Доброе %время_суток%, all!

А не делал ли кто-нибудь из здесь присутствующих предусилитель к фотодиоду, используемому в сцинтилляционном детекторе? Что-то странные вещи происходят, почти ничего кроме шума не видно. Книги по вопросам трансимпедансных усилителей попадаются или слишком простые с очевидными вещами, или сплошь теоретические.

Дано: есть pin-фотодиод http://www.detector.org.ua/pin_photdiode_5x5.html , к нему прилеплен кристалл CsI(Tl) размером 10*10*40мм. Вся конструкция неплохо защищена от внешней засветки. При напряжении смещения 40В ёмкость фотодиода порядка 20 пф. Максимальное обратное напряжение его же - 60В. Время высвечивания кристалла - порядка 0.5 мкс.

Экспериментальная часть: Берём малошумящий ОУ с подходящими характеристиками из имеющихся в наличии - это оказался AD8671 (GBP=10 МГц, шум 2.8 нВ\Гц^0.5). Делаем схему как на рисунке. Для тестирования первого каскада даём на фотодиод рабочее смещение (40 вольт) и на инверсный вход того же ОУ загоняем через резистор 1 МОм с генератора меандр с частотой килогерц 100. Убеждаемся что приемлемой длительности фронтов на выходе первого ОУ (ок. 0.25 мкс) можно добиться с резистором в цепи обратной связи сопротивлением 100 кОм с компенсирующим подстроечным конденсатором, вставшим где-то на 2.5 пф. В разных источниках упоминается оценка что при прилёте частицы в кристалл от фотодиода следует ожидать заряда порядка 1 фКл, поэтому при длительности импульса 0.5 мкс и резисторе ОС 100 кОм на выходе ОУ следует ожидать импульса амплитудой 200 мкВ. Так как 200 мкВ - не тот сигнал, что наблюдают на осциллографе настоящие рыцари щупа и паяла, было решено дополнительно усилить его в 24 раза с помощью ОУ типа AD8610 (GBP=25 МГц).

Наблюдения: Вижу шумовую дорожку шириной около 3 мВ. Редко (несколько раз в минуту) проскакивают импульсы амплитудой миливольт до 15-20, но редкость их появления настораживает: кристалл ненамного больших размеров, прилепленный к ФЭУ, от естесственного радиационного фона даёт импульсов 50 в секунду. Конечно, гамма-спектр радиационного фона имеет максимум в районе порядка 100 кЭв и возможно что он тонет в шумах фотодиода и усилителя, и вижу я редкие вспышки порождаемые частицами с более высокой энергией. Источника чтобы это подтвердить или опровергнуть нету.

И вот тут-то меня не покидает мысль что я что-то неправильно делаю и не должно оно так шуметь. Кто имел опыт работы с этими вещами - поделитесь немного.
Спасибо!

А еще 7.5pF входная емкость операционника, сигнал <100мкВ...

Я, как сторонник простых решений выкинул бы всю эту обратную связь с шумящими резисторами и проч, а поставил на вход 1 мелкий полевой n-канальный транзистор, параметрами RC цепочки добивался нужного импульса для открытия на нужное время, и уже с выхода сигнал доводил до нужного диапазона операционником.

В оригинальной схеме - я бы попробовал гранулу сухого льда положить на схему, и посмотреть на результат (в плане шумов).

Насчет излучения - предлагаю сравнить отсчеты в помещении и под открытым небом.

а без него?

А Вы поделитесь с нами смыслом всего этого. Вам хочется линейный режим, или импульсы считать?
Ваша прикидка про 1 фКл означает, что эффективность Вашего устройства порядка тысячной.
Я вот испытывала такие вещи классическим способом - генератор - нагрузка - 50 ом+ два конденсатора. Один с большой емкостью, а емкость другого равна емкости ФД. Первый - на землю, второй на вход.

Интересная расстановка ОУ - для трансимпедансного каскада - 8671, а для обычного усилителя - 8610. Соображения не распишите ?

Конечно, хочется линейный режим. С полосой пропускания проблем нет, шума вот многовато...



Разве резистор в этой RC-цепочке не будет шуметь, а внутри операционника не тот же полевик? Хотя конечно надо попробовать...
Также прикину число отсчётов у окна и заблокировав, например, свинцовым кирпичиком.




8671 меньше шумит. Если есть соображения по которым в трансимпедансном каскаде тоже должен стоять 8610 - с удовольствием выслушаю. Ещё вчера следующим по плану экспериментом была как раз замена первого ОУ на 8610.

А что мешает всё необходимое усиление получить в одном каскаде? Или хотя бы на порядок большее?

Ну, можно было бы, наверное, отладить усилитель на видимом спектре, убрав кристалл. Затем уже переходить к гамма-спектру...

У 8671 токовый шум (0.3pA/√Hz) почти на 3 порядка больше, он и даёт основной вклад в шум на выходе.
0.3pA/√Hz*100kOhm = 30 nV/√Hz, про 2.8nV/√Hz можно не вспоминать.

Для 8610 ситуация обратная, у него добавка от токового шума (5fA/√Hz*100kOhm) на порядок меньше чем шум по напряжению (6nV/√Hz).

Тогда увеличивайте номинал резистора.
А что Вы строите-то?


Кристалл переводит энергию ионизирующих частиц в видимый свет. Зачем его убирать?

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

Мешает необходимая полоса частот и отсутствие сейчас в руках малошумящих ОУ с таком произведением частота*усиление. Да и выбор малошумящих ОУ с GBP больше, скажем, 100 МГц (это чтобы мне на порядок сразу прыгнуть) не так широк как хотелось бы...

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.




Тут не всё однозначно. Меня интересует частотная область 200 кГц - 1 МГц, там емкостное сопротивление фотодиода лежит в пределах 40 - 8 кОм, и шум соответственно будет 12 - 2.4 нВ\sqrt(Hz).
Но поставить 8610 обязательно попробую в ближайшее время...

Кстати, дежурная ссылка, рекомендую ознакомиться:
Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

Если увеличивать - проблемы с полосой пропускания сразу начнутся.
Там успели побывать вчера резисторы самых разных номиналов

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

Так Вы раньше писали, что не интересуетесь отдельными вспышками... Я вот только в одном случае представляю себе нарастание излучения с такой скоростью... Вы не в Иране работаете? Или на него?

Нет, не в Иране. И даже не на него. Более того - делаю из личного интереса к данной теме, в порядке хобби. И отдельные вспышки - основная область моих интересов, ибо не думаю что вся установка попадёт когда-либо туда где вспышек будет больше нескольких сотен в секунду.
Чтобы увидеть отдельную вспышку полоса пропускания усилителя всё равно нужна широкая, пусть вспышки хоть раз в полгода идут. Вот создали бы товарищи учёные с помощью _{нанотехнологий} кристалл, адаптирующийся под текущую интенсивность ИИ и сам меняющий при этом время высвечивания - цены бы им не было...

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.

Именно.


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

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...



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.

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

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

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



Видел...ничего принципиально нового.

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

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?

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 ..."

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.


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.

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%.

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

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.

Да, пожалуйста.





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.

а он разве не отрицательного смещения на затворе требует?

Питание операционника +-5в, в установившемся режиме на затворе -0.08 вольта получилось.

а надо бы где-то -1В. может инвертирующий вход на землю?

не, нельзя на землю... но подкрутить можно

Закроется же совсем, с -1 вольта-то.
Попробовал увеличением резистора в цепи стока до 15к уменьшить ток. Напряжение на затворе установилось -0.2В, шума на первый взгляд столько же.

эта работа для BF862
по марке транзистора легко найти и схемы включения для решения задачи...

HEX
Транзистор отличный, но обладает очень существенным недостатком, одним движеньем перекрывающим все достоинства: у меня его нет. Надо будет приобрести...

вот эта например?:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Вот тут посмотрите, там есть довольно подробные характеристики для нескольких полевиков. Но используют самые разные с близкими результатами. Тут отбор важнее чем тип полевика.

Ну и по сайту походите, там много полезного.

Интересно зачем они включили полевик истоковым повторителем?



Спасибо огромное, действительно интересно.
Непонятно почему они за эту микросхемку берут $525. Основной же вклад в шум вносит полевик...

Да, кстати, видел хороший отзыв о BF862, но с ним не работал. Он есть в ЧипДипе, можете поиграться.

Он не без наколки, но если уметь готовить, можно получить шум около 1 нв/sqrt(Hz). Если вот так прям взять и заменить, скорее всего, будет хуже.

Нельзя ли ознакомиться с рецептом приготовления от шеф-повара?

http://www.ieap.uni-kiel.de/et/people/step...FEE-stephan.pdf

Для этого надо весь дизайн публиковать, с топологией вместе. Меня на работе поколотят.

Вам этого и не надо. Могу только сказать, что в приведенной stells схеме не очень похоже на 1.5 нв. т.к. 1 КОм - это уже 4 нв/sqrt(Гц).

В вашем случае можно ограничиться 8610, если, конечно, его хватит по быстродействию - у меня есть сомнения. Ваши мегомы для коротких импульсов не работают, только стабилизируют режим по постоянному току. Реально усиление происходит на Z конденсатора, которое раз в 100 меньше 50 Мом. Мегомы только увеличивают шумы на низких частотах. Уислитель на полевике с 4 Ком в нагрузке еще снижают быстродействие, так что по импуульсам схема может вообще работать как бы без обратной связи.

Полевик здесь скорее можно применить для компенсации емкости фотодиода, если необходимо.

На входе ОУ там висит не 1КОм, а примерно 30 ом - выходное сопротивление полевика с общим стоком. К 1nV/sqrt(Hz) от полевика квадратично прибавляется ещё столько же от ОУ - и вот вам 1.5nV/sqrt(Hz). Для снижения шумности лучше использовать включение с общим истоком, тогда на стоке сигнал будет усилен по напряжению хотя бы раз в 5, и шумы ОУ ему уже не страшны.