SU1723544A1

SU1723544A1 - Spectrometric amplifier

Info

Publication number: SU1723544A1
Application number: SU894767376A
Authority: SU
Inventors: Хоанг Кыонг До; Анатолий Иванович Калинин
Original assignee: Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1989-12-12
Publication date: 1992-03-30

Abstract

Изобретение относитс к технике спектрометрических измерений с полупроводниковыми детекторами дерных излучений. Целью изобретени вл етс повышение быстродействи и энергетического разрешени путем компенсации баллистического дефицита и флуктуации времени собирани . Устройство содержит исходный спектрометрический усилитель, внутри которого имеетс резистор, определ ющий усиление усилител . Кроме того, введен дополнительный канал от входа усилител до указанного резистора, содержащий дифференцирующее звено, быстрый усилитель, интегратор тока, квадратор и полевой транзистор. Дополнительный канал предназначен дл измерени длительности входного импульса тока и выработки управл ющего напр жени дл воздействи на полевой транзистор и осуществлени компенсации. 1 ил. СЛ СThis invention relates to a spectrometric measurement technique with semiconductor nuclear radiation detectors. The aim of the invention is to increase the speed and energy resolution by compensating for the ballistic deficit and fluctuating the time of collection. The device contains an initial spectrometric amplifier, inside of which there is a resistor determining the gain of the amplifier. In addition, an additional channel is introduced from the amplifier input to the specified resistor, which contains a differentiating element, a fast amplifier, a current integrator, a quad, and a field-effect transistor. An additional channel is designed to measure the duration of the input current pulse and generate a control voltage to influence the field-effect transistor and implement compensation. 1 il. SL C

Description

Изобретение относитс к технике физического эксперимента, в частности к спектрометрическим измерени м с полупроводниковыми детекторами дерных излучений .The invention relates to a technique of physical experiment, in particular to spectrometric measurements with semiconductor nuclear radiation detectors.

Известен спектрометрический усилитель с .формирователем квазигауссовской формы.A spectrometric amplifier with a quasi-Gaussian form former is known.

Недостаток такого усилител состоит в том, что амплитуда импульса на выходе усилител зависит от времени собирани зар да в детекторе. Про вл етс так называемый эффект баллистического дефицита . Чем больше врем собирани в детекторе, тем меньше амплитуда импульса , хот энерги , выделенна в детекторе, одинакова.The disadvantage of such an amplifier is that the amplitude of the pulse at the output of the amplifier depends on the time of charge collection in the detector. The so-called ballistic deficit effect appears. The longer the acquisition time in the detector, the smaller the amplitude of the pulse, although the energy released in the detector is the same.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению вл етс усилитель, содержащий в числе других каскадов неинвертирующий каскад, в котором включены два резистора , определ ющие коэффициент усилени этого каскада (а также всего усилител ).Closest to the proposed invention is an amplifier containing, among other stages, a non-inverting stage, in which two resistors are included, which determine the gain of this stage (as well as the entire amplifier).

Недостаток этого усилител состоит в том, что нет компенсации, баллистического дефицита и энергетическое разрешение ухудшаетс из-за флуктуации времени собирани . Кроме того, баллистический дефицит снижает быстродействие работы, так как не позвол ет работать при коротких посто нных времени формировани (обычно с германиевыми детекторами работают при посто нной времени 2 мкс, тогда как минимальный уровень шумов наблюдаетс при посто нных времени около 1 мкс).The disadvantage of this amplifier is that there is no compensation, the ballistic deficit and the energy resolution deteriorates due to fluctuations in the collection time. In addition, the ballistic deficit reduces the operation speed, since it does not allow to work at short constant formation times (usually, germanium detectors are operated at a constant time of 2 µs, while the minimum noise level is observed at constant times of about 1 µs).

Цель изобретени - повысить энергетическое разрешение и быстродействие путем компенсации баллистического дефицита и флуктуации времени собирани . Введение такой компенсации позвол ет .улучшитьThe purpose of the invention is to increase the energy resolution and speed by compensating for the ballistic deficit and fluctuating collection time. The introduction of such compensation allows to improve.

VIVI

юYu

GJ СЛ 4 4GJ SL 4 4

энергетическое разрешение .при одновременном повышении быстродействи .energy resolution. at the same time increasing speed.

Указанна цель достигаетс тем, что в спектрометрический усилитель, содержащий первый и второй усилители, причем вход первого усилител вл етс входом спектрометрического усилител , выход пер- вогб усилител соединен с неинвертирую- щим входом второго усилител , а инвертирующий вход второго усилител че- рез первый резистор подключен к выходу этого усилител , вл ющемус выходом спектрометрического усилител , и через второй резистор подключен к общей шине усилител , дополнительно введены диффе- ренцирующее звено, третий усилитель, ком- паратор напр жени , управл емый интегратор тока, источник посто нного тока , повторитель напр жени , квадратор, полевой транзистор, конденсатор и третий резистор, причем вход спектрометрического усилител соединен со входом дифференцирующего звена, выход которого через последовательно соединенные третий усилитель и компаратор подключен к первому входу управл емого интегратора тока, второй вход которого св зан с источником тока, а выход через последовательно соединенные повторитель напр жени и квадратор с затвором полевого транзистора и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого и исток полевого транзистора соединены с общей шиной спектрометрического усилител , а сток полевого транзистора через третий резистор соединен с инвертиру- ющим входом первого усилител .This goal is achieved in that the spectrometric amplifier containing the first and second amplifiers, the input of the first amplifier is the input of the spectrometric amplifier, the output of the amplifier's primary amplifier is connected to the non-inverting input of the second amplifier, and the inverting input of the second amplifier through the first resistor connected to the output of this amplifier, which is the output of the spectrometric amplifier, and through the second resistor is connected to the common bus of the amplifier, a differential link, a third amplifier, are additionally introduced m is a voltage para- tor, controlled by a current integrator, a DC source, a voltage follower, a quad, a field-effect transistor, a capacitor, and a third resistor, the spectrometric amplifier input connected to the input of the differentiator, the output of which is connected through a serially connected third amplifier and comparator to the first input of a controlled current integrator, the second input of which is connected to the current source, and the output through a series-connected voltage repeater and quadrant with a field gate anzistora and a first terminal of a capacitor whose second terminal and a source of the FET are connected to the common bus spectrometric amplifier and the drain of the FET through a third resistor connected to invertiru- yuschim input of the first amplifier.

Сущность изобретени сводитс к тому , что в спектрометрический усилитель, содержащий неинвертирующий усилительный каскад с резистором, определ ю- щим коэффициент усилени , всего спектрометрического усилител , ввод т дополнительный канал, включенный между входом и указанным резистором. В этом канале вырабатываетс напр жение, про- порциональное времени собирани в детекторе , которое затем возвод т в квадрат и используют дл изменени резистора и, значит, дл коррекции усилени усилител . Величину резистора измен ют при помощи параллельно включенного полевого транзистора .The essence of the invention is that a spectral amplifier containing a non-inverting amplifier stage with a resistor determining the gain factor of the entire spectrometer amplifier is introduced with an additional channel connected between the input and the specified resistor. This channel produces a voltage proportional to the acquisition time in the detector, which is then squared and used to change the resistor and, therefore, to correct the gain of the amplifier. The magnitude of the resistor is changed by using a parallel-connected field-effect transistor.

Все вновь введенные узлы, составл ющие дополнительный канал и соответствующие им св зи, вл ютс отличительными признаками изобретени .All newly introduced nodes constituting the additional channel and the corresponding connections are distinctive features of the invention.

На чертеже приведена блок-схема спектрометрического усилител .The drawing shows a block diagram of a spectrometric amplifier.

Спектрометрический усилитель содержит первый усилитель 2, в который включены усилительные каскады и формирующие цепи исходного усилител без коррекции, и второй усилитель 3, который представл ет собой неинвертирующий усилительный каскад с резисторами 4 и 5. Вход спектрометрического усилител 1 вл етс входом первого усилител 2 и соединен со входом дифференцирующего звена 6. Выход первого усилител соединен с неинвертирующим входом второго усилител 3, а инвертирующий вход усилител 3 соединен через резистор 4 с выходом этого усилител и через резистор 5 с общей шиной усилител .The spectrometer amplifier contains the first amplifier 2, which includes amplification stages and circuitry of the original amplifier without correction, and the second amplifier 3, which is a non-inverting amplifier stage with resistors 4 and 5. The input of the spectrometric amplifier 1 is the input of the first amplifier 2 and is connected to the input of the differentiating link 6. The output of the first amplifier is connected to the non-inverting input of the second amplifier 3, and the inverting input of the amplifier 3 is connected through a resistor 4 to the output of this amplifier l and through a resistor 5 with a common bus amplifier.

Выход дифференцирующего звена 6 соединен со входом третьего усилител 7, выход усилител 7 соединен со входом компаратора 8, выход компаратора соединен с управл ющим входом интегратора 9, источник посто нного тока 10 соединен с рабочим входом интегратора, выход интегратора 9 соедини со входом повторител напр жени 11, выход повторител напр жени соединен со входом квадратора 12, выход квадратора соединен с затвором полевого транзистора 14 и с одним из выводов конденсатора 13, другой вывод конденсатора и исток полевого транзистора заземлены, а сток полевого транзистора через согласующий резистор. 15 соединен с инвертирующим входом второго усилител 3.The output of the differentiating link 6 is connected to the input of the third amplifier 7, the output of the amplifier 7 is connected to the input of the comparator 8, the output of the comparator is connected to the control input of the integrator 9, the DC source 10 is connected to the working input of the integrator, the output of the integrator 9 is connected to the input of the voltage follower 11, the output of the voltage follower is connected to the input of the quad 12, the output of the quad is connected to the gate of the field-effect transistor 14 and to one of the terminals of the capacitor 13, the other terminal of the capacitor and the source of the field-effect transistor are grounded s, and the drain of the FET through a resistor. 15 is connected to the inverting input of the second amplifier 3.

Дифференцирующее звено 6 - это пассивный RC-фильтр верхних частот. Усилитель 7 имеет врем нарастани около 20 не, коэффициент усилени его около 50. Такой усилитель можно выполнить на операционном усилителе К544УД2.Differentiating element 6 is a passive RC high-pass filter. Amplifier 7 has a rise time of about 20 n, its gain is about 50. Such an amplifier can be performed on an K544UD2 operational amplifier.

Компаратор напр жени 8 реализуетс на микросхеме К554СА2, управл емый интегратор тока на К544УД2, повторитель напр жени 11 на полевом транзисторе КПЗОЗ.A voltage comparator 8 is implemented on a K554CA2 microcircuit, controlled by a current integrator on a K544UD2, a voltage follower 11 on a KPZOZ field-effect transistor.

Квадратор (схему возведени в квадрат) можно выполнить на полупроводниковых диодах.A quad (square squaring) can be performed on semiconductor diodes.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Входные импульсы с разными временами нарастани поступают одновременно на вход исходного усилител без коррекции (усилители 2 и 3) и на дифференцирующую цепь 6. Поскольку посто нна времени дифференцирующей цепи мала (около 50 - 100 не), на выходе этой цепи формируютс импульсы , совпадающие по длительности и форме с импульсом тока входного сигнала. После усилител 7 и компаратора 8 вырабатываетс стандартный по амплитуде импульс , равный по длительности времени собирани . Напр жение, создаваемое на выходе интегратора, пропорционально времени собирани . Дл того, чтобы это напр жение можно было использовать в качестве управл ющего дл коррекции баллистического дефицита, его необходимо возвести в квадрат. Дл этого введен квадратор 11.The input pulses with different rise times arrive simultaneously to the input of the initial amplifier without correction (amplifiers 2 and 3) and to the differentiating circuit 6. Since the time constant of the differentiating circuit is small (about 50–100 n), the output of this circuit generates pulses coinciding with duration and shape with a pulse current input signal. After amplifier 7 and comparator 8, a standard amplitude pulse is generated, equal in duration to the collection time. The voltage generated at the integrator output is proportional to the collection time. In order for this voltage to be used as a control for correcting the ballistic deficit, it must be squared. For this, quad 11 is introduced.

Соединение между выходом квадратора и затвором полевого транзистора зашун- тировано на землю конденсатором 13, чтобы исключить возможные наводки по этой цепи.The connection between the output of the quad and the gate of the field-effect transistor is bounded to earth by a capacitor 13, in order to exclude possible interferences in this circuit.

Резистор 15 между стоком полевого транзистора и инвертирующим входом усилител 3 включен дл того, чтобы уменьшить возможное вли ние температурной нестабильности сопротивлени канала полевого транзистора. Это уменьшение достигаетс , конечно, ценой уменьшени чувствительности корректирующего канала. Однако, необходимое изменение коэффициента невелико, всего (1-2%), поэтому уменьшение чувствительности неопасно. Типична величина резистора 5-1 кОм, выходного сопротивлени полевого транзистора 200 Ом. Если при этом резистор 15 имеет сопротивление 2 К, то дл изменени коэффициента усилени на 1 % необходимо подать на затвор полевого транзистора около 0,1 В, что вполне реалистично. Таким образом, по чувствительности схема проходит. С другой стороны, введением резистора 15. температурна нестабильность выходного сопротивлени полевого транзистора подавлена примерно в 10 раз.A resistor 15 between the drain of the field-effect transistor and the inverting input of the amplifier 3 is included in order to reduce the possible effect of the temperature instability of the resistance of the channel of the field-effect transistor. This reduction is achieved, of course, at the cost of reducing the sensitivity of the corrective channel. However, the required change in the coefficient is small, only (1-2%), so reducing the sensitivity is not dangerous. A typical resistor is 5-1 kΩ, the output resistance of the field-effect transistor is 200 Ω. If at the same time the resistor 15 has a resistance of 2 K, then to change the gain by 1%, it is necessary to apply about 0.1 V to the gate of the field-effect transistor, which is quite realistic. Thus, the sensitivity of the scheme passes. On the other hand, by introducing a resistor 15. the temperature instability of the output resistance of the field-effect transistor is suppressed by about 10 times.

В результате работы схемы коррекции амплитуда импульса на выходе спектрометрического усилител от времени собирани не зависит. Это улучшает энергетическоеAs a result of the operation of the correction circuit, the amplitude of the pulse at the output of the spectrometric amplifier does not depend on the collection time. It improves energy

й th

Claims

resolution of 30-40% while increasing speed by 20-30%. A Spectrometric Amplifier, comprising a first amplifier, the inverting input of which is connected through a first resistor to its output, and which is an output of a spectrometric amplifier, and is connected to a common wide amplifier through a second resistor, characterized in that, in order to increase speed and energy resolution by compensating the ballistic deficit and fluctuating the time of collection, a differentiating link, a second amplifier, a voltage comparator, a controlled integrat are introduced into it p current source n- Nogo constant current repeater voltage squarer, FET kondensa20 torr and a third resistor, the noninverting input of the first amplifier via a third amplifier connected to the input of the amplifier and spectrometric connected to the input differentiator whose output

25 through a second amplifier connected in series and a comparator is connected to the first input of a controlled current integrator, the second input of which is connected to the current source, and the output is connected via a series of 30 connected buffer amplifier and quad with the gate of the field effect transistor and the second the output of which and the source of the field-effect transistor are connected to the common bus of the spectrometric amplifier, and the drain of the field-effect transistor is connected via a third resistor to the inverting input of the first amplifier.