Быстрый однокоординатный детектор гамма-квантов

Титов, Виталий Михайлович

Быстрый однокоординатный детектор гамма-квантов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Титов, Виталий Михайлович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Быстрый однокоординатный детектор гамма-квантов»

Автореферат диссертации на тему "Быстрый однокоординатный детектор гамма-квантов"

На правах рукописи

ТИТОВ Виталий Михайлович

БЫСТРЫЙ ОДНОКООРДИНАТНЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-КВАНТОВ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МАЙ 2014

НОВОСИБИРСК - 2014

005548919

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

АУЛЬЧЕНКО - доктор технических наук, профессор,

Владимир Михайлович Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ЗОЛОТУХИН - доктор технических наук, Федеральное

Юрий Николаевич государственное бюджетное учреждение науки

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск, главный научный сотрудник Лаборатории нечетких технологий. СЕРОВ - доктор технических наук, профессор,

Анатолий Фёдорович Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт теплофизики им С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск, главный научный сотрудник Лаборатории проблем энергосбережения. ВЕДУЩАЯ - Федеральное государственное бюджетное

ОРГАНИЗАЦИЯ образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Защита диссертации состоится « » __2014 г.

в « /¿3 ■' » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.01 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

Адрес: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан «У& » ¿¿-^уы^/Ц^_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук А.В. Бурдаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Рентгеноструктурный анализ уже давно и широко используется для исследования реакций в твердом теле. Большое число как научных исследований, так и прикладных задач, связанных с использованием рентгеновского излучения, основаны на регистрации координатного распределения интенсивности излучения, прошедшего через образец, параметры которого быстро меняются, например в результате химических реакций или в процессе сокращения живой мышцы. Вместе с тем, получение информации "in situ" о параметрах реакций осложняется несколькими причинами, среди которых:

• особенность химических реакций в твердом теле - высокие градиенты концентрации реагентов, давления и температуры, обуславливающие высокие скорости реакции и локализацию зоны реакции в размеры порядка нескольких микрон и менее;

• ограниченная номенклатура координатных детекторов, обладающих набором метрологических параметров, позволяющих получать информацию из областей микронных размеров за время в диапазоне 1 мкс - 1 сек.

Для таких экспериментов требуются одно- и двухкоординатные детекторы с большим динамическим диапазоном, с высоким координатным разрешением в широком диапазоне углов, высоким быстродействием и эффективностью регистрации. Детектор должен иметь высокую однородность шкалы (малую дифференциальную нелинейность), а также позволять работать как в стробоскопическом, так и в режиме динамической дифракции - режим «кино» с точной временной синхронизацией с исследуемым процессом. Кроме того, детектор должен иметь несколько модификаций - для экспериментов в режиме порошковой рентгеновской дифракции и в режиме малоуглового рентгеновского рассеяния.

Цель диссертационной работы

Целью данной работы является разработка быстрого, свободного от параллакса, обладающего высокой эффективностью регистрации, однокоординатного рентгеновского детектора для дифракционных экспериментов с использованием как рентгеновских трубок, так и синхротронного излучения (СИ). Для достижения поставленной цели необходимо:

• определить технические характеристики детектора, удовлетворяющего сформулированным выше требованиям, выбрать и обосновать способ построения многоканального однокоординатного детектора гамма-квантов с вычисляемым номером канала;

• создать на основе выбранного способа быстродействующий детектор, включая разработку аппаратных и программных средств, алгоритмов их оптимального взаимодействия, позволяющих получить требуемые параметры;

• разработать структуру удобного пользовательского интерфейса для управления параметрами детектора, процедурой калибровок и проведения экспериментов.

Личный вклад автора

Автор принимал самое активное участие в разработке как общей конструкции, так и большинства основных узлов детектора, где его вклад является определяющим. К ним относятся системы низковольтного и высоковольтного питания, аппаратные и программш.е средства системы калибровки детектора, контроль загрузок, аппаратный интерфейс взаимодействия с внешними устройствами.

При определяющем участии автора изготовлены 5 детекторов различных модификаций. Ими оснащены рабочие станции в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения (ИЯФ СО РАН, г. Новосибирск), в Курчатовском центре синхротронного излучения (КЦСИ, г. Москва), в Институте кристаллографии им. A.B. Шубникова (г. Москва). Автор принимал непосредственное участие в запуске детекторов на станциях.

Научная новизна работы

Впервые в детекторе с вычисляемым номером канала получена малая дифференциальная нелинейность шкалы в сочетании с высокой скоростью регистрации фотонов. Предложен и реализован модифицированный метод центра тяжести, позволяющий вычислять координаты событий по сигналам с трех катодных полосок с точностью, существенно лучшей их физических размеров. Разработана методика коррекции неоднородности координатного спектра (калибровка детектора).

Предложена структура координатного детектора гамма-квантов, позволившая объединить в компактной конструкции: беспарал-

лаксный газовый координатный сенсор, малошумящую электронику считывания сигналов с катодных полосок сенсора, электронику аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов, источники вторичного низковольтного и высоковольтного питания, электронику контроля и управления.

Научная и практическая значимость работы

В результате проделанной работы создана эффективная и технологичная конструкция детектора, позволившая тиражировать его силами экспериментального производства Института. К настоящему времени изготовлено 5 экземпляров детектора различных модификаций.

Созданный детектор имеет ряд высоких параметров, сочетание которых в одном приборе делает его уникальным: пространственное разрешение около 104 мкм при полной апертуре >200 мм, скорость регистрации квантов до 107 событий/сек, однородность шкалы (дифференциальная нелинейность) -0,2%, эффективность регистрации > 50%, быстрое «кино» с длительностью кадра от 1 мксек до 1 часа.

Детекторы на протяжении ряда лет используются в качестве основного инструмента на станциях Сибирского центра синхро-тронного и терагерцового излучения, а также в других научных, организациях страны для экспериментов с использованием рентгено-структурного анализа в различных исследованиях. Например, исследования изменений структуры и фазового состава материалов при изменении температуры, исследования процессов синтеза новых функциональных материалов, получение данных о составе и кинетике образования фаз при изучении химических твердофазных реакций. Хорошие результаты получены в экспериментах по исследованию сокращения живой мышцы с длительностью кадров «кино» 10 мсек.

Основные положения, выносимые на защиту

• конструкция однокоординатного детектора с вычисляемым каналом на основе газового координатного сенсора с полосковой катодной структурой;

• метод, алгоритм и аппаратные средства определения точки конверсии рентгеновских квантов (координаты) по сигналам с ограниченного числа первичных источников (полосок) с точностью существенно лучшей их физических размеров;

• аппаратные и программные средства организации дифракционного «кино» с возможностью управления запуском и дли-

тельностью кадров как программно, так и с помощью внешних сигналов;

• структура и схемные решения быстродействующей электроники с низким уровнем шума для предварительного усиления и формирования сигналов с катодных полосок газового координатного сенсора.

Апробация работы

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях и рабочих совещаниях:

4th International Conference on Synchrotron Radiation Sources and 2nd Asian Forum on Synchrotron Radiation (ICSRS - AFSR'95, Kyongji, Korea), 11th National Synchrotron Radiation Conference (SR-96, Новосибирск, Россия), 4th International Conference on Position-Sensitive Detectors (PSD4, Manchester, UK, 1996), 6th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI'97, Himeji, Japan), Satellite meeting of SRI '97 on Crystallographic Application of SR (Tsukuba, Japan, 1997), 5th European Powder Diffraction Conference (EPDIC-5, Parma, Italy, 1997), 6th European Powder Diffraction Conference (EPDIC 6, Budapest, Hungary, 1998), 2-я Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов (РСНЭ-99, Москва), 15th International Synchrotron Radiation Conference (SR 2004, Новосибирск, Россия), 5-я Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования наноматериалов и наноносистем (РСНЭ НАНО-

2005, Москва), 16th International Synchrotron Radiation Conference (SR

2006, Новосибирск, Россия), 9th International Symposium on the Detector Development for Particle, Astroparticle and Synchrotron Radiations Experiments (SNIC 2006, Menlo Park, California, USA), 6-я Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов (РСНЭ 2007, Москва), 17th International Synchrotron Radiation Conference (SR 2008, Новосибирск, Россия), 1st International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics (TIPP 09, Tsukuba, Japan, 2009).

Материалы, вошедшие в диссертацию, также опубликованы в российских и зарубежных журналах, список приведен в перечне опубликованных автором работ.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и пяти приложений. Материал работы изложен на 81 странице, включает 44 рисунка и список литературы из 30 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткий обзор основных методик и областей использования рентгеновского излучения.. Отмечается, что большое число научных исследований, связанных с использованием рентгеновского излучения, основаны на регистрации координатного распределения интенсивности излучения, прошедшего через образец, параметры которого быстро меняются в ходе измерений. В связи с этим подчёркивается важность и необходимость создания соответствующих координатных детекторов.

В первой главе диссертации формулируются требования к основным параметрам однокоординатного рентгеновского детектора: разрешение не хуже 150 мкм при полной апертуре не менее 200 мм, скорость регистрации до 107 событий/сек при эффективности >50% для квантов с энергией 8-10 кэВ, режим «кино» с минимальной длительностью кадра 1 мксек.

Далее делается краткий обзор существующих детекторов и приводятся аргументы в пользу использования в детекторе в качестве координатного сенсора модификации газовых пропорциональных камер, широко применяемых в физике высоких энергий. Затем обосновывается применение принципа «вычисляемого канала», позволяющего минимизировать количество исходных, «физических» каналов. Для определения координаты кванта (номера канала) по этому принципу используются разные методы; в нашем случае обосновывается выбор в пользу метода центра тяжести. В этом случае один из катодов камеры выполняется в виде отдельных полосок, и координата кванта вычисляется по соотношению величин сигналов на полосках.

Во второй главе даётся описание общей конструкции однокоординатного детектора гамма-квантов ОД-ЗМ, а также отдельных его узлов, основным из которых является регистрирующий блок. Регистрирующий блок, в свою очередь, состоит из координатного сенсора, представляющего собой пропорциональную проволочную камеру с катодным съемом информации, дополненную

конверсионным объёмом, и регистрирующей электроники. Конструктивно регистрирующий блок (рисунок 1) разделён на три соединенных между собой отсека - собственно координатный сенсор

Рисунок 1. Схема расположения основных элементов регистрирующего блока ОД-ЗМ.

Далее в главе даётся краткое описание физических принципов работы детектора, образования, съёма, формирования сигналов, а также способа определения координаты.

Пучок фотонов, попадая в камеру, взаимодействует с атомами газа, в нашем случае смесь 90%Аг+ 10%С02. В результате взаимодействия фотона с атомом аргона возможно образование фотоэлектрона и фотона (с вероятностью ~ 13 %), либо фотоэлектрона и Оже-электрона с суммарной энергией, близкой к исходной энергии фотона. Энергия образовавшихся электронов идет на ионизацию окружающих атомов газа. Электроны первичной ионизации дрейфуют по линиям электрического поля к анодным проволочкам.

В непосредственной близости от анодных проволочек в области высокого градиента электрического поля происходит каскадное размножение числа носителей - газовое усиление (К ~ 5104).

Ионы вторичной ионизации, отходя от анодных проволочек, наводят заряд на окружающих электродах, в том числе и на нижнем катоде, выполненном в виде полосок на керамической подложке. На

рисунке 2 это распределение заряда показано в координатах Х~У. Там же условно изображены полоски катодной плоскости. Координата X точки конверсии (поперёк полосок) определяется путём вычисления центра тяжести интегралов зарядов на полосках.

Рисунок 2. Распределение индуцированного заряда на катодной плоскости.

Третья глава состоит из нескольких разделов, в которых рассматриваются такие ключевые моменты, как выбор алгоритма вычисления координат квантов, определение минимально необходимой разрядности АЦП и способ аппаратной реализация алгоритма.

Для вычисления координаты точки конверсии фотона в детекторе используется метод, названный автором «модифицированный метод центра тяжести». В отличие от классического метода здесь используются сигналы только части катодных полосок, чему способствуют две особенности распределения поверхностной плотности индуцированного заряда а(х,у) (рисунок 2):

• для каждого события распределение Аа имеет явно выраженный максимум, что позволяет легко определить центральную полоску, над которой располагается точка конверсии;

• при заданной геометрии электродов и межэлектродных зазорах имеется однозначное соотношение между сигналами на центральной и боковых полосках, зависящее лишь от положения точки конверсии над центральной полоской.

В результате сравнения возможных вариантов вычисления координат квантов делается вывод о том, что оптимальным,

подавляющим как разброс величины заряда в камере, так и смещение базовой линии в усилительных каналах, является вычисление отношения разностей амплитуд сигналов на центральной (Ас) и соседних с ней слева (А/) и справа (Аг) полосках катодной структуры камеры:

(А — 4 V В'= С * 1/{Ас-АтуеслиА> >А'->

(А — А ) /

и В2= к с ' Ддс _ ¿4,) > если Аг >А,.

Зависимость значений функций В/ и от положения точки

Рисунок 3. Функции Bi и В2 для вычисления координаты кванта в пределах одной полоски.

Точность определения координаты прямо зависит от точности вычисления Bj и В2 , которая, в свою очередь, зависит от точности цифрового представления амплитуд сигналов, определяемой разрядностью АЦП. В связи с этим определение минимально необходимой разрядности АЦП является принципиально важным.

Оценки показали, что с учётом требуемого разрешения и амплитудного разброса сигналов разрядность АЦП должна быть не менее 12-ти. i

Блок-схема аппаратной реализации алгоритма вычисления координаты представлена на рисунке 4. Координата фотона вычисляется в три этапа с помощью арифметического устройства (ALU) и двух таблиц перекодировки, записанных соответственно в RAMI и RAM2. Входной информацией для ALU являются 12-ти разрядные значения амплитуд сигналов с полосок AN_b AN, An+i-

Содержимое таблиц перекодировки определяется в процессе специальных процедур калибровки и служит для минимизации интегральной и дифференциальной нелинейностей шкалы детектора.

A(N-1) 12 A(N) 12 ALU 17 RAM 1 128K x 12bit 12 RAM2 256K x 12bit 12 MUX 18 I RAM 256K x 32bit

A(N+1) 12 r- r-

Strip Number (N) 6

Frame Number (F) 9 - .......... ——........... ......

Рисунок 4. Блок-схема обработки данных в OD-3M. ram 1 _addr = [(A;V - An-i)h(An - AN+;)] *216 , если An_i> An+j\

raml_addr = [1 + (AN+] - An.j)/(Ah-Aff-i)]*2l , если An+1 >An-i.

В четвёртой главе рассматриваются вопросы, связанные с влиянием шумов электронного тракта обработки сигналов на координатное разрешение детектора. В данном случае речь идёт о так называемом аппаратном разрешении, без учё та влияния камеры.

Сделанные оценки показывают, что для достижения аппаратного разрешения лучше одного канала шкалы детектора (-75 мкм) необходимо иметь отношение сигнал/шум не менее 440. Величина сигнала с полоски, в свою очередь, зависит от произведения нескольких параметров (таблица 1).

Так, для квантов с энергией 8 кэВ заряд первичной ионизации составляет ~ 400 электрон-ионных пар. При коэффициенте газового усиления Кус.~5*104 сигнал на полоске составит ~4.6*105е~. Такая величина Кус позволяет работать при умеренных значениях напряжения на аноде (+2700 2800 В), избегая опасности возникновения «короны» или пробоев.

Таблица 1

Чо К * 0,1 * 0,227

Заряд первичной Коэффициент За время Доля заряда на

ионизации, определяется газового ~ 100 нс полоске, если

как энергия кванта, усиления собирается лавина

поделенная на энергию камеры. ~ 0,1 от располагается

ионизации. Для смеси полного над ее

90%Аг + Ю%С02 она наводимого середшюи.

составляет ~20эВ. заряда.

Таким образом, величина шума (RMS) электронного тракта должна быть на уровне 103 электронов. Само по себе получение такого уровня шумов не представляет технических трудностей. Задача несколько

осложняется тем, что для обеспечения высокого быстродействия детектора требуются достаточно короткие времена формирования сигналов.

В последней части четвёртой главы приводится блок-схема аналоговой части канала обработки сигналов, удовлетворяющая требованиям по отношению сигнал/шум и быстродействию (рисунок 5).

Рисунок 5. Структура аналоговой части.

Используется многоступенчатая схема, дающая на выходе сигнал гауссовой формы с длительностью по основанию ~ 200 не при уровне шума RMS ~ 800 электронов.

Для измерения аппаратного координатного разрешения детектора на входы трёх соседних каналов через специальный пробник подавался сигнал, имитирующий реальный сигнал с триады полосок (центральной и двух боковых). Амплитуда тестового сигнала соответствовала сигналам от изотопа Fe"5 и равнялась -3*103 электронов на центральной полоске. Вклад электроники в координатное разрешение аэЛеКтроншси ~0.5 канала.

В пятой главе описываются процедуры выделения и отбора событий и калибровки детектора. Под событием понимается возникновение в сигнале на какой-либо полоске N максимума по времени и координате. Несколько упрощенно это можно записать как:

At.i < А, > А,т/ (максимум по времени), AN-i < Ад,- > An+i (максимум по координате).

Для того чтобы обнаруженное событие было обработано и занесено в инкрементную память, необходимо решение триггера. Задачей триггера является отбраковка событий, перекрывающихся друг с другом по времени или/и координате, по определённым критериям, включающим временные, координатные и амплитудные параметры. Только для отфильтрованных таким образом событий

вычисляются их координаты и заносятся в соответствующую гистограмму в инкрементной памяти.

Калибровка детектора является процедурой, необходимой для достижения минимальных величин интегральной и дифференциальной нелинейностей шкалы детектора, и заключается в построении таблиц RAMI и RAM2, с помощью которых сначала линеаризуется шкала в пределах одной (любой) полоски (RAM 1), а затем - в пределах всей шкалы детектора (RAM 2).

Для получения данных, необходимых для вычисления таблиц, используется засветка детектора от источника с гладким, желательно равномерным, координатным распределением квантов.

В шестой главе описываются процедуры и приводятся результаты измерения физического (полного) координатного разрешения, интегральной и дифференциальной нелинейностей детектора при облучении пучком СИ и изотопом Fe55. На гистограмме (рисунок 6) одно деление по оси X соответствует Рисунок 6. Гисхограмма пучка

одному каналу. При облучении СИ размером о < 50 мкм. детектора пучком СИ с

а < 50 мкм получено координатное разрешение о ~ 104 мкм.

Для оценки величины интегральной нелинейности использовалась гистограмма от корунда (А1203) с табулированными значениями углов рассеяния. По двум крайним пикам строится прямая преобразования каналов детектора в углы. Максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от прямой линии составляет ~ 2 канала, что соответствует интегральной нелинейности <TilNL менее 0,1% на всей шкале детектора.

Измерение дифференциальной нелинейности с точностью лучше 1% требует набора статистики более 104 событий в каждом канале или, по крайней мере, в каналах на участке шкалы, для которого проводится измерение нелинейности. Калибровка должна быть сделана с ещё большей статистикой. Для этого измерения использовался фрагмент спектра от изотопа со статистикой в максимуме ~5,8*104 событий/канал, что теоретически соответствует статистической точности 0,4%. Дифференциальная нелинейность

определялась как нормированное среднеквадратичное отклонение содержимого каналов гистограммы от фитирующей кривой, найденной методом скользящего усреднения. Полная ширина на полувысоте (FWHM) распределения составляет -0,0115 (1,15%), что соответствует а ~ 0,45%. С учётом вклада статистической точности измерения 0.4%, дифференциальная нелинейность детектора Odnl не превышает 0,2%.

В заключении перечислены основные результаты работы.

Приложения содержат описания узлов вспомогательной электроники, системы питания, принципиальную схему аналогового тракта, описание работы триггера и интерфейса пользовательской программы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана конструкция детектора с использованием в качестве сенсора пропорциональной газовой камеры, соторая позволила построить прибор с требуемыми параметрами, используя имеющиеся технологические возможности собственного производства ИЯФ.

2. Разработан алгоритм определения координат гамма-квантов с помощью модифицированного метода центра тяжести. Обоснована необходимая разрядность АЦП и шумовые параметры аналогового тракта исходя из требуемого координатного разрешения.

3. Разработана аппаратная реализация алгоритма вычисления координаты фотона в три этапа с помощью арифметического устройства (ALU) и двух таблиц перекодировки, записанных соответственно в RAMI и RAM2. Разработан способ получения таблиц перекодировки RAMI и RAM2 (калибровка детектора).

4. Предложен способ реализации режима дифракционного «кино», позволяющий регистрировать до 64 кадров с максимальным разрешением и возможностью увеличения числа кадров до 512 за счет уменьшения разрешения детектора. Длительность каждого кадра «кино» можно задавать индивидуально в диапазоне от 1 мксек до 1 часа.

5. Разработана электроника детектора, включающая в себя многоступенчатый усилитель-формирователь, систему обработки данных, двухканальный источник высоковольтного питания, систему контроля рабочих параметров детектора и систему питания.

6. Написаны управляющие программы (firmware) для ПЛИС ALTERA, реализующие алгоритмы работы детектора, обеспечивающие взаимодействие всех узлов электроники детектора и связь с внешним компьютером.

7. Написана управляющая программа, дающая пользователю возможность настройки детектора, контроля его параметров, подготовки и проведения эксперимента. Составлена пользовательская документация.

8. Измерены все основные характеристики детектора. При полном числе каналов 3328, разрешение, определяемое шумами электроники, составило Оэлеюроники ~ 0,5 канала детектора. Физическое (полное) координатное разрешение, измеренное на узком (50 мкм) пучке СИ с энергией 8 кэВ, составило (У~1,5 канала детектора, что с учетом геометрии катодной структуры соответствует примерно 104 мкм. Для различных задач были изготовлены детекторы с фокусным расстоянием 350 мм, 700 мм, 1000 мм и 1500 мм. Интегральная нелинейность составляет <0.1% на всей шкале детектора, дифференциальная - около 0.2%. Скорость счета - 10 событий/сек, эффективность регистрации квантов с энергией 5 10 кэВ — > 50%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V.M. Aulchenko, S.E Ваш, M.S. Dubrovin, ..., V.M. Titov, et.al. The OD-3 fast one-coordinate X-ray detector. // Nucl. Instrum. and Methods. -1995. - V.A 367. - P.79-82.

2. S.E. Barn, V.M. Aulchenko, E.A. Babichev, ..., V.M. Titov, et.al. X-ray detectors based on multiwire proportional chambers. // Nucl. Instrum. and Methods. -1997. - V.A392. - P.12-17.

3. V.M. Aulchenko, S.E. Baru, M.S. Dubrovin, ..., V.M. Titov, et.al. One- and Two-Coordinate Detectors in BINP. // Journal of Synchrotron Radiation. - 1998. - V.5. - P.263-267.

4. V.M. Aulchenko, M.A. Bukin, Yu.S. Velikzhanin, ..., V.M. Titov, et.al. Fast, parallax-free, one-coordinate X-ray detector OD3. // Nucl. Instrum. and Methods. - 1998. - V.A405. - P.269-273.

5. V.M. Aulchenko, M.A. Bukin, I.V. Gaponenko, V.M. Titov, B.P. Tolochko. The data acquisition and on-line visualisation system for the OD-3 fast one-coordinate X-ray detector. // Nucl. Instrum. and Methods. -1998. -V.A405. - P.282-285.

6. V.M. Aulchenko, A.V. Bessergenev, O.V. Evdokov, ..., V.M. Titov, et.al. The station for time-resolved investigation in wide and small angles of diffraction. // Nucl.Instrum. and Methods. - 1998.-V.A405. -P.487-493.

7. V.M. Aulchenko, A.E. Bondar, V.P. Nagaslaev, A.A. Tatarinov, V.M. Titov. Study of CAMEX chips for microstrip gas chamber readout in short cycles. // Nucl. Instrum. and Methods. - 1996. - V.A376. -P.225-228.

8. V.M. Aulchenko, S.E. Baru, L.I. Shekhtman, V.M. Titov, B.P. Tolochko. New One and Two-Coordinate Detectors // Materials Science Forum. - 2000. - V. 21-324. - P.320-325.

9. V.M. Aulchenko, M.A. Bukin, A.A. Vazina, ..., V.M. Titov, et.al. Current status of the studies of biological objects by the time-resolved X-ray diffraction technique. // Nucl. Instrum. and Methods. - 2005. -V.A543. - P.143-147.

Ю.Корнеев B.H., Сергиенко П.М., Шлектарев B.A., ..., Титов В.М., и др. Станция "DICSF' на КЦСИИНТ. Определение оптимальных условий формирования пучка СИ на базе цилиндрических рентгенооптических трансфокаторов. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2007. -№2. - С.57-63.

11.V.M. Aulchenko, P.A. Papushev, M.R. Sharafutdinov, ..., V.M. Titov, et.al. Progress with one-coordinate detector for WAXS. // Nucl. Instrum. and Methods. -2009. - V. A603. - P.69-72.

12.V.M. Aulchenko, O.V. Evdokov, V.D. Kutovenko, ..., V.M. Titov, et.al. One-coordinate X-ray detector OD-3M. // Nucl. Instrum. and Methods. - 2009. - V.A603. - P.76-79.

13.0.V. Evdokov, V.M. Titov, B.P. Tolochko, et.al. In situ time-resolved diffractometry at SSTRC. // Nucl. Instrum. and Methods. - 2009, -V.A603. -P.194-195. 14.V.M. Aulchenko, S.E. Baru, O.V. Evdokov , ..., V.M. Titov, et.al. Fast high resolution gaseous detectors for diffraction experiments and imaging at synchrotron radiation beam. // Nucl. Instrum. and Methods. - 2010. - V.A623. - P.600-602.

ТИТОВ Виталий Михайлович

БЫСТРЫЙ ОДНОКООРДИНАТНЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-КВАНТОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 12.03.2014 г. Подписано в печать 14.03. 2014 г. Формат 60x90 1/16. Объем 1.1 печл., 0.9 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 4_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Титов, Виталий Михайлович, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМ. Г.И. БУДКЕРА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ

НАУК

0^201 ¿ЕОч ее г г

г 1 и з На правах рукописи

ТИТОВ ВИТАЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

БЫСТРЫЙ ОДНОКООРДИНАТНЫЙ ДЕТЕКТОР

ГАММА-КВАНТОВ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Аульченко Владимир Михайлович доктор технических наук, профессор

Новосибирск - 2014

Оглавление

Введение ........................................................................... 4

Глава1. Постановка задачи ................................................ 7

Глава 2. Детектор ОД-ЗМ - общее описание........................14

2.1. Состав детектора ............................................................ 14

2.2. Физические принципы работы детектора ОД-ЗМ.....................18

Глава 3. Вычисление координат..........................................22

3.1. Выбор алгоритма ............................................................24

3.2. Разрядность АЦП............................................................30

3.3. Аппаратная реализация алгоритма.......................................31

Глава 4. Электроника аналого-цифровой обработки сигналов....................................................................................34

4.1. Шумовые параметры электронного тракта..............................34

4.2. Аналоговая часть электронного канала.................................36

4.3. Аналого-цифровой преобразователь ....................................38

Глава 5. Отбор событий (триггер) и калибровка детектора................................................................................. 40

5.1. Выделение и фильтрация (отбор) событий........................... 40

5.2. Калибровка детектора...................................................... 41

5.2.1. Таблица RAMI.......................................................... 41

5.2.2. Таблица RAM2.......................................................... 43

Глава 6. Координатное разрешение, интегральная и

дифференциальная нелинейности.............................................48

6.1. Физическое (полное) разрешение детектора...........................48

6.2. Интегральная нелинейность................................................50

6.3. Дифференциальная нелинейность....................................... 52

6.4. Примеры использования детектора ОД-ЗМ........................... 56

Заключение........................................................................58

Литература.........................................................................62

Приложение 1. Регистрирующая электроника детектора ОД-ЗМ..................................................................... 65

Приложение 2. Система питания детектора ОД-ЗМ............ 69

Приложение 3.. Схема усилителя - формирователя............ 71

Приложение 4. Триггер...................................................... 72

Приложение 5. Интерфейс пользователя........................... 76

В настоящей диссертации представлен результат работы автора по созданию координатного детектора рентгеновских квантов с уникальным набором параметров.

Открытые К.Рентгеном в 1895 году лучи, получившие название рентгеновских, быстро, даже по современным меркам, приобрели широкую известность, и уже через год было опубликовано свыше 1000 работ по исследованию и применению рентгеновских лучей.

Способность этих лучей проникать через оптически непрозрачное вещество и ряд других уникальных свойств позволили за исторически короткий срок развить целый ряд новых методов исследования материи [1, стр. 9]:

• проекционная рентгенография - используется зависимость степени ослабления интенсивности рентгеновских лучей от вида вещества;

• рентгеновская спектроскопия - анализируется вторичное излучение, возникающее под воздействием падающих на вещество рентгеновских лучей (мягкая компонента была названа характеристическим излучением, Ч.Баркла, 1906 г.);

• рентгеноструктурный анализ — основан на зависимости между углом дифракции, длиной волны рентгеновского излучения и расстоянием между соседними параллельными атомными плоскостями в атомной решётке кристаллов (У.Л.Брэгг и независимо от него Г.В.Вульф, 1913г.);

• рентгеноспектральный анализ — используется зависимость частоты спектральных линий от порядкового номера излучающего элемента в периодической таблице Менделеева (закон Мозли, 1913г.).

Вместе с тем, получение информации "in situ" о параметрах реакций осложняется несколькими причинами, среди которых:

• особенность химических реакций в твердом теле — высокие градиенты концентрации реагентов, давления и температуры, обуславливающие высокие скорости реакции и локализацию зоны реакции в размеры порядка несколько микрон и менее;

• ограниченная номенклатура координатных детекторов, обладающих набором метрологических параметров, позволяющим получать информацию из областей микронных размеров за время в диапазоне 1 мкс — 1 сек.

Для таких экспериментов требуются одно- и двухкоординатных детекторы с большим динамическим диапазоном, с высоким координатным разрешением в широком диапазоне углов, быстродействием и эффективностью регистрации.

В принципе, двухкоординатные детекторы, позволяют получать более детальную информацию, чем однокоординатные. Вместе с тем, существует большой круг задач, в которых координатное распределение излучения, прошедшего через образец, обладает аксиальной симметрией. В этом случае без какого-либо ущерба для качества получаемой информации можно обойтись однокоординатными детекторами, которые конструктивно, как

правило, проще двухкоординатных, но позволяют достичь высокого координатного разрешения и быстродействия за счёт использования таких алгоритмов определения координат регистрируемых рентгеновских квантов, которые практически невозможно реализовать в двухкоординатных детекторах.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи - разработке быстрого, свободного от параллакса, обладающего высокой эффективностью регистрации, однокоординатного рентгеновского детектора для дифракционных экспериментов с использованием как рентгеновских трубок, так и синхротронного излучения (СИ).

На защиту выносятся следующие положения:

• аппаратные и программные средства организации дифракционного КИНО с возможностью управления запуском и длительностью кадров как программно, так и с помощью внешних сигналов;

• структура и схемные решения быстродействующей электроники с низким уровнем шумов для предварительного усиления и формирования сигналов с катодных полосок газового координатного сенсора.

Глава!. Постановка задачи

Разработка и производство однокоординатных детекторов рентгеновского излучения на основе проволочных пропорциональных камер ведётся в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера с 1975 года [4, 5]. В детекторе ОД-2 [6] использовалась камера со съёмом информации с помощью линии задержки. Детекторы этого типа использовались в научных центрах в Новосибирске, Москве, Пущино для экспериментов по рентгеноструктурному анализу.

Выбор проволочных пропорциональных камер в качестве координатных датчиков для рентгеновских детекторов тогда был обусловлен несколькими основными факторами:

• ИЯФ к тому времени располагал богатым опытом разработки и изготовления больших координатных систем на камерах такого типа для экспериментов по основной тематике института — физике высоких энергий. Имелась вся необходимая инфраструктура для их разработки и производства.

• Изготовление таких камер достаточно технологично и относительно недорого. В то же время, при правильном выборе способа съёма сигналов, они обеспечивают требуемое в рентгеноструктурных экспериментах координатное разрешение и быстродействие.

• Пропорциональные камеры, заполненные типичной газовой смесью 90%Ar+10%C02j имеют очень высокую радиационную стойкость, что очень важно при работе на пучках СИ.

Время же координатных сенсоров на основе MSGC (Micro-Strip Gas Chamber) [7] и кремниевых микрополосковых структур [8, стр. 1], равно как и специализированных многоканальных интегральных микросхем для работы с ними, тогда ещё не настало.

Этим, в частности, объясняется то, что большинство многоканальных координатных детекторов с достаточно высоким разрешением (~ 150 200 мкм) и большой апертурой строились по принципу «вычисляемого канала», позволяющему минимизировать количество исходных, «физических» каналов. Для вычисления номера канала (координаты кванта) в таких детекторах использовались разные методы, наибольшее распространение из которых получили временной метод и метод центра тяжести:

• в первом случае координата вычисляется по времени распространения сигнала по линии задержки, являющейся одним из катодов камеры, как, например, в ОД-2 или в применявшихся в ОИЯИ (г. Дубна) разработках Ю.В. Заневского [9, 10];

• во втором — электрод одного из катодов камеры выполняется в виде электрически разделённых сегментов (полосок). Координата кванта определяется как положение центра тяжести наведённых на полоски зарядов [11].

Оба метода имеют свои достоинства и недостатки, а также ограничения по возможностям развития.

В детекторах с линией задержки основным конструктивным элементом, определяющим метрологические параметры детектора, является линия задержки (JI.3.) открытого типа, однородность погонной задержки которой напрямую определяет однородность шкалы детектора. Изготовление JI.3. с высокой однородностью является довольно сложной технологической задачей.

К достоинствам такого типа детекторов можно отнести сравнительно небольшой объём электроники, связанный с преобразованием At -»Ах. Правда, эта электроника должна иметь высокое временное разрешение.

Существует простая связь между апертурой (D) детектора, координатным разрешением (Д х), временным разрешением (At) электроники и полным временем задержки J1.3. (Т):

At-D

Г= (1.1)

Основное условие корректного определения координаты состоит в том, чтобы в течение времени распространения по J1.3. сигналов от одного события не появлялись сигналы от других событий. При нарушении этого условия такие события бракуются.

В соответствии с распределением Пуассона для временных интервалов, вероятность того что при скорости потока событий Rate за время Г не произойдет ни одного события равна R = e ~Rate Т [12, стр.106]. Тогда при 50% отбраковки (просчетов) скорость регистрации событий составляет:

-In (0.5) 0.7 Rate0,s= -(1.2)

Например: для D = 100 мм, Ад: = 0.1 мм и At = 1 не, в соответствии с (1.1) требуется линия задержки на Т= 1 мкс. В соответствии с (1.2) скорость регистрации составит Rate0<5 = 7*105 событий/сек. Следует учесть, что сигналы с JI.3. после усиления и формировки имеют длительность, заметную по сравнению с полученным значением полного времени задержки JI.3. (1 мкс). В результате, на практике реальная скорость регистрации получится Rate0>s — (0.3-Ю.4)*105 событий/сек. Примерно такие характеристики имел детектор ОД-2.

И если разрешение -100 мкм для большинства рентгеноструктурных экспериментов вполне приемлемо, то быстродействия в несколько сотен килогерц, особенно для исследования реакций в режиме "in situ", явно недостаточно. Желательно было также увеличить апертуру детектора и эффективность регистрации, избежав при этом появление параллакса.

На основании анализа потребностей планируемых экспериментов и накопленного на тот момент опыта, в начале 90-х годов были сформулированы основные требования к будущему детектору:

• апертура, мм не менее 200;

• или в градусах (в разных модификациях) от ±4.5 до ±15;

• разрешение, мкм 150;

• или в угловых секундах от 20 до 80;

• эффективность регистрации квантов с энергией 8-К0 кэВ >50 %;

• скорость регистрации (при 50% просчётов) 107 —

• минимальная длительность кадра КИНО 1 мксек.

К тому времени уже появились упоминавшиеся выше координатные сенсоры на основе МЗвС и кремниевых микрополосковых структур, с помощью которых можно было обеспечить требуемые параметры детектора за счет использования малого шага регистрирующей структуры и прямого счета событий.

Так, построенный для канала БЦВВЬЕ синхротрона ЕЗЮ7 (Гренобль, Франция) прототип детектора на основе МЗЮС с шагом структуры 200 мкм, показал скорость регистрации 100 кГц на канал при эффективности ~ 95% [13]. В окончательном варианте [14] предельная скорость регистрации составила ~ 450 кГц на канал детектора при максимальной эффективности — 38%, что связано с конструктивными особенностями. Были использованы МБвС с веерной структурой с шагом 400 мкм и общим числом исходных каналов 1024, число выходных каналов удваивается за счет применения логики совпадений. В качестве усилителя-формирователя использованы специализированные микросхемы РгезИаре32 [15], оптимизированные для работы с МБвС.

Следует отметить, что детекторы этого типа были анонсированы в 1988 году и на момент начала нашей разработки еще не были распространены, продолжались исследования на предмет улучшения метрологических характеристик и радиационной стойкости. Совсем иная ситуация была с кремниевыми полосковыми детекторами, идея которых была предложена в 1980 году и к началу 90-х уже получивших широкое распространение. В частности, они использовались в вершинных детекторах, где требовались большая скорость счета, высокое разрешение и радиационная стойкость [16]. Принципиально большая плотность рабочего вещества по сравнению с газом, определяет малый размер кластера первичной ионизации и малый коэффициент диффузии, что, в итоге, дает высокое пространственное разрешение, практически ограниченное только шагом регистрирующей структуры (на 1992 год предельное значение 20 мкм [8, стр. 24]). Этот же фактор позволяет обеспечить 100% эффективность регистрации фотонов в интересующем нас диапазоне энергий. Высокая подвижность носителей обеспечивает быстрое (порядка 10 нсек) собирание образовавшегося заряда, поэтому скорость регистрации определяется только возможностями электроники. Для работы с полосковыми детекторами создавались специализированные микросхемы с шагом считывания 50— 100 мкм. Преимущественно они предназначались для работы с микрополосковыми детекторами на накопителях, то есть с прогнозируемым временем прихода события. Поэтому, помимо зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ), в них имелся узел, обеспечивающий запоминание аналоговой информации «до и после события», а информация считывалась последовательно, что позволяло сократить объем электроники. Особый интерес представляет уже упомянутый РгезЬаре32, в котором к ЗЧУ добавлен ЯС-СЯ формирователь с постоянной времени 45 нсек. При этом каждый канал имеет индивидуальный выход, что означает возможность регистрации событий без привязки к внешнему запуску.

В рамках коллабораций с Европейским центром ядерных исследований (ЦЕРН), в ИЯФ СО РАН проводились исследования, связанные с применением обоих типов детекторов, в том числе и со специализированной электроникой для них [17]. Был накоплен определенный опыт работы с этими устройствами, и только неопределенность с радиационной стойкостью специализированных микросхем и самих детекторов, а также финансовые соображения, привели к тому, что для создания нового детектора было принято решение использовать пропорциональную проволочную газовую камеру.

Достижение требуемых параметров в конструкции с линией задержки требует временного разрешения аппаратуры существенно лучше 0.1 не (см. 1.1 и 1.2) или/и использования нескольких линий задержки и, соответственно, нескольких время-цифровых преобразователей, что сопряжено с очень большими техническими сложностями.

В то же время, собственные характеристики газовых сенсоров позволяют обеспечить требуемые характеристики детектора в целом при использовании адекватных методов съёма и обработки информации. Упоминавшийся выше метод «центра тяжести» (точнее - его модификация) представляется перспективным по следующим причинам:

• метод подразумевает изготовление одного из катодов камеры в виде сегментов (плосок), что технологически несложно, так как можно использовать технологии, применяемые при изготовлении печатных плат;

• размеры и геометрию полосок легко согласовать с другими межэлектродными размерами в камере;

• электроника обработки сигналов с полосок, используемых для вычисления координат квантов, не требует применения специальных микросхем и вполне может быть исполнена н