Доброе %время_суток%, all!

А не делал ли кто-нибудь из здесь присутствующих предусилитель к фотодиоду, используемому в сцинтилляционном детекторе? Что-то странные вещи происходят, почти ничего кроме шума не видно. Книги по вопросам трансимпедансных усилителей попадаются или слишком простые с очевидными вещами, или сплошь теоретические.

Дано: есть pin-фотодиод http://www.detector.org.ua/pin_photdiode_5x5.html , к нему прилеплен кристалл CsI(Tl) размером 10*10*40мм. Вся конструкция неплохо защищена от внешней засветки. При напряжении смещения 40В ёмкость фотодиода порядка 20 пф. Максимальное обратное напряжение его же - 60В. Время высвечивания кристалла - порядка 0.5 мкс.

Экспериментальная часть: Берём малошумящий ОУ с подходящими характеристиками из имеющихся в наличии - это оказался AD8671 (GBP=10 МГц, шум 2.8 нВ\Гц^0.5). Делаем схему как на рисунке. Для тестирования первого каскада даём на фотодиод рабочее смещение (40 вольт) и на инверсный вход того же ОУ загоняем через резистор 1 МОм с генератора меандр с частотой килогерц 100. Убеждаемся что приемлемой длительности фронтов на выходе первого ОУ (ок. 0.25 мкс) можно добиться с резистором в цепи обратной связи сопротивлением 100 кОм с компенсирующим подстроечным конденсатором, вставшим где-то на 2.5 пф. В разных источниках упоминается оценка что при прилёте частицы в кристалл от фотодиода следует ожидать заряда порядка 1 фКл, поэтому при длительности импульса 0.5 мкс и резисторе ОС 100 кОм на выходе ОУ следует ожидать импульса амплитудой 200 мкВ. Так как 200 мкВ - не тот сигнал, что наблюдают на осциллографе настоящие рыцари щупа и паяла, было решено дополнительно усилить его в 24 раза с помощью ОУ типа AD8610 (GBP=25 МГц).

Наблюдения: Вижу шумовую дорожку шириной около 3 мВ. Редко (несколько раз в минуту) проскакивают импульсы амплитудой миливольт до 15-20, но редкость их появления настораживает: кристалл ненамного больших размеров, прилепленный к ФЭУ, от естесственного радиационного фона даёт импульсов 50 в секунду. Конечно, гамма-спектр радиационного фона имеет максимум в районе порядка 100 кЭв и возможно что он тонет в шумах фотодиода и усилителя, и вижу я редкие вспышки порождаемые частицами с более высокой энергией. Источника чтобы это подтвердить или опровергнуть нету.

И вот тут-то меня не покидает мысль что я что-то неправильно делаю и не должно оно так шуметь. Кто имел опыт работы с этими вещами - поделитесь немного.
Спасибо!

А еще 7.5pF входная емкость операционника, сигнал <100мкВ...

Я, как сторонник простых решений выкинул бы всю эту обратную связь с шумящими резисторами и проч, а поставил на вход 1 мелкий полевой n-канальный транзистор, параметрами RC цепочки добивался нужного импульса для открытия на нужное время, и уже с выхода сигнал доводил до нужного диапазона операционником.

В оригинальной схеме - я бы попробовал гранулу сухого льда положить на схему, и посмотреть на результат (в плане шумов).

Насчет излучения - предлагаю сравнить отсчеты в помещении и под открытым небом.

а без него?

А Вы поделитесь с нами смыслом всего этого. Вам хочется линейный режим, или импульсы считать?
Ваша прикидка про 1 фКл означает, что эффективность Вашего устройства порядка тысячной.
Я вот испытывала такие вещи классическим способом - генератор - нагрузка - 50 ом+ два конденсатора. Один с большой емкостью, а емкость другого равна емкости ФД. Первый - на землю, второй на вход.

Интересная расстановка ОУ - для трансимпедансного каскада - 8671, а для обычного усилителя - 8610. Соображения не распишите ?

Конечно, хочется линейный режим. С полосой пропускания проблем нет, шума вот многовато...



Разве резистор в этой RC-цепочке не будет шуметь, а внутри операционника не тот же полевик? Хотя конечно надо попробовать...
Также прикину число отсчётов у окна и заблокировав, например, свинцовым кирпичиком.




8671 меньше шумит. Если есть соображения по которым в трансимпедансном каскаде тоже должен стоять 8610 - с удовольствием выслушаю. Ещё вчера следующим по плану экспериментом была как раз замена первого ОУ на 8610.

А что мешает всё необходимое усиление получить в одном каскаде? Или хотя бы на порядок большее?

Ну, можно было бы, наверное, отладить усилитель на видимом спектре, убрав кристалл. Затем уже переходить к гамма-спектру...

У 8671 токовый шум (0.3pA/√Hz) почти на 3 порядка больше, он и даёт основной вклад в шум на выходе.
0.3pA/√Hz*100kOhm = 30 nV/√Hz, про 2.8nV/√Hz можно не вспоминать.

Для 8610 ситуация обратная, у него добавка от токового шума (5fA/√Hz*100kOhm) на порядок меньше чем шум по напряжению (6nV/√Hz).

Тогда увеличивайте номинал резистора.
А что Вы строите-то?


Кристалл переводит энергию ионизирующих частиц в видимый свет. Зачем его убирать?

Я думаю, имелось в виду для испытаний использовать источник видимого света, вместа ловли случайных импульсов гамма фона.

Мешает необходимая полоса частот и отсутствие сейчас в руках малошумящих ОУ с таком произведением частота*усиление. Да и выбор малошумящих ОУ с GBP больше, скажем, 100 МГц (это чтобы мне на порядок сразу прыгнуть) не так широк как хотелось бы...

На видимом спектре работу усилителя видно - подключаю светодиод к генератору прямоугольных импульсов и работу усилителя набюдаю. Кристалл без повреждений убрать не могу: готовая сборка. Возможность светить светодиодом у меня есть из-за недостаточной светоизоляции модуля.




Тут не всё однозначно. Меня интересует частотная область 200 кГц - 1 МГц, там емкостное сопротивление фотодиода лежит в пределах 40 - 8 кОм, и шум соответственно будет 12 - 2.4 нВ\sqrt(Hz).
Но поставить 8610 обязательно попробую в ближайшее время...

Кстати, дежурная ссылка, рекомендую ознакомиться:
Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

Если увеличивать - проблемы с полосой пропускания сразу начнутся.
Там успели побывать вчера резисторы самых разных номиналов

Хочу запустить гамма-спектрометр с фотодиодом. А то недавно проснулся, глянул на календарь - опа, третье тысячелетие, а люди всё с ФЭУ да киловольтами воюют...

Так Вы раньше писали, что не интересуетесь отдельными вспышками... Я вот только в одном случае представляю себе нарастание излучения с такой скоростью... Вы не в Иране работаете? Или на него?

Нет, не в Иране. И даже не на него. Более того - делаю из личного интереса к данной теме, в порядке хобби. И отдельные вспышки - основная область моих интересов, ибо не думаю что вся установка попадёт когда-либо туда где вспышек будет больше нескольких сотен в секунду.
Чтобы увидеть отдельную вспышку полоса пропускания усилителя всё равно нужна широкая, пусть вспышки хоть раз в полгода идут. Вот создали бы товарищи учёные с помощью _{нанотехнологий} кристалл, адаптирующийся под текущую интенсивность ИИ и сам меняющий при этом время высвечивания - цены бы им не было...