Снятие сигнала с ФЭУ, схема пред-усилителя для счета и интегрирования Опции

[Rockstein]

Не хочу раздувать уже создавшийся офф-топ, поэтому создаю эту тему.

Имеется ФЭУ от хамаматсу H7422-40 ( http://doc.chipfind.ru/pdf/hamamatsu/h7422.pdf ). Он имеет встоенный источник высокого напряжения и охлаждение на пельтье для понижения шума. Так же имеется защита при токе больше 6 мкА, хотя макс всего 2 мкА. Сигнал с анода выводится через BNC разъем.

Требуется сделать предусилитель с выходом для счетчика и интегрированного сигнала. Выкладываю схему своего варианта пред-усилителя на обсуждение.
 PMT_PreAmp.sch ( 337.11 килобайт ) Кол-во скачиваний: 1189

Формат eagle 5. Схема, конечно же, не идеальна. Выражаю благодарность jam за помощь и советы.

Собрал почти навесным монтажем на цельной плате и засунул с ВЧ-экранированную коробку. Разделительный кондер на входе, а так же диоды я не ставил. 1 Гигом разряжает входную емкость ФЭУ, так что никакого высокого там не натекает. Вообщем теперь о грустном. Входной каскад дает импульсы где-то 40нс на выходе, при том что на входе в среднем где-то 3-5 нс. Усиление можно и единичное сделать, сиграла там достаточно. Но почему-то с инвертирующим включением AD8014 не получается такой скорости, даже при Rg=Rf=1ком. В неинвертирующем включении, когда выход фэу на 50Ом зашунтирован и потом на вход AD8014 добиваюсь 5нс, но поясляется овершутинг, хотя выход через 50Ом на RG58 кабель и потом на осциллоскопе 50Ом терминатор. Подскажите как добится 5 нс. Может кто другой усилитель посоветует?

Еще одна проблема с интегратором. Так как AD8014 дает на выходе несколько мВ оффсет, напрямую интегратор входит в насыщение. Поэтому сначала обрезаю DC и пускаю только AC на интегратор. Но скважность импульсов настолько мала, что интегрированный сигнал просто тонет в шуме, который гже-то около двух мВ пик-пик. Много чего перепробовал, и сначала интегрировать на RC-цепочке, потом усилять и активный low-pass. Результат не утешительный. Зато если выход ФЭУ пустить на трансимпедансный усилетель на AD549, то интегрированный сигнал снимается прекрасно. Вот только нужно и считать и интегрировать.

Выглядел у америкосов следующий девайс Супер-пупер малошумящий усилитель заряда. Стоит ли под него копать?

[serebr]

На ту же тему, но немного в другом ракурсе.
Кроме стремления улучшить характеристики исходного импульса можно использовать последующую цифровую обработку сигналов с ФЭУ "на лету" с небольшой и строго определённой задержкой. Пример обработки, для которой задержка составляет 150 нс, приведен на рисунке:

Результирующая картинка выглядит, например, так:

Картинки получены на реальных данных в реальном приборе.

Сообщение отредактировал serebr - Nov 22 2009, 03:55

[jam]

Кроме стремления улучшить характеристики исходного импульса можно использовать последующую цифровую обработку сигналов с ФЭУ "на лету" с небольшой и строго определённой задержкой. Пример обработки, для которой задержка составляет 150 нс
Картинки получены на реальных данных в реальном приборе.

Красивые картинки - если не сектрет - какой у Вас АЦП стоит? У меня так ad9235 только 11 бит без шума выдаёт - или это у Вас на картинке усреднение по 1000 событий?

[serebr]

Красивые картинки - если не сектрет - какой у Вас АЦП стоит? У меня так ad9235 только 11 бит без шума выдаёт - или это у Вас на картинке усреднение по 1000 событий?

Используем АЦП AD9248.
Первая картинка с одиночным импульсом - это реальный одиночный импульс. Поскольку у нас АЦП работает на 20 МГц, то совсем уж высокочастотных шумов нет. Это ведь не единицы наносекунд, как у вас, а уже целых 50 нс. Шумы с 14-битным АЦП получаются примерно 1-2 единицы в отсчётах АЦП (RMS). Если мерять от пика до пика, то тоже порядка 11 бит получится. Одиночный импульс приведен достаточно большой амплитуды - 5000 отсчётов, так что на этом фоне на достаточно грубом графике шумов не видно.

[Tanya]

Используем АЦП AD9248.
Одиночный импульс приведен достаточно большой амплитуды - 5000 отсчётов, так что на этом фоне на достаточно грубом графике шумов не видно.

Что-то у меня немного не сходится (внутри). Можно отсчеты пересчитать в электроны?

[serebr]

Что-то у меня немного не сходится (внутри). Можно отсчеты пересчитать в электроны?

Честно говоря, не понял вопроса. Надо отсчёты АЦП пересчитать в количество прилетевших на анод ФЭУ электронов?

[Tanya]

Честно говоря, не понял вопроса. Надо отсчёты АЦП пересчитать в количество прилетевших на анод ФЭУ электронов?

Да.

[serebr]

Да.

Это круто.
В моём случае использется детектор гамма-квантов на кристалле. Надо взять энергию гамма-кванта, умножить на коэффициент усиления ФЭУ, заряд перевести в ток исходя из времени нарастания/спада импульса, умножить на коэффициент преобразования ток/напряжение входного усилителя ФЭУ, пересчитать напряжение в код исходя из характеристик АЦП.
И всё это предлагается проделать для удовлетворения чьего-то абстрактного любопытства? Я тихо фигею.

Сообщение отредактировал serebr - Nov 22 2009, 17:55

[Tanya]

Это круто.
Я тихо фигею.

А что сложного? Коэффициент усиления ФЭУ в электронах на первичный фотон или электрон, умножить на заряд электрона, умножить на величину сопротивления нагрузки, чувствительность АЦП в тиках на вольт...
Хочется понять, сколько электронов содержится в одном кванте АЦП*время накопления.

[serebr]

А что сложного? Коэффициент усиления ФЭУ в электронах на первичный фотон или электрон, умножить на заряд электрона, умножить на величину сопротивления нагрузки, чувствительность АЦП в тиках на вольт...
Хочется понять, сколько электронов содержится в одном кванте АЦП*время накопления.

Цитата из Википедии:

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%...%B5%D0%BB%D1%8C

Соответственно, не электрон умножается ФЭУ, а гамма-квант, который выбивает количество электронов, пропорциональное энергии гамма-кванта, попавшего на фотокатод. Собственно этим и оперируют разработчики, т.к. не электроны мы регистрируем, а гамма-кванты. Хочется посчитать - считайте электроны на здоровье.
Для ориентира могу лишь сказать, что в нашем приборе 1 отсчёт АЦП соответствует примерно 1 кэв, 8000 отсчётов - 8 Мэв.

Сигнал\шум у Вас замечательный - можно позавидовать, но кроме него для получения разрешения нужна хорошая статистика - т.е. то число первичных электронов фотокатода - эти два параметра в сумме дают возможность оценить Вашу замечательную конструкцию, поэтому и интерес к числу этих вот электронов. Ещё хотелось спросить - какой у Вас сцинтилятор - у нас LaBr:Ce.
А на счёт АЦП - сейчас смотрю начинают появляться continuous time sigma-delta. National уже как года два делает, а тут за ними и AD подтягиваются - сделали ad9267 - жаль в продаже пока нет. Хоти они на мой взгляд какие-то недоделанные, ну лиха беда начало. Смотрю так, придётся в скором времени с цифровой электроникой активно дружиться .

Конструкция не моя, я в радиоактивных делах не спец. Что касается цифровой обработки, то это моё детище.
И схемотехника уменьшения наводок на цепи входного тракта - здесь я тоже неплохо свои знания приложил. Только вот как об этом делиться на форуме не знаю - вроде как коммерческая тайна.

[jam]

Хочется посчитать - считайте электроны на здоровье.
Для ориентира могу лишь сказать, что в нашем приборе 1 отсчёт АЦП соответствует примерно 1 кэв, 8000 отсчётов - 8 Мэв.

Не вижу смысла делать коммерческой тайны из фэу , типа сцинтилятора и метода преобразования - иначе покупателей окажется существенно меньше. А если засекретить факт существования самого девайса - то покупателей не будет вобще.
Мы вот покупали 4KSАА у парсека http://www.parsek.ru/ru/products.html - они нам перед покупкой все детали работы девайса подробно рассказали. Мы у них кроме того и амплитудные анализаторы покупаем - может быть Ваши лучше?
Предположим , у Вас NaI со сбором 50%, получаем 6 электронов на бит - на мой взгляд ацп то что-надо...

[serebr]

Не вижу смысла делать коммерческой тайны из фэу , типа сцинтилятора и метода преобразования - иначе покупателей окажется существенно меньше. А если засекретить факт существования самого девайса - то покупателей не будет вобще.
Мы вот покупали 4KSАА у парсека http://www.parsek.ru/ru/products.html - они нам перед покупкой все детали работы девайса подробно рассказали. Мы у них кроме того и амплитудные анализаторы покупаем - может быть Ваши лучше?
Предположим , у Вас NaI со сбором 50%, получаем 6 электронов на бит - на мой взгляд ацп то что-надо...

Получил "добро" на озвучку информации от нашего специалиста по радиоактивным вопросам.
Кристалл - NaI, размеры 18x60 и 18x160. ФЭУ Hamamatsu R8668.

Сообщение отредактировал serebr - Nov 24 2009, 12:45

[Tanya]

Получил "добро" на озвучку информации от нашего специалиста по радиоактивным вопросам.

Так можно ли узнать у Вас величину одноэлектронного импульса - максимальный шумовой импульс от одного электрона случайно вылетевшего с фотокатода ФЭУ?

[serebr]

Так можно ли узнать у Вас величину одноэлектронного импульса - максимальный шумовой импульс от одного электрона случайно вылетевшего с фотокатода ФЭУ?

Коэффициент передачи аналогового тракта с выхода ФЭУ до входа АЦП - около 0.5В/ма.
Шкала АЦП - +/-2 В(дифф), что соответствует +/-4 ма (дифф).
8 ма=16000 LSB (14 бит).
1 LSB = 0.5 мка.
Примерное время импульса - 0.5 мкс.
Заряд 1 LSB = 0.25е-12 кл.
Заряд электрона 1.6е-19 кл.
Коэффициент усиления ФЭУ по электронам (gain) - примерно 2e6. Даташита нет под рукой, ориентировочно.
ИТОГО: В одном LSB АЦП помещается 0.8 электрона, прилетевшего с фотокатода.

[serebr]

Коэффициент передачи аналогового тракта с выхода ФЭУ до входа АЦП - около 0.5В/ма.
Шкала АЦП - +/-2 В(дифф), что соответствует +/-4 ма (дифф).
8 ма=16000 LSB (14 бит).
1 LSB = 0.5 мка.
Примерное время импульса - 0.5 мкс.
Заряд 1 LSB = 0.25е-12 кл.
Заряд электрона 1.6е-19 кл.
Коэффициент усиления ФЭУ по электронам (gain) - примерно 2e6. Даташита нет под рукой, ориентировочно.
ИТОГО: В одном LSB АЦП помещается 0.8 электрона, прилетевшего с фотокатода.

Уточнение: в даташите на ФЭУ R8668 указан gain=3e5. Значит надо больше электронов с катода ФЭУ, чтобы получить тот же выходной ток:
ИТОГО: В одном LSB АЦП помещается 5 электронов, прилетевших с фотокатода.

[Tanya]

Уточнение: в даташите на ФЭУ R8668 указан gain=3e5. Значит надо больше электронов с катода ФЭУ, чтобы получить тот же выходной ток:
ИТОГО: В одном LSB АЦП помещается 5 электронов, прилетевших с фотокатода.

Усиление очень сильно зависит от напряжения. Оно у Вас такое, как в прописи?
Мои вопросы были вызваны впечатлением, что Вы считаете фотоны. А Вы считаете вспышки сцинтиллятора...

[serebr]

Усиление очень сильно зависит от напряжения. Оно у Вас такое, как в прописи?
Мои вопросы были вызваны впечатлением, что Вы считаете фотоны. А Вы считаете вспышки сцинтиллятора...

Напряжение питания ФЭУ варьируется относительно номинального на +/-200В при настройке устройства. Конкретное напряжение выбирается из соображений выхода на так называемое "плато" для ФЭУ.

[Rockstein]

Напряжение питания ФЭУ варьируется относительно номинального на +/-200В при настройке устройства. Конкретное напряжение выбирается из соображений выхода на так называемое "плато" для ФЭУ.

У меня странный ФЭУ, сколько не пытался, плато не находится

[jam]

У меня странный ФЭУ, сколько не пытался, плато не находится

Когда коэфициент усиления фэу очень большой - то он выходит на плато(в насыщение, однофотонный режим или счётный ) - про другое плато не слышал.
Судя по приведённым Вами картинкам, всё работает , осталось только посчитать импульсы, но шумовые характеристики канала определить не могу, поскольку не понятно, что на входе.
Большие импульсы могут быть космикой - возможно она вызывает люменисценцию активированного сцинтилятора...
На мой взгляд Вам надо решить - устраивает ли шум усилителя на ad8014 и насколько критично иметь импульс коротким - есть возможность применить более медленные но менее шумные решения и тут есть куда двигаться - недавно мы сделали прототип с коэфицентом усиления 8 (вместо фэу фототриод) и тем не менее сразу получили 3% на 1Мэв (будем стараться конечно улучшить) - плюсов в таком решении несколько - 1.) не боится магнитного поля 2 )тряски 3 )более компактный.