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]

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?

[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?!

[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.

[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.