Часть 3: Аналоговая схема гамма-спектрометра — ВН, предусилитель и формирователь

Серия «Гамма-спектрометр своими руками»: Часть 1: Физика → Часть 2: Детекторы → Часть 3: Аналоговая схема

Детектор — это только начало. Импульс тока с ФЭУ или SiPM нельзя подать напрямую на АЦП: он слишком короткий (несколько микросекунд), слишком шумный и с неправильной формой. Нужна аналоговая сигнальная цепочка, которая превратит этот хаос в аккуратные гауссовы импульсы, пригодные для оцифровки.

В этой части — полная схема от детектора до АЦП: источник высокого напряжения, зарядочувствительный предусилитель и гауссов формирователь.

Структура аналогового тракта

Сигнальная цепочка состоит из четырёх блоков:

Осциллограф — первый инструмент при отладке аналогового тракта спектрометра. Форма выходного импульса формирователя должна быть симметричным гауссианом без выбросов и подстрелов. Фото: Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0.

[ФЭУ] → [Предусилитель (CSP)] → [Формирователь (Shaper)] → [АЦП/МКА]
               ↑
        [Источник ВН]

Каждый блок решает конкретную задачу:

• Источник ВН — питает ФЭУ напряжением 600–1000 В
• Предусилитель (CSP) — интегрирует заряд импульса ФЭУ в пропорциональный выходной сигнал, обеспечивает низкий шум
• Формирователь — придаёт сигналу гауссову форму с заданной шириной, улучшает отношение сигнал/шум
• АЦП — оцифровывает амплитуду и строит гистограмму каналов (спектр)

Источник высокого напряжения для ФЭУ

ФЭУ требует стабильного напряжения от 600 до 1200 В (типовое для ФЭУ-85 — 800–900 В). Ключевые требования:

Стабильность: нестабильность питания напрямую ухудшает разрешение спектра. Допустимые пульсации — не более 0,1–0,3%. При 900 В это ≤ 0,9–2,7 В.

Ток: ФЭУ потребляет 0,5–2 мА. Источник на 5 мА с запасом.

Вариант 1: Готовый модуль с Aliexpress

Ищите «High Voltage Power Supply Module 1000V» или «DC DC boost converter HV PMT». Типичные параметры: вход 5–12 В, выход 200–1200 В регулируемый, ток 5–10 мА, стоимость 500–1500 руб.

Многие из них имеют потенциометр для регулировки напряжения. Важно: добавить дополнительный RC-фильтр на выходе (R = 100 кОм, C = 10 нФ 2 кВ) для снижения высокочастотных пульсаций.

Вариант 2: Схема на основе MC34063 или MAX1771

Классическая схема повышающего преобразователя на MC34063A с последующим умножителем напряжения (диодно-конденсаторная лестница). Более сложна, но даёт лучший контроль над пульсациями. Описана в десятках любительских публикаций.

Вариант 3: Theremino HV Adapter

Готовая плата от проекта Theremino (theremino.com), специально разработанная для гамма-спектрометрии. Формирует стабильное напряжение питания ФЭУ и одновременно содержит предусилитель и формирователь. Стоимость ~100–150 USD, но включает всё необходимое.

Для SiPM — никакого высокого напряжения!

Если вы используете SiPM (например, в Open Gamma Detector), нужно всего 27–35 В смещения. Простой линейный стабилизатор или небольшой boost-конвертер. Это главное преимущество SiPM перед ФЭУ для DIY.

Зарядочувствительный предусилитель (CSP)

Выходной импульс ФЭУ — это короткий (~1–10 мкс) импульс тока. Его амплитуда пропорциональна числу электронов, то есть числу фотонов, то есть — энергии гамма-кванта.

Зарядочувствительный предусилитель (Charge-Sensitive Preamplifier, CSP) интегрирует этот заряд на конденсаторе обратной связи Cf (обычно 1–5 пФ), преобразуя его в пропорциональный скачок напряжения:

$$V_{out} = rac{Q}{C_f}$$

Где Q — полный заряд импульса ФЭУ. Чем больше заряд (то есть чем выше энергия гамма-кванта), тем выше выходное напряжение.

После скачка напряжение медленно возвращается к нулю через резистор обратной связи Rf (100 МОм–1 ГОм), создавая характерный «RC-хвост» с постоянной времени τ = Rf × Cf ≈ 0,1–1 мс.

Практическая схема CSP

          Rf (100МОм)
     ┌────────┤├────────┐
     │         Cf (2пФ) │
     │    ┌──────||─────┤
ФЭУ ──┤inv │              │───→ Vout
анод  └──┤   ОУ (OPA2134) │
          └───────────────┘
               │
              GND

Ключевые компоненты:

• Операционный усилитель: OPA2134 (низкий шум, высокое входное сопротивление FET-вхд), AD8656, OPA627 для минимального шума
• Cf: 1–5 пФ (NP0/C0G керамика или плёночный конденсатор — стабильность критична)
• Rf: 100 МОм–1 ГОм (высоковольтный чип-резистор или цепочка последовательных резисторов)
• Монтаж: паяйте с минимальными длинами проводников, используйте экранирование

Критический момент: паразитная ёмкость на инвертирующем входе (провода, дорожки) увеличивает шум. Ставьте CSP вплотную к аноду ФЭУ.

Гауссов формирователь импульсов

Выходной сигнал CSP — это «ступенька» с медленным RC-хвостом. Формирователь преобразует его в симметричный импульс гауссовой формы. Это нужно для:

• Улучшения S/N: оптимальная фильтрация шума
• Уменьшения перекрытия импульсов (pile-up): короткий гауссиан меньше перекрывается при высоких загрузках
• Правильной формы для пикового детектора: гауссиан легко оцифровать по амплитуде

CR-RC формирователь

Простейший формирователь — цепочка CR (дифференциатор) + RC (интегратор):

              C1         R2
Vin ──┤├──┬──→ ОУ1 ──┬──///──┬──→ ОУ2 ──→ Vout
          │           │         C2           │
          R1          │          │           │
          │           └──────────┘           │
         GND                                GND

Постоянная времени формирования τ = R1×C1 = R2×C2 (для оптимального гауссиана).

Типовые значения: τ = 1–4 мкс. При τ = 2 мкс:

• R1 = C1: например, 100 кОм × 20 нФ = 2 мкс
• R2 = C2: те же значения

Для Theremino MCA (звуковая карта) формирователь растягивает импульс до ~100 мкс, что позволяет звуковой карте (192 кГц) корректно оцифровать его.

Более точная форма достигается цепочками CR-(RC)^n с n=2,3,4. Каждый дополнительный RC-каскад приближает форму к идеальному гауссиану.

Готовые решения

Вместо самостоятельной сборки CSP+формирователя можно использовать:

• Cremat CR-110 (предусилитель) + CR-200 (формирователь) — профессиональные гибридные модули, ~50–80 USD каждый. Используются в лабораторной практике
• Theremino PMT Adapter — плата с CSP и формирователем, подключается к звуковой карте, ~100–150 USD
• Open Gamma Detector — содержит встроенный операционный усилитель и всю аналоговую обработку для SiPM

Полный список компонентов для сборки NaI+ФЭУ системы

Типичные проблемы и их решение

Широкие пики, плохое разрешение — чаще всего нестабильное питание ФЭУ. Проверьте пульсации мультиметром в режиме AC. Добавьте RC-фильтр на выходе HV.

Базовая линия плавает — плохой монтаж CSP, паразитные утечки Rf или паразитная ёмкость. Монтируйте CSP вплотную к ФЭУ, используйте тефлоновый изолятор для Rf.

Много шума, пики не видны — плохое экранирование. Весь тракт должен быть в металлическом корпусе, соединённом с «землёй» схемы.

Пики сдвигаются при изменении температуры — SiPM или ФЭУ без температурной компенсации. У SiPM критично: добавьте схему температурной компенсации смещения.

Следующая часть серии: как оцифровать сигнал, выбрать МКА и программное обеспечение для анализа спектров.