БИБЛИОТЕКА
— ПО
АВТОМАТИКЕ
Выпуск 625
Л. С. ГОРН,
Б. И. ХАЗАНОВ
ПОЗИЦИОННО-
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ
ДЕТЕКТОРЫ
иэ
МОСКВА ЭНЕРГОИЗДАТ
1982

ББК 22.38
Г69
УДК 539.1.074
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
И. В. Антик, Г. Т. Артамонов, А. А. Воронов, Л. М. Закс,
В. К. Левин, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов,
И. В. Прангишвили, О. В. Слежановский, Ф. Е. Темников,
Г. М. Уланов, Ю. М. Черкасов, А. С. Шаталов.
Горн Л. С, Хазанов Б. И.
Г69 Позиционно-чувствительные детекторы. — М.,
Энергоиздат, 1982. — 64 с, ил.— (Б-ка по автома-
тике; Вып. 625).
25 к.
Книга посвящена построению детекторов, предназначенных для
определения координат места попадания частицы или кванта. При-
ведена классификация таких устройств и описаны общие принципы
их построения. Рассмотрены ионизационные газонаполненные, полу-
проводниковые, сцинтилляционные позиционно-чувствительные детек-
торы и детекторы на основе микроканальных пластин. Описаны неко-
торые электронные узлы, специфичные для этих детекторов.
Рассчитана на специалистов, работающих по созданию приборов
для измерения ионизирующих излучений.
„ 1704070000-206 ББК 22.38
Г ——————————— 237-82
051(01)-82 6Ф6.5
ЛЕВ СОЛОМОНОВИЧ ГОРН,
БОРИС ИСААКОВИЧ ХАЗАНОВ
ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
Редактор В. К. Мелешко
Технический редактор Г. Г. Самсонова
Корректор И. А. Володяева
ИБ № 73
Сдано в набор 23.11.81 Подписано в печать 27.01.82 Т-05506 Формат
84х1087з2 Бумага типографская № 1 Гарнитура литературная Печать
высокая. Усл. печ. л. 3,36 Уч.-изд. л. 4,83 Тираж 3800 экз. Заказ 948
Цена 25 к.
Энергоиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Московская типография № 6 Союзполиграфпрома при Государствен-
ном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли.
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул., 24.
Энергоиздат, 1982

ВВЕДЕНИЕ
Одна из основных тенденций, характерных для развития ядер-
ного приборостроения, — рост информативности измерительной ап-
паратуры, т. е. увеличение объема, повышение качества и достовер-
ности тех данных об источниках и полях ионизирующих излучений,
которые вырабатывают приборы.
Информативность аппаратуры во многом определяется первич-
ными измерительными преобразователями — детекторами, преобра-
зующими параметры ионизирующих излучений в параметры элек-
трических сигналов. В импульсных пропорциональных детекторах,
занимающих основное положение в современной аппаратуре, при
воздействии отдельной частицы или кванта в выходной цепи воз-
никает импульс, величина заряда которого пропорциональна энер-
гии, переданной чувствительному объему детектора, а форма сиг-
нала связана как с видом частицы (зарядом, массой), так и с ее
энергией (линейной потерей энергии). Такие детекторы послужили
основой различной аппаратуры, в которой осуществляется отбор
или измерение распределений сигналов по какому-либо параметру
(амплитуде, моменту появления, форме сигнала).
В последнее десятилетие наряду с такими детекторами все шире
используют детектирующие устройства, в которых выходной сиг-
нал несет информацию о месте попадания в детектор частицы или
кванта, вызвавших этот сигнал, — так называемые координатно-
чувствительные или позиционные чувствительные детекторы (ПЧД).
Хотя опыт их применения относительно невелик, с помощью этих
детекторов уже получены очень интересные результаты в различных
областях исследований. Приведем только некоторые примеры.
В медицинской практике позиционно-чувствительные детекторы
(в составе так называемых гамма, позитронных камер и автофлуо-
роскопов) используют для того, чтобы получить данные о распре-
делении радиоактивных веществ, т. е. своеобразную фотографию
объекта, испускающего рентгеновское или у-излУчение- Такие уст-
ройства стали диагностическими средствами, позволяющими выявить
злокачественные образования, контролировать общее состояние
больного, следить за динамикой протекающих в организме процес-
сов и т. п.
Большие возможности создают ПЧД в магнитных и электроста-
тических спектрометрах, где они позволяют измерять распределение
частиц по координатам места попадания в фокальной плоскости
(после отклонения магнитным или электростатическим полем) и с
успехом заменяют использовавшиеся в течение долгого времени для
этих целей фотопластинки и фотопленки. По сравнению с фотома-
териалами ПЧД обладают многими преимуществами: считывание
данных производится, сразу же после измерения или даже в про-
3

цессе измерения; можно определять одновременно положение как
слабых, так и интенсивных линий в распределении; можно, вводя
амплитудный отбор или отбор по совпадению сигналов, значительно
ослаблять фон; возможна идентификация частиц и т. д.
В космических исследованиях ПЧД очень перспективны для те-
лескопических систем при идентификации изотопного состава сол-
нечных и галактических частиц. Поскольку потоки этих частиц
весьма слабы, желательно расширять угол зрения системы и ее
чувствительность, что приводит к разбросу длины траекторий час-
тиц, проходящих через детекторы, и неопределенности в передаче
энергии этим детекторам. Если известны координаты мест попада-
ния частицы, то можно точно определить путь частиц в каждом
случае и ввести корректирующие поправки.
Позиционно-чувствительные детекторы, позволяющие одновре-
менно измерить точку попадания частицы в детектор и энергию
этой частицы, значительно увеличивают эффективность эксперимен-
тов в ядерной и атомной физике и повышают скорость накопления
данных. Это особенно важно в тех случаях, когда исследуют ред-
кие события, реакции малого сечения (например, одновременно из-
меряют энергетические и угловые распределения продуктов ядер-
ных реакций) и пр.
Интересно использование ПЧД для измерения периода полу-
распада короткоживущих ядер. В таких исследованиях мишень,
бомбардируемую ионами, располагают так, чтобы траектории об-
разованных ядер проходили параллельно поверхности детектора.
При распаде ядра продукты распада, разлетаясь, попадают в де-
тектор, и по тому пути, который успело пролететь ядро за время
своего существования, определяют время его жизни.
Перечень таких приборов можно значительно увеличить. Не
случайно, число публикаций в периодических изданиях, посвящен-
ных ПЧД, составляет сейчас значительную долю всех работ по
технике детектирования. Следует, однако, отметить, что использо-
вание ПЧД, как правило, связано с существенным усложнением
электронно-измерительных устройств, и их практическое применение
стало возможным благодаря значительному прогрессу в последние
годы аппаратуры, осуществляющей обработку и накопление боль-
ших массивов данных, внедрению в приборостроение средств вы-
числительной техники и созданию информационно-измерительных
систем.

ГЛАВА 1
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЧД
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЧД
Позиционно-чувствительными называют детекторы, которые
позволяют определить координату места попадания в них заряжен-
ных частиц или квантов рентгеновского или уизлучения, а во мно-
гих случаях — одновременно и энергию, переданную частицей или
квантом чувствительному объему детектора.
Рассмотрим ПЧД, который может содержать один или несколь-
ко чувствительных объемов и один или несколько коллекторов за-
ряда, с которых снимаются сигналы. При взаимодействии частицы
или кванта с чувствителным объемом ПЧД в некотором достаточно
малом элементе этого объема генерируется первичный заряд или
происходит эмиссия фотонов. В результате последующего преобра-
зования этого заряда (или фотонного излучения), зависящего от
физического механизма работы детектора, в цепях некоторых кол-
лекторов протекают кратковременные импульсы тока i(t). Каждый
такой импульс может быть охарактеризован зарядом q^ перено-
симым в течение действия импульса на соответствующий /-й кол-
лектор, и задержкой t3j начала развития импульса относительно
момента взаимодействия частицы или кванта с чувствительным
объемом ПЧД. Последующая электронная схема, на входы кото-
рой поступает совокупность импульсов, генерируемых системой кол-
лекторов ПЧД, тем или иным способом выделяет (детектирует)
заключенную в этой совокупности позиционную информацию.
В известных в настоящее время ПЧД для декодирования по-
зиционной информации используют следующие параметры самих
коллекторных элементов или генерируемых ими сигналов:
а) номера коллекторных элементов /, в цепи которых при де-
тектировании частицы были зарегистрированы импульсы тока с ин-
тегральным зарядом, превышающим некоторое пороговое значение
(дискретное декодирование);
б) заряды, переносимые импульсами тока в нескольких выход-
ных цепях одного коллектора (аналоговое декодирование на осно-
ве измерения отношения зарядов);
в) распределение зарядов qj между несколькими коллекторны-
ми элементами коллекторной системы (аналоговое декодирование
на основе определения центра тяжести зарядового распределения);
г) задержки появления сигналов в различных выходных це-
пях одного коллектора (аналоговое декодирование на основе вре-
менных измерений);
д) задержки появления сигналов в выходных цепях различных
5

коллекторных элементов, обусловленные введением в коллекторную
систему специальной линии задержки (аналоговое декодирование
с помощью линий задержки);
е) задержки появления сигналов относительно момента иони-
зации в выходной цепи одного или нескольких коллекторных эле-
ментов, обусловленные конечной скоростью перемещения (дрейфа)
первичного заряда от точки образования до соответствующего кол-
лекторного элемента (аналоговое декодирование на основе измере-
ния скорости дрейфа).
2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЧД
Классификация ПЧД. В зависимости от механизма генерации
сигналов, несущих позиционную информацию, ПЧД могут быть раз-
делены на две большие группы: детекторы дискретного и аналогово-
го типа. Далее ПЧД первой группы можно разделить на детек-
торы мозаичного вида с полностью автономными элементами детек-
тирования и матричного вида, в которых детектирующие элементы
объединены в группы (строки и столбцы), а ПЧД второй группы —
на детекторы с разделением заряда между дискретными металлизи-
рованными электродами, на устройства со сбором заряда на рези-
стивных цепях (с использованием деления заряда для формирования
позиционного сигнала) и на устройства со сбором заряда в линии
задержки (с выделением задержки в появлении сигналов). Детекто-
ры со сбором заряда на резистивных цепях могут содержать как
распределенный резистивный коллектор, так и группу резисторов, к
которым, подсоединены выходные цепи детектирующих элементов.
Детекторы с линией задержки также могут содержать распределен-
ную линию задержки (резистивный слой и металлизированный эк-
ран) или линию задержки со сосредоточенными параметрами, к вы-
водам которой подсоединены выходные цепи детектирующих эле-
ментов.
Различные виды ПЧД вырабатывают сигналы, позволяющие
определить линейную координату места взаимодействия частицы или
кванта с детектором, положение этого места на плоскости (две ко-
ординаты) или положение его в некотором объеме (три координа-
ты). Соответственно все ПЧД можно разделить на одно- двух- и
трехмерные.
Наконец, по используемым методам регистрации частиц и
квантов ПЧД, как и обычные детекторы, могут быть разделены
на ионизационные (пропорциональные счетчики и камеры, дрейфо-
вые, искровые камеры, ППД), на сцинтилляционные и зарядовые
детекторы. Такое деление удобно для понимания принципа генера-
ции сигнала, но оставляет в тени способы кодирования и выделения
позиционной информации.
Основные параметры ПЧД. Как уже отмечалось, ПЧД представ-
ляет собой измерительный преобразователь, в котором информация
о месте попадания частицы или кванта в детектор (координате)
преобразуется в параметр выходного сигнала. Как и для других
устройств такого типа, ПЧД характеризуют параметрами, опреде-
ляющими это преобразование.
Связь между входной величиной — координатой места попада-
ния частицы или взаимодействия кванта — | и выходной s задается
функцией преобразования s=s(g). В большинстве практически важ-
ных случаев в ПЧД используют линейное преобразование, когда
6

существует прямая пропорциональность между величинами s и £,
тогда количественной характеристикой связи между s и £ является
коэффициент преобразования G=s/£, часто называемый позицион-
ной чувствительностью.
Для точного представления распределения координат мест по-
падания частиц или квантов в детектор необходима неизменность
коэффициента G для любой координаты £ от 0 до L. Однако из-за
неидеальности аппаратуры возникают различия между средним
значением G и G = /(g) — нелинейность характеристики преобразо*
вания. Непосредственно определяет возможную относительную
погрешность в вычислении координаты по идеальной (линейной)
характеристике преобразования интегральная нелинейность т]и =
= (G— G)X100°/o/G. Этот коэффициент также зависит от коорди-
наты £, и детектор в целом характеризуют максимальным значением
нелинейности Ли**0 ли^° его средним квадратическим значением
т)иР*кв» вычисленным по функции т)и = т|и(£) для всех ^ от 0 до
£маке
Важным параметром ПЧД служит позиционное разрешение,
под которым понимают ту минимальную разность координат попа-
дания частицы или кванта в детектор Ап, которая может быть на-
дежно выделена. Как правило, при попадании заряженных частиц
или квантов в одну и ту же точку ПЧД распределение выходных
сигналов будет размытым около наиболее вероятного значения s=
= Gg, а форма описывающей ее кривой близка к нормальной функ-
ции. Это означает, что существует некоторая неопределенность в
определении координаты; ширину такой линии в распределении,
измеренную на половине ее высоты (ШПВ), принимают за пози-
ционное разрешение Ап в точке с данной координатой |.
3. ОБЩИЕ МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПОЗИЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ
Дискретное декодирование по номеру коллекторного элемента.
Этот способ декодирования используется, когда система коллекто-
ров образована конечным числом коллекторных элементов (КЭ) в
виде нитей, полос, прямоугольников (возможны и другие формы),
причем генерация сигнала определенным КЭ обычно свидетельствует
о локализации детектируемого события в элементе чувствительного
объема ПЧД, примыкающем к данному КЭ. Распределение заряда
между двумя или более КЭ в таких ПЧД обычно исключено. Для
дискретного декодирования характерны две основные особенности:
а) неопределенность измерения координаты точки взаимодействия
частицы с чувствительным объемом ПЧД определяется расстоянием
между центрами смежных КЭ (шагом коллекторной системы);
б) для обработки сигнала каждого КЭ обычно требуется отдельный
канал усиления — дискриминации. На практике дискретное декоди-
рование используется как в одномерных ПЧД с линейными коллек-
торными системами, так и в двухмерных — с матричным располо-
жением КЭ.
Декодирование по отношению зарядов, снимаемых с нескольких
цепей одного КЭ. Конфигурации коллекторных элементов, которые
могут быть выполнены и практически выполняются для реализации
ПЧД, рассчитанных на этот способ декодирования, отличаются
7

большим разнообразием. Некоторые примеры таких КЭ приведены
на рис. 1.
Простейший вариант этого способа декодирования основан на
применении в качестве КЭ резистивной нити пропорционального
счетчика (рис. 1,а). Действительно, если сопротивление нити R
существенно превышает входное сопротивление усилителей, под-
Рис. 1. Резистивные коллекторные системы: одномерные
в виде нити (а), узкой полосы (б) и двухмерные (в, г)
ключенных к обоим концам нити, то при инжекции в.точку нити с
координатой х заряда q через оба конца нити протекают заряды
qi и #2, определяемые соотношениями
f1=M(l_*/L); q2 = q(x/L). (1)
Если учесть, что <7=<7i + <72, то координата детектируемого со-
бытия может быть найдена по измеренным значениям qi и q% с по-
мощью соотношения
x/L = q2/(qi + q2) = s(x). (2)
Поскольку резистивная нить представляет собой линию с рас-
пределенными параметрами — сопротивлением R0=R/L и емкостью
C0=C/L, заряд вдоль нее распространяется не мгновенно и требует-
ся некоторое время, чтобы заряды q{ и q2, определяемые (1), были
собраны на концах нити. Динамика распространения сигнала на-
пряжения и вдоль #С-линии описывается дифференциальным урав-
нением параболического типа [34]
Pufdx* — R0C0 (ди/dt) = О. (3)
Если в начальный момент времени /=0 в точку нити с коор-
динатой х=1 инжектируется импульс тока i(t)=q6(t), то можно
показать [60], что при краевых условиях u(x=0) =u(x=L) = 0рас-
пространение сигнала напряжения описывается уравнением
оо
и (£, Ху т) = (2q/C) ^ sin (nn%) sin (ппк) ехр (— пН), (4)
«=1
8

где т=t/(R С In2); £=*/L— относительная координата точки, в ко-
торой определяется напряжение, и K=l/L — относительная . коорди-
ната точки инжекции заряда. Отметим, что указанные краевые ус-
ловия на практике выполняются при использовании зарядо-чув-
ствительных или токо-чувствительных усилителей сигналов.
Доля заряда, прошедшего к моменту т через конец нити, от-
стоящий от точки инжекции на расстоянии |=jt/L, описывается
уравнением
Яг (Ъ, v)/q=l—l — У sin (nnl) ехр (— пН), (5)
пл
а доля заряда, протекшего через противоположный конец, равна:
т)/^= 1-^(6, T)/q. (6)
Сумма в правой части (5) с ростом т быстро спадает и уже
при т>3 практически равна нулю. Заряды q\ и Ц2 практически
достигают асимптотических значений <7i(g, т->оо) = (1—Qq и
q2(%, т-^о°)=|<7, хотя характер нарастания сильно зависит от
координаты точки инжекции g. Поэтому для исключения баллисти-
ческой ошибки при формировании позиционного сигнала дифферен-
цирующими цепями в последующем усилителе необходимо, чтобы
постоянная времени формирования Тф превышала время установ-
ления. В работе [56] показано, что нелинейность, обусловленная
баллистической ошибкой, не превышает 1 %, если Тф>0,5 RC при
двойном дифференцировании ЯС-цепями или Тф>0,6 RC при двой-
ном дифференцировании ЯС-цепью и линией задержки.
Коллекторный элемент, выполненный в виде узкой резистивной
полосы с проводящими краями (рис. 1,6), принципиально не от-
личается от рассмотренного случая нити. Такой КЭ можно, на-
пример, использовать при создании одномерных позиционно-чув-
ствительных полупроводниковых детекторов. Приведенные выше
уравнения, связывающие координату инжекции заряда и отношение
зарядов, снимаемых с концов КЭ, справедливы и для данного слу-
чая, если длина полосы L намного больше ее ширины Ь.
Плоский квадратный резистивный коллектор, приведенный на
рис. 1,8, можно рассматривать как двухмерное обобщение КЭ,
выполненного в виде резистивной полосы. Если сопротивление сто-
рон квадрата нулевое (с разрывом в углах), то отношение заряда,
снимаемого с одной из сторон, к суммарному заряду, инжектируе-
мому в точку с координатами х и у, выражается соотношением [88]
оо
qx 4 sh (2/г — 1) лх sin (2/г — 1) лу
~q~ = ~n 2U sh (2/1—1) я (2/г—1) ' (?)
Пользуясь этим соотношением, можно вычислить функции
sx (*> У)= Яг1(Я1 + ft) и^(х, у) = q3/(q3 + qA). (8)
Если эти функции известны, то по измеренным отношениям за-
рядов можно найти координаты точки возбуждения коллектора.
Принципиальный недостаток этого способа кодирования позицион-
9

ной информации по сравнению с рассмотренным выше одномерным
случаем состоит в том, что каждое из отношений, взятое отдельно,
еще не определяет одной из координат и для получения этих зна-
чений необходима математическая обработка, сводящаяся к реше-
нию системы уравнений
sx (*> У) — consti и sy(x, у) = const2.
Этот способ декодирования, очевидно, может быть распростра-
нен и на прямоугольные коллекторы. Возможны и другие варианты
размещения выходных контактов. Например, в работе [19] описан
прямоугольный коллектор с размещением четырех проводящих кон-
тактов в его углах (рис. 1,г).
Декодирование по распределению зарядов между несколькими
КЭ. Этот способ декодирования можно использовать, если ПЧД
удовлетворяет двум требованиям: а) его коллекторная система
состоит из нескольких изолированных друг от друга КЭ и б) фи-
зический механизм детектирования таков, что облако заряда перед
его сбором коллекторной системой распространяется на несколько
КЭ. На практике обычно используют две модификации этого спо-
соба декодирования. В первом случае ПЧД содержит малое число
КЭ, и в "результате, как правило, получают позиционные сигналы,
связанные нелинейно с координатами детектируемых событий. Во
втором случае используют коллекторную систему со значитель-
ным числом КЭ, что обеспечивает линейное декодирование, при
этом линейность тем выше, чем большее число КЭ перекрывается
облаком заряда. Остановимся подробнее на каждой из модифика-
ций.
Пример простейшей коллекторной системы первого типа (одно-
мерный случай) приведен на рис. 2, а. Она состоит из двух изоли-
рованных элементов : КЭ1 и КЭ2. Предположим, что заряд на
коллекторную систему переносится в виде электронного облака ра-
диусом R, причем центр облака совпадает с той точкой детектора,
где произошло детектируемое событие, а распределение заряда в
пределах границ облака — равномерное. Если центр облака смещен
относительно линии раздела коллекторных элементов (точка л;=0)
на расстояние л:< R (координата события), то, как легко показать,
отношение заряда qif собранного элементом КЭ1, к общему заряду
q = q\ + q2 равно:
<7i ' arccos (xIR) У l-(x/R)*~ х
s (л;) = Т = 1 ~ Z + " 7Г • (9)
q я jx R
Приведенная функциональная зависимость позволяет вычислить
координату х по измеренному отношению зарядов s(x). Отметим,
что при малых смещениях x<^R отношение зарядов линейно за-
висит от координаты х:
s(x) ъ 0,5+ (2/n)(x/R), (10)
что упрощает декодирование.
Практически распределение заряда в облаке отличается от
равномерного, например в детекторах на основе микроканальных
пластин распределение электронов в пучке, покидающем пластину,
близко к двухмерному нормальному. Соответственно отношение
зарядов, снимаемых с КЭ, описывается более сложными уравне-
ниями.
10

Рассмотренный принцип легко распространить и на случай
двухмерных позиционных измерений. На рис. 2,6 приведена кол-
лекторная система, состоящая из четырех КЭ, каждый из которых
представляет квадрант (четверть круга), рассчитанный на сбор за-
ряда, поступающего от микроканальной пластины [18]. Для того
чтобы электронный пучок не выходил за пределы КЭ и при любых
/
1
У 1
\
/Г
i
/
КЭ2
КЭ1
КЭ1... КЭС КЭ^ IQL.2 К9Ы
г)
Рис. 2. Распределение зарядов на нескольких коллекторных элемен-
тах: два прямоугольных (а), квадранты (б), части цилиндра (в) и
несколько полос (г)
координатах детектируемого события заряд пучка распределялся
между всеми четырьмя квадрантами, радиусы КЭ (/?кэ ) и пуч-
ка (Rn) должны удовлетворять следующим соотношениям:
2#кэ > > #кэ»
^кэ = ^мкп + Ru,
где #mkji —радиус микроканальной пластины (МКП). Распреде-
ление заряда, переносимого пучком, содержит информацию о коор-
динатах источника пучка на МКП. Координаты х и у источника
пучка можно определить по отношениям зарядов (q\ + q*)lq и
(q\Jrq2)lq (цифровые индексы соответствуют номерам КЭ на
рис. 2,6) или, как предложено в [18], по отношениям q\l(q\ + qz) и
?2/(<72 + ?4).'
Следует отметить большое разнообразие возможных способов
организации коллекторных систем с небольшим числом КЭ, рас-
считанных на декодирование позиционной информации по распре-
11

делению заряда между ними. Иллюстрацией может служить катод
цилиндрического пропорционального счетчика, состоящий из двух
КЭ, предложенный в [40]. Развертка этого катода изображена на
рис. 2, в. Направление оси х совпадает с направлением нити счет-
чика. Если траектория заряженной частицы лежит в плоскости,
нормальной к оси счетчика, на расстоянии х от центра счетчика и
пересекает его чувствительный объем, то в результате последующего
газового усиления первичного заряда в точке с координатой х
вблизи нити образуется облако положительного заряда. При пере-
мещении этого заряда к катоду в цепях анода и катода индуци-
руются равные заряды, причем доли заряда, собираемого на КЭ1
и КЭ2, пропорциональны эффективным телесным углам, под кото-
рым элементы катода «видны» из точки образования облака. Уча-
стки поверхности КЭ, эффективно собирающие индуцированный
заряд, на рис. 2, в заштрихованы. В развертке они представляют
собой трапеции высотой Ах, и, если сформировать позиционный
сигнал как относительную разность зарядов, собираемых КЭ2 и
Для уменьшения позиционного разброса А* необходимо умень-
шить радиус счетчика так, чтобы выполнялось условие /?<а. От-
метим, что при детектировании частиц, траектории которых наклон-
ны к оси счетчика, первичный заряд распределяется вдоль нити в
пределах некоторого интервала Ахп и соответственно увеличивается
ширина КЭ1 и КЭ2, воспринимающих собираемый заряд. Относи-
тельное снижение радиуса R уменьшает и эту составляющую коор-
динатного разброса.
Как отмечалось выше, для получения существенно линейной
характеристики позиционного преобразования *с использованием
распределения общего заряда между КЭ необходимы коллекторные
системы с достаточно большим числом элементов. Пример такой
системы (одномерный вариант) и распределение заряда между ее
элементами приведены на рис. 2, г. Одинаковые коллекторные эле-
менты КЭ1, ... КЭп, перпендикулярные плоскости рисунка, разме-
щены с равными интервалами вдоль оси х. При детектировании со-
бытия в точке чувствительного объема детектора с координатой х
генерируется первичный заряд, который в процессе умножения или
сбора «расплывается» в облако, распространяясь на несколько КЭ.
Обычно распределение заряда симметрично относительно точки ге-
нерации первичного заряда (конкретный вид распределения не ва-
жен). В рассматриваемом случае позиционный сигнал s(x) обычно
формируют на основе соотношения
где Х{ — координаты центров элементов КЭи Правая часть этого
соотношения, как легко убедиться, представляет собой координату
центра тяжести зарядового распределения, воспринимаемого коллек-
торной системой. Замена интеграла конечной суммой приводит к по-
зиционной погрешности As=jc—s{x), которая тем меньше, чем на
большее число элементов распространяется зарядовое облако. При
этом способе позиционного декодирования на каждый КЭ требуется
КЭ!, то
s (х) = (</а — q1)/(q1 + q2) = (х + Ах/2)/а.
(12)
(13)
12

отдельный усилитель и, следовательно, для сокращения объема обо-
рудования необходимо, чтобы общее число КЭ не превышало одно-
го-двух десятков. При малом числе коллекторных элементов пози-
ционный сигнал определяется особенно просто. Например, если л=
= 3 и Х\=—а, *2=0, *з=+а (а —шаг коллекторной системы), то
а для п=4
s(n = 3) = x = a(q3 — q1)/qi
(14)
s (п = 4) = х -= a (3q4 -f q3 — qt — 3q1)/q,
(15)
гДе Я = 2 ~~ сУммаРНый заряд, собранный всеми коллекторами.
Аналогичный принцип можно использовать и для двухмерного
декодирования. Коллекторная система в этом случае должна со-
стоять из плоской матрицы
КЭ, а позиционные сигналы
следует вычислять с помощью
уравнения (13), в которое не-
обходимо подставлять соот-
ветствующие координаты
центров КЭ: —при вычис-
лении s (х) к t/i — при вычис-
лении s(y).
Временное декодирование
в ПЧД с одним резистивным
коллектором. Одномерный ре-
зистивный коллектор представ-
ляет собой распределенную
ЯС-линию и, следовательно, за-
ряд q распространяется от точ-
ки инжекции с координатой х
к концевым электродам с конеч-
ной скоростью. Поэтому доля
заряда, протекшего через один
из концевых электродов q{t)lqy
спустя время t после момента
инжекции зависит от коорди-
наты инжекции х. Аналитиче-
ски эта зависимость описывается соотношением (5). Рассчитанное
с помощью соотношения (5) семейство зависимостей q(x)lq для де-
вяти значений координат \=x\L приведено на рис. 3. Из графи-
ков видно, что по мере удаления точки инжекции от приемного
конца коллектора возрастает время сбора заряда, т. е. время нара-
стания импульса напряжения, получаемого в результате интегриро-
вания заряда, прошедшего через концевой электрод. Интегрирова-
ние происходит непосредственно на входной емкости усилителя на-
пряжения, подключенного к электроду или при усилении сигнала за-
рядочувствительным усилителем — на емкости обратной связи. Та-
ким образом, форма импульсов напряжения, снимаемых с концов
коллектора, несет информацию о координате точки инжекции за-
ряда и эта информация может быть расшифрована с помощью
устройств временного анализа. Обычно временные анализаторы вы-
полняют по дифференциальному принципу. Сигналы напряжения с
Рис 3.
<7(0/<7о= .
чениях x/L
0,51/%
Семейство зависимостей
f(t{xp) при разных зна-
13

обоих концов резистивного коллектора дважды дифференцируют,
фиксируют моменты пересечения сигналами нулевой линии и выде-
ляют интервал между этими моментами. Позиционный сигнал фор-
мируют с помощью время-амплитудного преобразователя, амплитуда
импульса на выходе которого пропорциональна интервалу, выделен-
ному во временном анализаторе.
Расчеты, выполненные Борковски и Коппом [48], Матисеном
[87] и другими авторами, показали, что при двойном дифференци-
ровании импульсов напряжения, снимаемых с концов коллектора,
интервал между моментами пересечения ими нулевой линии в пер-
вом приближении линейно связан с координатой точки инжекции
£=*/L, причем коэффициент пропорциональности, рассматриваемый
в данном случае как позиционная чувствительность, равен:
G = M/At = G0RCt (16)
где G0 — безразмерный фактор порядка единицы; R=R0L— общее
сопротивление коллектора; C=C0L + 2CH— общая емкость коллек-
тора, включающая емкости цепей, подключенные к концам коллек-
тора, Сн. По данным [48] G0=l, а в [87] получено значение G0=l/3.
Практически линейность преобразования (т. е. постоянство чувстви-
тельности) выполняется лишь при инжекции заряда на ограничен-
ном участке коллектора. Тщательный анализ, выполненный в [87]
для случая двойного RC — RC-дифференцирования и однократного
/^-интегрирования сигнала цепями с равными постоянными време-
ни Тф, показал, что за пределами центральной части коллектора,
составляющей около 0,75 L, нелинейность быстро возрастает. Уро-
вень нелинейных искажений в пределах центральной части сильно
зависит от постоянной времени формирования Тф. При Тф =
= 0,15 RC нелинейные искажения минимальны: средняя квадрати-
ческая нелинейность на центральном участке 0,75 L составляет все-
го около 0,02 %. Уменьшение Тф вдвое ведет к увеличению нели-
нейности примерно- в 20 раз, а увеличение вдвое — к росту нелиней-
ности на порядок [87].
Рассмотренный принцип декодирования применим при создании
как одномерных, так и двумерных ПЧД [48].
Временное декодирование в ПЧД с несколькими КЭ. Этот спо-
соб декодирования является альтернативой рассмотренному выше
способу, основанному на использовании для определения коорди-
нат события распределения зарядов между несколькими КЭ. Сти-
мулом для его появления и развития послужило стремление умень-
шить объем электронного оборудования в ПЧД с несколькими КЭ
и, в частности, избежать применения отдельного усилителя в цепи
каждого КЭ. Наиболее широко этот способ применяется в много-
проволочных ПЧД [57, 91, 106] и др. По-видимому, первыми, кто
применил его для считывания позиционной информации по одной
координате в многонитевом счетчике, были Шарпак и др. [106].
Позднее такое считывание применяли и в двухмерных ПЧД [91].
Сущность этого способа состоит в следующем. Коллекторные
элементы, расположенные в ПЧД с шагом а, подключают к рав-
номерно расположенным отводам LC-линии задержки, при этом
возможны два варианта связи КЭ с линией. В первом — линия яв-
ляется внешним элементом по отношению к коллекторной системе,
выполненным, например, на отрезках кабеля [57]. Во втором — сама
коллекторная система представляет собой линию задержки. При-
мерами таких коллекторов могут служить спиральные катоды в
14

некоторых конструкциях пропорциональных счетчиков [65, 83]. Бо-
лее подробно эти вопросы рассмотрены в § 13. Воспринимаемые
коллекторными элементами заряды распространяются к концам ли-
нии, к которым подключены усилители сигналов. Входное сопро-
тивление усилителей должно быть равно характеристическому со-
противлению р, при этом исключено отражение сигналов от кон-
цов. При считывании с помощью линии требуется всего два усили-
теля независимо от числа КЭ, что позволяет существенно сократить
объем электронного оборудования.
Для получения позиционного сигнала импульсы при усилении
дважды дифференцируют и затем выделяют интервал между мо-
ментами пересечения нулевой линии на выходах усилителей.
Сформированный по этому принципу позиционный сигнал пропор-
ционален координате центра тяжести зарядового распределения,
воспринимаемого системой КЭ.
4. ПОЗИЦИОННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ПЧД
На позиционное разрешение ПЧД влияют два вида факторов.
Первые связаны с физическими особенностями работы детекторов.
К ним относятся: конечные размеры области чувствительного объе-
ма, в которой при торможении заряженной частицы образовались
первичные носители заряда (т. е. размеры отрезков треков), угол
наклона трека к оси детектора и к направлению его коллекторного
элемента, дополнительное пространственное размытие облака за-
ряда при его сборе или усилении, флуктуации числа первичных
носителей, флуктуации времени дрейфа (при использовании времен-
ного метода декодирования, а также в детекторах типа дрейфовых
камер) и др. Например, в детекторах заряженных частиц эти ча-
стицы по мере торможения отклоняются от первоначального на-
правления и в ППД для электронов с МэВ разброс в опре-
делении места попадания может составить несколько миллиметров.
Когда частицы попадают в детектор под косым углом, центр тя-
жести положения зарядового распределения не совпадает с истин-
ной точкой падения. ПЧД, регистрирующий кванты электромагнит-
ного излучения, отмечает не точку попадания кванта, а координату
точки образования электронно-дырочных пар в ППД или электро-
нов и ионов в газе. Влияние этих факторов зависит от механизма
работы детектора, вида и энергии детектируемого излучения, гео-
метрии размещения детектора относительно направления потока из-
лучения; оно отличается большим разнообразием и может быть оце-
нено только при рассмотрении конкретных видов ПЧД. Такие оцен-
ки сделаны в обзорах [52, 60, 79] и др.
Факторы второго вида проявляются при выделении сигналов,
снимаемых с коллекторных элементов ПЧД с помощью определен-
ной (для каждого детектора) совокупности цепей и каскадов, ко-
торые являются источником элетронного шума. Шум модулирует
снимаемые с КЭ сигналы, что приводит к размытию их амплитуд-
ного распределения и, как следствие, к ухудшению позиционного
разрешения. Составляющая позиционного разрешения, обусловлен-
ная шумом, проявляется в большей или меньшей степени при ис-
пользовании различных видов ПЧД. Ее влияние можно оценить,-
исходя из общих принципов позиционного декодирования, изложен-
ных в предыдущем параграфе. При рассмотрении этого вопроса бу-
дем использовать методы анализа, развитые в работах [39, 100,
15

101], отличающиеся относительной простотой и приводящие к до-
статочно легко интерпретируемым результатам.
Описание шума выходной цепи КЭ. Будем полагать, что в
общем случае КЭ нагружен на резистор RP (который учитывает
проводимость входного каскада усилителя, а также и проводи-
мость самого детектора, например полупроводникового) и емкость
С (сумма емкостей КЭ, емкости монтажа и входной емкости под-
ключенного к КЭ усилительного каскада). Примем, что импульс-
ная переходная характеристика усилителя выражается функцией
h(t)\ крутизну вольт-амперной характеристики головного каскада
будем обозначать g. Рассматриваемая цепь содержит два источни-
ка шума. Первый — это резистор Rv\ в эквивалентной схеме его
можно представить генератором шумового тока im, включенным
параллельно резистору. Средний квадрат импульсного тока на еди-
ницу частоты (А2/Гц)
^ = 4£77Я„. (17)
Второй источник связан с флуктуациями усиления сигнала пер-
вым каскадом усилителя. В эквивалентной схеме его действие мож-
но заменить генератором напряжения ит, включенным последова-
тельно со входом усилителя. Средний квадрат шумового напряже-
ния на единицу частоты (В2/Гц)
^ = 4Ш?8, (18)
где Rs = x>/g — эквивалентное шумовое сопротивление, причем ко-
эффициент х зависит от типа активного элемента, используемого в
головном каскаде усилителя; значения х обычно составляют от 1
до 3.
В работе [101] показано, что средние квадраты шумового сиг-
нала, выраженные в единицах заряда (Кл2), инжектируемого кол-
лектором во входную цепь, для обеих составляющих выражаются
соотношениями
^=0,5^+f [w{t)\*dt; (19)
— ОО
_ +оо
?L = °'5«LC2 J {K(0]2 + (i/Ta)HWP}^, (20)
— 00
где x=RPC и w(t) =h(tM — t) — весовая функция фильтра, входя-
щего в состав усилителя, которая является зеркальным отраже-
нием импульсной переходной характеристики относительно точки
tu№(tM) =/*макс]. Если весовая функция отлична от нуля на ин-
тервале протяженностью около тю, то интегралы, входящие в (19)
и (20), можно оценить соотношениями
/s= J lw'(Wdt = aJW (21)
/р= j ["MP* = артю, (22)
—оо
16

где а8 и ар — безразмерные коэффициенты, учитывающие форму
весовой функции используемого фильтра, причем ар близок к еди-
нице, a as возрастает, если весовая функция резко изменяется. На-
пример, для весовой функции, имеющей вид равнобедренной тра-
пеции с основаниями (1—2а)rw и (\+2a)rw (здесь факторы
а<1 учитывают долю общей ширины функции t«>, приходящуюся
на ее наклонные участки), ар = \—2/3а и as = \/a. Из приведенных
соотношений видно, что при а-Я), т. е. когда трапеция трансформи-
руется в прямоугольник, Яр-vl, a as-^oo, а при а->0,5 (трапеция
вырождается в равнобедренный треугольник) аР-*2/з и а8->~2.
Подставив (21) и (22) в (19) и (20), получим следующие
выражения для параллельной и последовательной составляющих
шумового заряда:
^ = (ар/2) 1шхт- (23)
9L = (^/2TIC)[asH-ap(tt0/t)2]. (24)
Суммарный квадрат шумового заряда удобно представить в
виде
где, как следует из (17) и (23),
ql;=(aprw)(2kT/Rp). (26)
Второе слагаемое в фигурных скобках учитывает относитель-
ный вклад последовательной составляющей шума qms/Quip1
С практической точки зрения интересно оценить относитель-
ный вклад этих составляющих в двух предельных случаях: когда
тад<т и при обратном соотношении %<&хю. В первом случае
где Гюо~ (RpRs) 72С — значение постоянной времени тю, при кото-
ром для специального вида весовой функции (as = av) вклад обеих
составляющих равен, а суммарный шум минимален. Этот случай
хорошо изучен и соответствует большим сопротивлениям нагрузки
Rp при работе с обычными (не позиционными) детекторами. При
отклонениях %ю от оптимального т^о в большую сторону преобла-
дает последовательная составляющая шума, а в меньшую — парал-
лельная. Второй случай больше соответствует специфике примене-
ния ПЧД, когда часто приходится использовать резисторы нагруз-
ки с малым сопротивлением Rp, при этом
&^ = W (28)
и
17

Позиционное разрешение в ПЧД с декодированием по распре-
делению заряда между несколькими КЭ. В ПЧД с таким декоди-
рованием каждый КЭ представляет собой независимый генератор
импульсов тока, нагруженный на входную цепь усилителя сигналов,
которая может быть представлена суммарной емкостью С и сум-
марной проводимостью \/Rp. Воспринимаемые коллекторными эле-
ментами заряды qi модулируются шумом соответствующих цепей »
усилителей. Вследствие этого результирующий позиционный сигнал,,
формируемый в соответствии с уравнением (13), измеряется с не-
определеностью, которая зависит от шумовых вкладов каналов
усиления. Оценим средний квадратический разброс позиционного
сигнала, обусловленный шумом, исходя из следующих допущений:
а) коллекторная система содержит /г=2т+1 идентичных КЭ,
расположенных вдоль оси х с шагом а (одномерный вариант ПЧД),
причем начало координат является осью симметрии коллекторной
системы (совпадает с центром среднего КЭ);
б) все усилители и их входные цепи идентичны (для оценка
примем RP = \0 МОм, С=30 пФ), и, следовательно, одинаковы их
шумовые вклады.
Относительная дисперсия позиционного сигнала складывается
из относительных дисперсий числителя и знаменателя уравнения:
(13), которые можно представить уравнениями
^исл = (^21дг?)/'?2(та)2; <30>
Чанам = Й"*)/<?2. (31>
где коэффициент &<1 учитывает корреляционную связь дисперсии
знаменателя с дисперсией числителя. Отметим, что в уравнении (30)
для нормирования использовано не среднее значение координаты
центра тяжести #ц.т, а половина размера коллекторной системы
L/2 = ma, чтобы избежать неограниченного роста относительной
дисперсии при л:ц.т->-0. Отметим также, что уравнение (31) соот-
п
ветствует случаю, когда общий заряд q=^qt формируется сумми-
рованием сигналов КЭ% с равными весами. В некоторых случаях
нормирующий сигнал снимают с отдельного электрода ПЧД (на-
пример, с катода в пропорциональном счетчике) с помощью от-
дельного усилителя. Тогда для т]зНам также можно использовать
уравнение (31) со значениями п=\ и k=\. Таким образом, относи-
тельное среднее квадратическое позиционное разрешение можно
представить в виде
% = 0х/та = [V^m I я)
Первый множитель в этом выражении задает масштаб разре-
шения; он определяется шумом усилителей и общим зарядом q, со-
бираемым коллекторными элементами. Второй множитель (в квад-
ратных скобках), зависящий от геометрической конфигурации кол-
]g х\ \ (та)2 + nk
(32>
18

лекторной системы, отражает особенности распределения заряда
между КЭ.
При оценке первого множителя примем, что в качестве голов-
ных каскадов используются полевые транзисторы в режиме с кру-
тизной g = 3 мА/В (что при х=1,5 дает Rs = 500 Ом), весовая функ-
ция, определяемая видом фильтрующих цепей, имеет треугольную
форму и т^ = 1 мкс (следовательно, ар=2/3 и as = 2). В данном слу-
чае X—RpC—200 мкс^Тю, поэтому для вычисления q*m можно ис-
пользовать уравнение (27). В результате получим Тюо=~Л,4 мкс и
=2,3 • Ю-17 Кл. Общий заряд q примем равным Ю-14 Кл;
это соответствует заряду, собираемому в пропорциональном счет-
чике при детектировании излучения с энергией 2 кэВ при газовом
усилении 1000. Таким образом, получаем У^Я^ /Я ~ Ю—3* Оцен-
ка второго множителя при числе КЭ от 3 до 7 дает значения от
2,2 до 3,5. Следовательно, при /г = 5 относительное среднее квадра-
тическое разрешение, обусловленное шумом, составит около 0,5 %
лоловины размера коллекторной системы.
Позиционное разрешение ПЧД с резистивными электродами.
"Рассмотрим шумовую составляющую позиционного разрешения на
примере одномерного детектора с линейным резистивным коллекто-
ром (см. рис. 1,а, б) у в котором позиционное декодирование выпол-
няется методом деления заряда. Как элемент электрической цепи,
подключенной ко входу усилителя, резистивная линия задержки,
замкнутая на втором конце, может быть аппроксимирована суммой
активной и емкостной проводимостей [94]:
К=1/Дд + /юС„/3, (33)
где Rn = R0L и CA = C0L — общие сопротивление и емкость резистив-
ного коллектора. Сопротивление резистивных коллекторов обычно
составляет или несколько сот ом (применение низкопроводящих
сплавов), или несколько килоом (при покрытии изоляторов тонкой
пленкой углерода). Следовательно, /?д определяет сопротивление
генератора параллельного шума RPy а емкость Сд дает вклад в
общую емкость С=Сд/3+Свх (где СВх — емкость монтажа и вход-
ной цепи усилителя). Последовательное шумовое сопротивление Rs,
как отмечалось, зависит от типа головного элемента усилителя и
его режима и может составлять от 50 до 500 Ом.
На практике стремятся к выполнению соотношения Яв//?Д<С1;
этим, как следует из уравнения (25), сводят к минимуму вклад в
общий шум последовательной составляющей.
Выбор формы и ширины весовой функции диктуется требова-
нием минимизации баллистической ошибки, которое сводится к ус-
ловию xw> 0,5тд = /?дСд (см. § 4). Наилучшие условия для изме-
рения, очевидно, обеспечиваются при формировании сигнала с пло-
ской вершиной. Поэтому при оценке примем трапециевидную форму
весовой функции с шириной Тю=тд и длительностью вершины
0,5 тд. Эти значения параметров обеспечивают линейность преобра-
зования при минимальной длительности w(t). Используя эти дан-
ные, найдем значение параметра формы трапеции а=0,25 и отно-
шение шумовых параметров as/ap = 5.
Теперь можно оценить относительный вклад последовательной
2* 19

составляющей [с учетом того, что /?«//?д<1 и т=#дСд(1 + ЗСВХ/СД)];
из уравнения (25) следует:
iL = & X * OW (as/ap) (1 + ЗСвх/Сд)*. (34)
Подставив в это выражение as/ap = 5 и приняв для оценки СВх =
= СД/3, получим 11щ s=20(#8/i?P). Таким образом, последователь-
ным шумом можно пренебречь, если, например, #д = 5 кОм и Rs =
= 100 Ом. В этих условиях результирующий шум определяется
уравнением (26), которое с учетом того, что тг*=тд=#дСд и Rp =
= #д, преобразуется к виду
^«^=1.6»ГС„. (35)
Полученный результат интересен тем, что в рассматриваемом
случае, когда вкладом q\is можно пренебречь, результирующий
шум зависит только от общей емкости резистивного электрода. На-
пример, при емкости Сд = 30 пФ получаем аш = |//Г^1 — 0,5 • Ю-15 Кл,
что соответствует примерно 3 • 103 элементарным зарядам (э. з.).
Отметим, что при выполнении условия Тг*>>0,5тд шумы на выходе
усилителей сигналов, подключенных к противоположным концам
резистивного электрода, антикоррелированы и вследствие этого от-
носительной дисперсией суммарного сигнала <7i + #2 при вычислении
позиционного разрешения можно пренебречь [101]. Следовательно,
относительное среднее квадратическое позиционное разрешение в
рассматриваемом случае
r\x = ox/L = om/q, (36)
где qзаряд, снимаемый с одного из концов электрода, а о*ш=»
определяется из (35). Например, при заряде, снимаемом с
коллектора, q=\05 э. з. позиционное разрешение г\х = 3 % длины
L электрода. Если сопротивление резистивного электрода заметно
меньше, чем принятое при оценке, то для вычисления шума необ-
ходимо использовать общее уравнение (25).
Рассмотренный принцип вычисления позиционного разрешения
можно использовать и при временном декодировании позиционной
информации, при этом коэффициенты ар и as вычисляют, исходя
из конкретной формы весовых функций w(t). Поскольку в этом
случае используют биполярное формирование, существенно возра-
стает отношение as/ap и соответственно увеличивается вклад по-
следовательного шума. Это качественно объясняет худшие резуль-
таты, получаемые при использовании временного декодирования [79].
Разрешение при выделении позиционного сигнала с помощью
внешней линии задержки. В этом случае усилители, выделяющие
позиционные сигналы, подключают к концам LC-линии задержки,
в промежуточные точки которой коллекторные элементы ПЧД ин-
жектируют импульсы тока (см. § 4). Чтобы исключить отражение
сигналов от концов линии, входы усилителей шунтируют сопротив-
лениями RPi равными характеристическому р для используемой ли-
нии. Обычно значения р составляют от нескольких сотен ом при-
мерно до 1 кОм. Поскольку входная емкость С в этом случае ми-
20

нимальна (емкость монтажа и емкость головного каскада), по-
стоянная времени входной цепи т= (р/2) С обычно не превышает
10 не и соотношение (т/т«,)<1 надежно выполняется. В этих ус-
ловиях шум определяется соотношением (29), в которое необходимо
подставить Rp = p/2:
fi1(4kT/o)(l+2Rs/p)apTwi (37)
Низкое сопротивление Rp = p/2 параллельного генератора шу-
ма обусловливает довольно высокий уровень шума на выходе уси-
лителей. Возможный способ снижения этого уровня при использо-
вании в качестве устройства декодирования линии задержки ука-
зан в работе [101]. Он основан на концепции «электронного охлаж-
дения» сопротивления Rp.
В [101] отмечено, что, поскольку сама линия задержки не со-
держит резистивных элементов и, следовательно, не «шумит» (из
пассивных элементов только резисторы являются генераторами шу-
ма), решение данной проблемы состоит в отыскании такой согла-
сующей цепи, которая также не содержала бы резистивных эле-
ментов, но воспринималась в интересующем нас диапазоне частот
как действительный импеданс с модулем, равным р. Анализ пока-
зал, что требуемое согласование может обеспечить простейший
усилитель, выполненный по каскодной схеме с емкостной отрица-
тельной обратной связью, если в интервале частот, содержащем
большую часть спектрального разложения сигналов, снимаемых с
линии, коэффициент усиления каскодной схемы с разомкнутой об-
ратной связью выражается соотношением
^(/©) = -fe/cB)№>rl, (38)
где Ск — выходная емкость каскодного усилителя, a g — крутизна
головного каскада.
Легко показать, что входной импеданс такого каскада является
чисто активным:
Явх=Г"1(Ск/С0.с), (39)
где С0.с — емкость конденсатора обратной связи.
Отсутствие при таком согласовании шунтирующей резистивной
цепи (влиянием сопротивления резистора, необходимого для зада-
ния режима головного каскада, будем пренебрегать) исключает
действие генератора параллельного шума. Однако цепь обратной
связи передает с выхода на вход шумовое напряжение первого кас-
када с коэффициентом передачи, близким к единице. Таким обра-
зом, напряжение на входе усилителя будет флуктуировать, причем
средний квадрат этого шумового напряжения
^ = 4Ш?,. (40)
где Rs — шумовое сопротивление головного каскада согласующего
усилителя.
Поскольку подключение этого каскада эквивалентно шунтиро-
ванию внешней цепи сопротивлением RBX, удобно представить и\
как результат генерации шума сопротивлением RBX:
и\ = 4£ГЭКВЯВХ = 4k (TRS/RBX) RBX, (41)
21

при этом, однако, приходится допустить понижение температуры
согласующего резистора в RS/RBX раз. В этом и состоит сущность
электронного охлаждения. Соответствующий напряжению иш шу-
мовой .ток равен:
4 = ^вх = 4^экв/«вх^ (42)
Следовательно, реализованное с помощью «охлаждающей» кас-
кодной схемы виртуальное сопротивление р является источником
последовательного шума. Поскольку к линии подключены два со-
гласующих каскада, результирующий выходной шум должен быть
удвоен:
= = 2<4 Ws/9) = MTapTw (Дв/р*). (43)
Таким образом, электронное охлаждение дает выигрыш в |х0хл раз,
причем
|*охл = [(Р//г.)(1 + адв/р)],/-. (44)
Например, при использовании линий задержки с характери-
стическим сопротивлением р = 600 Ом при #s=100 Ом шум сни-
жается примерно в 3 раза. Если используемая линия имеет низкое
характеристическое сопротивление, то дополнительное увеличение
фактора охлаждения в п раз можно получить, передавая сигналы
с линии задержки на согласующие каскады с помощью повышаю-
щих импульсных трансформаторов с коэффициентом трансформа-
ции п.
При декодировании с помощью линии задержки сигналы с вы-
ходов линии дифференцируются, после чего фиксируются моменты
t0\ и to2 пересечения биполярными сигналами нулевой линии. По-
зиционный сигнал определяют как интервал At = tol—to2. Поэтому
позиционное разрешение в данном случае определяют как
aJC/L=V2(cr///a), (45)
где Gt—средний квадратический разброс моментов пересечения в
одном из временных каналов; коэффициент У2 учитывает вклад
второго канала, a t3 — время задержки используемой линии.
Если сигналы, снимаемые с концов линии, описываются нор-
мальным распределением с дисперсией о\у то можно показать [101],
что временной разброс в каналах описывается уравнением
af = 4V^(^), (46)
гДе Яш—шумовой заряд из соотношения (46), в котором прини-
мается артю — 1, и q— заряд, инжектируемый в линию, при де-
тектировании события. Соответственно позиционное разрешение
о^а = 3,2о1'*(Яш/я) (<**/**)• (47)
Последний множитель в этом выражении характеризует размы-
тие сигнала при его распространении по линии (дисперсию линии).
Оценим позиционное разрешение такого ПЧД при следующих па-
22

раметрах сигнала, линии задержки и согласующего усилителя:. q=
= 10-14Кл, а3=10-7с, а8//3 = 0,1, р=600Ом и #3=100 Ом. Вычис-
ление дает разрешение Gt/t3=l %, сравнимое с полученным для си-
стемы декодирования по распределению заряда между нескольки-
ми КЭ. Если же не использовать электронное охлаждение, то ре-
зультаты оказались бы примерно в три раза хуже.
ГЛАВА 2
ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПЧД
5. ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ
ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
Газонаполненные ионизационные ПЧД так же как и обычные
детекторы, могут быть основаны на различных видах газового раз-
ряда (несамостоятельного, гейгеровского, искрового). Первыми по
времени появились ПЧД, в которых использовался искровой раз-
ряд— искровые камеры (ИК); они еще недавно были основными
трековыми детекторами в экспериментах физики высоких энергий.
Если вначале ИК выполняли с оптическим считыванием информа-
ции (фильмовые ИК), то затем наибольшее распространение полу-
чили бесфильмовые ИК с непосредственным выводом информации.
Типичная ИК содержит расположенные в определенном порядке
разноименно заряженные проволоки (нити) или один сплошной
электрод и второй электрод, выполненный в виде ряда тонких па-
раллельных друг другу проволочек, и наполнена благородным га-
зом. Электроны, созданные в газе на пути заряженной частицы,
ускоряются сильным импульсным электрическим полем и иницииру-
ют лавину, приводящую к искровому разряду. Этот разряд лока-
лизуется в малом объеме вдоль трека частицы (или в некоторых
ИК вдоль электрического поля) и позиционная информация сни-
мается с тех проволок, на которых замыкается искровой разряд. За-
тем полученные данные о порядковом номере сработавших прово-
лочек заносятся на ферритовые сердечники, связанные с соответст-
вующими нитями, — в ячейки оперативной памяти (ферритовая
ИК) или сигналы с проволочек наводят звуковые колебания в маг-
нитострикционной линии задержки (магнитострикционная ИК).
Последующую обработку сигналов осуществляют, как правило,
на ЭВМ.
Хотя искровые камеры позволяют получить позиционное разре-
шение до 0,15—0,2 мм, они по сравнению с многопроволочными
ПЧД других типов имеют очень большое мертвое время (1—10" мс),
не обладают пропорциональной реакцией на потери энергии реги-
стрируемых частиц, требуют для питания коротких по времени вы-
соковольтных импульсов. Поэтому эти устройства не будем рассмат-
ривать подробно. К тому же работа ИК, их характеристики и разно-
видности конструкций описаны в литературе (см., например, [7, 13,
62, 103]).
ПЧД на основе счетчика Гейгера — Мюллера не получили пока
широкого распространения, что обусловлено как нецропорциональ-
23

ной реакцией таких детекторов на энергию регистрируемой частицы
или кванта, так и трудностью выделения позиционной информации
из-за распространения разряда по всему объему счетчика (а не ло-
кализации его у места попадания частицы или кванта, что имеет
место в ПЧД других типов).
Дискретные одномерные гейгеровские ПЧД содержат один ряд,
а двухмерные—матрицу автономных детектирующих элементов
(ДЭ) — торцевых счетчиков Гейгера малого размера. Поскольку по-
зиционное разрешение определяется диаметром ДЭ, выгодно умень-
шать этот размер счетчиков DK. Однако если DK <; 1 мм, возраста-
ют технологические трудности при изготовлении детекторов и зна-
чительно увеличивается частота темновых разрядов (фона); в та-
ких счетчиках с /?>Ю0 кПа возникает искровой разряд, а в счет-
чиках с р< 10 кПа — тлеющий.
Пример такого ПЧД — детектор для регистрации квантов уль-
трафиолетового и длинноволнового рентгеновского излучений, со-
держащий 46 торцевых ДЭ с медными катодами Z)K = 2 мм и воль-
фрамовыми нитями dH = 0,05 мм; расстояние между центрами ДЭ
составляет 2,5 мм, а общие размеры активной поверхности 15Х
Х19 мм [10].
Методы построения аналоговых ПЧД основаны на распростра-
нении с определенной скоростью разряда, инициированного иони-
зирующей частицей, вдоль нити в противоположные стороны от ме-
ста его возникновения. На длину 1 см разряд распространяется за
0,1—0,5 мкс.
В одном из таких ПЧД, содержащих резистивный анод, изме-
ряют отношение токов ifi, i2y поступающих в оба конца анодной ни-
ти. До тех пор пока разряд не дошел до одного из торцов счет-
чика, центр разряда остается в точке, у которой локализован трек
ионизирующей частицы; измеряя величину ii/(ii + i2) на первом уча-
стке вырабатываемых электрических сигналов, можно определить
координату места попадания в детектор заряженной частицы. В та-
ком детекторе длиной 80 см, диаметром 3,5 см использовалась нить
диаметром 0,0125 мм с сопротивлением 85 Ом/см [55].
Другой вариант ПЧД со счетчиком Гейгера — Мюллера исполь-
зует свечение фронта распространяющегося разряда. Для этого в
корпусе счетчика у его торцов выполнены два щелевидных окна,
перпендикулярных оси детектора; у окон расположены ФЭУ, сиг-
налы с которых соответствуют моментам времени, когда разряд до-
ходит до них. По интервалам времени между возникновением им-
пульса в цепи анода счетчика и передними фронтами сигналов на
выходе каждого из ФЭУ At\ и At2 можно определить координату
места возникновения разряда х, даже не зная скорости распростра-
нения разряда [при расстоянии L между щелями x=LAti/(Ati-\-
+ А/2)]. Если же эта скорость известна и неизменна, можно огра-
ничиться одной щелью в корпусе счетчика и одним ФЭУ. В таких
счетчиках диаметром 20 мм с вольфрамовыми нитями диаметром
от 0,05 до 0,5 мм погрешность в определении координаты места по-
падания частицы близка к 0,05 мм [55].
Аналогично выполняли и двухмерные ПЧД со счетчиками Гей-
гера— Мюллера; они содержали несколько счетчиков, расположен-
ных в одной плоскости, а анодные нити счетчиков были соединены
«змейкой». Разряд вдоль такой змейки распространялся так же, как
24

и вдоль прямой нити. Позиционное разрешение по двум коорди-
натам было близко к 1 мм [55].
Одномерный позиционно-чувствительный пропорциональный счет-
чик. Чаще всего ПЧД такого типа аналогичен обычному пропорцио-
нальному счетчику, но имеет анодную нить со значительным сопро-
тивлением. Из-за распределенного сопротивления анодной нити и
распределенной емкости между анодом и катодом пропорциональный
счетчик эквивалентен RC-лшш с распределенными параметрами
(см, § 3). Позиционная информация может быть выделена в этом
ПЧД как по времени нарастания сигнала, так и по отношению за-
рядов, поступающих на оба конца нити. Для этого к обоим концам
анодной нити должен быть обеспечен доступ. Поскольку сигналы
снимают с анода, обычно он находится под потенциалом, близким
к нулевому, а высокое напряжение подают на катод. Анодные
выводы защищают охранными кольцами, чтобы снизить утечки с
анода на катод и тем самым улучшить позиционное и энергетиче-
ское разрешение. Поскольку для повышения этих параметров не-
обходимо снижать и паразитные емкости, проводники, соединяющие
выводы анодной нити с предусилителями, выполняют, по возмож-
ности, более короткими; предусилители выгодно размещать непо-
средственно в корпусе пропорционального счетчика.
Материал для анодных нитей выбирают в зависимости от тре-
буемого удельного сопротивления R0, что, в свою очередь, опреде-
ляется необходимым позиционным разрешением и приемлемым вре-
менем обработки сигналов. Так, нихромовые нити dH = 75 мкм име-
ют /?0=0,3 Ом/мм, нити из нержавеющей стали dH = 7-M3 мкм име-
ют /?о = 6-т-Г8 Ом, а для кварцевых нитей dH = 25-f-75 мкм, покры-
тых слоем пиролитически осажденного углерода, /?0=50-^-8000 Ом/мм.
Детекторы, использующие деление зарядов, выполняют с нитя-
ми, имеющими RQ=20^-8000 Ом/мм; в детекторах, использующих
измерение задержки сигнала, чтобы коэффициент позиционного пре-
образования был равен 2—5 нс/мм, при С0=0,01 пФ/мм необходи-
мы нити с #о=1-ьЗ кОм/мм [эти значения могут быть вычислены
по формуле (16)].
Счетчики обычно имеют длину от 200 до 600 мм. Краевые эф-
фекты, наиболее существенные при использовании измерения вре-
мени нарастания сигнала, ограничивают полезную длину нити до
0,75 фактической ее длины.
В табл. 1 приведены характеристики некоторых позиционно-
чувствительных пропорциональных счетчиков, описанных в литера-
туре; они дают представление о размерах детекторов, используемых
газовых смесях и достигнутом позиционном разрешении.
Наилучшее позиционное разрешение достигается, когда треки
заряженных частиц перпендикулярны анодной нити. В ухудшении
разрешения при регистрации частиц, траектории которых не перпен-
дикулярны нити, основное значение имеет флуктуация потерь энер-
гии частицами; например, для пучка проникающих протонов, пада-
ющих под углом 45° к оси, разрешение ухудшается более чем
втрое по сравнению с достигнутым при нормальном падении пучка
[60]. Существенный вклад в полуширину линии дает многократное
рассеяние частиц в пропорциональном счетчике.
Для улучшения позиционного разрешения при регистрации про-
никающих частиц целесообразно уменьшать глубину счетчика; од-
нако это портиворечит стремлению получить хорошее энергетическое
разрешение значений переданной счетчику энергии. Переход от ар-
25

Литература
'^"^'оо'соЪо'со'со'^1'^'Ь^'Ьо'со'Ь^'т^'^<'
■—СО Tf1 СО CD CD СО '—'CD CO-^Oi CO '—"—■
Позицион-
ное
разреше-
ние, мм
t^- CO CO CD LO
ЮС^Ю^-н^ OCDt^-CD»-^(NCDm(N
о сГ сГ о о об о о ^ о - - 6 ю
Энергия,
МэВ
к
СО —' СЗ
СО СО (N СО Й
Я. | °~ °~ Я. Я Я 00 Я | | | ° л
О ©ЮЮСОСОЮЮ© С ~
Излучение
Давление,
кПа
150
Проточный
200
100
300
100
300
Проточный
»
100
Проточный
100
100
100
150
Газовая
смесь
'аГ'оГ'аГ'аГ
ХХХХ
vp чО vp vp
т1< ч1< еэ4» ©Ni ^ ^
qooo о дд
Л H hUUUU u ц u tl. *-}
1 Y] <
l- P U Ih
<<<<
Метод
выделения
данных
о нити»
кОм/мм
<N CM
о ^ о
ю о ю о о
ООООООООбоОООООООО оо* о* о"00 00
Сечение, мм2
(диаметр, мм)
ю ю ю ю ю ю ю
2 СО 2 <^ <N <N Csf 2 °° СО 2 Ю Ю
И хххх II 1 II II II
Длина,
мм
оооююююооюооооо
OOO(N(N<N(NlOO^OO00OO
^(N'^CDCDCDCDCNCNCOCMCOCD'^Tf'
ч
a
i
со
I
26

гона к таким газам, как пентан или изобутан, а также повышение
давления газа в счетчике улучшают энергетическое разрешение, но
увеличивают рассеяние частиц; кроме того, в многоатомных газах
ухудшается время сбора заряда, что также отрицательно влияет
на позиционное разрешение. Однако для нейтронных ПЧД этого ти-
па повышение давления BF3 заметно улучшает пространственные
характеристики [б].
Были предложены некоторые модификации пропорциональных
счетчиков с улучшенным позиционным разрешением, например де-
текторы со спиральным катодом [44, 92], или с вертикальным дрей-
фом электронов, образованных при ионизации [59]. Детекторы,
структура которых учитывает угол падения частиц или которые рас-
считаны на измерение мест попадания частиц в двух плоскостях
[60], позволяют улучшить позиционное разрешение в случае, когда
траектория проникающих частиц не перпендикулярна оси счетчика.
ПЧД со спиральным катодом, образованным однорядной на-
моткой медного провода (изоляция с внутренней стороны удалена),
был" создан для регистрации нейтронов [23]. Такая конструкция
позволяет увеличить время задержки сигнала и упростить элект-
ронные каскады; линия задержки (соленоид — корпус счетчика)
имела полное время задержки 0,28 мкс и волновое сопротивле-
ние 1,5 кОм.
Повышение средней частоты срабатывания счетчиков п до
104 имп./с обычно не влияет на позиционное разрешение. При боль-
ших частотах как позиционное, так и энергетическое разрешение
ухудшаются.
Многонитевые детекторы с резистивными анодами. Набор рези-
стивных нитей, расположенных в одной плоскости с равным расстоя-
нием а между их центрами, позволяет создать двухмерный ПЧД;
позиционное разрешение по одной из координат определяется значе-
нием а, а по другой — аналогично разрешению одного счетчика.
При малом числе нитей обработку сигналов с каждой нити
выполняют автономно. Однако при значительном их числе для со-
кращения объема электронного оборудования целесообразно исполь-
зовать дискретно-аналоговое преобразование сигналов. Структурная
схема такого детектора приведена на рис. 4, а [48]. Смежные анод-
ные нити соединены через резисторы R и образуют анодную матри-
цу с четырьмя выходами. Из сигналов, возникающих на этих выхо-
дах, при помощи сумматоров С формируются координатные сигна-
лы их и иу (затем выделяются моменты пересечения напряжением
нулевого уровня). Детектор состоит из 30 анодных нитей диамет-
ром 0,025 мм и длиной 120 мм, расположенных с шагом 2,5 мм.
Пространственное разрешение по координате х составляет 0,15 мм>
а по координате у — 2,5 мм. При таком соединении нитей сущест-
венна позиционная нелинейность; чтобы ее значение не превышало
5%, сопротивление R должно быть в 20 раз меньше сопротивле-
ния отдельной нити.
Структурная схема другого детектора, обладающего меньшей
позиционной нелинейностью и работающего при больших импульс-
ных загрузках (до 5• 104 имп./с), но имеющего худшее позиционное
разрешение, показана на рис. 4,6 [5]. Детектор представляет собой
набор независимых пропорциональных счетчиков с катодными плос-
костями, образованными резистивными нитями и отстоящими от
анодных нитей на 3 мм. Катоды действуют как независимые орто-
гональные /?С-линии (R ж 60 Ом/нить, С«0,5 пФ/нить), экраниро-
27

ванные друг от друга анодной сеткой, соединенной с корпусом (сиг-
налы при срабатывании счетчика наводятся в катодах).
Сходен с рассмотренным детектор, в котором между фронталь-
ным катодом и анодами введены два дополнительных электрода
(сетки) из высокорезистивного провода, навитого «змейкой» (распо-
ложение проводников в электродах ортогональное). При движении
положительных ионов в этих электродах создаются сигналы, из
Рис. 4. Двухмерные ПЧД на базе пропорциональных счетчиков с
резистивными нитями: с подсоединением концов нити к резистивным
делителям (а) и с катодами, образованными ортогональными си-
стемами нитей, (б)
которых выделяется позиционная информация. В детекторе с ак-
тивной площадью 230X230 мм расстояние между анодами и като*
дом составляет 19 мм; сетки навиты проводом диаметром 20 мкм,
а их полное сопротивление близко к 10 кОм [75].
В качестве ПЧД, предназначенного для идентификации частиц,
отметим детектор, в котором три счетчика с резистивными нитями
расположены один над другим в одном корпусе [63]. Гибкость
ПЧД с резистивными нитями можно проиллюстрировать также на
примере цилиндрического многонитевого счетчика, в котором нити
располагаются по образующей цилиндра [85]. Угловая координата
определяется по номеру нити, в которой возникает сигнал, а коор-
дината по высоте — по отношению зарядов на концах нитей. Та-
кой детектор имеет диаметр 100 см и высоту 75 см.
Пропорциональная камера. Наибольшее распространение среди
двухмерных газонаполненных ионизационных ПЧД получили много-
проволочные пропорциональные счетчики с анодными нитями, име-
ющими пренебрежимо малое сопротивление. Эти детекторы назвали
пропорциональными камерами (ПК).
Многопроволочные ПК обычно содержат множество анодных
нитей, установленных в плоскостях, расположенных между катод-
ными электродами (плоскостями). В анодной плоскости нити диа-
метром dn расположены друг от друга на равном расстоянии; ка-
тодные электроды могут быть как сплошными, так и состоять из
параллельно натянутых нитей (рис. 5, а).
28

Вгрхнии
натод
В картине эквивалентных линий такой структуры (рис. 5, б)
можно выделить три области электрического поля. В большей части
объема поле однородно; вблизи нити, так же как в цилиндрическом
пропорциональном счетчике, напряженность обратно пропорциональ-
на расстоянию до оси нити и только между нитями существует об-
ласть очень слабого поля [51, 52]. Если в таком устройстве ча-
стица образует в газе пары ионов, электроны дрейфуют по направ-
лению к анодной нити;
когда они достигают ок-
рестности нити, возникает
лавина и затем на соот-
ветствующей анодной нити
генерируется электрический
сигнал (импульс заряда).
Следовательно, в системе
каждая анодная нить дей-
ствует как независимый
детектирующий элемент,
а считывание сигналов со
всех нитей позволяет вы-
делить срабатывающий де-
тектирующий элемент и
определить место попада-
ния частицы или взаи-
модействия кванта с га-
зом, наполняющим ПК
[108]. Чтобы получить по-
зиционную информацию о
двух кооодинатах, до-
статочно в ПК иметь
две анодные плоскости с
ортогонально расположен-
ными нитями, заключен-
ные между тремя катод-
ными электродами.
Конструкции ПК и
методы их изготовления
описаны во многих рабо-
тах, например [51, 111].
Обычно расстояние между центрами анодных нитей а выбира-
ют равным 2 или 1 мм, а межэлектродное расстояние равно 6—
8 мм. Анодные нити изготавливают из вольфрамовой золоченой
проволоки dH = 16-1-20 мкм, а катодные плоскости из проволоки
большего диаметра (около 100 мкм), намотанной с шагом 0,3—
0,5 мм (см., например, [9, 58]).
Газ, наполняющий ПК, должен быть таким, чтобы при низ-
ком рабочем напряжении детектор обладал высоким газовым уси-
лением Mt хорошей пропорциональностью, высоким быстродействием
и большим сроком службы. Наилучшим образом этим требованиям
удовлетворяют смеси инертного газа с небольшой примесью много-
атомных газов (однако использование многоатомных газов может
привести к значительному снижению ресурса ПК). В большинстве
ПК используют газ при давлении 100 кПа, хотя, повышая давление,
можно улучшить позиционное разрешение. В то же время снижение
давления газа позволяет существенно улучшить временное разре-
Рис, 5. Принцип построения (а)
многопроволочной пропорциональной
камеры и структура электрического
поля (б)
29

шение, доведя его до значений, меньших 1 не. Добавление к га-
зовой смеси малых количеств ^электроотрицательных паров (таких,,
как фреон, этилбромид и др.) позволяет довести значение М до 107
и повысить предельную частотную нагрузку [49, 77].
При давлении газа 100 кПа и напряженности поля 105 В/см
средняя длина свободного пробега электронов при ударной иониза-
ции близка к 1 мкм; при М=105 радиальное распространение лави-
ны около 20 мкм. С ростом усиления М увеличивается поперечное
размытие лавины, и лишь при некотором усилении М лавина окру-
жает нить [52, 99].
В большинстве случаев (главным образом в ПК.больших разме-
ров) каждую анодную нить соединяют со своим автономным усили-
телем — нормализатором. Когда трек частицы перпендикулярен анод-
ной плоскости, обычно возбуждается тблько одна нить. При наклон-
ных треках проникающих частиц сигнал может возникнуть в двух
нитях и более; это затрудняет обработку данных. Для таких ПЧД,
позиционное разрешение определяется расстоянием между центра-
ми нитей, т. е. составляет 1—2 мм^ кроме того, по сигналу, сни-
маемому с нити, нельзя определить, с какой стороны к нити про-
дрейфовал электрон, т. е. существует неопределенность «справа —
слева».
Однако в ПК можно получить существенно большую информа-
цию, чем номер сработавшего детектирующего элемента и амплиту-
да сигнала, пропорциональная энергии, переданной чувствительному
объему, детектора. Используя эту информацию, можно улучшить по-
зиционное разрешение ПК. Когда трек проникающей частицы пер-
пендикулярен анодной плоскости, электроны, образованные вдоль
трека, попадают к нити, проходя разный путь в поле. Если измерять
задержку сигнала .с анода ПК относительно импульса какого-либо
детектора (например, сцинтилляционного), отмечающего момент про-
лета регистрируемой частицы, то, исходя из времени дрейфа (обыч-
но около 300 не для расстояния 8 мм), можно интерполировать
положение трека между нитями и улучшить позиционное разреше-
ние почти на порядок.
Существенно лучшее позиционное разрешение, чем ПК обыч-
ного типа, имеют камеры с измерением амплитудного распределе-
ния импульсов^ наведенных на катоды. Для этого катодные плоскос-
ти выполняют не сплошными, а состоящими из полос с малыми за-
зорами (или групп проволок, объединенных в сегменты) [99]. Если
при движении к катоду положительных ионов, созданных в лави-
не, основной сигнал возникает на той анодной нити, у которой раз-
вилась лавина, то в катодной плоскости (из-за ее относительной
удаленности от 'зоны генерации ионов) сигналы наводятся на не-
сколько полос или сегментов. Вычисляя положение центра тяжести
распределения наведенных сигналов, можно определить координа-
ту трека с погрешностью, намного меньшей, чем расстояние между
центрами анодных нитей. В двухмерном ПЧД такого типа катодные
полосы или сегменты в обеих плоскостях должны быть ортого-
нальны и каждую полосу подключают к автономному усилителю.
Измерение амплитудного распределения наведенных сигналов
позволило получить позиционное разрешение 0,05 мм по координа-
те, совпадающей с направлением анодных нитей, и 0,15 мм по дру-
гой координате. В таком ПЧД координаты места пролета частиц
можно определить с малой погрешностью и в случае наклонных
треков, когда лавины возникают не у одной, а у нескольких анод-
30

ных нитей. Кроме того, корреляция между амплитудами импульсов,
наведенных на разные полосы или сегменты, позволяет исключить
из обработки многотрековые события.
В тех случаях, когда важны простота оборудования и его низ-
кая стоимость, используют аналоговые методы считывания сигналов
с ПК, подключая нити или к линии задержки (и применяя времен-
ной метод выделения позиционной информации), или к внешнему
резистивному делителю (и измеряя отношение сигналов).
6. ДРЕЙФОВЫЕ КАМЕРЫ
Дрейфовые камеры (ДК), появившиеся около 10 лет назад
[51, 114], довольно быстро заняли видное место в технике физи-
ческого эксперимента, и круг их применения непрерывно расширя-
ется [27]. К важным достоинствам этих ПЧД относятся; пропор-
циональная реакция на потери энергии; простота выделения пози-
ционной информации с достаточной точностью при сравнительно не-
большом объеме электронного оборудования; возможность реализа-
ции детекторов с очень большой чувствительной поверхностью; ши-
рокие возможности для создания ПЧД разнообразных геометриче-
ских конфигураций.
Принцип работы ДК основан на том, что в некоторых газовых
смесях скорость дрейфа электронов в межэлектродном пространст-
ве слабо зависит от напряженности электрического поля <£. Если
напряженность на пути дрейфа меняется в ограниченных пределах,
можно принять, что измеряемое время дрейфа пропорционально пу-
ти дрейфа от точки образования электрона до собирающего элект-
рода.
Применяемые газовые смеси. В соответствии со сказанным при
проектировании ДК газовую смесь стремятся выбрать так, чтобы
обеспечить постоянство дрейфовой скорости в возможно более ши-
роком диапазоне изменения напряженности электрического поля и,
кроме того, минимальную пространственную дисперсию при дрейфе
электронов вдоль силовых линий поля.
Исследование зависимости дрейфовой скорости w от приведен-
ной напряженности электрического поля <£//? [04, 84, 102] показа-
ло, что w — const для смеси аргона с изобутаном при <£/р=
= (0,6ч-1,9) • 10_3 В/(мм-Па) (оптимальное отношение концентра-
ции этих газов 6:1), а характеристическая энергия <£к для ука-
занной смеси составляет 0,3—1 эВ [95, 104]. Оценка, выполненная
при этих условиях, дает среднее квадратическое значение диффузии
электрона о* = 0,25 мм при расстоянии дрейфа 10 мм.
Однонитевая дрейфовая камера. Схематическое изображение
простейшего варианта дрейфовой камеры, в котором обеспечена вы-
сокая однородность электрического поля в дрейфовом промежутке,
приведено на рис. 6, а [64]. Дрейфовый промежуток образован дву-
мя рядами нитей, расположенных перпендикулярно плоскости
чертежа, причем на каждую пару нитей, соответствующих
одной вертикали, подано одинаковое напряжение. Левая граница
дрейфового промежутка образована корпусом цилиндрического про-
порционального счетчика, находящимся под нулевым потенциалом,
а правая — крайней парой нитей, на которые подано высокое отри-
цательное напряжение ид. Потенциалы на промежуточные нити за-
даются с помощью делителя так, что напряжение, подводимое к
нитям, при перемещении слева направо равномерно снижается. Каж-
31

Траектория
частицы
i • 9 • я ■• • _ • •
Область дрейфа
.— w i
-и»
Сц
а)
£77
о
43
I)
тт
owj |^/7
дая пара нитей задает эквопотенциалы. Если ширина дрейфового
промежутка превышает расстояние между парами нитей, форми-
рующих поле, то напряженность в промежутке оказывается^ при-
мерно постоянной, что обеспечивает постоянство скорости дрейфа с
высокой точностью и, как следствие, линейную зависимость между
измеряемым временем дрейфа и координатой образования первич-
ного заряда. В рассматриваемой камере, как и в большинстве дрей-
фовых камер, стартовый сигнал, начинающий измерение времени
дрейфа, вырабатывает вспо-
могательный сцинтилляцион-
ный счетчик, сцинтиллятор ко-
торого перекрывает чувстви-
тельную поверхность ДК.
Дрейф первичного заря-
да оканчивается в рабочем
объеме пропорционального
счетчика, вблизи нити кото-
рого происходит умножение
этого заряда. Импульс, сни-
маемый с пропорционального
счетчика, останавливает пре-
образование время — ампли-
туда (или время — цифра)
в устройстве измерения вре-
мени дрейфа. Важным до-
стоинством ПЧД на основе
такой ДК является пре-
дельная простота выделения
позиционной информации: с
детектора снимается всего
два сигнала («старт» — со
сцинтилляционного счетчика
и «стоп» — с пропорциональ-
ного). Поскольку в рассмат-
риваемом случае нет огра-
ничений по выбору сопро-
тивления смещения Rv в цепи коллектора (см. § 4), уже при ко-
эффициенте газового усиления Л1>103 шум усилителя практиче-
ски не влияет на позиционное разрешение.
Высокая однородность поля не налагает жестких требований на
состав газовой смеси. Например, описанная в работе [84] ДК, сход-
ная с рассмотренной, была наполнена смесью неона с метаном, для.
которой постоянство дрейфовой скорости сохранилось при измене-
нии от 0,52-10"3 до 0,82.10-3 В/(мм-Па). Полученные зна-
чения позиционного разрешения составили 0,6 и 0,3% для длин
дрейфа 10 и 50 см соответственно. Выполненная по этому принци-
пу камера может быть использована как двухмерный ПЧД, если
в пропорциональном счетчике использовать резистивный анод, а ко-
ординату точки возбуждения анода определять с помощью одного
из методов позиционного декодирования, рассмотренных в § 3.
К недостаткам рассмотренной ДК следует отнести пропорцио-
нальную зависимость требуемого напряжения Un и времени восста-
новления (равного максимальному времени дрейфа) от длины дрей-
фового промежутка L. Например, на камеру, описанную в работе
[84], имеющую L = 50 см, подавалось напряжение 1)ж около 50 кВ,
В)
Рис. 6. Основные виды дрейфо-
вых камер: однонитевая с одно-
родным полем (а), многонитевая
с неоднородным (б) и однород-
ным полем (в)
32

что обеспечивало напряженность ^ = 100 В/мм, при этом макси-
мальное время дрейфа составляло около 7 мкс.
Многоэлектродные ДК. Применение многоэлектродных ДК поз-
воляет получить при малом времени дрейфа и относительно низком
напряжении на электродах большую чувствительность поверхность.
Впервые такая возможность отмечена в работе [114]. Принцип ра-
боты многоэлектродной ДК до некоторой степени сходен с принци-
пом работы многонитевого пропорционального счетчика. В зазор
между двумя пластинами — катодами (рис. 6,6) помещают с рав-
ными интервалами несколько анодных нитей А. При детектировании
заряженной частицы номер сработавшей нити отмечает координа-
ту с точностью до длины интервала между нитями, а интерполяция
координаты в пределах интервала производится на основе измерения
времени дрейфа первичного заряда до соответствующей анодной
нити.
При создании таких устройств должны быть приняты меры
по разграничению дрейфовых промежутков, относящихся к сосед-
ним анодам, а также по исключению неопределенности пересече-
ния дрейфового промежутка траекторией детектируемой частицы
(слева или справа от соответствующей анодной нити). Необходимо
также учитывать неоднородность электрического поля, обусловлен-
ную не планарной конфигурацией электродов (анодов А и форми-
рователей поля ФП) камеры. Для разграничения дрейфовых про-
межутков между анодами вводят дополнительные электроды ФПУ
на которые подают отрицательное напряжение Цф остносительно
катодов К. Таким образом, поле, в котором дрейфуют первичные
электроны, определяется разностью потенциалов на аноде Ua и на
формирующем электроде £/ф, которая равна |£/а| + |£/ф|. В практи-
чески выполненных устройствах диаметр анодной нити обычно бли-
зок к 20 мкм, диаметр нити формирования поля — к 100 мкм [114],
расстояния между катодами и межэлектродные расстояния состав-
ляют несколько сантиметров, потенциалы, питающие электроды,
обычно составляют 2—3 кВ. Принципиальным недостатком такой
простейшей камеры является значительная неоднородность электри-
ческого поля в дрейфовом промежутке. Это требует применения га-
зовых смесей, обеспечивающих постоянство скорости дрейфа в ши-
роком диапазоне изменения <£/р. Другой недостаток (о котором
говорилось выше) — неопределенность положения первичного заря-
да относительно нити (справа или слева).
Модуль камеры, имеющий структуру, приведенную на рис. 0, в,
не имеет указанных недостатков [102]. Поле в дрейфовом проме-
жутке модуля формируется двумя сетками С и электродами ФЛ,
разграничивающими, как и в предыдущем случае, дрейфовые объе-
мы смежных модулей. Нити сеток, расположенные на одной верти-
кали с электродами ФП, находятся под отрицательным потенциа-
лом Uфу а нити, ближайшие к аноду, — заземлены. На промежу-
точные пары нитей с помощью резистивного делителя задаются по-
тенциалы от 0 до Цф так, чтобы обеспечить возможно лучшую од-
нородность поля в промежутке (аналогично ДК, приведенной на
рис. 6, а). Для того чтобы исключить неоднозначность в определе-
нии координаты события относительно нити, анод выполнен в виде
пары близких нитей А—А диаметром 20 мкм, разделенных проме-
жутком 100 мкм. Таким образом, при генерации первичного заряда
слева от анода сигнал развивается на левой нити анода, а в про-
тивном случае — на правой. При генерации сигнала обоими анодами
за

первичный заряд локализован вблизи центра дрейфового промежут-
ка, причем соотношение амплитуд сигналов можно использовать для
оценки смещения координаты детектируемого события относительно
центра. Экранирующие фольги Э использовали для исключения
взаимовлияния электрических полей смежных модулей ДК, распола-
гаемых в виде пакета для получения ПЧД с большой чувствитель-
ной поверхностью. Приведем основные геометрические параметры
модуля по данным [102]: расстояние от анода до формирующего
Рис. 7. Конструкция дрейфовой камеры большого размера: вид
сверху (а), сбоку (б) и сечение двух дрейфовых промежутков (в)
электрода (максимальное дрейфовое расстояние) /, = 50 мм, рас-
стояние между сетками — 6 мм, расстояние между сетками и экра-
нами— 3 мм, шаг нитей в сетках—1 мм, диаметр нитей сеток —
50 мкм. Полученное с помощью рассмотренного модуля позицион-
ное разрешение составило около 0,1 мм.
Многомодульные ДК. В ДК больших размеров или специаль-
ных конфигураций модули, сходные с приведенными на рис. 6, б, в,
объединяют в многомодульные конструкции. При таком объедине-
нии приходится решать проблему обеспечения технологичности изго-
товления и механической прочности конструкции. Примером удач-
ного преодоления возникающих затруднений может служить дрей-
фовая камера размерами 4X4 м, схематическое изображение кото-
рой приведено на рис. 7 [113]. Элементами этой камеры служат
многонитевые модули, сходные с показанным на рис. 6, б (дрейфо-
вый зазор — 5 см, расстояние между анодами одного слоя — 5 см).
Необходимая жесткость конструкции обеспечивается введением
I-образных балок между катодами отдельных слоев. Для устране-
ния неоднозначности при определении положения траектории отно-
сительно сработавшей анодной нити в этой ДК использован спо-
соб, предложенный в работе [53]. Аноды одного слоя ДК смещены
относительно анодов другого (рис. 7, в) на половину межанодного
расстояния. При таком расположении анодов пара сработавших про-
волок в разных слоях однозначно определяет положение траектории
относительно каждого анода.
34

В последние годы в технике физического эксперимента все бо-
лее широкое применение находит разновидность ДК — камеры с вре-
менным проецированием [52]. Модуль такой камеры обычно пред-
ставляет собой комбинацию дрейфового промежутка и многоните-
вого пропорционального счетчика, как показано на рис. 8, а\ про-
тотип его описан в работе [51]. Объем дрейфа отделен от объема
пропорциональной камеры сеткой С, имеющей высокую электриче-
Рис. 8. Многомодульная цилиндрическая камера с временным прое-
цированием траектории: принцип действия модуля (а) и общий вид
камеры (б)
скую прозрачность. При пересечении в момент ^=0 заряженной ча-
стицей дрейфового объема детектора в нем образуется колонка
носителей заряда (электронов и ионов). В дальнейшем под дейст-
вием поля электроны колонки поступательно перемещаются по на-
правлению к пропорциональной камере со скоростью дрейфа w.
Пройдя через сетку С и достигнув анодных нитей, электроны вызы-
вают образование около них лавин; нити возбуждаются в опреде-
ленной временной последовательности так, что момент возбужде-
ния каждой нити определяется временем дрейфа до нее элементар-
ного интервала колонки, проецирующегося на эту нить. Если в те-
чение времени дрейфа через равные (достаточно малые) интервалы
времени считывать состояние каждого анода (наличие или отсутст-
вие на нем сигнала) и запоминать последовательности этих состоя-
ний, то появляется возможность восстановить начальное положение
зарядовой колонки. Состояние всех анодов в один из моментов счи-
тывания содержит информацию о точке пересечения колонки неко-
торой плоскостью, параллельной анодной. Совокупность состояний
анодов для всех моментов считывания содержит координаты то-
чек пересечения колонки набором плоскостей, разделенных равны-
ми интервалами.
Схематическое Изображение цилиндрической ДК, содержащей
12 секторных модулей, выполненных по рассмотренному принципу,
приведено на рис. 8, б. Общая длина камеры равна 2 м, радиус —
1 м. Пропорциональные камеры размещены у торцевых поверхно-
стей модулей (на рис. 8, б штриховкой показано направление анод-
ных нитей ПК). Дрейфовые объемы занимают центральную часть
ДК. Отрицательное напряжение £/д, задающее напряженность элект-
рического поля в дрейфовых объемах секторов, приложено к цент-
35*

ральному электроду, разделяющему ДК на две цилиндрические по-
ловины, каждая из которых содержит по шесть модулей. Для улуч-
шения энергетического разрешения давление наполняющей газовой
смеси было увеличено до 1000 кПа. Вся камера помещалась в маг-
нитное поле соленоида: при совпадении направлений электрического
и магнитного полей в дрейфовом промежутке существенно снижа-
ется поперечная диффузия электронов в процессе дрейфа и соот-
ветственно улучшается позиционное разрешение [53].
7. ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ППД
В ПЧ ППД, как и в обычном полупроводниковом детекторе,
заряженная частица образует вдоль трека свободные носители, ко-
торые под действием сильного электрического поля в обедненной
области собираются на электродах. Общий заряд q пропорционален
энергии, переданной чувствительному объему детектора, а центр тя-
жести пространственного распределения электронно-дырочных пар
принимают за координату попадания в детектор частицы (кванта).
Для выделения позиционной информации используют различные
методы, рассмотренные в § 4\, а сами детекторы выполняют как ди-
скретного, так и непрерывного типа, а также одно- и двухмерными.
Одномерные ПЧ ППД дискретного типа представляют собой
устройства, в которых общий кристалл по одному из направлений
разделен на несколько автономных детектирующих элементов. Для
этого с одной стороны ППД электрод выполняют в виде отдельных
металлизированных полос, и участки кристалла под этими полосами
действуют как самостоятельные элементы. Если каждый электрод,
т. е. элемент, соединен со своим усилительным трактом, энергетиче-
ские и временные характеристики такого детектора не отличаются
от характеристик обычного ППД.
Такие «полосковые» детекторы неоднократно описывались. В ка-
честве примера можно указать кремниевый поверхностно-барьерный
ППД, состоящий из 14 модулей с 16 детектирующими элементами
в каждом модуле, т. е. содержащий 224 элемента; ширина модуля
составляла 16,2 мм, его длина 25,4 мм, ширина элемента 0,875 мм
и зазор между ними 0,125 мм [72]. Чтобы уменьшить объем элект-
ронного оборудования можно использовать матричное кодирование
сигналов или подключить выводы от электродов к внешней рези-
стивной цепи и определить координату, используя метод деления за-
ряда (см. стр. 55); однако в последнем случае ухудшаются энерге-
тические и временные характеристики детектора.
Двухмерные ПЧ ППД дискретного типа можно выполнить, ли-
бо создав на кристалле матрицу отдельных детектирующих элемен-
тов, расположенных по несколько элементов в ряду и содержа-
щих несколько рядов, либо нанеся на обе поверхности кристалла
металлизированные полосы (так же, как и в одномерных устрой-
ствах) и расположив их в одной плоскости параллельно оси а
в другой — параллельно оси у. Детекторы первой группы с авто-
номными выводами каждого детектирующего элемента получили
наименование ПЧ ППД шахматного типа, а детекторы второй груп-
пы — ортогонально-полоскового.
Детекторы шахматного типа выполняют с числом элементов
от 04 до нескольких сотен. Так, например, такие кремниевые
^£/^*-детекторы толщиной 300 мкм содержат матрицу из 10X10
36

Рис. 9. Двухмерный ППД с полосковыми электродами
элементов и имеют размеры К3,7х13,7 мм [79]. Аналогичные
Si (Li)-детекторы рентгеновского излучения содержат матрицу из
8X8 элементов каждый размером 2x5 мм; для них эффективность
регистрации при Еу =14,4 кэВ близка к 95 %', а энергетическое
разрешение составляет 1,5—2,3 кэВ [47]. Пример конструкции ор-
тогонально-полоскового ПНД показан на рис. 9 [98]. Такие детек-
торы выполняют из германия, они предназначены для регистрации
•у-квантов малой энергии. Общая площадь детектора составляет
28X28 мм2, а толщина 5 мм. С каждой стороны наносится по 14 по-
лос или с одной стороны — девять, а с другой — восемь полос. Что-
бы уменьшить стоимость оборудования, в большинстве случаев при-
меняют внешние резистивные делители заряда (как показано на
рис. 10). Наилучшие достигнутые результаты по энергетическому
разрешению составляют в этом случае 3—4 кэВ [98].
Одномерные ПЧ ППД непрерывного типа отличаются от обыч-
ных полупроводниковых детекторов тем, что в них один из элект-
родов выполнен в виде резистивного слоя с двумя контактами на
его краях, тогда как другой электрод имеет низкое сопротивление,
как и в обычных ППД. Резистивный и металлизированные элект-
роды образуют #С-линию с распределенными параметрами.
Как указывалось в § 4, заряд q, собранный на резистивном
электроде, далее разделится, и на один край резистивного слоя по-
ступит часть этого заряда qit а-на второй край — часть заряда
q2 (q=zq:-{-q2). Задержка в сборе зарядов q\ и q2 (измерение вре-
мен нарастания сигналов) может использоваться для выделения по-
зиционной информации; однако чаще всего координату попадания
частицы определяют по соотношению между зарядами q\ и q2.
37

Сигнал q, поступающий на металлизированный электрод, исполь-
зуют для того, чтобы определить энергию, переданную детектору
заряженной частицей или квантом.
На первых этапах развития ПЧ ППД резистивный электрод
создавали напылением металлической пленки на протравленную по-
верхность полупроводника (нихрома, висмута и др.). Однако такой
способ не позволил добиться хороших результатов [94]. Поэтому,
Рис. 10. Одномерный (а) и двухмерный (б) ППД с резистивными
электродами:
ПУ — предварительный усилитель; У — усилитель; КАД — каскад аналогово-
го деления амплитуд импульсов
как правило, резистивный слой на поверхности полупроводника соз-
дают методами ионного легирования. Такие ПЧ ППД обычно име-
ют прямоугольную форму (см. рис. 11, а) длину 1=10-^-50 мм и
ширину Ь=4ч-8 мм. Позиционная нелинейность не превышает 1 %
для литий-дрейфовых и 3—4 % для поверхностно-барьерных детек-
торов; относительное позиционное разрешение составляет 0,2—
2 %. В табл. 2 приведены характеристики некоторых типичных од-
номерных полупроводниковых ПЧД.
Проведенное экспериментальное измерение позиционного разре-
шения таких Si (Li)-детекторов длиной 45 мм [66] показало его
обратно пропорциональную зависимость от энергии частиц Е\ оно
численно было равно Н15/£ мм (где Е выражено в МэВ) (позици-
онная нелинейность при этом не превысила 0,05 %).
В последние годы некоторые фирмы за рубежом организовали
промышленный выпуск детекторов этого типа. Например, детекто-
ры Nuclear Diod 430 имеют толщину 300 мкм, площадь 4X30 мм3,
емкость 50 пФ, сопротивление резистивного слоя 18 кОм, энергети-
ческое разрешение для ионов с энергией 0,15—1 МэВ около 30 кэВ,
38

Таблица 2. Характеристики некоторых одномерных ПЧ ППД
см
иное
ние,
ность,
ура
Тип детектора
Lxb, мм2
Ом-
о ч>
§а
15 3
[ней
СЗ
Си
о?
По?и
разр<
мм
Энер
ское
шени
к
Лите
Поверхностно-
53x8
8
0,57
35
3—4
[89]
барьерный
Тот же
48x8
—
0,21
35
—
[79]
»
Литий-дрейфовый
(Ю—20) X 4
со
0,7
100—165
3-4
[23]
22x6
1
0,4
145
—
[21]
Ионно-
32X4
4
1,0
39
1
[80]
легированный
Тот же
10X4
со
0,3
36
1
[11]
а позиционное разрешение 1,1—3 мм [ПО]. Характеристики ПП
ПЧД, выпускаемые фирмой «Schlumberger», приведены в рабо-
те [17].
Предельная длина ППД определяется размерами доступного
материала; были описаны детекторы длиной 300 мм. Однако при
увеличении площади возрастает емкость детектора (и шумы), и для
нейтрализации этого эффекта приходится увеличивать толщину
обедненной области. Для исследования тонких деталей радиацион-
ных потоков создают ПЧ ППД малых размеров; для таких детек-
торов длиной 1 мм было получено позиционное разрешение 2 мкм о
«-частицами энергий 5 МэВ.
Помимо детекторов прямоугольной формы выполнялись также
цилиндрические ПЧ ППД как с позиционной чувствительностью по
одной оси, так и с радиальной чувствительностью. В первом случае
контакты в форме дуг по 90° располагались на противоположных
краях резистивного слоя (рис. 11, а). В подобных описанных
Si (Li)-детекторах диаметром 70 мм и толщиной от 1 до 4 мм для
ионов с энергией 11 МэВ было получено позиционное разрешение
0,6—1,2 мм [54]. Во втором случае (рис. 11,6) кольцевые контак-
ты двух радиусов — внешнего Ri и внутреннего R2 — выделяли ак-
тивную область ППД и доля заряда qi, собираемого на внешнем
контакте, при попадании частицы в детектор на расстоянии г от его
центра, составит \n(rlRi)\n(R2IR\) [79]. Линейная зависимость
заряда qr от радиуса может быть получена, только если резистив-
ный слой нанесен так, чтобы сопротивление было пропорционально
радиусу г.
Двухмерные ПЧ ППД непрерывного типа, как правило, пред-
ставляют собой устройства, в которых на обеих плоскостях полу-
проводника сформированы два резистивных электрода, один из ко-
торых позволяет выделить информацию об одной из координат ме-
та попадания частицы, а другой — информацию о второй коорди-
нате (рис. Ш,в) [43]. Суммарный заряд, собираемый на одном из
электродов, используют для того, чтобы определить энергию, пере-
данную детектору. Публикаций по таким детекторам намного мень-
ше, чем по одномерным ПЧ ППД непрерывного типа.
39

Было описано несколько детекторов прямоугольной и цилиндри-
ческой формы, в которых выделялась информация о координатах
места попадания частицы по осям х и у. Пример конструкции,
прямоугольного ПЧ ППД показан на рис. 10,6. В таком детекторе
размером 34X34 мм было достигнуто позиционное разрешение око-
ло 1 3 мм, относительная позиционная нелинейность по оси х
Рис. И. Одномерные (а, б) и двухмерные (в, г) ППД цилиндриче-
ской формы с резистивным коллектором
1,2 % и, по оси у 1,5 % [79]. Двухмерный цилиндрический детек-
тор был изготовлен диаметром 30 мм (с общей площадью 800 мм2)
и контактами в каждом слое, ориентированными на 90° (рис. 11, г)
[38]. Один из резистивных электродов создавался диффузией ли-
тия, другой — имплантацией ионов бора, а контакты — напылением
слоев Cr—Аи и Hf—Аи по 0,1 мкм. Пространственное разрешение
такого детектора составило 100 мкм, а энергетическое—15—
25 кэВ. Описаны также детекторы с определением полярных ко-
ординат [94], однако они не получили в дальнейшем развития.
ГЛАВА 3
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД
8. ОДНОМЕРНЫЕ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД
При построении сцинтилляционных позииионно-чувствительных
детекторов (СПЧД) используют методы, сходные с описанными в
§ 4, но вместо разделения электрического заряда производят разде-
ление светового потока, обусловленного сцинтилляцией, а коллек-
торами служат фотокатоды ФЭУ. Чаще всего СПЧД применяют для
регистрации Y_KBaHT0B> а в качестве сцинтилляторов в них исполь-
зуют кристаллы Nal(Tl).
Дискретные СПЧД используют для определения как координа-
ты места попадания у-кванта в детектор, так и глубины проникно-
вения кванта до его взаимодействия с веществом детектора.
8)
40

В первом случае СПЧД содержат расположенные в ряд моно-
кристаллы Nal(Tl) относительно малого диаметра, оптически изо-
лированные друг от друга и связанные с фотоумножителями. Каж-
дый сцинтиллятор может быть подсоединен к автономному ФЭУ.
Однако, чтобы сократить число ФЭУ, целесообразно использовать
матричное кодирование номера сцинтиллятора, с которым взаимо-
действует у-квант, и координату определять по номеру строки i и
номеру столбца j. Для этого к каждому монокристаллу подсоеди-
няют по два плексигласовых световода; световоды, подходящие ко
всем сцинтилляторам каждой строки, соединяют со своим ФЭУ, а
световоды, подходящие ко всем сцинтилляторам каждого столба, —
со своим. Таким образом, номера пары одновременно сработавших
ФЭУ определяют кристалл, в котором произошла сцинтилляция.
Пространственное разрешение такого СПЧД определяется диа-
метром монокристаллов ^сц и для его улучшения необходимо
уменьшать величину йсц. Однако при этом возрастает число ФЭУ,
световодов, объем электронного оборудования. Кроме того, когда
пробег фотоэлектрона, образованного уквантом, становится соизме-
римым с диаметром а*Сц, сцинтиллятору все чаще будет переда-
ваться не вся энергия укванта Еу и при наличии амплитудного
отбора будет снижаться эффективность регистрации уизлУчения
{например, для £е = 0,5 МэВ пробег электронов в Nal(Tl) близок к
0,7 мм]. Поэтому нецелесообразно использовать СПЧД с ^сц<5 мм.
Из-за того что в световодах световой поток значительно ослабля-
ется, причем по-разному для различных сцинтилляторов, дисперсия
получаемого амплитудного распределения сигналов оказывается до-
вольно большой. Для этих детекторов характерна неоднородность
чувствительности, обусловленная разбросом диаметров сцинтиллято-
ров ^Сц и разбросом коэффициента умножения разных ФЭУ.
СПЧД, определяющие глубину проникновения у-кванта, состоят
из нескольких оптически изолированных друг от друга шайб сцин-
тиллятора, которые с торцов через световоды соединены с ФЭУ
[82].
Аналоговые СПЧД могут быть построены на основе разных ме-
тодов выделения позиционной информации и содержать два и бо-
лее ФЭУ. Чаще всего в одномерных аналоговых СПЧД используют
временной метод выделения координаты места взаимодействия со
сцинтиллятором у_кванта или нейтрона. Такие детекторы содержат
сцинтиллятор в форме параллелепипеда длиной L, «просматривае-
мый» с двух противоположных торцов фотоумножителями
(рис. 12, а). Измеряется разность во времени моментов появления
анодных импульсов ФЭУ At, которая при эффективной скорости рас-
пространения светового сигнала в сцинтилляторе уЭф и расстоянии
места световой вспышки от середины сцинтиллятора х равна
т. е. пропорциональна искомой координате [50].
В большинстве случаев в таких СПЧД применяют твердотель-
ные сцинтилляторы на основе полистирола или поливинилтолуола
с добавлением р-терфинила и РОРОР. Типичная длина сцинтилля-
тора L = 0,4-f-0,5 м, а его сечение 60X10 мм2 [31, 50]. Однако при-
меняют и жидкие сцинтилляторы, такие как толуол с добавками 3 г/л
р-терфинила и 100 мг/л РОРОР или 33 мг/л дистрилбифенола [16].
Жидкие сцинтилляторы могут быть большой длины, они дешевы,
просты в изготовлении, обладают высокой прозрачностью. Прове-
денные измерения показывают, что скорость иЭф в зависимости от
задания порога дискриминации лежит в пределах от 0,4-1010 до
41

Частица
1,6-1010 см/с [3], поэтому для достижения позиционного разреше-
ния около. 1 см необходимо выделять разницу времени At ж 0,1 не.
Реально, даже для лучших фотоумножителей (типа ФЭУ-85 и
ФЭУ-87), значения At на порядок большие, и было получено по-
зиционное разрешение таких СПЧД от 3 до 5 см.
Другой метод основан на-
определении координаты по от-
ношению сигналов двух ФЭУ,
расположенных у противопо-
ложных краев сцинтиллятора..
В этом случае СПЧД содержит
узкий сцинтиллятор длиной Ly
на торцах которого размещены
Рис. 12. Аналоговые сцинтил*
ляционные ПЧД с ФЭУ, рас-
положенными у торцов (а), и
параллельно основной поверх-
ности сцинтиллятора (б):
1 — ФЭУ; 2 — световод; 3 — сцин-
тиллятор; 4 — светозащитная пе-
регородка
два ФЭУ; L«400—600 мм. Поскольку кристалл Nal(Tl) такой дли-
ны получить трудно, обычно используют составной сцинтиллятор, ко-
торый состоит из нескольких десятков монокристаллов диаметром
40—50 мм и высотой Г0—15 мм, притертых торцами друг к другу
[68, 90].
Метод построения одномерных СПЧД, также содержащих два
ФЭУ, основан на восприятии этими умножителями светового по-
тока, выходящего из основной поверхности сцинтиллятора. На
рис. 12,6 показана конструкция такого детектора нейтронов со
сцинтиллятором площадью 63X10 мм и световодом, соединяющим
сцинтиллятор с фотокатодами [69]. Соотношение сигналов на вы-
ходах ФЭУ Ui и и2 однозначно связано с координатой сцинтилля-
ции х} и значение х может быть вычислено, если известно отноше-
ние Ut/(Ui-\-U2).
Одномерные аналоговые СПЧД могут содержать также несколь-
ко ФЭУ (более двух), расположенных рядом друг с другом у тор-
цевой поверхности, параллельной основной поверхности сцинтилля-
тора. Эти детекторы представляют собой одномерные варианты
двухмерных СПЧД, более подробно рассмотренных в § 9.
9. ДВУХМЕРНЫЕ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД
Двухмерные СПЧД дискретного типа сходны с аналогичными
одномерными детекторами и также содержат множество оптически
изолированных монокристаллов Nal(Tl) относительно малого раз-
мера. Однако кристаллы в двухмерных устройствах размещены не в
ряд, а образуют мозаику, перекрывающую некоторую площадь.
Приборы с такими детекторами называют автофлуороскопами.
42

Типичный дискретный двухмерный СПЧД, описанный в работе
{46], состоит из 260 плотно упакованных кристаллов Nal(Tl) диа-
метром 9,6 мм и высотой 50,8 мм, образующих матрицу с 20 строка-
ми и 13 столбцами (размеры активной поверхности детектора 200X
Х130 мм). Координаты сцинтилляций определяют с помощью
33 ФЭУ, соединенных с кристаллами через плексигласовые свето-
воды. Каждый из 20 ФЭУ строк соединен через световоды со все-
ми кристаллами данной строки, а каждый из 13 ФЭУ столбцов —
со всеми кристаллами данного столбца; следовательно, к каждому
кристаллу подходят два световода — столбца и строки.
На двухмерные СПЧД распространяются все ограничения по
пространственному разрешению и неоднородности чувствительности,
характерные для одномерных устройств. В то же время у СПЧД ди-
скретного типа отсутствует координатная нелинейность.
СПЧД аналогового типа с линейным суммированием сигнала
представляет один из двух наиболее распространенных двухмерных
СПЧД. Он содержит монокристалл Nal(Tl) большой площади (диа-
метром £)сц и высотой /гСц), находящийся в оптическом контакте с
системой фотоумножителей. Когда в точке кристалла с координата-
ми х, у возникает сцинтилляция, ФЭУ генерирует импульсы, ампли-
туды которых линейно суммируются, и вырабатываются координат-
ные сигналы их и иу, пропорциональные значениям х и у.
В литературе описаны как детекторы и выполненная на них
•аппаратура [41, 42], так и теория, направленная на оптимизацию
«основных характеристик СПЧД этого типа (интегральной чувстви-
тельности, позиционной нелинейности, пространственного разреше-
ния) [26, 45]. Рассмотрим работу СПЧД без математического
описания происходящих процессов и условий оптимизации.
Предполагается (и это хорошо согласуется с полученными ре-
зультатами), что в системе световой поток от точки сцинтилляций
к границе световод — фотокатоды ФЭУ распространяется изотропно
■и, следовательно, амплитуда сигнала, генерируемого в выходной це-
ли каждого ФЭУ, пропорциональна телесному углу со», под кото-
рым фотокатод «виден» из той точки, где произошла сцинтилляция.
Для того чтобы получить достаточно хорошие характеристики де-
тектора, ФЭУ должны просматривать максимальный телесный угол
2(0ь т. е. упаковка ФЭУ должна быть по возможности более плот-
ной. Этому требованию можно удовлетворить, если выполнить из
фотокатодов гексагональную мозаичную систему, для чего число
ФЭУ должно принимать одно из значений в ряду N=l-f3 п
4л+1), где л=1, 2, 3, 4 ..., т. е. N может быть равным 7, 19, 37,
61 и т. д. В реальных устройствах используют обычно Л/ = 19.
Сигналы с выходов ФЭУ поступают на узлы линейного сумми-
рования, вырабатывающие координатные сигналы ux=k2fxiqi и
tiy=k2fyiqu где qi — заряд, генерируемый i-м фотоумножителем, а,
,f. — весовые коэффициенты, соответствующие координате по осям
х и у центра фотокатода каждого ФЭУ, т. е. }Х{ = ах{ и fVi =
= ayi (этот метод рассмотрен на стр. 12).
Для того чтобы получить данные, инвариантные относительно
общего светового потока, генерируемого при сцинтилляции, необхо-
димо выработать также нормирующий сигнал и2, пропорциональ-
ный сумме всех сигналов ФЭУ, т. е. 2*7». Определяя отношения
43

ux/uz и uy/uz, можно вычислить координаты х и у независимо от
энергии регистрируемых ^-квантов и от статистического разброса
амплитуд сигналов, вызванных одной и той же переданной энер-
гией Еу. Неоднородность свойств ФЭУ и кристаллов, т. е. неод*
нородность чувствительности по площади СПЧД, может быть учтена
при сложении сигналов или подбором напряжений питания ФЭУ
(его усиления).
Целесообразно вводить амплитудный отбор сигналов иъ в зоне
с центром, соответствующим энергии у-излУчения исследуемого ну-
клида Еу. Это позволит устранить регистрацию квантов, предва-
рительно претерпевших рассеяние в исследуемом объекте.
Центр системы координат можно выбрать произвольно. Если
его расположить на краю системы ФЭУ и ограничиться только дву-
мя суммирующими усилителями (по одному для их и му), то при-
дется суммировать сигналы с выходов всех ФЭУ. Если же совме-
стить его с центром симметрии системы, весовые коэффициенты для
многих сигналов окажутся равными нулю, однако необходимы че-
тыре усилителя (и£, и~, и+ и и~) и последующее выделение мо-
дулей разностных сигналов (\и^—и~\ и \и^~—и~|).
На рис. 13, а приведена структурная схема такого СПЧД, содер-
жащего 19 ФЭУ (их условная нумерация показана там же). Сиг-
налы с выходов ФЭУ через резисторы или конденсаторы, задаю-
щие весовые коэффициенты /г, суммируются на входах усилителей
Ух+, Ух-У Уу+ и Уу-\ кроме того, сигналы с выходов всех
ФЭУ суммируются на входе усилителя Уг. Дифференциальными уси-
лителями, ДУХ и ДУУ выделяется разность усиленных сигналов, и
выходные импульсы затем поступают для обработки непосредствен-
но (при |"+|>|и~|) или после инверсии (при |и+|<|ы-|). Выпол-
нение того или иного условия определяют дискриминаторы Дх и
Ду. При помощи каскадов аналогового деления амплитуд сигналов
КАДх и КЛДУ осуществляется нормировка амплитуд выходных сиг-
налов их и иу, которые пропорциональны координатам сцинтилля-
ции х и у.
Расчеты показывают, что оптимальные характеристики достига-
ются, когда край кристалла располагается у центров фотокатодов
периферийных ФЭУ. Минимум позиционной нелинейности соответст-
вует случаю, когда (hC4+hCB)/d^0,45, где d — диаметр фотокато-
да ФЭУ, и приемлема удаленность сцинтилляций от плоскости фото-
катода в пределах от 0,35 с? до 0,55 Следовательно, /гсц~0,2^,
а Дев«0,35d.
Позиционное разрешение рассмотренных СПЧД в значительной
степени определяется флуктуациями числа первичных фотоэлектро-
нов и относительно невелико. Особенно это сказывается при низких
энергиях уквантов (менее 0,1 МэВ). Система суммирования сигна-
лов с весовыми коэффициентами, используемая в рассмотренных
СПЧД, не оптимальна, поскольку значительный вклад в позицион-
ный сигнал дают ФЭУ, воспринимающие малую долю световой
вспышки и несущие малую информацию, т. е. вырабатывающие сиг-
налы с амплитудой, подверженной большому статистическому раз-
бросу. Позиционное разрешение монотонно ухудшается с увеличе-
нием значений /гСц + &св, при (/1Сц+/*св)/^=0,45 оно близко к 0,3 %
в центре сцинтиллятора и доходит до 0,85 % У его периферии. Су-
жение зоны амплитудного отбора сигнала иг улучшает позицион-
44

ное разрешение, но это приводит к снижению интегральной чувстви-
тельности детектора.
Дополнительное ухудшение позиционного разрешения может
быть вызвано при многократных процессах взаимодействия у-кван-
тов со сцинтиллятором (например, комптоновское рассеяние и за-
тем фотопоглощение рассеянного кванта, так что в кристалле про-
исходят две сцинтилляции на некотором расстоянии одна от дру-
гой). Чтобы снизить влияние этих эффектов, приходится ограничи-
ваться энергиями уквантов> не превосходящими 0,4—0,5 МэВ.
0Я
Сдинодов
всех
ФЭУ
Рис. 13. Двухмерные сцинтилляционные ПЧД с линейным сумми-
рованием сигналов (а) и суммированием сигналов на линии за-
держки (б)
45

Рассмотренные СПЧД используют в приборах, получивших на-
звание гамма-камер. Такую аппаратуру в последние годы выпу-
скают многие фирмы, например «Nuclear Chicago*, «Ohio
Nuclear» (США), «Toshiba» (Япония) и др. В типичной гамма-ка-
мере, описанной в литературе [42], были использованы монокри-
сталл Nal(Tl) с D = 293 мм и йСц=12,7 мм, световод с /iCB = 38 мм
и 19 ФЭУ диаметром 80 мм. •
СПЧД аналогового типа с временным преобразованием сигна-
лов содержат, как и рассмотренные выше устройства, монокристалл
Nal(Tl), поверхность которого перекрыта мозаикой ФЭУ с диамет-
ром d и расстоянием между центрами фотокатодов 1Х и 1У. Однако
для формирования координатных сигналов используется суммиро-
вание сигналов ФЭУ на отводах линий задержек, специальное фор-
мирование биполярных сигналов и выделение временных интервалов
между моментом действия у_кванта и моментами пересечения сиг-
налами нулевого уровня [26, 36, 74, 107].
В таких СПЧД сигналы от ФЭУ поступают на отводы двух ли-
ний задержек ЛЗХ и ЛЗУ (рис. 13,6), причем точки подключения
ФЭУ к линиям задержек зависят от координат центров фотокатодов
(ФЭУ, центры фотокатодов которых имеют одну и ту же коорди-
нату, подсоединены к одному отводу). Время распространения сиг-
нала по линии задержки между двумя отводами Atx или Aty такое,
что Atxv = lx и Atyv = lyi где v — скорость распространения сигнала.
Следовательно, время распространения сигналов от точки, где воз-
никла сцинтилляция, к краям линий, пропорционально расстояниям
от этой точки до краев кристалла, а разница во времени пропор-
циональна координатам х и у.
Сигналы с выходов линий задержек ЛЗХ и ЛЗУ поступают на
каскады ЙФ, осуществляющие биполярное формирование, а затем
после усиления каскадами Ух+, Ух-> Уу+У Уу~ дискриминаторы
Дх+, Дх.у Ду+, Ду- выделяют моменты tx+, tx-, ty+, ty- пере-
сечения сигналами нулевого уровня. Кроме того, сигналы, непосред-
ственно снимаемые со всех ФЭУ, суммируются на усилителе Уг, от-
бираются по амплитуде каскадом Дг и выделяется момент t0 реги-
страции у-кванта в сцинтилляторе. В работе [107] показано, что
при оптимальном формировании интервал \tx+— tx- | пропорциона-
лен координате \х\ события, а интервал \ty+—ty- | —координате
\у\. Для этого каскадами, время-амплитудного преобразования
ВАПХ+, ВАПХ. , ВАПу+ , ВАЛу- интервалы (t^ —t0) и другие
преобразуются в пропорциональную им амплитуду сигналов, а диф-
ференциальными усилителями ДУХ и ДУУ выделяются разностные
сигналы их и ууу амплитуда которых пропорциональна координатам
(необходимы также дискриминаторы, выделяющие полярность раз-
ностного сигнала и коммутирующие входные импульсы, не показан-
ные на рис. 13, б).
Каскады БФ снабжают средством регулировки (в достаточно
широких пределах) параметров импульсной переходной характери-
стики для приближения формы сигналов к оптимальной. Это поз-
воляет получить удовлетворительные позиционные линейность и раз-
решение в широком диапазоне значений ксц и hCB. Важно, что при
выделении координатных сигналов момент пересечения нулевой ли-
нии не зависит от амплитуды импульсов; это позволяет исключить
нормирование сигналов по амплитуде импульса uz. Однако времен-
ное преобразование требует дополнительного времени (обычно не-
46

сколько микросекунд) и устройство должно содержать режектор-
наложений импульсов для того, чтобы уменьшить искажения при
высокой частоте сигналов.
На базе таких СПЧД выполнено несколько сцинтилляционных
гамма-камер, отличающихся размером монокристалла, числом и спо-
собом размещения ФЭУ. Типичное такое устройство содержит кри-
сталл Nal(Tl) с £> = 387 мм и /гсц=12,7 мм и 30 ФЭУ с d=76 мм и
/* = /у = 87 мм [36]. Позиционное разрешение СПЧД с временным
формированием сигнала оказывается примерно в 1,5 раза лучше,
чем детекторов с линейным суммированием импульсов ФЭУ.
ГЛАВА 4
ПЧД НА ОСНОВЕ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН
10. МИКРОКАНАЛЬНЫЕ ПЛАСТИНЫ
Микроканальные пластины (МКП) представляют собой тонкие
шайбы из свинцового стекла, восстановленного в атмосфере водо-
рода, с большим числом параллельных каналов малого диаметра,
расположенных под малым углом к оси шайбы. Толщина МКП h
составляет 0,5—2 мм, а диаметр каналов dK и зазор между кана-
лами (толщина стенки)—от 10 до 100 мкм. Торцовые поверхности
МКП металлизируют (покрывают слоем никеля, алюминия или ни-
хрома) и подают на них напряжения питания Un (обычно Un близ-
ко к Г. кВ). Типичное значение сопротивления МКП (3—10) -108 Ом;
сопротивление одного канала в 105—106 раз больше (в число кана-
лов), т. е. составляет 1014—1015 Ом.
Каждый из каналов МКП действует как независимый элемент,
аналогичный каналовому электронному умножителю (КЭУ). Элект-
рон вторичной эмиссии, попавший в канал, ускоряется электриче-
ским полем (около 1 В/мкм) и, попадая на стенку, выбивает
вторичные электроны. Таким образом происходит каскадное умно-
жение электронов и образуется электронная лавина. Обычно отно-
шение a=h/dK лежит в пределах 40—100, а коэффициент умноже-
ния, зависящий от отношения а и возрастающий с увеличением на-
пряжения Ua, близок для рабочих режимов к 103—104.
Детекторы, выполненные на основе МКП, чаще всего состоят из
двух последовательно расположенных шайб и анода (коллектора),
разделенных зазором /3=50-^150 мкм. Такие конструкции получили
название «шевронных» (рис. 14). Последовательное включение двух
МКП необходимо для увеличения коэффициента умножения элект-
ронов М до 106—107 при отсутствии ионной обратной связи. Что-
бы такая связь не возникала, используют шайбы с противополож-
ным наклоном каналов (например, с наклоном каналов на 8°) или
МКП с каналами, перпендикулярными в одной шайбе торцовой пло-
скости и наклоненными в другой шайбе на больший угол (око-
ло 15°).
Ионная обратная связь устраняется в односекционных МКП
с искривленными каналами [73] и дополнительным (продольным)
электрическим полем [32].
47

Рис. 14. Детектор на основе
МКП с коллектором из сеток:
/ — МКП; 2 — сетка коллектора;
3 — отражательный электрод
определенную группу каналов.
Одно из преимуществ МКП,
обусловленное небольшой длиной
канала, — малое время реакции
на регистрируемую частицу. Вы-
ходной импульс тока имеет б-об-
разную форму; длительность им-
пульса (для dK=\2 мкм) близка
к 1 не, а время нарастания
меньше 0,5 не [15]. С увеличением
ускоряющего напряжения Uy со-
кращается время нарастания.
Время восстановления усиле-
ния в канале после прохождения
лавины достаточно велико. По
оценкам оно должно быть около
20 мс [115], а по результатам
измерений близко к 8 мс [29].
Значительное время восста-
новления усиления в канале яв-
ляется крупным недостатком
МКП. Однако он существен лишь
тогда, когда частицы попадают в
Если загрузка _каналов, работаю-
щих независимо друг от друга, равномерна, то tB —10_2/106= 10~8 с
(экспериментально установлено, что МКП работают при
п>2-106 имп./с).
Частота фоновых импульсов в детекторах на основе МКП лежит
в пределах 0,2—1 имп./с на 1 см2 активной поверхности.
Хотя ' электронная лавина и локализуется в пределах одного
канала МКП, электроны, вылетающие из канала, имеют разброс
как по энергии, так и по направлению, поэтому электронный пу-
чок, направленный на анод, расширяется (на поперечные размеры
пучка влияет и ускоряющее напряжение, приложенное между тор-
цом МКП и анодом). Кроме того, некоторое уширение пучка про-
исходит в зазоре между шайбами /3; оно становится заметным,
если W>dK.
При малых значениях Un МКП работают в ненасыщенном ре-
жиме; амплитудное распределение выходных сигналов в этом слу-
чае сходно с экспоненциально-спадающим. При большем усилении
на выходе канала возникает большой объемный заряд, снижается
выход электронов вторичной эмиссии и, как следствие, уменьшается
коэффициент вторичной эмиссии; создается режим насыщения, кото-
рый характеризуется квазигауссовским амплитудным распределением
выходных сигналов и максимальным коэффициентом усиления
Ммакс. Достижение этого режима (при определенном Un) зависит
от диаметра канала dK (коэффициента а). Так, при dK = 25 мкм по-
лучено ММакс = 4-107, а полуширина амплитудного распределения
д1/а=170 %; при dK=.50 мкм ММакс=(1^2).107 и А1/г = 120^
■«-150 %.
Увеличение зазора /3 приводит к выводу детектора из насы-
щенного режима, возрастает дисперсия пучка в зазоре, и заряды,
попадающие в каналы второй шайбы, недостаточны для создания
насыщения.
Если между поверхностями зазора подать ускоряющее напря-
48

жение Uу «100 В, из одного канала первой шайбы электроны попа-
дают не более чем в три канала второй МКП; в этом случае не-
сколько снижается значение М, но А1/* «100 %; при Uy = 700 В
А1/Я«в0 % [115].
Насыщенный режим создают также, вводя между МКП метал-
лическую сетку, выполняющую роль коллиматора. Так, с подобной
сеткой толщиной 75 мкм и сторонами окна по 44 мкм, располо-
женной между МКП (dK=12 мкм, а=40, Uni = 1000 В, £/п2=700 В)
и имевшей прозрачность около 75 %, А1/а«50 % [73].
В сочетании с фотокатодами МКП могут образовывать фото-
умножители (с отличными временными свойствами) и применяться
в составе сцинтилляционных счетчиков и детекторов Черенков а. До-
стоинство МКП — некритичность к внешним магнитным полям (по
крайней мере, до 0,2 Т),
11. ПОСТРОЕНИЕ ПЧД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН
Поскольку при воздействии заряженной частицы или кванта
электромагнитного излучения на входную поверхность первой пла-
стины в ней создается лавина электронов, локализованная в од-
ном канале, МКП могут послужить основой для построения ПЧД.
В таком ПЧД необходимо в сочетании с МКП использовать кол-
лекторную систему, допускающую выделение позиционной инфор-
мации, т. е. одно из устройств, рассмотренных в § 3.
Дискретность в определении координаты места попадания в
МКП частицы или кванта равна расстоянию между центрами смеж-
ных каналов Ь. Для МКП с площадью 20x20 мм и 6 = 20 мкм, на-
пример, это соответствует 1000X1000 элементам разрешения. Сле-
довательно, ПЧД, выполненные на основе МКП, могут обладать
высоким позиционным разрешением.
Детекторы с резистивным коллектором. В таких ПЧД пучок
электронов, вылетающих из МКП, попадает на резистивный слой
и центр области, в которой собирается заряд, совпадает с центром
канала, в котором развивалась лавина. Далее, координаты центра
этой области могут быть определены по соотношению зарядов, по-
ступающих на края коллектора (см. стр. 55), или временным ме-
тодом (см. стр. 57).
С аналоговыми делителями заряда были выполнены как одно-
мерные [20], так и двухмерные ПЧД [19, 35]. В двухмерных
устройствах заряды собирали на электроды, расположенные по уг-
лам квадратного коллектора. Достигнутое позиционное разрешение
близко к 0,5—Г %.
В ПЧД, основанном на временном методе определения коорди-
нат, измеряют разность времени в появлении сигналов, снимаемых
с краев (или углов) коллектора. В таком одномерном ПЧД с ак-
тивной поверхностью длиной 18 мм и удельным сопротивлением
резистивного коллектора 150 кОм на 1 см2 было получено позици-
онное разрешение 18 мкм [96].
Детекторы с полосовыми и сетчатыми коллекторами. Другой
путь построения ПЧД на микроканальных пластинах — использо-
вание для считывания заряда сетки, состоящей из множества па-
раллельных нитей. В простейшем случае — одномерном — такое счи-
тывающее устройство может быть выполнено в виде металлизи-
49

рованных полос, напыленных на изолирующую подложку; ширину
полос и расстояние между их центрами выбирают исходя из тре-
буемого позиционного разрешения. Каждую полосу соединяют с от-
дельным усилительным каналом, что существенно снижает искаже-
ния изображения, полученного после выделения и обработки пози-
ционной информации.
Аналогично могут быть выполнены и двухмерные ПЧД; в них
необходимо создавать матрицу полосковых считывателей: элект-
роды строк и электроды столбцов. В подобном детекторе [33] на
кварцевую подложку напыляли линейные электроды шириной
25 мкм с шагом 50 мкм, затем этот ряд покрывали кварцевой изо-
лирующей пленкой и наносили сетку перпендикулярных линий ши-
риной 15 мкм с зазором 50 мкм и, наконец, стравливали в про-
межутках изолирующую пленку.
Однако в таких ПЧД оказываются значительными межэлектрод-
ные емкости, что ограничивает предельную рабочую частоту сигна-
лов. Поэтому более перспективны ПЧД с коллекторами, состоящими
из двух взаимно перпендикулярных систем параллельных проволо-
чек (сеток). Для улучшения качества отображения за сетками рас-
полагают отражающую пластину (см. рис. 14). Разность напряже-
ний между ортогональными системами проволочек Uc подбирают
такой, чтобы обе системы получали близкие по величине доли за-
ряда. Например, в одном из ПЧД такого типа [6] разность потен-
циалов Uсм между выходом МКП и ближайшей сеткой составляла
300 В, значение Uc было близко к 2 В (напряжение на нижней сет-
ке превышало потенциал верхней сетки), а разность потенциалов
между сетками и отражательным электродом U0t составляла 25—
50 В. С изменением напряжения Uc уже на 2 В изменяется при-
близительно вдвое соотношение долей заряда, поступающих на каж-
дую сетку.
Если шаг намотки сеток сравним с позиционным разрешением,
то он оказывается столь малым, что изготовление и обращение с
сетками сопряжено с большими трудностями. Поэтому сетки вы-
полняют из проволоки диаметром 0,1 мм (с шагом 0,2 мм) и вы-
бирают зазор между выходом МКП и сетками таким, чтобы пучок
расширился и захватывал несколько проволочек (пятно около 0,4—
Ь,Ъ мм), тогда, определив центроиду распределения, удается полу-
чить позиционное разрешение, лучшее на порядок по сравнению с
диаметром проволочки.
Для выделения позиционной информации с дискретных коллек-
торных элементов приходится использовать значительный объем
электронного оборудования (усилителей, дискриминаторов). Напри-
мер, при поле 25X25 мм2, даже если использованы проводники боль-
шого диаметра (шаг сетки 0,2 мм), нужны 128x2 измерительных ка-
налов. Поэтому в некоторых детекторах коллекторные элементы
подключали к точкам соединения цепочки резисторов или конденса-
торов и координаты события определяли при помощи аналогового
делителя зарядов qi и q2, снимаемых с обоих концов цепочки этих
элементов [вычисляется отношение qi(qi + q2) в одномерном и
^71/(^71 + ^3); ^2/(^2+^4) в двухмерном детекторах]. Так, например,
в таких одномерных детекторах с емкостными делителями было
достигнуто пространственное разрешение порядка 20 мкм [105], а в
двухмерном детекторе — 30—60 мкм [67]. Однако в этих ПЧД,
так же как в ПЧД с резистивным коллектором, хотя число усили-
тельных каналов сокращается до двух (или четырех), приходится
50

использовать прецизионные аналоговые устройства деления ампли-
туд импульсов, поэтому представляют интерес компромиссные вари-
анты выполнения ПЧД, основанные на сочетании цифровых и ана-
логовых методов. В описанной системе [6] 128 проволок каждой
сетки (шаг 200 мкм) разделяли на 16 групп по 8 проволочек в
каждой. Проволочки каждой группы подсоединяли к резистивному
делителю с R=\0 кОм, а граничную проволочку группы подсоеди-
няли к усилителю. Принадлежность события к той или иной груп-
пе проволочек определялась цифровым методом, а точное положение
события рассчитывалось каскадами электронной интерполяции с по-
грешностью, составляющей около 0,05 шага проволочек. Это обес-
печило позиционное разрешение 10 мкм при умеренном объеме обо-
рудования и относительно невысоких требованиях к точности схе-
мы аналогового деления.
Детекторы с несколькими металлизированными электродами.
Поскольку при увеличении зазора между МКП и коллектором пу-
чок электронов значительно расширяется, ПЧД может быть выпол-
нен с использованием метода сравнения долей заряда, попадающе-
го на несколько протяженных металлизированных электродов (см.
стр. 12). Пример такого устройства — детектор, содержащий четыре
секторных электрода (квадранта), занимавших всю площадь, в ко-
торую могут попасть электроны, вылетавшие из МКП [18]. Пучок
был расширен настолько, что его диаметр в плоскости коллектора
вдвое превышал диаметр МКП. Лишь в тех случаях, когда сраба-
тывали каналы на самой периферии МКП, заряд локализовался в
двух из четырех электродах; когда срабатывал канал в центре МКП,
заряд распределялся поровну между всеми электродами. Отношение
зарядов <7i/(<7i +<?з) однозначно связано с координатой х, ^2/(^2+
+ q4) —с координатой у.
Как уже отмечалось в § 3, между отношением зарядов и коор-
динатой существует не линейная, а более сложная функциональная
зависимость, что принуждает использовать дополнительное преобра-
зование полученного распределения. Исключить это преобразование
можно, если увеличить число коллекторов и разместить их анало-
гично ФЭУ в гамма-камере (см. стр. 44). В отличие от сцинтилля-
ционного счетчика здесь можно минизировать позиционную нели-
нейность, оптимизируя соотношение диаметров расфокусированного
пучка, падающего на коллекторную систему, и одного коллектора.
ГЛАВА 5
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ
ПОЗИЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ
12. ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
СИГНАЛОВ ПЧД
Для выделения позиционной информации сигналы, вырабатывае-
мые в анодных или коллекторных цепях ПЧД, подвергают различ-
ным видам обработки: линейному преобразованию, нормализации,
логическому отбору и т. п. Конкретные задачи, возлагаемые на
электронные каскады, и способы обработки сигналов зависят от ти-
51

па ПЧД и метода определения положения события (координат).
Часть этих каскадов — зарядо-чувствительные усилители, усилители
с формированием сигнала линиями задержки или #С-цепями, ампли-
тудные дискриминаторы и селекторы, амплитудно-цифровые и вре-
мя-цифровые преобразователи и т. п. — относятся к устройствам,
широко используемым в приборах для измерения ионизирующих
излучений, и многократно описаны в литературе, часть каскадов бо-
лее специфична. Далее кратко рассмотрим пути их построения.
Многоколлекторные ПЧД содержат значительный объем элект-
ронного оборудования и вырабатывают большое количество сигна-
лов. Как правило, для обработки данных в таких детекторах ис-
пользуют ЭВМ (см., например, [71]).
В устройствах детектирования с обработкой аналоговой инфор-
мации объем электронного оборудования существенно меньше, од-
нако в них приходится использовать более сложные и прецизион-
ные каскады.
Во-первых, усилители, входящие в состав таких ПЧД, должны
обладать уровнем шума существенно меньшим, чем те усилители,
которые могут быть использованы в ПЧД с дискретным выделением
позиционного сигнала или в обычных детекторах, аналогичных по
принципу преобразования энергии излучения в электрический сиг-
нал. Например, при вычислении координат по отношению зарядов
погрешность в определении положения Ах при общей длине рабо-
чего поля ПЧД L пропорциональна суммарному шуму qm в цепи
сигнала qy несущего информацию о положении, т. е. Ax/L = qmfq.
Следовательно, для относительного позиционного разрешения
Ах/ЬжОЛ % необходимо qm<q-l0~3. Как уже отмечалось в § 4,
для низкошумящих усилителей, входящих в состав ПЧД с анало-
говым выделением позиционной информации, условия оптимизации
отличаются от этих условий для усилителей, обычно используемых
в аппаратуре.
Во-вторых, в ПЧД с измерением отношения зарядов или раз-
ности в моментах появления сигналов возникновение погрешностей
в их определении непосредственно приводит к погрешности в опре-
делении координат, поэтому для относительного позиционного раз-
решения Ах/L ж 0,1 % погрешность в делении величин зарядов или
в определении задержки сигналов должна быть менее 0,1 %. Такие
параметры обеспечить достаточно трудно, в особенности при удов-
летворительном быстродействии.
Далее, позиционные сигналы, в которых информация заключе-
на в амплитуде импульсов, требуется нормировать по энергетиче-
скому сигналу, поскольку пропорциональные детекторы (пропорцио-
нальные, сцинтилляционные счетчики, ППД) регистрируют частицы
и кванты в некотором диапазоне энергий, а непропорциональные де-
текторы (МКП) имеют значительный разброс выходных сигналов по
амплитуде. Если не обеспечить независимость сигнала положения
от энергии (или от усиления МКП для данного события), в резуль-
таты вычисления координат может вноситься большая погрешность.
Наконец, должны быть исключены из регистрации события, в
которых произошло наложение сигналов. Если в ПЧД с протяжен-
ным коллектором заряды попадут на этот коллектор в двух разных
местах, информация о положении окажется неправильной (будет
вычислена координата, средняя из двух истинных), поэтому в уст-
ройства необходимо вводить каскады, выявляющие случаи наложе-
ний и блокирующие возникающие при этом сигналы. Чаше всего
52

для контроля за уровнем напряжения в выходной цепи вводят триг-
гер Шмитта, порог дискриминации которого устанавливают чуть
выше уровня шумов, а появление очередного импульса фиксируют
дифференцированием выходного сигнала (см., например, [12]). Со-
бытие регистрируется только в том случае, если амплитуда сигнала
лежит в заданном диапазоне и в интервале от начала нарастания
напряжения в выходной цепи до его спадания до уровня шумов
зарегистрировано появление не более чем одного импульса.
Следует отметить, что и в ПЧД с дискретным считыванием и
кодированием данных при одновременном срабатывании двух и бо-
лее детектирующих элементов (появлении сигналов в двух и более
коллекторных цепях) возникает неоднозначность в определении ко-
ординат места попадания частицы или кванта.
Чтобы исключить эту неоднозначность, предложено обрабаты-
вать полученные кодовые слова, используя методику корректирую-
щих кодов (в частности, исправлять ошибки, возникающие в кодо-
вых словах при одновременном срабатывании двух или трех детек-
тирующих элементов, используя корректирующий код Боуза — Ча-
удхури — Хоквингена) [22]. Описаны также устройства кодирова-
ния порядкового номера нити в двоичный код, которые при одно-
временном срабатывании двух смежных детектирующих элементов
вырабатывают код нечетной нити; сопровождается каждый такой
случай появлением дополнительного сигнала [28].
13. КАСКАДЫ СОПРЯЖЕНИЯ С ДЕТЕКТИРУЮЩИМИ
УСТРОЙСТВАМИ
Проблемы сопряжения детектирующих устройств с электрон-
ными каскадами, выделяющими и обрабатывающими позицион-
ную информацию, различны для ПЧД разных типов. Однако из-за
малого уровня сигналов, генерируемых детекторами, и стремления
по возможности уменьшить паразитные емкости, подключаемые к
выходным цепям детектирующих устройств, в ПЧД всех типов пред-
усилители, а часто и другие каскады размещают в непосредствен-
ной близости к коллекторам.
ПЧД с дискретным считыванием. В детекторах с дискретным
считыванием информации из-за малого уровня генерируемых импуль-
сов заряда трудно осуществить матричное кодирование сигналов,
снимаемых с коллекторов. Поэтому, как правило, импульсы, по-
ступающие с каждого коллектора, усиливают и нормализуют авто-
номными электронными каскадами (хотя известны и схемы кодиро-
вания при помощи трансформаторов связи [100]). Основные труд-
ности в построении таких ПЧД связаны с необходимостью использо-
вать большое число электронных каскадов. Поэтому стремятся офор-
мить электронные каналы в виде интегральных микросхем (см., на-
пример, [2, 8, 76]. Так, выполненная для пропорциональных камер
микросхема К243АГ1 содержит усилитель и формирователь, имеет
порог дискриминации 1,1 мВ±10 % и обладает временным разреше-
нием 12 не; габаритные размеры микросхемы 111,6X11,6X5 мм3
[8]. Другой пример специализированной интегральной схемы —
микросхема К405ХП1 [2].
ПЧД с резистивным коллектором и делением заряда. Для ра-
боты с такими ПЧД необходимы низкошумящие зарядо-чувстви-
тельные усилители, аналогичные тем, которые широко используют
53

в ядерной электронике. Однако поскольку эти усилители подсоеди-
няют к резистивным коллекторам с относительно небольшим сопро-
тивлением, в цепи обратной связи приходится использовать конден-
сатор и резистор, несколько отличающиеся от тех, которые содер-
жат обычные низкошумящие усилители. Емкость в цепи обратной
связи С0.с должна быть существенно больше, чем Сд/Л", а сопро-
тивление в этой цепи Ro.c—меньше, чем RnK, где Сд, /?д — ем-
кость и сопротивление коллектора (20—500 пФ и 1—100 кОм), а
К — коэффициент усиления (обычно близок к 104), тогда Сос>
>0,2^5 пФ и R0. с<0,1-М0 МОм; сопротивление R0. с несколько
ниже, чем в типовых каскадах.
Трапецеидальный фильтр, предпочтительный для достижения
лучших характеристик в ПЧД [79], на практике аппроксимируют
формированием сигнала на линиях задержки.
ПЧД со считыванием информации на линию задержки. В детек-
торах, где сигналы со многих коллекторов считываются через от-
воды на линию задержки, построение схемы усилителя с низким
уровнем шума оказывается весьма специфично. Кроме решения этой
задачи необходимо выбрать оптимальную конструкцию линии за-
держки и способ подключения к ней коллекторных цепей детек-
тора.
Обычно используют линии задержки без магнитных материа-
лов. В них по сравнению с ферритовыми линиями меньше дисперсия
сигнала, больше отношение задержки к времени нарастания импуль-
са, они могут работать при наличии значительных магнитных полей.
При выборе конструкции линии задержки руководствуются следу-
ющими критериями [97]; 1) полоса пропускания А/ должна быть
примерно согласована с временем нарастания импульса, генерируе-
мого детектором; 2) подключение коллекторов к линии должно
быть простым и эффективным; 3) подключение коллекторных цепей
к линии не должно оказывать на нее заметного влияния; 4) за-
держка сигнала /30 на единицу длины должна быть около 50—
100 нс/см, чтобы при использовании электронных каскадов с раз-
решением А^«1' не локализация места генерации сигнала состав-
ляла 0,1—0,2 мм; 5) затухание сигнала для линии длиной около
1 м должно быть умеренным.
В литературе описаны многие конструкции линий задержки,
в значительной степени удовлетворяющие этим требованиям и пред-
назначенные, как правило, для ПЧД с пропорциональными камера-
ми, например такая линия с /3о=80 нс/см была выполнена на ке-
рамическом стержне диаметром 4,3 мм с намоткой 100 витков мед-
ного провода диаметром 0,09 мм на 1 см [57]. Некоторые из
описанных линий [70, 97] имели прямоугольное сечение размером
9X25 или 3,3x33 мм; в них на продольные полосы и слой изоля-
тора намотан спиральный слой медного провода, а поверх него —
компенсирующие проводники. Использовался и многожильный пло-
ский кабель ПВП — 60X0,2, сложенный «гармошкой» [25].
Было найдено [112], что оптимальное значение нагрузочных
сопротивлений для многопроволочных ПЧД близко к 300 Ом. При
меньших сопротивлениях цепи, состоящей из индуктивности и емко-
сти коллектора и монтажа, сигнал сопровождается пульсациями, а
при больших сопротивлениях замедляется разрядка цепей и ухуд-
шается быстродействие системы.
Связь коллекторов (проволок камеры) с линией задержки мо-
жет быть прямой или емкостной. В первом случае коллекторы не-
54

посредственно подсоединяются к внешнему проводнику линии за-
держки и в нее поступает весь генерируемый импульс заряда; во
втором случае проводник, связанный с коллектором, обмотан вокруг
линии задержки и от 3 до 10 % заряда поступает в линию. Емкост-
ная связь легче выполняется механически и электрически, при ней
меньше вносится возмущение в линию задержки [57]. Однако пря-
мая связь коллекторов с линией задержки позволяет получить наи-
большую позиционную чувствительность [101].
В этой же работе было отмечено, что лучший способ организа-
ции линии задержки — использование как элементов этой линии ни-
тей многоколлекторных детекторов (их емкостей и взаимоиндук-
ции). В этом случае отпадает проблема ввода заряда в линию и
обеспечивается 100 %-ная эффективность съема заряда с коллек-
торов.
Как отмечалось в § 4, при использовании линий задержек спе-
циальными мерами можно снизить уровень шума и благодаря этому
почти втрое улучшить позиционное разрешение (см. стр. 22).
14. УСТРОЙСТВА ДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУД ИМПУЛЬСНЫХ
СИГНАЛОВ
Операции над амплитудами импульсов и, в частности, деление
амплитуд выполняют чаще всего специализированными устройства-
ми, использующими различные методы и основанными как на циф-
ровой, так и на аналоговой технике. Цифровые делители требуют
предварительного преобразования аналоговых сигналов в цифровую
форму. Они, как правило, позволяют достигнуть большей точности
операций, но действуют относительно медленно. Аналоговые устрой-
ства деления обрабатывают сигналы, получаемые непосредственно
с усилителей. Они менее точны, но обладают большим быстродей-
ствием.
Использование свойств р—я-переходов. Один из методов, ко-
торый используется в аналоговых делителях амплитуд сигналов,
основан на применении логарифмических и антилогарифмических
преобразователей. В этих преобразователях транзисторы с логариф-
мической характеристикой выполняют функции элемента обратной
связи операционного усилителя (напряжение (/ЭБ пропорционально
логарифму тока коллектора). Сигналы делимого и делителя затя-
гиваются, каждый из них стробируется и поступает на один из ло-
гарифмирующих преобразователей. Разность напряжений с этих кас-
кадов поступает на антилогарифмирующий преобразователь, выход-
ной сигнал которого пропорционален требуемому отношению. Пре-
образование сигналов напряжения в ток и обратно, а также строби-
рование сигналов детально рассмотрены в работе [81]; примеры
устройств, содержащих логарифмические преобразователи и выпол-
няющих операции аналогового деления, приведены в работах [30,
86]. Такие устройства обладают хорошим быстродействием и эко-
номичны. Однако в них требуется тщательно согласовывать харак-
теристики р—«-переходов (в особенности температурные) и обеспе-
чивать температурное равновесие всех преобразователей. Кроме того,
при наличии переходных конденсаторов изменение частоты входных
сигналов вызывает смещение нулевого уровня и приводит к появ-
лению значительных погрешностей, поэтому в устройства приходит-
ся вводить восстановители постоянной составляющей [30].
55

Другой метод построения схем деления основан на использо-
вании принципа переменной крутизны [12]. В частности, этот метод
реализован в микросхеме аналогового умножителя 525ПС1 [1].
Использование зарядки и разряда интегрирующих конденсато-
ров. В качестве устройства аналогового деления амплитуд импуль-
сов может быть использован модифицированный амплитудно-вре-
менной преобразователь, широко применяемый в многоканальных
амплитудных анализаторах. В таких устройствах (см., например,
[37]) один из сигналов щ заряжает до пикового значения интегри-
рующий конденсатор С, а второй сигнал и2 затягивается и управ-
ляет значением тока разряда конденсатора Iv = ku2. Время разряда
конденсатора t^ = q\IIv=k\(Uilu2). При этом используются хорошо
проверенные устройства; полученный временной интервал обычными
способами легко преобразуется в цифровой код. Однако устройства
обладают умеренным быстродействием, в особенности если требу-
ется высокая разрешающая способность.
Сходны с рассмотренным устройства, использующие не непре-
рывные, а дискретные зарядку и разряд конденсатора [19]. Они
содержат два оперативных запоминающих каскада и интегратор с
ключами на входе. Сначала при воздействии первых тактовых им-
пульсов интегратор заряжается до напряжения, пропорционального
амплитуде делимого щ, затем при воздействии каждого последую-
щего тактового импульса с интегратора снимается заряд, пропорцио-
нальный амплитуде делителя и2у пока напряжение на интеграторе
не станет равным нулю. Число тактовых импульсов во второй се-
рии соответствует отношению амплитуд Ui/u2l представленному в
цифровой форме.
Можно выполнить такие же устройства не с последовательны-
ми, а с параллельными процессами зарядки и разрядки конденса-
тора [19]. В этом случае на интегратор периодически поступают
заряды А<71 = /шь а заряды — Aq2=ku2 проходят через ключевой
каскад, как только индикатор отметит, что напряжение интегра-
тора ИинтХ). После воздействия R импульсов, приносящих заряды
А<7ь число импульсов, уносящих заряды Aq2, даст в цифровой фор-
ме отношение амплитуд щ/и2. В обоих случаях число импульсов R
ра^чо значению, обратно пропорциональному относительному про-
странственному разрешению.
Ускорить операцию деления позволяет метод последовательного
приближения к амплитуде делимого с использованием амплитуды
сигнала делителя как опорной [19]. Интегратор заряжается до
мплитуды ии а затем разряжается сигналами, равными по ампли-
туде 2пи2у где п — целое положительное, отрицательное число или
нуль. Разряд происходит, если напряжение соответствующего сиг-
нала превосходит напряжение на интеграторе, имеющееся после
проведения предшествующих операций. Результат деления пред-
ставляется в двоичном цифровом коде, а для достижения разре-
шающей способности R необходимо всего \ognR тактовых импуль-
сов. Однако в устройстве необходимо обеспечить жесткие допуски
на значения зарядов, уносимых с интегратора.
В [109] описаны устройства аналогового деления, содержащие
не один, а два интегрирующих конденсатора. Эти конденсаторы
С\ и С2 заряжаются токами, пропорциональными амплитудам по-
ступающих импульсов U\ и и2. Зарядка обоих конденсаторов начи-
нается в момент прихода импульсов щ и и2. Когда напряжение
на конденсаторе С\ достигает некоторого фиксированного значения
56

Unov> зарядка прекращается. Интервал времени зарядки t3, следо-
вательно, равен Ci£/nop/Ti = &iCi£/nop/Wb а заряд на конденсаторе
С2 успевает нарасти до i2t=k2u2Clunov/ul. Выходной сигнал второго
интегратора оказывается пропорциональным отношению амплитуд
импульсов u2/ui. Описанное устройство обладает для отношения
амплитуд 0,2—0,8 нелинейностью, меньше 2 %, и дрейфом ме-
нее 1 %.
Использование АЦП входных сигналов. Как уже отмечалось,
операция деления амплитуд импульсов может быть выполнена в
цифровой форме (с использованием цифровых процессоров), если
предварительно значение амплитуд преобразовано в цифровой код.
Этот метод позволяет получить хорошую точность, хотя и требует
применения прецизионных АЦП и процессоров [63], поэтому он удо-
бен при построении сложной аппаратуры, где используются средст-
ва вычислительной техники. Длина слов, поступающих в процессор,
определяется динамическим диапазоном отношения Ui/u2 и требуе-
мым пространственным разрешением.
Амплитуда выходных сигналов может быть сначала преобразо-
вана в пропорциональную ей частоту импульсов, а затем эту часто-
ту преобразуют в цифровой код [19]. В этом случае устройство де-
ления представляет собой цифровой вариант аналоговой схемы с
двумя интеграторами, рассмотренной на стр. 56.
15. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАДЕРЖАННЫХ
СИГНАЛОВ
При выделении временной позиционной информации для дости-
жения лучшей точности и линейности обычно используют дифферен-
циальные методы, т. е. определяют разность времен появления сиг-
налов, снимаемых с противоположных концов анода (коллектора).
Чаще всего для определения времени нарастания сигнала /н ис-
пользуют формирование при помощи линий задержек или /?С-цепей
биполярного импульса. Момент пересечения таким импульсом нуле-
вой линии задержан от начала действия сигнала на величину, за-
висящую от ta. Определяют моменты пересечения нулевой линии
сигналами, снимаемыми с двух концов анода, и разность интерва-
лов At соответствует положению события (см., например, [61, 94]).
Типичная структурная схема устройства приведена на рис. 15, а.
Она содержит в каждом канале предусилитель ЯУ, усилитель-фор-
мирователь УФ и каскад выделения момента пересечения нулевого
уровня ВПН. Симметрию каналов нарушают, вводя в один канал
линию задержки JI3 так, чтобы стартовый сигнал появлялся одно-
временно с сигналом остановки, когда заряд вводится в точку на
нижнем краю коллектора ПЧД. Сигналы с обоих предусилителей
суммируются каскадом КС, если амплитуда суммарного сигнала пре-
восходит порог дискриминации каскада Д, разрешается формиро-
вание импульса «вых, осуществляемое каскадом выделения интер-
вала КВН. Интервал между сигналами Старт и Стоп, пропорцио-
нальный определяемой координате, преобразуется затем в цифровой
код.
Такие устройства достаточно просты, а выделение позиционной
информации происходит за короткие интервалы времени. Однако в
них приходится использовать быстродействующие электронные кас-
кады, в том числе компараторы. Так, в одном из описанных
57

fit
R5
R7
Стоп
Лвых
Старт
а)
Л31
лэг
<*6л
КС
и*
КВИ
1
R8
НС
«Вы
Иг
1
1
1 и,
f-—1
tj
1
е
1
1
1
Г
6
В)
Рис. 15. Структурные схемы устройств определения задержки сиг-
налов с биполярным формированием сигнала (а), со сравнением
сдвинутого во времени и ослабленных аттенюаторами сигналов (б)
и диаграмма сигналов (в)
устройств [01] измерению координаты события на 1 мм соответст-
вует изменение tH на 30 не; эти значения типичны для ПЧД с ре-
зистивными анодами.
Наряду с рассмотренным используют и другие методы, напри-
мер преобразование времени нарастания сигнала с анода ПЧД в
длительность нормализованного импульса [78]. В таком устройстве
(рис. 15,6) сигнал сдвигается линией задержки Л31 (или Л32) и
сравнивается с исходным сигналом, ослабленным аттенюатором
R3, R4 до уровня 0,9 и аттенюатором R7> R8 до уровня 0,1. Каска-
ды сравнения КС выделяют интервал между моментами пересече-
ния задержанного и ослабленного сигналов (рис. 15, в), и далее кас-
кадом КВИ выделяется интервал, пропорциональный определяемой
координате (формируется импульс мВых). Как и устройства с выде-
лением момента пересечения нулевого уровня, рассмотренная схема
проста, но требует использования быстродействующих логических
элементов.
В тех ПЧД, где сигналы поступают в линию задержки с кол-
лекторов многопроволочных детекторов (пропорциональных, дрей-
58

фовых камер), временной интервал обычно выделяют по моментам
срабатывания чувствительных и весьма быстродействующих ампли-
тудных дискриминаторов. Для построения таких устройств приме-
няют высокочастотные транзисторы (/Гр > 800 МГц) и логические
ЭСЛ-микросхемы (см., например, [112]).
С помощью методов, обычных для ядерной электроники, зна-
чение интервала ta представляют в цифровой форме.
При использовании временного анализа не требуется нормали-
зовать по амплитуде входные сигналы, что упрощает устройство
обработки.
16. ВЫДЕЛЕНИЕ ПОЗИЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ
В КОМБИНИРОВАННЫХ ПЧД
Требования к прецизионности электронных каскадов снижаются,
если использовать комбинированные (аналого-цифровые) методы
выделения позиционной информации. В этом случае резистивный
анод ПЧД в каждом измерении состоит из нескольких участков
(секций), соединенных между собой последовательно. К точкам со-
единения подключены предусилители, выходные сигналы которых
подвергаются обработке [6, 14]. В зависимости от размытия пучка
электронов в плоскости анода используют различную структуру уст-
ройства обработки.
Если пучок распространяется не более чем на две анодные
секции, т. е. заряды поступают в три выходные цепи, позицион-
ный сигнал может быть измерен по алгоритму «трех усилителей»
[6]. В этом случае сигналы с выхода т усилителей поступают на
три линии: А у В к С. С линией А соединены каналы с порядковым
номером iy с линией В — каналы i+1, а с линией С — каналы
/+2, где i — любое число от 0 до т/3. Локальное (точное) положе-
ние места попадания заряда в пределах сектора определяют уст-
ройством деления по выражению (14) (см. § 3), а код коллектора
(сектора), в который попал максимальный заряд, вырабатывает
дополнительно устройство. Кодовым сигналом при помощи управляе-
мых ключевых каскадов устройство деления подсоединяется к двум
линиям, выбираемым из линий Л, В и С.
Если пучок распространяется на три анодные секции, т. е. за-
ряды поступают в четыре выходные цепи, позиционный сигнал мож-
но определить по соотношению (16) (см. § 4). Структурная схема
такого устройства сходна с рассмотренной, однако увеличено число
линий (до четырех) и число ключевых каскадов [14].
В результате разделения анода на К секций и вычисления ко-
ординаты каскадом деления амплитуд сигналов снижается погреш-
ность определения координаты места попадания заряда. Однако
если погрешность в оценке координаты связана с шумами в усили-
тельном канале, разрешающая способность улучшается меньше чем
в К раз. Это связано с тем, что при суммировании или вычитании
сигналов с нескольких каналов шумовые компоненты суммируются.
Для того чтобы снизить погрешность, целесообразно сигналы с уси-
лителей не суммировать, а подключать входы устройства деления к
выходам усилителей через мультиплексоры с т входами. Состоя-
ние этих мультиплексоров определяется кодом того сектора, в ко-
торый попадает максимальный заряд [14].
59

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. Под ред.
С. В. Якубовского, М., Сов. радио, 1979, с. 337. Авт.: С. В. Якубов-
кий, И. А. Барканов, Б. П. Кудряшов и др.
2. Басиладзе С. Г., Юдин В. К. Электроника регистрации для
пропорциональных камер на основе специализированной интеграль-
ной схемы К405ХП1. — В сб.: Пропорциональные и дрейфовые ка-
меры, ОИЯИ, Дубна, 1978, с. 280.
3. Бондаренко В. Г., Григорьев В. А., Каплин В. А. Эффектив-
ная скорость распространения светового сигнала в сцинтилляцион-
ном координатно-чувствительном детекторе. — Приборы и техн.
эксперимента, 1979, № 3, с. 75—77.
4. Борковски, Копп. Детекторы нового типа, чувствительные к
месту прохождения ионизирующей радиации. — Приборы для науч.
исслед., 1968, т. 39, № 10, с. 113—120.
5. Борковски, Копп. Конструкция и характеристики чувствитель-
ных к положению пропорциональных счетчиков с резистивно-ем-
костным кодированием положения. — Там же, 1975, т. 46, № 8,
с. 3—17,
6. Келлог, Генри, Марри и др. Визуализирующий рентгеновский
детектор высокого разрешения. — Там же, 1976, т. 49, № 3, с. 8—17.
7. Воробьев А. А., Руденко Н. С, Сметанин В. И. Техника иск-
ровых камер. М., Атомиздат, 1978, 120 с.
8. Бару С. Е., Басиладзе С. Г., Грошев В. Р. и др. Гибридная
интегральная микросхема «усилитель—формирователь» для пропор-
циональных камер. — Приборы и техника эксперимента, 1975, № 4,
с. 105—107.
9. Головатюк В. М., Заневский Ю. В., Пешехонов В. Д. Много-
проволочная пропорциональная камера с шагом намотки анодных
проволок 1 мм. — Приборы и техника эксперимента, 1978, № 6,
с. 30—32.
10. Дубровский Ю. В., Песков В. Д. Гейгеровские координат-
ные счетчики. — Там же, 1979, № 3, с. 65—70.
11. Агроба Т. А., Твердцители И. Г., Гулдамашвили А. И. и др.
Ионно-легированный полупроводниковый координатный детектор
заряженных частиц. — Там же, 1978, № 2, с. 45—46.
12. Иохансен. Аналоговая схема деления для импульсных сиг-
налов.— Приборы для науч. исслед., 1974, № 8, т. 45, с. 43—47.
13. Искровая камера. М., Атомиздат, 1967, 319 с. Авт.:
М. И. Дайон, Б. А. Долгошеин, В. И. Ефременко и др.
14. Кнапп. Анод со скрещенными сетками и его секционирова-
ние.— Приборы для науч. исслед., 1978, т. 49, № 7, с. 108—114.
15. Колсон, Мак-Ферсон, Кинг. Электронный умножитель с
большим усилением как усилитель изображения. — Там же, 1973,
т. 44, № 12, с. 6—9.
60

16. Балдин Б. Ю., Вертоградов Л. С, Крумштейн В. В. и Др*
Координатные детекторы на жидких сцинтилляторах. — Приборы и
техника эксперимента, 1978, № с. 78—83.
17. Курашов А. А. Индентификация ионизирующих излучений
средних и низких энергий. М., Атомиздат, 1979, 264 с.
18. Лэмптон, Малина. Система регистрации изображения на ба-
зе квадратного анода. — Приборы для науч. исслед., 1976, т. 47,
№ 11, с. 43—46.
19. Лэмптон, Пареске. Раникон — электронно-оптический преоб-
разователь с резистивным анодом. — Там же, 1974, т. 45, № 9>
с. 57—66.
20. Лоуренс, Стоун. УФ — спектрограф с микроканальными
пластинами. — Там же, 1974, т. 45, № 4, с. 90—93.
21. Литовченко П. Г., Гончар В. Г., Барабаш Л. И. и др*
Некоторые специальные типы полупроводниковых детекторов для
изучения ядерных реакций. — В сб.: Полупроводниковая техника
и микроэлектроника. Вып. 4, Киев, «Наукова думка», 1970,
с. 122—128.
22Никитюк Н. М., Раджабов Р. С, Шафранов М. Д. Блок
параллельного кодирования информации с многопроволочных про-
порциональных камер. — Приборы и техника эксперимента, 1978,
№4, с. 95—98.
23. Гальцов В. С, Захаркин И. И., Кузнецов В. А. и др.
Позиционно-чувствительный пропорциональный счетчик нейтро-
нов. — Там же, 1979, № 2, с. 78—80.
24. Артемов С. В., Гупер М. А., Ильясов А. 3. и др. Полупро-
водниковые детекторы, чувствительные к месту попадания части-
цы.—Там, же, 1972, № 3, с. 59—62.
25. Попов В. Е., Прокофьев А. Н. Пропорциональная камера
с аналоговым съемом информации. — Там же, 1977, № 4, с. 66—68.
26. Горн Л. С, Костылев В. А., Наркевич Б. Я. и др. Приборы
для радиоизотопной диагностики в медицине. М., Атомиздат, 1978.
27. Пропорциональные и дрейфовые камеры. III Международ-
ное совещание по пропорциональным и дрейфовым камерам, ОИЯИ,
013—11807, Дубна, 1978.
28. Раджабов Р. С. Шифратор для пропорциональных камер.—
Приборы и техника эксперимента, 1979, № 6, с. 64—66.
29. Секо, Кобаяси. Применение микроканальных пластин для
предварительной обработки информации, содержащейся в изобра-
жении.— Приборы для науч. исслед., 1973, т. 44, № 4, с. 38—44.
30. Стросс, Бреннер. Универсальная аналоговая вычислитель-
ная машина для обработки амплитуд импульсов. — Там же, 1965,
т. 36, № 12, с. 175—195.
31. Бондаренко В. Г., Григорьев В. А., Макляев Е. Ф. и др.
Сцинтилляционный координатно-чувствительный детектор с высо-
ким временным разрешением. — Приборы и техника эксперимента,
1976, № 1, с. 44—46.
32. Тимоти. Предварительные результаты для микроканальных
пластин с насыщением усиления. — Приборы для науч. исслед.,
1974, т. 45, № 6, с. 111—115.
33. Тимоти, Байда. Двухмерный детектор фотонов на базе мик-
роканальных пластин.— Там же, 1975, т. 46, № 12, с. 3—12.
34. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической
физики. Изд. 5-е, М., Наука, 1977, 736 с.
61

35. Augustyniak M., Brown W. L., Lie H. F. e. a. — IEEE Trans.,
1972, v. NS—19, N° 3, p. 196—204.
36. Tanaka E., Nohara N., Kumano N. e. a. — In: Medical radio-
isotope scintigraphy, 1972, v. 1, Vienna, IAEA, 1973, p. 169—180.
37. Miller G. L., Williams N.. Senator A. e. a. — Nucl. Instrum.
and Methods, 1971, v. 91, p. 389—396.
38. Walton J. Т., Hubbard G. S., Haller E. E. e. a.— IEEE
Trans., 1979, v. NS—26, № 1, p. 334—337.
39. Alberi J. L., Radeka V. —IEEE Trans., 1976, v. NS—23, №1,
p. 251—258.
40. Allemand R., Thomas G. —Nucl. Instrum. and Methods, 1976,
v. 137, N° 1, p. 141—149.
41. Anger H. O. Scintillation camera. — Rev. Scient. Instrum.,
1958, v. 29, N° 1, p. 27—32.
42. Anger H. O. —IEEE Trans., 1966, v. NS—13, N° 3, p. 380-
386.
43. Kalbitzer S., Bader R., Melzer W. e. a. — Nucl. Instrum. and
Metthods, 1967, v. 54, N° 2, p. 323—324.
44. Flynn E. R., Orbesen S., Stein N. e. a. —Ibid., 1973, v. Ill,
№ 1, p. 67—76.
45. Backer R. G., Scrimger J. W. — Phys. Med. and Biol., 1967,
v. 12, N° 1, p. 51—56.
46. Bender M. A. — In: Medical radioisotope scanning, Vienna,
IAEA, 1964, v. I, p. 391—399.
47. Biebl U., Parak F. —Nucl. Instrum. and Methods, 1973,
v. 112, N° 3, p. 455—461.
48. Borkowski C. J., Kopp M. K. —IEEE Trans., 1970, v. NS—
17, N° 3, p. 340—349.
49. Breidenbach M., Sauli F., Tirler R. — Nucl. Instrum. and Me-
thods, 1973, v. 108, N° 1, p. 23—28.
50. Charpak G., Dick L., Feuvrais L. — Ibid., 1962, v. 15, № 4,
p. 323—326.
51. Charpak H., Rahm D., Steiner H. — Nucl. Instrum. and Me-
thods, 1970, v. 80, № 1, p. 13—34.
52. Charpak G., Sauli F. — Ibid., 1979, v. 162, N° 1—3, pt 2,
p. 405—428
53. Charpak G., Sauli F., Duinker W. — Ibid., 1973, v. 108,
N° 3, p. 413—426.
54. Nakamoto A., Nagata K., Kikuchi J. e. a. —Ibid., 1975, v. 130,
№ 2, p. 475—479.
55. Dickon Mc. — Ibid., 1967, v. 54, № 1, p. 157—158.
56. Doehring A., Kalbitzer S., Melzer W. — Ibid., 1968, v. 59,
№ 1, p. 40—44.
57. Grove R., Lee K., Perez—Mendez V. e. a. —Ibid., 1970, v. 89,
N° 2, p. 257—262.
58 Poirier J. A., Rey C. A., Volk J. T. e. a. — Ibid., 1978, v. 153,
N° 1, p. 105—109.
59. Bertozzi W., Hynes M. V., Sargent C. P. e. a. —Ibid., 1977,
v. 141, № 3, p. 457-476.
60. Ford J. L. E. — Ibid., 1979, v. 162, N° 1—3, pt 1, p. 277—304.
61. Ford J. L. C, Stelson P. H., Robinson R. L. A. —Ibid., 1972,
v. 98, N° 2, p. 199—203.
62. Fulbright H. W. —Ibid., 1979, v. 162, N° 1—3, pt 1, p. 341—
353
63. Fulbright H. W., Markham R. G., Lanford W. A. —Ibid.,
1973, v. 108, № 1, p. 125—133.

63

94. Oven R. В., Awcock M. L. — IEEE Trans., 1968, v. NS—15,
N° 3, p. 290—303.
95. Palladino V., Sadoulet B. — Nucl. Instrum. and Methods,
1975, v. 128, N° 2, p. 323—335.
96. Parkes W., Evans K. D., Mathieson E. — Ibid., 1974, v. 121,
N° 1, p. 151—159.
97. Perez—Mendez V., Parker S. I. —IEEE Trans., 1974, v. NS—
21, N° 1, p. 45—50.
98. Gerber M. S., Miller D. W., Schlosser P. A. e. a. —Ibid.,
1977, v. NS—24, №. 1, p. 182—187.
99. Charpak G., Petersen G., Policarpo A. e. a.— Nucl. Instrum.
and Methods, 1978, v. 148, N° 3, p. 471—482.
100. Radeka V.—IEEE Trans., 1968, v. NS—15, N° 3, p. 455—470.
101. Radeka V. — Ibid., 1974, v. NS—21, N° 1, p. 51—64.
102. Breskin A., Charpak G., Sauli F. e. a. — Nucl. Instrum. and
Methods, 1975, v. 124, № 1, p. 189—214.
103. Schroeder L. S. —Ibid.. 1979, v. 162, N° 1—3, pt. 2, p. 395—
404.
104. Schultz G., Gresser J. — Ibid., 1978, v. 151, N° 3, p. 413—431.
105. Smith D. G., Pound K. A. —IEEE Trans., 1968, v. NS—15,
N° 3, p. 541—550.
106. Charpak G., Bouclier R., Bressani T. e. a. — Nucl. Instrum.
and Methods, 1968, v. 65, N° 2, p. 217—220.
107. Tanaka E., Hiramoto Т., Nohara N. — J. Nucl. Med., 1970,
v. 11, N° 9, p. 542—549.
108. Charpak G., Bouclier R., Bressani T. e. a. — Nucl. Instrum.
and Methods, 1968, v. 62, N° 3, p. 265—268.
109. Tsukuda M. — Ibid., 1964, v. 25, N° 2, p. 265—268.
110. Etcheto Jac, Etcheto J., Gendrik R. e. a. —Ibid., 1973,
v. 108, N° 2, p. 271—277.
111. Veress I., Montvai A. —Ibid., 1978, v. 156, N° 1, p. 73—80.
112. Verweij H. — IEEE Trans., 1975, v. NS—22, N° 1, p. 437—440.
113. Cheng D. C, Kozanecki W. A., Piccioni R. L. e. a. — Nucl.
Instrum. and Methods, 1974, v. 117, №. 1, p. 157—169.
114. Walenta A. H., Heintze J., Schurlein B. — Ibid., 1971, v. 92,
№ 1, p. 373—ЗвО.
115. Wiza J. L. — Ibid., 1979, v. 162, № K—3, pt 2, p. 587—601.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава 1. Общие вопросы построения ПЧД .... 5
1. Принцип работы ПЧД 5
2. Классификация и основные параметры ПЧД . . 6
3. Общие методы выделения позиционной информации 7
4. Позиционное разрешение ПЧД 15
Глава 2. Ионизационные ПЧД 23
5. Позиционно-чувствительные газонаполненные иониза-
ционные детекторы 23
6. Дрейфовые камеры 31
7. Позиционно-чувствительные ППД 36
Глава 3. Сцинтилляционные ПЧД 40
8. Одномерные сцинтилляционные ПЧД .... 40
9. Двухмерные сцинтилляционные ПЧД .... 42
Глава 4. ПЧД на основе микроканальных пластин . . 47
10. Микроканальные пластины 47
11. Построение ПЧД с использованием микроканаль-
ных пластин 49
Глава 5. Обработка сигналов для выделения позиционной
информации 51
12. Элементы схем для обработки сигналов ПЧД . . 51
13. Каскады сопряжения с детектирующими устройствами 53
14. Устройства деления амплитуд импульсных сигналов 55
15. Устройства для измерения параметров задержанных
сигналов 57
16. Выделение позиционной информации в комбиниро-
ванных ПЧД 59
Список литературы .60