Предусилитель для фотодиода в сцинтилляционном детекторе, Замучились мы с иксами, запутались в нулях Опции

[Tanya]

нескольких сотен в секунду.
Чтобы увидеть отдельную вспышку полоса пропускания усилителя всё равно нужна широкая, пусть вспышки хоть раз в полгода идут.

Не согласна я с Вами. Килогерц - не больше тогда. Вот представьте себе интегратор - он будет перекачивать заряд на конденсатор в обратной связи. Чем меньше там конденсатор, тем больше будет напряжение. А параллельный резистор будет медленно разряжать конденсатор. Должен успеть это сделать до прихода следующего импульса.

Хочу запустить гамма-спектрометр с фотодиодом. А то недавно проснулся, глянул на календарь - опа, третье тысячелетие, а люди всё с ФЭУ да киловольтами воюют...

Зачем воевать? Купите готовый модуль со счетчиком... Hamamatsu, например.

[Herz]

Я думаю, имелось в виду для испытаний использовать источник видимого света, вместа ловли случайных импульсов гамма фона.

Именно.

На видимом спектре работу усилителя видно - подключаю светодиод к генератору прямоугольных импульсов и работу усилителя набюдаю. Кристалл без повреждений убрать не могу: готовая сборка. Возможность светить светодиодом у меня есть из-за недостаточной светоизоляции модуля.

То есть, со светодиодом всё работает нормально? Тогда напрашивается вывод, что не в усилителе дело...

[TheMad]

Не согласна я с Вами. Килогерц - не больше тогда. Вот представьте себе интегратор - он будет перекачивать заряд на конденсатор в обратной связи. Чем меньше там конденсатор, тем больше будет напряжение. А параллельный резистор будет медленно разряжать конденсатор. Должен успеть это сделать до прихода следующего импульса.


Зачем воевать? Купите готовый модуль со счетчиком... Hamamatsu, например.

Да, можно и так сделать - с интегратором. И я с успехом проделывал это с ФЭУ. А сейчас душа просит чтобы всё как у людей было, и быстродействие схемы ограничивалось только временем высвечивания кристалла.
Готовый - неинтересно. Можно и спектрометр готовый купить. А я хочу свой, родной...

То есть, со светодиодом всё работает нормально? Тогда напрашивается вывод, что не в усилителе дело...

Да, усилитель работает. Но меня не устраивает высокий уровень шума всей системы. Так как уровень сигнала я поднять не могу то приходится искать способы уменьшения шума. Более того, я не исключаю что мой фотодиод так и должен шуметь и лучшего я из этой сборки не получу. Наилучшее что я жду от этой темы это то что придёт человек который на этом собаку съел и скажет что-то вроде "и у нас всех так, лучше не будет" или "поставь сюда 101.275 кОм вместо 100 ровно, и сразу из точки бифуркации между 2 и 3 ногой операционника пойдёт мощное торсионное поле, подержи кристалл в нём полчаса, только пальцы туда не суй". Последнее желательнее, ибо вселит надежду.

[Tanya]

Да, можно и так сделать - с интегратором. А я хочу свой, родной...

Интегратор у меня был фигуральный. Это был трансимпедансный усилитель с резистором большого номинала.

[stells]

http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN2236.pdf

[TheMad]

Интегратор у меня был фигуральный. Это был трансимпедансный усилитель с резистором большого номинала.

Да я понимаю что он там сам получится. С резистором на 47 МОм, например, получается полоса частот в килогерцы...

http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN2236.pdf

Видел...ничего принципиально нового.

[stells]

Видел...

и это?:
http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2009_02_46.pdf

[rudy_b]

Даже не надейтесь, с простым фотодиодом (даже pin) ничего не получится, чувствительности (отношения сигнал/шум) не хватит.

Статья Max говорит о непосредственном детектированиие гамма квантов непосредственно в объеме фотодиода, и там дан порог чувствительности порядка 60 кэв (при практически нулевой эффективности регистрации). А у вас сцинтиллятор, с ним эффективность преобразования энергия гамма кванта -> число фотоэлектронов на порядок-другой хуже. Для работы со сцинтилляторами используют только специальные, лавинные фотодиоды у которых собственное внутреннее усиление достигает нескольких сотен. Да и то результаты не впечатляют.

[TheMad]

Даже не надейтесь, с простым фотодиодом (даже pin) ничего не получится, чувствительности (отношения сигнал/шум) не хватит.

Статья Max говорит о непосредственном детектированиие гамма квантов непосредственно в объеме фотодиода, и там дан порог чувствительности порядка 60 кэв (при практически нулевой эффективности регистрации). А у вас сцинтиллятор, с ним эффективность преобразования энергия гамма кванта -> число фотоэлектронов на порядок-другой хуже. Для работы со сцинтилляторами используют только специальные, лавинные фотодиоды у которых собственное внутреннее усиление достигает нескольких сотен. Да и то результаты не впечатляют.

У меня та самая сборка из ФД и кристалла 10*10*40мм, что изображена вверху страницы http://www.detector.org.ua/detectors.html . И там же - две спектрограммы, полученные ей. Врут?

[One]

вот еще в тему: Elektor_11-2011, p.18
Improved Radiation Meter "... measure radiation is a simple PIn photodiode and a suitable preamplifier circuit.
Measures alpha, beta and gamma radiation ..."

[rudy_b]

У меня та самая сборка из ФД и кристалла 10*10*40мм, что изображена вверху страницы http://www.detector.org.ua/detectors.html . И там же - две спектрограммы, полученные ей. Врут?

Судя по всему - да. Точнее не договаривают. Без охлаждения до, порядка -80*С (а, чаще, до азота) такой низкий шум не получить. В статье макса описана регистрация гамма кванта в самом фотодиоде (а не в сцинтилляторе), при этом энергия образования одного свободного электрона (в кремнии) порядка 3 эв/электрон. А стандартная цифра для сцинтиллятора с ФЭУ - порядка 400 эв/фотоэлектрон с поверхности фотокатода (правда там еще и не слишком высокая эффективность самого фотокатода, в самом сцинтилляторе - порядка 20 эв/фотон + сбор света + преобразование фотон - электрон). Т.е. с использованием сцинтиллятора все становится совсем плохо, зато эффективность регистрации растет (большие Z и объем).

Как правило, даже с лавинными фотодиодами (доп. усиление порядка сотен) сцинтилляторы дают шумовой порог порядка сотни кэв (с ФЭУ - десятки кэв). Сейчас, конечно, научились делать диоды получше, но вряд-ли шум (порог) с простым фотодиодом будет менее 200-300 кэв.

Странно, что они в данных приводят некие температуры, типа 28*С, но неясно, к чему они относятся. И если внимательно посмотреть на их данные - то они не сходятся с заявленными, хотя и выглядят весьма пристойно. И по току потребления их сборки из 2 блоков (50 ма) никакого пельтье холодильника у них нет.

Как-то очень похоже на наколку. Если внимательно посмотреть их данные, то фотодиоды они предлагают только для регистрации альфы и беты - это нормально, поглощение происходит в самом фотодиоде. А для гаммы - не предлагают, только эта, какая-то странная сборка.

вот еще в тему: Elektor_11-2011, p.18...

Там тоже используется регистрация гаммы в самом фотодиоде, без сцинтиллятора. При этом регистрируется порядка одного гамма кванта из 100 пришедших. Такая эффективность никому не нужна.

[TheMad]

Всем огромное спасибо за обсуждение. Маломощный полевичок (первый что под руку попался, BFT46) на входе коренным образом спас ситуацию, сигнальчик уже не тонет в шумах. Также из не особо проверенных источников была получена информация что эта сборка даёт 5*10 в минус 14-й степени кулонов на МЭВ. Для проверки на вход, параллельно фотодиоду, через кондёрчик 1.5 Пф были загнаны прямоугольные импульсы с генератора частотой килогерц 20. На выходе усилителя они сравнялись по размаху с его собственным шумом при размахе на входе в 210 мкВ, что дало прикидку величины собственных шумов всей системы порядка 6.5 кЭв (как-то больно хорошо, кажется что где-то ошибся, скорее всего в эффективности работы сборки). Детектор буквально ожил, от естесственного радиационного фона даёт несколько импульсов в секунду. Я стал счастливее на 18.4%.

[FPGA]

Всем огромное спасибо за обсуждение. Маломощный полевичок (первый что под руку попался, BFT46) на входе коренным образом спас ситуацию, сигнальчик уже не тонет в шумах.

Т.е. вы включили полевик вместо первого операционника? Набросали бы схемку. Интересно ведь...

[rudy_b]

Шум стандартного ПУ (на полевике, ессно) при комнатной температуре обычно порядка 3 кэв (в пересчете на регистрацию квантов в кремнии, т.е. при 3 эв/электрон). Это соответствует приходу порядка 1000 электронов в импульсе. Но 6 кэв это тоже вполне прилично.

А дальше просто, если шум 1000 электронов, то порог регистрации для кремния равен 3эв/электрон *1000=3 кэв. А в сцинтилляторе 100..200эв/электрон(грубо учел более высокую эффективность ФД)*1000=100..200 кэв.

Т.е., скорее всего, регистрируются только те кванты, которые поглотились непосредственно в самом фотодиоде, а не в сцинтилляторе. В естественном фоне и есть и высокие энергии, но, обычно, их намного меньше. Хотя, все равно, многовато что-то, скорее всего ты еще и шумы хватаешь. Можешь попробовать скинуть сцинтиллятор и сравнить.

[TheMad]

Т.е. вы включили полевик вместо первого операционника? Набросали бы схемку. Интересно ведь...

Да, пожалуйста.

Шум стандартного ПУ (на полевике, ессно) при комнатной температуре обычно порядка 3 кэв (в пересчете на регистрацию квантов в кремнии, т.е. при 3 эв/электрон). Это соответствует приходу порядка 1000 электронов в импульсе. Но 6 кэв это тоже вполне прилично.

А дальше просто, если шум 1000 электронов, то порог регистрации для кремния равен 3эв/электрон *1000=3 кэв. А в сцинтилляторе 100..200эв/электрон(грубо учел более высокую эффективность ФД)*1000=100..200 кэв.

Т.е., скорее всего, регистрируются только те кванты, которые поглотились непосредственно в самом фотодиоде, а не в сцинтилляторе. В естественном фоне и есть и высокие энергии, но, обычно, их намного меньше. Хотя, все равно, многовато что-то, скорее всего ты еще и шумы хватаешь. Можешь попробовать скинуть сцинтиллятор и сравнить.

Ну вот у меня пока получился шум почти вдвое больше - 1950 электронов. Если не секрет - какие полевики используют в "стандартных ПУ"?
Понятное дело что шумы хватаю: схема на макетке собрана и заэкранирована весьма условно.
Скинуть сцинтиллятор не могу - сборка выполнена неразборной. Понимаю, что неразборных конструкций не бывает, но собрать потом будет сложно. Аналогичного фотодиода чтобы сравнить тоже нету. Но в пользу того что детектирование происходит в кристалле а не в диоде говорит количество импульсов: в секунду их набегает около 5 штук при размере кристалла 10*10*40мм, а размер фотодиода всего 5*5мм. Это замечательно коррелирует с тем что от фона я наблюдаю 50-70 импульсов в секунду от кристалла диаметром 30 и высотой 40мм с применением ФЭУ.

Эскизы прикрепленных изображений