Мозаичный преобразователь излучения

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

t (19) (И) з(5в Н 04 N 5/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3374794/18-09 (22) 30.12.81 (46) 07.10.83, Бюл. Ф 37 (72) Н .Ю. Герасенов и В.С . Мелихов (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С.М. Кирова (53) 621.397,6(088.8) (56) 1 . Ковач и др . Устройство формирования сигналов изображения на

ЦПЗ-приборах. — "Электроника", 1972, В 5, с. 37-44.

2. Авторское свидетельство СССР

У 674645, кл. Н 04 М 5/32, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР

9 843306, кл. Н 04 М 5/32, 1978 (прототип) . (54)(57) МОЗАИЧНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий генератор радиоимпульсов с парафаэным выходом, к которому параллельно подключены

М измерительных ячеек, выполненных по мостовой схеме, . в одно плечо, которых включен детектор излучения, в другое — балансировочное сопротивление, к выходу каждой измерительной ячейки подключен усилитель тока на биполярном транзисторе, база которого соединена с выходом мостовой

, схемы, коллектор — с первой обклад.кой соответствующего накопительного конденсатора, эмиттер — с общей шиной, блок синхронизации, первый выход которого подключен к модулирующему входу генератора радиоимпуль ов, а второй — к входу распределителя тактовых импульсов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения чувствительности мозаичного преобразователя путем уменьшения различий в темновых уровнях выходных сигналов усилителей тока, в него введены первая группа из М диодов, каждый из которых включен между базой соответствующего биполярного транзистора и общей шиной, вторая группа из N диодов, каждый из которых включен между эмиттером соответствуют,его биполярного транзистора и объединенными второй обкладкой соответствующего накопительного конденсатора и соответствующим выходом рас" пределителя тактовых импульсов, и третья группа из М диодов, каждый из которых включен между коллектором соответствующего биполярного транзистора и эмиттером введенного выходно" го биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой и имеющего тот же тип проводимости, что и биполярные транзисторы в усилителях тока, коллектор которого соединен с (11+1)-м выходом распределителя тактовых импульсов через введенный выходной конденсатор, а в усилителях тока эмиттеры биполярных транзисторов соедине:."- с общей шиной через один из М введенных конденсаторов и диод, параллельно которому подключен введенный генератор стабильного тока. к входу распределителя тактовых импульсов, выполненного в виде аналогового регистра сдвига типа "пожарная цепочка" t 3).

Недостатком известного мозаичного преобразователя является низкая чувствительность эа счет больших различий в темновых уровнях выходных сигналов усилителей тока, образующихся в результате дрейфа параметров генератора радиоимпульсов, измерительных ячеек и усилителей тока ввиду воздействия внешних факторов и старения . Кроме того, выполнение базового сопротивления в усилителях тока в виде резистора обуславливает их работу в режиме однополупериодного детектирования, т.е, половина полезного заряда не используется . К недостаткам преобразователя следует отнести и выполнение распределителя тактовых импульсов на "пожарных цепочках", которым присущи неравномерное затухание и неполная передача заряда, что вносит дополнительную неоднородность в выходной сигнал .

Цель изобретения — увеличение чувствительности мозаичного преобразователя путем уменьшения различий в темновых уровнях выходных сигналов усилителей тока.

Для достижения цели в мозаичный преобразователь излучения, содержащий генератор радиоимпульсов с парафаэным выходом, к которому параллельно подключены М измерительных ячеек, выполненных по мостовой схеме, в од- но плечо которых включен детектор излучення, в другое — балансировочнае сопротивление, к выходу каждой измерительной ячейки подключен усилитель тока на биполярном транзисторе, база которого соединена с выходом мостовой схемы„ коллектор — с первой обкладкой соответствующего накопительного конденсатора, эмиттер — с общей шиной, блок синхронизации, первый выход которого подключен к модулирующему входу генератора радиоимпульсов, а второй - к входу распределителя тактовых импульсов, введены пер. вая группа из N диодов,,каждый из которых включен между базой соответствующего биполярного транзистора и общей шиной, вторая группа иэ N диодов, каждый из которых включен между эмиттером ".оответствующего биполярного транзистора и объелинецными второй обкладкой соответетвующе1 .1046967

Изобретение относится к визуализации пространственных распределений потоков излучений, в частности к радиационной интроскопии.

Известны мозаичные преобразователи излучения, содержащие мозаику из N детекторов излучения, подкл1оченных к N входам сканирующего устройства на основе приборов с зарядовой связью (. 1). 1О

Однако данные мозаичные преобразователи обладают малой чувствитель ностью в диапазоне рентгеновского и гамма-излучения, так как не имеют внутреннего усиления заряда, образованного излучением, и обладают значительным разбросом темновых уровней сигналов от различных детекторов, Известны также мозаичные преобразователи излучения, содержащие N jp мостовых схем с включенными в,них детекторами излучения, усилителей тока, входы которых подключены к выходам мостовых схем, а выходы подсоединены к и входам регистра сдвига р5 на основе П ЗС, причем к диагонали всех мостовых схем подключен выход генератора радиоимпульсов (2j.

Чувствительность указанных мозаичных преобразователей также недостаточна, так как уровни темновых сигналов от различных детекторов в значительной степени подвержены дрейфу, эа счет изменений параметров детекторов и других элементов, вклю35 ченных в плечи мостовых схем, под действием температуры, влажности и других дестабилизирующих факторов.

Наиболее близким к предлагаемо" му является мозаичный преобразователь излучения, содержащий генератор радиоимпульсов с парафазным выходом, к которому параллельно подключены М измерительных ячеек, выполненных по мостовой схеме, в одно плечо которых 4

45 включен детектор излучения, в другое — балансировочное сопротивление, к выходу каждой измерительной ячейки подключен усилитель тока на биполярном транзисторе, база которого соединена с выходом мостовой cxewr, 50 .коллектор — с первой обкладкой соответствующего накопительного конденсатора, змиттер — с общей шиной, а между его базой и общей шиной включено базовое сопротивление, и блок синхронизации, первый выход которого подключен к модулирующему входу генератора радиоимпульсов, а второй.

1046967

ro накопительного конденсатора и соответствующим выходом распределителя тактовых импульсов, и третья группа из Й диодов, каждый из которых включен между коллектором соответствующего. биполярного транзистора и эмиттером введенного выходного биполярного транзистора, включенного по схе. ме с общей базой и имеющего тот же тип проводимости, что и биполярные 10 транзисторы в усилителях тока, коллектор которого соединен с (N+1)-м выходом распределителя тактовых импульсов через введенный выходКой конденсатор, а в усилителях тока эмит- 15 теры биполярных транзисторов соединены с общей шиной через один из М введеннйх конденсаторов и диод, параллельно которому. подключен введенный генератор .стабильного тока. 20

На фйг. 1 изображена прйнципиальная электрическая схема предлагаемого мозаичного преобразователя; на фиг, 2 — временные диаграммы его работы . 25

Мозаичный преобразователь излучения содержит N измерительных ячеек 1, выполненных по мостовой схеме, в одно плечо каждой из которых включен детектор 2 излучения, а в другое-30 балансировочное сопротивление, выполненное в Виде балансировочного конденсатора 3, N накопительных конденсаторов 4, М усилителей 5 тока на биполярных транзисторах 6, генератор 7 радиоимпульсов, и диодов 8, N конденсаторов 9, диод 10, генератор 11 стабильного тока, распределитель 12 тактовых импульсов, имеющий

N+1 ВыхОДОВ N ДИОДОВ 13 ВыхОДнОи 40 биполярный транзистор 14 того же типа проводимости, что и биполярные транзисторы 6 усилителей 5 тока, выходной конденсатор 15, 11 диодов 16 и блок 17 синхронизации..

Генератор 11 стабильного тока может быть выполнен по известным схемам, например на бипоЛярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, что не имеет принципиального значения при условии достаточной стабильности генерируемого тока.

Мозаичный преобразователь излучения работает следующим образом.

Работа преобразователя состоит иэ двух чередующихся циклов — запи55 си и считывания информации. В цикле записи до прихода радиоимпульса на всех выходах распределителя 12 тактовых импульсов присутствуют высокие потенциалы, накопительные конденсаторы 4 заряжены до максимального значения, равного амплитуде тактовых импульсов, диоды 13 и 16 заперты, диод

10 открыт током генератора 11 стабильного тока, биполярные транзисторы 6 усилителей 5 тока закрыты. В момент прихода радиоимпульсов, определяемых блоком 17 синхронизации, на выходах измерительных ячеек 1 появляются высокочастотные напряжения разбаланса (фиг. 2а), амплитуды которых зависят от интенсивности излучения, падающего на детекторы 2, а также от импеданса детекторов 2 и балансировочных конденсаторов 3, которые, в свою очередь, подвержены дрейфу.

Биполярные транзисторы 6 открываются, и в их коллекторных цепях протекают токи, пропорциональные открывающей части напряжений разбаланса. Эти токи образуют на накопительных конденсаторах 4 соответствующие дефициты зарядов (фиг. 2б) и заряжают конденсаторы 9 (фиг. 2в) . После окончания радиоимпульса начинается цикл считывания информации.

Цикл считывания состоит из и тактов, в начале каждого из них на (N+1)-м выходе распределителя 12 тактовых импульсов появляется низкий потенциал и выходной конденсатор 15 подзаряжается до максимального значения (фиг. 2г). На остальных N выходах распределителя 12 тактовых им" пульсов низкий потенциал появляется поочередно один раз за цикл считывания, причем после окончания заряда выходного конденсатора 15. При этом накопительные конденсаторы 4 поочередно заряжаются через диоды 16 и транзистор 14 (фиг. 2б). Дефициты зарядов, образовавшиеся на накопительных конденсаторах 4 в цикле записи, последовательно переписываются на выходной конденсатор 15 (фиг. 2г) .

Синхронно с этим поочередно открываются диоды 13, диод 10 запирается отрицательными перепадами потенциала и ток, вырабатываемый генератором 1I стабильного тока, протекает поочередно через конденсаторы 9, разряжая их на одну и ту же фиксированную величину (фиг. 2б) .

После считывания информации со всех емкостных накопителей снова на. чинается цикл записи.

1046967

Подзаряд накопительных конденсаторов 4 в цикле считывания происходит поочередно при отрицательном перепаде напряжения на соответствующем выходе распределителя 12 такто- 5 вых импульсов по цепи i-й выход рас-. пределителя 12 — накопительный конденсатор 4 - диод 16 — выходной биполярный транзистор 14 — выходной конденсатор 15 — (М+1)-й выход распределителя 12 тактовых импульсов— общая шина, Часть тока при перезаряд ке ответвляется в базовую цепь выходного биполярного транзистора 14, он периодически открывается и дефициты зарядов по очереди переносятся с накопительных конденсаторов 4 на выход-, ной конеденсатор 15 с коэффициентом, равным о, выходного биполярного транзистора 14. Направление протекания тока перечисляется выше от минуса к плюсу, Разряд конденсаторов 9 стабильным током генератора II происхо.—, дит в течение интервалов времени, когда на соответствующем выходе распределителя 12 тактовых импульсов присутствует низкий потенциал, по цепи генератор ll тока — конденсатор

9 — диод 13 — соответствующий выход 30 распределителя 12 — общая шина . Направление протекания тока в данном случае описано от плюса к минусу потенциала, В цикле записи на катодах диодов

16 потенциал высокий (положительный), т.е. они заперты . Низкий потенциал на катодах диодов 16 может появиться только в двух случаях, когда на соответствующем выходе распределите- 4п ля тактовых импульсов появляется низкий потенциал, т.е. в цикле .считывания, или при полном разряде накопи- тельных конденсаторов 4 через биполярные транзисторы 6. Последний ре- 45 жим не .нормален, поэтому его рассмат- ривать не будем,а первый хорошо иллюстрируется диаграммой на фиг. 2б.

Отрицательные крутые перепады по времени соответствуют отрицательным так- 5О товым импульсам, при этом диоды 16 открываются и минимальные значения потенциалов на их катодах равны сумме прямых падений напряжений на р"и переходах диодов 16 и р и переходе 55 эмиттер-база выходного биполярного транзистора 14 (около 1,5 В), к концу тактового импульса они экспоненциапьно спадают до нуля за счет пе резаряда накопительных конденсаторов

4 до максимума, т.е. до напряжения, равного амплитуде тактовых импульсов.

При этом на обкладках накопительных конденсаторов 4, подключенных к диодам 16, образуется плюс потенциала, а на обкладках, подключенных к выходам распределителя 12, — минус. При положительном перепаде сигнала на тактовых иннах диоды 16 закрываются пололительньМпотенциалом,образован- ным на накопительных конденсаторах 4.

Постоянная составляющая тактовых сигналов в данном случае значения не имеет, поскольку не проходит через накопительные конденсаторы 4, однако для правлиьной коммутации стабильного тока. через конденсаторы 9 необходимо, чтобы тактовые импульсы находились в диапазоне напряжений от некоторого положительного, "высокого уровня (единицы вольт), до HyJIeBoro или близкого к нулевому потенциала, т.е. "низкого уровня".

Выходной конденсатор 15 заряжается в момент появления отрицательного перепада потенциала íà (N+I)-м выходе распределителя 12 тактовых импульсов. Подзарядка осуществляется по цепи (М+1)-й выход распределителя 12 — выходной конденсатор 15 — переход коллектор-база выходного биполярного транзистора 14 — общая шина.

Постоянная составляющая тактовых импульсов здесь также значения не имеет, а направление протекания тока перечисляется от минуса к плюсу.

Анализ работы показывает, что предлагаемый мозаичный преобразователь обладаЕт свойством адаптации к медлениым, плавным изменениям амплитуды выходвь1х сигналов измерительных ячеек 1, вызванных дрейфом или излучением при условии, что постоянная времени М ВВ 1 С (где М - скважность радиоимпульсов; R - выходное сопротивление усилителей 5 тока со стороны эмиттера; С вЂ” емкость конденсаторов 9) значительно меньше постоянной времени дрейфа, Это означает, что дефициты заряда, образующиеся за один цикл записи при скачкообразном изменении интенсивности излучения, на накопительных конденсатоpox 4 определяются следующим образом; к1 Ри ,1. щ +PW I "ьых С о и где

15

7 1О

Q(m) -дефицит заряда íà i-том

1 накопительном конденсаторе 4 через m радиоимпульсов после скачкообразного изменения интенсивности излучения; !

1<. — коллекторный ток i-ro усилителя 5 тока;

Y „ — длительность радиоимпуль сов

1 . — ток генератора 11 стао бильного тока;

1, . — длительность тактовых . импульсов;

К.1 — коэффициент передачи на току 1-ro биполярного транзистора 6 в схеме с общей базой;

hQ„ - приращение заряда, образованного в I-òoì детекторе 2 при изменении ин46967 8 ной масштаб на фиг. 2 не соблюдается, диаграммы стилизованы) .

Огибающая последовательности импульсов на накопительных конденсаторах 4 (фиг. 2о) представляет собой дифференцированную с постоянной време. ни заряда конденсаторов 9 огибающую входной последовательности (фиг. 2а).

Уровень, к которому стремится переходный процесс, является темновым уровнем данного усилителя тока.

В момент подачи тактового импульса накопительные конденсаторы 4 заряжаются до максимума, этот заряд сохраняется до прихода радиоимпульса в цикле записи, затем происходит разряд на величину, равную сумме темнового уровня и приращения, пропорционального величине скачка входного сигнала, остаток заряда сохра,няется до прихода следующего тактово25 для этого случая изображена на фиг. 2д.

В установившемся режиме заряды, протекающие в коллекторных цепях усилителей 5 тока, равны заряду, про текающему через генератор 11 стабильного тока за время одного тактового импульса, и величины их не подвержены дрейфу, т.к.o(. практически не зависит от температуры окружающей сре35 ды, а величины io, (, могут быть тк сделаны достаточно стабильными.

Диаграммы отражают процессы, происходящие в различных узлах схемы

40 при скачкообразном изменении интенсивности излучения, поскольку предлагаемый мозаичный преобразователь не реагирует на стационарное или медленно изменяющееся распределение по45 токов излучений.

Для упрощения диаграммы после каждого скачка излучения и соответствующего ему изменения величины раэбаланса (фиг. 2а) показаны по три выборочных цикла записи и считыва50 ния — в момент скачка, в промежутке между скачками и в конце переходного процесса перед началом следующего скачка интенсивности излучения . При этом считается, что интервалы времени между скачками значительно больше постоянной времени заряда конденсаторов 9 (в этом отношении временряда диаграммы б и г несколько сдвигавт-< ся во времени ио сравнению с диаграммой а. полярности скачков на диаграмтенсивности излучения;

К. — коэффициент усиления эаj ряда i-го усилителя 5 тока.

Зависимость коллекторных токов

ro импульса в последующем цикле считывания и т.д.

На конденсаторах 9 огибающая последовательности импульсов представ" ляет собой интег и ован ю огибаюр р ну щую входной последовательности (фиг. 2а) за вычетом падения на переходах база-эмиттер биполярных транзисторов 6 (0,6-0,7 В) .,В момент прихода радиоимпульсов происходит заряд конденсаторов 9 эмиттерными токами усилителей 5 тока; при подаче тактового сигнала на эмиттерах относительно общего провода напряжение равно низкому уровню тактовых сигналов плюс напряжение открывания соответствующего диода 13 (0,6-0,7 В) и происходит разряд конденсаторов

9 стабильным током. Постепенно устанавливается равновесие между средним зарядом и средним разрядом, т.е. происходит. процесс адаптации.На выходном конденсаторе 15 огибающая выходной последовательности импульсов (фиг. 2г) повторяет огибающую последовательности на фиг. 2б и также представляет собой дифференцированную огибающую входной последовательности. За цикл считывания на выходной конденсатор 15 переносится инф рмация со всех измерительных ячеек, хотя на диаграмме для упрощения показан перенос только с какого-то одного канала. Ввиду дискретности процесса передачи дефицита эа9 10469 мах б и r противоположны знаку скачков на диаграмме а.

Дрейф и низкочастотные Флуктуации темновых уровней, вызываемые дрейфом параметров детекторов 2 а 5 усилителей 5 тока или наличием шумов вида f- устраняются тем, что . между эмнттером каждого усилителя У тока и общей шиной (диод 10 в цикле записи открыт током, вырабатываемым 10 генератором Il стабильного тока) включены конденсаторы 9, которые в в цикле записи (в течение действия радиоимпульса) заряжаются эмиттерными токами биполярных транзисторов 6, 15 а в цикле считывания разряжаются стабильным током генератора ll тока; После включения через время, равное нескольким постоянным времени заряда конденсаторов 9, устанавливается рав- 2О новесное состояние, когда средний заряд, накопленный на них за время радиоимпульсов, равен заряду, снимаемому с них за период радиоимпульсов, который не зависит от парамет- 25 ров детекторов 2 и элементов схемы.

Снимаемые с конденсаторов 9 заряды равны и стабильны, поскольку равны и стабильяа длительности тактовых импульсов, в течение которых через эти конденсаторы поочередно протекает один и тот же стабильный ток, вырабатываемый генератором Il. Темновые уровни в свою очередь создаются зарядами, протекающими в коллектор.35 ных цепях усилителей тока, а они через а жестко связанй с зарядами, протекающими в эмиттерных цепях, следовательно, разброс темновых уровней равен разбросу о ., среднеквадра- 40 тичное значение которого около 0,1Х

67 10, и менее (при 1 100), а сами значения M практически не подвержены дрейфу.

Введение диодов позволяет не ме.нее чем вдвое увеличить амплитуду полезных сигналов усилителей 5 тока и тем самым дополнительно улучшить соотношение полезных, сигналов и разброса темновых уровней на выходе преобразователя. Излучение изменяет проводимость детекторов 2, при этом модулируются по амплитуде как положительные, так и отрицательные полуволны высокочастотного разбаланса на выходе мостовых схем.

Отрицательные полуволны разбаланса открывают диоды 8, и балансировочные конденсаторы 3 заряжаются протекающим через них током, При этом на обкладках детекторов 2 и балансировочных конденсаторов.3:образуется плюс потенциала, равного амплитуде отрицательных полуволн разбаланса, а на других обкладках — минус. Лри положительных полуволнах диоды 8 закрываются этим потенциалом и íà ба зе биполярных транзисторов 6 амплитуда открывающего сигнала оказывается удвоенной, т.е. диоды 8 являются фиксирующими, и достигается эФФект, аналогичный двухполупериодному детектированию.

Таким образом, использование предлагаемого мозаичного преобразователя позволяет снизить разброс темновых уровней выходных сигналов, тем самым довести реапьную дозовую чувствительность преобразователя до

1,5 ° 16 1?/мин, при значительном увеличении надежности и ремонтопригодности °

1046967

1046967

Составитель В. Максимова

Редактор В. Петращ Техред И.Гайду Короектоо А.Лзятко

Заказ 7755/58 Тираж 677 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 1"1осква )К-35 Раушская наб. д, 4 5

Филиал ЛПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4