Построение высоковольтных схем электропитания ФЭУ

Основные проблемы построения каналов измерения ионизирующих излучений на основе сцинтилляционных детекторов с ФЭУ в качестве фотоэлектрических преобразователей связаны со стабильностью их характеристик. Причины, вызывающие эту нестабильность многочисленны:

- деградация и изменение характеристик сцинтилляторов при колебаниях температуры;

- изменение коэффициента усиления ФЭУ при изменении температуры;

- нестабильность питающих напряжений;

- снижение чувствительности фотокатода под воздействием больших разовых доз излучения, и из-за эффекта накопления [15].

Одной из основных причин вариации коэффициента усиления ФЭУ является нестабильность напряжений на его динодах. Она во многом определяется схемой питания. Известны следующие схемы питания динодов ФЭУ:

- от высокоомного делителя напряжения;

- от цепи последовательно включённых стабилитронов;

- от активного делителя напряжения, состоящего из высокоомного резистивного делителя и повторителей на биполярных или полевых транзисторах;

- от последовательно включённых источников напряжения, представляющих собой ступени умножителя напряжения.

Рассмотрим достоинства и недостатки каждой из них.

Высокоомные делители напряжения – одно из наиболее распространённых решений. Схема этого варианта представлена на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 – Электропитание динодов ФЭУ от высокоомного делителя

Резисторы делителя выбирают так, чтобы ток делителя на порядок превышал суммарный ток динодов и анода. Нарушение этого требования может привести вариациям напряжения на динодах при изменении интенсивности счёта и, как следствие, к нестабильности коэффициента усиления и нелинейности световой характеристики ФЭУ.

При высокой амплитуде импульсов изменение падений напряжения на резисторах делителя из-за увеличения тока динодов всё же остаётся значительным. Снизить эту зависимость можно уменьшением сопротивления делителя. Однако это приводит к значительному росту потребляемой мощности от высоковольтного источника и росту температуры ФЭУ при расположении такого делителя вблизи цоколя ФЭУ (что широко применяется на практике). Частично проблема преодолевается за счёт уменьшения динамического сопротивления делителя шунтированием его резисторов конденсаторами. В нашем случае при многоканальной детекторной системе проблема роста температуры ФЭУ обостряется и может привести к существенному увеличению уровня шумов ФЭУ, изменениям коэффициента усиления и, даже, эффективности сцинтилляторов.

Применение схемы электропитания с использованием высоковольтных стабилитронов решает вопрос стабильности напряжения при существенном снижении потребляемого тока. Обычно достаточно 1,5-2-х кратного превышения тока стабилитронов по отношению к току последнего динода. Основная сложность при использовании такой схемы состоит в ограниченной номенклатуре высоковольтных стабилитронов, существенном разбросе напряжений стабилизации, а, главное, в ограниченных возможностях изменения напряжение на динодах с целью оптимизации режима работы ФЭУ.

Применение активных делителей напряжения – относительно хороший вариант питания динодов, т.к. возможно существенное снижение тока делителя (на 1-2 порядка), и, при этом, выходное сопротивление делителя напряжения оказывается малым за счёт низкого выходного сопротивления повторителей [15]. Схема устройства электропитания с активным делителем представлена на рисунке 5.19. Повторители напряжения построены на составных биполярных транзисторах, что позволяет на два порядка уменьшить ток делителя по сравнения с классическим решением, представленным на рисунке 5.18. Но достигается это применением резисторов делителя с номинальными значениями сопротивлений в десятки Мом, что затрудняет обеспечение высокой стабильности коэффициентов деления высокоомного делителя.

Рисунок 5.19 – Активный делитель на составных биполярных транзисторах,

V – базовое напряжение, коэффициенты показывают кратность напряжения

Причиной изменения коэффициентов деления являются токи утечки, связанные с загрязнениями и влиянием влаги. Кроме того, для данной схемы характерна повышенная чувствительность к броскам напряжения, приводящая к отказам делителя, а также выделение существенной мощности на транзисторах при больших импульсах тока ФЭУ.

Несколько улучшить ситуацию позволяют конденсаторы, шунтирующие последние эмиттерные повторители каскадов.

В последнее время для питания динодов ФЭУ всё большее распространение получает схема Кокрофта-Валтона, изображённая на рисунке 5.20 [16].

Рисунок 5.20 – Схема электропитания ФЭУ по схеме Кокрофта-Валтона

Диноды в этом случае питаются от ступеней умножителя напряжения. Эта схема до некоторой степени эквивалентна схеме с делителем напряжения, резисторы которого шунтированы конденсаторами, однако время восстановления напряжения после перегрузки оказывается очень малым из-за низкого выходного сопротивления каждой ступени умножителя. Схема потребляет минимальный ток, определяемый лишь токами утечки. Напряжения на ступенях умножителя слабо зависят от изменений токов утечки, а надёжность таких устройств существенно выше надёжности устройств с активными делителями, прежде всего, за счёт малой мощности рассеиваемой диодами умножителя при максимальных импульсах тока ФЭУ.

Недостатки этого способа питания состоят в невозможности тонкого управления режимами, т.к. напряжения всех динодов будут кратны напряжению одной ступени умножения. Поэтому при использовании таких схем питания к ФЭУ предъявляются более жёсткие требования по допустимому разбросу характеристик.

В некоторой степени преодолеть этот недостаток можно, используя комбинированную схему, в которой для подгонки напряжений используются резисторные делители (R11- R12 на рисунке 3.20). Дополнительным недостатком такого решения можно считать и невозможность использования готовых высоковольтных встраиваемых источников питания.

Организацию источников питания для детекторов с фотоэлектронным умножителем рассмотрим на примере блока детектирования альфа излучения с кристаллическим сцинтиллятором ZnS(Аg) и фотоэлектронным умножителем ФЭУ-148 (рисунок 2).

Особенность схемы питания ФЭУ практически исключает возможность размещения высоковольтного источника вне блока детектирования. Питание фотоэлектронного умножителя блока детектирования осуществляется по схеме Кокрофта-Валтона, т.е. динодные напряжения формируются ступенями умножения напряжения. Преимущество такого способа питания состоит в низком выходном сопротивлении ступеней динодного питания, что повышает его стабильность при высокой загрузке. Для улучшения условия сбора электронов с фотокатода напряжение между ним и фокусирующим электродом выбрано равным 80% от напряжения ступени умножения, а напряжение между фокусирующим электродом и первым динодом в 1,2 раза превышает его. Это перераспределение достигается введением резистивного делителя R11, R12, питающимся напряжением сразу двух последних ступеней умножения (VD2-VD6, C8, C9, C20, C21). Данное решение вполне оправдано, т.к. токи модулятора и первого динода чрезвычайно малы, поэтому даже при высокой загрузке модуляции напряжения на электродах практически не будет. Напряжение между последним динодом и анодом для данного фотоэлектронного умножителя должно быть уменьшено по сравнению с другими динодными напряжениями, что потребовало подключения первой ступени умножения к отводу вторичной обмотки трансформатора.

Высоковольтный умножитель питается от вторичной обмотки трансформаторного двухтактного преобразователя напряжения. Схема сравнения на операционном усилителе D1 сравнивает часть выходного напряжения (делитель R4, R14-R17) с опорным напряжением, величина которого регулируется резистором R2. Выходной сигнал регулирует постоянную составляющую напряжения на базах выходных транзисторов и тем самым величину тока преобразователя. Поскольку напряжение обратной связи снимается с 8-го динода, то именно оно и стабилизируется. Это способствует некоторой стабилизации коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя, за счёт частичной расфокусировкидинодного тракта умножения при возрастании напряжения питания ФЭУ, по отношению к номинальному напряжению, для которого и осуществлялась регулировка. Причиной подобной вариации высоковольтного напряжения является изменение загрузки фотоэлектронного умножителя. При возрастании загрузки обратная связь стремится сохранить напряжение на 8-ом диноде, в то время как ток динодов близких к катоду остаётся малым, и напряжение на соответствующих секциях умножителя возрастает. Не последнюю роль в этом играет форма коммутационных импульсов преобразователя с небольшим перерегулированием. Конденсатор С34 улучшает динамические характеристики цепи стабилизации напряжения. Резистор R13 создаёт небольшую нагрузку для умножителя, что улучшает динамические характеристики при малых загрузках ФЭУ (ускоряется процесс снижения высокого напряжения после резкого сброса загрузки).