Горн Л. С., Хазанов Б. И.
Позиционно-чувствительные детекторы
БИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 625
МОСКВА
ЭНЕРГОИЗДАТ
1982
Редакционная коллегия: И. В. Антик, Г. Т. Артамонов, А. А. Воронов, Л. М. Закс, В. К. Левин, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов, И. В. Прангишвили, О. В. Слежановский, Ф. Е. Темников, Г. М. Уланов, Ю. М. Черкасов, А. С. Шаталов.
Горн Л. С, Хазанов Б. И. Позиционно-чувствительные детекторы. Москва, Энергоиздат, 1982. Библиотека по автоматике. Выпуск 625.
Книга посвящена построению детекторов, предназначенных для определения координат места попадания частицы или кванта. Приведена классификация таких устройств и описаны общие принципы их построения. Рассмотрены ионизационные газонаполненные, полупроводниковые, сцинтилляционные позиционно-чувствительные детекторы и детекторы на основе микроканальных пластин. Описаны некоторые электронные узлы, специфичные для этих детекторов.
Рассчитана на специалистов, работающих по созданию приборов для измерения ионизирующих излучений.
Редактор В. К. Мелешко
Технический редактор Г. Г. Самсонова
Корректор И. А. Володяева
Энергоиздат, 1982
Содержание книги
Позиционно-чувствительные детекторы
Введение
Глава 1. Общие вопросы построения ПЧД
1. Принцип работы ПЧД
2. Классификация и основные параметры ПЧД
3. Общие методы выделения позиционной информации
4. Позиционное разрешение ПЧД
Глава 2. Ионизационные ПЧД
5. Позиционно-чувствительные газонаполненные ионизационные детекторы
6. Дрейфовые камеры
7. Позиционно-чувствительные ППД
Глава 3. Сцинтилляционные ПЧД
8. Одномерные сцинтилляционные ПЧД
9. Двухмерные сцинтилляционные ПЧД
Глава 4. ПЧД на основе микроканальных пластин
10. Микроканальные пластины
11. Построение ПЧД с использованием микроканальных пластин
Глава 5. Обработка сигналов для выделения позиционной информации
12. Элементы схем для обработки сигналов ПЧД
13. Каскады сопряжения с детектирующими устройствами
14. Устройства деления амплитуд импульсных сигналов
15. Устройства для измерения параметров задержанных сигналов
16. Выделение позиционной информации в комбинированных ПЧД
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Одна из основных тенденций, характерных для развития ядерного приборостроения, — рост информативности измерительной аппаратуры, т. е. увеличение объема, повышение качества и достоверности тех данных об источниках и полях ионизирующих излучений, которые вырабатывают приборы.
Информативность аппаратуры во многом определяется первичными измерительными преобразователями — детекторами, преобразующими параметры ионизирующих излучений в параметры электрических сигналов. В импульсных пропорциональных детекторах, занимающих основное положение в современной аппаратуре, при воздействии отдельной частицы или кванта в выходной цепи возникает импульс, величина заряда которого пропорциональна энергии, переданной чувствительному объему детектора, а форма сигнала связана как с видом частицы (зарядом, массой), так и с ее энергией (линейной потерей энергии). Такие детекторы послужили основой различной аппаратуры, в которой осуществляется отбор или измерение распределений сигналов по какому-либо параметру (амплитуде, моменту появления, форме сигнала).
В последнее десятилетие наряду с такими детекторами все шире используют детектирующие устройства, в которых выходной сигнал несет информацию о месте попадания в детектор частицы или кванта, вызвавших этот сигнал, — так называемые координатно-чувствительные или позиционные чувствительные детекторы (ПЧД). Хотя опыт их применения относительно невелик, с помощью этих детекторов уже получены очень интересные результаты в различных областях исследований. Приведем только некоторые примеры.
В медицинской практике позиционно-чувствительные детекторы (в составе так называемых гамма, позитронных камер и автофлуо-роскопов) используют для того, чтобы получить данные о распределении радиоактивных веществ, т. е. своеобразную фотографию объекта, испускающего рентгеновское излучение. Такие устройства стали диагностическими средствами, позволяющими выявить злокачественные образования, контролировать общее состояние больного, следить за динамикой протекающих в организме процессов и т.п.
Большие возможности создают ПЧД в магнитных и электростатических спектрометрах, где они позволяют измерять распределение частиц по координатам места попадания в фокальной плоскости (после отклонения магнитным или электростатическим полем) и с успехом заменяют использовавшиеся в течение долгого времени для этих целей фотопластинки и фотопленки. По сравнению с фотоматериалами ПЧД обладают многими преимуществами: считывание данных производится, сразу же после измерения или даже в процессе измерения; можно определять одновременно положение как слабых, так и интенсивных линий в распределении; можно, вводя амплитудный отбор или отбор по совпадению сигналов, значительно ослаблять фон; возможна идентификация частиц и т. д.
В космических исследованиях ПЧД очень перспективны для телескопических систем при идентификации изотопного состава солнечных и галактических частиц. Поскольку потоки этих частиц весьма слабы, желательно расширять угол зрения системы и ее чувствительность, что приводит к разбросу длины траекторий частиц, проходящих через детекторы, и неопределенности в передаче энергии этим детекторам. Если известны координаты мест попадания частицы, то можно точно определить путь частиц в каждом случае и ввести корректирующие поправки.
Позиционно-чувствительные детекторы, позволяющие одновременно измерить точку попадания частицы в детектор и энергию этой частицы, значительно увеличивают эффективность экспериментов в ядерной и атомной физике и повышают скорость накопления данных. Это особенно важно в тех случаях, когда исследуют редкие события, реакции малого сечения (например, одновременно измеряют энергетические и угловые распределения продуктов ядерных реакций) и пр.
Интересно использование ПЧД для измерения периода полураспада короткоживущих ядер. В таких исследованиях мишень, бомбардируемую ионами, располагают так, чтобы траектории образованных ядер проходили параллельно поверхности детектора. При распаде ядра продукты распада, разлетаясь, попадают в детектор, и по тому пути, который успело пролететь ядро за время своего существования, определяют время его жизни.
Перечень таких приборов можно значительно увеличить. Не случайно, число публикаций в периодических изданиях, посвященных ПЧД, составляет сейчас значительную долю всех работ по технике детектирования. Следует, однако, отметить, что использование ПЧД, как правило, связано с существенным усложнением электронно-измерительных устройств, и их практическое применение стало возможным благодаря значительному прогрессу в последние годы аппаратуры, осуществляющей обработку и накопление больших массивов данных, внедрению в приборостроение средств вычислительной техники и созданию информационно-измерительных систем.
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЧД
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЧД
Позиционно-чувствительными называют детекторы, которые позволяют определить координату места попадания в них заряженных частиц или квантов рентгеновского или уизлучения, а во многих случаях — одновременно и энергию, переданную частицей или квантом чувствительному объему детектора.
В известных в настоящее время ПЧД для декодирования позиционной информации используют следующие параметры самих коллекторных элементов или генерируемых ими сигналов:
а) номера коллекторных элементов, в цепи которых при детектировании частицы были зарегистрированы импульсы тока с интегральным зарядом, превышающим некоторое пороговое значение (дискретное декодирование);
б) заряды, переносимые импульсами тока в нескольких выходных цепях одного коллектора (аналоговое декодирование на основе измерения отношения зарядов);
в) распределение зарядов между несколькими коллекторными элементами коллекторной системы (аналоговое декодирование на основе определения центра тяжести зарядового распределения);
г) задержки появления сигналов в различных выходных цепях одного коллектора (аналоговое декодирование на основе временных измерений);
д) задержки появления сигналов в выходных цепях различных коллекторных элементов, обусловленные введением в коллекторную систему специальной линии задержки (аналоговое декодирование с помощью линий задержки);
е) задержки появления сигналов относительно момента ионизации в выходной цепи одного или нескольких коллекторных элементов, обусловленные конечной скоростью перемещения (дрейфа) первичного заряда от точки образования до соответствующего коллекторного элемента (аналоговое декодирование на основе измерения скорости дрейфа).
2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЧД
Классификация ПЧД. В зависимости от механизма генерации сигналов, несущих позиционную информацию, ПЧД могут быть разделены на две большие группы: детекторы дискретного и аналогового типа. Далее ПЧД первой группы можно разделить на детекторы мозаичного вида с полностью автономными элементами детектирования и матричного вида, в которых детектирующие элементы объединены в группы (строки и столбцы), а ПЧД второй группы — на детекторы с разделением заряда между дискретными металлизированными электродами, на устройства со сбором заряда на рези-стивных цепях (с использованием деления заряда для формирования позиционного сигнала) и на устройства со сбором заряда в линии задержки (с выделением задержки в появлении сигналов). Детекторы со сбором заряда на резистивных цепях могут содержать как распределенный резистивный коллектор, так и группу резисторов, к которым, подсоединены выходные цепи детектирующих элементов.
Детекторы с линией задержки также могут содержать распределенную линию задержки (резистивный слой и металлизированный экран) или линию задержки со сосредоточенными параметрами, к выводам которой подсоединены выходные цепи детектирующих элементов.
Различные виды ПЧД вырабатывают сигналы, позволяющие определить линейную координату места взаимодействия частицы или кванта с детектором, положение этого места на плоскости (две координаты) или положение его в некотором объеме (три координаты). Соответственно все ПЧД можно разделить на одно- двух- и трехмерные.
Наконец, по используемым методам регистрации частиц и квантов ПЧД, как и обычные детекторы, могут быть разделены на ионизационные (пропорциональные счетчики и камеры, дрейфовые, искровые камеры, ППД), на сцинтилляционные и зарядовые детекторы. Такое деление удобно для понимания принципа генерации сигнала, но оставляет в тени способы кодирования и выделения позиционной информации.
Основные параметры ПЧД. Как уже отмечалось, ПЧД представляет собой измерительный преобразователь, в котором информация о месте попадания частицы или кванта в детектор (координате) преобразуется в параметр выходного сигнала. Как и для других устройств такого типа, ПЧД характеризуют параметрами, определяющими это преобразование.
Скачать книгу "Позиционно-чувствительные детекторы". Москва, Энергоиздат, 1982
|
