1、第23卷 第2期 核 电 子 学 与 探 测 技 术Vol.23 No.22003年3月NuclearElectronics快;电 荷 灵 敏;前 置 放 大 器;研 制中 图 分 类 号:TN722.73文 献 标 识 码:A文 章 编 号:0258-0934(2003)02-0105-03收 稿 日 期:2002-08-12作 者 简 介:苏 弘(1955-),男,甘 肃 人,中 国 科 学 院 近代 物 理 研 究 所 副 研 究 员,硕 士,从 事 核 技 术 与 核 电 子学 研 究;周 波,(1972-),女,四 川 人,中 国 科 学 院 近 代物 理 研 究 所 硕 士 生。0
2、引 言无 论 是 在 核 物 理 和 粒 子 物 理 实 验 研 究 中,或 者 是 在 核 科 学 与 技 术 的 实 际 应 用 中,都 需 要采 用 电 子 学 方 法 对 核 辐 射 进 行 测 量,都 需 要 对核 探 测 器 输 出 的 信 号 进 行 处 理 与 分 析。由 于 探测 器 输 出 信 号 往 往 比 较 小,一 般 情 况 下,首 先 要通 过 放 大 器 进 行 放 大,因 而 前 置 放 大 器 就 显 得非 常 重 要 了。前 置 放 大 器 最 主 要 的 功 能 是 放 大 来 自 探 测器 的 信 号,并 尽 可 能 低 的 产 生 附 加 噪 声 贡
3、 献,对应 于 不 同 类 型 的 探 测 器 将 有 不 同 的 前 置 放 大 器与 之 相 配,根 据 探 测 器 输 出 信 号 成 形 方 式 的 特点 分 类,前 置 放 大 器 可 分 为 电 压 灵 敏 前 置 放 大器、电 流 灵 敏 前 置 放 大 器 和 电 荷 灵 敏 前 置 放 大器 三 大 类1。电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 是 目 前 高 分辨 能 谱 测 量 系 统 中 用 得 最 多 的 前 置 放 大 器,它输 出 增 益 稳 定、噪 声 低、性 能 良 好。随 着 实 验 技术 的 不 断 发 展,核 物 理 研 究 的 实 验 规 模 越 来 越大
4、,在 一 个 实 验 测 量 系 统 中,需 要 的 探 测 单 元 也越 来 越 多,每 一 个 探 测 单 元 需 要 配 备 一 个 前 置放 大 器,这 样 就 需 要 许 多 个 前 置 放 大 器。在 这 种大 的 实 验 测 量 系 统 中,目 前 常 用 的 通 用 型 前 置放 大 器 无 论 在 体 积 上,还 是 在 造 价 上 都 不 再 适应 实 际 要 求 了。因 而 实 验 人 员 越 来 越 重 视 开 发研 制 小 型 化、高 集 成 化 的 前 置 放 大 器 与 成 形 放大 器。鉴 于 实 验 工 作 的 实 际 需 要,我 们 开 发、研制 了 这 种
5、 主 要 采 用 低 噪 声 场 效 应 晶 体 管 和 集 成运 算 放 大 器 构 成 的 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器。它 具有 电 路 简 单、体 积 小(38mm45mm80mm)、输 出 信 号 上 升 时 间 快、噪 声 低、稳 定 性 好 等 特点。1基 本 原 理基 本 的 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 如 图1所 示。其 中A0是 放 大 器 的 开 环 增 益,Cf是 反 馈电 容,Rf是 反 馈 电 阻,C为 耦 合 电 容,RD是 探 测器 偏 置 电 阻。产 生 于 半 导 体 探 测 器 或 者 电 离 室的 信 号 是 一 个 电 流 脉 冲,其 电
6、 荷 量 为QD,电 流脉 冲 的 持 续 时 间 一 般 为10-910-5s,这 随 探 测器 的 类 型 和 它 的 大 小 不 同 而 不 同。探 测 器 产 生的 电 荷QD与 入 射 的 射 线 能 量 成 正 比。在 多 数应 用 中,实 验 人 员 感 兴 趣 的 参 数 是 探 测 器 产 生的 电 荷 量QD和 事 件 发 生 的 时 间,而 电 荷 灵 敏501图1基 本 的 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器前 置 放 大 器 可 以 给 出 一 个 与 电 荷 量 成 比 例 的 电压 信 号 和 一 个 定 时 信 号。我 们 知 道 电 荷 灵 敏 前置 放 大
7、器 的 电 压 输 出 有 一 个 幅 度VOM和 一 个 衰减 时 间 常 数f:即VOM=QD/Cf;f=RfCf式 中QD是 探 测 器 产 生 的 电 荷 量,QD=Eine/,Ein为 入 射 能 量,MeV;e是 电 子 电 荷 量(1.610-19C),是 平 均 电 离 能。由 上 式 可 见,因 为Cf为 一 个 常 量,所 以 输出 电 压 信 号 的 幅 度VOM只 与 总 电 荷QD成 正 比,这 样 就 得 到 了VOMQDEin的 关 系。对 于 电 荷前 放 来 说,其 总 的 输 入 电 容Cif=Ci+(1+A0)Cf。其 中Ci=CD+CS+CA,CD为 探
8、 测 器 体 电 容,CS为 引 线 分 布 电 容,CA是 放 大 器 输 入 电 容,由于 有(1+A0)CfCi,所 以Ci变 化 对 电 荷 前 放增 益 的 影 响 可 忽 略 不 计,从 而 使 得 电 荷 前 放 的输 出 电 压VOM有 很 好 的 稳 定 性。电 荷 灵 敏 前 置放 大 器 输 出 脉 冲 的 上 升 时 间,在 理 想 情 况 下 就等 于 探 测 器 输 出 电 流 脉 冲 的 宽 度。2设 计 思 路 与 电 路 形 式为 了 保 证 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 具 有 较 高 的信 噪 比 和 较 快 的 时 间 响 应,电 路 结 构 简
9、单,并 且便 于 小 型 化 和 高 度 集 成。我 们 采 用 集 成 运 算 放大 器 构 成 电 荷 前 放 电 路2,在 考 虑 到 响 应 速 度快、频 带 宽、低 功 耗 等 要 求,选 用 了MAXIM公司 生 产 的300MHz高 速 运 算 放 大 器MAX477构 成 放 大 级。为 了 降 低 整 个 电 荷 灵 敏 前 置 放 大器 的 噪 声,选 取 了N沟 道 结 型 低 噪 声 场 效 应 管2SK152作 为 电 荷 前 放 的 输 入 级。由 此 可 见,该电 荷 前 放 由 两 级 电 路 组 成,为 了 提 高 电 路 的 稳定 性,同 时 也 降 低 电
10、 路 的 功 耗,电 路 的 工 作 电 源为6V。为 了 满 足 实 际 应 用 和 规 范 化,该 电 路设 计 了 两 个 输 出,一 个 是 能 量(E)输 出,用 于 能谱 测 量;另 一 个 是 定 时 信 号(T)输 出,用 于 时 间测 量。基 本 电 路 的 原 理 如 图2所 示。图2基 本 电 路 的 原 理 图在 电 路 中R9为Rf,C9、C10和C11作 为Cf。Rf和Cf构 成 的 并 联 支 路,从 集 成 运 算 放 大器A1的 输 出 端 引 出 反 馈 信 号 到 输 入 端,使 放大 器 形 成 并 联 负 反 馈 电 路。Q1是 场 效 应 管,由它
11、构 成 一 个 共 源 放 大 级,Q1的 工 作 点 及 栅 极 电流 由V0和Rf决 定3。由 于Rf是 级 间 负 反 馈 电阻,对 直 流 稳 态 来 说,使 整 个 电 路 的 静 态 工 作 点得 以 稳 定,Rf电 阻 也 给 探 测 器 漏 电 流 提 供 泄 放途 径,为Cf上 的 信 号 电 荷 提 供 放 电 途 径。电 路的 静 态 工 作 点 通 过R11和R12进 行 调 节。通 过调 节R11和R12使 场 效 应 管Q1的VDS近 似 为+1.1V,VGS近 似 为-0.8V,从 而 使 电 荷 灵 敏 前置 放 大 器 获 得 最 低 的 噪 声。在 电 路
12、中 选 用MAX477构 成 放 大 级,它 的-3dB带 宽 为300MHz,压 摆 率 为1100V/s,开 环 电 压 放 大倍 数 为65dB(1778),该 运 算 放 大 器 具 有 较 低 的等 效 输 入 噪 声 电 压,其 值 为5nV/Hz1/2。在 该 设计 中,采 用 跳 线J1、J2和J3来 选 择 不 同 的Cf,达 到 改 变 前 放 电 荷 灵 敏 度 的 目 的。3主 要 性 能 指 标 与 参 数 比 较3.1主 要 性 能 指 标1)电 荷 灵 敏 度ACQ。一 定 量 的 电 荷Q输 入到 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 时,输 出 电 压 幅 度
13、为VOM,电 荷 灵 敏 度 定 义 为:ACQ=VOM/Q。从 物 理角 度 讲,希 望ACQ越 大 越 好,但 是,由 于 受 到 放大 器 输 出 动 态 范 围 的 限 制,ACQ不 可 能 非 常 大,应 根 据 实 际 应 用 要 求 来 确 定ACQ,在 自 制 的 电荷 前 放 中,我 们 确 定ACQ分 别 为:ACQ=11012V/C;ACQ=0.51012V/C。2)能 量 灵 敏 度ACE。它 是 电 荷 前 放 变 换 增益 的 另 外 一 种 表 示 方 法,它 表 示 相 应 于 单 位 能601量 的 射 线 被 探 测 时,放 大 器 输 出 幅 度 的 大
14、小,即:ACE=VOM/E。自 制 电 荷 前 放 的ACE分 别 为:ACE=44mV/MeV(Si);ACE=20mV/MeV(Si)。3)等 效 输 入 噪 声2.2keV(ACE=44mV/MeV(Si),0pF输 入 电 容)。4)上 升 时 间(04V时)10ns。5)输 出 电 压 动 态 范 围 为04V。3.2主 要 参 数 比 较为 了 评 定 这 种 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器,我 们将 它 与 美 国AMPTEK公 司 生 产 的A250混 合电 路 构 成 的 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器,美 国EGMbc;ehMaXQbQNbRcRQ;naQMPnfRRQa;_QQfdn211
