Приборы и техника эксперимента, 2019, № 6, стр. 39-45

ВВЕДЕНИЕ

Успехи в области ядерной физики, астрофизики, физики высоких энергий и масс-спектрометрии во многом связаны с совершенствованием позиционно-чувствительных систем, в том числе и систем с высоким пространственным и энергетическим разрешением.

В ядерной физике в настоящее время широко используются кремниевые стриповые и пиксельные детекторы, способные с высокой точностью определять точку взаимодействия частицы с детектором. На их основе создаются детектирующие системы для регистрации траекторий частиц высоких энергий. Такие системы успешно используются в ЦЕРН [1], в экспериментах с радиоактивными ионными пучками на комплексе DRIBs-III Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ [2] и перспективны для работ по международной программе FAIR в центре ядерных исследований GSI (г. Дармштадт) [3, 4]. В современной астрофизике из кремниевых позиционно-чувствительных детекторов планируется формировать активную среду космического телескопа ГАММА-400 [5] и элементы обсерватории AMEGO [6].

Во всех перечисленных примерах используются различные системы регистрации сигналов с полупроводниковых позиционно-чувствительных детекторов. Одним из вариантов построения таких систем является применение многоканальных схем высокой степени интеграции с зарядочувствительным предусилителем, усилителем-формирователем и устройством выборки и хранения [7, 8]. Такие схемы позволяют зарегистрировать как координату частицы, так и ее энергию. Подробному описанию построения одной из таких систем [9] и посвящена данная статья.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ

Система регистрации была разработана для использования с односторонним планарным кремниевым p⁺–n–n⁺-детектором с p⁺-контактом, сегментированным на 64 стрипа, и с несегментированным n⁺-контактом, с которого снимаются триггерный (быстрый) и спектрометрический (медленный) сигналы.

Система содержит детекторную плату, предназначенную для работы в вакууме, и плату контроллера (рис. 1). По функциональному назначению можно выделить такие узлы, как: стриповый кремниевый полупроводниковый детектор, узел регистрации сигналов с 64-х стрипов детектора, узел генерации триггерного сигнала, узел первичной обработки, накопления и передачи данных, компьютер для окончательной обработки, хранения и представления данных.

Рис. 1.

Блок-схема системы регистрации. ЗЧУ – зарядочувствительный предусилитель; МП – мультиплексор; УФ – усилитель-формирователь; УВХ – устройство выборки и хранения; У – усилитель; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ДНУ – дискриминатор нижнего уровня; ССУ – схема смещения уровней; ГКИ – генератор калибровочных импульсов; ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема; ОЗУ – внешняя память; USB-COM – USB-передатчик.

Узел регистрации и обработки сигналов с 64-х стрипов детектора содержит специализированную микросхему большой степени интеграции типа IDE1140 [10], дифференциальные усилители У₁, У₂ и аналого-цифровой преобразователь АЦП₂. Микросхема IDE1140 предназначена для регистрации зарядов и выбрана из ряда микросхем, представленных компанией IDEAS, исходя из числа стрипов детектора, необходимого диапазона регистрации сигналов, малой рассеиваемой мощности и малых размеров.

В соответствии с числом стрипов детектора микросхема содержит 64 спектрометрических тракта. Выходным сигналом каждого тракта является напряжение, полученное путем преобразования входного заряда, зарегистрированного в определенный момент времени. Каждый спектрометрический тракт содержит зарядочувствительный предусилитель ЗЧУ, усилитель-формирователь УФ и устройство выборки и хранения УВХ.

Сигналы с каждой схемы выборки и хранения последовательно считываются на выход микросхемы с помощью аналогового мультиплексора МП₂, входящего в состав микросхемы. Считыванием управляет генератор серии импульсов, сконфигурированный в программируемой логической интегральной схеме ПЛИС (EP3C16Q240). Период следования импульсов t задает время считывания сигнала с IDE1140 и, следовательно, определяет общее время считывания сигналов со всех спектрометрических трактов как произведение t ⋅ 64.

На входе IDE1140 имеется второй аналоговый мультиплексор МП₁, предназначенный для подачи на входы ЗЧУ калибровочного сигнала с генератора калибровочных импульсов ГКИ. С помощью этого сигнала осуществляется проверка работоспособности и качества работы каналов.

Структура устройства обоснована принципом действия микросхемы IDE1140, который предполагает запуск цикла ее работы триггерным сигналом. Источником триггерного сигнала в данной схеме может являться внешний сигнал или сигнал с несегментированного n⁺-контакта детектора (быстрый сигнал), тракт регистрации которого включает в себя зарядочувствительный предусилитель ЗЧУ₁ и следующие за ним быстрый усилитель У₃ и дискриминатор нижнего уровня ДНУ.

В схеме реализована функция формирования спектрометрического сигнала с несегментированного омического контакта детектора (медленный сигнал), которую обеспечивает зарядочувствительный предусилитель ЗЧУ₁ и усилитель-формирователь УФ₁ с аналого-цифровым преобразователем АЦП₁.

Таким образом, в разработанном устройстве предусмотрены две возможности спектрометрии частиц: по сигналам, снимаемым со стрипов детектора, и по сигналам, снимаемым с общего омического контакта детектора.

Узел первичной обработки, накопления и передачи данных выполнен на программируемой логической интегральной схеме ПЛИС, внешней оперативной памяти ОЗУ и USB-передатчике. В ПЛИС сконфигурированы: блок управления (который вырабатывает сигнал HOLD для УВХ, сигнал RESET на все регистры IDE1140 и сигнал SHIN на МП₂), генератор серии импульсов VA_Clk, внутренняя оперативная память, драйвер АЦП, блок управления внешней памятью и USB-драйвер. Поскольку IDE1140 работает с отличными от стандартных логическими уровнями сигналов, то для передачи сигналов с ПЛИС применена схема смещения уровней ССУ.

Работу устройства иллюстрирует рис. 2, она заключается в следующем. Частица, попадая на детектор, создает сигналы в виде собранного заряда на одном или нескольких стрипах детектора и одновременно на общем n⁺-контакте. Сигнал с n⁺-контакта, усиленный ЗЧУ₁, формируется на выходе У₃ как быстрый сигнал. Этот сигнал отбирается по нижнему уровню ДНУ, с выхода которого уже логический импульс TRIG поступает на вход ПЛИС. По импульсу TRIG ПЛИС вырабатывает сигнал RESET, устанавливающий в исходное состояние все регистры IDE1140.

Рис. 2.

Временная диаграмма работы устройства.

Электрические заряды cо стрипов p⁺-контакта регистрируются зарядочувствительными усилителями ЗЧУ и формируются с постоянной времени 6.5 мкс на усилителях-формирователях УФ микросхемы IDE1140. Импульсы с УФ отслеживаются устройствами выборки и хранения УВХ до того момента, пока не придет импульс HOLD, фиксирующий их текущее значение. Этот импульс формируется в ПЛИС по сигналу TRIG с задержкой на время формирования фронта импульса с УФ. Таким образом, в тех каналах, где зарегистрирован заряд с детектора, импульс HOLD фиксирует на конденсаторах УВХ максимальное значение импульса с УФ, а в других каналах – случайные значения шумовых сигналов.

После того как уровни сигналов с УФ зафиксированы на УВХ, ПЛИС посылает на IDE1140 логический импульс SHIN и вырабатывает серию из 64-х импульсов VA_Clk с частотой 1 МГц (увеличиваемой при необходимости до 10 МГц, согласно спецификации микросхемы IDE1140). По первому импульсу VA_Clk уровень сигнала SHIN записывается в первый разряд внутреннего сдвигового регистра мультиплексора МП₂, который управляет коммутацией его ключей. Сдвиг записанного уровня обеспечивает последовательную передачу через мультиплексор напряжений со всех схем выборки и хранения, тем самым осуществляя их считывание. Оцифровка напряжений на АЦП₂ происходит по тактовым импульсами ADC_Clk.

Сконфигурированные в ПЛИС блоки осуществляют контроль и управление элементами системы в зависимости от выбора одного из двух режимов работы: спектрометрического или осциллографического. В спектрометрическом режиме производится запись 64-х значений напряжений со спектрометрических трактов IDE1140 во внешнюю память (объем которой позволяет записать до 4032 событий) и одновременно строится амплитудное распределение сигналов с общего n⁺-контакта детектора. В осциллографическом режиме производится запись осциллограммы с одного из АЦП во внешнюю память. При переполнении ОЗУ или по запросу компьютера измерение останавливается и данные считываются через USB-интерфейс.

Компьютер обеспечивает сбор, накопление, окончательную обработку данных и визуальное представление информации. Оператор осуществляет управление прибором и задает режимы его работы. В осциллографическом режиме на экран монитора выводится спектрометрический сигнал, оцифрованный с помощью АЦП₁, сигналы со спектрометрических трактов микросхемы IDE1140, а также сигнал с нее в режиме тестирования, который позволяет по времени появления вершины тестового сигнала определять и устанавливать необходимую задержку сигнала HOLD, а также регулировать порог срабатывания амплитудного дискриминатора. В спектрометрическом режиме программа строит 64 амплитудных спектра сигналов со стрипов, амплитудный спектр сигналов в спектрометрическом канале n⁺-контакта детектора и гистограмму координат зарегистрированных частиц.

Спектрометрические и триггерный сигналы, а также выходной сигнал с IDE1140, выведены на внешние разъемы устройства в тестовых целях. Кроме запуска системы считывания по внутреннему триггеру, в схеме предусмотрен запуск считывания по приходу внешнего триггера.

Конструктивно устройство выполнено на двух печатных платах. Детектор, микросхема IDE1140, предусилитель и RC-фильтры в цепи подачи напряжения смещения на стриповый детектор расположены на отдельной печатной плате – плате детекторов.

ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ДЕТЕКТОРНОЙ ПЛАТЫ

На рис. 3 представлена упрощенная электрическая схема детекторной платы. Она содержит детектор, микросхему IDE1140, два усилительных каскада и зарядочувствительный предусилитель. Усиление IDE1140 на линейном участке диапазона 0–72 фКл составляет 2.6 мкА/фКл. Преобразование выходного тока в напряжение осуществляется на резисторе R₁ (1 кОм). Для усиления полученного сигнала используется дифференциальный усилитель, построенный на основе микросхемы AD8130. Структура этой микросхемы удобна тем, что ток обратной связи не влияет на напряжение, создаваемое выходным током IDE1140 на резисторе R₁.

Рис. 3.

Принципиальная электрическая схема детекторной платы.

Второй каскад собран на дифференциальном усилителе ADA4940 и предназначен для передачи парафазного сигнала на основную плату через разъем X₁. Микросхема ADA4940, как и IDE1140, характеризуется малой мощностью потребления, что важно при работе детекторной платы в условиях вакуума. Кроме того, в схеме предусмотрен сигнал DISABLE, с помощью которого можно программно переводить схему в режим малого энергопотребления. Сигнал TSTON переводит схему в режим калибровки. Сигнал SHOUT сообщает о моменте окончания считывания напряжений со схем выборок и хранения.

Расположенный на детекторной плате зарядочувствительный предусилитель ЗЧУ, функционально относящийся к каналу формирования быстрого и медленного сигналов, рассмотрен ниже.

ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ БЫСТРОГО И МЕДЛЕННОГО СИГНАЛОВ

Схемы каналов формирования быстрого и медленного сигналов представлены на рис. 4. Каналы содержат по три основных узла: предусилитель, усилитель-формирователь и быстрый усилитель. Предусилитель выполнен на модуле М₁, усилитель-формирователь – на модуле М₅ и микросхеме М₆, быстрый усилитель – на микросхемах М₂, М₃ и М₄. Усилитель-формирователь и быстрый усилитель созданы в виде отдельной съемной печатной платы, соединенной через разъем с платой контроллера.

Рис. 4.

Схема каналов формирования быстрого и медленного сигналов. М₁ – модуль CR-110; М₂, М₃ – AD8009AR; М₄ – AD8561; М₅ – модуль CR-200-500; М₆ – AD8132AR; Д₁, Д₂ – PAD1.

Модуль М₁ представляет собой зарядочувствительный предусилитель CR-110 [11], выбранный из ряда предусилителей фирмы Cremat Inc по чувствительности к заряду и коэффициенту его преобразования. Собственный шумовой заряд, приведенный к входу модуля, составляет 200 ē RMS (среднеквадратичное значение в электронах); эквивалентный шумовой заряд – 720 эВ RMS (Si). Коэффициент преобразования CR-110 – 1.4 В/пКл или 62 мВ/МэВ при энергии образования пары 3.6 эВ.

Для защиты входов используются InterFET диоды Д₁ и Д₂ с минимальными паразитными параметрами: обратный ток менее 1 пА, емкость менее 1 пФ. Входной сигнал и сигнал калибровки поступают через конденсаторы C₁ и C₂ соответственно. В результате преобразования импульса входного заряда на выходе М₁ образуется импульс экспоненциально спадающего напряжения с постоянной времени 140 мкс и фронтом ~7 нс. Этот импульс используется для временной привязки (внутреннего триггера) и амплитудного анализа.

Усилитель-формирователь М₅ выполнен на микромодуле CR-200-500 фирмы Cremat Inc. Он предназначен для усиления скачкообразного сигнала с зарядочувствительного предусилителя и преобразования его в сигнал квазигауссовой формы.

Гибридная микросхема CR-200-500 представляет собой функционально законченный усилитель, формирующий “гауссиан” и состоящий из двух каскадов активных фильтров по схеме Саллена–Ки. Эта схема, с операционным усилителем, двумя резисторами и двумя конденсаторами, обеспечивает передаточную функцию второго порядка с постоянной времени формирования 1.2 мкс. Микросхема CR-200-500 обладает достаточно малым уровнем собственных шумов, приведенное к входу шумовое напряжение составляет 47 мкВ RMS.

Кроме активного фильтра, CR-200-500 имеет на входе разделительный конденсатор с цепью компенсации полюса нулем. Выходной каскад обеспечивает ток до 20 мА. Конструктивно микросхема CR-200-500 вставляется в DIP-панель и при необходимости иметь другое время формирования может быть легко заменена.

Для получения дифференциального сигнала на входе АЦП₁ используется выходной каскад усилителя-формирователя М₆, выполненный на микросхеме AD8132AR.

Быстрый канал предназначен для выработки триггерного сигнала TRIG. Разделительная цепь C₃–R₁ выделяет фронт выходного сигнала предусилителя, после чего два каскада на микросхемах М₂ и М₃ усиливают импульс напряжения в ~20 раз. Используемые в них операционные усилители AD8009 с токовой обратной связью обеспечивают незначительное искажение фронта импульса (~2 нс).

С быстрого выхода усилителя сигнал поступает на дискриминатор нижнего уровня М₄, выполненный на компараторе AD8561 и вырабатывающий логический сигнал TRIG на вход ПЛИС. Порог срабатывания компаратора задается напряжением с цифроаналогового преобразователя и может подстраиваться командами с компьютера.

МИКРОПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЛИС

Микропрограммное обеспечение ПЛИС, cтруктурная схема которого представлена на рис. 5, состоит из отдельных законченных программных модулей, соединенных между собой сигнальными связями. Команда на запуск измерения поступает от персонального компьютера ПК в приемопередатчик. Дешифратор команд обращается к соответствующему программному модулю (для команды запуска это модуль управления IDE1140), вызывая к исполнению необходимый цикл действий.

Рис. 5.

Структурная схема микропрограммного обеспечения ПЛИС.

Когда измерение запущено, ПЛИС переходит в состояние ожидания поступления сигнала TRIG, свидетельствующего о том, что детектор зафиксировал событие. Вслед за этим ПЛИС записывает метку события в ОЗУ и запускает АЦП. Далее вырабатываются импульсы RESET, SHIN, HOLD и серия импульсов VA_Clk, после чего начинается считывание и оцифровка поступающих сигналов. ПЛИС определяет средний уровень считываемых напряжений и записывает эти данные в ОЗУ. Затем ПЛИС переходит в состояние ожидания сигнала TRIG от следующего события.

Всего в ОЗУ может быть записано 4032 события, после чего ПЛИС выходит из режима измерения, более не реагирует на сигнал TRIG и выставляет статус для компьютера о необходимости передачи данных. По окончании чтения компьютер обрабатывает полученные данные, добавляя их к статистике предыдущих измерений, и в зависимости от выбранного режима вывода информации на экран представляет их в виде графиков пространственного и/или энергетического распределений.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА

На рис. 6а представлена осциллограмма формы импульса с выхода микросхемы IDE1140, полученная в тестовом режиме работы системы, а на рис. 6б показаны напряжения, последовательно выводимые на ее выход в рабочем режиме. Напряжения являются результатом регистрации амплитуд шумовых импульсов и полезного сигнала.

Рис. 6.

Амплитуды сигналов с IDE1140 в относительных единицах: а – тестовый режим (фронт импульса 6.5 мкс, спад 30 мкс); б – вид считываемых сигналов в рабочем режиме при VA_Clk = 200 кГц.

Оценка интегральной нелинейности преобразования (INL) проводилась путем подачи на один из 64-х входов IDE1140 известного заряда и измерения значения соответствующего напряжения на ее выходе (рис. 7). При этом была отдельно измерена собственная нелинейность электронного тракта, которая составила 0.02%. Как видно из рисунка и фрагмента таблицы на поле рисунка, основной вклад в нелинейность вносит микросхема IDE1140 в области зарядов ≥160 фКл.

Рис. 7.

Интегральная нелинейность преобразования (INL) для различных диапазонов входных зарядов.

Характеристики разработанной системы:

• динамический диапазон регистрируемых сигналов от 5 до 250 фКл;

• интегральная нелинейность менее 1% в диапазоне от 5 до 160 фКл;

• эквивалентный шумовой заряд 0.7 фКл;

• коэффициент преобразования 4.4 канала АЦП/фКл в диапазоне от 5 до 160 фКл;

• время считывания 64 мкс;

• напряжение питания и ток потребления модуля 12 В, 250 мА.

Описанная схема допускает регистрацию и спектрометрию излучений различными сенсорами, однако при использовании кремниевых детекторов излучений ее потенциал реализуется максимально полно. Устройство на ее основе было испытано при работе со стриповым кремниевым детектором с размером чувствительной области от десятков квадратных миллиметров до десятков квадратных сантиметров.