FAST FULSE RATIO CIRCUIT Hardi Simadjaja BATAN - PUSAT REAKTOR ATOM BANDUNG Abstrak
:
FAST PULSE RATIO CIRCUIT. Pembahasan sebuah fast pulse ratio circuit yang sesuai untuk position sensitive radiation detector. Rangkaian mana didasarkan pada metoda konversi dari linear ke-Iogarithmik dengan memakai tiga buah Semi-conductor-diodes. Dengan mengalirkan arus yang tetap melalui dioda-dioda ini pada keadaan quiescent state, pada prinsipnya rangkaian menjadi tidak tergantung kepada temperatur. Ketepatan daripada rangkaian adalah kurang dari~ 1.570 pad a full scale untuk input voltage range 20 sid 420 mV pada temperatur antara OOCsid 50oC. I.
Pendahuluan : Banyak dari position sensitive radiation detector menghasiJkan 2 buah energi
• dependent position signals, VA dan VB dan energy indenpcnifent position information didapat dengan mengambil, VA/(V A + VBY Pembagi VA + VB adalah sebanding dengan energy yang disimpan pada sensitive volume dari lietector, maka ini sering kali disebut energy signal. Dengan kemajuan-kemajuan t~rakhir dari position sensitive detector, banyak penulis telah memperkembangkan bermacam-macam ratio circuit I ~ 5. Ini semua termasuk pemakaian-pemakaian dioda-dioda dengan karakteristik tertentu, transisitortransistor atau field effect transistor (FET), pulse-height to time conversion dan linear to logarithmic conversion. Kertas karya ini membahas sebuah ratio circuit yang untuk dipakai bersama dengan position sensitive proportional counters untuk "f atau X rays, dimana diperlukan satu dynamic range yang besar dari energy signal. Prinsip dari pada circuit adalah didasarkan atas konversi linear ke logarithmic dengan menggunakan semiconductor diode, dan design criteria adalah dynamic range yang luas, response yang cepat, temperatur dependency yang kecil dan waktu sampling yang variable.
2.
Prinsip dari rangkaian yang dipakai.
Block diagram dari seluruh system ditunjukkan pada gambar 1. Dua buah input signal diperkuat dan dijumlahkan untuk menghasilkan energy signal, VA + VB' yang mana adalah sebanding dengan energy dari radiasi yang diterima sensitive volume dari detector. Energy signal diteruskan ke single channel pulse-height analyzer (gain titik-titik) yang mana terdiri dari pada "Fast pick off', "Variable Delay". "Gate", "Power discriminator", "Upper discriminator dan dua buah "Uni-vibrator". Ratio circuit (garis putus-putus) didesign untuk menghasilkan output voltage pul(V + VB) dengan sampling timemelalui dapat single diubah-ubah, se yang sebandingoleh dengan VA I DeI'iy" yang dihasilkan "Variable circuit bila energy signal channel pulse-height analyzer. Dioda-dioda D 1 dan D2 adalah element yang mengkonversikan linear ke logarithmic, dan dioda D3 adalah element yang mengkonversikan kembali logarithmic ke-linear. Dio~a-dioda mi dibias dengan arus yang konstant, 101' 102 dan 103 berturut-turut, pada quelscent state. 157
Bila suatu energy signal melampaui lower discriminator level, satu negative recta-
~!~!rd~~] ~~~nij]l®J~[~Ll~i~n~'~)! ~t~!I!~m~ ~:l~il:li:::]~:::~~::Dengan adanya operational amplifier Al dan
A2.
)
11 = (2 VA +VB)/R
) :
12 =
( 1 )
)
(V A + V B) / R
Bila arus-arus 11 ' 12 ' 10I dan 102 ada~ah cuku? .be~ar bila diband~ngka~ ?engan arus reserve saturation dari dioda, output voltage dari kedua operational amplifier Al dan A2 dapat ditulis sbb .. VI = (KT/q) log (II /101)
(2)
V2 = (KT/q) log (12/102)
(3)
pada mana : q adalah muatan electron, T adalah temperature dalam Kelvin. k
adalah Boltman constant.
Pada waktu yang bersamaan, differential operational amplifier A3 dan transistor QI0 mengalirkan arus 13 melalui D3 ' maka terjadilah relasi sbb.: •
b.V2
;
(4)
dim ana b. V3 adalah perobahan tegangan pada kedua ujung D3' Karena dioda
D3 dibiased oleh arus yang konstan, maka terjadilah relasi sbb.:
V 3 = ( kT/q ) log
( 13 + 103 ) /1°3
(5)
dari persamaan (2) dan (5) didapat 10.,
I,
13 = (--<- -..i - 1 ) 103 10 I 12 " Perobahan arus yang melalui D3 diconvert menjadi voltage output, V Out, oleh operational amplifier A4' " Output voltage dapat diturunkan dari persamaan:
pad a mana:
a
= 1°2/1°1
Bila harga "a lebih besar daripada satu, V out menjadi positip untuk semua kombinasi dari VA dan VB' ..158
· Selanjutnya output voltage digate oleh 0.5 ,u sec rectangular pulse dari single channel pulse height analyzer. Sampling time dapat diubah-ubah antara 0.5 sid 3.0 IU sec oleh Variable delay circuit. Disini nyata sekali bahwa persamaan (7) tidak terdapat parameter-parameter yang sensitif terhadap perobahan temperature misalnya (KT/q) a(au reserves saturation current dad diode, maka rangkaian ini pada prinsipnya, tidak menunjukkan tergantungnya terhadap temperature, asalkan ketiga buah dioda berada pada temperature yang sarna. Juga perlu diketengahkan disini bahwa ketiga buah logarithmic element dibiased oleh arus yang sangat besar pada keadaan quiscent state, untuk mensuppress noise bila tidak ada input signal. Rangkaian lengkap dari Radio Circuit ditunjukkan pada gambar 2. Epitalial planner silicon transistor, 2SC460, bersamaan dengan dioda dipakai sebagai logarithmic elements, sebab transistor jenis ini mempunyai logarithmic characteristic yang lebih baik bila dibandingkan dengan dioda-dioda biasa (6). Arus bias dari ketiga buah logarithmic element ditentukan oleh tahanan-tahanan RI ' R2 da'n R3 berturutan. Switching transistor, QI dan Q2' harus mempunyai ICBO cukup kecil bila dibandingkan dengan input signal 11 dan 12 . baik. 3.
Dioda-dioda DI dan D2 harus matched pair untuk mendapatkan performance yang Performance.
Performance test dilakukan dengan memakai special designed double pulse generator dan sebuah 200 channel pulse height analyzer. Generator pulsa dikontrol oleh sebuah precision mercury pulser, dan menghasilkan sebuah pair pulse yang mempunyai bentuk pulsa sarna seperti yang berasal dad mercury pulser. Ratio dari amplitudo dapat diubah-ubah dalam 10 step, dengan menjagajumlah amplitudonya sarna dengan amplitudo pulsa-pulsa yang berasal dad mercury pulser. Linearity, dynamic range dan temperature dependency dapat dilihat pada gambargambar 3, 4 dan 5 berturutan. A dan B pada gambar menunjukkan tinggi puisa dari signal pada input terminal amplifier. Single channel pulse-height analyzer diset pad a posisi paling lebar. Dan gain dad amplifier kira-kira 10. Garis nyata (tidak putus-putus) pada gambar-gambar ini menunjukkan karaktedstik ideal. Perobahan dari keadaan ideal adalah 1.5% dari full scale untuk input voltage range dad 20 sid 420 mV, dan untuk temperature range OoC sid 500C, kecuali untuk 20 mV pada OoC. Rise time dari output operational amplifier A4 adalah sebagai fungsi dari pada input voltage; dan ini berkisar antara 0.5 ,u sec untuk pulsa yang terkecil sampai dengan
0.1 IU sec untuk pulsa yang terbesar palla dynamic range yang dapat dipakai.
Performance untuk high count rate telah dicoba dengan memakai random pulse dari scintillation detector. Tinggi pulsa output dari ratio circuit ini menurun 1.5%, 2% 3% dan 4% pada 15,20, 35 dan 60 Keps berturutan.
159
Reference:
1.
G.L. Millez and E.A. Gere. IEEE. trans. NS - 11. (3) 1964. 382.
2.
W.R. Kuhlmann and B.Scirumer, Nucl. Inst. Meth. 40 (I 966) 113.
3.
A. Doehring, S.Kalbitzer, W.Nelzer and W.Stumpfi Nucl. Inst. Meth. 40 (1969). 42.
4.
D.J. Herrell. J. Sci. Instr. Series 2, 1, (1968).
5.
S. Hakamoto,
6.
G.E. Platzer, Electronics 39 (7) April 4, (1966).109.
7.
E.Tanaka. Hardi S., M.Yamanoto. "A Fast Ratio Circuit" Nucl. Inst. and Meth. (1973).
Radioisotopes (Tokyo) 20, (1971).
OUTPUT (CHANNELS)
= IOOmY
A+B AT
200 C
100
50
10 o 160
0.1
0.2
0.3 Gambar
0.4
0.5 3.
0.6 0.7 0.8 0.9. INPUT RADTIO : A/(A + B )
1.0
o
20
50
100 I N PUT:
200
500
A + B (mV)
Gambar-4-
161
0'\
tv
0.4-'--0.5 0.2 0.7 0.5+. + 0.6 0.4 . -mY 0.2, -.· .··..+·AA/(A .. -· 0.4. -· 0.8 .-· . 0.0 .100 . B)0.3 .~.mY B + =mY 0.7 A A/(A B·+ B 0.8 0.6 0.3 O~l 0.2 0.9 50 0.3. B) ··== .·.,420 · B)0.0 ·.1.0 0.1 1.0 1.0 0000
·
>
•r•0, •
0
A
A/(A
+
10
20
30
0
.
-
-
150
100
/"-. tI) ....< J.L1
Z Z
< D '-" f-<
;J ;:...
50
f-<
;J
o o
o
40
50
o
10
Fig.
20
5.
30
40
50
o
10
20
30
40
TEMPERATlJR
50
tC:>
r -
-
-
~. -
I RATIO INPUT
-=-
:CIRCllI;
I
~ .• "~~::
II'
R
liT
--
I
I : ••
~.
1 •••••.•••.••.•.•.
.f2'\'
.~t-r~~t~: L-/",v-1-'
~-1
; l/
D,
Jt:~~I
I 1.
!oz/r;...f2V
,.~t<2
.~
r~:-
I
~-II .
__ ~'.Q:o
AV3r~:OJl
.v.
~
VI
2
.
UNIVIBRATOR
@
W
( 3}.1 S )
.
:
ILlNeAR~OUT~J1 GATE !
~.
I t •••••••
I
ON
INPUT
~
I
~
-l
EXTERNAL TRIGGER
0\
I.
IJr' ~:S>-L
r
•...•
I
R,
.~r-L~I I~~.~~~~ t.\~ ~
~
P.•
- - - -I
_
'--.---.'''':rr~ 1.o-1...~ T • R.•
.
-
, I"~
I -"--
-
DISC. YUPPER ""
""
.
OFF
GATE .--
~I-
r·~
l(O.5us) ~~'-~
I I
VIBR.4TORi
SINGLE CHAN NEL PULSE-HEIGHT ANALYZER
.........................................................••
:
~
TRIGGER INPUT
