|
Алмазный детектор, Измерение заряда алмазного детектора |
|
|
|
Jun 17 2013, 07:37
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
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.athttp://www.cividec.at/#products.htmlесть еще источник - хорошая статья в частности по зарядовым усилителям: http://kit-e.ru/articles/device/2005_8_184.phpЗаранее спасибо!
Сообщение отредактировал NNikolaev - Jun 17 2013, 08:06
|
|
|
|
3 страниц
1 2 3 >
|
 |
Ответов
(1 - 32)
|
Jun 17 2013, 10:28
|
Гуру
     
Группа: Свой
Сообщений: 2 563
Регистрация: 8-04-05
Из: Nsk
Пользователь №: 3 954

|
http://www.ti.com/lsds/ti/data-converters/...aramCriteria=noDDC112 - 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.
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 10:57
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
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?!
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 11:17
|
Гуру
     
Группа: Свой
Сообщений: 2 563
Регистрация: 8-04-05
Из: Nsk
Пользователь №: 3 954

|
Цитата(NNikolaev @ Jun 17 2013, 16:57)  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 .
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 12:02
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(_pv @ Jun 17 2013, 14:17)  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
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 14:14
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(_pv @ Jun 17 2013, 16:32)  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?! Цитата(Tanya @ Jun 17 2013, 15:22)  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?! Цитата(Plain @ Jun 17 2013, 16:56)  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?!
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 14:26
|
Гуру
     
Группа: Свой
Сообщений: 2 563
Регистрация: 8-04-05
Из: Nsk
Пользователь №: 3 954

|
Цитата(NNikolaev) 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?
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 14:39
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(_pv @ Jun 17 2013, 17:26)  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?!
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 15:58
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(_pv @ Jun 17 2013, 18:13)  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?!
|
|
|
|
|
Jun 17 2013, 17:25
|

Частый гость
 
Группа: Свой
Сообщений: 129
Регистрация: 28-09-10
Из: Москва
Пользователь №: 59 793

|
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
|
|
|
|
|
Jun 18 2013, 02:55
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(Petr_I @ Jun 17 2013, 20:25)  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.htmlЯ 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.
|
|
|
|
|
Jun 19 2013, 07:27
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(rudy_b @ Jun 18 2013, 15:52)  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.
|
|
|
|
|
Jun 19 2013, 09:12
|

Частый гость
 
Группа: Свой
Сообщений: 129
Регистрация: 28-09-10
Из: Москва
Пользователь №: 59 793

|
Цитата(NNikolaev @ Jun 18 2013, 06:55)  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.
|
|
|
|
|
Jun 19 2013, 11:04
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(Petr_I @ Jun 19 2013, 12:12)  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.
|
|
|
|
|
Jun 19 2013, 11:32
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
Цитата(_pv @ Jun 19 2013, 14:18)  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
|
|
|
|
|
Jun 19 2013, 20:23
|
Гуру
     
Группа: СуперМодераторы
Сообщений: 3 096
Регистрация: 16-01-06
Из: Москва
Пользователь №: 13 250

|
Цитата(Tanya @ Jun 17 2013, 16:22)  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).
--------------------
Не бойтесь тюрьмы, не бойтесь сумы, не бойтесь мора и глада, а бойтесь единственно только того, кто скажет - "Я знаю как надо". А. Галич.
|
|
|
|
|
Jun 19 2013, 20:37
|

Частый гость
 
Группа: Свой
Сообщений: 129
Регистрация: 28-09-10
Из: Москва
Пользователь №: 59 793

|
Цитата(NNikolaev @ Jun 19 2013, 15:04)  А напряжение придает вектор движения - образуется течение заряда - то есть ток. Теперь осталось докопать в сторону темнового тока и лавинного размножения носителей заряда. Цитата(NNikolaev @ Jun 19 2013, 15:04)  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. Цитата(NNikolaev @ Jun 19 2013, 15:04)  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. Цитата(DS @ Jun 20 2013, 00:23)  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.
|
|
|
|
|
Jun 20 2013, 04:55
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 61
Регистрация: 5-11-04
Пользователь №: 1 056

|
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.
|
|
|
|
|
Jun 20 2013, 06:19
|
Местный
  
Группа: Участник
Сообщений: 256
Регистрация: 15-04-13
Из: Казахстан, г. Алматы
Пользователь №: 76 504

|
Цитата(NNikolaev @ Jun 17 2013, 19:58)  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.
|
|
|
|
|
Dec 27 2017, 06:59
|
Знающий
   
Группа: Свой
Сообщений: 735
Регистрация: 11-10-11
Пользователь №: 67 667

|
Цитата(Petr_I @ Jun 17 2013, 20:25)  Есть еще предложение не заморачиваться и купить детектор с усилителем например тут http://www.ural-almaz.com.ru/product2.htmlЖесть, как у нас развивается электронная промышленность: www.ural-almaz.com.ru: "Я назову 22 универсальных способа лечения суставов"
|
|
|
|
|
Jan 17 2018, 11:37
|
Участник

Группа: Участник
Сообщений: 36
Регистрация: 11-01-17
Пользователь №: 94 957

|
Цитата 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 Цитата 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
|
|
|
|
1 чел. читают эту тему (гостей: 1, скрытых пользователей: 0)
Пользователей: 0
|
|
|