Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………

2


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy

I. Hệ Thống Điện Tử Hạt Nhân
Các hệ thống điện tử hạt nhân là hệ thống các khối chức năng nhằm đo đếm,
xác định giá trị các đại lượng liên quan tới bức xạ của hạt nhân. Do các đại lượng
đo trong vật lý hạt nhân gắn liền với phép đo hạt nhân đều ở dạng không điện nên
phải biến đổi thành các đại lượng điện.
Sơ đồ tổng quát của một khối điện tử hạt nhân như sau:
S

Biến
đổi

Hình thành xung
Xử lí xung
Khuếch đại xung

ADC

MDC

Máy
tính

Hình 1: Hệ thống đo bức xạ hạt nhân.
Trong điện tử hạt nhân, các bức xạ hạt nhân được biến đổi thông qua một bộ
phận gọi là detector. Detector thường được đặt xa nơi đo để tránh nguy hiểm của
bức xạ hạt nhân. Do các tín hiệu điện sau detector thường là nhỏ và do đó để truyền
tín hiệu đi xa người ta thường phải ghép nối giữa detector với bộ khuếch đại một
khối tiền khuếch đại. Sơ đồ tổng quát của một khối đo như sau:

Hình 2. Hệ thống đo bức xạ hạt nhân ghép tiền khuếch đại.

Sơ lược quá trình hoạt động:
Các nguồn phóng xạ (kể cả bức xạ phông cũng coi như là một nguồn phóng xạ
tự nhiên) tạo ra bức xạ hạt nhân, được detector thu nhận và biến thành xung điện,
được nhân lên nhiều lần trước khi đi đến bộ phận khuếch đại phổ kế Amp
(Amplifier). Qua khuếch đại, tín hiệu khuếch đại đủ lớn về biên độ, hình thành

3


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
xung chuẩn, và như vậy tín hiệu lối ra của khối khuếch đại phổ kế vẫn ở dạng
tương tự sẽ cung cấp cho ADC. ADC (Analog to Digital Convertor) làm nhiệm vụ
biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số với những điều kiện về biên độ và thời
gian định trước gọi là ngưỡng, đồng thời truyền tải tín hiệu qua khối MCD (Multi
Channel Data processing). MCD có nhiệm vụ ghi lại sự kiện mà ADC cung cấp
vào bộ nhớ RAM của mình, đồng thời đưa tín hiệu vừa ghi lại qua máy tính để máy
tính làm nhiệm vụ xử lý và hiển thị lên màn hình theo một số thông số mà người
lập trình muốn đưa vào (như thời gian phân giải, năng lượng, cường độ…). Kết quả
hiển thị sẽ cho ta rất nhiều thông tin về nguồn phóng xạ cần đo, từ đó có thể tiến
hành phân tích các kết quả để đi đến mục đích sử dụng khác nhau.
II. Tiền Khuếch Đại
2.1 Khái niệm tiền khuếch đại: là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ, nhiệm
vụ khuếch đại các tín hiệu lấy từ lối ra của detector.
Trên quan niệm khuếch đại xung điện, thì người ta thường chia bộ khuếch
đại làm hai phần: Khuếch đại sơ bộ ( tiền khuếch đại) và khuếch đại cơ bản.
Tiền khuếch đại thường đặt gần các detector với mục đích làm giảm điện
dung ký sinh, mà các điện dung kí sinh này có thể làm tồi thời gian tăng cũng như
làm suy giảm biên độ tín hiệu hiệu dụng. Đồng thời với cách ghép nối này cho
phép nâng cao tỉ số S/N. Tiền khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại và biến đổi các
dạng tín hiệu điện ở lối ra detector thành điện áp.Vì bộ khuếch đại cơ bản thường là

các bộ khuếch đại điện áp. Đồng thời nó cũng là tầng phối hợp trở kháng giữa
detector và cáp đồng trục nối ghép với khuếch đại cơ bản. Vì khuếch đại cơ bản
thường đặt xa với tiền khuếch đại. Thông thường thì trở kháng của detector là cao
trong lúc cáp có trở kháng thấp.
Với mục đích như đã nêu trên tiền khuếch đại phải đảm bảo thực hiện được
các chức năng sau:

4


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
- Biến đổi các dạng xung điện trên lối ra của detector thành điện thế.
- Khuếch đại xung
- Hình thành xung.
- Đảm bảo tối ưu tỷ số S/N
- Đảm bảo tốt việc phối hợp trở kháng.
- Có khả năng chống bảo hòa lối ra.
2.2 Phân Loại Tiền Khuếch Đại
Thường thì người ta dựa vào chức năng thứ 1 để phân loại tiền khuếch đại và có
3 loại cơ bản như sau:
1. Nhạy điện tích
2. Nhạy điện thế
3. Nhạy dòng điện
Trên thực tế các bộ tiền khuếch đại nhạy dòng điện được sử dụng với các nguồn
tín hiệu có trở kháng thấp, vì thế nó hoàn toàn không được sử dụng trong hệ thống
ghi bức xạ, vì các detector thường có trở kháng cao.

Hình 3. Sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện thế
Trong các trường hợp đối với ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ, ống đếm
Geiger-Muller có điện áp lối ra đủ lớn thì tiền khuếch đại được sử là loại nhạy điện


5


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
thế với điện áp lối ra Vo , trong đó Ct là điện dung tổng cộng có mặt ở lối vào của
tiền khuếch đại. Đây chính là điều lưu ý trong việc ổn định điện dung của detector
trong thời gian hoạt động. Đây chính là nhược điểm loại tiền khuếch đại nhạy điện
thế.
Nhược điểm trên của tiền khuếch đại nhạy điện thế có thể được khắc phục khi
sử dụng loại tiền khuếch đại nhạy điện tích. Với tiền khuếch đại nhạy điện tích điện
áp lối ra: Vo=-Q/Ct. Với cách mắc này cho thấy điện áp lối ra không còn phụ thuộc
vào điện dung của detector. Trên thực tế TKĐ nhạy điện tích được thiết kế trên
Transistor hoặc lối vào. TKĐ với transistor lối vào có tạp âm là cao, nhược điểm
này sẽ được khắc phục khi sử dụng FET ở lối vào đặc biệt với cách mắc cascade,
ngoài ra FET hoạt động trên cơ sở điều khiển thế cho nên với các detector cho dòng
ra bé thì TKĐ càng trở nên tối ưu hơn.

Hình 4. Sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện tích
Mạch TKĐ trong thực tế luôn mắc thêm điện trở Rf//Cf với mục đích:
- Cấp đường DC đối với dòng thiên áp lối vào cho tiền khuếch đại.
- Tạo đường phóng cho tụ Cf trong quá trình tích phóng, để đảm bảo tránh sự bảo
hòa ở lối ra của TKĐ.
2.3 Các Cách Ghép Nối Tiền Khuếch Đại Với Detector.
2.3.1 Nối AC giữa tiền khuếch đại và Detector: Trên hình vẽ 5 đưa ra sơ đồ cách
ghép nối AC, đó là cách nối được đảm bảo nhờ vào tụ liên kết Ci giữa tiền khuếch

6



Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
đại và detector. Cách ghép nối này được sử dụng khi dòng ra của detector là lớn.
Mạch bao gồm bộ biến đổi điện tích thành điện áp tụ nối tầng Ci. Với cách mắc này
thì Ci sẽ đóng góp làm tăng thêm nguồn tạp âm song song. Trong thực tế với giá trị
Ci xác định thì việc giảm tạp âm chỉ có là giảm nhờ vào việc giảm phần tạp âm nối
tiếp, với cấu hình đã nêu là việc tăng Rf để giảm tạp âm. Song việc tăng Rf là hữu
hạn, vì khi Rf quá lớn số làm mất khả năng chống bão hòa lối ra của bộ khuếch đại.
FET đầu vào được đặt cách li DC đối với điều khiển phân cực của Detector và như
thế khi thay đổi Detector không cần điều khiển tiền khuếch đại. Ngoài ra mở rộng
dải động của tiền khuếch đại để tăng vận tốc đếm và khái niệm phân giải không ảnh
hưởng tới phân cực của Detector. Bố trí theo hình 8a tốt hơn giá trị UH lớn. Bố trí
như hình 8b sinh ra tạp âm cao và cao thế ảnh hưởng đến tụ ghép.

Hình 5: Ghép AC tiền khuếch đại với Detector
2.3.2 Nối DC giữa tiền khuếch đại và Detector: Trên hình vẽ 6 đưa ra sơ đồ cách
ghép nối DC.

7


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy

Hình 6: Ghép DC tiền khuếch đại với Detector
Cách ghép nối DC là cách nối trực tiếp giữa tiền khuếch đại và Detector.
Cách nối này được sử dụng khi dòng ra là rất nhỏ. Ví dụ detector bán dẫn Ge siêu
tinh khiết dòng Id=0,01 nA. Ghép DC cho S/N cao do đó nó thích hợp với các hệ
thống đo cần độ phân giải cao. Mạch đã bỏ các nguồn tạp âm song gây bởi Ci và
một phần tạp âm nối tiếp gây ra bởi Rd. Như vậy, tạp âm ở đây có thể hạn chế được
đó là Rf.
III. TIỀN KHUẾCH ĐẠI CHO DETECTOR BÁN DẪN VÀ NHẤP NHÁY

3.1 Liên kết tiền khuếch đại cho detector bán dẫn:
Trong Detector bán dẫn tụ điện tiếp xúc Cd phụ thuộc vào áp công tác Uh và
không thể coi nó là hằng số, ngay cả khi Uh là ổn định. Bởi vậy để tích phân xung
dòng cần phải sử dụng các bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích. Hằng số thời gian
mạch vào: T0=(R//ri)Cn.

8


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy

Hình 7a: Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với Detector bán dẫn

Hình 7b: Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với Detector bán dẫn
3.1.1 Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn 2004
Bộ khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2004 được thiết kế để sử dụng với
cả hai detector bán dẫn dung kháng thấp và cao. Tiền khuếch đại biến đổi các phần
tử mang điện trong detector trong khoảng các sự kiện hạt nhân thành xung thế hàm

9


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
bước, biên độ của xung thế này tỉ lệ với điện tích tổng cộng được tích lũy trong mỗi
sự kiện. Lối ra cung cấp tín hiệu phân cực dương khi được sử dụng với detector
thiên áp dương và phần tín hiệu suy giảm với hằng số thời gian 50μs.
Đặc trưng tần số cao của thiết kế được minh chứng bởi khả năng tần số nạp
tốt hơn 2x10-7 C/s hay 4.5x10-6 MeV/s đối với detector Si. Để tận dụng toàn bộ ưu
điểm của khả năng tần số cao như thế, một bộ khuếch đại cơ bản với khả năng tần
số điếm cao như 2020 có thể được sử dụng.

Hình 8 trình bày sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004. tầng đầu hoạt
động như một bộ tích phân tạo nên thế lối ra tỉ lệ với điện tích được tích lũy. Bộ
tích phân này được nối với tầng đệm của lối ra nhờ mạch điều chỉnh cực zêrô.
Bộ tiền khuếch đại cung cấp tạp âm 2.8 keV, FWHM, Si với tần số tạp âm tăng với
điện dung vào chỉ 10 eV/pF. Hệ số biến đổi bình thường 9 mV/MeV hay 45 mV/
MeV (Si) có thể được chọn bởi phích cắm trên bảng mạch in trong tiền khuếch đại.
Thêm vào đó, mạch vào bao gồm mạch bảo vệ ngăn chặn hỏng FET lối vào do
chuyển thế cao do áp thế hay lấy thế thiên áp detector đột ngột. Tất cả nguồn nuôi
được cung cấp bởi bộ khuếch đại cơ bản qua cáp nguồn khuếch đại có chiều dài
3m.

Hình 8. Sơ đồ chức năng của tiền tiền khuếch đại 2004

10


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
3.1.2 Những đặc trưng kỹ thuật:
Lối vào detector: tiếp nhận xung điện tích từ detector bán dẫn.
Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 2.2 pC/V, Zin =93 Ω.
Lối vào cao thế: cho phép thiên áp detector lên tới ± 2000 V DC, detector nối tiếp
với trở thiên áp 110 MΩ.
Lối ra năng lượng: xung đuôi bị đảo, thời gian tăng như bảng 4.4, hằng số thời gian
giảm 50μs.
Đặc tính:
Độ phi tuyến tích phân: < ± 0.02% cho 10V lối ra.
Độ trôi hệ số khuếch đại: ± 0.01%/0C (100 ppm/0C)
Cách điện thiên áp detector: ± 5000 V DC.
Tạp âm lối ra: bảng 1
Độ nhạy điện tích: 0.2 V/pC hay 1.0 V/pC.

Độ nhạy năng lượng (Si): 9mV/MeV hay 45 mV/MeV.
Thời gian tăng: bảng 1
Yêu cầu nguồn nuôi:
24 V DC – 30 mA
+ 12 V DC – 2 mA
- 24 V DC – 15 mA
- 12 V DC – 2 mA
Kích thước: 9.86 x 7.62 x 4.45 cm.

11


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
Bảng 1. Đặc tính của tiền khuếch đại 2004
CDET

Tạp âm C rms

Tạp âm (keV)

Thời

gian

tăng

(ns)
0

< 5.2x10-17


< 2.8

< 20

30

< 5.7x10-17

< 3.0

< 21

100

< 6.6x10-17

< 3.5

< 23

300

< 1.0x10-16

< 5.3

< 33

3.2 Liên kết tiền khuếch đại cho detector nhấp nháy

Trong detector nhấp nháy biên độ xung của tín hiệu thường có giá trị lớn hơn
mức tạp âm của tiền khuếch đại. Bởi vậy các tiền khuếch đại thường mắc theo kiểu
lặp lại emiter. Trên hình vẽ 9 là sơ đồ nguyên lí của bộ nhân quang điện.

Hình 9. Sơ đồ tiền khuếch đại nối ghép với detector nhấp nháy.
Nếu điện thế katod bằng thế đất, thì tất cả điện áp ra cỡ 1 kV là điện áp out
trên anod và tiền khuếch đại cần nối qua tụ chia C1 còn Ca và Cb nối song song trên
lối ra của bộ nhân quang điện và trên lối vào của tiền khuếch đại một cách tương
ứng: Cs=Ca+Cb , là điện dung toàn phần mắc song song. Ra điện trở anod; Rb là điện
trở vào của tiền khuếch đại, thường Ca~Cb~10 pF.

12


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
3.2.1 Tiền khuếch đại cho detector nhấp nháy 2005
Tiền khuếch đại 2005 là loại nhạy điện tích thu điện tích từ các detector nhấp
nháy cho bộ khuếch đại cơ bản có hình thành xung. Đối với ứng dụng điển hình với
lối vào từ anốt của ống nhân quang điện, tiền khuếch đại sẽ phát ra xung năng
lượng phân cực dương.
Tiền khuếch đại hoạt động như một bộ tích phân, biến đổi điện tích thành thế
tỉ lệ thuận với điện tích được tích lũy tại lối vào detector. Lối ra bộ tích phân được
nối với mạch bù trừ cực zêrô để tối ưu đặc trưng quá tải và bộ vi phân để cung cấp
xung đuôi ra 50μs. Thêm vào đó, một tầng đệm cho phép tải cáp dài mà không làm
méo xung.
Hệ số biến đổi điện tích thường là 4.5 hay 22.7 mV/pC có thể được chọn bởi
chuyển mạch trên mạch in bên trong tiền khuếch đại. Nguồn nuôi tiền khuếch đại
thường được cấp từ bộ khuếch đại cơ bản nhờ cáp nuôi có chiều dài 3 m.

Hình 10. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2005

3.2.2 Những đặc trưng kỹ thuật:
Lối vào detector: tiếp nhận xung điện tích từ detector nhấp nháy/ống nhân
quang điện.

13


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy
Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 33 pC/V, Zin =93
Ω.
Lối ra năng lượng: xung đuôi bị đảo, thời gian tăng như bảng 4.5, hằng số
thời gian giảm 50μs, Zout =93 Ω, nối trực tiếp
Đặc tính:
Độ phi tuyến tích phân: < ± 0.02% cho 10V lối ra.
Độ trôi hệ số khuếch đại: ± 0.01%/0C (100 ppm/0C)
Tạp âm lối ra: bảng 2
Độ nhạy điện tích: 0.2 V/pC hay 1.0 V/pC.
Thời gian tăng: bảng 2
Yêu cầu nguồn nuôi:
24 V DC – 20 mA
+ 12 V DC – 2 mA
- 24 V DC – 14 mA
- 12 V DC – 2 mA
Kích thước: 7.6 x 10.2 x 4.4 cm.
Bảng 2. Đặc tính của tiền khuếch đại 2005
Mẫu

CDET

Tạp âm C rms


Thời

gian

tăng

(ns)
2005

0

1x10-15

<15

500

1x10-15

<16

14


Tiền khuếch đại cho detector bán dẫn và detector nhấp nháy

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TS. Nguyễn Đức Hòa, Giáo trình điện tử hạt nhân, Đại học Đà Lạt 2005.
2. Trần Thanh Minh, Phương pháp thực nghiệm trong Vật lí hạt nhân, Đại học

Đà Lạt 1979.
3. Đinh Sĩ Hiền, Giáo trình điện tử hạt nhân, Đại học Đà Lạt 1999.
4. Đỗ Xuân Thụ, Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo dục 2005.

15