Алмазный детектор, Измерение заряда алмазного детектора Опции

[NNikolaev]

Добрый день Форумчане!
Вообщем есть алмазный детектор. При приложении напряжения порядка 200 В при воздействии на него быстрыми нейтронами образуется заряд прямо порпоциональный потоку быстрых нейтронов, который надо измерять. Поток 10^6 за 1..1.5 мкс. Емкость датчика примерно 4 пФ. Заряд я думаю в районе 200...800 fQ (-15 Q). Его нужно замерить. Область геофизическая - температура до +125 C и мощная помеха. Варианты нашел следующие - тыкните пожалуйста, что на Ваш взгляд будет работать лучше:
1. Классический преобразователь заряд напряжение.
2. Есть какой то новый способ (Forward Bias FET charge Amplifier)
3. Есть способ с обратной связью через операционный усилитель - как в документации на AD745 ( http://www.analog.com/ru/precision-op-amps...ts/product.html стр 10)

Теперь экзотика:
1. Есть микросхема - измеритель емкости - есть идея ее приспособить для измерения заряда - ведь если емкость датчика постоянная заряд на нем пропорционален напряжению.
2. Появилась микросхема Microchip’s GestIC® Technology MGC3130 - реагирует на электрическое поле - в принципе образующие заряды будут наводить электрическое поле.
Вообщем голову сломал - нужно достаточно простое и эффективное - съем информации 20 раз в секунду - то есть раз процесс быстрый заряд нужно хранить и потом еще сбрасывать.
Подскажите, кто делал похожие вещи - тут многие с быстрыми фотодиодами работают.
Вот тут похожие изделия:
http://www.cividec.at
http://www.cividec.at/#products.html

есть еще источник - хорошая статья в частности по зарядовым усилителям:
http://kit-e.ru/articles/device/2005_8_184.php


Заранее спасибо!

Сообщение отредактировал NNikolaev - Jun 17 2013, 08:06

[_pv]

http://www.ti.com/lsds/ti/data-converters/...aramCriteria=no
DDC112 - медленный сигма-дельта, соответсвенно будет интегрировать заряд за ~0.3мс. но если надо всего 20 раз в секунду, то пожалуй подойдёт.
DDC316 - быстрый SAR, время интегрирования от 10мкс, соответсвенно шумы повыше.
AFE0064 - отдельно зарядовый S/H.

шум ~ 1000e- = 0.2fQ\
ну и корпуса, вследствие многоканальности, у всех кроме DDC112 не самые красивые.

[NNikolaev]

Про Аналого-цифровое преобразование понятно - но самое главное как вытащить и преобразовать этот заряд в выходное напряжение.
Я все таки склоняюсь к MGC3130 - уже все готово - только датчик и микросхему в цилиндр Фарадея поместить. Кто реально такие малые заряды вытаскивал?!

[_pv]

Про Аналого-цифровое преобразование понятно - но самое главное как вытащить и преобразовать этот заряд в выходное напряжение.
Я все таки склоняюсь к MGC3130 - уже все готово - только датчик и микросхему в цилиндр Фарадея поместить. Кто реально такие малые заряды вытаскивал?!

не поленитесь, гляньте даташит на ddc112/ddc114, это не просто АЦП, преобразовывать в напряжение ничего не надо, это АЦП с токовым входом, датчик прямо на вход вешается.
а если так хочется получить именно напряжение, то AFE0064 именно это и делает.

а MGC3130 никак не поможет, он ёмкость измеряет, а не заряды, и имеет большие входные токи, которые даже в даташите на эту микрочиповскую поделку не указаны .

[NNikolaev]

не поленитесь, гляньте даташит на ddc112/ddc114, это не просто АЦП, преобразовывать в напряжение ничего не надо, это АЦП с токовым входом, датчик прямо на вход вешается.
а если так хочется получить именно напряжение, то AFE0064 именно это и делает.

а MGC3130 никак не поможет, он ёмкость измеряет, а не заряды, и имеет большие входные токи, которые даже в даташите на эту микрочиповскую поделку не указаны .

Я смотрел эти токовые АЦП. у него действующих разрядов 20 и на минимальном конденсаторе 12.5 пФ у него полная шкала 50 pQ. Таким образом шаг квантования 5*10-17 Q или 0.05 fQ
Правильно?!
Вот тут еще тема немного раскрыта кому интересно.

http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=48:7049-2

[Tanya]

Кто реально такие малые заряды вытаскивал?!

Есть такой опыт... С IVC102. Входной ток там порядка нескольких десятков фА. Но он стабильный, и его удалось скомпенсировать до сотен аттоампер. Основные проблемы - качественная отмывка платы и шумы. Быстро такое измерять... сомнительно. Есть на этом же принципе с прицепленным сзади АЦП (Вам уже на них указывали). Есть еще (не помню точно, как называется) сестричка IVC с меньшими шумами.

[_pv]

Я смотрел эти токовые АЦП. у него действующих разрядов 20 и на минимальном конденсаторе 12.5 пФ у него полная шкала 50 pQ. Таким образом шаг квантования 5*10-17 Q или 0.05 fQ
Правильно?!

не совсем, разрешение хоть и 20 бит, уровень шумов всё равно будет около 1000 электронов (у DDC14 есть диапазон 12pQ, и указано 20ppm шума, что соответствует ~2000 электронам), или 0.2 fQ, то есть несколько выше младшего разряда.
так и чем не устраивают данные АЦП?

[Plain]

Немного сконцентрирую внимание советующих, что у автора "температура до +125 C" и "мощная помеха" безразмерной величины.

[NNikolaev]

не совсем, разрешение хоть и 20 бит, уровень шумов всё равно будет около 1000 электронов (у DDC14 есть диапазон 12pQ, и указано 20ppm шума, что соответствует ~2000 электронам), или 0.2 fQ, то есть несколько выше младшего разряда.
так и чем не устраивают данные АЦП?

Вот в документации к этому АЦП на стр 6 показано, что уже при 85 градусов входной ток (ток утечки) составит уже более 10 pA. Это значит, что ток в fA диапазоне просто сольется и я боюсь, что просто не зафиксируется этот ток или хуже того, он зарядит конденсатор и создаст ошибку. Еще есть мощная электродинамическая помеха, есть идея сделать 2 канала - и запускать одновременно - один с датчиком, другой просто с топологией такой же емкости. Помеха и ток утечки будет одинакова и при разности кодов мы получим ну практически чистый заряд.
Есть еще такое старое забытое - как баллистический гальванометр - там по степени отклонения судили какой заряд прошел. Может использовать твердотельную аналогию и трансформатор?!

Есть такой опыт... С IVC102. Входной ток там порядка нескольких десятков фА. Но он стабильный, и его удалось скомпенсировать до сотен аттоампер. Основные проблемы - качественная отмывка платы и шумы. Быстро такое измерять... сомнительно. Есть на этом же принципе с прицепленным сзади АЦП (Вам уже на них указывали). Есть еще (не помню точно, как называется) сестричка IVC с меньшими шумами.

Скажите Таня - а Вы грели ее и что ток входной стабильный и как Вы его компенсировали?!

Немного сконцентрирую внимание советующих, что у автора "температура до +125 C" и "мощная помеха" безразмерной величины.

Тут Вы совершенно правы - когда рядышком срабатывает разрядник замыкая на землю 4 кВ тут не до лабораторных условий. Я вот все же думаю поставить AD549 или lmp7721 и сделать заряд - напряжение а потом у maxim есть MAX11156 и получать свои 16 рабочих бит. Как думаете?! Все таки у этих операционниках входной ток при 125 меньше 1 рA. Как думаете?!

[Tanya]

Скажите Таня - а Вы грели ее и что ток входной стабильный и как Вы его компенсировали?!

Нет. Во время измерений не грела. Все это жило в массивном медном экране. Ток компенсировался подачей регулируемого стабильного напряжения (милливольты....) через резистор 1 ТОм, который тоже оказался стабильным.

[_pv]

Вот в документации к этому АЦП на стр 6 показано, что уже при 85 градусов входной ток (ток утечки) составит уже более 10 pA. Это значит, что ток в fA диапазоне просто сольется и я боюсь, что просто не зафиксируется этот ток или хуже того, он зарядит конденсатор и создаст ошибку.

Вы не бойтесь, посчитайте, 10пА * 400мкс = 4фКл. уровень шумов, как я уже сказал будет пара тысяч электронов, то есть 0.5фКл, а смещение, причём постоянное, если температура не меняется, всего 4фКл - не так уж и страшно.
если это много, можно взять AFE0064, там и шумы меньше, и время интегрирования от 14мкс, соответственно даже бОльшие токи утечек много заряда унести не успеют.
точность измерения какая нужна?

[NNikolaev]

Вы не бойтесь, посчитайте, 10пА * 400мкс = 4фКл. уровень шумов, как я уже сказал будет пара тысяч электронов, то есть 0.5фКл, а смещение, причём постоянное, если температура не меняется, всего 4фКл - не так уж и страшно.
если это много, можно взять AFE0064, там и шумы меньше, и время интегрирования от 14мкс, соответственно даже бОльшие токи утечек много заряда унести не успеют.
точность измерения какая нужна?

Да про точность речь пока не идет - это монитор - потому как и поверять пока нечем - есть примерный уровень выхода нейтронов. Значит проблем не должно быть.
Вот еще один момент - в результате реакции образуются альфа частицы - они отрицательные - при положительном напряжении смещения у меня какой заряд на датчике конденсаторе - плюс или минус. Можно его включать прямо на вход а на другой контакт - напряжение смещения - что бы не заземлять и не использовать переходную емкость?!

[_pv]

Вот еще один момент - в результате реакции образуются альфа частицы - они отрицательные - при положительном напряжении смещения у меня какой заряд на датчике конденсаторе - плюс или минус. Можно его включать прямо на вход а на другой контакт - напряжение смещения - что бы не заземлять и не использовать переходную емкость?!

всю жизнь альфа частицы были положительными, так как состоят из двух протонов и двух нейтронов.
у конденсатора с одной стороны заряд плюс, а с другой - ровно столько же минуса.
и почему при 4пФ ёмкости и 10 МегаОмах сопротивления (через него протекает 1пКл за 1мкс при напряжении пусть будет 10В) датчик вдруг стал именно кондесатором, а не, например, резистором?

[sensor_ua]

Попалась статья. Может быть по теме.

[NNikolaev]

всю жизнь альфа частицы были положительными, так как состоят из двух протонов и двух нейтронов.
у конденсатора с одной стороны заряд плюс, а с другой - ровно столько же минуса.
и почему при 4пФ ёмкости и 10 МегаОмах сопротивления (через него протекает 1пКл за 1мкс при напряжении пусть будет 10В) датчик вдруг стал именно кондесатором, а не, например, резистором?

Ой, это я сморозил - конечно же альфа частица положительный несет заряд. Ну резистивная состовляющая у него больше - я думаю 50 МоМ. У этого АЦП - он преобразует положительный заряд -так это что надо питать отрицательным его напряжением что ли?! Вот, что получается его зарядили до 200 В, при емкости 4 пФ он несет 800 pQ. При импульсном нейтронном потоке этот заряд уменьшится (погасится зарядом альфа частицами) - и мы должны вот эту дельту преобразовать. Вообщем что то вроде дифференциального зарядового усилителя просится. А есть ли такое в природе?!

[_pv]

Вот, что получается его зарядили до 200 В, при емкости 4 пФ он несет 800 pQ. При импульсном нейтронном потоке этот заряд уменьшится (погасится зарядом альфа частицами) - и мы должны вот эту дельту преобразовать.

держите 200В (а может и меньшего напряжения будет достаточно?) всё время и интегрируйте ток. причём если точно знаете когда именно приходит нейтронный поток, все измерения до и после можно использовать для вычисления смещения.

[Petr_I]

Почитал я все выше написанное и понял, что Вы не совсем понимаете, как ваш детектор работает.
Если у Вас безбарьерный детектор (с p-n переходом пока серийно не делают, насколько я знаю), то работает он на тех же принципах, что и фоторезистор. То есть нейтрон взаимодействуеют с атомами алмаза и рождает электронно-дырочные пары, которые в свою очередь, создают электрический ток через кристалл.Поэтому Вам надо измерять ток.

Откуда у Вас беруться альфа частицы?
Откуда у Вас берется заряд (нейтрон - не имеет заряда)?

Дальше надо определиться, что измерять: энергию нейтрона или их количество.
Если количество, то требования по входному каскаду можно сильно снизить.

Размещать усилитель рядом с детектором в данном случае не очень хорошая идея, т.к. радиационная стойкость вашего кремниевого усилителя на порядки меньше алмаза, и какой тогда смысл мучиться с алмазом и платить немалые деньги. Может так случиться, что детектировать нейтроны начнет сам усилитель.

Усилитель Вам нужен именно преобразователь ток в напряжение или интегратор со сбросом.
С шумами бороться выбором компонентов и охлаждением на элементах Пельтье, можно даже жидким азотом, как в рентгеновских энергодисперсионных детекторах.

Есть еще предложение не заморачиваться и купить детектор с усилителем например тут
http://www.ural-almaz.com.ru/product2.html

[NNikolaev]

Почитал я все выше написанное и понял, что Вы не совсем понимаете, как ваш детектор работает.
Если у Вас безбарьерный детектор (с p-n переходом пока серийно не делают, насколько я знаю), то работает он на тех же принципах, что и фоторезистор. То есть нейтрон взаимодействуеют с атомами алмаза и рождает электронно-дырочные пары, которые в свою очередь, создают электрический ток через кристалл.Поэтому Вам надо измерять ток.

Откуда у Вас беруться альфа частицы?
Откуда у Вас берется заряд (нейтрон - не имеет заряда)?

Дальше надо определиться, что измерять: энергию нейтрона или их количество.
Если количество, то требования по входному каскаду можно сильно снизить.

Размещать усилитель рядом с детектором в данном случае не очень хорошая идея, т.к. радиационная стойкость вашего кремниевого усилителя на порядки меньше алмаза, и какой тогда смысл мучиться с алмазом и платить немалые деньги. Может так случиться, что детектировать нейтроны начнет сам усилитель.

Усилитель Вам нужен именно преобразователь ток в напряжение или интегратор со сбросом.
С шумами бороться выбором компонентов и охлаждением на элементах Пельтье, можно даже жидким азотом, как в рентгеновских энергодисперсионных детекторах.

Есть еще предложение не заморачиваться и купить детектор с усилителем например тут
http://www.ural-almaz.com.ru/product2.html

Я знаю эту контору. Дело в том, что необходимо фиксировать поток (то есть количество именно быстрых нейтронов). А детектор работает на принципе ядерной реакции - быстрый нейтрон взаимодействует с ядром углерода - происходит развал ядра на бериллий и альфа частицу. Используется именно этот физический эффект - а он происходит, если энергия нейтрона больше 10 МэВ. По крайней мере лучшего для мониторирования быстрых нейтронов я ничего не видел. Эффективность алмазногодетектора 2-5% - то есть он фиксирует только 2-5% потока - но и этого количества вполне достаточно для управления.

Охлаждение Пельтье, жидкий азот и прочее в скважинных условиях не работают. Ну а то, что можно купить это понятно - стоит задача сделать лучше и на других принципах.

Думаю все таки будем использовать DDC112 - снимем его характеристику при прогоне температуры +120С и будем использовать ее как поправку, а так как известно, когда пройдет поток нейтронов - остальные измерения будем использовать для анализа смещения.

[rudy_b]

Плюс делайте переполюсовку напряжения на самом детекторе. Тогда легко отличите входной ток усилителя от сигнала детектора.

[NNikolaev]

Плюс делайте переполюсовку напряжения на самом детекторе. Тогда легко отличите входной ток усилителя от сигнала детектора.

Спасибо - мы как раз хотели еще переплюсовку делать, что бы избежать поляризации детектора. Но это уже тонкости. Ладно как поставим эксперимент отпишу.

[Petr_I]

А детектор работает на принципе ядерной реакции - быстрый нейтрон взаимодействует с ядром углерода - происходит развал ядра на бериллий и альфа частицу.

А откуда у Вас заряд берется? Альфа частица улетает в окружающее пространство и создает заряд?
Закон сохранения заряда знаете?

Если Вы конкретно решили регистрировать именно заряд, то 200В будут только мешать, создавать наведенный ток от внешнего альфа, бета, гамма и пр. излучения.
Измерение заряда альфа частиц DDC112 - достойная задача.

И всетаки это ток.

Переполюсовка от того, что Вы называете "поляризацией" не спасет.

[NNikolaev]

А откуда у Вас заряд берется? Альфа частица улетает в окружающее пространство и создает заряд?
Закон сохранения заряда знаете?

Если Вы конкретно решили регистрировать именно заряд, то 200В будут только мешать, создавать наведенный ток от внешнего альфа, бета, гамма и пр. излучения.
Измерение заряда альфа частиц DDC112 - достойная задача.

И всетаки это ток.

Переполюсовка от того, что Вы называете "поляризацией" не спасет.

Альфа частица никуда не улетает - у нее в материалах прохождение мкм - но зато она эффективно ионизирует - то есть создает пары - дырки и электроны. А напряжение придает вектор движения - образуется течение заряда - то есть ток. Эффект возникает при энергии у нейтрона больше 10 МэВ. Почему Вы говорите, что переплюсовка не спасет от поляризации - очень даже судя по источникам. Но мне кажется, что при таких загрузках и эффекта поляризации даже не будет.
Весь вопрос в том - справится эта микросхема с таким импульсным током или нет. Решили взять DDC114 - там 2 в одном корпусе - фиксировать заряд с датчика и просто емкости расположенной рядом - потом коды вычитать - таким образом уйдем от наводки и дрейфа температурного.

[_pv]

Весь вопрос в том - справится эта микросхема с таким импульсным током или нет. Решили взять DDC114 - там 2 в одном корпусе - фиксировать заряд с датчика и просто емкости расположенной рядом - потом коды вычитать - таким образом уйдем от наводки и дрейфа температурного.

там тока-то 1пКл за 1мкс = 1мкА. А входы вроде до 750мкА пережить могут.
ну и всегда можно просто RC цепочкой этот импульсный ток размазать по времени, измеряется-то всё равно заряд. 100кОм & 100пф на входе там не сильно шумы увеличат. А 1мкс импульсные токи на порядок уменьшат.
два ацп в одном корпусе могут помочь с измерением помехи, но вот на одинаковость температурных дрейфов я бы не надеялся.

[NNikolaev]

там тока-то 1пКл за 1мкс = 1мкА. А входы вроде до 750мкА пережить могут.
ну и всегда можно просто RC цепочкой этот импульсный ток размазать по времени, измеряется-то всё равно заряд. 100кОм & 100пф на входе там не сильно шумы увеличат. А 1мкс импульсные токи на порядок уменьшат.
два ацп в одном корпусе могут помочь с измерением помехи, но вот на одинаковость температурных дрейфов я бы не надеялся.

А дрейф - технологически если топологию входов сделать - входы наверно идентично плывут - одновременно если два запускать. Про заряд вы правы - размазать заряд по времени интегрирования. Ну и это же инвертирующий вход - то есть в нашем случае фактически земля - то есть датчик будет работать в режиме короткого замыкания.

Сообщение отредактировал NNikolaev - Jun 19 2013, 11:33

[DS]

Есть такой опыт... С IVC102. Входной ток там порядка нескольких десятков фА. Но он стабильный, и его удалось скомпенсировать до сотен аттоампер. Основные проблемы - качественная отмывка платы и шумы. Быстро такое измерять... сомнительно. Есть на этом же принципе с прицепленным сзади АЦП (Вам уже на них указывали). Есть еще (не помню точно, как называется) сестричка IVC с меньшими шумами.

Он с нейтронов того, быстро со стабильностью распрощается (на таком уровне, конечно).

[Petr_I]

А напряжение придает вектор движения - образуется течение заряда - то есть ток.

Теперь осталось докопать в сторону темнового тока и лавинного размножения носителей заряда.

Почему Вы говорите, что переплюсовка не спасет от поляризации - очень даже судя по источникам. Но мне кажется, что при таких загрузках и эффекта поляризации даже не будет.

Это зависит от типа регистрируемого излучения и его энергии.
В вашем случае если детектор поляризуется, то поляризуется надолго и весь.
А насколько это будет влиять это на ваши измерния и как быстро будет релаксировать обратно покажет эксперимент.

Решили взять DDC114 - там 2 в одном корпусе - фиксировать заряд с датчика и просто емкости расположенной рядом - потом коды вычитать - таким образом уйдем от наводки и дрейфа температурного.

Имеет право на жизнь, только сомневаюсь, что от наводки Вы так просто избавитесь (это зависит от наводки).
С током справится, но защита от пробоя детектора нужна обязательно.
С RC цепочкой рискуете получить самовозбуждение интегратора, надо RCR.

Он с нейтронов того, быстро со стабильностью распрощается (на таком уровне, конечно).

Скорее с жизнью. Выносить однозначно.(вперед ногами )
А там сразу емкость кабеля и прочие проблемы поджидают.

[NNikolaev]

Я так понимаю, что на зарядовые датчики емкость кабеля практически не влияет (конечно выносить надо в районе 200...300 мм от мишени). Вот например ОУ стоит в 250 мм от мишени - прибор работает с 2009 года и ни одного отказа не было по радиационному поражению и накопленной дозе. Но тут АЦП конечно потоньше изделие - вообщем я думаю эксперимент и защита водородом с бором и железом думаю спасет.

[VNS]

Ой, это я сморозил - конечно же альфа частица положительный несет заряд. Ну резистивная состовляющая у него больше - я думаю 50 МоМ. У этого АЦП - он преобразует положительный заряд -так это что надо питать отрицательным его напряжением что ли?! Вот, что получается его зарядили до 200 В, при емкости 4 пФ он несет 800 pQ. При импульсном нейтронном потоке этот заряд уменьшится (погасится зарядом альфа частицами) - и мы должны вот эту дельту преобразовать. Вообщем что то вроде дифференциального зарядового усилителя просится. А есть ли такое в природе?!

Альфа-частицы попадают на обе обкладки датчика и разность потенциалов не должна получаться. Изменяется только общий заряд кристалла относительно общей шины. Кроме этого, положительный заряд будет накапливается и в объёме кристалла, величина которого будет постоянно расти.

[DS]

Я так понимаю, что на зарядовые датчики емкость кабеля практически не влияет (конечно выносить надо в районе 200...300 мм от мишени).

Практически линейно снижает сигнал-шум.

[_pv]

Я так понимаю, что на зарядовые датчики емкость кабеля практически не влияет (конечно выносить надо в районе 200...300 мм от мишени).

даташит на ddc114, стр. 6 первый же график - шум от ёмкости, 20...30пФ ничего не меняет, особенно учитывая что при +125С там сосвсем не эти шумы будут точность определять.

[NNikolaev]

Кому интересно - что это за датчик, принцип действия и возможности:
http://www.npl.co.uk/upload/pdf/091104_nuc_galbiati.pdf

[Hale]

Есть еще предложение не заморачиваться и купить детектор с усилителем например тут
http://www.ural-almaz.com.ru/product2.html

Жесть, как у нас развивается электронная промышленность:
www.ural-almaz.com.ru: "Я назову 22 универсальных способа лечения суставов"

[bravissimo]

температура до +125 C

Меня несколько настораживает заданная температура. По идее это уже комплектующие "милитари", по верхней границе. И область приемлемых решений имхо несколько сужается.:-
Относительно

Емкость датчика примерно 4 пФ. Заряд я думаю в районе 200...800 fQ (-15 Q). Его нужно замерить.

Возможно дурацкий вопрос появился.
Хотелось бы уточнить. Заряд наличествует где, на обкладках датчика или распределен в толще датчика, на манер сорбированного? И тогда какое сопротивление имеет сей дптчик, в смысле что делать - ждать пока стечет на обкладки при замере или мерять наведенный?

Сообщение отредактировал bravissimo - Jan 17 2018, 12:11