RU2743894C1 - Device for determining the coordinate of an ionizing particle in a multichannel semiconductor ionizing radiation sensor - Google Patents
Device for determining the coordinate of an ionizing particle in a multichannel semiconductor ionizing radiation sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743894C1 RU2743894C1 RU2020121386A RU2020121386A RU2743894C1 RU 2743894 C1 RU2743894 C1 RU 2743894C1 RU 2020121386 A RU2020121386 A RU 2020121386A RU 2020121386 A RU2020121386 A RU 2020121386A RU 2743894 C1 RU2743894 C1 RU 2743894C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channels
- sensor
- capacitance
- capacitors
- junctions
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
- G01T1/244—Auxiliary details, e.g. casings, cooling, damping or insulation against damage by, e.g. heat, pressure or the like
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится полезная модельTechnical field to which the utility model belongs
Полезная модель относится к электронным устройствам для считывания данных с датчиков ионизирующих излучений и может быть использована в приборах научно-технического назначения, предназначенных для определения координат попадания ионизирующих частиц в чувствительные элементы датчика, в т.ч. в системах мониторирования пучков ускорителей, в магнитных спектрометрах, а также для трековых измерений частиц в научных установках.The utility model refers to electronic devices for reading data from sensors of ionizing radiation and can be used in scientific and technical devices designed to determine the coordinates of the ingress of ionizing particles into the sensitive elements of the sensor, incl. in systems for monitoring beams of accelerators, in magnetic spectrometers, as well as for track measurements of particles in scientific installations.
Изобретение позволяет считывать данные с многоканальных координатно-чувствительных полупроводниковых датчиков ионизирующих излучений, используя число каналов считывания значительно меньшее, чем на самом датчике.The invention makes it possible to read data from multichannel coordinate-sensitive semiconductor sensors of ionizing radiation using the number of readout channels much less than on the sensor itself.
Уровень техникиState of the art
Многоканальные координатно-чувствительные полупроводниковые датчики ионизирующих излучений на основе кремниевых p-n диодов (а также и иных полупроводников) получили в настоящее время весьма широкое распространение в исследовательской аппаратуре для физики высоких энергий, ядерной физики, при исследовании космических лучей, а также в ряде прикладных задач, связанных с использованием ускорителей частиц. Multichannel coordinate-sensitive semiconductor sensors of ionizing radiation based on silicon pn diodes (as well as other semiconductors) are now very widespread in research equipment for high-energy physics, nuclear physics, in the study of cosmic rays, as well as in a number of applied problems, associated with the use of particle accelerators.
В настоящий момент работа с такими датчиками невозможна без использования специализированных интегральных микросхем считывания. Подобные микросхемы весьма сложны в разработке и изготовлении, и в России выпускаются в очень ограниченном ассортименте. В этой связи решения, позволяющие радикально уменьшить число электронных каналов считывания и, в некоторых случаях, отказаться от использования сложных интегральных многоканальных усилителей в пользу одиночных усилителей на дискретных элементах (гораздо более распространенных и дешевых), представляются актуальными. At the moment, work with such sensors is impossible without the use of specialized readout integrated circuits. Such microcircuits are very difficult to design and manufacture, and in Russia they are produced in a very limited range. In this regard, solutions that make it possible to radically reduce the number of electronic readout channels and, in some cases, to abandon the use of complex integrated multichannel amplifiers in favor of single amplifiers based on discrete elements (much more widespread and cheap) seem to be relevant.
Традиционное решение при работе с многоканальными координатно-чувствительными полупроводниковыми датчиками заключается в считывании сигнала с каждого канала датчика своим усилителем, при этом, как правило, применяются многоканальные усилители в интегральном исполнении. Число каналов в подобной микросхеме может достигать десятков и сотен на одном кристалле, что, при традиционно высоких требованиях к быстродействию и уровню шумов, делает подобные микросхемы крайне сложной и дорогой частью детекторной аппаратуры (Басиладзе С.Г.
“Специализированные интегральные микросхемы для детекторов ионизирующих излучений (Обзор)”, часть: Приборы и техника эксперимента. 2016. № 1. c. 5-60 и часть 2: № 2. c. 5-40). The traditional solution when working with multichannel coordinate-sensitive semiconductor sensors is to read the signal from each sensor channel with its own amplifier; in this case, as a rule, multichannel amplifiers in integral design are used. The number of channels in such a microcircuit can reach tens and hundreds on one crystal, which, with traditionally high requirements for speed and noise level, makes such microcircuits an extremely complex and expensive part of detector equipment (Basiladze S.G.
“Specialized integrated circuits for detectors of ionizing radiation (Review)”, part: Instruments and experimental technique. 2016. No. 1. p. 5-60 and Part 2: No. 2. c. 5-40).
Заявляемая полезная модель позволяет в широком круге задач уменьшить число каналов считывания многоканального датчика в 15 и более раз без ухудшения его основных характеристик по сравнению с применением многоканальных микросхем.The claimed utility model allows, in a wide range of tasks, to reduce the number of readout channels of a multichannel sensor by 15 or more times without deteriorating its main characteristics as compared to the use of multichannel microcircuits.
Наиболее близким к заявляемому решению является микростриповый кремниевый детектор (датчик) ионизирующих частиц, выполненный с возможностью емкостного деления сигналов на межстриповых емкостях (Сандуковский В. Г., Савельев В. И. “Полупроводниковые трековые детекторы”//Физика элекментарных частиц и атомного ядра. – 1991. – Т. 22. – №. 6, см. фиг.1), реализованный в ряде экспериментальных установок физики высоких энергий. Известное устройство представляет собой размещенные на верхней стороне полупроводникового кристалла взаимно изолированные полоски металлических электродов – стрипы детектора, между которыми расположены технологические емкости Cis, работающие как конденсаторы емкостного делителя; кроме того, каждый стрип соединен с задней стороной кристалла емкостью Cb. Детектор снабжен усилителями U1, U2, которые подключены к стрипам S1 и SN, соответственно, при этом каждый из усилителей имеет входную емкость Cu. Таким образом, все стрипы между S1 и SN не подключены к усилителям (являются т.н. “плавающими”) и сигнал с них будет достигать ближайших каналов усилителей справа и слева от сработавшего стрипа (см. фиг.1), перераспределяясь по цепи конденсаторов Cis между соседними стрипами. При этом соотношение сигналов в левом и правом усилителях будет равно отношению расстояний от сработавшего канала до этих усилителей, что позволяет восстановить координату сработавшего “плавающего” стрипа и определить координату попадания частицы (с точностью до шага стрипов). Данное решение предназначено для определенного типа датчиков - микрополосковых (микростриповых) кремниевых датчиков с шагом дискретных элементов (стрипов) 10-100 мкм.The closest to the claimed solution is a microstrip silicon detector (sensor) of ionizing particles, made with the possibility of capacitive division of signals on interstrip tanks (Sandukovsky V. G., Saveliev V. I. “Semiconductor track detectors” // Physics of elementary particles and the atomic nucleus. - 1991. - T. 22. - No. 6, see figure 1), implemented in a number of experimental installations of high energy physics. The known device is located on the upper side of the semiconductor crystal, mutually insulated strips of metal electrodes - detector strips, between which there are technological capacities Cisacting as capacitors of a capacitive divider; in addition, each strip is connected to the back of the crystal with capacitance Cb... The detector is equipped with amplifiers Uone, U2that are connected to strips Soneand SN, respectively, in this case, each of the amplifiers has an input capacitance Cu... Thus, all strips between Sone and SN are not connected to amplifiers (they are so-called “floating”) and the signal from them will reach the nearest amplifier channels to the right and left of the triggered strip (see Fig. 1), redistributing along the chain of capacitors Cis between adjacent strips. In this case, the ratio of signals in the left and right amplifiers will be equal to the ratio of the distances from the triggered channel to these amplifiers, which makes it possible to restore the coordinate of the triggered “floating” strip and determine the coordinate of the particle hit (accurate to the strips pitch). This solution is intended for a certain type of sensors - microstrip (microstrip) silicon sensors with a discrete element (strip) pitch of 10-100 microns.
Однако, в данном устройстве, а также в ряде известных из уровня техники приборов максимальное число промежуточных “плавающих” стрипов не превышает шести. В частности, в кремниевом вершинном детекторе эксперимента ALEPH на электрон-позитронном коллайдере (LEP) в европейском Центре Ядерных Исследований (CERN, Швейцария) считывание осуществлялось с каждого четвертого стрипа (Mours B. et al. “The design, construction and performance of the ALEPH silicon vertex detector” //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. – 1996. – Т. 379. –№.1.–С.101-115). Такое ограничение связано с тем, что конденсаторы Cis емкостного делителя реализованы в конструкции самого детектора, а именно, использована емкость, расположенная между металлизацией соседних стрипов (межстриповая емкость), которая технологически не может превышать 1пФ/см. Данный факт нашел отражение в различных публикациях (например: Г.Л. Башинджагян, Н.А. Короткова, “Применение емкостного деления заряда в кремниевых микростриповых детекторах”, Приборы и Техника Эксперимента №3 т. 49 (2006), с. 27), из которых следует, что количество промежуточных “плавающих” стрипов не может превышать 10 в связи с тем, что при увеличении их числа величина сигнала, достигающего усилитель падает, т.к. на каждом шаге деления заряда часть его остается на емкостях Cb стрипов (см. фиг.1) и доля этих потерь велика, т.к. межстриповая емкость технологически ограничена сверху указанной величиной 1пФ/см, а емкость стрипа зависит от шага стрипов и составляет от 0.1пФ/см (для шага стрипов около 50мкм) до единиц пФ/см при шаге в сотни микрометров. However, in this device, as well as in a number of devices known from the prior art, the maximum number of intermediate “floating” strips does not exceed six. In particular, in the silicon vertex detector of the ALEPH experiment at the electron-positron collider (LEP) at the European Center for Nuclear Research (CERN, Switzerland), readings were carried out from every fourth strip (Mours B. et al. “The design, construction and performance of the ALEPH silicon vertex detector ”// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. - 1996. - T. 379. –№ 1. – С.101-115). This limitation is due to the fact that the capacitors C is of the capacitive divider are implemented in the design of the detector itself, namely, a capacitance is used located between the metallization of adjacent strips (interstrip capacitance), which technologically cannot exceed 1pF / cm. This fact is reflected in various publications (for example: G.L. Bashindzhagyan, N.A. Korotkova, “Application of capacitive charge fission in silicon microstrip detectors”, Instruments and Experiment Technique No. 3 v. 49 (2006), p. 27) , from which it follows that the number of intermediate “floating” strips cannot exceed 10 due to the fact that with an increase in their number, the value of the signal reaching the amplifier decreases, since at each step of dividing the charge, part of it remains on the capacitors C b strips (see Fig. 1) and the share of these losses is large, since the interstrip capacitance is technologically limited from above by the indicated value of 1pF / cm, and the strip capacitance depends on the strip pitch and ranges from 0.1pF / cm (for a strip pitch of about 50 μm) to pF / cm units with a step of hundreds of micrometers.
Таким образом, известное решение применимо только для узкого класса кремниевых датчиков – микростриповых датчиков с шагом стрипов не более 100 мкм. И в этих условиях максимальный коэффициент уменьшения числа каналов считывания не превосходит 6 (на каждые 12 каналов приходится 2 считываемых и 10 несчитываемых каналов, расположенных между считываемыми каналами). Thus, the known solution is applicable only for a narrow class of silicon sensors - microstrip sensors with a strip pitch of no more than 100 μm. And under these conditions, the maximum reduction factor of the number of readout channels does not exceed 6 (for every 12 channels, there are 2 readable and 10 unreadable channels located between the readout channels).
Технической проблемой является разработка устройства, реализующего возможность емкостного деления при считывании сигналов с многоканальных полупроводниковых координатно-чувствительных датчиков ионизирующих частиц на основе регулярных матриц p-n переходов произвольной формы (без ограничений на шаг стрипов) с коэффициентом уменьшения числа считываемых каналов 15 и выше без ослабления требований к точности измерений. Это, в свою очередь, позволяет в ряде случаев отказаться от использования сложных специализированных многоканальных считывающих интегральных микросхем, решив поставленную задачу на одноканальных дискретных усилителях.A technical problem is the development of a device that implements the possibility of capacitive division when reading signals from multichannel semiconductor coordinate-sensitive sensors of ionizing particles based on regular matrices of pn transitions of an arbitrary shape (without restrictions on the strip pitch) with a factor of reducing the number of readout channels 15 and more without weakening the requirements for measurement accuracy. This, in turn, allows in some cases to abandon the use of complex specialized multichannel readout integrated circuits, solving the problem on single-channel discrete amplifiers.
Раскрытие полезной моделиDisclosure of a utility model
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности считывания данных с многоканальных полупроводниковых координатно-чувствительных датчиков ионизирующих частиц на основе регулярных структур p-n переходов с уменьшением числа каналов считывающей электроники в 15 раз и более от общего числа каналов датчика при сохранении точности измерений, определяемой размерами чувствительных p-n переходов датчика.The technical result of the utility model is to provide the ability to read data from multichannel semiconductor coordinate-sensitive sensors of ionizing particles based on regular structures of pn junctions with a decrease in the number of readout electronics channels by 15 times or more of the total number of sensor channels while maintaining the measurement accuracy determined by the size of the sensitive pn junctions sensor.
Технический результат достигается при осуществлении устройства для определения координаты ионизирующей частицы в М-канальном полупроводниковом датчике ионизирующего излучения на основе регулярных структур p-n переходов. Устройство включает емкостной делитель с емкостями для считывания сигналов с N каналов датчика, имеющего собственные емкости структур p-n переходов Cb, при этом емкостной делитель содержит N-1 емкость Cd, а первая и последняя из этих N-1 емкостей выполнены с возможностью подключения к зарядочувствительным усилителям U1 и U2 с входными емкостями Cu. При этом емкостной делитель представляет собой электронную схему, выполненную отдельно от полупроводникового датчика, и включающую набор N-1 последовательно соединенных между собой керамических конденсаторов с емкостями Cd, и соединенных с N каналами датчика, где параметры емкостей Cd, и Cu, выбраны из следующих соотношений:The technical result is achieved by implementing a device for determining the coordinates of an ionizing particle in an M-channel semiconductor sensor of ionizing radiation based on regular structures of pn junctions. The device includes a capacitive divider with capacities for reading signals from N channels of a sensor having its own capacities of the structures of pn junctions C b , while the capacitive divider contains N-1 capacitance C d , and the first and last of these N-1 capacitances are made with the possibility of connecting to charge-sensitive amplifiers U 1 and U 2 with input capacitances C u . In this case, the capacitive divider is an electronic circuit, made separately from the semiconductor sensor, and including a set of N-1 series-connected ceramic capacitors with capacities C d , and connected to N channels of the sensor, where the parameters of the capacitances C d , and C u are selected from the following ratios:
Cd*Cu / (NCu+Cd) > 10*Cb ,C d * C u / (NC u + C d )> 10 * C b ,
δСd > Cd/N,δС d > C d / N,
где Cd – емкости керамических конденсаторов схемы емкостного делителя;where C d - capacitance of ceramic capacitors of the capacitive divider circuit;
δСd – среднеквадратичное отклонение величин емкостей конденсаторов в схеме емкостного делителя;δС d is the root-mean-square deviation of the capacitance values of the capacitors in the capacitive divider circuit;
N – число каналов датчика, подключенных к емкостному делителю;N is the number of sensor channels connected to the capacitive divider;
Cb – емкость структур p-n переходов; C b - capacitance of pn junction structures;
Cu – входная емкость зарядочувствительного усилителя.C u is the input capacitance of the charge-sensitive amplifier.
В одном из вариантов осуществления полезной модели регулярные структуры p-n переходов выполнены в виде полосковых металлических электродов - каналов, расположенных параллельно.In one of the embodiments of the utility model, the regular structures of p-n junctions are made in the form of strip metal electrodes - channels located in parallel.
Координатная чувствительность в заявляемом устройстве достигается при анализе амплитуд сигналов с зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ) на концах предлагаемой схемы.Coordinate sensitivity in the claimed device is achieved by analyzing the amplitudes of signals from charge-sensitive amplifiers (CAS) at the ends of the proposed circuit.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлена известная из уровня техники схема микрострипового кремниевого детектора, реализующая идею емкостного деления сигналов на межстриповых емкостях; на фиг.2 схематично представлено заявляемое устройство (часть стрипового детектора, содержащего М каналов, из которых N каналов подключены к емкостному делителю), где S1 – SN – стрипы детектора, Cis – технологические емкости между металлизацией стрипов, работающие как конденсаторы емкостного делителя (прототип); Cb – емкость структуры детектора (стрипа); U1, U2 – усилители, считывающие сигналы со стрипов; Cu – входная емкость усилителя; Cd – емкости внешних керамические конденсаторов схемы емкостного делителя (заявляемое решение). На фиг.3 представлена зависимость восстановленного номера сработавшего стрипа от реально облучаемого номера стрипа, построенная по результатам обработки данных с макета устройства, созданного для исследования работы заявляемой полезной модели.The utility model is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows a circuit of a microstrip silicon detector known from the prior art, which implements the idea of capacitive division of signals on interstrip capacitors; Fig. 2 schematically shows the claimed device (part of a strip detector containing M channels, of which N channels are connected to a capacitive divider), where S 1 - S N are the detector strips, C is are the technological capacitances between the metallization of the strips, operating as capacitive capacitors divider (prototype); C b is the capacitance of the detector structure (strip); U 1 , U 2 - amplifiers that read signals from the strips; C u is the input capacitance of the amplifier; C d - capacitance of external ceramic capacitors of the capacitive divider circuit (the proposed solution). Figure 3 shows the dependence of the reconstructed number of the triggered strip on the actually irradiated strip number, built on the basis of the results of data processing from the model of the device created to study the operation of the claimed utility model.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
В заявляемой полезной модели предлагается решать задачу уменьшения числа каналов считывающей электроники для многоканальных координатно-чувствительных полупроводниковых датчиков с регулярной структурой (например, в виде полос, квадратов, секторов и т.п) с использованием емкостного деления сигнала на внешней по отношению к датчику электронной схеме. Предлагаемая схема представляет собой набор керамических конденсаторов определенной емкости Cd, соединяющих последовательно несколько структур (каналов) многоканального датчика (см. фиг.2). Крайние каналы S1 и SN такой цепочки подключены к входам пары зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ), промежуточные каналы - не подключены к усилителям и сигнал с них попадает в усилители через конденсаторы Cd внешней схемы емкостного делителя. In the claimed utility model, it is proposed to solve the problem of reducing the number of channels of readout electronics for multichannel coordinate-sensitive semiconductor sensors with a regular structure (for example, in the form of stripes, squares, sectors, etc.) using capacitive signal division on the electronic circuit external to the sensor ... The proposed circuit is a set of ceramic capacitors of a certain capacity C d , connecting in series several structures (channels) of a multichannel sensor (see figure 2). The extreme channels S 1 and S N of such a chain are connected to the inputs of a pair of charge-sensitive amplifiers (CSP), the intermediate channels are not connected to the amplifiers and the signal from them enters the amplifiers through the capacitors C d of the external capacitive divider circuit.
При попадании ионизирующей частицы в один из каналов датчика, сигнал от частицы (заряд) делится на конденсаторах схемы деления и вызывает срабатывание усилителей на концах схемы. Уровни сигналов на выходе усилителей связаны соотношением: When an ionizing particle enters one of the sensor channels, the signal from the particle (charge) is divided by the capacitors of the fission circuit and triggers the amplifiers at the ends of the circuit. The signal levels at the output of the amplifiers are related by the ratio
U1/(U1+U2) = (N-n1)/N (1) ,U 1 / (U 1 + U 2 ) = (Nn 1 ) / N (1),
где U1 – сигнал в одном усилителе, U2 – сигнал в другом усилителе этой схемы делителя, n1 - число конденсаторов делителя от первого усилителя до структуры, в которую попала частица, и N – число структур (каналов), включенных в схему емкостного делителя. Данное выражение позволяет, измерив U1 и U2, определить величину n1, которая непосредственно определяет место попадания частицы с точностью до размеров структур детектора. Выражение (1) получено в условиях, когда для U1 и U2 можно пренебречь потерями заряда на собственных емкостях структур датчика – Сb, также в нем для простоты не учтено влияние входных емкостей усилителей Cu, при этом эти величины существенны для определения оптимальных значений величин конденсаторов в схеме делителя. Чтобы минимизировать потери сигнального заряда на емкостях Cb должно выполняться с соотношение: where U 1 is the signal in one amplifier, U 2 is the signal in the other amplifier of this divider circuit, n 1 is the number of divider capacitors from the first amplifier to the structure into which the particle has fallen, and N is the number of structures (channels) included in the capacitive circuit. divider. This expression allows, by measuring U 1 and U 2 , to determine the value of n 1 , which directly determines the location of the particle hit with an accuracy up to the size of the detector structures. Expression (1) was obtained under conditions when for U 1 and U 2 it is possible to neglect the charge losses on the intrinsic capacitances of the sensor structures - C b , and for simplicity, it does not take into account the influence of the input capacitances of the amplifiers C u , while these values are essential for determining the the values of the capacitors in the divider circuit. To minimize the loss of the signal charge on the capacitors C b, the ratio should be met:
Cd*Cu / (NCu+Cd) > 10*Cb , (2),C d * C u / (NC u + C d )> 10 * C b , (2),
где Cd – емкости внешних керамических конденсаторов схемы емкостного делителя; where C d - capacitance of external ceramic capacitors of the capacitive divider circuit;
N – число каналов датчика, подключенных к емкостному делителю;N is the number of sensor channels connected to the capacitive divider;
Cb – емкость структур p-n переходов;C b - capacitance of pn junction structures;
Cu – входная емкость зарядочувствительного усилителя.C u is the input capacitance of the charge-sensitive amplifier.
Таким образом, схема делителя сохраняет работоспособность при следующих условиях:Thus, the divider circuit remains operational under the following conditions:
1. Сd > 10*NCu и Cu > 10*Cb , 1.C d > 10 * NC u and C u > 10 * C b ,
2. NСu > 10*Cd и Cd/N > 10*Cb ,2.NC u > 10 * C d and C d / N> 10 * C b ,
3. Сu ≈ Cd и Cd/N > 10*Cb, и Cd/N > 10*Cb , (Сu ≈ Cd означает, что величины Сu и Cd являются величинами одного порядка).3.C u ≈ C d and C d / N> 10 * C b , and C d / N> 10 * C b, (C u ≈ C d means that the quantities C u and C d are quantities of the same order).
Также из соотношений (1) и (2) следуют два ограничения на точность значения емкостей конденсаторов в схеме деления и на уровень шумов усилителей:Also, from relations (1) and (2), two restrictions follow on the accuracy of the capacitance values of the capacitors in the dividing circuit and on the noise level of amplifiers:
δСd > Cd/N, (3)δС d > C d / N, (3)
δU < U0/N, (4)δU <U 0 / N, (4)
где U0 – ожидаемая величина сигнала в датчике от регистрируемых частиц без учета делителя (фактически U0=U1+U2 – пренебрегая потерями сигнала на Cb); δСd - средне-квадратичное отклонение (с.к.о.) величин емкостей конденсаторов в схеме емкостного делителя; δU – с.к.о. уровня выходного сигнала усилителя в отсутствии сигнала от частиц. δU характеризует применяемый усилитель.where U 0 is the expected value of the signal in the sensor from the registered particles without taking into account the divider (in fact, U 0 = U 1 + U 2 - neglecting the signal loss at C b ); δС d is the root-mean-square deviation (rms) of the capacitance values of the capacitors in the capacitive divider circuit; δU - r.m.s. the output level of the amplifier in the absence of a signal from particles. δU characterizes the amplifier used.
Важно отметить, что в предлагаемом устройстве сам делитель не является источником дополнительных шумов в системе. It is important to note that in the proposed device the divider itself is not a source of additional noise in the system.
При использовании элементов повышенной точности с разбросом значений емкостей в 1% условие (3) накладывает ограничение на число каналов в делителе N<100. Условие (3) можно выполнить и при использовании стандартных элементов с разбросом значений емкостей 5% или 10%, проведя отбор конденсаторов делителя по данному значению. Однако в реальном устройстве более жесткое ограничение, как правило, накладывает уровень шумов усилителей δU из соотношения (4).When using elements of increased accuracy with a spread of capacitance values of 1%, condition (3) imposes a limitation on the number of channels in the divider N <100. Condition (3) can also be met when using standard elements with a range of capacitance values of 5% or 10%, by selecting the divider capacitors for this value. However, in a real device, a more stringent limitation, as a rule, is imposed by the noise level of the amplifiers δU from relation (4).
Следует отметить, что заявляемое устройство может быть реализовано в виде электронной платы с ячейками, охватывающими N структур в датчике, содержащем гораздо большее количество структур (например, число структур в датчике может быть равным 320, число структур в ячейке делителя - 32, количество ячеек для обслуживания всего датчика – 10шт). Таким образом, детектор с большим числом каналов может обслуживаться несколькими устройствами емкостных делителей.It should be noted that the claimed device can be implemented in the form of an electronic board with cells covering N structures in a sensor containing a much larger number of structures (for example, the number of structures in the sensor can be equal to 320, the number of structures in a divider cell - 32, the number of cells for maintenance of the entire sensor - 10 pcs). Thus, a detector with a large number of channels can be served by several capacitive dividers.
Заявляемая полезная модель была реализована в виде работоспособного макета, который включал: The claimed utility model was implemented in the form of a workable layout, which included:
- координатно-чувствительный стриповый кремниевый датчик размером 65*65мм с шагом стрипов 2 мм и общим количеством стрипов 32; емкость стрипов Сb в рабочем состоянии составила 45-50пФ - coordinate-sensitive strip silicon sensor measuring 65 * 65mm with a strip pitch of 2 mm and a total of 32 strips; the capacity of strips C b in working condition was 45-50 pF
- схему емкостного делителя с количеством ячеек-конденсаторов Cd, равным 31 (на один конденсатор меньше по сравнению с количеством подключаемых стрипов датчика), при этом емкости керамических конденсаторов делителя составляли 100 нФ (схема подключения приведена на фиг.2); - a capacitive divider circuit with the number of capacitor cells C d equal to 31 (one capacitor less than the number of connected sensor strips), while the capacitance of the divider's ceramic capacitors was 100 nF (the connection diagram is shown in Fig. 2);
- два зарядочувствительных усилителя с входными емкостями ~40 нФ. - two charge-sensitive amplifiers with input capacitances of ~ 40 nF.
В данном устройстве при выборе конденсаторов реализовано соотношение (2): Cu≈40нФ, Cd=100нФ, Cb=45÷50пФ, N=32, N*Сu≈1200нФ > 10Cd=1000нФ и Cd/N = 3нФ > 10Cb = 450÷500пФ. In this device, when choosing capacitors, the ratio (2) is implemented: C u ≈40nF, C d = 100nF, C b = 45 ÷ 50pF, N = 32, N * C u ≈1200nF> 10C d = 1000nF and C d / N = 3nF> 10C b = 450 ÷ 500pF.
Выбор параметров конденсаторов делителя в соответствии с условием (2) позволяет включать в схему емкостного делителя большое количество структур датчика, не принимая во внимание потери сигнала на емкостях этих структур, в данном решении это условие легко достигается, т.к. емкости внешних конденсаторов могут варьироваться в широких пределах.The choice of the parameters of the divider capacitors in accordance with the condition (2) makes it possible to include a large number of sensor structures in the capacitive divider circuit, without taking into account the signal loss on the capacitances of these structures; in this solution, this condition is easily achieved, since the capacitances of external capacitors can vary widely.
В делителе применены керамические SMD конденсаторы типоразмера 0805 (температурный коэффициент - U2J, максимальное рабочее напряжение - 10В, точность конденсаторов - 5%). Выбор типоразмера конденсатора обусловлен в данном случае хорошим сопряжением размера конденсатора (2мм) и шага стрипов кремниевого датчика – также 2мм. Выбор максимального рабочего напряжения (10В) обусловлен отсутствием в схеме значительных перепадов напряжений, как в статических режимах, так и при прохождении сигнала. The divider uses ceramic SMD capacitors of standard size 0805 (temperature coefficient - U2J, maximum operating voltage - 10V, capacitor accuracy - 5%). The choice of the standard size of the capacitor is due in this case to a good match between the size of the capacitor (2mm) and the step of the silicon sensor strips - also 2mm. The choice of the maximum operating voltage (10V) is due to the absence of significant voltage drops in the circuit, both in static modes and during signal transmission.
В устройстве 32 канала кремниевого стрипового датчика были подключены к схеме емкостного делителя. Сигналы с усилителей обрабатывались АЦП и записывались в компьютер для анализа. Каналы (структуры) датчика облучались альфа частицами через набор коллиматоров диаметром 0.5мм, фиксирующих поток частиц на одну из 32х структур. Всего облучалось 6 структур, в каждой из которых регистрировали около 1000 частиц. Далее проводили восстановление номера сработавшей структуры, исходя из величин сигналов в концевых усилителях и емкостных параметров делителя. Результат сравнения номера облучаемой структуры и восстановленного номера, а также статистический разброс восстановленного номера для каждой позиции представлены на фиг.3.In the device, 32 channels of a silicon strip sensor were connected to a capacitive divider circuit. The signals from the amplifiers were processed by an ADC and recorded into a computer for analysis. The channels (structures) of the sensor were irradiated with alpha particles through a set of collimators with a diameter of 0.5 mm, which fix the particle flux onto one of 32 structures. A total of 6 structures were irradiated, in each of which about 1000 particles were recorded. Next, the number of the triggered structure was restored based on the signal values in the end amplifiers and the capacitive parameters of the divider. The result of comparing the number of the irradiated structure and the reconstructed number, as well as the statistical spread of the reconstructed number for each position, are shown in Fig. 3.
По представленным результатам можно сделать вывод, что в макете устройства точность восстановления координаты определяется характеристиками датчика (шагом стрипов), и схема деления не ухудшает координатную точность заявляемого устройства. При этом схема позволила сократить количество каналов считывания с 32 (считывание всех каналов) до 2-х (считывание только с крайних каналов схемы деления). According to the presented results, it can be concluded that in the device model, the accuracy of coordinate recovery is determined by the characteristics of the sensor (stripe pitch), and the division scheme does not impair the coordinate accuracy of the claimed device. At the same time, the scheme made it possible to reduce the number of readout channels from 32 (readout of all channels) to 2 (readout only from the extreme channels of the dividing circuit).
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020121386A RU2743894C1 (en) | 2020-06-28 | 2020-06-28 | Device for determining the coordinate of an ionizing particle in a multichannel semiconductor ionizing radiation sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020121386A RU2743894C1 (en) | 2020-06-28 | 2020-06-28 | Device for determining the coordinate of an ionizing particle in a multichannel semiconductor ionizing radiation sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2743894C1 true RU2743894C1 (en) | 2021-03-01 |
Family
ID=74857450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020121386A RU2743894C1 (en) | 2020-06-28 | 2020-06-28 | Device for determining the coordinate of an ionizing particle in a multichannel semiconductor ionizing radiation sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2743894C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1050382A1 (en) * | 1982-04-23 | 1985-12-23 | Предприятие П/Я М-5629 | Charged particles detector |
| RU2152057C1 (en) * | 1999-01-05 | 2000-06-27 | Столяров Олег Иванович | Device for detection of charged particles |
| WO2017063772A1 (en) * | 2015-10-14 | 2017-04-20 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Method, device and use of the device for the detection of neutrons, and reading and processing unit |
-
2020
- 2020-06-28 RU RU2020121386A patent/RU2743894C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1050382A1 (en) * | 1982-04-23 | 1985-12-23 | Предприятие П/Я М-5629 | Charged particles detector |
| RU2152057C1 (en) * | 1999-01-05 | 2000-06-27 | Столяров Олег Иванович | Device for detection of charged particles |
| WO2017063772A1 (en) * | 2015-10-14 | 2017-04-20 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Method, device and use of the device for the detection of neutrons, and reading and processing unit |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Sandukovsky V. G., Saveliev V. I. "Semiconductor track detectors". Physics of elementary particles and atomic nucleus. - 1991. - T. 22. - N 6, p. 1350-1354, fig. 1. * |
| Сандуковский В. Г., Савельев В. И. "Полупроводниковые трековые детекторы". Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 1991. - Т. 22. - N 6, стр. 1350-1354, рис. 1. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3483377A (en) | Position-sensitive radiation detector | |
| Anzivino et al. | First results from a silicon-strip detector with VLSI readout | |
| Bederede et al. | SICAL—a high precision silicon-tungsten luminosity calorimeter for ALEPH | |
| Garcia-Sciveres et al. | The SVX3D integrated circuit for dead-timeless silicon strip readout | |
| Dwuraźny et al. | Experimental study of electron-hadron separation in calorimeters using silicon diodes | |
| US3129329A (en) | Fast neutron spectrometer using spaced semiconductors for measuring total energy of neutrons captured | |
| RU2743894C1 (en) | Device for determining the coordinate of an ionizing particle in a multichannel semiconductor ionizing radiation sensor | |
| Markakis | Mercuric iodide photodetector-cesium iodide scintillator gamma ray spectrometers | |
| Williams et al. | Sub-nanosecond timing with semiconductor detectors | |
| US7161153B2 (en) | Apparatus and method for detecting α-ray | |
| Bottan et al. | Mass discrimination using double-sided silicon microstrip detectors for pions and protons at intermediate energies | |
| Smith et al. | A Fast, Low-Jitter, and Low-Time-Walk Multi-Channel Front-End IC for Diamond and Silicon Radiation Detectors | |
| Beker et al. | A hybrid silicon pixel telescope tested in a heavy-ion experiment | |
| US4527063A (en) | Solid state nuclear radiation detector circuit with constant sensitivity | |
| Nouicer et al. | Silicon pad detectors for the PHOBOS experiment at RHIC | |
| Keeney et al. | A silicon telescope for applications in nanodosimetry | |
| Meier et al. | Development of an ASIC for charged particle counting with silicon radiation detectors | |
| Lipton | The D0 silicon tracker | |
| Kirichenko et al. | RSFQ time digitizing system | |
| Drake et al. | The Rabbit system: Low cost, high reliability front end electronics featuring 16 bit dynamic range | |
| Berridge et al. | The small angle electromagnetic calorimeter at SLD: a 2< e 1> m</e 1>(2) application of silicon detector diodes | |
| Sellin et al. | Spatial resolution measurements of gallium arsenide microstrip detectors | |
| Atkin et al. | Testing a 32-channel integrated circuit for recording signals of silicon detectors | |
| Dvornikov et al. | Circuit Features of Multichannel Chips of Reading Electronics of Silicone Photomultiplier Tubes | |
| Brückner et al. | Silicon μ-strip detectors with SVX chip readout |