Akademia Grniczo-Hutnicza im. Stanisawa Staszica w Krakowie

Wydzia Fizyki i Informatyki Stosowanej

mgr in. Tomasz Fiutowski

Ekstrakcja i przetwarzanie sygnaw z pozycyjnych dwuwymiarowych detektorw

do zastosowa w rozpraszaniu neutronw

Rozprawa doktorska

Promotor: prof. dr hab. in. Wadysaw Dbrowski

Praca przedstawiona Radzie Wydziau Fizyki i Informatyki Stosowanej

Akademii Grniczo-Hutniczej w Krakowie

Krakw, czerwiec 2007

Podzikowania

Szczeglne podzikowania autor chciaby zoy swojemu promotorowi prof. dr. hab. in. Wadysawowi Dbrowskiemu za pomoc w zgbianiu pasjonujcego wiata elektroniki, cierpliwe sprowadzanie na waciw drog, czuwanie nad realizacj projektu i dopingowanie do dalszej pracy. Autor pragnie rwnie podzikowa wszystkim

kolegom z zespou realizujcego projekt ukadu MSGCROC, w szczeglnoci za dr. in. Robertowi Szczygowi za pomoc w zrozumieniu funkcjonowania czci cyfrowej ukadu oraz dr. in. Piotrowi Wickowi za pomoc w pokazaniu, i pomimo usilnych stara autora ukad dziaa jednak poprawnie. Realizacja niniejszej pracy nie byaby moliwa bez

finansowego wsparcia ze strony Komisji Europejskiej w ramach 6 Programu Ramowego nr kontraktu: RII3-CT-2003-505925.

5

Spis treci

1. Wstp ........................................................................................................................ 7

2. Detektory dla rde neutronw nowej generacji................................................. 9

2.1. Konwertery neutronw termicznych................................................................ 9 2.2. Detektory hybrydowe..................................................................................... 11

2.2.1. Mikropaskowy detektor krzemowy.................................................... 12 2.2.2. Mikropaskowy detektor gazowy ........................................................ 13 2.2.3. Detektor z kaskad gazowych powielaczy elektronw...................... 15

2.3. Nowe ukady odczytowe dla nowych detektorw.......................................... 16

3. Odczyt dwuwymiarowych detektorw paskowych............................................. 19

3.1. Architektura ukadw do odczytu detektorw promieniowania .................... 20 3.2. Optymalizacja szumowa ukadu odczytowego .............................................. 21 3.3. Pomiar czasu w ukadzie odczytowym .......................................................... 25

3.3.1. Metoda dyskryminacji na czole impulsu............................................ 25 3.3.2. Metoda konwencjonalnego przejcia przez zero................................ 27

3.4. Dobr progu dyskryminacji w ukadach samowyzwalcych si ................... 28 3.5. Czas martwy ukadu odczytowego................................................................. 34 3.6. Architektura ukadu MSGCROC ................................................................... 35

4. Parametryzacja szumw tranzystorw MOS w technologii AMS 0.35 m ..... 39

4.1. rda szumw w tranzystorach MOS........................................................... 40 4.1.1. Szum typu 1/f...................................................................................... 40 4.1.2. Szum termiczny kanau ...................................................................... 40 4.1.3. Szum termiczny rezystancji bramki ................................................... 41 4.1.4. Szum termiczny rezystancji podoa .................................................. 42 4.1.5. Inne rda szumw............................................................................ 43

4.2. Struktura testowa............................................................................................ 43 4.3. Ukad pomiarowy........................................................................................... 44 4.4. Wyniki pomiarw........................................................................................... 46

5. Ekstrakcja sygnau z detektora ukady Front-End ......................................... 51

5.1. Wzmacniacz wejciowy ................................................................................. 51 5.2. Ukady ksztatowania impulsw .................................................................... 58

6. Pomiar czasu w ukadzie MSGCROC ................................................................. 67

6.1. Ukad do konwersji sygnau niesymetrycznego na rnicowy ...................... 67 6.2. Zmiana progu dyskryminacji w ukadzie MSGCROC .................................. 68 6.3. Rozrzut progu dyskryminacji i ukad korekcyjny .......................................... 69 6.4. Komparator..................................................................................................... 73 6.5. Ukad kompensacji efektu wdrowania ......................................................... 74

7. Pomiar amplitudy w ukadzie MSGCROC......................................................... 79

8. Obwody Back-End i ukady sterujce ................................................................. 87

8.1. Pami FIFO .................................................................................................. 87 8.2. Generator sygnatur czasowych....................................................................... 91 8.3. Ukady logiki kontrolnej ................................................................................ 93 8.4. Ukady wyjciowe .......................................................................................... 95

6

8.5. Ukad kalibracyjny i tryby testowe.................................................................95

9. Fizyczna realizacja projektu ukadu MSGCROC ..............................................99

9.1. Reguy projektowe dla osignicia wysokiego stopnia symetrii ukadu ........99 9.2. Wpyw czci cyfrowej na niezawodno czci analogowej w mieszanych

ukadach scalonych. ......................................................................................100 9.3. Plan masek ukadu MSGCROC....................................................................103

10. Pomiary parametrw ukadu MSGCROC ........................................................109

10.1. Ocena dziaania toru odczytowego kana testowy.....................................110 10.2. Przetwornik C/A ustawiajcy prg dyskryminacji .......................................113 10.3. Rozrzut progu dyskryminacji i dziaanie ukadu korekcyjnego ...................114 10.4. Parametryzacja toru czasowego....................................................................120 10.5. Efektywna rozdzielczo czasowa ukadu....................................................123 10.6. Przykady widm energetycznych..................................................................124

11. Podsumowanie ......................................................................................................127

Dodatek. Rejestry logiki kontrolnej ukadu MSGCROC........................................129

Rejestr konfiguracyjny CONF#0 ...........................................................................130 Rejestr konfiguracyjny CONF#1 ...........................................................................130

Spis rysunkw..............................................................................................................131

Spis tabel ......................................................................................................................133

Bibliografia ..................................................................................................................135

7

1. Wstp

Neutrony, jako czstki nienaadowane i dodatkowo obdarzone momentem magnetycznym, mog by wykorzystane jako narzdzie w badaniach nad struktur i dynamik ciaa staego, zarwno na poziomie atomowym, molekularnym, jak i mezoskopowym. Jednymi z pierwszych, ktrzy wykorzystali neutrony w tym celu byli Cliff Shull i Bertram Brockhouse [ESS1]. Ponad p wieku temu rozpoczli oni prace nad rozpraszaniem i dyfrakcj neutronw, ktre w 1994 roku przyniosy im Nagrod Nobla z Fizyki za pokazanie gdzie atomy s i co robi. Przez dziesitki lat, jakie upyny od pionierskich prac Shulla i Brockhousa [Bro52, Wol48], wraz ze wzrostem intensywnoci rde neutronw, coraz wicej naukowcw zaczo wykorzystywa neutrony w swoich badaniach. W dzisiejszych czasach rozpraszanie i dyfrakcja neutronw s szeroko stosowanymi metodami badawczymi, nie tylko w fizyce, ale rwnie w chemii, biologii, medycynie, inynierii materiaowej, defektoskopii, geologii czy nawet archeologii. Pocztkowo neutrony byy produkowane w reaktorach jdrowych w wyniku reakcji rozszczepienia uranu. Technologia reaktorowa rozwijaa si bardzo gwatownie pod koniec lat czterdziestych i na pocztku lat pidziesitych ubiegego stulecia, jednak do szybko osigna swoje apogeum. Najintensywniejsze rdo neutronw pochodzenia reaktorowego przystosowane do bada materiaowych znajduje si obecnie we Francji, w ILL (Institut Laue-Langevin), a wytwarzany w nim maksymalny strumie neutronw wynosi 1,21015 cm-2s-1. Od pocztku lat siedemdziesitych do produkcji neutronw zaczto stosowa now metod spallacj. Metoda ta wykorzystuje protony przyspieszane do wysokich energii bombardujce tarcz wykonan z cikich pierwiastkw, o duej liczbie neutronw w jdrze. W wyniku bombardowania protonami w materiale tarczy powstaj wzbudzone jdra, ktrych odwzbudzeniu towarzyszy emisja protonw, neutronw oraz kwantw . Metoda spallacyjna jest o wiele bardziej wydajna i przede wszystkim o wiele bardziej bezpieczna w stosunku do metody reaktorowej, jednak uzyskiwane ni obecnie strumienie nie przekraczaj znaczco strumienia dostpnego w ILL. rdem spallacyjnym o najwikszym strumieniu neutronw jest obecnie znajdujce si w Anglii, w RAL-u (Rutherford Appleton Laboratory), rdo ISIS. Jego maksymalny strumie neutronw to 2,31015 cm-2s-1. Znaczc popraw sytuacji maj przynie rda spallacyjne nowej generacji, budowane w Stanach Zjednoczonych rdo SNS (maksymalny strumie neutronw 5,51016 cm-2s-1) i budowane w Japonii rdo J-PARC (maksymalny strumie 3,61016 cm-2s-1) oraz planowane Europejskie rdo Spallacyjne ESS, w ktrym strumie neutronw ma wynosi a 1,31017 cm-2s-1. Dziki tak wysokiemu strumieniowi neutronw ESS pozwoli na prowadzenie wielu bada z niespotykan do tej pory rozdzielczoci czasow i przestrzenn. Stanie si moliwe obrazowanie 3D w czasie rzeczywistym na poziomie pojedynczych moleku, dziki czemu mona bdzie np. obserwowa funkcjonowanie komrek biologicznych czy te zachodzenie reakcji i tworzenie si zwizkw chemicznych. Aby jednak w peni wykorzysta zalety rde neutronowych nowej generacji potrzebna jest rwnie nowa generacja detektorw neutronw, pozwalajcych na rejestracj zdarze o bardzo duej czstoci z odpowiednio wysok rozdzielczoci czasow i przestrzenn, oraz dedykowane dla tych detektorw ukady odczytowe. Nadrzdnym celem niniejszej pracy jest projekt ukadu odczytowego dedykowanego do odczytu dwuwymiarowego, hybrydowego, mikropaskowego

8

detektora gazowego (MSGC ang. Micro-Strip Gas Chamber) budowanego w ramach projektu DETNI (ang. DETectors for Neutron Instrumentation) [DET], bdcego jednym z projektw badawczo-rozwojowych wchodzcych w skad europejskiego programu NMI3 (ang. Integrated Infrastructure Initiative for Neutron Scattering and Muon Spectroscopy) [NMI]. Realizacja tego celu wymaga:

przeprowadzenia analizy sygnaw z detektorw neutronw rozwijanych w projekcie DETNI i okrelenia wymaga dla ukadu odczytowego,

parametryzacji szumw tranzystorw w technologii wybranej do realizacji projektu,

wykonania projektu blokw analogowych (ukady elektroniki front-end), przeprowadzenia pomiarw i parametryzacji ukadw prototypowych, zademonstrowania dziaania ukadu z detektorem.

W kolejnych rozdziaach pracy zostan przedstawione poszczeglne aspekty projektu. Rozdzia drugi omawia podstawowe zagadnienia zwizane z detekcj neutronw termicznych, charakteryzuje detektory hybrydowe dla rde neutronw nowej generacji rozwijane w ramach projektu DETNI oraz precyzuje wymagania stawiane ukadowi odczytowemu. Rozdzia trzeci omawia problem budowy ukadw odczytowych dla dwuwymiarowych detektorw paskowych. Przeprowadzona w nim zostanie optymalizacja szumowa ukadu odczytowego, niezbdna dla zapewnienia odpowiedniej rozdzielczoci energetycznej ukadu, zaprezentowane zostan metody ekstrakcji informacji czasowej z sygnau radiometrycznego, sposb dobrania progu dyskryminacji w ukadach samowyzwalajcych si oraz zdefiniowany zostanie czas martwy ukadu. Na kocu rozdziau omwiona zostanie architektura ukadu odczytowego ukadu MSGCROC (ang. Micro-Strip Gas Chamber ReadOut Chip). Rozdzia czwarty opisuje parametryzacj szumw tranzystorw MOS w technologii AMS 0.35 m, ktra zostaa wybrana do realizacji projektu ukadu. Parametryzacja taka jest niezbdna dla optymalnego doboru tranzystora wejciowego. W rozdziale tym zostan scharakteryzowane podstawowe rda szumw w tranzystorach MOS, zaprezentowany bdzie wykorzystany ukad pomiarowy oraz przedstawiona zostanie analiza wynikw pomiarw. Rozdziay od pitego do smego opisuj poszczeglne bloki funkcjonalne ukadu MSGCROC. Rozdzia pity zawiera opis ukadw front-end dokonujcych ekstrakcji sygnau z detektora, rozdzia szsty opisuje wykorzystan metod pomiaru czasu, rozdzia sidmy ukad detektora szczytu impulsu zastosowanego do okrelenia energii deponowanej w objtoci czynnej detektora, za rozdzia smy ukady wyjciowe i logik sterujc. Opis projektu masek, czyli fizyczn realizacj projektu ukadu MSGCROC przedstawia rozdzia dziewity. W rozdziale dziesitym umieszczono wyniki pomiarw testowych, majcych na celu ocen poprawnoci dziaania ukadu oraz weryfikacj zaoe projektowych.

9

2. Detektory dla rde neutronw nowej generacji

W ramach projektu DETNI rozwijane s trzy typw detektorw pozycjoczuych, oprcz wspomnianego ju we wstpie mikropaskowego detektora gazowego rwnie mikropaskowy detektor krzemowy oraz detektor z kaskad gazowych powielaczy elektronw. Detektory te maj charakteryzowa si wysok rozdzielczoci czasow i przestrzenn oraz zapewnia rejestracj zdarze o bardzo duej czstoci. Dziki wysokiej rozdzielczoci czasowej, wykorzystujc metod czasu przelotu (TOF ang. time-of-flight), pozwol one poszerzy szereg dzisiejszych zastosowa o pomiary z dyspersj energii, np.: radiografi, tomografi, dyfrakcj quazi-Lauego, czy te dyfrakcj na pojedynczym krysztale. Wysoka rozdzielczo przestrzenna oraz zdolno rejestracji bardzo duej czstoci zdarze pozwol z kolei na zastosowanie ich take w reflektometrii oraz w metodzie rozpraszania pod maymi ktami (SANS ang. small angles scattering). Z punktu widzenia wymienionych powyej zastosowa lista podstawowych wymaga, jakim detektory te powinny sprosta, obejmuje:

przestrzenn zdolno rozdzielcz w dwch paszczyznach w zakresie od 50 do 1000 m FWHM w zalenoci od typu detektora,

zdolno rejestracji zdarze o lokalnej i globalnej czstoci odpowiednio 106 / (cm2s) i 108 / s,

rozdzielczo czasow < 1s, wydajno detekcji 50-80%.

2.1. Konwertery neutronw termicznych

Detekcja neutronw jest moliwa jedynie na drodze rejestracji czstek wtrnych powstajcych w wyniku oddziaywania neutronw z materi. Mona tu wyrni dwa przypadki: pierwszym jest rejestracja czstek odrzutu powstajcych w procesie rozpraszania neutronw, drugim natomiast rejestracja produktw reakcji jdrowych inicjowanych przez neutrony. Poniewa pierwsze zjawisko jest moliwe tylko w przypadku neutronw prdkich, zatem w przypadku neutronw termicznych jedyn moliwoci jest wprowadzenie do objtoci czynnej detektora dodatkowego materiau (konwertera), w ktrym neutrony termiczne wywoaj reakcje jdrowe. Zastosowany w detektorze konwerter powinien by tak dobrany, aby zapewnia jak najwiksz wydajno detekcji, przy jak najmniejszej gruboci wasnej. Przy wyborze rodzaju materiau do jego budowy, powinno si zatem wzi pod uwag trzy gwne aspekty: przekrj czynny na wychwyt neutronw termicznych, dugo ich absorpcji oraz zasig lub dugo osabienia produktw reakcji. Tab. 2-1 podaje przykady izotopw o wysokim przekroju czynnym na wychwyt neutronw termicznych oraz parametry zachodzcych reakcji jdrowych. Spord wymienionych izotopw najwikszym przekrojem czynnym na wychwyt neutronw termicznych, najkrtsz dugoci absorpcji oraz najlepszym stosunkiem dugoci osabienia produktw reakcji do dugoci absorpcji charakteryzuje si izotop gadolinu 157Gd. Dziki tym wasnociom pozwala on osign wysok wydajno detekcji w bardzo cienkiej warstwie konwertera, co jest rwnie bardzo istotne dla przestrzennej zdolnoci rozdzielczej detektora przy grubym konwerterze, w trakcie kolejnych rozprosze gubiona jest informacja o pierwotnej pozycji wejcia neutronu do detektora.

10

Tab. 2-1: Typowe konwertery neutronw termicznych [Geb03].

Izotop Reakcja Przekrj

czynny [b] Dugo

absorpcji n

Energia produktw

reakcji [keV]

Zasig/dugo osabienia produktw

reakcji

3He 3He(n, p)t 5 333 7,59 bar cm p: 573, t: 191 Rp = 0,43 bar cm

(CF4)

6Li 6Li(n, )t 940 230 m t: 2727, : 2055 Rt = 130 m

10B 10B(n, )7Li 3 836 19,9 m : 1472, 7Li: 840 R = 3,14 m

natGd natGd(n, ) 49 122 6,72 m ce1: 29-191 ce = 12,3 m

155Gd

Ab.: 14,80 %

155Gd(n, ) 156Gd*

E*=8 536 keV 61 400 5,38 m ce1: 39-191

157Gd

Ab.: 15,65 %

157Gd(n, ) 158Gd*

E*=7 937 keV 255 000 1,3 m ce1: 29-182 ce = 11,9 m

W wyniku wychwytu neutronu termicznego w 157Gd powstaje jdro 158Gd* wzbudzone do stanu rezonansowego o energii 7937,1 keV [Gre78]. Jdro to odwzbudza si stopniowo (Rys. 2-1), emitujc przy przechodzeniu przez kolejne poziomy wzbudzenia o niszych energiach, kaskady promieniowa . Przy przejciu pomidzy dwoma najniszymi poziomami wzbudzonymi, o energiach odpowiednio 261,44 keV i 79,51 keV oraz przy przejciu z poziomu najniszego do poziomu podstawowego w 87,3 2,5% przypadkach zamiast promieniowania emitowane s elektrony konwersji o widmie energetycznym w zakresie od 29 do 181 keV, odpowiadajcym rnicom pomidzy energiami poziomw wzbudzonych a energiami wizania powok K, L i M (Tab. 2-2). Wzgldny udzia elektronw konwersji emitowanych przy przejciu z poziomu o energii 79,51 keV do stanu podstawowego jest 11,2 razy wikszy od elektronw emitowanych przy przejciu z poziomu o energii 261,44 keV do poziomu o energii 79,51 keV. Przedstawiony powyej schemat odwzbudzenia jdra 158Gd* charakteryzuje si wysokim tem promieniowania . Du cz tego ta stanowi promieniowanie wysokoenergetyczne o energii przekraczajcej 500 keV, dla ktrego detektory optymalizowane do detekcji elektronw konwersji bd transparentne, w jego skad wchodz jednak rwnie kwanty o energiach znacznie niszych, rzdu 10 i 50 keV, ktre musz zosta odfiltrowane metodami elektronicznymi. Ze wzgldu na widmo energetyczne elektronw konwersji powstajcych przy odwzbudzeniu jdra 158Gd* konwerter wykonany z cienkiej warstwy izotopu gadolinu 157Gd jest idealny do zastosowania w poczeniu z mikropaskowym detektorem krzemowym o standardowej gruboci 300 m. W przypadku zastosowania konwertera tego typu do detektora gazowego, ze wzgldu na fakt, e elektrony konwersji s czstkami stosunkowo sabo jonizujcymi, celem podniesienia wydajnoci detekcji, stosuje si konwerter z dodatkow warstw wykonan z materiau bdcego emiterem elektronw wtrnych, np. jodku cezu [Dan94].

1 ce elektrony konwersji

11

7937,1

kaskady promieniowania

keV

158Gd

8000

6000

4000

2000

300

200

100

0

261,44

79,51

181,93

11,9%

87,32,5%

elektrony konwersji

157Gd(n,)158Gd

Rys. 2-1: Schemat odwzbudzenia jdra gadolinu 158Gd [Gre78].

Tab. 2-2: Gwne linie energetyczne elektronw konwersji w 158Gd* [Gre78].

Przejcie Powoka Energia

elektronu [keV]

Abundancja [%]

261,44 keV M 180,6 6,4

L 173,6 24,7

79,51 keV K 131,7 68,8

79,51 keV M 78,2 13,2

L 71,2 54,2

0 keV K 29,3 32,6

Inne izotopy wymienione w Tab. 2-1 obok 157Gd odznaczaj si znacznie mniejszymi przekrojami czynnymi na wychwyt neutronw termicznych, a dodatkowo w przypadku 10B i 6Li dugoci absorpcji neutronw s wiksze ni zasig produktw reakcji, co skutkuje dalszym obnieniem wydajnoci detekcji. Z drugiej jednak strony produkty reakcji izotopw 3He, 10B i 6Li z neutronami termicznymi odznaczaj si znacznie lepszymi wasnociami jonizujcymi ni elektrony konwersji, a ponadto to promieniowania jest w ich przypadku znacznie mniejsze i znacznie atwiejsze do dyskryminacji ni w przypadku gadolinu [Mas03]. Z tego te powodu w dzisiejszych gazowych detektorach neutronw termicznych powszechnie wykorzystywany jest izotop 3He, charakteryzujcy si najwikszym przekrojem czynnym na wychwyt neutronw termicznych spord trzech wymienionych powyej izotopw, ktry moe spenia zarwno funkcj konwertera, jak rwnie medium detekcyjnego.

2.2. Detektory hybrydowe

Gwnymi zaletami gazowych detektorw neutronw termicznych z konwerterem w postaci izotopu helu 3He s dobre wasnoci jonizacyjne produktw reakcji 3He(n, p)t oraz niskie to promieniowania . Obok tych zalet naley jednak

12

wspomnie rwnie o ich ograniczeniach, wynikajcych z dwch waciwoci: dugiej drogi absorpcji neutronw termicznych w 3He (n=7,59 bar cm) oraz rnicy w energii odrzutu i zasigu pomidzy produktami reakcji. Duga droga absorpcji oznacza, e w celu osignicia wysokiej wydajnoci detekcji konieczna jest stosunkowo gruba warstwa konwertera pod odpowiednio wysokim cinieniem. Przykadowo, dla osignicia wydajnoci detekcji powyej 60% w warstwie 3He o gruboci 1,5 cm musi si on znajdowa pod cinieniem okoo 4 barw [Fri02]. Osignicie tej samej wydajnoci w cieszej warstwie konwertera wymaga odpowiednio wyszego cinienia, a to z kolei oznacza konieczno zastosowania do budowy detektora pojemnika o grubszych ciankach. Grubsze cianki powoduj osabienie strumienia neutronw wchodzcych do detektora, prowadzc do obnienia wydajnoci detekcji, czyli w rezultacie efekt jest odwrotny do zamierzonego. Zatem konieczne jest wykorzystywanie warstwy izotopu 3He o gruboci rzdu pojedynczych centymetrw, co przekada si na ograniczenie rozdzielczoci czasowej i przestrzennej takiego detektora. Powstajce w konwerterze helowym proton i tryt emitowane s w losowych, ale zawsze wzajemnie przeciwnych kierunkach. Charakteryzuj si one jednak rnymi zasigami oraz energiami odrzutu, co powoduje powstawanie przesunicia przestrzennego pomidzy punktem wychwytu neutronu a wsplnym rodkiem cikoci generowanych chmur elektronw wtrnych. Przesunicie to wpywa na ograniczenie rozdzielczoci przestrzennej detektora. Celem zminimalizowania tego efektu wprowadza si rozwizania polegajce na mierzeniu ladw pozostawianych przez proton i tryt w konwerterze [Fra02, Miu04]. Pozwala to w znaczy sposb podnie rozdzielczo przestrzenn, a przy okazji rwnie czasow detektora, dziki czemu mona rozway wykorzystanie go do detekcji neutronw ze rde neutronowych nowej generacji. Detektor taki bdzie jednak w dalszym cigu charakteryzowa si ograniczonymi moliwociami ze wzgldu na czsto zlicze, konieczn przy zastosowaniu w najbardziej wymagajcych pomiarach, jak np. obrazowanie [Geb04b]. Rozwizaniem tego problemu moe by stworzenie detektora hybrydowego, wyposaonego w konwerter w stanie staym a nie gazowym. W ramach projektu DETNI rozwijane s takie wanie detektory: mikropaskowy detektor krzemowy z konwerterem w wykonanym z izotopu gadolinu 157Gd oraz dwa detektory gazowe, z ktrych jeden wykorzystuje jako konwerter gadolin 157Gd w poczeniu z jodkiem cezu, drugi natomiast izotop boru 10B.

2.2.1. Mikropaskowy detektor krzemowy Mikropaskowe detektory krzemowe (Si-MSD ang. Silicon Micro-Strip Detector) szeroko stosowane w eksperymentach fizyki wysokich energii oraz w pomiarach promieniowania rentgenowskiego [Sad01], nadaj si rwnie do detekcji neutronw termicznych, pod warunkiem wyposaenie ich w odpowiedni konwerter [Bru99, Pet96]. W rozwijanym w ramach projektu DETNI mikropaskowym detektorze krzemowym zastosowano warstw gadolinu 157Gd o gruboci 3 m, umieszczon pomidzy dwoma dwustronnymi detektorami (Rys. 2-2), z ktrych kady zawiera dwie paszczyzny wzajemnie ortogonalnych paskw rozmieszczonych z rozstawem 78 m. Pozwala to osign 60% wydajno detekcji oraz zapewni przestrzenn zdolno rozdzielcz na poziomie okoo 53 m FWHM w dwch wsprzdnych. Powierzchnia detektora wynosi 100100 mm2. Obecna technologia pozwala na produkcj dwustronnych detektorw krzemowych o takiej powierzchni w postaci pojedynczego segmentu, jednak pociga to za sob pewne konsekwencje. Po pierwsze koszt produkcji takiego detektora byby bardzo wysoki, po drugie pojemno

13

pojedynczego paska o dugoci 10 cm wynosiaby okoo 20 pF dla paskw typu p+ oraz 30 pF dla paskw typu n+, co przekadaoby si na odpowiednio due wartoci ekwiwalentnego adunku szumowego elektroniki odczytowej2, i po trzecie, w jednej paszczynie detekcyjnej byoby 1280 paskw, co przy redniej czstoci zdarze 106/(cm2s) przekadaoby si na okoo 15104 zdarze na sekund na pojedynczy pasek. Dlatego w celu obnienia kosztw wykonania detektora, pojemnoci pojedynczego paska oraz przypadajcej na niego redniej liczby zdarze, powierzchnia detektora zostaa podzielona na 4 segmenty, kady o wymiarach 5050 mm2 (Rys. 2-3). Dziki temu pojemno pojedynczego paska obniya si do okoo 10 pF w przypadku paskw typu p+ oraz 15 pF dla paskw typu n+, a rednia czsto zlicze na jeden pasek spada do okoo 7,5104 /s.

Pola kontaktowe paskw X

Detektor A

Detektor B

Piercienie zabezpieczajce

Paski Y

Pola kontaktowe oraz elastyczne podczenia ukadw odczytowych Y

Warstwy izolacyjne

Konwerter 157Gd

p+ n+

Podoe n

SiO2 Aluminium

Gnd Gnd

VD

Neutron

elektrony

dziury

+ + + +

+

elektron konwersji

Ukady odczytowe

Rys. 2-2: Przekrj pojedynczego segmentu mikropaskowego detektora krzemowego [Geb03].

Wsprzdne Y

Ukady odczytowe

Wsprzdne X

Ukady odczytowe

Rys. 2-3: Mikropaskowy detektor krzemowy [Geb03].

2.2.2. Mikropaskowy detektor gazowy Kolejnym typem detektora rozwijanym w ramach projektu DETNI, wykorzystujcym jako konwerter rwnie gadolin 157Gd, jest mikropaskowy detektor gazowy (MSGC) [Geb04a]. Jego powierzchnia czynna, wynoszca 570570 mm2, podobnie jak w przypadku mikropaskowego detektora krzemowego zostaa podzielona na cztery segmenty, kady o wymiarach 285285 mm2, z czego na powierzchni aktywn detektora przypada obszar o wymiarach 254254 mm2. Pojedynczy segment zbudowany jest z centralnego konwertera neutronw, po ktrego obu stronach

2 problem ten zostanie szczegowo omwiony w rozdziale 3.2.

14

umieszczone s komory gazowe wypenione izobutanem3 pod cinieniem 20 mbar (Rys. 2-4). Komory te s zamknite pytami szklanymi, na ktre z rozstawem 635 m naniesione s elektrody zbiorcze (anody), dajc w sumie 400 paskw odczytowych na jedn komor. Do wyznaczenia drugiej wsprzdnej przestrzennej pod paskami odczytowymi, ortogonalnie wzgldem nich, umieszcza si drug warstw 400 paskw (o identycznym rozstawie, jak w przypadku anod), w ktrych indukuje si adunek o przeciwnym znaku w stosunku do adunku zbieranego przez anody. Paski te okrelane s mianem elektrod SCP (ang. second coordinate pad).

Rys. 2-4: Mikropaskowy detektor gazowy [Geb04b].

Konwerter neutronw wykonany jest w postaci dwch warstw gadolinu, kada o gruboci 1,5 m, naniesionych z obu stron na foli bazow o gruboci 6 m wykonan z wkien aramidowych (kevlar). Celem zwikszenia liczby elektronw emitowanych z konwertera do objtoci czynnej detektora, na warstwy gadolinu nanoszony jest dodatkowo jodek cezu (CsI), w postaci struktury kolumnowej o wysokoci okoo 1 m (Rys. 2-5), bdcy emiterem elektronw wtrnych. W wyniku wtrnej emisji elektronowej, przy przejciu szybkich elektronw konwersji przez warstw jodku cezu, powstaj paczki elektronw, o energiach rzdu pojedynczych eV. Dziki temu procesowi na jeden neutron wychwytywany w poczonym konwerterze 157Gd/CsI powstaje rednio pi elektronw wtrnych [Bre95]. Po obu stronach konwertera znajduj si wykonane ze stali nierdzewnej siatki ekstrakcyjne polaryzowane wysokim potencjaem. Zapewnia to silne pole elektryczne, o nateniu E0 rzdu 5-10 kV/cm, w obszarze pomidzy siatkami a konwerterem, ktre poprawia ekstrakcj elektronw wtrnych z warstwy konwertera oraz wprowadza wstpne wzmocnienie gazowe. Dziki wystpowaniu obszaru wstpnego wzmocnienia gazowego tylko lawiny elektronw zapocztkowane przy samej powierzchni konwertera osigaj pene wzmocnienie gazowe w detektorze. Lawiny zapocztkowane

3 izobutan, nazywany rwnie i-butanem, to techniczna nazwa 2-metylopropanu (C4H10)

15

w wikszej odlegoci od powierzchni konwertera bd niosy mniejszy adunek i mog zosta atwo odrzucone przez odpowiednie ustawienie progu dyskryminacji w elektronice odczytowej. W ten sposb eliminuje si elektrony rozpraszane pod ktami rnymi od 90 oraz redukuje wpyw ta promieniowania .

157Gd

siatka ekstrakcyjna

CsI

elektron konwersji

elektrony wtrne

E0

Rys. 2-5: Konwerter neutronw w detektorze MSGC [Geb03].

Elektrony po przejciu przez siatk ekstrakcyjn s nastpnie powielane lawinowo w polu elektrycznym o nateniu E (Rys. 2-4). Proces ten odbywa si dwustopniowo: najpierw w warstwie rozcigajcej si do okoo 4 mm w gb komory gazowej, w ktrej pole jest jednorodne, dajc wspczynnik powielania G1 > 500, nastpnie za w pozostaej czci przestrzeni pomidzy konwerterem a elektrodami odczytowymi, w ktrej pole zaczyna by silnie niejednorodne. Aby pole to uczyni mniej niejednorodnym powierzchnia, na ktrej s rozmieszczone elektrody odczytowe jest pokryta warstw wgla o strukturze diamentu (DLC), ktra dziki swojej wysokiej rezystywnoci na jednostk powierzchni rzdu 1014 / sprawia, e skadowa natenia pola elektrycznego rwnolega do tej powierzchni jest staa, natomiast skadowa prostopada jest maksymalizowana. Przy rozstawie elektrod zbiorczych (anod) wynoszcym 635 m oraz odlegoci pomidzy anodami i katodami wynoszcej 255 m, pozwala to osign wspczynnik powielania G2 o wartoci przekraczajcej 500. Wysoka rezystywno warstwy DLC powoduje ponadto, e statyczny potencja wystpujcy w paszczynie elektrod SCP nie wpywa na rozkad pola w objtoci czynnej detektora. Chmura elektronw powielanych lawinowo w objtoci czynnej detektora ulega rozmyciu dyfuzyjnemu w paszczynie rwnolegej do paszczyzny odczytowej, na skutek czego adunek zbierany jest rednio przez 3 lub 4 elektrody. Jeeli doda do tego znacznie wikszy rozstaw paskw odczytowych ni w przypadku mikropaskowego detektora krzemowego to przy tej samej redniej czstoci zdarze 106/(cm2s) na jeden pasek odczytowy detektora MSGC bdzie przypadao rednio 9105 zlicze na sekund, co stanowi due wyzwanie dla elektroniki odczytowej. Z drugiej jednak strony wystpowanie sygnau na 3 lub 4 paskach odczytowych pozwala zastosowa metod wyznaczania rodka cikoci chmury elektronowej do poprawy przestrzennej zdolnoci rozdzielczej [Rad80], ktra dziki temu w przypadku detektora MSGC bdzie na poziomie 100 m FWHM.

2.2.3. Detektor z kaskad gazowych powielaczy elektronw Trzecim detektorem rozwijanym w ramach projektu DETNI jest detektor CASCADE z kaskad gazowych powielaczy elektronw [Kle01]. Zbudowany jest on ze stosu folii GEM (ang. gas electron multiplier) [Sau97] rozmieszczonych z odstpem kilku milimetrw wzgldem siebie (Rys. 2-6a), pokrytych z obu stron konwerterem neutronw termicznych izotopem boru 10B, o gruboci 0,6-1 m. Poniewa bor

16

charakteryzuje si znacznie mniejszym przekrojem czynnym na wychwyt neutronw termicznych ni wykorzystywany w omawianych wczeniej dwch typach detektorw gadolin 157Gd (Tab. 2-1), dlatego celem podniesienia wydajnoci detekcji potencjay poszczeglnych folii GEM rni si nieznacznie wzgldem siebie tak, e pracuj one w trybie transparentnym zamiast w trybie wzmocnienia gazowego4. Do uzyskania 50% wydajnoci detekcji potrzebny jest stos skadajcy si z 10 folii. Wysoki potencja, rzdu 500 V, przyoony jest dopiero do ostatniej folii, pozwalajc na osignicie wzmocnienia gazowego powyej 1000. (a)

Kapton Mied

Okno wejciowe

Konwerter 10B

n n n n

GEM 1

GEM 2

GEM 3

elektroda dryfowa

elektrody odczytowe

50 m

50

m

(b)

+ +

+

+

+ +

+ +

+

+ + +

+ +

+

+

Rys. 2-6: Detektor CASCADE [Sch03]: (a) przekrj poprzeczny, (b) fragment pojedynczej folii GEM.

Folie GEM wykonywane s z folii kaptonowych o gruboci okoo 50 m, pokrywanych obustronnie warstw miedzi, na ktr z kolei nanoszone s warstwy boru. Uzyskanie wysokiego wzmocnienia gazowego w jednej tylko folii, jest moliwe dziki wytrawionym w niej, z rozstawem 140 m, otworach o rednicy 50 m (Rys. 2-6b), w ktrych pole elektryczne jest silnie niejednorodne o charakterze dipolowym. Zastosowana metoda zwikszania wydajnoci detekcji powoduje jednak zmniejszenie rozdzielczoci czasowej i przestrzennej. Elektrony, indukowane przez czstki oraz jony 7Li emitowane z warstwy boru w przeciwnych kierunkach, nie s powielane lawinowo od razu w miejscu generacji. Dokadno wyznaczenia miejsca zdarzenia jest uzaleniona od zasigu jonw wtrnych, z ktrych tylko jeden jest absorbowany w gazie, natomiast drugi w folii kaptonowej. Powoduje to powstanie przesunicia pomidzy punktem wychwytu neutronu w warstwie konwertera a rodkiem cikoci wyindukowanej chmury elektronw. Rozkad tych wanie przesuni decyduje o przestrzennej zdolnoci rozdzielczej detektora. Dla mieszaniny gazowej Ar(80%)/CF4(20%) pod cinieniem 1 bara uzyskiwana rozdzielczo przestrzenna jest rzdu 3 mm FWHM. Obnienie tej liczby jest moliwe poprzez wypenienie detektora innym medium roboczym, i jeli to konieczne podniesienie jego cinienia. Detektor ten daje rwnie moliwo zmiany geometrii elektrod odczytowych, w zalenoci od potrzeb, co take umoliwia popraw przestrzennej zdolnoci rozdzielczej.

2.3. Nowe ukady odczytowe dla nowych detektorw

Budowa nowych detektorw o wasnociach dostosowanych do wymaga wynikajcych z zastosowa przewidzianych dla nowej generacji rde neutronowych

4 Zazwyczaj w detektorach z kaskadami folii GEM celem uzyskania odpowiedniego wzmocnienia gazowego potencjay kolejnych folii s tak dobierane, aby natenie pola elektrycznego pod kad kolejn foli byo dwukrotnie wiksze.

17

pociga za sob konieczno opracowania rwnie nowych ukadw odczytowych. Ze wzgldu na wymagania odnonie przestrzennej oraz czasowej zdolnoci rozdzielczej, przy jednoczesnej bardzo wysokiej czstoci zdarze w detektorach ukady takie musz by budowane w postaci specjalizowanych ukadw scalonych ASIC (ang. Application Specific Integrated Circuit). Jest rzecz oczywist, e kady ukad odczytowy budowany dla dowolnego typu detektora zawsze jest projektowany z punktu widzenia parametrw sygnau podawanego na jego wejcie. Do najwaniejszych parametrw opisujcych sygna wejciowy nale jego wielko i zakres dynamiczny oraz rednia czsto zdarze. Na podstawie dwch pierwszych parametrw ustala si wzmocnienie, zakres liniowy oraz maksymalny poziom szumw ukadu odczytowego, za na podstawie trzeciego jego maksymalny czas martwy5. Dwa spord rozwijanych detektorw s detektorami gazowymi, pracujcymi ze wzmocnieniem gazowym, trzeci natomiast jest detektorem pprzewodnikowym, ktry nie daje wzmocnienia wewntrznego. Co wicej, detektory te wykorzystuj dwa rne konwertery neutronw termicznych: gadolin 157Gd oraz bor 10B. Oznacza to, e wielko sygnau wejciowego oraz jego zakres dynamiczny bd uzalenione od typu detektora. Najmniejszym sygnaem, rzdu kilkudziesiciu tysicy elektronw bdzie si charakteryzowa detektor krzemowy, podczas gdy najwikszym, rzdu nawet kilku milionw elektronw detektor MSGC. Due rnice bd rwnie wystpoway w przypadku redniej czstoci zlicze przypadajcej na jeden pasek odczytowy, uzalenionej od rozstawu paskw odczytowych oraz od redniej liczby paskw odpowiadajcych na jedno zdarzenie w detektorze. Najwiksza rednia czsto zlicze na jeden pasek bdzie wystpowaa w detektorze MSGC 9105 zlicze na sekund, najmniejsza za w detektorze krzemowym 1,5104 zlicze na sekund (po uwzgldnieniu procesu podziau adunku pomidzy ssiednimi paskami). Detektor CASCADE pozwala na zmian geometrii elektrod odczytowych oraz zmian wewntrznego wzmocnienia gazowego przez odpowiedni dobr potencjau polaryzujcego ostatni foli GEM. Daje to moliwo ustalenia takich warunkw pracy, aby zbierany w nim sygna odpowiada charakterem sygnaowi z detektora krzemowego bd detektora MSGC. Dziki temu w ramach projektu DETNI zostay opracowane dwa ukady scalone: ukad n-XYTER [Bro07] przeznaczony do odczytu detektora krzemowego i detektora CASCADE, oraz ukad MSGCROC przeznaczony do odczytu detektora MSGC. Autor niniejszej rozprawy bra udzia w opracowaniu koncepcji i projektowaniu obu ukadw. Tor analogowy ukadu MSGCROC zosta w caoci zaprojektowany przez autora i zostanie szczegowo opisany w dalszej czci rozprawy.

5 Czas martwy rozumiany jest tutaj jako czas, po jakim ukad jest gotowy do przetworzenia kolejnego zdarzenia z detektora.

19

3. Odczyt dwuwymiarowych detektorw paskowych

Systemy do odczytu dwuwymiarowych detektorw paskowych byy budowane poczwszy od poowy lat 90-tych [Cze95], jednak a do dzisiaj ich najwikszym mankamentem pozostaa niska czsto odczytu powodujca znaczne wyduenie czasu pomiaru [Nak07]. System odczytowy przedstawiony w pracy [Nak07] zapewnia czsto odczytu na poziomie ~5 Hz, a na uzyskanie obrazu z detektora o wymiarach 38,4 mm 38,4 mm potrzebuje a 24 godziny. Ograniczenie to wynika w gwnej mierze z wykorzystania do odczytu detektorw dwuwymiarowych (2D) ukadw scalonych rozwijanych do odczytu detektorw jednowymiarowych (1D). W detektorach 1D miejsce zdarzenie jest jednoznacznie okrelone przez numer kana elektroniki odczytowej, w ktrym pojawia si sygna, w detektorach 2D do wyznaczania miejsca zdarzenia potrzebna jest rwnie informacja na temat czasu zdarzenia. Jeeli w detektorze 2D, w dwch rnych miejscach, wystpi dwa rwnoczesne zdarzenia wwczas sygna pojawi si w dwch kanaach odczytowych6 wsprzdnej X oraz w dwch kanaach wsprzdnej Y (Rys. 3-1). Daje to cztery moliwe lokalizacje, z ktrych tyko dwie s prawdziwe. Ograniczenie faszywych lokalizacji, okrelanych mianem duchw, jest moliwe tylko w przypadku znajomoci czasu zdarzenia, na podstawie koincydencji czasowej pomidzy zdarzeniami z paskw X i Y.

Y

X

Rys. 3-1: Wyznaczenie miejsca zdarzenia w detektorze dwuwymiarowym.

Ukady odczytowe rozwijane dla detektorw 1D nie dostarczaj informacji na temat czasu zdarzenia, dlatego wykorzystanie ich do odczytu detektorw 2D wymaga zastosowania zewntrznego ukadu, ktry w celu rekonstrukcji miejsca zdarzenia, w momencie pojawienia si sygnau na pasku X i Y, kadorazowo wstrzymuje odczyt detektora i resetuje ukady odczytowe. Wyposaenie ukadw odczytowych dedykowanych do odczytu detektorw 2D w wewntrzne ukady pomiaru czasu powoduje, e odczyt detektora nie jest wstrzymywany a wyznaczenia miejsca zdarzenia odbywa si na podstawie prostego porwnania sygnatur czasowych dostarczanych przez ukady odczytujce paski X i Y. Poniewa czas zdarzenia jest wyznaczany w ukadzie odczytowym z okrelon rozdzielczoci, dlatego w praktyce ustala si koincydencyjne okno czasowe, w ramach

6 zakadajc dla uproszczenia brak podziau adunku pomidzy ssiednimi paskami detektora

20

ktrego identyfikuje si zdarzenia jako jednoczesne. Dla zapewnienia jak najwikszego ograniczenia faszywych lokalizacji wymagane jest, aby byo ono moliwie wskie. W ukadzie MSGCROC szeroko koincydencyjnego okna czasowego ustalono na 2 ns.

3.1. Architektura ukadw do odczytu detektorw promieniowania

Specjalizowane ukady scalone dedykowane do odczytu sygnaw z wieloelektrodowych detektorw promieniowania mona w najwikszy skrcie przedstawi jako poczenie wejciowej sekcji analogowej (tzw. elektronika front-end), o okrelonej liczbie kanaw (najczciej 64 lub 128), przeznaczonej do odbioru i wstpnego przetworzenia sygnau oraz analogowej, analogowo-cyfrowej lub cyfrowej sekcji wyjciowej (tzw. elektronika back-end), przetwarzajcej sygna do ostatecznej postaci. Podstawowymi elementami kadego kanau elektroniki front-end s: wzmacniacz wejciowy, pracujcy najczciej w trybie adunkowym, oraz ukad ksztatujcy. Rys. 3-2 przedstawia schemat blokowy typowego ukadu odczytowego detektora promieniowania. Wygenerowany w detektorze adunek jest cakowany we wzmacniaczu adunkoczuym dajc na jego wyjciu sygna w postaci skoku napicia o amplitudzie proporcjonalnej do energii E zdeponowanej w objtoci czynnej detektora. Sygna ten jest nastpnie przekazywany do ukadu ksztatujcego, w ktrym zostaje on uksztatowany zgodnie z wymaganiami czasowymi i szumowymi, dajc w rezultacie impuls o cile okrelonej amplitudzie oraz parametrach czasowych, t.j. czasie osignicia wartoci szczytowej (ang. peaking time), zwanym dalej czasem ksztatowania, i czasie powrotu do poziomu bazowego (ang. return to baseline time).

Wzmacniacz adunkoczuy

Ukad ksztatujcy Detektor

E

Q Przetwarzanie impulsu

Rys. 3-2: Schemat blokowy ukadu odczytowego detektora promieniowania.

Dalszy sposb przetwarzania impulsu jest uzaleniony od przewidywanego zastosowania ukadu scalonego. Najczciej stosowane s dwie metody. Pierwsza wykorzystuje komparator z okrelonym progiem dyskryminacji, dajc na jego wyjciu informacj w postaci zero-jedynkowej, wiadczcej o rejestracji w detektorze promieniowania o energii wyszej ni zaoony prg. Ukad dziaajcy zgodnie z tak metodologi okrelany jest mianem ukadu z binarn architektura odczytu. W drugim przypadku mierzona i zapamitywana jest warto maksymalna impulsu, a sam ukad okrelany mianem ukadu z analogow architektur odczytu. Architektura binarna stosowana jest wszdzie tam, gdzie wystarczajca jest informacja o rozkadzie promieniowania o energii przewyszajcej dany prg dyskryminacji lub znajdujcej si w okrelonym oknie energetycznym. Wykorzystywana ona jest z powodzeniem np. w systemach obrazowania opartych o detektory pikselowe lub paskowe [Beu97, Dab03, Man01]. Architektura analogowa znajduje natomiast zastosowanie we wszelkich eksperymentach gdzie konieczna jest informacja o wielkoci adunku wygenerowanego w detektorze [Aga04, Bau01, Ger02, Hir06] oraz do poprawy przestrzennej zdolnoci rozdzielczej w stosunku do tej wynikajcej z geometrii detektora [Rad80]. Za odmian

21

architektury analogowej moe rwnie uzna metod stosowan w odczycie kalorymetrw w fizyce wysokich energii, w ktrej nie jest zapamitywana jedynie maksymalne warto impulsu, ale jest on prbkowany w sposb cigy [Maz01]. Dobr poszczeglnych parametrw ukadu odczytowego dokonywany jest indywidualnie w zalenoci od potrzeb konkretnego zastosowania, istnieje jednak szereg niezmiennych regu, jakie naley wzi pod uwag na etapie tworzenia architektury ukadu odczytowego, a nastpnie przy projektowaniu jego poszczeglnych blokw. Jednym z najwaniejszych aspektw projektu ukadu odczytowego jest jego optymalizacja szumowa. Poziom szumw wasnych decyduje o rozdzielczoci energetycznej i czasowej, a zatem rwnie przestrzennej ukadu. Dlatego w kolejnych czciach niniejszego rozdziau najpierw zostanie omwiony problem optymalizacji szumowej ukadu odczytowego, nastpnie metody pomiary czasu, problem doboru progu dyskryminacji w ukadach samowyzwalajcych si, sposb okrelenia maksymalnego czasu martwego ukadu i wreszcie na zakoczenie przestawiona zostanie architektura ukadu MSGCROC.

3.2. Optymalizacja szumowa ukadu odczytowego

Szumy wasne elektroniki odczytowej wprowadzaj pewn nieokrelono amplitudy impulsu wyjciowego, ktra w zalenoci od ich wielkoci decyduje o jakoci sygnau przekazywanego do kolejnych stopni ukadu. Z tego powodu przy optymalizacji szumowej ukadu odczytowego szczeglnie istotna jest optymalizacja stopnia wejciowego. Sprowadza si ona do odpowiedniego dobrania tych jego elementw, ktre maj najwikszy wkad do szumw. Warto ponadto zaznaczy, e przy odpowiednio wysokim wzmocnieniu w stopniu wejciowym, wkad do cakowitych szumw ukadu pochodzcy od kolejnych stopni jest praktycznie do pominicia, dziki czemu w wikszoci przypadkw mona poprzesta wycznie na optymalizacji szumowej stopnia wejciowego.

RBIAS

RF

CF

KV

CT

2SV

2PI

H(j2f)

2OUTV

Ukad ksztatujcy

2CSAV

Rys. 3-3: Zastpczy schemat szumowy ukadu odczytowego detektora promieniowania.

Rys. 3-3 przedstawia zastpczy schemat szumowy ukadu odczytowego detektora ze stopniem wejciowym w postaci wzmacniacza adunkowego. Detektor reprezentowany jest przez swoj rezystancj polaryzujc RBIAS oraz pojemno, wczon do pojemnoci CT, uwzgldniajcej rwnie pojemno wejciow wzmacniacza. Ukad ksztatujcy reprezentuje jego zespolona przepustowo widmowa H(j2f). Na schemacie tym wszystkie rda szumowe wystpujce w rzeczywistej

22

strukturze wzmacniacza reprezentowane s przez dwa zastpcze rda szumowe: rwnolege rdo prdowe IP oraz szeregowe rdo napiciowe VS, umieszczone na wejciu wzmacniacza. W najprostszej postaci gstoci widmowe mocy szumw przypisane rdom IP oraz VS wyraaj nastpujce formuy [Kor00]:

a

df

I d 2P = , (3-1)

f

cb

df

V d 2S += , (3-2)

gdzie a i b oznaczaj skadowe o biaym widmie czstotliwociowym, natomiast c skadow o widmie typu 1/f. Jeeli uwzgldni jedynie najbardziej znaczce rda szumw, skadowa a reprezentuje szumy termiczne rezystancji polaryzujcej detektor RBIAS i rezystancji w ptli sprzenia zwrotnego RF

7[Kor00]:

FBIAS R

kT

R

kTa

44+= , (3-3)

gdzie: k staa Boltzmana, T temperatura bezwzgldna. Skadowe b i c reprezentuj natomiast odpowiednio szum termiczny oraz szum typu 1/f tranzystora wejciowego we wzmacniaczu i zale od jego rodzaju. Gsto widmowa mocy szumu na wyjciu wzmacniacza adunkowego stanowi sum wkadw od rda prdowego i napiciowego [San90]:

2

2

2224

1

F

T

F

2CSA

C

C

f

cb

Cfa

df

V d

++=

, (3-4)

ktra na wyjcie ukadu ksztatujcego jest przenoszona z kwadratem moduu jego przepustowoci widmowej:

( ) 22 fjH

df

V d

df

V d 2CSA2OUT = . (3-5)

Scakowanie wyraenia (3-5) w granicach od zera do nieskoczonoci daje warto redniokwadratow szumu na wyjciu ukadu ksztatujcego. Celem atwego porwnania poziomu szumw przeliczonych na wejcie ukadu odczytowego z sygnaem wejciowym (wyznaczenie stosunku sygnau do szumu) przyjo si okrela poziom szumw ukadw odczytowych detektorw promieniowania w postaci ekwiwalentnego adunku szumowego ENC (ang. equivalent noise charge). Zgodnie z oglnie przyjt definicj wyraa on adunek podany na wejcie ukadu w postaci impulsu prdowego o ksztacie -Diraca, ktry na wyjciu daje odpowied o amplitudzie rwnej wartoci redniokwadratowej szumw [Kor00].

7 Do skadowej tej wchodzi rwnie szum rutowy prdu upywu detektora IDET, poniewa jednak w detektorze gazowym prd upywu nie wystpuje, dlatego we wzorze (3-3) pochodzcy od niego wkad nie zosta uwzgldniony.

23

Poniewa przyjo si rwnie charakteryzowa ukady ksztatujce nie przez podanie ich przepustowoci widmowej w dziedzinie czstotliwoci, ale przy uyciu czasu ksztatowania, dlatego najczciej przytaczana formua na ENC wyraa si nastpujco [Kor00, San90]:

( ) ( )22

FTvfP

FTvPi CCcFT

CCbFTaFENC ++

++= , (3-6)

gdzie: TP czas ksztatowania, Fi, Fv, Fvf stae zalene od transmitancji ukadu ksztatujcego. Rwnie (3-6) pokazuje, e przy danych parametrach szumowych wzmacniacza wejciowego (wspczynniki a, b i c), danych pojemnociach CT i CF oraz przy danej charakterystyce ukadu ksztatujcego (stae Fi, Fv i Fvf) ENC mona zminimalizowa przez odpowiedni dobr czasu ksztatowania8, pod warunkiem jednak, e eksperyment nie narzuca ogranicze na czas trwania impulsw. Jeeli ograniczenia takie wystpuj, wwczas ustalona jest warto TP i przy danych wartociach pojemnoci CT i CF pozostaje moliwo optymalizacji szumowej ukadu przez odpowiedni dobr tranzystora wejciowego i sposobu jego polaryzacji oraz przez dobranie parametrw ukadu ksztatujcego. Ze wzgldu na wskie koincydencyjne okno czasowe oraz bardzo du czsto impulsw wejciowych, w ukadzie MSGCROC wystpuje cise ograniczenie na czas ksztatowania. Oznacza to, e w jego przypadku optymalizacja szumowa musi przebiega wedug drugiego z przedstawionych schematw. Dobr tranzystora wejciowego jest cile uzaleniony od technologii, w ktrej projektowany jest ukad, dlatego problem ten zostanie omwiony w osobnym rozdziale przedstawiajcym parametryzacj szumw tranzystorw MOS w technologii AMS 0.35 m, natomiast w tym miejscu pokazany zostanie jedynie wpyw ukadu ksztatujcego na ekwiwalenty adunek szumowy. W przypadku zastosowania jako ukadu ksztatujcego standardowego filtru qausi-gaussowskiego CR-(RC)n skadajcego si z jednej sekcji rniczkujcej i n sekcji cakujcych9, mona poda analityczne wyraenia na stae Fi, Fv, Fvf [San90]:

+=

n

n

in

en

n

nB

qF

2

22

2

!

4

2

1,2

1

1, (3-7)

=

n

n

vn

en

nnB

qF

2

22

2

!

4

2

1,2

3

1, (3-8)

=

n

n

vfn

en

nqF

2

22

2

!

2

11, (3-9)

gdzie: B funkcja beta Eulera, n liczba sekcji cakujcych, q adunek elementarny. Tab. 3-1 podaje ich wartoci, dla czytelnoci pomnoone przez q2, w zalenoci od

8 W praktyce optymalna warto TP zmienia si w granicach od dziesitek nanosekund do dziesitek mikrosekund w zalenoci od pojemnoci detektora i parametrw szumowych wzmacniacza wejciowego. 9 liczba n sekcji cakujcych okrela rzd filtru CR-(RC)n

24

rzdu filtru CR-(RC)n. Pokazuje ona, e ze zwikszaniem liczby sekcji cakujcych udzia szumw prdowych znaczco maleje, natomiast udzia szumw napiciowych, w przypadku szumw typu 1/f nieznacznie si zmniejsza, a w przypadku szumw biaych nieznacznie zwiksza. Trzeba przy tym podkreli istnienie lokalnego minimum dla szumw napiciowych biaych przy n = 2. Oznacza to, e z punktu widzenia biaych szumw napiciowych (uwarunkowanych tranzystorem wejciowym), w przypadku ksztatowania qausi-gaussowskiego, przy zachowaniu jednakowych czasw ksztatowania, najbardziej optymalny jest filtr drugiego rzdu.

Tab. 3-1: Wartoci staych Fi, Fv, Fvf w zalenoci od rzdu filtru CR-(RC)n, przy staym czasie

ksztatowania.

n 1 2 3 4 5

q2Fi 0,924 0,640 0,519 0,448 0,340

q2Fv 0,924 0,853 0,934 1,023 1,110

q2Fvf 3,694 3,412 3,320 3,275 3,248

Istnieje rwnie moliwo przeprowadzania procedury optymalizacyjne ENC z nieco innego punktu widzenia, zakadajc zadany nie czas ksztatowania impulsu, ale czas jego powrotu do poziomu bazowego. Jest to szczeglnie istotne w przypadku duej czstoci impulsw na wejciu ukadu, kiedy znaczco wzrasta prawdopodobiestwo wystpienia niekorzystnego efektu spitrze impulsw (ang. pile-up) w torze odczytowym. Zapewnienie najkrtszego czasu powrotu do poziomu bazowego gwarantuj impulsy o symetrycznym ksztacie. W praktyce osignicie impulsu symetrycznego jest niewykonalne, gdy dla qausi-gaussowskiego ukadu ksztatujcego wymagaoby to przejcia z n do nieskoczonoci. Naley zatem dy do osignicia impulsu jak najbardziej symetrycznego, co oznacza zastosowanie filtru odpowiednio wysokiego rzdu, ale na tyle rozsdnego, aby nie podnosi znaczco komplikacji ukadu. Rodzi si wic pytanie, jak zmienia si ENC ze wzrostem rzdu filtru przy zachowaniu staego czasu powrotu do poziomu bazowego. Tabela 3-2 podaje wspczynniki wkadu do ENC od szumw prdowych (q2Fi, stosunek czasu ksztatowania filtru rzdu n do filtru rzdu 1) oraz napiciowych (q2Fv /) dla czasu powrotu do poziomu bazowego zdefiniowanego jako czas, po ktrym impuls osiga 5% swojej wartoci maksymalnej. Pokazuje ona, e filtry CR-(RC)n wyszego rzdu, zapewniajce impulsu o ksztacie zblionym do symetrycznego, pozwalaj na redukcj szumw napiciowych. Poziom szumw prdowych wykazuje lokalne maksimum dla filtru rzdu drugiego i spada poniej poziomu szumw odpowiadajcemu filtrowi pierwszego rzdu dopiero przy n = 5. Takie zachowanie szumw w zalenoci od rzdu filtru powoduje, e stosowanie filtrw o n > 2 staje si korzystne w sytuacji, gdy wkad do ENC od szumw napiciowych znacznie przewysza wkad od szumw prdowych oraz gdy jedynym parametrem czasowym ukadu jest czas powrotu impulsu do poziomu bazowego. Naley jednak pamita, e ze wzrostem n wydua si czas ksztatowania oraz obnia stromo przedniego zbocza impulsu, co w niektrych przypadkach moe by niekorzystne.

25

Tab. 3-2: Wspczynniki wkadu do ENC od szumw prdowych i napiciowych w zalenoci od rzdu filtru CR-(RC)n, przy staym czasie powrotu do poziomu bazowego.

n 1 2 3 4 5

q2Fi 0,924 0,956 0,948 0,930 0,909

q2Fv / 0,924 0,571 0,511 0,493 0,488

3.3. Pomiar czasu w ukadzie odczytowym

Zgodnie z definicj czas zdarzenia okrela moment pocztkujcy proces formowania si odpowiedzi detektora na wymuszenie radiacyjne [Kor06]. Zatem jego pomiar jest niemoliwy a w ukadzie odczytowym, wyznaczany jest czas aparaturowy, ktrego wsprzdna czasowa jest opniona wzgldem czasu zdarzenia o pewien interwa czasowy zaleny od przyjtej metody pomiarowej. Zadaniem ukadw dokonujcych ekstrakcji informacji czasowej jest wygenerowanie impulsu logicznego, pozostajcego w staej relacji czasowej z czasem zdarzenia, ktrego przednie zbocze okrela czas aparaturowy. Poniewa w praktyce pod pojciem czasu zdarzenia zawsze wystpuje czas aparaturowy, dlatego mona dla prostoty utosami oba te terminy.

3.3.1. Metoda dyskryminacji na czole impulsu Najprostsz metod pomiaru czasu jest metoda dyskryminacji na czole impulsu. Wykorzystuje ona ukad dyskryminatora amplitudy, ktry generuje impuls logiczny w momencie przekroczenia przez sygna wejciowy okrelonego poziomu progowego VTH. Poniewa sygna przetwarzany w torze odczytowym ulega rozmyciu szumowemu zwiksza si obszar, w ktrym sygna wejciowy przechodzi przez poziom progowy, powodujc obarczenie wyznaczanej chwili czasowej tTH pewn niepewnoci t (Rys. 3-4). Efekt ten nosi miano efektu drenia (ang. jitter).

Vi(t)

t t = tTH

VTH

t

V

Rys. 3-4: Efekt drenia przy dyskryminacji na czole impulsu [Kor06].

Zakadajc liniowy przebieg narastajcego zbocza impulsu wejciowego Vi(t) w pobliu poziomu dyskryminacji mona napisa wyraenie okrelajce relacj pomidzy niepewnoci wartoci chwili czasowej t a nachyleniem zbocza impulsu Vi(t) i jego rozmyciem szumowym V:

26

THtt

dt

tdViV

t

=

=)(

. (3-10)

Rwnanie (3-10) pokazuje, e najwiksz dokadno pomiaru czasu mona osign przy ustaleniu poziomu progowego VTH w punkcie o maksymalnej stromoci zbocza impulsu wejciowego. Rozszerzajc zaoenie o liniowym przebiegu na cae zbocze narastajce oraz dodatkowo zakadajc, e szum V jest zdominowany przez szumy napiciowe stopnia wejciowego o biaym widmie czstotliwociowym, korzystajc z wyraenia (3-6) mona napisa formu na zaleno niepewnoci wartoci chwili czasowej t od czasu ksztatowania TP:

( )in

PFTvP

int Q

TCCbFT

Q

ENC2+

== , (3-11)

gdzie Qin jest adunkiem wejciowym. Formua ta pokazuje, e niepewno wartoci chwili czasowej t jest tym mniejsza, im krtszy jest czas ksztatowania. Zatem ukady odczytowe, w ktrych wane jest jak najdokadniejsze wyznaczenie czasu zdarzenia powinny by wyposaone w ukady ksztatujce o jak najkrtszym czasie ksztatowania. Minimalny czas ksztatowania uwarunkowany jest czasem zbierania adunku w detektorze. W przypadku ukadu MSGCROC czas ksztatowania ustalono na 25 ns, przy czasie zbierania adunku w detektorze MSGC rzdu kilkunastu nanosekund. Metoda dyskryminacji na czole impulsu ma jednak du wad objawiajc si w zalenoci czasu generacji impulsu logicznego od amplitudy i czasu narastania sygnau wejciowego, co okrela si mianem efektu wdrowania (ang. walk effect). Efekt wdrowania ogranicza zastosowanie metody do przypadku sygnaw o maym zakresie dynamicznym i niewielkich rnicach w czasach narastania. Rys. 3-5 obrazuje wpyw efektu wdrowania na wyznaczenie chwili czasowej t. Sygnay A i B s impulsami wejciowymi o tym samym czasie narastania, ale o rnych amplitudach, sygna C charakteryzuje si tak sam amplitud jak sygna B, natomiast duszym od niego czasem narastania. Pomimo, e wszystkie te sygnay pojawiaj si rwnoczenie, czyli efektywnie maj ten sam czas zdarzenia, to wyznaczony na ich podstawie czas aparaturowy ma trzy rne wartoci wynikajce z przecinania poziomu progowego VTH w trzech rnych chwilach czasowych, odpowiednio t1, t2, oraz t3. Rnice w momencie przecinania poziomu progowego powoduj, e impuls logiczny z dyskryminatora wdruje wzdu osi czasowej w funkcji amplitudy i czasu narastania sygnau wejciowego. Efekt wdrowania jest najbardziej znaczcy dla sygnaw, ktre tylko nieznacznie przekraczaj poziom progowy. Wraz ze wzrostem amplitudy sygnau ponad prg dyskryminacji oraz redukcj jego czasu narastania wpyw efektu maleje. Przedstawiony powyej opis efektu wdrowania odnosi si do idealnego dyskryminatora. W rzeczywistym ukadzie efekt wdrowania posiada dodatkow skadowa zwizan z tzw. czuoci adunkow dyskryminatora. Czuo adunkowa okrela nadwyk adunku ponad poziom progowy potrzebn do przeczenia dyskryminatora. Skadowa pochodzca od czuoci adunkowej przedstawiona jest na Rys. 3-5 w postaci zakreskowanych trjktnych obszarw k. Czasy t10, t20, oraz t30 odpowiadaj chwili pojawienia si impulsu logicznego na wyjciu dyskryminatora w wyniku przekroczenia przez sygna wejciowy poziomu progowego odpowiednio

27

w chwilach t1, t2,oraz t3. W przypadku sygnaw wejciowych o identycznych amplitudach, opnienie czasowe wynikajce z czuoci adunkowej jest wiksze dla sygnaw o duszym czasie narastania, natomiast w przypadku sygnaw o identycznym czasie narastania, opnienie jest wiksze dla sygnaw o mniejszej amplitudzie. Opnienie to jest zatem uzalenione od stromoci zbocza narastajcego impulsu w momencie przekraczania poziomu progowego. Jeeli sygna wejciowy ma liniowy przebieg w przedziale czasu T potrzebnym do zgromadzenia adunku zwizanego z obszarem k, to wwczas opnienie wynikajce ze skoczonej czuoci adunkowej powizane jest ze stromoci zbocza sygnau wejciowego prost zalenoci geometryczn i wyraa si nastpujc relacj [Kor06]:

THttdt

tdVk

Ti

=

=)(2

. (3-12)

Skoczona czuo adunkowa dyskryminatora powoduje zwikszenie efektywnego poziomu progowego, jak rwnie zmniejsza dokadno okrelenia chwili czasowej pojawienia si impulsu logicznego.

Vi(t)

Poziom wyzwalania

T

Obszar k, zwizany z czuoci adunkow

dyskryminatora

t

VA

VB

VTH

t1 t2 t3

t10 t20 t30

A

B

C

Rys. 3-5: Efekt wdrowania przy dyskryminacji na czole impulsu [Kor06].

Celem wyeliminowania efektu wdrowania klasyczne tory spektrometryczne, budowane w oparciu o dyskretne elementy, wykorzystuj metody staofrakcyjne oraz metody szybkiego i konwencjonalnego przejcia przez zero. Spord wymienionych metod w strukturze scalonej zrealizowana moe by tylko ostania, gdy wczeniejsze wymagaj uycia niedostpnych technologicznie analogowych linii opniajcych. Z tego te powodu nie bd one omawiane, jako cakowicie nieprzydatne w projekcie ukadu MSGCROC. Zainteresowany czytelnik moe znale ich opis w literaturze np. [Kor06].

3.3.2. Metoda konwencjonalnego przejcia przez zero Metoda konwencjonalnego przejcia przez zero pozwala na minimalizacj efektu wdrowania do skadowej zwizanej jedynie z czuoci adunkow dyskryminatora. Polega ona na rozbudowaniu ukadu ksztatujcego CR-(RC)n

28

o dodatkow sekcj rniczkujc tak, e formowany w nim impuls jest bipolarny oraz przeniesieniu progu dyskryminacji do poziomu zerowego.

Rys. 3-6 pokazuje dziaanie metody w przypadku filtru (CR)-RC. Dziki zastosowaniu dodatkowego rniczkowania uzyskane impulsy bipolarne przecinaj poziom zerowy w tym samym czasie bez wzgldu na amplitud. Odbywa si to jednak kosztem pogorszenia rozdzielczoci czasowej i niewielkiego wzrostu czasu martwego ukadu. Impuls bipolarny w punkcie przechodzenia przez zero charakteryzuje si mniejsz stromoci zbocza w stosunku do nachylenia czoa impulsu unipolarnego na wyjciu filtru CR-RC oraz duszym czasem powrotu do poziomu bazowego. Wraz ze wzrostem liczby sekcji cakujcych filtru stromo zbocza impulsu bipolarnego przy przechodzeniu przez poziom zerowy zwiksza si, jednak cay czas pozostaje mniejsza w stosunku do stromoci czoa impulsu unipolarnego. Poniewa dla ukadu MSGCROC dokadno wyznaczenia czasu zdarzenia ma kluczowe znaczenie, dlatego wykorzystano w nim metod dyskryminacji na czole impulsu oraz zaprojektowano specjalny ukad do kompensacji efektu wdrowania (rozdzia 6).

3.4. Dobr progu dyskryminacji w ukadach samowyzwalcych si

W odrnieniu od eksperymentw prowadzonych na akceleratorach czstek, w badaniach prowadzonych z wykorzystaniem neutronw z ESS nie bdzie dostpny zewntrzny sygna wyzwalajcy. Oznacza to, e ukady odczytowe musz same generowa sygna wyzwalania potrzebny w dalszych stopniach. Ze wzgldu na wykorzystanie do pomiaru czasu metody dyskryminacji na czole impulsu, ukad MSGCROC bdzie wyposaony w dyskryminator progowy, ktry moe jednoczenie peni funkcj ukadu wyzwalajcego. W takiej sytuacji prg dyskryminacji musi by ustalony w taki sposb, aby zapewnia nie tylko optymalizacj niepewnoci wartoci chwili czasowej t, ale rwnie minimalizacj liczby faszywych impulsw szumowych. W ukadach liniowych zawierajcych rda szumowe o rozkadzie gaussowskim czsto zlicze szumowych dana jest klasyczn formu Ricea [Ric44]:

TCZ

V(t)

t

linia przerywana CR-RC linia ciga (CR)2-RC

Rys. 3-6: Znormalizowana odpowied sekcji CRRC i (CR)2RC na wymuszenie w postaci skoku

jednostkowego.

29

=

2

20

2exp

2 V

THt

Vff

, (3-13)

gdzie: f0 czsto zlicze szumowych przy zerowym progu dyskryminacji, VTH prg dyskryminacji, V redniokwadratowa warto szumw. Czsto zlicze szumowych przy zerowym progu dyskryminacji wyraa si poprzez gsto widmow mocy szumw w(f) na wejciu dyskryminatora [Ric44]:

=

0

0

2

0

)(

)(

2

dffw

dffwf

f . (3-14)

Jeli zaoy, e szumy ukadu odczytowego s zdominowane przez szum napiciowy tranzystora wejciowego o biaym widmie czstotliwociowym wwczas gsto widmowa mocy szumw w(f) na wejciu dyskryminatora, zgodnie z rwnaniami (3-4) i (3-5), dana jest nastpujcym wyraeniem:

22

2

)2()( fjHC

Cbfw

F

T = . (3-15)

W przypadku zastosowania jako ukadu ksztatujcego standardowego filtru qausi-gaussowskiego CR-(RC)n jego funkcj przenoszenia wyraa ponisza formua:

( ) 1212

)2(++

=nfj

fjfjH

, (3-16)

gdzie jest sta czasow pojedynczej sekcji filtru. Wstawiajc wyraenia (3-15) i (3-16) do wyraenia (3-14), po wykonaniu cakowania przy zaoeniu 2n , otrzymuje si ogln zaleno na czsto zlicze szumowych przy zerowym progu dyskryminacji:

+

+=

n

n

f

2

12

2

33

10

, (3-17)

gdzie funkcja gamma Eulera. W praktyce, zamiast staej czasowej pojedynczej sekcji filtru , uywany jest czas ksztatowania caego ukadu ksztatujcego Tp. Dla filtru rzdu n czas ksztatowania zwizany jest ze sta czasow prost zalenoci:

nTP = . (3-18)

30

Wstawienie zalenoci (3-18) do formuy (3-17) prowadzi do wyraenia na czsto zlicze szumowych przy zerowym progu dyskryminacji i danym czasie ksztatowania, w zalenoci od rzdu filtru qausi-gaussowskiego:

+

+=

n

n

T

nf

p

2

12

2

33

0 . (3-19)

Dla filtrw niskiego rzdu wyraenie (3-19) sabo zaley od rzdu filtra i mona

przyj, e w przyblieniu f0 jest po prostu odwrotnoci czasu ksztatowania. Zostao to zobrazowane na Rys. 3-7, ktry przedstawia czsto zlicze szumowych w zalenoci od stosunku progu dyskryminacji do wartoci redniokwadratowej szumu (rwnanie (3-13)) dla n rwnego 2, 3 i 4 przy czasie ksztatowania Tp = 25 ns. Pokazane na nim krzywe s praktycznie nierozrnialne.

0 1 2 3 4 5 61

10

100

1k

10k

100k

1M

10M

100M

Tp = 25 ns

CR-(RC)2

CR-(RC)3

CR-(RC)4

Czsto zlicze szumowych [Hz]

VTH /

Rys. 3-7: Czsto zlicze szumowych w zalenoci od stosunku progu dyskryminacji wartoci

redniokwadratowej szumu, przy staym czasie ksztatowania dla filtrw rnego rzdu. Jeeli cakowita gsto widmowa mocy szumu zawiera znaczcy wkad take od innych rde szumowych obok biaego szumu napiciowego tranzystora wejciowego, wwczas wyraenie na czsto zlicze szumowych przy zerowym progu dyskryminacji przybiera bardziej skomplikowan posta, jednake sama warto f0 nie rni si znaczco od tej danej wzorem (3-19). Odpowiednie ustawienie progu dyskryminacji w stosunku do poziomu szumw pozwala zminimalizowa czsto zlicze szumowych w kanale odczytowym. Rys. 3-7 pokazuje, e w przypadku ukadu MSGCROC, przy czasie ksztatowania Tp = 25 ns, ustawienie progu dyskryminacji VTH na poziomie 5 zapewni redni czsto zlicze szumowych wynoszc 80 Hz, a podniesienie go do poziomu 6 zredukuje j do poniej 1 Hz. Trzeba tylko odpowiedzie na pytanie czy charakter sygnau z detektora MSGC pozwala na ustawienie progu dyskryminacji na takim poziomie.

31

Prg dyskryminacji musi by tak ustalony, aby nie powodowa obnienia wydajnoci detekcji. Oznacza to, e przy okrelonej jego wartoci sygnay niosce najniszy adunek musz by zliczane w 100%. Aby sprawdzi czy ustalenie progu dyskryminacji nie wpywa na obnienie wydajnoci detekcji, na krzyw z Rys. 3-7 okrelajc czsto zlicze szumowych naley nanie krzyw wydajnoci dla minimalnego sygnau. W wyniku superpozycji sygnau z detektora o amplitudzie V0 i szumw, rozkad amplitud dla danego sygnau jest rozkadem gaussowskim, a krzywa wydajnoci jest cak z rozkadu Gaussa, czyli jest opisana komplementarn funkcj bdu [Dab02]:

=

21

20

VVerf

NN THIN , (3-20)

gdzie: N czsto zlicze na wyjciu dyskryminatora, NIN czsto impulsw na wejciu dyskryminatora, V0 rednia amplituda impulsw,

( )dttxerfx

=0

2exp2

)(

.

Minimalny sygna w detektorze MSGC odpowiada elektronom konwersji o energii 29 keV. Ich wzgldny udzia w caym widmie energetycznym wynosi 30% (Tab. 2-2), co daje redni czsto zlicze na wejciu dyskryminatora NIN = 270 kHz, natomiast odpowiadajca im rednia warto adunku zbieranej chmury elektronw wtrnych uzaleniona jest od wzmocnienia gazowego w detektorze10. Ustalono jednak, e minimalny adunek zbierany w detektorze bdzie wynosi 210 5 e- [Geb03]. Jeeli zaoy, e rozdzieli si on na 3 paski odczytowe11, w stosunku w pasku centralnym i po w paskach ssiednich, wwczas minimalny sygna przypadajcy na jeden pasek bdzie wynosi 510 4 e-. Przy podziale adunku pomidzy 4 paskami warto odczytywanego adunku bdzie jeszcze mniejsza, jednak nie powinno to by mniej ni 210 4 e-. Maksymalna dopuszczalna warto szumu elektroniki odczytowej jest ustalana w taki sposb, aby dla sygnaw z detektora o minimalnej amplitudzie zapewni stosunek sygnau do szumu na poziomie co najmniej 10. Jeli wic przyj minimalny sygna z detektora na poziomie 210 4 e- wwczas maksymalna warto ekwiwalentnego adunku szumowego nie powinna przekracza 210 3 e-. Przy takim zaoeniu mona narysowa krzyw wydajnoci dla elektronw konwersji o energii 29 keV. Krzywa ta wraz z krzyw okrelajc czsto zlicze szumowych zostay przedstawione na Rys. 3-8, ktry jednoznacznie potwierdza moliwo ustalenia progu dyskryminacji w ukadzie MSGCROC zarwno na poziomie 5, jak i nawet 6. Trzeba jednak zaznaczy, e przedstawiona tu analiza dotyczy przypadku maksymalnej czstoci zlicze, natomiast w zastosowaniach dyfrakcyjnych, czy te radiograficznych bd obszary detektora, gdzie nie bdzie prawie adnych zlicze fizycznych i zliczenia szumowe bd wtedy wyznaczay stosunek sygnau do szumu dla obrazu. W tych zastosowaniach, celem zapewnienia odpowiednio wysokiego zakresu dynamicznego obrazu, mona podnie prg dyskryminacji nawet powyej 7.

10 Zaley ono od cinienia gazu wypeniajcego detektor oraz od wartoci potencjau polaryzujcego. 11 adunek odpowiadajcy jednemu zdarzeniu zbierany jest rednio przez 3,5 paska odczytowego.

32

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1

10

100

1k

10k

100k

1M

10M

100M

szum

minimalny sygna z detektora MSGCCzsto zlicze [Hz]

VTH /

Rys. 3-8: Czsto zlicze szumowych oraz minimalnego sygnau z detektora MSGC w zalenoci od

stosunku progu dyskryminacji do wartoci redniokwadratowej szumu, dla czasu ksztatowania Tp = 25 ns.

Dla ustalonego progu dyskryminacji i okna czasowego mona policzy prawdopodobiestwo zarejestrowania faszywego zdarzenia na skutek wystpienia koincydencji sygnaw szumowych z kanaw odczytowych wsprzdnych X i Y, jak rwnie koincydencji rzeczywistego sygnau z kanaw odczytowych jednej wsprzdnej z sygnaem szumowym z kanaw odczytowych drugiej wsprzdnej. Dla progu dyskryminacji na poziomie 5 i okna czasowego o szerokoci 2 ns okupancja szumowa na jeden kana odczytowy wynosi 1,610 -7. Dla jednego segmentu detektora MSGC zwierajcego 400400 paskw odczytowych prawdopodobiestwo rejestracji zdarzenia na skutek koincydencji sygnaw szumowych wynosi zatem 4,110 -9, co w rezultacie przekada si na rednio dwa faszywe zdarzenia na sekund. Przy redniej czstotliwoci zlicze na jeden kana wynoszcej 900 kHz okupancja rzeczywistego sygnau w 2 ns oknie czasowym wynosi 1,810-3. Zatem prawdopodobiestwo rejestracji zdarzenia na skutek koincydencji rzeczywistego sygnau z sygnaem szumowym dla jednego segmentu detektora wynosi 4,610 -5. Przekada si to na 2,3104 faszywych zdarze na sekund, co moe wydawa si du liczb, jednak w porwnaniu liczb rzeczywisty zdarze na sekund na jeden segment detektora wynoszc 6,5108 jest cakowicie do zaniedbania, a w przypadku zastosowa dyfrakcyjnych daje zakres dynamiczny obrazu na poziomie 2104. Warto w tym miejscu dla porwnania przedyskutowa problem ustawienia progu dyskryminacji take w przypadku ukadu n-XYTER dedykowanego do odczytu mikropaskowego detektora krzemowego i detektora CASCADE. O wyborze progu dyskryminacji w ukadzie n-XYTER decyduje w pierwszym rzdzie konieczno odfiltrowania ta promieniowania towarzyszcego odwzbudzeniu jdra 158Gd*. Poniewa znaczc cz tego ta stanowi promieniowanie o energii okoo 10 keV, dlatego prg dyskryminacji powinien by ustawiony powyej 10 keV. W ukadzie n-XYTER, podobnie jak w ukadzie MSGCROC, zastosowano szybki ukad ksztatujcy o czasie ksztatowanie Tp = 25 ns, zatem czsto zlicze szumowych jest w nim rwnie reprezentowana krzyw z Rys. 3-8. Zupenie inaczej

33

wyglda natomiast krzywa okrelajca czsto zlicze dla minimalnego sygnau. rednia czsto zdarze na jeden pasek detektora krzemowego wynosi 75 kHz. Przy 30% udziale elektronw konwersji o energii 29 keV rednia czsto impulsw odpowiadajcych energii 29 keV na wejciu dyskryminatora wyniesie NIN = 22,5 kHz. Jeli dodatkowo uwzgldni fakt, e w 20% przypadkw sygna podzieli si pomidzy dwa ssiednie paski, to wwczas minimalny sygna bdzie odpowiada energii 14,5 keV a jego rednia czsto wyniesie 4,5 kHz. Ustawienie progu dyskryminacji na poziomie 5 dla sygnau o redniej czstoci zlicze 4,5 kHz w dalszym cigu zapewnia zadawalajc minimalizacj czstoci zlicze szumowych. Energia 10 keV odpowiada jednak w detektorze krzemowym adunkowi12 2800 e-, co oznacza maksymalny ekwiwalenty adunek szumowy 560 e-. Z jednej strony warto ta jest za dua, gdy nie zapewnia stosunku sygnau do szumu na poziomie 10 przy uwzgldnieniu podziau adunku 8000 e- (29 keV) pomidzy dwa paski, z drugiej jednak strony jest zadaniem bardzo trudnym zaprojektowanie elektroniki odczytowej o tak niskim poziomie szumw przy czasie ksztatowania Tp = 25 ns i pojemnoci detektora wynoszcej 15 pF. Dlatego ustalono maksymaln warto ENC dla ukadu n-XYTER na poziomie 1000 e-. Oznacza to po pierwsze pogorszenie rozdzielczoci energetycznej dla minimalnych sygnaw nie bdzie stosunku sygnau do szumu wynoszcego co najmniej 10, a po drugie konieczne jest podniesienie progu dyskryminacji przy pozostawieniu go na poziomie 2800 e- czsto zlicze szumowych przewyszaaby czsto zlicze sygnaowych. Podniesienie progu dyskryminacji powoduje z kolei utrat czci danych pochodzcych od przypadkw podziau adunku 8000 e- pomidzy dwa paski detektora (Rys. 3-9). W przypadku ukadu n-XYTER warto progu dyskryminacji musi by zatem kompromisem pomidzy utrat czci rzeczywistych zdarze a podniesieniem udziau faszywych rejestrowanych na skutek zlicze szumowych.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1

10

100

1k

10k

100k

1M

10M

100M

Tp = 25 ns, = 1000 e

-

szum

29 keV

29 keV / 2

Czsto zlicze [Hz]

VTH /

Rys. 3-9: Czsto zlicze szumowych oraz minimalnego sygnau z detektora krzemowego w zalenoci

od stosunku progu dyskryminacji do wartoci redniokwadratowej szumu.

12 Na wygenerowanie jednej pary elektron-dziura potrzeba rednio energii 3,6 eV.

34

3.5. Czas martwy ukadu odczytowego

Ukad odczytowy potrzebuje okrelonego czasu, zwanego czasem martwym, na przetworzenie pojedynczego zdarzenia. Jeli w tym czasie pojawi si kolejne zdarzenie ukad nie jest w stanie go przetworzy i zostaje ono stracone. Jeeli dane pojawiaj si statystycznie w czasie, nie ma wwczas moliwoci zbudowania ukadu zapewniajcego zerow strat danych, gdy wymagaoby to zerowego czasu martwego elektroniki odczytowej. Naley wic ustali akceptowalny poziom straty danych i wyznaczy dla niego maksymalny czas martwy ukadu. Dla cakowicie przypadkowych zdarze o redniej czstoci f, prawdopodobiestwo utraty danych Plost, na skutek istnienia czasu martwego tdead ukadu wyraa si, zgodnie z rozkadem Poissona, nastpujc zalenoci:

)exp(1 deadlost ftP = , (3-21) w ktrej wyraenie exp( ftdead) jest prawdopodobiestwem, e w czasie tdead nie pojawi si kolejne zdarzenia. Przeksztacenie wyraenia (3-21) prowadzi do wzoru na czas martwy ukadu, przy zadanym poziomie straty danych:

)1ln(

1lostdead Pf

t = . (3-22)

Poniewa poziom straty danych z definicji powinien by jak najmniejszy, eksponent w wyraeniu (3-21) mona przybliy jej dwoma pierwszymi wyrazami rozwinicia w szereg potgowy, otrzymujc bardzo wygodn formu okrelajca wzgldny udzia danych przetworzonych w ukadzie:

deadaccept ftP

+=1

1, (3-23)

ktra z kolei prowadzi do przyblionego wzoru na czas martwy:

accept

acceptdead fP

Pt

=1

. (3-24)

Poziom straty danych przyjmowany jest arbitralnie, moe wic by to w zasadzie dowolnie maa liczba, jednak w praktyce czsto wystarcza aby by on na poziomie 10%. Taki poziom straty danych oznacza, e osigniecie zaoonej liczby przypadkw rejestrowanych w eksperymencie wymaga wyduenia czasu zbierania danych rwnie o 10%, co czsto jest duo prostsze w realizacji ni projekt ukadu o poziomie straty danych poniej 10%. Zatem przy zaoeniu 10% poziomu straty danych w jednym kanale odczytowym ukadu MSGCROC, dla redniej czstoci zdarze 900 kHz, maksymalny czas martwy ukadu nie powinien przekracza okoo 120 ns. W ukadach pracujcych z sygnaami impulsowymi czas martwy definiuje si jako czas, po jakim impuls na wyjciu ukadu powraca do poziomu linii bazowej. Pojawienie si kolejnego impulsu zanim poprzedni zdy powrci do poziomu linii bazowej powoduje zafaszowanie jego amplitudy i w rezultacie utrat informacji. Ze

35

wzgldu na szumy cise zdefiniowanie poziomu linii bazowej nie jest moliwe, w praktyce wic czas martwy okrela si jako czas, po ktrym impuls spadnie do pewnego poziomu okrelonego wzgldem jego amplitudy. W ukadzie MSGCROC czas martwy zdefiniowano wykorzystujc widmo energetyczne elektronw konwersji reakcji 157Gd(n, )158Gd. W widmie tym najwikszy udzia (ponad 91%) maj elektrony o energiach 29,3 keV, 71,2 keV i 78,2 keV, dlatego przyjto jako czas martwy, czas powrotu impulsu odpowiadajcego energii 78,2 keV do poziomu stanowicego 5% amplitudy impulsu odpowiadajcego energii 29,3 keV. Poziom ten znajduje si poniej amplitudy impulsu odpowiadajcego wymuszeniu adunkiem o wartoci rwnej trzykrotnemu ekwiwalentnemu adunkowi szumowemu ukadu, okrelajcej rozmycie szumowe linii bazowej.

3.6. Architektura ukadu MSGCROC

Opierajc si na rozwaaniach przeprowadzonych we wczeniejszych czciach niniejszego rozdziau mona wyspecyfikowa list wymaga dla ukadu MSGCROC (Tab. 3-3) i na tej podstawie przedstawi jego architektur (Rys. 3-10).

Tab. 3-3: Specyfikacja wymaga dla ukadu MSGCROC.

Parametry ekstrahowane z sygnau wejciowego X/Y, T, EX/EY

Liczba kanaw na jeden ukad 32

rednia czsto zlicze na jeden kana [kHz] 900

adunek na wejciu [e-] 2105 - 5106

ENC ( rms) [e-] ~ 2000

Przedzia czasowy dla koincydencji zdarze X/Y [ns] 2

Czas ksztatowania w torze czasowym [ns] 25

Czas martwy [ns] ~ 120

Prg dyskryminacji 5

Ukad MSGCROC zbudowany jest z 32 kanaw odczytowych umoliwiajcych ekstrakcj informacji o miejscu i czasie zdarzenia oraz o energii deponowanej w objtoci czynnej detektora. Do pomiaru amplitudy impulsu, nioscej informacj o energii, zastosowano klasyczny detektor szczytu impulsu (jego opis zostanie zaprezentowany w rozdziale 7), ktry wymaga znacznie duszych czasw ksztatowania ni 25 ns, jakie ustalono ze wzgldu na dokadno pomiaru czasu. Z tego wzgldu za wzmacniaczem wejciowym kana odczytowy rozdzielony zosta na dwa tory: czasowy i energetyczny. W skad toru czasowego wchodz: szybki ukad ksztatujcy, o czasie ksztatowania Tp = 25 ns, komparator z ukadem kompensacji efektu wdrowania, zatrzask sygnatur czasowych oraz blok pamici cyfrowej buforujcy informacje o czasie zdarzenia do momentu wysania ich do zewntrznego ukadu akwizycji. Tor energetyczny tworz z kolei: wolny ukad ksztatujcy, o czasie ksztatowania Tp = 80 ns, detektor szczytu impulsu oraz blok pamici analogowej.

36

Analogowy bufor

wyjciowy

Logika kontrolna z interfejsem I2C

Ukad kalibracyjny

Ukady polaryzujce

AnaOut_P

AnaOut_N

Menader tokenw

DigOut_P

DigOut_N

Generator sygnatur

czasowych

Cyfrowy bufor wyjciowy

Rejestr maski

Szybki ukad ksztatujcy

Wzmacniacz wejciowy

Detektor szczytu impulsu

Komparator z ukadem

TWC

Wolny ukad ksztatujcy

Zatrzask sygnatur

czasowych

Pami analogowa

Pami cyfrowa

32

Kana odczytowy

CT

CAC

IN

SD

A

SCL

Res

et

CLK

256A

_P

CLK

256B

_P

CLK

256A

_N

CLK

256B

_N

Rys. 3-10: Schemat blokowy ukadu MSGCROC.

Ukad wyzwala si sygnaem z wyjcia komparatora pojawiajcym si w odpowiedzi na impulsy o amplitudzie przekraczajcej zaoony prg dyskryminacji. Sygna ten powoduje zatrzanicie sygnatury czasowej i przepisanie jej do pamici cyfrowej oraz wyzwolenie detektora szczytu impulsu w kanale energetycznym. Za wyjciem komparatora umieszczono klucz sterowany z rejestru maski, ktry umoliwia odczenie sygnau wyzwalajcego od kolejnych blokw kanau odczytowego tak, e dane z tego kanau nie bd si pojawiay na wyjciu ukadu. Zabieg ten pozwala na wyczenie kanaw zdiagnozowanych jako wadliwe lub generujce faszywe zliczenia. Impulsy na wejciu ukadu pojawiaj si w sposb losowy co powoduje, e rozkad danych wyjciowych w poszczeglnych kanaach jest nierwnomierny. Moliwa jest sytuacja, w ktrej w danym momencie w adnym kanale nie bdzie danych, a w chwil pniej pojawi si one w kilku kanaach jednoczenie13. Aby zapewni jak najbardziej efektywne wysyanie takich danych do zewntrznego ukadu zbierania danych kanay odczytowe wyposaono w pami buforujc o gbokoci czterech zdarze oraz zastosowano architektur typu token ring14 zapewniajce derandomizacj danych. Dziaanie architektury typu token ring sprowadza si do cyklicznego przekazywania uprawnie do odczytu pomidzy kolejnymi kanaami i przepisywania na magistrale jedynie danych z zajtych komrek pamici. Oprcz derandomizacji zapewniona jest wic rwnie kompresja danych nie zawierajcych adnej informacji. Dane na zewntrz wysyane s za porednictwem dwch buforw: analogowego i cyfrowego, przy czym ze wzgldu na znacznie wiksz ilo danych cyfrowych opisujcych pojedyncze zdarzenie s one wysyane rwnolegle po 8 bitw w czterech kolejnych pakietach. W celu synchronizacji danych analogowych i cyfrowych, czstotliwo wysyania danych cyfrowych jest czterokrotnie wiksza od czstotliwoci wysyania danych analogowych i wynosi 128 MHz. Dla zapewnienia jak najmniejszej wraliwoci na zakcenia mogce si pojawia na liniach transmisyjnych, dane wysyane s w postaci rnicowej15, a dodatkowo w przypadku danych cyfrowych wykorzystano standard LVDS (ang. Low Voltage Differential Signal) [LVDS]. W standardzie tym rnica pomidzy poziomami sygnau wynosi jedynie 400 mV, przez

13 Poniewa w detektorze MSGC na jedno zdarzenie odpowiada rednio 3,5 paska odczytowego, wic dane bd si pojawiay w co najmniej 3 kanaach. 14 Pomimo istnienia polskiego okrelenia architektury typu token ring sie przekazujca eton, wydaje si ona na tyle obca autorowi i nie ugruntowana w literaturze przedmiotu, e w tym przypadku zdecydowa si pozosta przy nazewnictwie oryginalnym. 15 Pojawiajce si zakcenia powinny by przeciwnych znakw, czyli wzajemnie si znosi.

37

co zmniejsza si prawdopodobiestwo propagowania si w ukadzie zakce pochodzcych ze stopni wyjciowych. Standard LVDS wykorzystano rwnie do doprowadzenia sygnaw zegarowych (CLK256A i CLK256B) do ukadu. Odpowiednie wartoci prdw i napi polaryzujcych poszczeglne bloki funkcjonalne ustawiane s za pomoc dziewiciu 8-bitowych przetwornikw C/A, ktre dziki odpowiednio duemu zakresowi regulacji pozwalaj ustawi optymalny punkt pracy caego ukadu w kadych warunkach. Oprcz przetwornikw wykorzystywanych do polaryzacji, ukad MSGCROC wyposaony jest take w przetwornik ustalajcy prg dyskryminacji oraz przetwornik ustalajcy amplitud sygnau kalibracyjnego. Oba te przetworniki s rwnie 8-bitowe. Przetestowanie penej funkcjonalnoci ukadu bez koniecznoci podczania go do detektora i rda neutronw jest moliwe dziki zastosowaniu ukad kalibracyjnego poczonego, za porednictwem kluczy sterowanych z rejestru maski, z kondensatorami testowymi CT. Dostp do trybw testowych, konfiguracja rejestru maski oraz ustalenie konkretnych wartoci poszczeglnych przetwornikw odbywa si za porednictwem logiki kontrolnej, wykorzystujcej do komunikacji z zewntrznym ukadem zbierania danych interfejs pracujcy w standardzie I2C (ang. inter-IC control) [Phi00].

39

4. Parametryzacja szumw tranzystorw MOS w technologii AMS 0.35 m

Wspczesne technologie submikronowe CMOS stay si bardzo atrakcyjne do projektowania analogowo-cyfrowych specjalizowanych ukadw scalonych dla zastosowa w odczycie detektorw promieniowania. Specyfika zastosowa wymaga, aby ukady takie czyy w sobie zarwno ukady cyfrowe o bardzo duym stopniu upakowania, jak i niskoszumne ukady analogowe o maym poborze mocy. Technologie CMOS o dugoci bramki tranzystora poniej 0,8 m pozwalaj na wykonywanie ukadw o duej gstoci upakowania oraz o maym poborze mocy, jednake w ukadach analogowych potencjalne efekty krtkiego kanau mog sta si ograniczeniem z punktu widzenia wymaga szumowych. W technologiach submikronowych wraz ze spadkiem dugoci kanau L ronie natenie pola elektrycznego VDS / L (VDS napicie dren-rdo), ktrego rozkad naley dodatkowo zacz przyjmowa jako dwuwymiarowy [Toh88], prowadzi to wystpowania tzw. efektw krtkiego kanau. Objawiaj si one np. w postaci nadmiarowego szumu w stosunku do przewidywa wynikajcych z klasycznych modeli [Kla67, Zie62, Zie86], zakadajcych tranzystor o dugim kanale. Taki nadmiarowy szum, w tranzystorach o dugoci bramki zbliajcej si do minimalnej dozwolonej dla danej technologii, zaobserwowano w rnych technologiach submikronowych: 0,35 m, 0,25 m, 0,18 m oraz 0,13 m [Ane01, Man03, Re05, Ger05, Mag05]. Wraz z postpujc miniaturyzacj technologii zmniejsza si grubo tlenku bramkowego, a wic poprawiaj si wasnoci szumowe tranzystorw16, a ponadto technologie submikronowe wykazuj zwikszon odporno na uszkodzenia radiacyjne, co razem czyni je bardzo atrakcyjnymi do wykorzystania w projektach elektroniki front-end dla detektorw promieniowania. Technologie te charakteryzuj si jednak niskim napiciem zasilania, typowo 2,5 V dla technologii 0,25m, 1,8 V dla 0,18 m oraz 1,2 V dla 0,13 m. Z tego te powodu technologia 0,35 m, dla ktrej napicie zasilania wynosi 3,3 V, wydaje si dobrym kandydatem do projektu elektroniki odczytowej w szczeglnoci, gdy potrzebny jest duy zakres dynamiczny dla sygnaw analogowych. Przykadem takiej technologii jest technologia AMS 0,35 m ([AMS]) dostpna w ramach EUROPRACTICE ([EUR]), co umoliwia atwe wykorzystanie jej do mniejszych projektw badawczych. Dostawca technologii z reguy nie zapewnia jednak parametryzacji szumowej z uwzgldnieniem efektw krtkiego kanau, co czyni koniecznym przeprowadzenia jej we wasnym zakresie. W celu optymalizacji szumowej projektu elektroniki front-end oraz penego wykorzystania moliwoci oferowanych przez wybran technologi naley sparametryzowa szumy w tranzystorach o geometriach przewidzianych w stopniach wejciowych ukadu. Podstawowa procedura optymalizacyjna, zaniedbujca efekty krtkiego kanau, prowadzi do wniosku, e w stopniu wejciowym naley uy tranzystora o minimalnej dugoci bramki. Wobec tego pierwszym celem pomiarw szumw w danej technologii bdzie znalezienie takiej minimalnej dugoci bramki, przy ktrej szum nadmiarowy wynikajcy z efektw krtkiego kanau, nie bdzie kompensowa redukcji szumu wynikajcej ze skalowania wymiarw tranzystora. Drugim celem pomiarw bdzie porwnanie szumw w tranzystorach typu N i P.

16 Jak zostanie to pokazane w dalszej czci rozdziau szum tranzystora MOS jest odwrotnie proporcjonalny do transkonduktancji, ktra z kolei jest odwrotnie proporcjonalna do gruboci tlenku bramkowego.

40

Generalnie naley si spodziewa, e przy tej samej geometrii bramki i tym samym prdzie drenu, tranzystor NMOS bdzie si charakteryzowa mniejszym szumem termicznym, natomiast wikszym szumem typu 1/f w stosunku do tranzystora typu PMOS. W przypadku projektu szybkiej elektroniki front-end, dla ktrej szum termiczny jest dominujcym rdem szumw, wybr tranzystora NMOS do projektu stopnia wejciowego wydaje si wic by naturalny. Jednake w projekcie ukadu mieszanego analogowo-cyfrowego naley wzi pod uwag take inny aspekt, a mianowicie wraliwo na zakcenia wstrzykiwane przez wsplne podoe z czci cyfrowej do czci analogowej. Z tego punktu widzenia bardziej preferowane s tranzystory w studni, ktra zapewnia izolacj od podoa. W wybranej technologii s to tranzystory PMOS. Ostateczny wybr typu tranzystora wejciowego, jest wic wynikiem kompromisu pomidzy optymalizacj szumow z jednej strony a wraliwoci na zakcenia propagujce si przez podoe z drugiej.

4.1. rda szumw w tranzystorach MOS

Dominujce rda szumw w tranzystorach MOS, ktre naley bra pod uwag w wikszoci praktycznych zastosowa to: szum typu 1/f (migotania), szum termiczny kanau, szum termiczny rezystancji bramki oraz szum termiczny rezystancji podoa

4.1.1. Szum typu 1/f Dla niskich czstotliwoci, rzdu Hz i kHz, widmo szumowe tranzystora MOS jest cakowicie zdominowane przez szum typu 1/f. Istniej dwie podstawowe teorie tumaczce rdo pochodzenia tego szumu [Tsi99]. Pierwsza z nich przypisuje powstawanie szumu 1/f fluktuacjom liczby nonikw w kanale, spowodowanym przez efekty puapkowania i pniejszego uwalniania nonikw przez niezapenione stany dozwolone istniejce na styku SiO2Si. Druga natomiast wie szum 1/f z fluktuacjami ruchliwoci nonikw, spowodowanymi przez oddziaywanie nonikw z sieci krystaliczn. Niemniej jednak, w obu tych teoriach gsto widmowa mocy szumu jest odwrotnie proporcjonalna do czstotliwoci (std nazwa szum 1/f) i spada ze wzrostem powierzchni tranzystora. Gsto widmowa mocy szumu 1/f przeliczona na bramk tranzystora dana jest, zgodnie z pierwsz teori, wyraeniem [Tsi99]:

aox

f2f

fWLC