Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
pdf

Студенческий документ № 058253 из НИУ МЭИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ"

Ю.И. МАЛАХОВ, М.В. ЛУКАШЕВСКИЙ,

И.И. КОРОТКИХ, И.В. ВОИНКОВА

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие по курсу

"Методы измерения и анализа электрических величин"

Москва

Издательство МЭИ 2016

УДК 621.317 М 181

Утверждено учебным управлением "НИУ "МЭИ" в качестве учебного пособия для студентов

Подготовлено на кафедре общей физики и ядерного синтеза

РЕЦЕНЗЕНТЫ: канд. физ.-матем. наук доцент ФГБОУ ВО ГУЗ Р.С. Хафизов; проф. каф ОФиЯС докт. техн. наук А.В. Лубенченко.

Малахов Ю.И., Лукашевский М.В., Коротких И.И., Воинкова И.В. Методы измерения и анализа электрических величин: Лабораторный практикум. Учебное пособие. / - М.: Издательство МЭИ, 2015. - 56 с.

В учебном пособии излагаются теоретические основы и техника эксперимента по методам измерения и анализа электрических величин применительно к оптической спектроскопии плазмы, приведены описания основных средств измерений, используемых в лаборатории "Физика плазмы" кафедры ОФиЯС.

Учебное пособие предназначено для студентов ИТАЭ, обучающихся по профилю "Термоядерные реакторы и плазменные установки" направления "Ядерная энергетика и теплофизика".

(c) Национальный исследовательский

университет "МЭИ", 2015

Оглавление

стр. Лабораторная работа № 1 Изучение осциллографических 4

методов регистрации электрических сигналов

Лабораторная работа № 2 Изучение полупроводниковых 14

фотоприёмных приборов

Лабораторная работа № 3 Амплитудный анализ сигналов 31

Лабораторная работа № 4 Электронно-оптические 45

преобразователи и усилители

Лабораторная работ № 5 Изучение метода задержанных 52

совпадений

Лабораторная работа № 1 ИЗУЧЕНИЕ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Цель работы: изучение функциональных схем классического аналогового осциллографа, стробоскопического, цифрового и стробоскопической приставки. Кроме изучения функциональных схем ставится задача освоения методов измерения параметров электрических сигналов (амплитуды, длительности, частоты повторения, спектрального состава) и их обработки с использованием вычислительной техники. Помимо этого измеряются амплитудно-частотная характеристика канала вертикального отклонения аналогового осциллографа и время установления в каналах стробоскопического осциллографа. Изучаются методы обработки результатов измерений.

Введение

Регистрация электрических сигналов с помощью осциллографов относится к числу необычайно распространённых и весьма универсальных методов. Универсальность состоит в том, что современный осциллограф обеспечивает не только визуальное наблюдение формы изучаемого сигнала и изменение её во времени, но и измерение таких параметров, как амплитуды сигнала, его длительности, времени нарастания и спада, частоты повторения, периода. Современные цифровые, стробоскопические осциллографы и осциллографы с цифровым люминофором позволяют проводить измерения в необычайно широком временном диапазоне, с высоким временным разрешением как в режиме курсорных измерений, так и в автоматическом, с возможностью запоминания всех параметров сигнала и их визуализации на экране осциллографа. Полученные данные затем можно передать в ЭВМ для последующей обработки и архивирования.

Поскольку в лабораторном практикуме по курсу общей физики студенты изучали методы измерения параметров сигналов различной формы с помощью универсального электронно-лучевого осциллографа, то в данном практикуме предстоит подробно изучить функциональные схемы широкополосных стробоскопического и цифрового осциллографов и освоить соответствующие методы измерения.

1.1. Стробоскопический осциллограф

Рассмотрим схему классического стробоскопического осциллографа. Стробоскопический осциллограф позволяет получить осциллограмму исследуемого повторяющегося процесса в виде последовательности дискретных точек. Упрощённая функциональная схема осциллографа приведена на рис. 1.1.

а)

б) Рис. 1.1. Схема стробоскопического осциллографа

Основным узлом осциллографа является смеситель (рис. 1.1. б), на один из входов которого через линию задержки Лз поступает исследуемый сигнал, а на второй вход смесителя - строб-импульс. Строб-импульс, это импульс, длительность которого значительно меньше длительности исследуемого сигнала. В смесителе происходит амплитудная модуляция строб-импульса. Импульс синхронизации - импульс, синхронно связанный с исследуемым сигналом, одновременно запускает два генератора пилообразного напряжения с различной крутизной. На выходе первого генератора формируется пилообразное напряжение U1(t), а на выходе второго - U2(t).

U1(t) подаётся на пластины горизонтального отклонения электроннолучевой трубки осциллографа и на вход схемы сравнения напряжений. Одновременно на другой вход схемы сравнения подаётся сигнал U2(t). Каждый раз, когда выполняется условие U1 = U2, схема сравнения вырабатывает импульс, запускающий генератор строб-импульсов, на выходе которого формируется короткий импульс длительность менее 1 нс. Выходные импульсы смесителя, пропорциональные мгновенному значению исследуемого сигнала, расширяются по длительности, усиливаются по амплитуде и изображаются в виде последовательности точек на экране электронно-лучевой трубки, так что их огибающая образует растянутую осциллограмму, подобную форме исследуемого сигнала. Вместо пилообразного можно использовать ступенчато изменяющееся напряжение. Из рис. 1.1. а следует, что эффективная горизонтальная скорость развёртки V на экране осциллографа меньше на несколько порядков той, которая требуется в аналоговом осциллографе, и составляет V = L/t0, где L - размер экрана по горизонтали, t0 - период пилообразного сигнала U1. Для качественного воспроизведения формы изучаемого сигнала необходимо, по крайней мере, 100 точек, и, следовательно, период повторения горизонтального отклоняющего напряжения должен быть в 100 раз больше интервала между входными импульсами. Отсюда следует важный вывод, что стробоскопический осциллограф не требует применения широкополосного вертикального усилителя сигналов, высокоскоростной горизонтальной развёртки и специальной электронно-лучевой трубки. Необходимо только решить две сравнительно узкие технические задачи: формирование коротких стробимпульсов и стробирование входных импульсов в схеме смесителя. Именно длительность строб-импульса и частотная характеристика смесителя определяют полосу пропускания стробоскопического осциллографа. Так при длительности строб-импульса 0,35 нс эффективная верхняя граничная частота составляет 1 Ггц.

1.2. Цифровой осциллограф

Принцип работы цифрового осциллографа понятен из схемы, приведённой на рис. 1.2. Как и аналоговый осциллограф, цифровой имеет входной каскад (А), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), каскад временного управления (триггер и таймер, Т-Т), генератор тактовой частоты (ГТ), интерфейс с магистралью системы.

Входной каскад, это аналоговое устройство, которое позволяет изменять амплитуду исследуемого сигнала (усиление или ослабление), работать в режиме открытого или закрытого входа. АЦП производит выборки сигнала через равные промежутки времени и преобразует их в цифровой код, который запоминается в ОЗУ.

Рис. 1.2. Функциональная схема цифрового осциллографа

Каскад временного управления задаёт частоту дискретизации, с которой выполняются выборки сигнала, и определяет режим записи/чтения. Данные, записываемые в память, представляют собой цифровой эквивалент формы входного аналогового сигнала.

Характеристики осциллографа в первую очередь определяются аналого-цифровым преобразователем. Основная характеристика - производительность преобразователя. Производительность, или частота дискретизации - это количество отсчётов в секунду, обеспечиваемое им на выходе. Величина, обратная производительности, задаёт временной интервал между отсчётами.

Для описания частотной зависимости в цифровой осциллографии, также как и в аналоговой, принято использовать термин полоса пропускания. Полоса пропускания описывает частотный интервал, в котором входной сигнал проходит без ослабления. Экспериментально верхнюю границу полосы пропускания определяют как частоту, на которой входной сигнал ослабляется до уровня 0,7 от максимального значения. При проведении осциллографических измерений рекомендуется использовать осциллограф с полосой пропускания, в несколько раз превышающей ширину спектра исследуемого сигнала. Сигналы с малым временем нарастания пикосекундного диапазона длительностей имеют частотный спектр с большой долей высокочастотных компонентов. В этом диапазоне длительностей в основном используется понятие время нарастания. Время нарастания - это временной интервал, за который амплитуда сигнала возрастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 от своего максимального значения.

Полоса пропускания цифровых осциллографов находится в диапазоне от нескольких десятков мегагерц, до нескольких десятков гигагерц. Однако частота взятия отсчётов может быть установлена самостоятельно пользователем. При этом возможен следующий режим регистрации. Если при периодическом входном сигнале частоту выборки установить близкой к частоте входного сигнала, то по последующим отсчётам, записанным в память, будет восстановлен сигнал, который по форме совпадает с входным сигналом, но с частотой равной разности входной и частотой выборки. В этом случае имеем классический стробоскопический режим, что иллюстрирует рис. 1.3.

Рис. 1.3. Стробоскопический режим регистрации цифрового осциллографа

1.3. Особенности стробоскопических и цифровых осциллографов Прежде всего, эти осциллографы имеют чрезвычайно широкую полосу пропускания и, соответственно, высокое временное разрешение на уровне единиц пикосекунд. При скорости горизонтальной развёртки, например, равной 0,1 нс/см и размере экрана по горизонтали 15 см, на нём будет отображён временной интервал длительностью всего 1,5 нс. Столь малый временной интервал предъявляет довольно жёсткие требования к схеме синхронизации развёртки осциллографа.

Выше было указано, что триггерное устройство позволяет синхронизовать исследуемые сигналы с процессом регистрации в цифровом осциллографе. В этой связи необходимо обратить внимание на выбор источника триггерного сигнала и его временное положение относительно регистрируемого процесса. Под триггерным сигналом подразумевается некий импульс (или команда от ЭВМ) вызывающий начало или конец регистрации. Источники триггерного сигнала могут быть различными. Первый - это сам исследуемый сигнал, когда триггерный импульс образуется непосредственно из этого сигнала внутри самого осциллографа. Второй - внешний импульс, синхронно связанный с регистрируемым сигналом. Третий - команда от компьютера, запускающая осциллограф и одновременно исследуемый процесс.

Триггерный сигнал может подаваться как до начала исследуемого процесса, так и после его окончания. Первый вариант реализуется тогда, когда известно, что исследуемый сигнал возникнет в течение промежутка времени, определяемым длиной памяти и будет зарегистрирован. Второй вариант реализуют тогда, когда момент появления сигнала на входе осциллографа неизвестен. В этом случае ОЗУ переводится в циклический режим записи, т.е. после записи данных в последнюю ячейку, выполняется запись в первую, вторую и т.д. Появление ожидаемого сигнала вызывает срабатывание триггера, который останавливает запись. Таким способом удаётся зарегистрировать предысторию процесса и наблюдать сам процесс. Перечисленные варианты синхронизации позволяют регистрировать и однократные процессы.

Одной из важных особенностей цифровых осциллографов является возможность организации многоканальных измерений. Есть задачи, когда необходимо регистрировать одновременно несколько процессов (напряжение, электрический ток, оптическое излучение). Число каналов может быть увеличено в основном двумя способами - путём мультиплексирования или путём построения параллельных автономных каналов.

В первом случае используется один аналого-цифровой преобразователь, на вход которого через коммутатор поочерёдно подключаются различные источники сигналов. Коммутатор работает синхронно с тактовой частотой АЦП, и в память осциллографа поочерёдно заносятся результаты измерений от различных источников. Достоинство метода - простота реализации, а недостаток - уменьшение эффективной частоты выборок и объёма памяти для каждого канала.

Во втором случае в состав осциллографа входят несколько одинаковых и синхронно работающих каналов преобразования, каждый из которых обрабатывает только свой сигнал. Достоинство этого варианта - полная синхронность отсчётов, а недостаток - возрастание сложности и объёма электроники.

Функциональные возможности цифровых осциллографов весьма многообразны. Возможно одновременное наблюдение сигналов по всем каналам. Алгебраическое суммирование сигналов по каналам, как при открытых, так и закрытых входах каналов. Инвертирование сигналов по каналам. Быстрое преобразование Фурье. Автоматическую установку размеров изображения и автоматическую синхронизацию. С целью уменьшения шумов, осциллограф обеспечивает усреднение входного сигнала в пределах 2, 4,...,256 развёрток.

Предусмотрена возможность подключения внешних устройств к осциллографу - принтера, персонального компьютера. Более подробно все функции и возможности обработки сигналов изложены в технической документации, прилагаемой к осциллографу.

Цифровой осциллограф имеет ещё одно важное преимущество, это практически неограниченное время хранения информации, широкие пределы изменения скорости считывания, возможность замедленного воспроизведения отдельных участков зарегистрированного сигнала, яркие и чёткие осциллограммы.

1.4. Цифровая осциллографическая приставка фирмы Velleman

Фирма Velleman выпускает ряд стробоскопических осциллографических приставок для совместной работы с персональным компьютером. Передняя панель осциллографа создаётся на экране монитора ПК соответствующими программными средствами, а управление осциллографом осуществляется с помощью графического манипуляторамыши (или тачпада).

Программное обеспечение позволяет реализовать следующие режимы работы приставки - стробоскопического осциллографа, спектроанализатора, графопостроителя. Временной диапазон таких устройств очень широкий, от сотен секунд и до единиц наносекунд.

1.5. Задания к выполнению работы

Задание 1. Измерение коэффициента отклонения вертикального канала низкочастотного осциллографа.

Изучить по техническому описанию функциональную схему и характеристики аналогового осциллографа С1-48Б.

Переключатель установить в положение . Подать на вход канала вертикального отклонения "Y" гармонический сигнал с выхода генератора GFC-8270H. Первоначально амплитуду сигнала установить равной 1 В, а его частоту - 1 кГц. В режиме внутренней синхронизации развёртки добиться устойчивого изображения сигнала. Изображение должно располагаться симметрично относительно горизонтальной оси экрана. Далее, увеличивая амплитуду сигнала, необходимо добиться полного размера изображения равного 3, 4,...,10 делениям шкалы электронно-лучевой трубки. По результатам измерений определить коэффициент отклонения.

Задание 2. Измерение коэффициент горизонтальной развёртки.

На вход канала вертикального отклонения подать с выхода генератора GFC-8270H импульс прямоугольной формы амплитудой 1 В. Переключатель развёртки установить в положение 100 мкс/дел. Плавно изменяя частоту повторения импульсов, получить устойчивое изображение на экране и определить их количество на полной длине развёртки. Измерения повторить при различных положениях переключателя развёртки и частоте повторения импульсов. По результатам измерений определить коэффициенты развёртки.

Задание 3. Изучение аналогового стробоскопического осциллографа С7-13.

Изучить техническую документацию на двухканальный стробоскопический осциллограф С7-13 (С7-12), освоить методику регистрации импульсных сигналов наносекундного диапазона длительностей, измерить времена нарастания и установления канала вертикального отклонения.

Схема измерения временных характеристик представлена на рис. 1.4. Сигнал с выхода генератора перепадов Я4С-20А через тройник Т поступает на оба входа (1, 2) осциллографа. Генератор перепадов работает в режиме внешней синхронизации (запуск осуществляется синхроимпульсом с выхода осциллографа) и формирует импульсы как положительной, так и отрицательной полярности с длительностью фронта 0,15 нс и амплитудой 0,75 В.

Установить длительность развёртки 5 нс/дел, а её множитель в положение х1. Плавно вращая ручку потенциометра задержка осциллографа, вывести фронт импульса перепада к началу развёртки. Расстояние между точкой начала развёртки и началом фронта импульса установить равным примерно одному делению шкалы. Вращая ручки вертикального перемещения лучей совместить нулевые линии развёрток. Добиться идентичности изображения импульсов по первому и второму каналов с помощью потенциометров подстройка, смещение, задержка.

Рис.1.4. Схема измерения временных характеристик стробоскопического осциллографа

Получить устойчивое изображение сигналов на экране осциллографа. Плавно изменяя чувствительность осциллографа, добиться размаха изображения сигнала совпадающего с предельными реперными линиями на масштабной сетке осциллографа. Время нарастания измерить по уровню 0,1-0,9 от амплитуды сигнала. Скорость развёртки при этом установить равной 0,2 нс/дел. Время установления измерить по уровню от 0,1 до окончания затухающего процесса на вершине импульса при скорости развёртки 5 нс/дел. С целью повышения точности временных измерений рекомендуется использовать режим "Электронная лупа" осциллографа.

Время нарастания определяется по формуле

Tн T Tи2 02, (1.1)

где Тн - время нарастания переходной характеристики канала вертикального отклонения осциллографа, Ти - длительность фронта, измеренная на экране осциллографа, Т0 - длительность фронта импульса генератора перепадов (паспортное значение).

Задание 4. Измерение времени прохождения импульсов наносекундной длительности по коаксиальному кабелю.

При выполнении этого задания необходимо к выходу генератора наносекундных импульсов Г5-48 подключить разветвитель (тройник). Один из импульсов непосредственно подать на первый канал осциллографа, а второй на вход коаксиального кабеля, включённого между тройником и вторым каналом осциллографа. Измеряется временная задержка между фронтами импульсов, а затем, зная длину кабеля, вычисляется скорость прохождения фронта импульса. Следующий шаг - вычисление ? диэлектрика, заполняющего кабель.

Задание 5. Изучение цифрового осциллографа.

Для выполнения этого задания необходимо изучить техническую документацию двухканального (GDS-71022) и четырёхканального (GDS73154) цифровых осциллографов. Основная цель работы - изучение методов обработки сигналов, как с использованием встроенных математических пакетов, так и стандартных. Изучение возможности дистанционного управления осциллографом и передачи данных по линии связи осциллограф - ЭВМ.

Задание 6. Изучение цифровой осциллографической приставки.

Соединить двухканальную цифровую приставку PCS64i Velleman через параллельный порт к компьютеру, на котором установлена программа Pc-Lab 2000 SE, позволяющая реализовать различные режимы работы приставки. Подать на вход приставки гармонический сигнал амплитудой 1 В и частотой повторения 1 кГц, получить устойчивое изображение сигнала на экране монитора ЭВМ. В режиме курсорных измерений определить амплитуду, частоту повторения, период сигнала. Выполнить Фурье-анализ сигнала. Измерения повторить при различных частотах повторения сигнала: 5, 10, 50 кГц.

Контрольные вопросы

1. Опишите принцип действия аналогового электронно-лучевого осциллографа.

2. Опишите принцип действия аналогового стробоскопического осциллографа.

3. Опишите принцип действия цифрового осциллографа.

4. Опишите принцип действия цифрового осциллографа в стробоскопическом режиме.

5. Назовите основные преимущества стробоскопических и цифровых осциллографов.

Литература

1. Электрорадиоизмерения: учебн. пособие, под. ред. А.С. Сигова, М.: Форум, 2012. - 382 с.

Лабораторная работа № 2 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОПРИЁМНЫХ ПРИБОРОВ

Цель работы: знакомство с устройством, принципом действия и основными режимами работы фотодиода с р-i-n-структурой и фотодиода на основе р-n-перехода. Измерение характеристик фотоприемников.

Теоретическое введение

Разделы 1 - 4 теоретического введения цитируются по [1].

2.1. Принцип работы фотоприемных приборов

Работа фотоприемных приборов (фотоприемников) основана на использовании внутреннего фотоэффекта в твердых телах. Поглощаемые полупроводником кванты освобождают носители заряда либо атомов решетки, либо атомов примеси. Поскольку для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, каждый тип фотоприемника имеет определенную длинноволновую границу , определяемую из выражения

hc (2.1)

E En a, гр

где h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; разность Еn - Еa - энергетический зазор при переходе "зона-зона" (рис. 2.1, а).

Рассмотрим принцип действия фотоприемного прибора на основе р-n-перехода (рис. 2.1, б). При поглощении фотона в полупроводнике образуются пары электрон-дырка. При их разделении возникает фототок, причем электроны перемещаются в n-области, а дырки - в р-области.

Вероятность разделения созданной фотоном пары электрон-дырка выше в том случае, если эта пара образуется в области полупроводника, находящейся под воздействием электрического поля. Альтернативой разделения является обычная рекомбинация пары электрон-дырка, при которой не происходит какого-либо смещения заряда и, таким образом, не вносится вклад в фототок. Электрическое поле распределяется в кристалле полупроводникового прибора неравномерно. В диффузионных областях р- и n-типа поле намного слабее, чем в области между ними, известной под названием обедненного слоя. Для эффективной работы фотоприемника необходимо, чтобы наибольшее число фотонов поглощалось в обедненном слое, то есть фотоны должны поглощаться, пока не вышли за пределы обедненного слоя.

Глубина проникновения фотона в полупроводник до поглощения зависит от его длины волны. Фотоны с малой длиной волны поглощаются вблизи поверхности, а фотоны с большей длиной волны могут проникать через всю толщу кристалла. Поэтому для обеспечения широкой спектральной характеристики необходимо, чтобы кристалл фотодиода имел очень тонкий p-слой, допускающий проникновение фотонов с малой длиной волны, и толстый обедненный слой для получения максимального фототока от длинноволновых фотонов.

Толщина обедненной области зависит от удельного сопротивления полупроводника в этой области и от обратного смещения. Обедненный слой существует и в том случае, когда обратное смещение не приложено. Это обусловлено наличием "встроенного" поля, которое образуется вследствие диффузии через переход неосновных носителей. Напряжение обратного смещения расширяет обедненную область.

E

в) Рис. 2.1. Принцип действия фотоприёмного прибора:

а) - энергетическая диаграмма; б) - процессы в р-n-переходе; в) - распределение электрического поля в структуре

Размеры обедненного слоя при любом напряжении больше в тех приборах, у которых вблизи р-n-перехода материал имеет более высокое удельное сопротивление. В то же время на обеих противоположных поверхностях кристалла для изготовления омических контактов требуется низкое удельное сопротивление. Фотоприемники с р-n-переходом, например солнечные батареи, изготавливают методом диффузии примеси p-типа в материал n-типа с низким удельным сопротивлением. Малая толщина диффузионного р-слоя обеспечивает высокую чувствительность к фотонам с малой длиной волны, но, чтобы расширить обедненную область для создания высокой чувствительности к фотонам с большой длиной волны, требуется относительно высокое обратное смещение. Глубокая диффузия примеси p-типа ухудшает чувствительность к излучению с малой длиной волны, но благодаря созданию "плавного" перехода дает возможность уменьшить напряжение смещения, необходимой для обеспечения хорошей чувствительности к излучению с большой длиной волны. Для повышения чувствительности к фотонам с малой и большой длинами волн при низком обратном смещении между р- и n-областями используют слой с высоким удельным сопротивлением, получивший название i-слоя. Фотоприемники, имеющие i-слой, получили название р-i-n-структур. Такой прибор имеет тонкую диффузионную р-область (на которую падает поток излучения) и более толстую диффузионную n-область с другой стороны высокоомной кремниевой пластины. В фотоприемниках с p-i-n-структурой i-слой имеет такое высоко удельное сопротивление, что даже при нулевом смещении обеднённый слой распространяется от p-слоя примерно на половину глубины i-слоя. При обратном смещении до 5 В обеднение распространяется вплоть до n-слоя и наблюдается эффект "смыкания". Поскольку пробивное напряжение превышает 200 В, часто желательно устанавливать режим работы при обратных напряжениях, превышающих напряжение смыкания, чтобы поддерживать полное обеднение i-слоя даже при высоких уровнях потока излучения. Это обеспечивает наилучшую линейность и быстродействие.

Качество фотоприемника может быть оценено введением параметра квантовая эффективность. В идеальном случае каждый фотон должен генерировать один электрон фототока. Квантовая эффективность , таким образом, измеряется как число электронов на фотон.

На практике часто используют в качестве основного рабочего параметра фоточувствительность Sф, А/Вт,

I (2.2)

Sф где - длина волны фотона, мкм; Iф - фототок, А; Фе - поток

излучения, Вт.

2.2. Характеристики, параметры и модели фотоприемников 2.2.1. Параметры фотоприемников

Важнейшим параметром фотоприемника является чувствительность. Этот параметр можно до определенной степени считать аналогичным коэффициенту усиления в приборах с электронной проводимостью. В общем случае чувствительность фотоприемника отражает изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала.

Оптическое излучение может характеризоваться энергетическими и световыми параметрами. В соответствии с характеризующим параметром различают чувствительности фотоприемника к потоку излучения Sфe, световому потоку Sфv, облученности SEe и к освещенности SEv.

В зависимости от измеряемого электрического параметра на выходе фотоприемника различают токовую и вольтовую чувствительности фотоприемника. Если измеряемой величиной является фототок, то имеем токовую чувствительность (SI). Чувствительность фотоприемника, у которого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала, называется вольтовой чувствительностью (Sv).

Примеры определения чувствительности фотоприемника приведены в выражениях ниже:

SIФv= IФ / ФV; SIEv = IФ /EV; SVФe = Uф/ Фe; SVEe = UФ/ Ee, (2.3)

где SIФv - токовая чувствительность к световому потоку; SIEv - токовая чувствительность к освещенности; Svфe - вольтовая чувствительность к потоку излучения; SvEv - вольтовая чувствительность к облученности.

Вообще говоря, чувствительность фотоприемника не есть постоянная величина, и зависит, в частности, от параметров излучения. Для учета этой зависимости вводят понятия статической и динамической дифференциальной чувствительности фотоприемника, при этом статическая чувствительность определяется отношением постоянных значений измеряемых величин.

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохроматическую чувствительности фотоприемника к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Монохроматическая чувствительность - это чувствительность фотоприемника к монохроматическому излучению.

Шумовые и пороговые параметры. Помимо полезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром - это шум фотоприемника. Источники шума могут быть по отношению к фотоприемнику как внутренними, так и внешними. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. В оптимально сконструированном фотоприемнике чувствительность к малым входным сигналам определяется только уровнем собственных шумов прибора. Шумы определяются случайными (флюктуационными) процессами, и уровень шумов характеризуют вероятностными параметрами: математическим ожиданием (средний уровень шума), среднеквадратичным значением или дисперсией. Распределение мощности шума по спектру часто задается спектральной плотностью шума - шумом в единичной полосе частот.

В фотоприемниках, наряду с обычными для полупроводников видами шумов (тепловым, дробовым и др.), добавляется также радиационный (фотонный) шум, который определяется флюктуациями оптического сигнала, попадающего на фотоприемник.

Обычно шум фотоприемника количественно характеризуют током шума или напряжением шума. Под током шума Iш понимают среднеквадратичное значение флуктуации тока, протекающего через фотоприемник в указанной полосе частот. Напряжение шума - это среднеквадратичное значение флюктуации напряжения на заданном сопротивлении нагрузки в цепи фотоприемника.

Связь чувствительности фотоприемника с шумами количественно определяют пороговым потоком фотоприемника Фп, равным среднеквадратичному значению действующего на фотоприемник потока излучения, при котором среднеквадратичное значение фототока равно среднеквадратичному значению тока шума. Таким образом, если на фотоприемник действует некоторый поток излучения Ф, то на выходе фотоприемника появляются одновременно сигнал шума IШ и полезный сигнал Iф. Если поток излучения равен пороговому потоку Фпор, то значения тока шума и фототока сравниваются, то есть IШ = Iф при Ф = Фпор.

Так как шум зависит от полосы частот, в котором шум измеряется, то значение Фпор зависит от частоты. Поэтому чаще всего определяют порог фотоприемника в единичной полосе частот (Фпор1) как минимальное среднеквадратичное значение синусоидально-модулированного потока с заданным спектром, взятое по отношению к полосе пропускания частот.

Уровень шумов фотоприемника зависит от площади фоточувствительного элемента.

Для характеристики этой зависимости введен параметр Ф'пор1 - удельный пороговый поток фотоприемника

Ф'пор1 = Фпор1/S, (2.4)

где Фпор1 - поток в единичной полосе частот; S - площадь

фоточувствительного элемента фотоприемника.

Таким образом, удельный пороговый поток - это поток фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу.

2.2.2. Характеристики фотоприемников

Основными характеристиками фотоприемников являются вольтамперная, спектральная и энергетическая характеристики.

ВАХ - зависимость напряжения на выходе фотоприемника от выходного тока (фототока) при заданном потоке излучения. Спектральная характеристика - зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны падающего на фотоприемник монохроматического излучения. Энергетическая характеристика выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник. Энергетическая характеристика описывается, как правило, степенной функцией вида Iф=Фn.

Показатель степени п характеризует линейность энергетической характеристики. При п 1 характеристика линейна; область значений Ф (от Фmin до Фmах), в которой это условие выполняется, определяет динамический диапазон Ф линейности фотоприемника. Динамический диапазон выражается в децибелах:

(2.4)

Длинноволновая граница спектра определяется красной границей применяемой структуры; коротковолновая граница к обусловлена возрастанием поглощения излучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны, а так же прозрачностью защитного стекла.

2.3. Фотодиоды на основе р-n-перехода

Упрощенная структура фотодиода на основе р-n-перехода приведена на рис. 2.2. Такой прибор по существу представляет собой обратносмещённый р-n-переход. Важными свойствами такого перехода является наличие обеднённой носителями области перехода, концентрирующей относительно сильное поле, и области поглощения, где поглощается падающий свет (захватываются фотоны).

Обеднённая область образуется неподвижными положительно заряженными атомами доноров в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцепторов в p-области. Ширина обеднённой области зависит от концентрации легирующих примесей. Чем меньше примесей, тем шире обеднённый слой. Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света и от материала, из которого сделан диод.

Чем сильней поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Эта область может распространяться полностью на весь диод, если свет поглощается слабо. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Так создается электронно-дырочная пара. Если такая пара создается в обеднённой области, то носители будут разделяться (дрейфовать) под влиянием поля в обеднённой области. В результате в цепи нагрузки потечет ток. Если электронно-дырочная пара образуется вне обедненной области, то дырка будет диффундировать в сторону обеднённой области. Так как диффузия по сравнению с дрейфом происходит очень медленно, желательно, чтобы большая часть света поглощалась в обеднённой области. Таким образом, желательно сделать обеднённую область протяженной, уменьшая концентрацию легирующей примеси в n-слое. Это требует такого слабого легирования n-слоя, что его можно считать собственным.

Рис. 2.2. Структура р-n-перехода: 1 - обеднённая область; 2 - диффузионная область; 3 - область поглощения;

Е - напряжённость электрического поля; х - расстояние Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода приведено на рис. 2.3.

Участок I соответствует фотодиффузионной области. Здесь к р-nпереходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (Ip-n Iф), что делает невозможным управление фототоком.

В области II реализуется фотогальванический режим. Здесь ток фотодиода определяется из выражения

(2.5)

где т - тепловой потенциал; U - напряжение на диоде; I0 - обратный

ток диода при насыщении.

В режиме холостого хода (Rн ) из приведенного выражения можно определить максимальное значение фотоЭДС Uср ЭДС при определенном световом потоке:

(2.6)

При коротком замыкании напряжение на фотодиоде равно нулю (U = 0), а ток фотодиода создается потоком фотоносителей. У кремниевых фотодиодов значение фотоЭДС Uср ЭДС составляет 0,5 ... 0,55В.

В фотодиодном режиме (ему соответствует область III) используется источник обратного напряжения Uобр. В этом режиме потенциальный барьер возникает, и ток через переход Ip-n определяется током I0, который протекает при отсутствии излучения. При воздействии на р-n-переход светового потока ток фотодиода

IФД = IФ + I0 IФ. (2.7)

Рис. 2.3. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода

Вольт-амперная характеристика нагруженного резистора

представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид

Uобр-IфRн=UA, (2.8)

где UA - напряжение на фотодиоде в рабочей точке А, соответствующей световому потоку Ф1 указанному на рис. 2.3.

В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от сопротивления нагрузки, сопротивление диода постоянному току изменяется в больших пределах при изменениях светового потока, поэтому иногда вместо термина "фотодиодный режим" используется термин "фоторезисторный режим". Сопротивление фотодиода переменному току на рассматриваемом участке велико и имеет тенденцию к уменьшению при больших значениях светового потока.

При больших значениях обратного напряжения (участок IV на рис. 2.3) наблюдается лавинный пробой р-п-перехода. Если с помощью сопротивления нагрузки ограничить большой обратный ток p-n-перехода, наблюдаемый в этом случае, то возможно реализовать фотоприемник, использующий обратимый электрический пробой, обладающий усилением фототока во много раз по сравнению с фототоком в фотодиодном режиме. Этот эффект используется в лавинных фотодиодах (ЛФД).

2.4. Фотодиоды с р-i-n-структурой

Расширение частотного диапазона фотодиода (W) без снижения его чувствительности возможно в р-i-n-структурах (рис. 2.4).

В p-i-n структуре i-область заключена между двумя областями противоположного типа электропроводимости и имеет удельное сопротивление в (106... 107) раз больше, чем сопротивление легированных областей n-и р-типов. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле напряженностью Е распространяется на всю i-область.

Рис. 2.4. Фотодиод с p-i-n структурой

Рис. 2.5. Энергетическая диаграмма фотодиода с р-i-n-структурой Поскольку эта область может быть сделана достаточно широкой, такая структура создает основу для получения быстродействующего и чувствительного приемника. Дырки и электроны, появившиеся в i-области за счет поглощения излучения, быстро разделяются электрическим полем. Энергетическая диаграмма р-i-n-диода при обратном смещении представлена на рис. 2.5. Около 90 % излучения поглощается непосредственно в i-области.

Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычной структуры, в p-i-nструктуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле (рис. 2.4).

Время дрейфа дырок tдр через i-область шириной h составляет

tдр=h/vp=h/( pЕ), (2.9)

где Е - напряженность электрического поля в i-области; р - подвижность дырок; vp = pЕ - скорость дрейфа дырок в электрическом поле.

При напряженности электрического поля примерно 2 106 В/м достигается максимальная скорость дрейфа носителей v = (6...8) 104 м/с. В этом случае при h = 10-2 см получим tдр (10-9...10-19) с. Диапазон частот для этого диода f 109 Гц. Это быстродействующие кремневые фотодиоды.

Отношение времени дрейфа tдр носителей через i-область в фотодиоде с р-i-n структурой к времени диффузии tдиф через базу в p-nфотодиоде можно представить в виде

(2.10)

где т - тепловой потенциал; Dp - коэффициент диффузии дырок. Так как Dp/ p = kT/q = следовательно, уже, начиная с Uобр = 0,1 0,2 В фотодиоды с p-i-n-структурой имеют преимущество в быстродействии.

Таким образом, фотодиоды c p-i-n-структурой имеют следующие основные достоинства:

- сочетание высокой чувствительности (на длине волны 0,9 мкм практически достигнут теоретический предел чувствительности Sф = 0,7 А/Вт) и высокого быстродействия;

- возможность обеспечения высокой чувствительности в

длинноволновой области спектра при увеличении ширины i-области;

- малая барьерная емкость;

- малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость р-i-n-фотодиодов с интегральными микросхемами.

К недостаткам р-i-n-структуры следует отнести требование высокой чистоты i-базы и плохую технологическую совместимость с тонкими легированными слоями интегральных схем.

2.5. Лавинные фотодиоды

Одним из путей создания быстродействующих фотоприемников с высокой чувствительностью является использование лавинного пробоя, в частности, создание лавинных фотодиодов (рис. 2.6). Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле, превышает энергию образования электронно-дырочных пар, то происходит лавинообразный процесс размножения носителей. Процесс размножения начинается с генерации носителей под действием излучения, то есть имеем фотодиод с лавинным размножением носителей.

Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного размножения

Ki= Iф/Iф0, (2.11)

где Iф - ток на выходе фотодиода с учетом размножения; Iф0 - ток

при отсутствии размножения.

Таким образом, коэффициент лавинного размножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления фототока.

Известно, что коэффициент размножения зависит от напряжения на переходе

Ki 1/[1 (U U/ проб) ]m , (2.12)

где (Uпроб - напряжение пробоя; U - напряжение на p-n-переходе; т -

коэффициент, учитывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (m = 1,5...2,0 для кремния p-типа; т = 3,4...4,0 - для кремния nтипа).

Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде

Iф I , (2.12)

Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов характеризуется временами переключения (10-8... 10-9) с, а произведение коэффициента усиления фототока Кi на полосу частот достигает рекордных значений: Кifгр 1011 Гц. Предельно реализуемое значение Кi может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигнуто Кi 103...104, а для германия его величина обычно не более 102. У кремниевых и арсенид-галлиевых приборов ниже уровень шумов. В режиме лавинного фотоумножения успешно опробованы практически все диодные структуры: р+-п, p-i-n, n-p-i-р+; барьер Шоттки.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Это обусловлено с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока Кi резко зависит от напряжения. Питающее напряжение должно быть стабилизировано и установлено с точностью до 0,01 В. Поэтому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего напряжения путем термостатирования.

Лавинным фотодиодам присущ большой разброс параметров у отдельных образцов.

Рис. 2.6. Лавинный фотодиод: а - структура; б - распределение поля в структуре; 1 - область сильного поля; 2 - обеднённая область Лавинные фотодиоды наряду с высокой чувствительностью к световому излучению обладают и высоким быстродействием и широко применяются в системах лазерной локации, дальномерах, устройствах импульсной лазерной интерферометрии. При точных измерениях временных интервалов между световыми импульсами в диапазоне единиц наносекунд с помощью лавинных фотодиодов возникает проблема запаздывания временного отклика в зависимости от места засветки фоточувствительной площадки.

Как показали измерения, фоточувствительная площадка является существенно неоднородной по чувствительности к излучению и времени отклика на световой импульс. Эти неоднородности зависят от технологии изготовления лавинных фотодиодов и носят индивидуальный характер для различных экземпляров фотодиодов. Неравномерность временного отклика может достигать величины 0,1 нс, а чувствительности между центром площадки и её периферией может изменяться в 5 раз.

В центре фоточувствительной площадки запаздывание отклика больше, нежели на краях, так как на её крае располагается кольцевой электрод, собирающий носители зарядов и время движения носителей к нему на периферии меньше, нежели от центральной области.

Диаметр фоточувствительной площадки близок к величине 200 мкм, а диаметр светового пятна, фокусируемого на неё около 40 мкм. Для обеспечения хорошей точности при регистрации световых импульсов наносекундной длительности необходимо проводить тщательный отбор фотодиодов по равномерности их фоточувствительной площадки.

2.6. Термоэлектрический преобразователь

Работа термоэлемента основана на преобразовании энергии потока излучения, падающего на приемную площадку, в термо-ЭДС, пропорциональную величине потока излучения. Полученный на выводах термоэлемента электрический сигнал регистрируется вольтметром.

Рассмотрим подробнее термоэлемент РТН-30С, используемый при выполнении данной работы. Термоэлемент РТН-30С предназначен для использования в качестве преобразователя потока излучения в электрический сигнал в диапазоне энергетической освещенности от 1 до 100 Вт/м2 и в спектральном диапазоне от 0,4 до 6,0 мкм. Термоэлемент представляет собой вакуумный прибор, выполненный из стеклянной колбы, внутри колбы монтируется плата с рабочим приемным элементом. Приемный элемент представляет собой термобатарею, составленную из последовательно соединенных высокочувствительных термопар, нанесенных на плату методом вакуумного напыления.

2.7. Описание установки

Основной частью экспериментальной установки является фотодиод с р-i-n-структурой модели BPW24R, либо фотодиод на основе р-n-перехода модели BPW20RF. Напряжение смещения создается лабораторным источником питания постоянного тока (ИП 1), для ограничения силы тока фотодиода применено дополнительное сопротивление (R0). В качестве источника светового потока используется лампа накаливания либо полупроводниковый светодиод (модель BL-L48UBC), для ограничения силы тока светодиода применено дополнительное сопротивление (R1). Фокусировка излучения осуществляется линзой, для выделения диапазона длин волн излучения используется интерференционный светофильтр СФ. Для получения импульсного электрического сигнала используется генератор импульсов Г5-63. Измерительные приборы: вольтметр (V), двухканальный электронный осциллограф.

Для градуировки лампы накаливания может быть использован термоэлемент РТН-30С. Основными характеристиками термоэлемента являются интегральный коэффициент преобразования потока излучения равный 1,7 В/Вт и площадь приемной площадки - 9 мм2.

Номиналы сопротивлений: Rн = 32 кОм, R0 = 6,8 кОм, R1 = 33 Ом.

ИП 2 + -

ИП 1 Рис. 2.7. Схема включения приборов для изучения работы фотоприемника в фотодиодном статическом режиме

Рис. 2.8. Схема включения приборов для изучения работы фотоприемника в фотогальваническом динамическом режиме

Рис. 2.9. Схема включения приборов для изучения работы фотоприёмника в фотодиодном динамическом режиме

2.8. Задания к выполнению работы

Задание 1. Изучение работы фотоприемника в фотодиодном статическом режиме

1. Соедините приборы согласно схеме, изображенной на рис. 2.7.

2. Проведите измерения разности потенциалов на сопротивлении Rн при различных значения тока накала лампы (ИП 2) и напряжения смещения (ИП 1). Рекомендуемый диапазон изменения тока накала лампы: от 1,0 А до 2,0 А. Рекомендуемый диапазон изменения напряжения смещения: от 0 до 10 В.

3. Для всех выполненных измерений рассчитайте значения силы тока фотоприемника.

4. Постройте на графике семейство полученных вольт-амперных характеристик фотоприемника при различной освещенности.

5. Постройте на графике семейство полученных люкс-амперных характеристик фотоприемника при различных напряжениях смещения.

6. Рассчитайте значения токовой чувствительности к освещенности фотоприемника, пользуясь градировочной характеристикой лампы накаливания либо выполнив градуировку самостоятельно при помощи термоэлемента РТН-30С.

7. Оцените статическую чувствительность фотоприемника. 5. Проанализируйте полученные зависимости.

Задание 2. Изучение работы фотоприемника в фотогальваническом динамическом режиме

1. Соедините приборы согласно схеме, изображенной на рис. 2.8.

2. Запишите осциллограммы сигналов с канала 1 и канала 2 при различных значениях частоты и амплитуды сигнала, вырабатываемого генератором.

3. Определите время нарастания сигнала фотоприемника.

4. Оцените динамическую чувствительность фотоприемника.

Задание 3. Изучения работы фотоприемника в фотодиодном динамическом режиме

1. Соедините приборы согласно схеме, изображенной на рис. 2.9.

2. Запишите осциллограммы сигналов с канала 1 и канала 2 при различных значениях частоты и амплитуды сигнала, вырабатываемого генератором, а так же напряжения смещения.

3. Для различных значений напряжения смещения определите время нарастания сигнала фотоприемника.

7. Для различных значений напряжения смещения оцените динамическую чувствительность фотоприемника.

Контрольные вопросы

1. Что называется внутренним фотоэффектом?

2. Какие типы приемников оптического излучения вы знаете?

3. Опишите принцип действия лавинного фотодиода.

4. Что такое коэффициент усиления лавинного фотодиода? Как он определяется?

5. Перечислите основные характеристики полупроводниковых фотоприемных устройств.

6. Расскажите о преимуществах и недостатках PIN фотодиодов по сравнению с другими фотоприемниками.

7. Расскажите о преимуществах и недостатках лавинных фотодиодов по сравнению с другими фотоприемниками.

Литература

1. Игнатов А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства, М.: ЭкоТрендз, 2006. - 272 с.

2. Ишанин Г.Г. и др. Источники и приемники излучения, СПб.: Политехника, 1991. - 240 с.

3. Шалимова К.В. Физика полупроводников, М.: Энергоатомиздат

1985. - 392 с.

Лабораторная работа № 3 АМПЛИТУДНЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ

Цели работы: знакомство с методами амплитудного анализа импульсов. Регистрация и анализ амплитудных спектров сигналов.

3.1. Детекторы излучений

Для регистрации частиц и пучков излучений в ядерной физике и диагностике плазмы служат детекторы.

Основными типами детекторов являются ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные счетчики и полупроводниковые детекторы.

Остановимся на двух типах детекторов, являющихся наиболее распространенными

3.2. Сцинтилляционные счетчики

Некоторые материалы, называемые сцинтилляторами, обладают следующим свойством. Если через них проходят элементарные частицы, то часть энергии, теряемой ими в сцинтилляторе, выделяется в виде светового импульса. Для некоторых сцинтилляторов наблюдается линейная зависимость между потерями энергии частицы в сцинтилляторе и амплитудой эмиттированного светового импульса. Сцинтилляционным счетчиком обычно называют устройство, состоящее из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя, соединенных световодом. При определенных условиях по импульсам напряжения на выходе фотоэлектронного умножителя можно определить энергию элементарных частиц.

Сцинтилляционный счётчик чаще всего применяется для решения двух типов задач: определение потери энергии элементарной частицы, проходящей через сцинтиллятор, то есть нахождение распределения частиц по энергиям; определение момента времени появления отдельных частиц в сцинтилляторе для -, -, -излучений, а также для нейтронов.

3.2. Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковый детектор с некоторым упрощением можно рассматривать как ионизационную камеру, наполненную полупроводниковым материалом.

Поверхностно-барьерные полупроводниковые детекторы имеют р-nпереход большой площади. Такой переход можно получить, например, при помощи тонкого слоя золота, нанесенного на блок кремния n-типа. На переход через сопротивление подается запирающее напряжение. Если через переход проходит ионизирующая частица, образующая носители заряда в обедненном слое, то в цепи возникает электрический импульс, суммарный заряд которого пропорционален энергии, потерянной частицей в чувствительном объеме детектора.

Полупроводниковые детекторы применяются для спектроскопии, так как для этих частиц детекторы обладают высокой разрешающей способностью. Для детектирования нейтронов на слой золота наносится слой В10, и регистрация нейтронов происходит в результате реакции B10°+ n Li7 + . Возникающие при этом -частицы хорошо регистрируются полупроводниковым детектором.

В -спектроскопии применяются германиевые детекторы, в которых обедненный слой получается в результате дрейфа лития. Такие детекторы работают в достаточно критических условиях (постоянное охлаждение детектора и т.п.). Однако при помощи этих детекторов достигается высокая разрешающая способность по энергии (порядка 0,1 % для энергии ~10 МэВ).

Полупроводниковые детекторы характеризуются размером чувствительной поверхности, величиной чувствительного объёма, разрешающей способностью и коэффициентом шума.

3.3. Возможные формы получения информации от детекторов излучений

Форма получения информации на выходе детекторов излучений различна (длительность импульса, амплитуда импульса, суммарный заряд и д.р.). Поэтому схемы формирования импульсов должны выделять информацию в той или иной форме.

В простейшем случае информация, получаемая от детектора излучения, является самим фактом появления импульса на его выходе. Считая, что импульс на выходе детектора появляется при прохождении через рабочий объем детектора частицы интересующего нас типа, можно, например, сосчитать число частиц, прошедших через детектор за определённый интервал времени, и определить интенсивность потока частиц и т.д. При этом необходимо учитывать эффективность детектора, а также различные факторы, приводящие к появлению на выходе детектора импульсов, не связанных с прохождением через него исследуемых частиц.

Наиболее широкое распространение получило использование информации, которую несет амплитуда импульса с детектора излучений.

Во многих случаях амплитуда импульса содержит информацию об энергии частицы, потерянной в детекторе излучений, причем очень часто зависимость амплитуда - энергия линейна или близка к ней. Когда частица теряет полностью свою энергию в рабочем объёме детектора, амплитуда импульса может быть использована для определения этой энергии, в тех же случаях, когда частица теряет в рабочем объеме детектора только малую долю своей энергии, амплитуда импульса может быть использована для измерения удельной ионизации.

Величину удельной ионизации, полученную из измерения амплитуды импульса при неполной потере энергии в рабочем объёме детектора, можно использовать для идентификации частиц определённого типа или для отделения полезной информации от шумов.

Следует отметить, что во всех практически используемых типах детекторов мерой потерянной энергии является не амплитуда, а заряд, выделяющийся на выходе детектора. Однако, выходные цепи детекторов излучений позволяют получить импульсы, амплитуды которых пропорциональны заряду, поступившему с детектора излучений.

Широко используется также информация, связанная с моментом поступления импульса с детектора. Так как с определённой точностью момент поступления импульса соответствует прохождению частицы через детектор излучений.

В некоторых случаях интересующая информация может содержаться в форме импульса, поступающего с детектора излучений.

3.4. Амплитудные анализаторы

В зависимости от области применения амплитудные анализаторы можно разделить на:

а) универсальные анализаторы с умеренными характеристиками, не препятствующие их применению при решении большинства практических

задач; б) анализаторы повышенной точности со значительно лучшим

энергетическим разрешением по сравнению с универсальными;

в) быстродействующие анализаторы с лучшими временными

характеристиками, чем универсальные.

Универсальные анализаторы, рассчитанные на широкое применение, выпускают серийно, и поэтому их характеристики выбирают, исходя из требований большинства, но не всех физических экспериментов.

Требования к разрешению универсальных анализаторов повысились за счёт использования новых типов детекторов и внедрения обработки спектров на универсальных вычислительных машинах, а также в связи с полным переводом схем анализаторов на полупроводниковые элементы, улучшение технологии изготовления и существенное повышение надёжности. Число каналов в универсальном анализаторе обычно составляет 256 или 512. При этом интегральную линейность и стабильность положения каналов выбирают такими, чтобы связанная с ними неопределённость положения канала не превышала нескольких десятых долей ширины канала. Дифференциальная линейность, как правило, не хуже 1-2 %, что хорошо согласуется с принятым максимальным числом отсчетов в канале 216.

Время преобразования зависит от амплитуды импульса, поэтому общее время преобразования является переменным. Поэтому в большинстве современных амплитудных анализаторов используют вспомогательные счётчики живого и мертвого времени, позволяющие учитывать влияние мёртвого времени автоматически.

Универсальные анализаторы имеют обзорные, и выходные устройства, причем быстродействие выходных устройств обычно выбирают таким, чтобы обеспечить вывод всего распределения за время, не превышающее 2-3 мин.

При использовании полупроводниковых детекторов, число каналов и стабильность их положения в универсальных анализаторах оказываются недостаточными для получения необходимого разрешения по амплитудам (энергии). Поэтому для таких применений изготавливают специальные анализаторы с повышенным разрешением. В табл. 1 приведены ширина и число каналов, необходимые для измерения -лучей в диапазоне энергий до 10 МэВ при использовании Ge(Li)-детекторов размером 2,5 см2 8 мм. Однако эта таблица составлена с учётом получения нужного разрешения только в районе рассматриваемой энергии. Если одновременно требовать обеспечения соответствующего разрешения и при более низких энергиях (при равномерных ширинах каналов), то число каналов еще больше возрастет. Для этих целей применяются анализаторы, имеющие 10 000- 20 000 каналов.

Таблица 3.1

Ширина и число каналов анализатора для различных энергий -лучей

(пять каналов на пик, детектор Ge(Li) 2,5 см2 8 мм)

Е, МэВ Ширина

канала, кэВ Число каналов (равномерных) Е, МэВ Ширина

канала, кэВ Число каналов (равномерных) 0,05 0,14 360 2,00 0,46 4 300 0,10 0,15 670 3,00 0,58 5 200 0,30 0,20 1500 5,00 0,73 6 800 0,60 0,27 2200 8,00 0,92 8 600 1,00 0,34 3000 10,00 1,00 10 000 В некоторых экспериментах к анализаторам предъявляются повышенные требования в отношении быстродействия. Они существенно превышают те, которые предъявляются к универсальным анализаторам общего назначения, поэтому для их удовлетворения приходится строить специальные быстродействующие анализаторы.

Для уменьшения времени преобразования применяют как преобразователи, использующие метод последовательного счёта и построенные на быстродействующих элементах, например на туннельных диодах, с временем преобразования около 10-8 сек на канал, так и другие методы преобразования с применением специальных мер для обеспечения дифференциальной линейности.

3.5. Метод преобразования амплитуд импульсов в цифровой код

Создание анализаторов с числом каналов порядка нескольких сотен стало возможным лишь при использовании методов цифровой вычислительной техники. Эти методы основаны на применении для измерения амплитуд импульсов аналого-цифровых преобразователей (преобразователей аналоговой величины в дискретную) и использовании для накопления цифровой информации общего регистрирующего (запоминающего) устройства. Наиболее широкое применение в амплитудных анализаторах получили аналого-цифровые преобразователи с амплитудно-временной трансформацией. В таких преобразователях амплитуда импульса предварительно преобразуется в пропорциональный ей временной интервал, который измеряется (преобразуется в цифровую форму). Амплитуду во временной интервал преобразуют двумя способами. В первом из них используется линейный разряд ёмкости, заряженной до амплитудного значения анализируемого импульса, во втором - сравнение амплитуды импульса с линейно нарастающим напряжением. Такое преобразование проводят с большой точностью (0,1-0,01 %). Это позволяет заменить измерение амплитуды измерением времени, которое производят сравнением с периодом генератора стабильной частоты. Число целых периодов генератора определяет длительность временного интервала, то есть номер того канала, в котором должен быть зарегистрирован отсчёт.

Большое время преобразования в анализаторах с промежуточным преобразованием амплитуды во временной интервал ограничивает скорость приёма информации. Для повышения скорости приёма информации или уменьшения её потерь существует несколько методов. Одним из них является применение промежуточных запоминающих устройств с индивидуальной регистрацией отдельных импульсов.

Введение таких схем в анализатор позволяет изменить временное распределение поступающей информации. В других устройствах быстродействие преобразователя достигается непосредственным увеличением частоты генератора серии. Однако практическая реализация схем с высокой частотой генератора серии (100-200 МГц) связана с определёнными техническими трудностями, и приводит к увеличению стоимости таких анализаторов. Иногда для уменьшения времени измерения в преобразователях используется код, отличный от линейного, например, двоичный или десятичный. Достигнутые точности в таких системах обеспечивают необходимые равномерность и стабильность ширины каналов, однако эти устройства являются весьма сложными и дорогими.

а)

б) в) Рис. 3.1. Временная диаграмма работы входного устройства многоканального анализатора, использующего принцип амплитудновременной трансформации, а) входной сигнал, б) импульс, длительность которого равна времени разряда емкости, в) сформированная серия импульсов

Операция амплитудно-временного преобразования выполняется в зарядно-разрядном устройстве. Во время нарастания входного сигнала ёмкость зарядно-разрядного устройства заряжается до его амплитудного значения от источника с малым выходным сопротивлением. После окончания заряда ёмкости (иногда спустя небольшое время) начинается её линейный разряд (см. рис. 3.1). Время, за которое ёмкость разряжается до стационарного потенциала, выделяется каким-либо способом, и формируется импульс, длительность которого равна этому времени и, таким образом, пропорциональна амплитуде входного сигнала. Этот импульс используется для управления генератором серии, который в течение длительности линейного разряда вырабатывает последовательность импульсов (измерительную серию). Измерительная серия поступает на вход адресного счётчика, где на время цикла работы регистрирующего устройства запоминается число (номер канала), пропорциональное амплитуде анализируемого импульса. Это число после соответствующего дешифрирования управляет выбором адреса (канала) в регистрирующем устройстве. Содержимое выбранного адреса выводится во внешний регистр, где осуществляется операция добавления единицы. После этого полученное во внешнем регистре число снова записывается в то же место регистрирующего устройства, и, таким образом, заканчивается процесс анализа данного импульса, после чего анализатор готов к приёму следующего сигнала.

3.6. Описание установки

Для регистрации аналоговых сигналов используется модуль ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов формата "Евромеханика" (PXI) модели NI PXIe-6363 Ниже приводятся ключевые характеристики аналого-цифрового преобразователя данного модуля:

* Количество входных аналоговых каналов - 32 с общим проводом или 16 дифференциальных;

* Режим опроса аналоговых каналов - мультиплексируемый;

* Частота дискретизации АЦП - 2 МГц в режиме измерения сигналов с одного канала, 1 МГц в режиме измерения сигналов с нескольких каналов;

* Разрешение АЦП - 16 бит;

* Входной диапазон сигналов - от ±100 мВ до ±10 В.

Для управления работы модулем PXIe-6363 и программного выполнения амплитудного анализа сигналов используется программа (виртуальный прибор AmpGraph), разработанная в среде графического программирования LabVIEW.

В качестве источника импульсов используется генератор опорных импульсов БГА2-97 формата ВЕКТОР.

3.7. Основные технические характеристики генератора

1. Генератор имеет два канала с независимой установкой импульсов по каждому из них. Оба канала совмещены на общем выходе.

2. Параметры выходных импульсов генератора по каждому из каналов:

а) полярность - положительная;

б) диапазон на нагрузке 50 Ом от 8 до 250 мВ;

в) максимальная амплитуда без нагрузки - 500 мВ;

г) изменение амплитуды грубо - любая из ступеней:

1; ; ; ; ; ; д) изменение амплитуды плавно - от 0,5 до 1;

е) время нарастания не более 50 нс;

ж) время спада не менее 100 мкс;

з) длительность вершины не менее 20 мкс.

3. Основная погрешность установки амплитуды выходных импульсов не более 15 %.

4. Выходное сопротивление генератора 50 ± 2,5 Ом.

5. Частота импульсов на выходе генератора 200 ± 50 Гц, частота импульсов по каждому из каналов 100 ± 25 Гц

3.8. Порядок работы генератора БГА2-97

1. Генератор имеет два режима работы: с регистрацией реперного сигнала и без неё. Переход из одного режима в другой осуществляется переключателем РАБОТА-КОНТРОЛЬ.

2. Регулировка амплитуды выходного сигнала по первому "I" и второму "II" каналам осуществляется плавно с помощью многооборотных потенциометров с отсчётными устройствами.

Показанию 5 отсчётного устройства соответствует максимум амплитуды, показанию 0 - минимум. Изменение амплитуды грубо осуществляется 6 ступенями кнопочным переключателем с гравировкой 1; ; ; ;; . Запрещается включать 2 и более кнопки одновременно

по каждому каналу.

3. Включение выходного сигнала осуществляется кнопками ВКЛ.

Для дополнительного преобразования сигнала может быть использован Блок усиления спектрометрический БУС2-97.

Блок усиления спектрометрический БУС2-97 предназначен для полупроводниковой спектрометрии. Блок осуществляет линейное усиление и формирование импульсов напряжения от различных типов детекторов с соответствующими предусилителями, может использоваться также и как импульсный усилитель с изменяемой полосой пропускания. 3.9. Основные технические характеристики блока усиления

1. Параметры входного сигнала:

а) полярность положительная или отрицательная; б) максимально

допустимая амплитуда ± 15 В.

2. Максимальный коэффициент усиления по напряжению 2 048 и изменяется грубо восемью ступенями и плавно от 0,5 до 1 в пределах каждой ступени.

3. Входное сопротивление блока по обоим входам 1 000 ± 50 Ом.

4. Входная емкость не более 50 пФ.

5. Основная погрешность коэффициента усиления при дискретном изменении его не более 10 %. Отклонение коэффициента усиления при изменении постоянных времени формирования не более 12,5 %. При постоянных времени интегрирования и дифференцирования 0,2 мкс погрешность не более 20 %

6. Выходное сопротивление усилителя 50 5 Ом. Максимальный ток нагрузки 100 мА.

7. Уровень шума, приведенный ко входу, при постоянных времени = 3,2 мкс - 12 мкВ среднеквадратичных при однократном дифференцировании и 15 мкВ среднеквадратичных при двукратном дифференцировании.

8. Амплитудная характеристика линейная, интегральная нелинейность амплитудной характеристики 0,1 %.

9. Максимальная амплитуда выходного сигнала на линейном участке характеристики 10 В для каждой полярности.

10. Время нарастания переходной характеристики по выходу "I" - не более 150 нс, по выходу "II" - не более 120 нc.

11. Постоянные времени первого и второго дифференцирования и интегрирования могут быть установлены равными 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,4; 12,8 мкс и в положении "Выключено" - 1 мс.

В блоке предусмотрена возможность формирования однополярного и двухполярного сигналов. При выключенных постоянных времени выходной сигнал не формируется.

12. Максимальная загрузка не менее 3 104 имп/с.

13. Время установления рабочего режима после включения не более 30 мин.

3.10. Устройство и принцип работы блока усиления Структурная схема усилителя представлена на рис. 3.2.

Блок усиления БУС2-97 является универсальным и предназначен для работы с различными детекторами ионизирующего излучения (с соответствующими предусилителями), а также в качестве импульсного усилителя с изменяемой полосой пропускания.

Блок состоит из четырёх аналогичных по схеме секций, каждая из которых рассчитана на работу от входных импульсов положительной или отрицательной полярности и обеспечивает линейный выходной сигнал не менее 10 В положительной или отрицательной полярности.

Рис. 3.2. Структурная схема блока усиления

Входная секция имеет два входа для обеспечения возможности работы с положительной или отрицательной полярностью входного сигнала при неизменной полярности выходного, фиксированный коэффициент усиления не равен двум, она обеспечивает постоянное входное сопротивление и независимость постоянных времени дифференцирования последующих цепей от выходного сопротивления источника сигнала. Основная секция состоит из двух аналогичных каскадов с изменяемым (ступенями по два) коэффициентом усиления в пределах 1 - 16 в каждом каскаде. Между каскадами включён потенциометр плавной регулировки коэффициента усиления, обеспечивающий изменение его в пределах 0,5 - 1. Таким образом, общий коэффициент усиления основной секции может быть установлен грубо в пределах 1 - 256 и плавно от 0,5 до 1 в пределах каждой ступени.

Интегрирующая секция выполнена также в виде двух аналогичных каскадов с коэффициентами передачи 1 (с учётом коэффициентов передачи цепей формирования).

Выходная секция, аналогичная предыдущим, имеет фиксированный коэффициент усиления 4 с учётом коэффициента передачи формирующих цепей; таким образом, общий коэффициент усиления блока может быть в пределах 4 - 2 048 (с учётом плавной регулировки). Интегральная нелинейность плавной регулировки 15 %.

В блоке предусмотрена возможность широкого изменения постоянных времени формирующих цепей первого и второго дифференцирования и интегрирования в пределах от 0,2 до 12,8 мкс, ступенями по две, причём изменение постоянных времени интегрирования может производиться независимо от постоянных времени дифференцирования. Как дифференцирующие, так и интегрирующие цепи могут быть выключены. RC-цепь первого дифференцирования расположена между входной и основной секциями, аналогичная RC-цепь второго дифференцировании - между интегрирующей и выходной секциями, причём последняя может быть выключена.

Интегрирование в усилителе осуществляется двумя операционными усилителями с RC-фильтрами в цепях обратной связи каждого усилителя. Такой способ интегрирования обеспечивает лучшее отношение сигнала к шуму, чем пассивная RC-цепь интегрирования. Переключение постоянных времени интегрирования осуществляется переключением конденсаторов в цепях обратной связи операционных усилителей. Коэффициент передачи интегрирующей секции с учетом коэффициентов передачи формирующих цепей равен 1.

Во избежание изменения коэффициента усиления блока при переключении однократного дифференцирования на двукратное одновременно коммутируется входное сопротивление выходного каскада, что обеспечивает неизменность коэффициента передачи выходной секции и всего блока в целом.

3.11. Порядок работы блока усиления

1. Постоянные времени интегрирования и дифференцирования могут устанавливаться независимо в пределах от 0,2 до 12,8 мкс (ступенями по два); предусмотрена возможность выключения постоянных времени (положение переключателей, обозначенное "Выключено"); в положении тумблера "I" включена только одна цепь первого дифференцирования и выходной импульс имеет однополярную форму, а в положении "II" включены две цепи дифференцирования и выходной импульс имеет двухполярную форму. Коэффициент усиления сохраняется постоянным (в пределах погрешности) только при одинаковых значениях постоянных времени интегрирования и дифференцирования.

2. Блок может использоваться при малой (до 103 имп/с) и большой загрузках (103 - 3 104 имп/с) по входу. При работе с малой загрузкой целесообразно использовать однократное дифференцирование, обеспечивавшее лучшее отношение сигнала к шуму. При большой загрузке необходимо использовать двукратное дифференцирование, обеспечивающее нестабильность коэффициента не более 0,5 % при несколько худшем (20 %) отношении сигнала к шуму по сравнению с однократным дифференцированием.

3. Полярность выходного сигнала может быть положительная или отрицательная независимо от полярности входного сигнала; следует иметь в виду, что при подаче на вход "Б" выходной сигнал инвертирован, а при подаче на вход "А" нет.

4. Для получения оптимального отношения сигнала к шуму необходимо устанавливать одинаковые значения постоянных времени дифференцирования и интегрирования.

5. Выход "II" обеспечивает неинтегрированный сигнал в 4,8 раза меньший по амплитуде и противоположной полярности по сравнению с выходным сигналом блока.

3.12. Основные функции виртуального прибора AmpGraph

Лицевая панель прибора (рис. 3.3) содержит тумблер включения, область осциллограммы измеряемого сигнала и область графического представления измеренного амплитудного спектра сигнала.

Для сохранения полученного амплитудного спектра сигнала откройте контекстное меню области графического представления измеренного амплитудного спектра сигнала (открывается щелчком правой кнопкой мыши на соответствующей области) и используйте пункт меню Export.

Рис. 3.3. Лицевая панель прибора AmpGraph

Для настройки параметров программного амплитудного анализатора импульсов выполните следующее:

1. Остановите выполнение программы тумблером выключения или кнопкой

2. Перейдите на блок-диаграмму виртуального прибора.

3. Откройте диалоговое окно параметров функционирования компонента Histogram, см. рис. 3.4.

* Диапазон анализируемых амплитуд импульсов определяется параметрами Minimum value и Maximum value.

* Дискретность анализа (количество ячеек, на которые будет разбит диапазон анализируемых амплитуд импульсов) определяется параметром Number of bins.

Рис. 3.4. Диалоговое окно параметров функционирования компонента Histogram

Рис. 3.5. Схема соединения приборов

3.13. Задание к выполнению работы

1. Соберите схему установки согласно рис. 3.5.

2. Выполните регистрацию амплитудных спектров полученных сигналов при различных значениях параметров работы блока усиления БУС2-97: коэффициенте усиления, кратности дифференцирования, постоянных времени дифференцирования и интегрирования.

3. Проанализируйте влияние различных секций блока усиления на форму регистрируемых импульсов и их амплитудный спектр.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные типы детекторов, применяемых для регистрации частиц и пучков излучений в ядерной физике и диагностике плазмы.

2. Перечислите наиболее распространенные формы получения информации от детекторов частиц и пучков излучений.

3. Расскажите о методах амплитудного анализа сигналов.

Литература

1. Маталин Л.А., Нараи Ж., Чубаров С.И. Методы регистрации и обработки данных в ядерной физике и технике М.: Атомиздат, 1968 г.

Лабораторная работа № 4

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УСИЛИТЕЛИ

Цель работы: изучение конструкции, знакомство с работой и измерение контраста изображения в центральной области экрана однокамерного электронно-оптического преобразователя, разработанного для покадровой регистрации быстропротекающих процессов в диапазоне длительностей вплоть до нескольких наносекунд.

4.1. Конструкция ЭОП

Электровакуумное устройство на основе внешнего фотоэффекта, преобразующее изображение, создаваемое на фотокатоде видимым, УФ- или ИК-излучением, в промежуточное электронное, а затем в видимое изображение на флюоресцирующем экране, называют электроннооптическим преобразователем, сокращённо (ЭОП). Разработаны и специальные конструкции ЭОП, позволяющие регистрировать жёсткое рентгеновское, нейтронное и гамма излучения.

Конструктивно простейший однокаскадный (однокамерный) ЭОП представляет собой стеклянный баллон цилиндрической формы (рис. 4.1) На одно из оснований цилиндра наносится полупрозрачный фотокатод, а на второе - люминесцентный экран. Изображение исследуемого объекта на поверхности фотокатода создаётся стандартным фотографическим объективом, что приводит к возникновению эмиссии электронов (фотоэлектронов), число которых в любой точке фотокатода пропорционально освещённости в этой точке. Под точкой подразумевается участок поверхности фотокатода, площадь которого близка к 2 10-3 мм2. Под действием ускоряющего электрического поля, создаваемого в промежутке фотокатод - анод внешним источником питания, электроны начинают двигаться к аноду (экрану), причём энергия фотоэлектронов при этом значительно возрастает. При бомбардировке экрана, значительная часть кинетической энергии электронов переходит в световую, что и приводит к заметному увеличению яркости первоначального изображения.

Для того чтобы имело место взаимно однозначное соответствие между каждой точкой катода и анода, ЭОП должен иметь фокусирующую систему, которая независимо от её типа (электростатическая, магнитная, либо комбинированная) является важнейшим элементом ЭОП, ибо её параметрами определяется качество изображения (разрешающая способность) на экране. Чёткость изображения на экране ЭОП определяется разбросом скоростей фотоэлектронов как по величине, так и по направлению, вылетевших из одной точки фотокатода, а также последующим рассеянием света в люминофоре экрана. Обычно начальные энергии фотоэлектронов распределены в интервале от 0 до 1 эВ, а ускоряющее напряжение на аноде составляет (10 - 15) кВ.

Рис. 4.1. Конструкция ЭОП 1 - фотокатод, 2 - экран, 3,4 - электроды для подачи ускоряющего напряжения, 5 - изолятор, 6 - волоконно-оптический диск (обычная и контактная фотосъёмка)

Если на фотокатоде сформировать изображение в виде кружка диаметром 1 мкм, то на экране размер этого кружка будет больше.

В плоском ЭОП фотокатод и экран - это две плоскости, расположенные параллельно, а электростатическое поле между ними однородное, то радиус кружка на экране, его называют ещё радиусом кружка рассеивания, оказывается равным

rмакс=2?l?(Uомакс/Ua)1/2, (4.1)

где l - расстояние между фотокатодом и анодом, Uа - напряжение на аноде ЭОП,·Uo макс - наибольшая начальная энергия фотоэлектронов.

Изображение в плоском ЭОП прямое и при достаточно больших электродах, когда влияние краевого эффекта незначительно, изображение свободно от всех аберраций, кроме хроматической.

Помещая ЭОП с однородным электростатическим полем в параллельное ему однородное магнитное поле, созданное длинным соленоидом, можно значительно улучшить фокусировку электронов на экране. Опуская все математические выкладки, ниже дается окончательное выражение для максимального радиуса кружка рассеяния в ЭОП с магнитной фокусировкой

rмакс= l·Uoмакс/Ua. (4.2)

Сравнивая радиус полного кружка рассеяния в ЭОП с магнитной фокусировкой и в плоском ЭОП, видим, что магнитное поле уменьшает кружок рассеяния в 2(Uа)1/2 раз.

Используя неоднородное электростатическое поле, можно получить высококачественное электронное изображение. Расчёт траекторий электронов в неоднородных полях значительно сложнее, нежели в системах с равномерными полями.

4.2. Фотокатоды ЭОП

Фотокатоды электронно-оптических преобразователей аналогичны фотокатодам фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, характеристики которых хорошо известны. Наряду с фотокатодом люминесцентный экран определяет основные функции ЭОП: преобразование спектра и усиление яркости изображения. Кроме того, качеством люминофора может определяться в ряде случаев разрешающая способность ЭОП. В зависимости от спектральной чувствительности приемника, регистрирующего излучение с экрана, это может быть фотоплёнка, фотоприёмник, глаз наблюдателя, в ЭОП используются люминофоры с различными спектральными характеристиками. Мелкозернистые люминофоры желто-зелёного свечения применяются при наблюдении изображения глазом, фиолетово-синего свечения - при фотографической регистрации или при считывании изображения с помощью фотоэлектронных приборов.

Электроны, бомбардирующие экран, передают свою энергию атомам центров свечения, которые возвращаются в нормальное энергетическое состояние, излучая избыточную энергию в виде квантов света лишь через некоторое время, которое является статистической величиной. Поэтому затухание интенсивности люминесценции происходит не мгновенно после прекращения возбуждения, а в течение некоторого промежутка времени. В некоторых случаях затухание носит экспоненциальный характер

B(t)=Bo?exp(-t/?), (4.3)

здесь Bo - начальная интенсивность свечения экрана, определяемая, как правило, в момент прекращения возбуждения; ? - постоянная времени высвечивания (затухания), численно равная тому промежутку времени, по истечении которого начальная интенсивность уменьшается в e-раз. Для большинства люминофоров, применяемых в ЭОП, после начального экспоненциального участка затухания, длящегося несколько десятков микросекунд, наблюдается длительное послесвечение, интенсивность которого спадает по гиперболическому закону.

При возбуждении люминофора его разгорание, то есть увеличение яркости, можно представить в виде следующего соотношения

B(t)=Bo?(1-exp(-t/?)), (4.4)

из которого следует, что происходит постепенное увеличение интенсивности излучения. Время разгорания определяется продолжительностью Ти воздействия фотоэлектронов на люминофор. Если длительность Ти меньше времени высвечивания ?, то люминофор не успевает разгореться полностью, что приводит к снижению яркости изображения на экране ЭОП. Это обстоятельство необходимо учитывать при регистрации импульсных источников излучения. Из (4) следует, что чем короче длительность регистрируемого излучения, тем меньше должно быть время послесвечения люминофора.

Методы усиления яркости изображения. Световой поток с экрана ЭОП расходится в телесном угле 2? независимо от размера самого изображения. Поэтому яркость изображения на экране ЭОП при одинаковой освещенности фотокатода возрастает, как квадрат уменьшения (сжатия) электронно-оптического изображения.

Усиление яркости в ЭОП можно определить как отношение яркости изображения В на его экране к освещенности соответствующих участков фотокатода Е

= В/Е. (4.5)

В некоторых конструкциях ЭОП для повышения яркости изображения используют электронно-оптическую систему, обеспечивающую сжатие электронного изображения в 10 и более раз. Яркость изображения при этом возрастает соответственно в сотни раз. При этом могут быть использованы как электростатические, так и магнитные линзы для сжатия изображения. Каждая из них имеет свои недостатки. Электронно-оптическая линза одновременно с увеличением яркости изображения, приводит к значительному снижению разрешающей способности. Использование короткофокусных магнитных линз для сжатия изображения может привести к значительному увеличению разрешающей способности, но при этом полезный диаметр фотокатода уменьшается примерно на 70 %.

Усиление яркости методом оптического контакта. Соединяя последовательно однокамерные ЭОП, можно получить усиление, почти равное произведению коэффициентов усиления каждого ЭОП. Однако когда соединение осуществляется с использованием промежуточных объективов, выигрыш становится незначительным из-за малого сбора света. При соединении оптическим контактом прозрачная перегородка между экраном предыдущего каскада и фотокатодом последующего должна быть как можно тоньше, чтобы потеря разрешающей способности не была бы существенной. Поэтому такой ЭОП выполняется в виде многокамерного прибора в единой вакуумной оболочке. Каждая камера представляет собой ЭОП, экран которого нанесён на одну сторону слюдяной пластинки толщиной 5 - 10 мкм, а на вторую сторону нанесён фотокатод.

В двухкамерном ЭОП содержится один каскад усиления, в трехкамерном - два и т.д. Спектральные характеристики экрана и фотокатода при этом подбираются таким образом, чтобы получить максимальный коэффициент усиления по току. Известны уникальные конструкции многокамерных ЭОП, содержащих пять каскадов усиления с магнитной фокусировкой.

Применение стекловолоконных элементов для сопряжения ЭОП. Стекловолоконные окна на входе и выходе однокамерных ЭОП позволяют соединять их последовательно каскадами. Передача изображения с экрана предыдущего каскада на фотокатод последующего осуществляется посредством оптического контакта между поверхностями волоконнооптических пластин. Кроме того, волоконно-оптические диски используются и для исправления искажений, возникающих в электроннооптических системах. Подобный вариант сопряжения ЭОП позволяет получить заметный выигрыш в общем коэффициенте усиления по сравнению с вариантом, в котором передача изображения осуществляется оптическим способом.

Величина фототока может быть существенно увеличена с помощью микроканальной пластины (МКП), установленной между фотокатодом и анодом.

Источники высокого напряжения для питания ЭОП. Большинство применяемых для регистрации излучений электронно-оптических преобразователей требуют для своей нормальной работы высокого напряжения, иногда в несколько десятков киловольт. Напряжение на выходе источника питания должно быть регулируемым для того, чтобы можно было подобрать оптимальное значение для каждого конкретного экземпляра ЭОП. Будучи однажды установленным, это напряжение должно оставаться стабильным в течение длительного промежутка времени; в противном случае возможны изменения коэффициента усиления ЭОП, которые приведут к появлению ошибок при определении интенсивности исследуемого явления. Помимо этого, медленное изменение напряжения и его пульсации приводят к ухудшению разрешающей способности.

Потребляемые ЭОП токи весьма малы и обычно не превосходят 10-6 А. Величина ускоряющего напряжения, приходящаяся на один каскад, как правило, не превышает 18 кВ. Как следует из приведенных значений тока и напряжения, мощность потребляемая ЭОП, составляет всего лишь 0,018 ВА. Необходимое высокое напряжение может быть в принципе получено путем трансформации и последующего выпрямления сетевого напряжения частотой 50 Гц. Однако применение подобного метода формирования высокого напряжения нецелесообразно, так как габариты и масса источника питания становятся значительными и возникают определённые трудности при стабилизации выходного напряжения и сглаживании пульсаций. Поэтому источники подобного типа в настоящее время практически не используются.

Современные источники строятся по иной схеме. Постоянное напряжение небольшой величины является питающим напряжением двухтактного полупроводникового преобразователя, в коллекторную цепь которого включена первичная обмотка импульсного высоковольтного трансформатора. Снимаемое с вторичной обмотки высоковольтное напряжения выпрямляется с одновременным умножением по величине. Для сглаживания пульсаций используются малогабаритные высоковольтные конденсаторы. При конструировании источников питания принимаются специальные меры с целью уменьшения зависимости выходного напряжения от температуры и от колебаний входного напряжения.

Кроме высокого ускоряющего напряжения для нормального функционирования ЭОП требуются и другие регулируемые напряжения: фокусирующее напряжение, напряжение для питания микроканального усилителя. Здесь также недопустимы пульсации и нестабильности. Хотя величина этих напряжений значительно меньше ускоряющего, но выпрямительный блок довольно часто имеет высокий потенциал относительно нулевой точки. Поэтому должны быть приняты меры для его надежной изоляции.

Общее напряжение на многокаскадных ЭОП может составлять 80 кВ. При этом на каждый каскад напряжение подается от отдельного источника питания, а сами источники включаются последовательно.

4.3. Задание к выполнению работы

1. Получите на экране ЭОП сфокусированное изображение однокоординатной миры выбранного масштаба. Для фокусировки изображения в плоскости фотокатода ЭОП используйте собирающий объектив.

2. Зарегистрируйте с помощью ПЗС-фотокамеры изображение на экране ЭОП.

3. С помощью горизонтального микроскопа измерьте ширины освещенного и неосвещенных участков изображения миры, формируемого объективом.

4. Вычислите пространственную частоту изображения по формуле

1

пр a b, (4.6)

где a, b - ширины освещенного и неосвещённых участков

изображения миры соответственно.

5. Повторите пп. 1-6 для различных масштабов изображений миры и различных участков миры.

6. Выполните анализ, полученных помощью ПЗС-фотокамеры, изображений и для каждого изображения вычислите его контраст по формуле

D (4.7)

где Imax, Imin - максимальные и минимальные интенсивности изображения.

7. Постройте график зависимости контраста изображения на экране ЭОП от пространственной частоты изображения, сформированного на фотокатоде ЭОП.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о принципе работы электронно-оптического преобразователя.

2. Перечислите основные типы электронно-оптических преобразователей.

3. Области применения электронно-оптических преобразователей.

4. Какие типы фотокатодов используются в ЭОП?

5. Какие методы фокусировки электронного изображения используются в ЭОП?

6. Назовите основные характеристики ЭОП?

Литература

1. Ишанин Г.Г. и др. Источники и приемники излучения, СПб.:

Политехника, 1991. - 240 с.

Лабораторная работ № 5 ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА ЗАДЕРЖАННЫХ СОВПАДЕНИЙ

Цель работы: изучение метода совпадений. Метод совпадений - это один из основных экспериментальных методов ядерной физики. Широкое применение этого метода объясняется тем, что с его помощью можно решать две важнейшие задачи: регистрировать события в пространстве и во времени.

Схемой совпадений называют устройство, которое фиксирует стандартным выходным сигналом появление на его входах импульсов с временным сдвигом в заданном диапазоне. Таким образом, если на входах схемы совпадений появляются импульсы, сдвинутые относительно друг друга на некоторый интервал времени в пределах заданного диапазона, то на выходе этого устройства должен появиться стандартный по форме логический импульс, который может быть использован в дальнейшем для логических операций.

5.1. Описание установки

Учебно-исследовательская установка для регистрации событий одноканальным методом задержанных совпадений собрана на базе блоков ВЕКТОР-КАМАК. Для блоков этой системы характерны модульный блочный принцип построения. Блоки можно применять во многих разработках. Они совместимы по конструкции, разъёмам, сигналам, функциональным характеристикам и процедурам. Возможно программное управление блоками от ЭВМ без применения механических элементов коммутации.

Конструкции КАМАК-ВЕКТОР имеют несколько уровней: стойки, блочные каркасы, блоки и функциональные платы. Стойка служит для размещения каркасов с наборами блоков законченных приборов и для организации многокаркасных информационно-измерительных систем.

Блочный каркас служит для размещения блоков и организации межблочных связей. Отличительная особенность конструкции каркаса - его универсальность и возможность любых перестановок блоков без переделки каркаса.

Лабораторная установка для изучения метода задержанных совпадений собрана в одном каркасе с магистралью КК и источником питания на базе блоков ВЕКТОР.

5.2. Задания к выполнению работы

Задание 1. Измерение разрешающей способности схемы совпадений. Собрать схему в соответствии с рис. 5.1. Сигнал с выхода генератора И2-26 через тройник Т и линии задержки БЗА2-90 и ЛЗ по коаксиальным кабелям одинаковой длины подать на блоки формирования БТЭ2-90. Эти блоки формируют стандартные по форме, амплитуде и длительности импульсы с короткими фронтами, которые соответственно подаются на входы блока совпадений БСВ2-90. При одновременном поступлении импульсов на входы 1 и 2 на основном выходе блока совпадений формируется сигнал, который подается на вход стробоскопического осциллографа С7-13 и параллельно на вход частотомера GFC-8240H.

Рис. 5.1. Структурная схема установки для измерения разрешающего времени

Осциллограф работает в ждущем режиме, и его развёртка запускается импульсом со счётного выхода блока совпадений. С помощью осциллографа контролируются параметры импульса, а частотомером измеряется число импульсов совпадений на определенном временном интервале.

С помощью спиральной высокоточной переменной линии задержки необходимо определить диапазон временных сдвигов между стандартными входными импульсами, в котором происходит срабатывание схемы совпадений. Длительность импульсов на выходе генератора И2-26 установить равной 5 нс, а частоту повторения 103 имп/с.

Снять зависимость частоты импульсов на выходе схемы совпадений от величины задержки между сигналами, поступающими на входы блоков БТЭ2-90. Шаг изменения задержки не должен превышать 0,1 нс. По результатам измерений построить график (кривую совпадений). Половина диапазона, в котором происходит срабатывание схемы совпадений - разрешающее время схемы совпадений.

Задание 2. Измерение времени затухания интенсивности излучения полупроводникового светодиода одноканальным методом задержанных совпадений.

В соответствии со схемой (рис. 5.2) выполнить необходимые дополнительные соединения. Выход генератора Г5-63 соединить со светодиодом. Предварительно установить длительность импульса равной 20 нс, а частоту повторения 1 кГц. Ручка регулировки амплитуды должна находиться в крайнем левом положении. Включить генератор и установить амплитуду импульса на выходе равной 3 В. Излучение светодиода через нейтральный оптический фильтр большой оптической плотности направить на фотокатод ФЭУ-106. Измерения выполняются в режиме счёта фотонов.

Рис. 5.2. Схема одноканального метода задержанных совпадений

Напряжение на ФЭУ установить равным 1800 В. Сигнал с нагрузочного резистора ФЭУ подать на вход быстрого импульсного усилителя БУИ2-93, выход которого соединить с первым блоком формирования БТЭ2-90. На вход второго формирователя через спиральную линию задержки подается импульс синхронно связанный с тем, который инициирует излучение светодиода. Этот импульс подать на вход 2 БСВ2-90. При выполнении измерений входы 3 и 4 схемы совпадений отключить.

Экспериментально снять зависимость числа импульсов совпадений от времени задержки, то есть N(t) (кривую затухания). Величину задержки изменять с шагом 2 нс. Результаты измерений представить в графическом виде в полулогарифмическом масштабе.

В некоторых случаях изменение N(t) после прекращения действия инициирующего импульса можно представить в виде экспоненты

t NN0 exp(5.1) здесь t - текущее время, - время затухания. Время затухания принимается равным тому промежутку времени, по истечении которого, после прекращения действия инициирующего импульса, N(t) уменьшается в е-раз. Время затухания рассчитывают следующим образом

, (5.2)

где N1 и N2 число импульсов на выходе схемы совпадений при величине задержки t1 и t2 соответственно. Предполагается, что число импульсов прямо пропорционально интенсивности излучения сцинцилятора.

Представить зависимость N(t) в полулогарифмическом масштабе. Выполнить анализ полученной зависимости. Затухание может быть как одноэкспонентным, так и представлять собой сумму нескольких экспонент. По графику определить время затухания основной экспоненты.

Контрольные вопросы

1. Как выглядит функциональная схема установки для регистрации предельно слабого излучения одноканальным методом задержанных совпадений?

2. Чем определяется временное разрешение схемы совпадений?

3. Зачем в один из каналов схемы совпадений устанавливается спиральная переменная линия задержки?

4. Какие основные параметры характеризуют спиральную линию?

5. С какой целью в схемах совпадений используются блоки точной временной привязки?

Литература

1. Рехин Е.И., Чернов П.С., Басиладзе С.Г. Метод совпадений, - М.: Атомиздат, 1979. - 240 с.

2. Техническое описание приборов БСВ2-90, С7-13, ФЭУ-106

Учебное издание

Малахов Юрий Ильич

Лукашевский Михаил Владимирович

Коротких Иван Игоревич

Воинкова Ирина Владимировна

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Лабораторный практикум

Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению

14.03.01 "Ядерная энергетика и теплофизика"

Редактор издательства

Темплан издания ,учебн. Подписано к печати Печать офсетная Формат 60ч84/16 Физ. печ. л.

Тираж Изд. № Заказ Цена

Издательский дом МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14.

Отпечатано в типографии

1 2

1

Показать полностью…
2 Мб, 7 февраля 2017 в 23:42 - Россия, Москва, НИУ МЭИ, 2017 г., pdf
Рекомендуемые документы в приложении