Основы метрологии: практикум по метрологии и измерениям - Пронкин Н.С.
ISBN 978-5-98704-267-4
Скачать (прямая ссылка):
333
ионизации. При консервативных оценках предполагают, что эти флуктуации соответствуют распределению Пуассона, т.е. равны VN, где — количество заряженных носителей, образованных в рабочем объеме детектора в результате ионизации. На самом деле, в ППД и HK этот процесс сглажен, что учитывается с помощью фактора Фано /<1. Например, в кремниевом детекторе при E0 = 100 кэВ образуется TV= ?0/єд«28 570 свободных носителей зарядов, что соответствует относительной СКП ^Nf/N = /N « «0,19% при /=0,1 и относительному разрешению энергии AfE0 = = 0,45%.
В сцинтилляционном детекторе (СД) при ионизации и возбуждении атомов и молекул переход в равновесное состояние сопровождается испусканием квантов света. В качестве материала детектора используются различные органические (полистирол, стильбен, антрацен, поливинилтолуол, и др.) и неорганические (NaJ(Tl), CsJ(Tl), CsJ(Na) и др.) материалы. Если СД помещается в герметичный контейнер, то в нем предусматривается оптическое окно для выхода света сцинтилляций. Для преобразования импульсов света СД в электрические сигналы и их усиления используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), фотокатод которого оптически соединяется с СД. В ФЭУ электроны, вырванные из фотокатода вследствие фотоэффекта и ускоренные электрическим полем, попадают на ряд последовательно расположенных динодов, обладающих коэффициентом вторичной эмиссии /и(?/д)> 1, где ?/д — напряжение питания динодов ФЭУ. Если в ФЭУ п динодов, то общее усиление будет равно M « тп. Электрический заряд, соответствующий энергии частицы Е, потерянной в материале детектора, на выходе ФЭУ будет равен
Q=E0KmMqzv (2)
где Адф — коэффициент преобразования детектор—фотокатод ФЭУ, фотоэлектрон/кэВ; гх — эффективность сбора электронов на первый динод ФЭУ. Коэффициент А^ф в зависимости от материала СД и фотокатода может может принимать значения от 0,16 до 1,2 фотоэлектрон/кэВ, a M= 105—107.
Величина заряда на аноде ФЭУ флуктуирует из-за процессов преобразования энергии E0 в детекторе, на стыке детектор—фотокатод ФЭУ и при усилении сигнала на динодной системе ФЭУ (больше чем І/Лі). При Адф= 1,0 фотоэлектрон/кэВ, E0 = 100 кэВ, факторе Фано /= 1 относительная СКП, обусловленная флуктуацией преобразования энергии в детекторе, будет составлять 10%, энергетическое разрешение 23,6%, что намного больше, чем для ППД и ИК.
334
Импульсный усилитель осуществляет усиление сигнала с детектора до уровня, необходимого для нормальной работы АЦП, и обеспечивает усиление при максимально возможном отношении сигнал/шум благодаря оптимизации выбора частотной полосы пропускания. Это особенно важно при работе с ППД и ИК, поскольку импульс напряжения может быть очень малым (для ППД и ИК он составляет десятки микровольт). Импульс заряда с детектора преобразуется в импульс напряжения на входной емкости усилителя U0 = Q0/С, где С — суммарная входная емкость усилителя.
Типичная схема преобразования сигналов и шумов представлена на рис. 10.9. Для того чтобы уменьшить воздействие электронных шумов на полезный сигнал, полоса пропускания усилителя искусственно сужается с помощью фильтров, ограничивающих эту полосу со стороны низких и высоких частот. Сигнал U0 после входного канала (коэффициент передачи входного канала принят равным единице) проходит последовательно фильтры верхних (сопротивление A1 и емкость C1) и нижних (сопротивление R2 и емкость C2) частот. Эти фильтры осуществляют над сигналом операции, близкие к дифференцированию и интегрированию. Поэтому в специальной литературе, посвященной обработке сигналов такого типа, эти фильтры называют дифференцирующими и интегрирующими соответственно, постоянную времени t1 = R1C1 — постоянной времени дифференцирования, a T2 = R2C2 — постоянной времени интегрирования. Для исключения влияния фильтров друг на друга они разделены согласующими каналами. На этой же схеме показаны источники шумов, разделенные на две группы: параллельные и последовательные шумы. К параллельным шумам относят все источники шумов, подключенные параллельно входу усилителя, к последовательным шумам — источники шумов, которые остаются на выходе после «закорачивания» входа на нулевую шину.
Параллельный шум обусловлен рядом факторов и прежде всего шумами детектора, входного тока активного элемента /вх, тепловыми шумами всех сопротивлений ЛЕ, подключенных к входу усилителя:
¦2 4кТ кг
Rn
<, (т т \ 4кТ H1JX+ 7Bx) +
А/ =
' . 4кТ^ V Ki J
А/, (3)
/д — эквивалентный ток, учитывающий шум детектора.
Последовательный шум обусловлен прежде всего дробовым шумом первого активного элемента входного канала и шумом последующих каналов усилителя.
335
На эквивалентной схеме параллельный шум представлен эквивалентным шумовым сопротивлением Ap и генератором тока
^ = ^kTAf//?р , а последовательный шум — сопротивлением R8 и генератором напряжения ^e2 = J4IcTR8Af-
В примере 10.20 показано, что максимальное отношение сигнал/шум для схемы на рис. 10.9 может быть получено при равенстве постоянных времени T2 = T1 = T0 = C^RpR8. При этом сред-неквадратическое значение электронного шума, приведенное к
