186188. lajstromszámú szabadalom • Elrendezés töltésimpulzusok tetszőleges időtartamra történő visszaállítására különböző töltésérzékeny előerősítők jeleiből
1 186 188 2 A magfizikai detektor-előerősítő rendszerek a detektált részecske vagy kvantum energiájával arányos jeleit az optimális energiafeloldás érdekében a jel-zaj viszonyt javitó áramkörök segítségével formáljuk. (Jelformáló vagy zajszűrő áramkörök.) Ezeket az áramköröket két alapvető paraméterrel jellemezhetjük. Az egyik maga a már említett jelzaj viszony, a másik a feloldási idő, amely megadja az egy impulzus torzításmentes feldolgozásához szükséges időtartamot, ameiyen belül másik impulzus nem előzheti meg és nem követheti a vizsgáltat. Az első paraméter a rendszer energíafeloldásának, a másik az adott mérési pontosság eléréséhez szükséges mérési időnek alapvető meghatározója. Az ismert realizálható áramkörök összehasonlítása azt mutatja, hogy a legjobb feloldást és a legrövidebb feloldási időt azon áramkörök esetében kapjuk, melyeknél a formális végző fázisa (passzív integrálás, aktív valódi integrálás stb.) előtt a formálási időnek megfelelő hosszúságú, az energiával arányos nagyságú négyszögjelekből indulnak ki.1,2 A félvezető magfizikai detektorokhoz, valamint ionizációs kamrákhoz csatlakozó töltésérzékeny előerősítők kimenetén ideális esetben a detektált részecske vagy kvantum energiájával arányos feszültségugrás keletkezik (töltésimpulzus). Az előerősítők többségénél - az egyenáramú munkapont biztosítása érdekében - a töltésimpulzus alakja eltér az ideálistól: a feszültségugrás adott időállandóval „lecseng” (ellenállásvisszacsatolt és folyamatos töltéskompenzálású előerősítők), és az előerősitö kimeneti feszültsége alapállapotához tart (1. ábra A görbéje). A pulzált töltéskompenzálássai rendelkező előerősítők esetében az egymás után fellépő lecsengésmentes töltésimpulzusoknak megfelelő görbét az 1. ábrán B jelzéssel láthatjuk. Az egyes impulzusok amplitúdója kicsi, feldolgozásuk az impulzusok egymásra ülése miatt mégis olyan nagy feszültségátfogást igényel, hogy az egyes impulzusok alapvonalra ültetése nélkül a jelformáló erősítő túlvezérlödne. (Nagy intenzitások esetén - a nagy lecsengési időállandó miatt - a túlvezérlődés az A görbének megfelelő jelalak esetén is bekövetkezik.) Négyszög alakú jelek előállítása a fenti jelalakból a legegyszerűbben késleltető művonal felhasználásával oldható meg. Ezt a módszert azonban egyre ritkábban alkalmazzák a késleltetővonalak hőmérsékleti instabilitásai, a változtathatóság nehézkessége, és nagy késleltetések esetén a nagy helyigény miatt. Ismeretesek olyan passzív R, C áramkörök, amelyek lehetővé teszik adott lecsengési időállandójú jelek tetszőleges lecsengési időállandójúvá való alakítását. Ha a kívánt időállandó nagyobb az eredetinél, akkor a kimeneti jel amplitúdója az időállandók arányának megfelelően csökken. Nyilvánvaló, hogy véges lecsengési időállandójú bemenőjelet feltételezve, végtelen lecsengési időállandójú kimeneti jelet (tetőesés nélküli jel) csak 0 amplitúdóval tudnánk előállítani. A találmány szerinti elrendezés lehetővé teszi tetszőleges töltésérzékenység előerősítő kimeneti jeleiből olyan - az eredeti töltésimpulzusok nagyságával arányos amplitúdójú tetőesés nélküli - négyszögimpulzusok előállítását, melyek hosszúsága tetszés szerint (folyamatosan vagy lépésekben) változtatható, és a szuperponálódó zaj pillanatértékei - a négyszögjel előtt és alatt - megfelelnek az eredeti zaj pillanatértékeinek. Az 1. ábrán a töltésimpulzusok idődiagramját láthatjuk. A 2. ábra egy visszacsatolt invertáló erősítőt ábrázol. A 3. ábra egy erősítővel kiegészített áramköri elrendezést mutat be. A 4. ábra egy törlő áramkör elrendezését szemlélteti. Az 5. ábra a jelalakot tünteti fel. A 6. ábra egy másik törlő áramkört mutat be. A 7. ábra a fenti áramkör jellemző impulzusformáit ábrázolja. Az elrendezés működését az ábrák alapján magyarázzuk. A 2. ábra egy egyszerű visszacsatolt, invertáló erősítőt mutat. Ha az erősítő bemeneti és visszacsatoló impedanciája megegyezik, a kimeneti jel alakja és nagysága a bemeneti jelével azonos. A bemeneti CR differenciáló tag - tekintettel arra, hogy az erősítő invertáló bemenete a visszacsatolás miatt virtuális földpont - tulajdonképpen egy differenciáló áramkör (felületáteresztő szűrő). így a bemenetén egymás után következő, egymásra „ülő” feszültségugrásoknak a bemeneti kapacitás és ellenállás közös pontján (2. ábrán d-vel jelölve) az időállandónak megfelelő lecsengési idővel rendelkező az alapvonalon ülő vagy ahhoz tartó impulzussorozat felel meg. Ha az áramkör bemenetére tetőeséssel rendelkező impulzussorozat érkezik, a bemeneti differenciáló áramkört a nukleáris méréstechnikában szokásos módon ún. pólus-zérus kompenzálással kell kiegészíteni. (A kiegészítést a 2. ábrán szaggatott vonallal rajzolt R2 ellenállás és a P potenciométer jelenti.) A kompenzálás a K kapcsolóval egyszerűen kiiktatható. A kiegészítéssel vagy anélkül a bemeneti időállandót úgy kell megválasztani, hogy az R,C., soros RC visszacsatoló áramkör időállandójával megegyezzen. Ezzel a megoldássá! elérhető, hogy mind tetőesés nélküli (K kapcsoló nyitott), mind tetőeséses impulzusokra (K kapcsoló zárt) a differenciáló áramkör d pontján az 1. ábra D görbéjének megfelelő, azonos alakú, alálövésmentes impulzussorozat jelenik meg. Látható, hogy ezen impulzusok feldolgozása sokkal kisebb amplitúdó-dinamikát igényel, mint a bemenetre adott jelsorozaté. Ez lehetővé teszi a differenciális után a jelek kívánt nagyságára történő erősítését az erősítő fokozat (fokozatok) túlvezérlése nélkül. Az erősítővel kiegészített áramköri elrendezést mutatja a 3. ábra. Könnyen belátható, hogy az E erősítő fokozat (vagy fokozatok) közbeiktatása nem befolyásolja az elrendezés kimenetén megjelenő jelek alakját, hatása csak az amplitúdóra van. A differenciált impulzusokat erősítés után az 1. E görbén láthatjuk. A jelalak-visszaállító V erősítő (3. ábra) kimenetén további kiegészítés nélkül az 1. F görbének megfelelő lépcsős függvény jelenne meg, mely gyorsan a kimenet telítődését okozná. A mérések célja a detektált részecskék vagy fotonok energiájának, azaz a feldolgozott impulzusok amplitúdójának a meghatározása. Az impulzusok 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5C 55 60 65
