30. Электронные компоненты

30. Электронные компоненты

До сих пор в этом модуле мы рассматривали различные типы детекторов. Как только энергия ионизирующего излучения преобразована в электрический сигнал, в детектирующую систему должны быть добавлены различные электронные компоненты, чтобы обеспечить желаемый результат.

Созданные детектором электрические сигналы могут быть двух типов: постоянный ток (как в ионной камере) и импульс. Если сигнал измеряется как постоянный ток, то регистрируется средний ток по многим взаимодействиям и говорят, что цепь работает в токовом режиме. Если сигнал измеряется как изменение или перепад напряжения, то регистрируется отдельный акт взаимодействия и амплитуда импульса зависит от числа собранных электронов. Это называется импульсным режимом работы.

Результирующий средний ток измеряется усилителем постоянного тока, тогда как результирующий импульс измеряется в счетной схеме. На Рисунке 22 показаны компоненты типичной счетной схемы.
Рисунок  22

Счетная схема

В этом разделе мы кратко рассмотрим функции усилителя постоянного тока и различных компонентов счетной схемы. Помните, что в полевом измерительном приборе встраиваемые компоненты, могут ограничить его потенциальные возможности. Лабораторный прибор может содержать более функциональные компоненты.

5.1     Источник напряжения

Стабильный источник постоянного напряжения необходим, чтобы подавать рабочее напряжение на детектор. Полевые приборы работают от батарей. Значение высокого напряжения и степень требуемой стабильности зависит от типа детектора. Источник напряжения обычно обозначают ВИП (высоковольтный источник питания).

5.2     Усилитель постоянного тока

Усилитель постоянного тока увеличивает очень низкий ток, порядка    10-12 A, до тока, который может быть измерен амперметром, на уровне 10-3 A. Это требует высокого коэффициента усиления. (Коэффициент усиления усилителя – это отношение величины импульса на выходе к входному импульсу.) Так как необходимое значительное усиление, то любое незначительное изменение входного сигнала имеет большое влияние на измеряемую величину. По этой причине должен поддерживаться высокий уровень изоляции и чистоты. Усилители постоянного тока используются главным образом с ионизационными камерами и некоторыми полупроводниковыми детекторами, работающими в токовом режиме.

5.3     Предусилитель

Выходной сигнал большинства детекторов настолько мал, что он должен быть усилен перед попаданием в основной усилитель. Предусилитель часто встраивается в корпус детектора. В случае использования сцинтилляционных детекторов, он составляет часть фотоумножительной системы. Предусилитель должен усиливать сигнал, не вызывая дополнительных шумов. Электронный шум составляют сигналы, которые имеют тенденцию перекрывать сигнал, идущий с детектора и он может наблюдаться из-за таких явлений, как например тепловое движение электронов.

5.4     Импульсный усилитель

Усилитель формирует импульс и увеличивает его до уровня, который является приемлемым для используемого счетного оборудования. Необходимый коэффициент усиления зависит от величины импульса, поступающего с детектора.

5.5     Дискриминатор

Дискриминатор позволяет исключать слишком большие и слишком маленькие импульсы. Низкоуровневый дискриминатор отклоняет импульсы ниже установленного уровня, что очень полезно для устранения нежелательного шума. Если оба дискриминатора низкоуровневый и высокоуровневый используются и располагаются друг за другом, прибор может функционировать как одноканальный анализатор (ОКА) и пропускать импульсы только в узком диапазоне. Дискриминаторы обеспечивают стандартный размер импульса для счетного оборудования, если импульс попадает в установленный диапазон.

5.6     Счетные устройства

Существует три типа счетных устройств:

1.             Счетчик дает визуальное отображение количества отсчетов, которые накопились за время счета. Для задания времени он обычно включает таймер. Счетчики наиболее часто используются в лабораторном оборудовании для определения активности проб.

2.             Измеритель скорости счета дает непрерывные показания скорости счета входных импульсов и обычно являются счетным устройством для полевых приборов. Показания прибора постоянно изменяются по мере подсчета импульсов. Показания могут быть сглажены с помощью электроники, но чрезмерное сглаживание может привести к запаздывающей реакции на изменение скорости счета, что нежелательно при  мониторинге рабочих мест.

3.             Амплитудный анализатор (АА) импульсов или многоканальный анализатор (МКА) используется, когда амплитуда импульса зависит от энергии ионизирующего излучения. Он распределяет импульсы в различные каналы согласно их высотам. Количество импульсов, подсчитанных в каждом канале, отражается на дисплее и предоставляет информацию об энергетическом спектре излучения.

Вопросы для Самопроверки 7

Теперь выясните, как много Вы усвоили, отвечая в ваших рабочих тетрадях на следующие вопросы:

1.             Для каких детекторов необходим усилитель постоянного тока?

2.             Перечислите компоненты общей счетной схемы.

3.             Каковы основные функции следующих устройств?

а) Предусилитель.

б) Импульсный усилитель.

в) Дискриминатор.

4.             Назовите три типа счётных устройств. Какие из них обычно используются в полевых приборах?

5.             Какие счётные устройства Вы использовали бы с ОЧГ, Ge(Li) или NaI(Tl) детекторами, если бы пытались идентифицировать смесь различных радионуклидов?

Теперь сверьте свои ответы с правильными ответами в ваших рабочих тетрадях.

Основные понятия

  • Шесть основных методов, используемых для регистрации ионизирующего излучения: ионизация, сцинтилляция, термолюминесценция, химические реакции, калориметрия и биологические изменения.
  • Детекторы излучений, основанные на ионизации, это газонаполненные и твердотельные полупроводниковые детекторы.
  • Три типа газонаполненных детекторов это ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера.
  • Временное разрешение детектора определяется как минимальное время, которое должно разделять два импульса, чтобы они были зарегистрированы как два отдельных импульса.
  • Мертвое время детектора это отрезок времени, в течении которого сигнал или импульс возрастает достаточно, для того, чтобы быть зарегистрированным.
  • Восстановительное время – это время, в течении которого детектор восстанавливается после регистрации акта ионизации и возвращается в исходное состояние.
  • Ионизационные камеры работают в диапазоне тока насыщения и могут использоваться для подсчета импульсов и спектрометрии.
  • Средние значение тока на выходе ионизационной камеры пропорционально количеству падающего излучения. Выходной сигнал очень мал и требует усиления.
  • Ионизационные камеры не нуждаются в стабилизированном источнике высокого напряжения.
  • Если ионизационные камеры используются для измерения бета излучения, они должны иметь тонкое входное окно.
  • В пропорциональных счетчиках амплитуда результирующего импульса пропорциональна энергии излучения.
  • Амплитуда результирующего импульса в пропорциональном счетчике очень мала и требует усиления.
  • Пропорциональному счетчику необходим источник постоянного высокого напряжения.
  • Пропорциональные счетчики используются для подсчета импульсов и спектрометрии.
  • Детекторы Гейгера-Мюллера не могут различать типы и энергии падающего излучения.
  • Детекторы Гейгера-Мюллера должны быть погашены, чтобы предотвратить самопроизвольный разряд.
  • Детекторы Гейгера-Мюллера не требуют усиления.
  • Детекторы Гейгера-Мюллера обладают большим временным разрешением, поэтому в интенсивных полях излучения имеет место наложение сигналов.
  • Трубки Гейгера-Мюллера требуют коррекции хода с жесткостью.
  • Твердотельные полупроводниковые детекторы состоят из полупроводников n- и p-типов. Эти полупроводники могут также легироваться.
  • Твердотельные полупроводниковые детекторы включают поверхностно-барьерные детекторы, диффузные детекторы, детекторы с ионной имплантацией, литий-дрейфовые детекторы и детекторы из особо чистого германия.
  • Поверхностно-барьерные детекторы обладают хорошим энергетическим разрешением и могут использоваться для спектрометрии заряженных частиц.
  • Диффузные детекторы не предназначены для регистрации низкоэнергетических частиц, так как имеют мертвый слой.
  • Кремниевые pin-фотодиоды могут использоваться для детектирования гамма-излучения в электронных дозиметрах.
  • Детекторы с ионной имплантацией имеют высокие прочностные характеристики и могут использоваться для альфа-спектроскопии и регистрации низкоэнергетического бета-излучения.
  • В литий-дрейфовые детекторы введен литий, чтобы нейтрализовать примеси в полупроводниковом кристалле. Это создает больший чувствительный объем для спектроскопии фотонов.
  • Ge(Li) детекторы должны все время содержаться при очень низких температурах.
  • Si(Li) детекторы не такие эффективные, как Ge(Li), но, если они не используются, то могут храниться при комнатной температуре.
  • ОЧГ детекторы обладают наибольшей эффективностью регистрации фотонов и, если не используются, могут храниться при комнатной температуре.
  • Твердотельные полупроводниковые детекторы намного меньше газонаполненных детекторов.
  • Сцинтилляционные детекторы состоят из люминофора, который, когда возбужденные электроны возвращаются на нижележащий энергетический уровень, испускает видимое излучение.
  • Типичные сцинтилляционные детекторы: ZnS(Ag) детекторы, NaI(Tl) детекторы, пластиковые органические сцинтилляторы и жидкие органические сцинтилляторы.
  • ZnS(Ag) детекторы существуют в виде тонких слоев и могут использоваться для регистрации альфа-частиц и тяжелых ионов.
  • NaI(Tl) детекторы – эффективные сцинтилляционные детекторы для рентгеновского и гамма-излучения, однако, обладают более низким энергетическим разрешением.
  • Пластиковые органические сцинтилляторы могут использоваться для контроля альфа и бета-излучений.
  • Жидкие сцинтилляторы могут быть использованы для регистрации низкоэнергетических бета-частиц.
  • Для сбора и усиления сигнала сцинтилляционным детекторам необходим фотоэлектронный умножитель.
  • Детекторы нейтронов регистрируют нейтроны только при наличии вторичной ионизации.
  • Газонаполненные пропорциональные счетчики с бором-10 (пропорциональные счетчики, наполненные трехфтористым барием) или гелием (пропорциональные счетчики на основе гелия) могут использоваться для регистрации нейтронного излучения. Материал-замедлитель необходим для замедления быстрых и промежуточных нейтронов.
  • Быстрые нейтроны могут быть измерены, с использованием пропорциональных счётчиков на ядрах отдачи.
  • Пузырьковые дозиметры могут использоваться при индивидуальной дозиметрии и мониторинге окружающей среды.
  • Усилители постоянного тока необходимы детекторам, работающим в токовом режиме.
  • Общая счетная схема включает предусилитель, импульсный усилитель, дискриминатор и счётное устройство.
  • Счетчики, измерители скорости счета и амплитудные анализаторы это все типы счётных устройств.

Заключительное задание

Это задание должно быть завершено перед тестовым заданием, поэтому потратьте некоторое время, чтобы изучить этот модуль. Затем свяжитесь с вашим руководителем, чтобы договориться о подходящем времени, чтобы завершить это задание.


Глоссарий

Активатор Примесь, добавляемая в люминофор, чтобы обеспечить испускание фотонов видимого света при переходе электронов на низкоэнергетический уровень.
Анод Положительно заряженный электрод.
Восстановительное время Промежуток времени, в течении которого детектор восстанавливается после ионизации и возвращается в исходное состояние.
Газовое усиление Увеличение количества пар ионов, образующихся в газонаполненном детекторе.
Гашение Подавление электрического сигнала в газонаполненном датчике.
Динод Положительно заряженный электрод в фотоумножителе, который увеличивает количество фотоэлектронов.
Изолятор Материал, который не проводит электрический ток.
Импульсный режим Электрический сигнал измеряется как изменение или перепад напряжения.
Ионизация Процесс, посредством которого электроны отрываются от атомов или молекул, производя пару ионов.
Катод Отрицательно заряженный электрод.
Коррекция хода с жесткостью Метод, обеспечивающий пропорциональную энергии реакцию детектора на фотоны любых энергий.
Лавина Процесс, при котором свободный электрон выбивает электроны, которые в свою очередь создают все больше свободных электронов.
Легирование Процесс, при котором в такие полупроводники, как германий и кремний, вводятся примеси, улучшающие их характеристики.
Мертвое время Отрезок времени, в течении которого сигнал или импульс возрастает достаточно, для того, чтобы быть зарегистрированным.
Наложение сигналов Эффект, который дает мнимое нулевое значение на детекторе в поле ионизирующего излучения высокой интенсивности.
Обедненный слой Область соединения полупроводников n- и p-типов, которая не содержит электронов и дырок.
Область рекомбинации Область низкого напряжения газонаполненного детектора, в которой происходит рекомбинация ионов.
Область собственной электропроводности Область кремниевого или германиевого детектора, содержащего литий. Создается толстый чувствительный объем в веществе, в котором собираются электрон-дырочные пары, порождающиеся падающим излучением.
Полупроводник Материал, проводящий электрический ток лучше, чем изолятор, но не так хорошо, как проводник.
Полупроводник n-типа Материал, который легирован примесью, обеспечивающей дополнительные электроны. В таком материале проводимость улучшена за счет движения отрицательных зарядов.
Полупроводник p-типа Материал, который легирован примесью, обеспечивающей дополнительный дырки. В таком материале проводимость улучшена за счет эффективного движения положительных зарядов (дырок).
Проводник Материал, который хорошо проводит электрический ток.
Разрешающее время Минимальное время, которое должно разделять два импульса, чтобы они были зарегистрированы как два отдельных импульса.
Спектроскопия Процесс, в соответствии с которым детекторы разделяют излучение по энергии, что позволяет идентифицировать радионуклиды по энергии их излучений.
Сцинтилляция Испускание света, сопровождающее переход электронов с высокоэнергетических орбит на нижележащие энергетические уровни в поглотителе.
Термолюминесценция Освобождение энергии в форме видимого света, когда предварительно возбужденные электроны возвращаются на низкоэнергетические уровни. Чтобы вызвать термолюминесценцию, материалы должны быть нагреты, чтобы высвободить электроны, попавшие в ловушки на высокоэнергетических уровнях.
Ток насыщения Постоянный ток, соответствующий ситуации, когда почти все ионы, образованные в камере газонаполненного детектора, достигают электродов.
Токовый режим Электрический сигнал измеряется в виде тока.
Фотокатод Электрод, покрытый легким чувствительным материалом, который испускает электроны.
Чувствительный объем Часть детектора, которая регистрирует излучение.
Электрод Металлическая пластина, к которой приложено электрическое напряжение.
Энергетическое разрешение Способность различать при измерениях частицы или фотоны с различными энергиями.