximate result).

Quindi la tensione sull’emettitore Ve sarà Ve=Vb-Vbe ove Vbe è la caduta di tensione della giunzione base-emettitore che vale circa 0.7V. Therefore the voltage on the emitter Ve will be Ve = Vb-Vbe where Vbe is the voltage drop of the base-emitter junction which is approximately 0.7V.

Si ricava quindi che il transistor funziona con una differenza di tensione fra collettore ed emettitore Vce = Vcc-Ve = Vcc - (Vcc * 0.99) - 0,7. It is therefore deduced that the transistor works with a voltage difference between collector and emitter Vce = Vcc-Ve = Vcc - (Vcc * 0.99) - 0.7.

Anche applicando questa soluzione ad alimentatori a tensione elevata non è indispensabile l'utilizzo di un transistor con Vce max pari alla tensione di alimentazione, in quanto la tensione Vce vista dal transistor è comunque una piccola frazione della tensione di alimentazione Vcc. Si è quindi ottenuto come risultato un filtro passa basso che pur utilizzando valori elevati di resistenza e valori piccoli di capacità ha comunque una impedenza di uscita bassa grazie all' utilizzo del transistor in configurazione “inseguitore”. Questa configurazione offre particolare vantaggio nella realizzazione di generatori di alta tensione con piccole correnti di uscita e piccolissimo rumore residuo, caratteristiche generalmente richieste per l'alimentazione di rivelatori di particelle, camere a ionizzazione, fotomoltiplicatori e rivelatori di radiazione ionizzante. Even applying this solution to high voltage power supplies, it is not essential to use a transistor with Vce max equal to the supply voltage, since the voltage Vce seen by the transistor is in any case a small fraction of the supply voltage Vcc. As a result, a low pass filter was obtained which, although using high resistance values and small capacitance values, still has a low output impedance thanks to the use of the transistor in the "follower" configuration. This configuration offers particular advantage in the realization of high voltage generators with small output currents and very low residual noise, characteristics generally required for the power supply of particle detectors, ionisation chambers, photomultipliers and ionizing radiation detectors.

Le caratteristiche dell'invenzione sono nel seguito evidenziate con particolare riferimento agli uniti disegni nei quali: The characteristics of the invention are highlighted below with particular reference to the accompanying drawings in which:

la figura 1 illustra una vista di uno schema del dispositivo alimentatore elettrico per rivelatori di radiazione ionizzante oggetto della presente invenzione; Figure 1 illustrates a view of a diagram of the electric power supply device for ionizing radiation detectors object of the present invention;

la figura 2 illustra una grafico che riporta l’andamento della tensione in rispettivi punti dello schema di figura 1. Figure 2 illustrates a graph showing the trend of the voltage in respective points of the diagram in Figure 1.

Con riferimento alla figura 1, con 1 viene indicato il dispositivo alimentatore elettrico per un carico RL consistente in un rivelatore di radiazione ionizzante oppure in un rivelatore di particelle, in una camera a ionizzazione in un fotomoltiplicatore o simili, oggetto della presente invenzione. Tale dispositivo 1 comprendente un trasformatore LL di tensione il cui avvolgimento primario è collegato in ingresso ad una sorgente S di tensione alternata avente predeterminate tensione e frequenza, ad esempio dell’ordine rispettivamente dei Volt o delle decine di Volt e dei KHz o delle decine di KHz. With reference to Figure 1, 1 indicates the electric power supply device for a load RL consisting of an ionizing radiation detector or a particle detector, in an ionization chamber in a photomultiplier or the like, object of the present invention. This device 1 comprising a voltage transformer LL whose primary winding is connected at the input to an alternating voltage source S having predetermined voltage and frequency, for example in the order of Volts or tens of Volts and KHz or tens of KHz.

Il secondario del trasformatore LL è collegato in uscita ad un ponte di diodi D, di tipo noto, che fornisce alla sua uscita, costituita da un morsetto di massa M e da una morsetto in tensione V una tensione raddrizzata Vcc. The secondary of the transformer LL is connected at the output to a diode bridge D, of a known type, which supplies a rectified voltage Vcc to its output, consisting of a ground terminal M and a voltage terminal V.

Nel seguito tutti i punti del circuito equipotenziali con i morsetti di massa M od in tensione V saranno indicati come morsetti rispettivamente di massa M ed in tensione V; inoltre tali morsetti M, V sono interconnessi da un primo condensatore CF di filtro. In the following, all the points of the equipotential circuit with the ground terminals M or voltage V will be indicated as ground terminals M and voltage V respectively; moreover these terminals M, V are interconnected by a first filter capacitor CF.

II dispositivo 1 comprende, collegati in cascata all’uscita del ponte D, un filtro RC ed un uno stadio inseguitore a transistor di alimentazione del carico RL. The device 1 comprises, connected in cascade to the output of bridge D, an RC filter and a transistor follower stage for powering the load RL.

Tale filtro RC è costituito da una prima resistenza RI avente un primo reoforo connesso al morsetto in tensione V ed il secondo reoforo connesso, in un determinato punto circuitale P, ad un reoforo di un secondo condensatore C2 il cui restante reoforo è connesso al morsetto di massa M. This filter RC consists of a first resistor RI having a first lead connected to the voltage terminal V and the second lead connected, in a determined circuit point P, to a lead of a second capacitor C2 whose remaining lead is connected to the mass M.

Nel seguito tutti i punti del circuito equipotenziali, ovvero cortocircuitati, con il determinato punto circuitale P verranno indicati anche con la medesima espressione. Il dispositivo 1 comprende anche una seconda resistenza R2 i cui reofori sono connessi rispettivamente al secondo reoforo della prima resistenza RI in detto determinato punto circuitale P ed al morsetto di massa M. In the following, all the points of the equipotential circuit, ie short-circuited, with the determined circuit point P will also be indicated with the same expression. The device 1 also comprises a second resistor R2 the leads of which are connected respectively to the second lead of the first resistor RI in said determined circuit point P and to the ground terminal M.

Lo stadio inseguitore a transistor comprende un transistor TR, di tipo BJT, la cui base è connessa a detto determinato punto circuitale P; il cui collettore è connesso al morsetto in tensione V ed il cui emettitore E costituisce, assieme al morsetto di massa M, l’uscita del dispositivo per l’alimentazione del carico RL. The transistor follower stage comprises a transistor TR, of the BJT type, the base of which is connected to said determined circuit point P; whose collector is connected to the voltage terminal V and whose emitter E constitutes, together with the ground terminal M, the output of the device for powering the load RL.

Le resistenze prima RI e seconda R2 costituiscono un partitore di tensione che determina la tensione in detto predeterminato punto circuitale P e pertanto anche alla base del transistor TR. The first R1 and second R2 resistors constitute a voltage divider which determines the voltage in said predetermined circuit point P and therefore also at the base of the transistor TR.

Il valore della seconda resistenza R2 è compreso tra 30 e 150 volte, preferibilmente circa 70 volte, il valore della prima resistenza RI; in particolare l’invenzione prevede che preferibilmente le resistenze prima RI e seconda R2 possano esemplificativamente avere valori rispettivamente di circa 150ΚΩ e di circa 10ΜΩ. Preferibilmente il transistor TR BJT può avere un guadagno Hfe uguale o superiore a 100 The value of the second resistance R2 is comprised between 30 and 150 times, preferably about 70 times, the value of the first resistance RI; in particular, the invention provides that preferably the first RI and second R2 resistors can, by way of example, have values of approximately 150ΚΩ and approximately 10ΜΩ respectively. Preferably the transistor TR BJT can have a gain Hfe equal to or greater than 100

I condensatori primo CI e secondo C2 possono avere, esemplificativamente valori approssimativi di capacità rispettivamente di 5nF e di 2.2nF. The first C1 and second C2 capacitors can have, by way of example, approximate capacitance values of 5nF and 2.2nF respectively.

L’operatività del dispositivo è illustrata in figura 2 che riporta in ascisse il valore del tempo a partire dall’accensione del dispositivo ed in ordinate i valori di tensione. La curva Vcc, che è la curva superiore e seghettata, rappresenta l’andamento della tensione Vcc nel tempo. La curva Vp, intermedia nella figura, rappresenta l’andamento nel tempo della tensione al determinato punto circuitale P che corrisponde all’andamento della tensione di base del transistor determinata dal partitore resistivo di tensione. La curva Ve, inferiore rispetto alle due precedenti, rappresenta l’andamento della tensione dell’emettitore del transistor TR ed all’uscita del dispositivo ovvero della tensione di alimentazione del carico RL. Tali andamenti delle curve Vcc, Vp e Ve sono stati ottenuti grazie ad un programma di simulazione dei uno schema circuitale rappresentativo del circuito reale del dispositivo 1. The operation of the device is illustrated in Figure 2 which shows the time value in the abscissas starting from the switching on of the device and the voltage values in the ordinates. The Vcc curve, which is the upper and serrated curve, represents the trend of the Vcc voltage over time. The Vp curve, intermediate in the figure, represents the trend over time of the voltage at the given circuit point P which corresponds to the trend of the base voltage of the transistor determined by the resistive voltage divider. Curve Ve, lower than the previous two, represents the trend of the voltage of the emitter of the transistor TR and at the output of the device or of the power supply voltage of the RL load. These trends of the Vcc, Vp and Ve curves were obtained thanks to a simulation program of a circuit diagram representative of the real circuit of device 1.

Un vantaggio della presente invenzione è di fornire un dispositivo alimentatore elettrico per rivelatori di radiazione ionizzante che sia stabilizzato e che sia compatto ed economico. An advantage of the present invention is to provide an electric power supply device for ionizing radiation detectors which is stabilized and which is compact and economical.

Altro vantaggio è di fornire un dispositivo alimentatore che fornisca una tensione sufficientemente livellata e stabile anche durante l’erogazione di correnti relativamente elevate. Another advantage is to provide a power supply device that provides a sufficiently leveled and stable voltage even during the supply of relatively high currents.

Ulteriore vantaggio è di fornire un dispositivo alimentatore elettrico adatto anche a rivelatori di particelle, camere a ionizzazione e fotomoltiplicatori. A further advantage is to provide an electric power supply device also suitable for particle detectors, ionization chambers and photomultipliers.

Claims

CLAIMS 1) Electric power supply device for ionizing radiation detectors or for particle detectors, ionization chambers, photomultipliers or similar type of load (RL) comprising a voltage transformer (LL) connected in input to an alternating voltage source (S) having predetermined voltage and frequency and connected at the output to a diode bridge (D) which supplies a rectified voltage (Vcc) to its output consisting of a ground terminal (M) and a voltage terminal (V); said device (1) being characterized by the fact that it comprises at least, connected in cascade to the output of the bridge (D), an RC filter and a transistor follower stage for powering the load (RL).

2) Device according to claim 1 characterized by the fact that the RC filter is constituted by a first resistance (RI) having a first lead connected to the voltage terminal (V) and the second lead connected, in a determined circuit point (P), to a lead of a second capacitor (C2) whose remaining lead is connected to the ground terminal (M).

3) Device according to claim 2 characterized in that it comprises a second resistance (R2) whose leads are connected respectively to the first resistance (RI) in said determined circuit point (P) and to the ground terminal (M).

4) Device according to claim 2 or claim 3 characterized in that said transistor follower stage comprises a transistor (TR) whose base is connected to said determined circuit point (P); whose collector is connected to the voltage terminal (V) and whose emitter together with the ground terminal (M) constitutes the output of the device for powering the load (RL).

5) Device according to claims 3 and 4 characterized by the fact that the first (RI) and second (R2) resistors constitute a voltage divider which determines the voltage in said predetermined circuit point (P) and therefore also at the base of the transistor (TR ).

6) Device according to claim 5 characterized in that the value of the second resistance (R2) is comprised between 30 and 150 times, preferably about 70 times, the value of the first resistance (RI).

7) Device according to claim 6, characterized in that preferably the first (R1) and second (R2) resistances have values of approximately 150ΚΩ and approximately 10ΜΩ respectively.

8) Device according to claims 4 and 7 characterized by the fact that the transistor (TR) is of the BJT type and its gain Hfe is equal to or greater than 100.

9) Device according to claim 2 characterized by the fact that the first (Cl) and second (C2) capacitors have approximate capacitance values of 5nF and 2.2nF respectively.

10) Device according to any of the preceding claims characterized by the fact that said terminals (M, V) of the output of the diode bridge (D) are interconnected by a first filter capacitor (CF).