Ядерная электроника Лекция 1 Вводная Если

Ядерная электроника Лекция 1 Вводная

«Если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня Ролс. Ройс мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и дешевле было бы его выбросить, чем заплатить за парковку» . Гордон Мур, один из основателей фирмы Intel

Закон Мура Более 40 лет назад Гордон Мур сформулировал эмпирический закон, согласно которому «каждые 2 года количествотранзисторов в компьютерных микросхемах на 1 кв. дюйм удваивается» . Модель процессора Год выпуска Кол-во транзисторов 4004 1971 2250 8008 1972 2500 8080 1974 5000 8086 1978 29000 286 1982 120000 Intel 386 1985 275000 Intel 486 1989 1180000 Intel Pentium 1993 3100000 Intel Pentium II 1997 7500000 Intel Pentium III 1999 24000000 Intel Pentium 4 2000 42000000 Intel Itanium 2002 220000000 Intel Itanium 2 2003 410000000

Основной предмет ядерной электроники Электронику, используемую в ядерно-физическом эксперименте, принято называть ядерной. Современный эксперимент - это симбиоз электроники, вычислительной техники и физической аппаратуры. Основным объектом ядерной электроники является схемотехника на основе современной элементной базы радиокомпонентов. Иногда рассматриваются вопросы, связанные со структурой и теорией самих элементов: транзисторов, диодов и т. д.

Схемотехника эксперимента Первое с чем приходится иметь дело в ядернофизическом эксперименте – это детектор частиц, а также получение и обработка сигнала с детектора.

Принципы работы детектора Схема детектора на основе импульсной ионизационной камеры (ИК) При прохождении заряженной частицы или γ-кванта в ионизационной камере происходит ионизация, под действием внешнего поля электроны и ионы движутся к соответствующим электродам, создавая ток. В т. «О» возникает импульс напряжения Uдет, который является сигналом с детектора и входным сигналом электронной схемы. Первая задача с которой сталкиваются в эксперименте – это усиление сигнала от детектора.

Принципы работы детектора Амплитуда, форма и длительность сигнала Uдет определяются процессами внутри рабочего вещества детектора и параметрами входной цепи Rн и Свн. Обычно Rн ~ 1 -10 МОм и Uдет ~ м. В, в то время как Eп ~ 100 -1000 В Можно говорит о крайне большом внутреннем сопротивлении детектора Rвн. дет >> Rн. Подобную схему подключения имеют счётчики Гейгера, пропорциональная камера и полупроводниковый детектор.

Принципы работы детектора Схема сцинтилляционного детектора Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора (органические антрацен, полистирол и т. д. или неорганические Na. I, Cs. I) фотоэлектронного умножителя (вакуумный ФЭУ, лавинный фотодиод, кремниевый ФЭУ). Заряженная частица или γ-квант создают в сцинтилляторе вспышки света, которые регистрируются и преобразуются в электрический сигнал с помощью ФЭУ.

Принципы работы детектора Амплитуда выходного сигнала с фотоэлектронного умножителя порядка м. В и значительно меньше напряжения питания ФЭУ ( до 1000 В). Поэтому ФЭУ также можно рассматривать источником тока. На основе регистрации света от черенковского или переходного излучения от заряженных частиц работают RICH детекторы и детекторы переходного излучения.

Эквивалентная схема детектора Упрощенная эквивалентная схема Эквивалентная схема детектора (интегральная цепь) Для расчетов амплитуды импульса напряжения Uвх можно упростить электрическую схему детектора. Воспользовавшись решением уравнением относительно Uвх для интегральной цепи: Величина τвх = Rн. Cвх - постоянная интегрирования цепи, которая влияет на скорость нарастания импульса

Сигнал с детектора При прекращении тока Iдет напряжение импульса спадает по закону: При выборе постоянной времени τвх = Rн. Cвх руководствуются тем, что хотят получить максимальную амплитуду импульса на выходе с детектора τвх >> ti Если необходимо получит минимальную длительность импульса τвх << ti

Выбор сопротивления нагрузки Для получения максимальной амплитуды сигнала необходимо обеспечить минимальную величину входной ёмкости детектора Свх, что достигается путём рациональной конструкции детектора и электронной схемы. Rн сопротивление нагрузки выбирается в зависимости от типа детектора.

Выбор сопротивления нагрузки Импульсная ионизационная камера Полное время собирания зарядов в ионизационной камере определяется двумя компонентами: - ионная компонента T(+) ~ 10 -3 c - электронная компонента T(-) ~ 10 -5 - 10 -7 c Если применяется полное собирание заряда, то выбирают τвх = Rн. Cвх ≈ 10∙T(+) при Свх ≈ 20 п. Ф берут Rн ≈ 109 - 1010 Ом В режиме полного собирания импульс имеет характерную форму импульса с изломом.

Выбор сопротивления нагрузки Импульсная ионизационная камера Для повышения быстродействия отказываются от сбора ионной компоненты, работая только с электронной: τвх = Rн. Cвх ≈ 10∙T(-) для Свх ≈ 20 п. Ф берут Rн ≈ 105 - 106 Ом

Наложение импульсов При больших загрузках, когда последующий импульс приходит до завершения предыдущего, происходит наложение импульсов. В этом случае целесообразно выбирать τвх ≈ τимпульс

Выбор сопротивления нагрузки Пропорциональная камера При выборе сопротивления нагрузки для пропорциональной камеры учитываются следующие особенности: - При достаточно больших τвх импульс напряжения вначале нарастает линейно, затем логарифмически. Примерно на 1 -2 мкс амплитуда достигает половинного значения от максимума, дальнейший рост длится до нескольких миллисекунд; - В пропорциональном детекторе возникает эффект газового усиления, амплитуда напряжения выше, чем ионизационной камер: Uвх ~ 0, 01 -0, 1 В. Rн выбирается из условия получения необходимого разрешения ~ 1 -5 мкс и небольшие потери в амплитуде не существенны.

Выбор сопротивления нагрузки Сцинтилляционный детектор Форма импульса тока как правило повторяет форму световой вспышки в сцинтилляторе. Благодаря большому усилению постоянная времени может быть меньше времени высвечивания ( до 10 -9 с у органических сцинтилляторов). Сопротивление нагрузки Rн ~ 50 -100 Ом. Для получения больших амплитуда, но меньшего временного разрешения используют 105 -106 Ом.