FAST FULSE RATIO CIRCUIT

Hardi Simadjaja

BATAN - PUSAT REAKTOR ATOM BANDUNG

Abstrak :

FAST PULSE RATIO CIRCUIT. Pembahasan sebuah fast pulse ratio circuityang sesuai untuk position sensitive radiation detector. Rangkaian mana dida­sarkan pada metoda konversi dari linear ke-Iogarithmik dengan memakai tigabuah Semi-conductor-diodes. Dengan mengalirkan arus yang tetap melalui di­oda-dioda ini pada keadaan quiescent state, pada prinsipnya rangkaian menjaditidak 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 + V YA B

Pembagi VA + VB adalah sebanding dengan energy yang disimpan pada sensi-tive volume dari lietector, maka ini sering kali disebut energy signal.

Dengan kemajuan-kemajuan t~rakhir dari position sensitive detector, banyakpenulis telah memperkembangkan bermacam-macam ratio circuit I ~ 5. Ini semuatermasuk pemakaian-pemakaian dioda-dioda dengan karakteristik tertentu, transisitor­transistor atau field effect transistor (FET), pulse-height to time conversion dan linearto 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 logarithmicdengan menggunakan semiconductor diode, dan design criteria adalah dynamic rangeyang 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 inputsignal diperkuat dan dijumlahkan untuk menghasilkan energy signal, VA + VB' yangmana adalah sebanding dengan energy dari radiasi yang diterima sensitive volume daridetector. Energy signal diteruskan ke single channel pulse-height analyzer (gain titik-ti­tik) yang mana terdiri dari pada "Fast pick off', "Variable Delay". "Gate", "Powerdiscriminator", "Upper discriminator dan dua buah "Uni-vibrator".

Ratio circuit (garis putus-putus) didesign untuk menghasilkan output voltage pul­

se yang sebanding dengan VA I (V + VB) dengan sampling time dapat diubah-ubah,yang dihasilkan oleh "Variable DeI'iy" circuit bila energy signal melalui single channel

pulse-height analyzer. Dioda-dioda D1dan D2 adalah element yang mengkonversikanlinear 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 103berturut-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 = (V A + V B) / R

)) : ( 1 ))

Bila arus-arus 11 ' 12 ' 10I dan 102 ada~ah cuku? .be~ar bila diband~ngka~ ?enganarus reserve saturation dari dioda, output voltage dari kedua operational amplifier Aldan 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 transistorQI0 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, olehoperational 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 olehVariable delay circuit.

Disini nyata sekali bahwa persamaan (7) tidak terdapat parameter-parameter yangsensitif terhadap perobahan temperature misalnya (KT/q) a(au reserves saturation currentdad 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 dibiasedoleh arus yang sangat besar pada keadaan quiscent state, untuk mensuppress noise bilatidak ada input signal.

Rangkaian lengkap dari Radio Circuit ditunjukkan pada gambar 2. Epitalial plannersilicon 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-tahananRI ' R2 da'n R3 berturutan.

Switching transistor, QI dan Q2' harus mempunyai ICBO cukup kecil bila diban­dingkan dengan input signal 11 dan 12 .

Dioda-dioda DI dan D2 harus matched pair untuk mendapatkan performance yangbaik.

3. Performance.

Performance test dilakukan dengan memakai special designed double pulse genera­tor dan sebuah 200 channel pulse height analyzer. Generator pulsa dikontrol oleh sebuahprecision mercury pulser, dan menghasilkan sebuah pair pulse yang mempunyai bentukpulsa 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 terminalamplifier.

Single channel pulse-height analyzer diset pad a posisi paling lebar. Dan gain dadamplifier 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 voltagerange dad 20 sid 420 mV, dan untuk temperature range OoC sid 500C, kecuali untuk 20mV pada OoC.

Rise time dari output operational amplifier A4 adalah sebagai fungsi dari pada in­

put voltage; dan ini berkisar antara 0.5 ,u sec untuk pulsa yang terkecil sampai dengan0.1 IU sec untuk pulsa yang terbesar palla dynamic range yang dapat dipakai.

Performance untuk high count rate telah dicoba dengan memakai random pulsedari 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, Radioisotopes (Tokyo) 20, (1971).

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).

OUTPUT

(CHANNELS)

100

50

10

A+B = IOOmY

AT 200 C

o 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9. 1.0

INPUT RADTIO : A/(A + B )160 Gambar 3.

o 20 50 100 200

I N PUT: A + B (mV)Gambar-4-

500

161

A+B = 50mY A + B=100mY A + B= 420mY

I

A/(A +B)

1.0A/(A + B)

1.0A/(A + B)1.0.

...0 . -0.9

0.9. 0.9...· . >0. -

0.8.0.8·0.8

0

.....-'--- .·0.7.

0.7. 0.7

I •0 ...... .-

0.6.0.6·0.6

0

.... ... ,. -0.5.

· 0.5. 0.5· .. r .0,

. . 0.4.· .0.4· 0.4

.0.. ·. . -. 0.3. 0.3· 0.3

0

. ··.~ • ··.

.0.2,0.2· ·0.2. 0, .-

0.1.

O~l0.1. .0. .•..• -.

0.0 0.00.0. ..-. . ·. ··

-0'\tv

150

100/"-.tI)....<

J.L1

ZZ<D'-"f-< 50;J;:...f-<;Jo

oo 10 20 30 40 50 o 10 20

Fig. 5.

30 40 50 o 10 20 30 40 50

TEMPERATlJR tC:>

r - - - ~. - - - _

.: "" "" .........................................................••

I RATIO ~ ~ .f2'\', I" .

:CIRCllI; ~ .• "~~:: D, .~t-r~~t~:I -=- ~-1 ; l/

I II' I L-/",v-1-'-"-- R -- liT Jt:~~ I R, I

'--.---.'''':rr~1.o-1...~ - I ~'.• .• 1. __~-II .R !oz/r;...f2V T AV3r~:OJl Q:o . ~ ILlNeAR~OUT~J1,.~t<2 .~ I GATE !

r~:- .v. IJr' ~:S>-L~ .~r-L~I I~~.~~~~P. ~ t.\~ ~ I. I • 2 ~

VI . ~ II .: •• 1 •••••.•••.••.•.•. -l t ••••••• :

r I ~I- I ~

GATE r·~VIBR.4TORi

. l(O.5us) ION OFF ~~'-~

UNI-VIBRATOR .--

( 3}.1 S ) SINGLE CHAN NELPULSE-HEIGHTANALYZER•...•

0\W

INPUT

EXTERNALTRIGGERINPUT

@

YUPPERDISC.

- - - -I

TRIGGER

INPUT