Детекторная система ЭКТ

На резисторную матрицу через разделительные конденсаторы поступают положительные импульсы от предварительных усилителей ФЭУ. Эти импульсы заряжают конденсаторы, и на них

Детекторная система ЭКТ

Информация

Компьютеры, программирование

Другие материалы по предмету

Компьютеры, программирование

Сдать работу со 100% гаранией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Детекторная система ЭКТ

Важнейшими частями детекторной системы являются собственно детектор, куда входят сцинтиллирующий кристалл, световоды, ФЭУ, а также различные аналоговые узлы, из которых наиболее ответственными можно считать резисторные координатные матрицы и узлы ФЭУ. При их проектировании применяют вероятностный подход и методы оптимизации по различным критериям. Эти методы достаточно сложны. Значительное место в этой книге занимает анализ влияния различных физических факторов: взаимодействия -квантов с кристаллом сцинтиллятора, оптические явления в кристалле и световодах и др. Обсуждение эти вопросов требует специальной подготовки. Поэтому здесь в основном рассматривается преобразование различных сигналов на уровне структурных и электрических схем, а также фрагменты конструкций. Кроме основных узлов, показанных в структурной схеме рис.129, будут рассмотрены также некоторые устройства, обусловленные спецификой сцинтилляционных детекторов.

Электрическое преобразование сигналов начинается с фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Их большое количество предъявляет повышенные требования к их идентичности и стабильности параметров. Но даже после их тщательного отбора в процессе работы параметры и характеристики ФЭУ могут меняться, поэтому необходима периодическая коррекция их режима, которая производится автоматически.

Важнейшим параметром ФЭУ является его коэффициент усиления. Он представляет собой отношение токов анода и фотокатода и определяется формулой

 

,

 

где m количество динодов,

i коэффициент вторичной эмиссии i-го динода,

i коэффициент собирания.

Считая i одинаковыми и i = 1, получим M = m. Обычно в детекторах гамма-камер применяют ФЭУ с числом динодов, равным 8. При = 3 4 коэффициент усиления ФЭУ будет составлять около 50000. Коэффициент усиления можно регулировать, изменяя напряжение на катоде ФЭУ или между отдельными динодами. При этом изменяется коэффициент вторичной эмиссии динодов. Вначале, с ростом напряжения между соседними динодами, он увеличивается, а затем достигает максимума и начинает уменьшаться. Однако это происходит при очень больших напряжениях, которые не используются на практике. Такой способ управления режимом ФЭУ применен в схеме, приведенной на рис.1. На этой схеме показан также предварительный усилитель выходных сигналов ФЭУ.

Регулирование коэффициента усиления ФЭУ осуществляется путем изменения напряжения между динодами Д5 Д7. Для этого от ЦАП на управляющий транзистор VT5 подается напряжение, которое устанавливает ток транзисторов VT1, VT2, VT5 (имеются в виду токи коллекторов, которые практически равны между собой). Транзистор VT5 включен по схеме ОБ, и поэтому его ток пропорционален управляющему напряжению ЦАП: I5 =Uцап/R6. Так как потенциал динода Д5 может быть достаточно большим (по абсолютной величине), применяется последовательное включение относительно низковольтных транзисторов VT1 и VT2.

 

Рисунок 1. Узел ФЭУ детекторной системы

 

Сопротивления резисторов делителя ФЭУ обычно берутся достаточно высокоомными (0,5 1 Мом). Однако ток делителя должен быть сравнимым (или больше) с током анода. Сопротивления резисторов R7 и R8 сравнительно невелики (около 10 кОм), поэтому потенциалы динодов Д7 и Д8 практически равны питающим напряжениям UД7 и UД8 .

Выясним, как зависит от управляющего тока I5 потенциал точки а, т.е. динода Д12 Для этого воспользуемся эквивалентной схемой, изображенной на рис.2. Здесь RД1 и RД2 соответственно суммарные сопротивления делителя выше и ниже точки а. Токами динодов пренебрегаем.

Рисунок 2. Эквивалентная схема для расчета потенциала точки а.

 

Из уравнений I1 - I2 = I5 RД1I1 + RД2I2 = Ек и находим

 

и Ua .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для оценки диапазона регулирования Ua положим ЕК = 1000 В, RД1 = 4 МОм, RД2 = 2 МОм. Ua будет равно нулю при управляющем токе I5 = 170 мкА. В среднем напряжения между динодами устанавливают около 100 В. Следовательно, потенциалы динодов Д7 и Д8 будут равными соответственно 200 и 100 В. Регулируя потенциал точки а от 300 до 210 В, изменяют коэффициент усиления ФЭУ в 1,5 2 раза. Если же его повысить до 200 В, то напряжение между динодами Д6 и Д7 станет равным нулю, и ФЭУ закроется (небольшой ток все же будет протекать). Средний по системе коэффициент усиления ФЭУ регулируют, изменяя напряжение источника Ек , общего для всех ФЭУ.

Сигнал ФЭУ усиливается предварительным усилителем на быстродействующем операционном усилителе и транзисторах VT3 и VT4. Выходное напряжение ОУ равно R1iа. Типичная форма импульса этого напряжения показана на рис.3. Усилитель имеет два выхода беспороговый и пороговый. Беспороговый выход используют для формирования результирующего энергетического сигнала Z , а пороговый для получения координатных сигналов X и Y. Практика показала, что при очень слабых сигналах, а это обычно сигналы ФЭУ, расположенных далеко от вспышки, их вклады в общий координатный сигнал приобретают характер флуктуаций и только ухудшают пространственное разрешение. Кроме того, применение порога позволяет уменьшить длительность импульсов (см. рис.3) и вероятность их наложения. Конденсатор С1 служит для сглаживания импульсных помех, а С2, С3 для отделения импульсного сигнала от постоянной составляющей.

Порог задают с помощью транзисторов VT3 и VT4, причем VT3 включен как диод, а VT4 играет роль управляемого источника тока I0. Ток диода VT3 равен разности IОУ и I0. До тех пор, пока выходной ток ОУ меньше I0 , диод VT4 открыт, и напряжение на пороговом выходе отсутствует. Когда IОУ становится равным I0, диод начинает закрываться, и на пороговом выходе появляется импульс. Величина порога определяется из соотношений IОУ = I0 и IОУ = (UОУ Uд)/R2. Полагая UОУ = Uпор , находим Uпор = RI0 + Uд .

Все элементы схемы рис.1 размещают на маленьких круглых платах (обычно их две), которые располагаются на цоколе ФЭУ. Этим достигается уменьшение числа соединительных проводников и снижение помех.

Импульсы напряжения с выходов предварительного усилителя через резисторные матрицы поступают на сумматоры энергетических и координатных сигналов. Причем, к беспороговому выходу подключают по одному резистору с одинаковыми сопротивлениями, а к пороговому четыре, с разными (весовыми) сопротивлениями (рис.4). Еще раз обратимся к рис.1. Нетрудно догадаться, что сопротивления резисторов убывают от левого края матрицы ФЭУ к правому, а сопротивления резисторов, наоборот, возрастают. Причем, сопротивления и у ФЭУ, расположенных симметрично относительно оси Y, будут одинаковыми. Аналогично обстоит дело и с резисторами и . Расчет и проектирование координатных резисторных матриц является сложной и ответственной задачей, так как от ее решения в большой степени зависит качество изображения. Заметим еще, что использование амплитудно-селектированных сигналов для определения координат обусловливает другой способ энергетической коррекции кооринатных сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В этом случае будет логичным делить координатные сигналы X = X+ X и Y = Y+ Y на суммы их составляющих:

 

и (1)

 

При этом, кроме компенсации энергозависимости координатных сигналов, будут компенсироваться и погрешности за счет разброса резисторов координатной матрицы.

Представим координатные сигналы в виде сумм

 

; ; ; , (2)

 

где N число ФЭУ, ui - выходной (пороговый) сигнал i-го ФЭУ. Этот сигнал можно записать как ui = iE, где Е энергия -кванта , вызвавшего сцинтилляцию. Коэффициент i в основном зависит от расстояния центра ФЭУ до места вспышки, а также от индивидуальных параметров ФЭУ. В принципе, его величина для определенных точек (тестовых, или реперных) может быть рассчитана. Подставляя в формулы (1) суммы (2), получим

 

; . (3)

 

Как видно из формул (3), энергетическая зависимость координатных сигналов исключена. Теперь они в основном зависят от геометрических констант и электрических параметров (сопротивлений матриц и масштабных коэффициентов делителей). Кроме того, как уже отмечалось выше, погрешности в их вычисление вносит дискретность фотоприемников.

Если известны весовые коэффициенты ai , bi , то сопротивления координатной матрицы определяются по формулам

 

; ; ; , (4)

здесь R0 сопротивление резистора в цепи обратной связи сумматора.

Наиболее простой способ определения весовых коэффициентов состоит в линейной аппроксимации их зависимости от координат. Рассмотрим, как это делается на примере группы ФЭУ, расположенных на оси X матрицы, состоящей из 19 ФЭУ (см. рис.3). Эта группа изображена на рис 5 Коэффициент а+ изменяется слева направо от нуля до единицы, а коэффициент а наоборот от единицы до нуля. Это значит, что левый крайний ФЭУ (3) не вносит никакого вклада в координатный сигнал Х+, а правый крайний (4) в Х. Весовой коэффициент ФЭУ, расположенного в центре (1), равен 0,12 Поэтому его вклады в сигналы Х+ и Х будут одинаковыми и при их вычитании они компенсируются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивления резисторов и о

Похожие работы

1 2 3 > >>