Схема на Рисунке 1 содержит PIN-фотодиод, регистрирующий отдельные фотоны гамма-излучения. При обратном смещении фотодиода иногда создается область обеднения. Когда такой фотон попадает в эту обедненную область, возникает небольшой заряд. Величина этого заряда пропорциональна энергии фотона. Четыре усилителя, следующие за PIN-фотодиодом, усиливают и фильтруют результирующий сигнал. Оконечный компаратор разделяет сигнал и шум. Таким образом, на выходе компаратора образуется положительный импульс каждый раз, когда на фотодиод попадает гамма-фотон с достаточной энергией. Небольшие уровни сигналов делают создание этой конструкции интересной задачей. Для этого требуется схема с очень низким уровнем шумов, поскольку заряды, генерируемые отдельными гамма-фотонами, очень малы, и снижение общего уровня шума позволяет схеме обнаруживать гамма-фотоны с меньшей энергией. Особое внимание следует уделить первому каскаду, наиболее критичному с точки зрения шумов.
Наиболее важным компонентом является PIN-фотодиод, выбор которого часто сопряжен с противоречивыми соображениями. Чувствительность детектора (количество фотонов, обнаруживаемых в данном поле излучения), например, зависит от размера обедненной области, который, в свою очередь, зависит от площади диода и обратного смещения, приложенного к диоду. Поэтому, чтобы максимально увеличить чувствительность, нужно выбрать детектор большой площади с высоким напряжением обратного смещения. Детекторы большой площади, как правило, имеют большую емкость, что увеличивает шумовое усиление схемы. Аналогично, высокое напряжение смещения означает высокий ток утечки. Ток утечки также создает шум. В схеме на Рисунке 1 использован PIN-фотодиод QSE773. Хотя этот фотодиод легкодоступен и недорог, возможно, это не оптимальный выбор. В этом приложении могут хорошо работать некоторые PIN-диоды компании Hamamatsu. Выбор детектора с емкостью от 25 до 50 пФ при приложенном обратном смещении обеспечивает хороший компромисс между чувствительностью и шумом.
 | |
| Рисунок 1. | Когда одиночные гамма-фотоны с достаточной энергией попадают на PIN-фотодиод в этой схеме, на выходе компаратора возникают положительные импульсы. |
Важные факторы, которые необходимо учитывать при выборе операционного усилителя для первого каскада, включают шум входного напряжения, шум входного тока и входную емкость. Шум входного тока находится непосредственно в сигнальном тракте, поэтому операционный усилитель должен свести этот параметр к минимуму. Необходимы операционные усилители с полевыми транзисторами на входах или КМОП. Кроме того, если возможно, входная емкость операционного усилителя должна быть меньше, чем у PIN-фотодиода. При использовании высококачественного PIN-фотодиода и операционного усилителя с низким токовым шумом и при внимательном отношении к конструкции схемы ограничивающим фактором для шума должен быть шум входного напряжения операционного усилителя первого каскада, умноженный на общую емкость инвертирующего узла операционного усилителя. Эта емкость включает в себя емкость PIN-фотодиода, входную емкость операционного усилителя и емкость конденсатора обратной связи C1. Таким образом, чтобы свести к минимуму шумы схемы, нужно минимизировать шум входного напряжения операционного усилителя. Для этой схемы хорошо подходит операционный усилитель MAX4477 (IC1A). Он имеет незначительный шум входного тока и низкий шум входного напряжения, значение которого в диапазоне критических частот от 10 до 200 кГц меняется от 3.5 до 4.5 нВ/√Гц. Его входная емкость составляет 10 пФ.
R1 и R2 вносят одинаковый вклад в шум, поскольку они находятся непосредственно на пути прохождения сигнала. Токовый шум резистора обратно пропорционален квадратному корню из сопротивления, поэтому следует использовать резисторы c максимальными сопротивлениями, которые допустимы для схемы. Однако нужно иметь в виду, что токи утечки PIN-диода и операционного усилителя первого каскада накладывают практическое ограничение на то, насколько большим может быть это сопротивление. Максимальный ток утечки микросхемы MAX4477 составляет всего 150 пА, поэтому сопротивление резистора R2 может быть намного больше показанных на схеме 10 МОм. R1 также может быть значительно больше, если в схеме используется высококачественный PIN-фотодиод. C1 влияет на усиление схемы, и меньшие значения емкости улучшают как шумы, так и коэффициент усиления. Чтобы коэффициент усиления не менялся с температурой, необходимо использовать конденсатор с низким температурным коэффициентом емкости. Величина этой емкости также влияет на требования к произведению коэффициента усиления на полосу пропускания операционного усилителя. Меньшие значения емкости требуют большего произведения коэффициента усиления на полосу пропускания.
 | |
| Рисунок 2. | Осциллограммы показывают сигнал в Контрольной точке 1 схемы на Рисунке 1 (верхняя кривая), когда гамма-фотон попадает на PIN-фотодиод, и результирующий выходной сигнал компаратора (нижняя кривая). |
Чтобы убедиться, что схема измеряет гамма-излучение, а не свет, накройте PIN-фотодиод непрозрачным материалом. Чтобы защитить схему от излучения электрической сети, компьютерных мониторов и других посторонних источников, обязательно экранируйте ее заземленным корпусом. Проверить схему можно с помощью недорогого детектора дыма. В детекторах дыма ионизирующего типа используется америций 241, который излучает гамма-фотоны с энергией 60 кэВ. (Более дорогие фотоэлектрические детекторы дыма не содержат америция). Энергия 60 кэВ близка к шумовому порогу схемы, но гамма-фотон должен быть обнаружен. Осциллограмма на Рисунке 2 показывает типичный результат воздействия гамма-фотона. Верхняя кривая соответствует сигналу в Контрольной точке 1, а внизу – выходной сигнал компаратора. Возможным усовершенствованием была бы замена конденсатора C1 на конденсатор с цифровой подстройкой, такой как MAX1474, который позволит программировать коэффициент усиления схемы. Точно так же замена механического потенциометра цифровым потенциометром, таким как MAX5403, позволила бы осуществлять цифровую регулировку порога компаратора. Наконец, подключение неинвертирующего входа компаратора к источнику опорного напряжения вместо шины питания 5 В улучшит стабильность порога компаратора.