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

[stells]

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

по идее оно должно быть. при увеличении загрузки ФЭУ напряжение на его динодах падает, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ФЭУ и уменьшению амплитуды выходных импульсов. при поиске плато подбирают такое напряжение на катоде ФЭУ, при котором амплитуда импульсов меняется незначительно во всем рабочем диапазоне загрузок

Интегратор служит для измерения сигнала при большой загрузке, после 10кГц, когда ошибка в счете возрастает

а почему? чем Вы считаете и какова у Вас максимальная загрузка?

Сообщение отредактировал stells - Nov 25 2009, 14:27

[Rockstein]

по идее оно должно быть. при увеличении загрузки ФЭУ напряжение на его динодах падает, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ФЭУ и уменьшению амплитуды выходных импульсов. при поиске плато подбирают такое напряжение на катоде ФЭУ, при котором амплитуда импульсов меняется незначительно во всем рабочем диапазоне загрузок

Странно, но у меня амплитуда скачит при любой загрузке и при любом напряжении. Искал плато по отношению сигнал/шум при сигнале где-то 10% от верхней границы постепенно увеличивая напряжение. И как ни странно сигнал/шум уменьшался почти линейсто с напряжением. Дошел до максимума напряжения (0.9В по спецификации) и там было лучше всего. Напомню, что ФЭУ имеет встроенный БП и управляется напряжением 0.5В-0.9В. Думаю, хамаматсу захотели ограничить макс напряжение незадолго до выхода на плато. Зачатки этого плато едва просматриваются под конец.

Еще искал плато поднимая напряжение ступеньками и меряя 100 раз на каждой ступени. Получил зависимость сигнала от напряжения оценивая среднее значение за 100 раз плюс еще макс-мин разброс для каждой ступени. Такое чувство что ещеб немного и вышел бы на плато.

Может ли такое быть и где грабли?

а почему? чем Вы считаете и какова у Вас максимальная загрузка?

Я считаю 16-битным 8254. На одном канале импульсы через компаратор при пороге 5мВ, на другом напряжение интегратора через U/F конвертер AD652. Максимальная загрузка около 100килособытий.

[stells]

Я считаю 16-битным 8254. На одном канале импульсы через компаратор при пороге 5мВ, на другом напряжение интегратора через U/F конвертер AD652. Максимальная загрузка около 100килособытий.

мне и раньше было непонятно, для чего нужен интегратор, а теперь тем более. он же вместе с ПНЧ вносит погрешность. неужели счетчик не успевает отработать эти 100кГц? понятно, что при частичном наложении импульсов он будет что-то пропускать, но и интегратор мне кажется не сильно поможет

[Rockstein]

мне и раньше было непонятно, для чего нужен интегратор, а теперь тем более. он же вместе с ПНЧ вносит погрешность. неужели счетчик не успевает отработать эти 100кГц? понятно, что при частичном наложении импульсов он будет что-то пропускать, но и интегратор мне кажется не сильно поможет

[stells]

ну... так интегратор с ПНЧ даст еще большую дельта m. причем она будет как положительной, так и отрицательной. у меня в приборе используется контроллер - регулируемый ШИМом дискриминатор на внутреннем компараторе контроллера и программный счет импульсов по прерываниям от компаратора. на испытаниях прибор попал на реальную скважину с дозой излучения 20000мкР/час и отработал лучше, чем другой прибор со счетчиком на тех же самых 8254

[NNikolaev]

ну... так интегратор с ПНЧ даст еще большую дельта m. причем она будет как положительной, так и отрицательной. у меня в приборе используется контроллер - регулируемый ШИМом дискриминатор на внутреннем компараторе контроллера и программный счет импульсов по прерываниям от компаратора. на испытаниях прибор попал на реальную скважину с дозой излучения 20000мкР/час и отработал лучше, чем другой прибор со счетчиком на тех же самых 8254

Чтобы скомпенсировать эту м вводят специальную поправку на мертвое время регистрации по формуле
N'=N/(1-tm*N)
обычно tm выбирают 1...1.5 мкс

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.

Скажите пожалуйста - как вы выделяете так спектр с помощью свертки?!
Еще один момент - ваш тракт преобразования - выход с ФЭУ, преобразователь ток напряжение на дифференциальном каскаде (с парафазными выводами)+ развязка на трансформаторе + АЦП.
Насколько важна как сделана развязка - использовать ли трансформатор или просто ацп на прямую.
еще вот противоречие вообщем то операционник должен быть с хорошим сливом 1000 в/мкс и в тоже самое время с большим входным сопротивлением и малым входным током - что бы преобразователь I->U хорошо работал как вы решаете эту проблему?!

[serebr]

Скажите пожалуйста - как вы выделяете так спектр с помощью свертки?!

Про какой спектр идёт речь? Про энергетический, т.е. распределение импульсов по энергиям? Если про такой - то с помощью свёртки уменьшается размытие статистики распределения по энергиям, особенно в момент большой загрузки тракта регистрации.

Еще один момент - ваш тракт преобразования - выход с ФЭУ, преобразователь ток напряжение на дифференциальном каскаде (с парафазными выводами)+ развязка на трансформаторе + АЦП.
Насколько важна как сделана развязка - использовать ли трансформатор или просто ацп на прямую.
еще вот противоречие вообщем то операционник должен быть с хорошим сливом 1000 в/мкс и в тоже самое время с большим входным сопротивлением и малым входным током - что бы преобразователь I->U хорошо работал как вы решаете эту проблему?!

Трансформатор не используется, выход операционника подаётся прямо на АЦП. Конкретную схемотехнику я наверно не вправе выдавать, хотя уж сильно замудрённого в ней и нет. Так, несколько достаточно общеизвестных принципов правильно собранных и применённых в одном устройстве.

[NNikolaev]

Про какой спектр идёт речь? Про энергетический, т.е. распределение импульсов по энергиям? Если про такой - то с помощью свёртки уменьшается размытие статистики распределения по энергиям, особенно в момент большой загрузки тракта регистрации.

Трансформатор не используется, выход операционника подаётся прямо на АЦП. Конкретную схемотехнику я наверно не вправе выдавать, хотя уж сильно замудрённого в ней и нет. Так, несколько достаточно общеизвестных принципов правильно собранных и применённых в одном устройстве.

Да имел ввиду энергетический спектр.
Сейчас проектируем гамма спектрометр - предпологается слудующая цепочка ФЭУ -> преобразователь ток -напряжение-> трансформаторная развязка-> АЦП -> FPGA
Суть в том, что ОУ для преобразователя ток -напряжение-> должен иметь минимальный входной ток, и хороший слив тока.
Если допустим NAI(Tl) высвечивает 400 нс то используя допустим 125 М выборок в секунду получаем 125 выборок за 1 мксекунду или 50 выборок на 1 высвечивание.
А вы как то мертвое время при подсчтете энергетических спектров учитываете?!