OPTIMALIZACE ELEKTRONICKÉ TRASY PRO SPEKTROMETRII ZÁŘENÍ GAMA

Transkript

1 ČESKOSLOVENSKÁ SPEKTROSKOPICKÁ SPOLEČNOST PŘI ČSAV ODBORNÁ SKUPINA INSTRUMENTÁLNÍCH RAOIOANALYTICKÝCH METOD ČESKOSLOVENSKÁ KOMISE PRO ATOMOVOU ENERGII OPTIMALIZACE ELEKTRONICKÉ TRASY PRO SPEKTROMETRII ZÁŘENÍ GAMA KLUČENICE

2 ČESKOSLOVENSKÁ SPEKTROSKOPICKÁ SPOLEČNOST PŘI ČSAV ODBORNÁ SKUPINA INSTRUMENTÁLNÍCH RADIOANALYTICKÝCH METOD ČESKOSLOVENSKÁ KOMISE PRO ATOMOVOU ENERGII OPTIMALIZACE ELEKTRONICKÉ TRASY PRO SPEKTROMETRII ZÁŘENÍ GAMA IAA 82 KLUČENICE

3 OPTIMALIZACE ELEKTRONICKÉ" TRASY PRO SPEKTROMETRII ZA~ŘENf GAMA Přednášky kursu "Optimalizace elektronické trasy pro spektrometrii záření gama" pořádaného ve dnech v Klučenicích Editor: Jaroslav Fráňa Pro Československou komisi pro atomovou energii vydalo Ústřední informační středisko pro jaderný program Praha 5-Zbraslav, květen 1982 Vedoucí vydavatelského úseku ing. Oldřich Suchánek Náklad: 250 ks Neprodejná účelová publikace bez jazykové úpravy /82 019_ 67

4 OBSAH Předmluva 1. Funkce polovodičového detektoru Zdeněk KOSÍMA 2. Spektrometrická trasa s polovodičovými detektory ionizujícího záření Miloš VIDRA. _ ' 2-1. úvod Některé typy polovodičových detektorů a jejich základní vlastnosti _ Polovodičový detektor jako zdroj elektrického signálu Nábojově citlivé předzesilovače Tvarovací zesilovače Filtry vyšších stupňů ' Význam použití vícestupňových filtrů Testování a údržba polovodičového detektoru a předzesilovače Miloš VIDRA Spektrometrie záření gama při vysokých četnostech Jiří BARTOŠEK, Jan MASEK Tvarovací zesilovače Mrtvá doba spektrometru a její korekce Pile-up effect a jeho korekce Měření spekter krátkodobých radionuklidů Způsoby omezení rušivých vlivů silnoproudého rozvodu na funkci spektrometru Zdeněk KOSINA Kompenzace samovolných změn energetické kalibrace spektrometru Zdeněk KOSINA :, Přímé napojení spektrometrické trasy na vstup počítače Jaroslav FRÍNA Způsoby ukládání spekter z gama spektrometrů Spojení spektrometrické trasy s nezávislým počítačem Přenos z konvertoru do paměti Povelování, časování a výstup informace 60 Literatura 61

5 PŘEDMLUVA S problémy souvisejícími 5 kvalitou přenosu informace mezi detektorem a pamětí se setkává každý, kdo se zabývá spektrometrií záření gama, at již pracuje v základním nebo aplikovaném výzkumu. Odborná skupina instrumentálních radioanalytických metod Československé spektroskopické společnosti při ČSAV uspořádala roku 1974 v Kolíně seminář, který se zabýval optimálním režimem celé měřící trasy, poněvadž na konferencích a seminářích o instrumentálních radioanalytických metodách se neustále rozvíjela diskuse kolem této problematiky. Seminář měl velký úspěch jak počtem účastníků, tak zejména zájmem o současně vydaný sborník přednášek, který byl v icrátké době rozebrán. V posledních letech došlo k značnému rozšíření počtu pracovišt, zabývajících se aplikacemi gama spektrometrie, omladil se okruh pracovníků a na konferencích opět vyvstala otázka co nejlepšího využití možností moderních aparatur. Proto organizační výbor přikročil k uspořádání několikadenního kursu na téma "Optimalizace elektronické trasy ve spektrometrii záření gama". Odezva na předběžnou informaci předčila veškeré očekávání a dokázala, jak je tato problematika stále živá. Aby byl uspokojen zájem všech přihlášených proběhne kurs ve dvou bězích. Tak jako při prvním semináři byli přizváni k odborné spolupráci členové skupiny, kteří mají dlouholeté zkušenosti s gama spektrometrií. Nejsou to sice dzce specializovaní elektroničtí odborníci, ale lidé s velkými znalostmi, získanými z nutnosti dosahovat co nejlepších a nejpřesnějších výsledků při řešení svých úkolů. Tím je zaručeno, že se přednášky nebudou ubírat do příliš teoretických detailů, ale budou zaměřeny na řešení každodenních problémů uživatelů. Z toho důvodu organizační výbor zajišťuje instalování měřící aparatury, aby mohla být probraná látka prakticky demonstrována přímo na místě v návaznosti na přednášky. Probíraná látka vychází z přednášek prvého semináře, avšak v přepracované a rozšířené podobě. Byla vypuštěna kapitola, zabývající se scintilační spektrometrií, protože v současné době není provázena závažnými technickými problémy. Nově byla zařazena část o možnostech akumulace spekter do běžně dostupných počítačů, poněvadž to může být pro řadu pracovišt návod, jak částečně obejít nedostupnost technicky dokonalejších spektrometrických systémů z dovozu. Trochu větší pozornost byla věnována elektronickým problémům souvisejícím s kvantitativním vyhodnocením spekter /např. ztráty při jejich akumulaci/. Po formální stránce je publikace rozdělena do sedmi kapitol. Obrázky jsou číslovány průběžně a umístovány co nejblíže textu. V textu jsou odkazy na literaturu, uvedenou na závěr. Kromě citované literatury jsou uvedena díla doporučená k podrobnějšímu seznámení s tematikou. Na závěr bychom chtěli uvést, že jednotlivé kapitoly ani samotné přednášky nemohou obsáhnout vše s čím se setkáme v denní praxi. To by mělo být pobídkou k tomu, aby vztah účastníků k přednášejícím byl co nejvíce interaktivní a tak byl užitečný pro obě strany, neboř i přednášející mohou být zatíženi subjektivními názory a předsudky. Editor

6 1. FUNKCE POLOVODIČOVÉHO DETEKTORU Ing. Zdeněk KOSINA, CSc. Ústav jaderné fyziky ČSAV, Řež u Pnhy Cílem této úvodní kapitoly je zopakování základních principů detekce gama záření germaniovým polovodičovým detektorem, jejichž znalost se v dalších lekcích předpokládá. Na rozdíl od nabitých částic, ktertí jsou po průniku do citlivého objemu detektoru zaregistrovány vždy, gama kvanta jsou detekována jen s určitou pravděpodobností. Souvisí to se skutečností, že detekován může být jen foton, který předal svoji energii nějaké nabité částici /konkrétně elektronu/ při některé ze tří základních typů interakcí známých jako a/ fotoefekt, b/ Comptonův efekt, c/ tvorba /e +, e~/ párů. Zatímco při fotoefektu předá gama kvantum elektronu svoji energii E prakticky celou, rozdělí se při zbývajících dvou interakcích E na kinetickou energii elektronu a jednoho /až dvou/ sekundárních gama kvant. Tyto nově vzniklé fotony pak mohou z detektoru bud uniknout, nebo znovu podstoupit některou z interakcí a, b, c. Jeden detekovaný "primární" foton může tak spustit celou kaskádu interakcí, jejímž výsledkem je bud postupné předání celé energie E několika elektronům, nebo /a to častěji/ je část E odnesena na jistém stupni takového mnohanásobného procesu vně detektoru některým ze sekundárních fotonů. Statistickým obrazem popsaného procesu detekce je známá odezva polovodičového spektrometru na monoenergetické záření gama, sestávající z píku úplného pohlcení /totálně absorpce/ a Comptonova kontinua v oblasti od nuly do hrany E c - 2E 2 /(E Q + 2 E), kde E Q kev. Připadá-li v úvahu i tvorba párů, tj. při E > 2 E Q, přibývají pak ještě jednoiinikový a dvojúnikový pík na energiích E'«E-E Q ae" = E - 2 E Q. Jelikož se na intenzitě píku úplného pohlcení podstatně podílejí popsané vícenásobné procesy, je jeho časté označení "fotopík" zřejmě nesprávné. Vratme se však k popisu vlastního mechanismu detekce. Elektrony, jimž byla předána část energie detekovaného fotonu, vydávají při průchodu materiálem detektoru postupně svou energii na ionizaci, tj. vytváření volných elekťron-děrových párů /e-h/í k jejichž vzniku je třeba překonat při teplotě 80 K šířku tzv. zakázaného pásu 0,73 ev. Kromě toho ztrácí značnou část své kinetické energie při nepružných fononových srážkách s krystalovou mříží polovodiče. Pravděpodobnost fononové interakce /vedoucí nakonec k ohřevu detektoru/ je v porovnání s tvorbou /e-h/ téměř o dva řády vyšší. Jelikož však střední ztráta energie je zde podstatně menší /asi 5

7 50 mev/ je konečná bilance ztrát jen asi 3 : 1 ve prospěch fononových interakcí. Celkový počet párů /e-d/ je úměrný počáteční kinetické energii elektronu konstantou úměrnosti l/c. Střední energie potřebná k vytvoření jednoho páru c je u moderních detektorů asi 2,95 ev. Z hlediska spektrometrie je přitom důležitý experimentálně potvrzený fakt, že prakticky nezávisí na počáteční energii elektronu. Ve vnějším elektrickém poli V/mm vytvořeném pomocí vysokonapětového zdroje, se vzniklé komponenty /e-h/ párů pohybují rychlostí asi 2.10 m/sec. k elektrodám, kde odevzdají svůj náboj 1,6.10 C. Celkový počet páru n vzniklých po úplném pohlcení energie E n s E/ statisticky fluktuuje s rozptylem var/n/, s nímž souvisí tzv. energetické rozlišení detektoru. Teoretický výpočet var/n/, založený na exaktní analýze statistického procesu distribuce ionizačních a fononových interakcí, se zatím /přes řadu pokusů/ nepodařilo provést. Přibližně lze říci, že var/n/ - P n kde F je tzv. Fano faktor, nabývající u moderních detektorů experimentálních hodnot kolem 0,1. Prakticky užívanou charakteristikou detektoru je zmíněné energetické rozliseni detektoru, definované jako šířka píku úplného pohlcení v polovině výšky - tzv. poloiířka, udávaná v jednotkách energie FWM m 2,35 -/var/e/ - 0,128 vf -/Ž [kev] Tato definice zahrnuje předpoklad, že distribuce n je normální /gaussovská/. To by bylo splněno pouze za předpokladu, že sběr viech vytvořených- /e-h/ párů je dokonalý. Bez zacházení do přílišných detailů připomeňme, že platnost tohoto předpokladu je narušována řadou efektů, z nichž jmenujme např. náhodnou rekombinaci /e-h/ párů a záchyt elektronů i děr do záchytných center v místech nedokonalostí krystalové mříže. I když zde nejsou zcela pohlceny, jsou odtud znovu uvolněny až za určitou dobu /detrapping time/ kdy již nemohou plně přispět k vytváření nábojového impulsu integrovaného s poměrně krátkou časovou konstantou řádově l.usec. Většina těchto "denormalizačních" efektů má za následek rozšiřování paty distribuce a její asymetrizace směrem k nižším energiím. 6

8 2. SPEKTROMETRiCXÁ TRASA S POLOVODIČOVÝMI DETEKTORY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Ing. Miloš VIDRA Ústav jaderného výzkumu ČSKAE, Řež u Prahy 2-1. tfvod Rozvoj elektrotechnického průmyslu v období 50-70tých let se opíral o skutečnost, že se podařilo připravit vysoce kvalitní výchozí materiál: nejprve monokrystalické germanium, v pozdějších letech monokrystalicky křemík. Pro speciální aplikace se později začaly připravovat ještě i jiné materiály, jako např. GaAs, CdTe a j. Pro potřeby elektrotechnického průmyslu byly připraveny nejen vysoce kvalitní monokrystaly s velmi nízkými koncentracemi nežádoucích prvků, s malým rozptylem měrného odporu, definovaným počtem dlslokačních poruch apod., ale i se značně velkými objemy. Vysoká čistota monokrystalických materiálů, objemy pohybující se v rozsahu od několika cm až do několika tisíc cm a jejich vysoká kvalita umožnila, že se začal v šedesátých letech rozvíjet v jaderném výzkumu nový obor, zabývající se vývojem a přípravou polovodičových detektorů jaderného záření. Polovodičové detektory byly nejprve připravovány pro řešení základních otázek jaderného výzkumu, avšak díky svým vynikajícím vlastnostem, k nimž patří zejména vysoká rozlišovací schopnost a vysoká detekční účinnost, došlo k tomu, že se záhy začaly aplikovat i ve sféře nejaderného charakteru. Polovodičové detektory se nakonec staly významným pomocníkem při řešení nejrozmanitějších národohospodářských problémů. Široká potřeba techniky, založené na využívání polovodičových detektorů, si vynutila vývoj a konstrukci elektronických obvodů, nutných ke zpracování detektorových signálů. Pro tyto dčely bylo nutné vypracovat teoretickou analýzu optimálního zpracování těchto signálů, aby bylo dosaženo nejlepší rozlišovací schopnosti a tím tedy maximálního využití všech předností polovodičových detektorů. Paralelně,s přípravou polovodičových detektorů s vysokou rozlišovací schopností bylo nutné vyvinout vhodnou kryogenní techniku /kryostaty a Dewarovy nádoby na kapalné medium/. Podobně jako polovodičové detektory i Dewarovy nádoby velice rychle našly svou samostatnou nejadernou úlohu při řešení národohospodářských problémů nezávisle na polovodičových detektorech NĚKTERÉ TYPY POLOVODIČOVÝCH DETEKTORŮ A JEJICH ZŽKLADNÍ VLASTNOSTI První polovodičové detektory s praktickým významem byly zhotoveny v období 50-60tých let v souvislosti s přípravou velmi kvalitních krystalů germania. Vzhledem k tomu, že tyto detektory, zhotovené na bázi PN přechodu, pracovaly při pokojové teplotě, byla tlouštka radiačně citlivé oblasti velice malá /v důsledku dzká šířky zakázaného pásu,.resp. malého specifického odporu - viz tab. I/. Pohy-

9 Tab. I - Základní fyzikální parametry polovodičových materiálů Ge Si CdTe GaAs Hgl 2 atom. číslo /52 31/33 80/53 šířka zakázaného pásu /ev/ při 300K 0,67 1,12 1,4 1,4 2,1 intrlnsický odpor /íicm/ při 300K O 5 IO 9 IO 9 poloizolant ionizační energie /ev/ při 300K 2,96 3,66 4,5 4,3 4,2 doba života r /.us/ při 300K při 80K 1O 2-1O IO 2 IO 3 (/XT) = 10" 4 io~ 5 -io~ 6 io" 5 -io" 6 pohyblivost fjl /cm /V.s/ e: 3,9.1O 3 /3OOK 45.1O 3 /8OK 1,9.1O 3 (ixt) h = IQ" 5 h: 1,9.1O 3 /3OOK O,48.1O O 3 /8OK relat. dielektr.. konstanta, ,5 Tab. II - Vlastnosti polovodičových materiálů při pokojové teplotě Ge Si CdTe GaAs Hgl 2 E G /ev/ 0,67 1,12 1,4 1,4 1,8 1 /A/ ~lo" 3 ~10" 6 ~io"* 9 ~10" 9 U s /ev/ ~10 5 ~1O 3-1O 4 ~J.O 3 ~10 3 ~10 2 S /cm/ ~io" 3 ~0,5 2.1O" 2 ~10" 2 S je tlouštka radiačně citlivé oblasti 8

10 bovala se řádově v jednotkách až desítkách mikrometrů. Přihlédneme-li k nízkému specifickému odporu tehdy připravovaných monokrystalů germania, dojdeme k závěru, že nebylo možné zvětšit šířku depletiční oblasti ani ochlazením detektoru. Tato skutesnost a úspěšné tažení kvalitních monokrystalů křemíku byly příčinou, že se vývoj polovodičových detektorů ionizujícího záření přenesl do oblasti přípravy PN přechodu v monokrystalickém křemíku typu N. Hlavní roli v tom hrála skutečnost, že šířka zakázaného pásu je u křemíku rovna 1,12 ev, takže specifický odpor tohoto materiálu je při pokojové teplotě téměř o tři řády vyšší ve srovnání s germaniem a dosahuje hodnoty více než 200 kilem. Použití monokrystalického křemíku o specifickém odporu několika desítek kilem umožnilo připravit PN přechody s vrstvou radiačně citlivé depletiční oblasti o síle až několika mm. Vlivem větší šířky zakázaného pásu byly proudy křemíkových detektorů ve srovnání s detektory na bázi germania o několik řádů nižší. To se příznivě odrazilo i ve zlepšení rozlišovací schopnosti díky výrazně nižšímu šumu, způsobenému proudem detektoru. Dalším významným krokem byly práce, týkající se zvyšování specifického odporu křemíku typu P kompenzací nečistot, způsobujících vodivost, pomocí driftování litia. Tímto způsobem se poměrně jednoduchou cestou podařilo připravit detektory s radiačně citlivou kompenzovanou oblastí o síle 3-7 mm. Pracovní napětí těchto detektorů přitom bylo až několik set či tisíců volt. Technologie driftování křemíku pro dosažení vysoce kompenzované depletiční oblasti byla záhy aplikována i na germaniu. Hlavní význam přípravy detektorů na bázi germania byl v tom, že tento prvek má ve srovnání s křemíkem značně vyšší detekční Účinnost pro gama, resp. tvrdé záření X, díky svému poměrně vysokému atomovému číslu. Aby bylo možné využít vlastností vysoce kompenzovaného germania, bylo nutné takto připravené detektory chladit, zejména z následujících důvodů: a/ At zvýšíme přesnost kompenzace u germania jakkoliv, je specifický odpor tohoto materiálu při pokojové teplotě nejvýše 50 Í2cm. To je způsobeno relativně malou šířkou zakázaného pásu E a tím značnou tepelnou generací nosičů náboje. Má-li se přesnost kompenzace projevit zvýšením specifického odporu, je nutné detektor chladit a tím snížit tepelnou generaci. b/ Velikost specifického odporu při pokojové teplotě určuje koncentraci minoritních nosičů a tím i nejvýznamnější složku proudu připravených PN /P-I-N/ diod. Absolutní hodnotě stejnosměrného proudu je úměrný výstřelový šum, který degeneruje základní parametr polovodičových detektorů - rozlišovací schopnost. Aby bylo možné zlepšit rozlišovací schopnost, je nutné snížit zpětný proud detektoru jeho výrazným ochlazením-. Typické hodnoty zpětných proudů a jim odpovídající typické hodnoty šumových úrovní pro některé polovodičové detektory, pracující při pokojové teplotě, jsou reprezentovány v tab. II. Kompenzace driftováním výchozích monokrystalů křemíku a germania typu P tak umožnila připravit detektory záření X a gama, u kterých je možné dosáhnout vysokou rozlišovací schopnost jejich ochlazením na teplotu kapalného dusíku. Postupným zlepšováním technologie přípravy polovodičových detektorů se počátkem sedmdesátých let podařilo připravit detektory, jejichž základní parametry, jako je detekční účinnost a rozlišovací schopnost, již dosahují teoretických mezí. Poté se další vývoj polovodičových detektorů ubíral dvěma směry: 9

11 JM +s Ef Obr. I Polovodičový detektor jako ionizační komora Cz -Ud n. Obr. 2 Integračnf zesilovač jako nábojově citlivý předzesilovač LI R, L_rrr >d Obr.3 Střídavá vazba detektor - předzesilovač Obr. 4 Stejnosměrná vazba detektor - předzesilovač

12 a/ Příprava velmi čistého germania o koncentraci nečistot 1O cm". Ta umožňuje zhotovit detektory na bázi PN přechodu o síle radiačně citlivé depletiční oblasti 10 mm i více při pracovních napětích větších než 1000 V. I takto zhotovené detektory je nutné chladit, má-li být využito všech jejich předností. Použití čistého germania pro přípravu detektorů záření gama a X odstranilo časově i výrobně náročnou techniku kompenzace výchozích nečistot. Vlastní zhotovení detektoru spočívá na přípravě PN přechodu, obvykle difúzí litia, ve zhotovení tenkého vstupního kontaktu" okénka" napařením vhodného kovu či implantací a ve finálním chemickém a mechanickém opracování povrchu přechodu. b/ Připravují se materiály, které by umožnily zhotovit detektory s vysokou rozlišovací schopností, jež by pracovaly při pokojové teplotě. Základním kriteriem pro takové materiály je velká šířka zakázaného pásu. Je požadováno, aby byla větší než 1,2 až 1,3 ev /tab. I, 11/. Zvětšením šířky zakázaného pásu dochází k výraznému snížení proudu detektorů a tím i k snížení šumu produkovaného šumovou složkou tohoto proudu. Přestože bylo dosaženo výrazných úspěchů, nepodařilo se dosud pomocí těchto nových materiálů zhotovit detektory, jejichž reálné vlastnosti by byly blízké teoretickým možnostem. Důvodem je dosud nedostatečná kvalita monokrystalů s velkým množstvím poruch a nečistot krystalické mřížky. To způsobuje nedokonalý sběr náboje, polarizační jevy v objemu detektoru a detektory generují nadbytečný šum POLOVODIČOVÝ DETEKTOR JAKO ZDROJ ELEKTRICKÉHO SIGNÍLU Polovodičový detektor je ve své podstatě vlastně pevná ionizační komora. Podobně jako plynová ionizační komora má dvě elektrody. Rozdíl je však v tom, že radiačně citlivá oblast je tvořena pevnou látkou - polovodičem. To je příčinou vysoké pravděpodobnosti interakce záření s hmotou detektoru a tak je detekční účinnost polovodičových detektorů ve srovnání s plynovými detektory výrazně větší. Jako výsledek všech složitých efektů procesu interakce záření s hmotou polovodičového detektoru vzniká soubor párů elektron-díra /obr. 1/, jejichž počet n je přímo úměrný pohlcené energii dopadajícího záření E. a nepřímo úměrný ionizační energii w " * W /!/ kde w je průměrná energie potřebná k tvorbě jednoho páru elektron-díra. V objemu polovodiče tedy vzniká náboj Q, jenž je roven Má-li být elektrický signál úměrný energii interagujícího záření, je nutné sebrat veškerý náboj z objemu detektoru beze ztrát. To znamená přiložit na elektrody detektoru maximálně možné pracovní napětí. Tím se minimalizuje ztráta elektronů a děr jako důsledek záchytu těchto nosičů náboje na rekombinačních či záchytových centrech. Náboj sebraný na elektrodách je dále nutné převést na signál, který by bylo možné zpracovat reálnými elektronickými obvody. Toto se obvykle provádí tak, že paralelně k detektoru se připojí nábojově citlivý předzesilovač /obr. 2/. Na výstupu předžesilovače vznikají napěcové elektrické pulsy, jejichž amplituda u, je úměrná energii interagujícího záření. 11

13 Získané elektrické pulsy jsou snadno zpracovatelné elektronickými obvody., 2-4. NEBOJOVÉ CITLIVÉ PŘEDZESILOVACE Z předchozí kapitoly vyplynulo, že nábojově citlivý předzesilovač převádí energii dopadajícího záření, reprezentovanou elektrickým nábojem, na napěčové impulsy. Podle typu detektoru a druhu měřeného záření se používá několik základních typů předzesilovačů. Podle vazby mezi detektorem a vstupním aktivním prvkem předzesilovače rozlišujeme: a/ předzesilovače se střídavou vazbou se nejcastěji používají pro nechlazené Si(Au)detektory, pro velkoobjemové Ge/Li/ detektory a Sasto pro detektory na bázi CdTe. Střídavá vazba se u těchto předzesilovačů provádí kondenzátorem C y, jenž je zapojen mezi sběrnou elektrodu polovodičového detektoru a vstup předzesilovače/obr.3/. Vazební kondenzátor C y zde zajišťuje oddělení ss polarizačního napětí detektoru U- od vstupu předzesilovače. Hodnota tohoto vazebního kondenzátoru musí být dostatečně veliká, aby veškerý náboj, sebraný z objemu detektoru, byl převeden na. zpětnovazební kondenzátor C z> Obvykle vyhoví C v > 100 C d a * A o C z kde A Q je ss hodnota zesílení nábojového předzesilovače. Na vlastnosti vazebního kondenzátoru jsou kladeny značné nároky. Jeho izolační odpor musí být velmi vysoký, aby v důsledku prolínání polarizačního napětí na vstup předzesilovače nebylo ovlivněno nastavení jeho pracovního režimu. To by jednak mohlo vést ke zhoršení jeho vlastností /rozlišovací schopnosti, strmosti apod./, či k jeho úplnému zablokování, nebo v nejméně příznivém případě i k jeho destrukci. Vysoký izolační odpor vazebního kondenzátoru je rovněž nutnou podmínkou potlačení tzv. výstřelového šumu, jehož nositelem je každý ss proud ve vstupním obvodu předzesilovače. Tento šum způsobuje ztrátu rozlišovací schopnosti předzesilovače. U předzesilovačů pro velkoobjemové Ge/Li/ detektory nebo Si(Au)detektory obvykle vyhoví, aby svodový proud tekoucí vazebním kondenzátorem byl 10 A, což při pracovních napětích O 3 V představuje izolační odpor IQ 13 až 10 Ohm, resp. vyšší. U křemíkových detektorů, pracujících při pokojové teplotě /sem rovněž patří některé další typy speciálních detektorů/, se klidový proud pohybuje v rozmezí 10** až 10 A a obvykle vyhoví kondenzátory s izolačním odporem větším než až 10 1 Ohm. Ke dlouhodobému zhoršování kvality izolačního odporu vazebního kondenzátoru obvykle dochází znečištěním jeho povrchu usazováním nečistot z okolního prostředí nebo kondenzací vodních par při prudkých změnách teploty a při vysoké relativní vlhkosti. Bývá často příčinou dočasného či trvalého zhoršení rozlišovací schopnosti, doprovázeného někdy výskytem širokého a nestabilního "píku" v oblasti nízkých energií. Ve vzácnějších případech může být i příčinou zničení kvalitního a drahého vstupního, polem řízeného tranzistoru předzesilovače. b/ P ř e d z e s i l o v a č e se stejnosměrnou vazbou.vyloučení vazebního kondenzátoru ze vstupního obvodu /obr. 4/ se nejčastěji používá tehdy, má-li být dosaženo vysoké rozlišovací schopnosti. Výlučně se tato vazba používá ve spojení s pololodičovými detektory pro měření záření X resp. měkkého záření gama, má-li být dosaženo extrémně vysoké rozlišovací schopnosti. V těchto případech se vstupní tranzistor nábojově citlivého předzesilovače umisíu- 12

14 je do bezprostřední blízkosti polovodičového detektoru. Tak dojde k výraznému snížení rozptylové vstupní kapacity, což se příznivě projeví snížením šumu. U nechlazených předzesilovačů se stejnosměrná vazba používá dosti zřídka. Případné její použití je obvykle vázáno na detektory s menší kapacitou /2-10 pf/, určené pro měření měkkého záření gama v energetickém oboru od několika kev až do několika set kev. Příkladem takového předzesilovače je model 12O-2F firmy ORTEC. Použití nechlazeného nábojově citlivého předzesilovače se stejnosměrnou vazbou vyžaduje speciální kryostat. a uspořádání vývodů detektoru: obě elektrody detektoru musí být vyvedeny mimo kryostat zvláštními průchodkami. Jeden vývod slouží k přivedení polarizačního napětí, druhý k vyvedení signálu ke svorkám předzesilovače. Používáme-li stejnosměrně vázaný předzesilovač, j"e nutné zajistit, aby klidový proud detektoru I /obr. 4/, tekoucí do vstupu předzesilovače, nezpůsobil výrazný posun pracovního napětí předzesilovače. Obvykle stačí k zajištění stabilního nastavení režimu, aby byla splněna nerovnost Je samozřejmé, že tata podmínka musí vyhovět i v případě, zpracovává-li detektor vysoké impulsové zátěže, kdy se ss složka proudu detektoru zvyšuje. K zajištění stabilního nastavení pracovního režimu předzesilovače se nejčastěji používají následující typy vazeb: a/ Odporová zpětná vazba. Tato vazba, diskutovaná na obr. 4, je provedena zpětnovazebním odporem R, který kromě vyrovnávání ss proudu detektoru /v případě ss vazby mezi detektorem a předzesilovačem/ vyrovnává proud, jehož zdrojem je hradlo polem řízeného tranzistoru - I_. b/ O p t o e l e k t r o n i c k á vazba. Zpětnovazební odpor, sloužící k zajištění optimálního nastavení režimu předzesilovače, je zdrojem šumu. I v. případě, že je odpor bez technologických defektů, je jeho ťíroveň dána tzv. Johnsonovým tepelným šumem. Má-li být dosaženo co nejlepší rozlišovací schopnosti, je nutné tento prvek vypustit. Odstraníme-li tento odpor, výstupní napětí předzesilovače velice rychle saturuje /podle velikosti proudu tekoucího do kondenzátoru C a hodnoty tohoto kondenzátoru/. Aby se zamezilo zahlcení, je na výstup předzesilovače zapojen pomocný obvod ŘO, který zajistí, že dosáhne-li napětí na tomto výstupu určité úrovně U 1Q /obr. 5/, je vyslán krátkodobý impuls do svítivé diody LED. Dioda na krátký okamžik osvítí přechod hradlo-substrát polem řízeného tranzistoru. Tento jev vyvolá fotoefekt, jehož důsledkem je regenerace napětí na zpětnovazebním kondenzátoru C z. Tento typ předzesilovačeje tedy schopen zpracovávat impulsy, přicházející z detektoru v době mezi dvěma po sobě jdoucími regeneračními pulsy. Použití předzesilovače s optoelektronickou zpětnou vazbou vyžaduje speciální trasu pro zpracování detektorových signálů, neboť je nutné během trvání regeneračního impulsu blokovat vstup tvarovacího zesilovače, aby nedošlo k jeho zahlcení. c/ Zpětná vazba typu "drain feedback". K vyrovnání proudu detektoru využívá tato bezodporová vazba lavinových efektů, vznikajících v kanálu polem řízeného tranzistoru. V důsledku těchto lavinových efektů vzrůstá proud hradla I G se vzrůstem napětí U Q exponenciálně /obr. 6, 7/. Podle velikosti proudu detektoru se nastavuje napětí na norové elektrodě tranzistoru na takovou hodnotu, při níž I, I G> 13

15 Obr. 5 Bezodporová zpětná vazba st optoelektronická MCA I G (A) icr 9 icr" ia U 0 (V) Obr. 6 Bezodporová zpitnd vazba M typu "drain-feedback" Obr.7 Závislost proudu hradla na napětí Uo 14

16 Obr. 8 Oddělení kolísavé ss složky, obvod PZC a kabelový zesilovač Obr.9. Zdkladní zdroje Sumu předzesilovase Obr. 10 Tvarování detektorových pulsů CR-RC členem a. CF b. 1-2 II 1-12 n->co 10 O I n (počet int. článků) Obr. II Vícestupňový filtr 15

17 Vzhledem k jednoduchosti řešení některých technologických problémů v relaci k optoelektronické vazbě, je tato vazba používána ve většině československých nízkoenergetických systémů, vyvinutých v ÚJV Řež. Nábojově citlivé před;.-»silovače se až na vzácné výjimky umisfcují do bezprostřední blízkosti detektorů, aby se v co největší míře zmenšila rozptylová kapacita vstupního obvodu. Zkrácením této signálové trasy se rovněž sníží náchylnost předzesilovače přijímat poruchy od rozptylových polí a rovněž se snižuje náchylnost k mikrofonním jevům. Na nábojově citlivou část předzesilovače obvykle navazuje tzv. kabelový zesilovač /obr. 8/. Tento zesilovač se umiseuje do společné skříňky předzesilovače, je širokopásmový a zesílení se nastavuje odpory R. a R, v rozsahu Kabelový zesilovač snižuje výstupní impedanci předzesilovače a umožňuje přenos detektorových signálů do vzdálenosti až několika desítek metrů bez výrazného zhoršení rozlišovací schopnos.ti soustavy. Mezi nábojově citlivou část předzesilovače a kabelový zesilovač se obvykle zařazuje derivační článek C,R, a obvod pro kompenzaci pólu nulou /PZC - Pole Zero Cancelation/, tvořený prvky P a R-. Derivační článek odstraňuje prolínání stejnosměrného napětí z výstupu nábojově citlivé části předzesilovače do následných obvodů /kabelového zesilovače a případně do tvarovacího zesilovače/. Rovněž zamezuje prolínání proměnné složky ss napětí, jež vzniká v důsledku kolísání intenzity dopadajícího záření a statistickými fluktuacemi. Působí též jako tzv. vybělovací filtr. Pro nechlazené předzesilovače bývá hodnota derivačního článku obvykle nastavena na 50.usec. Obvod PZC slouží ke kompenzaci případných podkmitů. Derivační obvod zajistuje vyloučení vlivu přenosu driftu předzesilovače na následné zesilovací stupně TVAROVACÍ ZESILOVAČ Výstupní impulsy z předzesilovače mají obvykle malou amplitudu a jsou superponovány na relativně vysokou úroveň šumu. Zdroji šumu jsou zejména prvky vstupního obvodu předzesilovače: - tepelný šum kanálu polem řízeného tranzistoru, - stejnosměrný proud vstupních obvodů /proud detektoru, proud hradla polem řízeného tranzistoru/, - šum typu 1/f, jenž má původ v nedokonalé technologii opracování přechodů /detektoru, tranzistoru/, - dielektrické ztráty konstrukčních materiálů vstupního obvodu apod. Ke zvýšení šumu výrazně přispívá kapacita vstupního obvodu, i když sama není zdrojem šumu. Na obr. 9 jsou zahrnuty nejdůležitější zdroje šumu, působící na vstupu předzesilovače, opatřeného odporovou vazbou. V tomto schématu je zdroj signálu, vznikajícího interakcí záření s hmotou detektoru, representován Diracovým impulsem Q x 8(t) Kromě zesílení je dčelem tvarovacího zesilovače provést optimalizaci signálu. Tato optimalizace znamená upravení tvaru impulsů z předzesilovače do takové formy, při níž je poměr maximální amplitudy tohoto signálu k šumu co největší. Teoretickým rozborem /I/ lze dokázat, že optimální filtr je takový, u něhož odezva na Diracův impuls Q x S(t) je zrcadlovým obrazem signálu podle osy, která 16

18 protíná časovou souřadnici v době P m. Takový filtr je však možné uvažovat pouze teoreticky. Jeho užitečnost je v tom, že udává maximální poměr signálu k šumu a tím se stává kriteriem kvality reálných filtrů. Fiktivní filtr, který by realizoval teoreticky ideální filtr, se někdy nazývá "CUPS" filtr - podle tvaru výstupního pulsu z tohoto filtru jakožto odezvy na Diracův impuls. V praxi se kvalita reálných filtru vyjadřuje pomocí tzv. CUPS faktoru CF. Hodnota tohoto faktoru je vždy větší než jedna a udává nám, kolikrát horší je reálný filtr než filtr ideální. Nejjednodušším realizovatelným filtrem, přinášejícím velice dobré výsledky, je kaskádní zapojení derivačního a integračního ciánku /obr. 10/. Vstupuje-li do tohoto filtru elektrický impuls z předzesilovače ve formě napětového skoku, pak na výstupu z filtru má impuls tvar, vytvořený lineární kombinací exponenciel. Lze ukázat, že optimální poměr signálu k šumu nastává, je-li Tf = RjC, = T 2 = R2C2 = T /5/ Velikost časové konstanstanty T je funkcí velikosti fyzikálních veličin vstupního obvodu předzesilovače včetně detektoru. Na základě předchozího vztahu lze odvodit pro RC - CR filtr vztah pro velikost šumového napětí, vyjádřenou pomocí rozlišovací schopnosti (FWHM) - - 8,3.1O kde k... Boltzmannova konstanta, Ws/K T... abs. teplota příslušné komponenty, K C.. celková kapacita vstupu, pf T... časová konstanta filtru, sec R, výsledný ss odpor vstupního obvodu, ohm I... proud vshupního obvodu, A g m.. transkonduktance FETu, A/V Q... konstanta FETu. Tento vztah platí pro předzesilovač napojený na germaniový detektor. V případě aplikace na jiný detektor je nutné pravou stranu rovnice násobit poměrem průměrné energie, nutné k tvorbě jednoho páru elektron-díra daného polovodičového materiálu, k hodnotě téže veličiny u germania. Ze vztahu /6/ vyplývá celá řada závažných požadavků, které je nutné mít na zřeteli, chceme-ii dosáhnout co nejlepšího rozlišení spektrometrické trasy: - mini.ttální kapacita vstupu. Tato kapacita zahrnuje kapacitu detektoru, rozptylové kapacity přívodů a konstrukčních prvků, vstupní kapacitu tranzistoru, zpětnovazební kapacitu předzesilovače, rozptylovou kapacitu izolačního kondenzátoru apod., - m a x i m á l n í s t r m o s t polem řízeného tranzistoru, - m i n i m á l n í proud d e t e k t o r u, minimální zbytkový proud řídící elektrody polem řízeného tranzistoru apod., - m a x i m á l n í p r a c o v n í o d p o r R a zpětnovazební odpor.r 2 /maximalizace je však vázána na proud detektoru a proud hradla FETu/, - m i n i m á l n í t e p l o t a pracovních odporů u FETu. 17

19 Závislost rozlišovací schopnosti na tvarovací konstantě není monotónní. Pro malé hodnoty T převládá na výstupu šum, reprezentovaný prvním členem pod odmocninou v rovnici /6/. Při vysokých hodnotách T pak převládá účinek druhého a třetího členu. Rozlišovací schopnost vykazuje minimum pro Tgpf s^~o~ / a «\ l/2 FWHM= CÍ-^- + T) Pl C je konstanta. Příklad:. Qm n ek Z Pro Q s 0,7, k = l,38.1o" 23 Ws/K, T «300 K, C tot» l's.10" 11 F (C d «10 pf, C syst = 5 PF). g m = l,5.1o~ 2 A/V, R ekv = 10 9 Ohm, I = I d «10" 10 A, q «1,6.1O" 19 A s, bude O «4,2.10" 41 f j8 = 4,3.1O~30, takže optimální tvarovací konstanta bude T o P t - 3' 1-10 " 6 s = 3 / us - To je hodnota, při které je i v praktických měřeních obvykle dosahováno optimální rozlišovací schopnosti. I když vztah /6/ je dosti zjednodušený, dává poměrně dobré výsledky. Přestože byl odvozen pro filtr typu CR - RC /jeden derivační a jeden integrační článek/, je možné jej aplikovat i při gaussovském, případně semigaussovském tvarování signálu. Chyba výpočtu nepřekročí většinou deset procent i v případě použití těchto složitějších filtru. V běžné praxi nemá uživatel obvykle možnost zlepšit rozlišovací schopnost systému, vyjma vyhledání optima volbou tvarovacích konstant. Velmi snadno však může dojít ke zhoršení rozlišovací schopnosti, zpravidla nevhodnou konstrukcí spoje detektoru s předzesilovačem /vysokokapacitní/, znečištěním průchodek propojovacích konektorů apod. Ze vztahu /6/ lze odvodit další významný vztah, udávající závislost rozlišovací schopnosti na vstupní kapacitě A (FWHM) P i Ac vst, 79/ kde je přístrojová konstanta, udávaná zpravidla v [ev/pf] a pohybující se běžně v rozmezí 20 až 50 ev/pf. Tato závislost je užitečná k předběžnému stanovení elektronického rozlišení systému, známe-li kapacitu detektorového systému C d včetně parazitních kapacit. Výsledné rozlišení FWHM tqt vypočtené ze základního rozlišení předzesilovače FWHH Z /jež se u nechlazených předzesilovačů pohybuje v rozmezí 0,6-1,0 kev/ a z přírůstku A( FWHM) p je 18

20 (FWHM) tqt * (FWHM) Z + A(FWHM). Při volbě předzesilovače musíme přihlédnout hlavně ke kapacitě použitého detektoru. U velkoobjemových Ge/Li/ detektorů, jejichž kapacita se obvykle pohybuje v rozsahu pf, je nutno použít předzesilovače s co nejmenší hodnotou e, byt i s horším základním rozlišením. 2-6, FILTRY VYŠŠÍCH STUPfiÚ Provedeme-li srovnání CR-RC filtru s ideálním CUPS filtrem, zjistíme, že tento filtr "šumí" 1,36 krát více, tedy že CF 1,36. Vzhledem k táto relativně vysoké hodnotě byla hledána jiná zapojení s nižšími hodnotami CF. Jednou z možných cest je postupné připojování dalších integračních RC článků k stávající CR-RC kaskádě. Obecně pak obdržíme filtr typu CR - ( RC), který se sxládá z jednoho derivačního a n integračních článků. Mezi jednotlivé členy je nutné vkládat zesilovače, které kromě své původní funkce, tj. zesilování elektrických signálů, oddělují jednotlivé stupně tak, aby nedošlo k vzájemnému ovlivnění a k narušení syntézy celého filtru /viz obr. 11/. Pro vstupní napětí U Q (p) = = obdržíme na výstupu CR - ( RC) n filtru napětí M ( ) t _!_. P. 1 _ 1 1 _ P P + 1/Tf ' P + 1/T 2 * P+I/T3 P+1/Tn+f n-rt, n /li/ kde' Tj časová konstanta derivačního obvodu, Tg až TQ+I časové konstanty integračních článků, "= symbol zpětné Laplaceovy transformace. Střední hodnota šumového napětí je dána vztahem do,) 1 ' 8 Poměr signálu k šumu dostaneme po vyčíslení výrazů /li/ a /12/. S rostoucím počtem integračních článků /obr. 11/ CF faktor monotónně klesá a pro n 00 dosahuje hodnoty 1,12. To znamená, že filtr s nekonečným počtem článků by šuměl 1,12 krát více než-li ideální filtr. V praxi však není účelné zvyšovat počet integračních článků nad n = 4 (CF = 1,16). Zvýšíme-li totiž počet článků z n - 4 na n = 10 event, vice, zlepší se hodnota CF o méně jak 4 %. Toto zlepšení je značně problematické, nebot vyžaduje zvýšit stejnou měrou i počet izolačních zesilovačů. Tím silně vzroste náchylnost filtru k poruchám, které anulují dosažené zlepšení poměru signálu k šumu. Neméně důležitá jsou i hlediska ekonomická. V běžné praxi se proto počet integračních článků ustálil na hodnotě n 3 nebo 4, výjimečně 5. 19