А., А.,
С., Г., В.
Маломощный транзисторный
делитель для фотоэлектронных умножителей
Высоковольтный транзисторный делитель напряжения для фотоумножителей состоит из высокоомного линейного резисторного делителя, задающего распределение потенциалов между динодами, и эмиттерных повторителей, поддерживающих это распределение. Делитель характеризуется низким уровнем рассеиваемой мощности и стабильностью коэффициента усиления фотоумножителя при изменении величины среднего анодного тока во всем диапазоне измерений.
Россия, 141980, Дубна Московской обл.,
Объединенный институт ядерных исследований
Kalinnikov V. A., Kuchinskiy N. A.,
Smirnov V. S., Tikhonov A. G., Khomutov N. V.
Low-powered transistor divider for PMT
A transistor high voltage divider for photomultipliers is developed. The circuit contains a high-resistance linear resistive divider for setting potential distribution between dynodes and emitter followers to support this distribution. The divider is characterized by a low level of diffused power and stability of photomultiplier gain at change of average anode current in all ranges of measurement.
В условиях больших импульсных загрузок возможности применения сцинтилляционных счетчиков определяются в основном загрузочными характеристиками фотоэлектронных умножителей (Ф. Э.У.). Эти характеристики, в свою очередь, зависят от переходных процессов в самом ФЭУ и высоковольтном делителе напряжения, обеспечивающем рабочее распределение потенциалов на динодах Ф. Э.У. При увеличении среднего анодного тока Ф. Э.У.., определяемого скоростью счета и амплитудой импульсов, происходит перераспределение потенциалов на динодах и, как следствие, изменение коэффициента усиления. Такое изменение может приводить к потере эффективности работы сцинтилляционных счетчиков, а в случае амплитудных измерений к искажению спектра. Поэтому при работе в условиях больших импульсных загрузок необходимо предусматривать специальные меры по стабилизации напряжения на динодах.
В настоящее время используется несколько схем высоковольтного питания Ф. Э.У.:
- Высокоомный резисторный делитель с конденсаторами большой емкости, шунтирующими последние диноды [1, 2]. Для стандартного резисторного делителя (Рис. 1.а) принято считать, что стабилизация коэффициента усиления обеспечивается десятикратным превышением тока делителя по отношению к среднему анодному току [1].
- Более эффективным способом стабилизации ФЭУ является питание последних, особенно чувствительных к загрузкам ФЭУ динодов, от отдельного источника [3, 4]. Этот широко распространенный способ не очень удобен в работе, поскольку требует использования относительно сильноточного дополнительного источника питания и соответствующих подводящих коммуникаций.
- Также для стабилизации напряжения последних динодов можно использовать стабилитроны. Это позволяет поднять загрузку Ф. Э.У. [1, 3]. Однако такая схема имеет недостатки: необходимость подбора стабилитронов для каждого междинодного промежутка, что не всегда возможно, а также непропорциональность изменения междинодных потенциалов при регулировке напряжения питания.
- Более широко распространено использование эмиттерных повторителей на n-p-n транзисторах на последних динодах[2, 5]. Такая схема обеспечивает хорошие загрузочные свойства Ф. Э.У., но накладывает ограничение на минимальный начальный ток делителя.
- Для больших систем с Ф. Э.У., например, в калориметрии, широко используется схема Кокрофта-Валтона [6], основанная на принципе умножении напряжения на динодах. К сожалению, эта схема не дает возможности провести прецизионную настройку Ф. Э.У., поскольку все междинодные напряжения кратны минимальному умножаемому напряжению.
В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ разработана схема высоковольтного питания Ф. Э.У. в широком диапазоне импульсных загрузок [7], основанная на стабилизации напряжения на всех динодах Ф. Э.У. с помощью цепочки эмиттерных повторителей на высоковольтных p-n-p транзисторах. Само распределение потенциалов между динодами задается высокоомным линейным резисторным делителем, включенным между базами транзисторов (Рис. 1.1). Начальный ток, через транзисторы, без загрузки Ф. Э.У., определяется сопротивлением в эмиттере ближайшего к аноду транзистора (R15).
В настоящее время в ОИЯИ накоплен большой положительный опыт использования такого рода делителей в эксперименте. Основной недостаток таких делителей выполненных на биполярных транзисторах КТ3157А [8] - зависимость распределения потенциалов в базовой линейной цепочке резисторов от среднего анодного тока Ф. Э.У., что связано с влиянием базовых токов транзисторов. Для устранения этой зависимости нами разработаны и изготовлены аналогичные делители на полевых и составных транзисторах.
В данной работе исследовалось несколько типов высоковольтных делителей с одним и тем же распределением потенциалов на динодах. Все исследования делителей проводились с использованием Ф. Э.У. XP2020, характеристики которого широко известны. Исследовались характеристики делителей с использованием биполярных транзисторов КТ3157 (Рис. 1.б) [8], полевых транзисторов BSS92 (Рис.1.в) [9] и составных транзисторов на основе транзисторов BF821 (Рис. 1.г) [10]. Начальные токи (при отсутствии анодного тока), протекающие через транзисторы, во всех делителях 30 мкА. Токи в высокоомных резисторных цепочках при этом были 0.15, 0.10 и 0.10 мА соответственно. С учетом предельных значений рабочих напряжений транзисторов, на втором междинодном промежутке использовались два последовательно соединенных транзистора.
Для сравнения также измерялись характеристики резисторного делителя с током 1.3 мА.
Принципиальная схема измерений приведена на Рис. 2. Два синхронизированных генератора Гн1 и Гн2 с рабочими частотами 0-200 кГц и 1 кГц обеспечивают запуск двух светодиодов Д1 и Д2, с длительностями световых импульсов 200 нс и 10 нс соответственно. Д1 задает необходимый для измерений средний анодный ток фотоумножителя путем изменения частоты Гн1. Д2 используются для измерения коэффициента усиления ФЭУ. Величина его импульсов во время измерений была фиксированной. Для исключения наложений при запуске генератора Гн2 импульсы генератора Гн1 блокировались. Измерение коэффициента усиления проводилось с помощью цифрового осциллографа TDS2022, связанного с компьютером.
Полученные результаты измерения коэффициента усиления и среднего анодного тока Ф. Э.У. XP2020 в зависимости от частоты импульсов подсвечивающего светодиода для разных типов делителей приведены на Рис. 3. Как и ожидалось, для резисторного делителя наблюдается сильная зависимость коэффициента усиления от интенсивности засветки и, как следствие, нелинейный характер изменения среднего анодного тока Ф. Э.У. (Рис. 3.а). Надо отметить, что характер этой зависимости определяется задаваемым на последних динодах распределением потенциалов.
Аналогичная характеристика делителя на биполярных транзисторах имеет плавное падение усиления с увеличением засветки Ф. Э.У. (Рис. 3.б), что отмечалось и ранее [7].
Как следует из рис. 3.в, характер зависимости коэффициента усиления Ф. Э.У. для разработанных нами делителей меняется при замене биполярных транзисторов на составные, оставаясь стабильным во всем диапазоне измерений. Аналогичные результаты получаются с полевыми транзисторами BSS92. Дополнительным следствием стабильности коэффициента усиления при использовании полевых и составных транзисторов является линейная зависимость среднего анодного тока Ф. Э.У. от частоты импульсов подсвечивающего светодиода.
Необходимо отметить, что достигаемые при наших измерениях уровни засветки фотокатода и, соответственно, среднего анодного тока Ф. Э.У. XP2020 превышают рекомендуемые производителем предельные значения [10]. Так, при испытаниях стабильность усиления сохранялась до значения среднего анодного тока 1.5 мА, когда уже начинают оказывать влияние эффекты в самом Ф. Э.У.. импульсы тока, проходящие через транзисторы, давая возможность использовать транзисторы с меньшей мощностью рассеивания. При малых загрузках Ф. Э.У. их наличие не является обязательным.
Таким образом, хотя стабильность коэффициента усиления Ф. Э.У. в зависимости от загрузки можно, в той или иной степени, обеспечить различными способами, описанный транзисторный делитель, кроме хороших загрузочных характеристик, обеспечивает:
- малую потребляемую мощность (в 5-10 раз меньше резисторного делителя)(Рис.4), что особенно важно для систем, состоящих из большого числа Ф. Э.У., и случаев, когда отвод тепла затруднен;
- использование менее мощных высоковольтных, а следовательно более простых и надежных, источников питания;
- благодаря низкому уровню потребляемой мощности использование SMD технологии для производства делителей напряжения;
- подбор оптимального распределения потенциалов на электродах Ф. Э.У.;
На Рис.5 приведена фотография резисторного делителя с током 1.30 мА и маломощного транзисторного делителя. Делитель на составных транзисторах смонтирован на одной плате с использованием SMD технологии. Он может использоваться для любых типов Ф. Э.У. с числом динодов не более 13. Вторая плата является вспомогательной и служит для адаптации делителя к конкретному виду разводки выводов ФЭУ. При этом габариты делителя не выходят за пределы диаметра Ф. Э.У..
Заключение
В заключение авторы выражают признательность В. Г.Зинову за плодотворные дискуссии и постоянную поддержку. А также А. А.Попову за помощь в подготовке работы
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 04-02-17139)
Литература
[1] Г., И., ПТЭ, 1976, №3, 175.
[2] Zhag Cao, Zhegde H., Qun C., NIM, 1989, 281, 384.
[3] Ю., и др., ПТЭ,1973, №1, 81.
[4] Ю., Сообщение ОИЯИ 13-7859, Дубна, 1974.
[5] Ohmori C., Horikawa N., Iwata T., NIM, 1987, A256, 361.
[6] I. D’Antone, M. Lotti, M. Zanotti, NIM, A480, (2002), 555.
[7] А., С., ПТЭ, 1998, 1, 106-108.
[8] http://www. elexpro. ru.
[9] http://www. semiconductors. .
[10] http://www. dapnia. cea. fr/Test2Sphn/Tr/xp2020.pdf.
Подписи к рисункам
Рис. 1. Схемы высоковольтных делителей: 1) резисторный; маломощные транзисторные: 2) на биполярных транзисторах; 3) на полевых транзисторах; 4) на составных транзисторах.
Рис. 2. Схема проведения измерений.
Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления фотоумножителя и его среднего анодного тока в зависимости от засветки для различных типов делителей: 1) резисторный; 2) на биполярных транзисторах; 3) с использованием составных транзисторов. Кружками показан анодный ток Ф. Э.У., квадратами ‑ коэффициент усиления.
Рис. 5. Фотография резисторного и маломощного транзисторного делителей.
Основные порталы (построено редакторами)