Uniwersytet Jagielloński poszukuje inwestora

Przedwzmacniacz przeznaczony jest do współpracy z detektorem cząstek jonizujących (np. cząstek elementarnych, promieniowania gamma lub X). Sensory te wykrywają je na podstawie pomiaru ładunku w ośrodku, który wypełnia detektor. Stosowane są detektory stałociałowe (detektor półprzewodnikowy), jak i ciekłe i gazowe. Obecnie w zastosowaniach medycznych coraz częściej stosuje się wielodetektorowe systemy gazowe.

Najdokładniejszą elektroniczną metodą pomiaru ładunku jest jego przeniesienie na pojemność sprzęgającą przedwzmacniacza ładunkowego. Do tego celu wykorzystuje się pojawienie się wielkiej pojemności dynamicznej na wejściu przedwzmacniacza, która jest wynikiem efektu Millera. Tak więc wejście przedwzmacniacza jest podłączone równolegle do określonego, mierzącego generowany ładunek, detektora. W ten sposób, w przypadku silnych zmian napięcia na detektorze, współpracujący z nim układ elektroniczny staje się narażony na przeciążenie i uszkodzenie.

Zmiany napięcia na detektorze mogą mieć wiele przyczyn. Najczęstsze to uszkodzenie zasilacza wysokiego napięcia, bądź zmiana warunków pracy detektora, np. spadek ciśnienia gazu i zachodzące w konsekwencji wyładowanie. Takie zmiany, w przypadku braku zabezpieczeń w układach elektronicznych z reguły doprowadzają do uszkodzenia, bądź zniszczenia kosztownych układów elektronicznych. Z tego powodu stosuje się różne zabezpieczenia. Niestety ich dodanie do czułych obwodów wejściowych powoduje z reguły psucie własności metrologicznych układu, na przykład wzrost szumów pogarszający dokładność pomiaru.

Innowacyjna ochrona

Opracowany układ przedwzmacniacza ładunkowego, dzięki zastosowanym rozwiązaniom, ma skutecznie zabezpieczone wejście przez udarem napięciowym, a zarazem może poprawić jej własności (lepszy stosunek sygnał-szum, większe wzmocnienie). Zastosowanie rozwiązania pozwala na nową metodę rozładowania pojemności sprzężenia zwrotnego co jest bardzo istotne w superniskoszumiących detektorach promieniowania X stosowanych np. przy badaniu składu powierzchni różnych materiałów.

Unikalne cechy tego rozwiązania to:
• zdolność do samozabezpieczania wejścia wzmacniacza przed wyładowaniem w detektorze. Jest to szczególnie istotne w systemach detektorowych stosowanych zarówno w układach eksperymentalnych, jak i komercyjnych (np. w medycynie urządzenia prześwietlające). Dotychczasowe układy albo takich zabezpieczeń nie posiadają, albo są w nie wyposażone dodatkowo.
• zastosowanie rozwiązania poprawia parametry urządzenia - zwiększa jego wzmocnienie, a dla większych pojemności detektorów poprawia stosunek sygnał/szum zamiast pogarszać te parametry,
• w przedstawionym rozwiązaniu możliwa jest nowa metoda rozładowania pojemności sprzęgającej - rozładowanie przez źródło,
• układ może zostać zaimplementowany w chipie,
• odejście od zerowej wartości prądu pozwala na rozładowanie pojemności C_f ze gromadzonego ładunku o dowolnym znaku ze stałą czasową, która może osiągnąć nawet kilka minut. I tak np. niska dolna częstotliwość układu wraz z bardzo dobrymi własnościami szumowymi umożliwiają np. rejestrację sygnału EKG przy zastosowaniu sondy pojemnościowej (bez jej kontaktu z ciałem pacjenta),
• układ umożliwia ekstremalnie czułe pomiary ładunku generowanego tak w układach biologicznych jak i w innego rodzaju sondach pomiarowych przy doskonałych własnościach szumowych i dużej oporności wejściowej rzędu 10¹²-10¹³ Ω. Układ przy zachowaniu swych własności ma wejście układ w pełni zabezpieczone przed przepięciami i mogącym się pojawić przypadkowo ładunkiem elektrostatycznym.

Układ do gromadzenia i pomiaru wolnozmiennego ładunku elektrycznego

Drugie opracowanie dotyczy układu do gromadzenia i pomiaru wolnozmiennego ładunku elektrycznego, zwłaszcza ładunku indukowanego poprzez pole o bardzo niskiej częstotliwości. Wykorzystuje on unikalny sposób pomiaru ładunku elektrycznego z detektorem pojemnościowym przyłączonym do integratora ładunku będącego wzmacniaczem operacyjnym z pojemnościowym sprzężeniem zwrotnym.

Stopień wejściowy integratora zawiera parę komplementarną typu JFET, których bramki przyłączone są do wejścia integratora tak, że tranzystor typu n z pary komplementarnych tranzystorów ma dren podłączony układem regulującym napięcie, który to układ reguluje się tak by prąd bramki tranzystora typu p był równy prądowi bramki tranzystora typu n. Pomiar ładunku elektrycznego w takim układzie tego typu polega na przeniesieniu ładunku zebranego w układzie detektora na wzorcową pojemność układu sprzężenia zwrotnego i odczytaniu napięcia na tej pojemności. Dołączone do wejścia złącza tranzystorów typu JFET stanowią dwie antyrównolegle połączone diody realizujący klasyczny układ zabezpieczający przed pojawieniem się zbyt wysokiego impulsu napięciowego. Jednocześnie układ równoważenia prądów bramki pozwala na uzyskanie dużej oporności wejścia układu i praktyczny brak prądu ładowania pojemności C_f ze strony prądów bramek tranzystorów JFET.

Unikalne cechy tego rozwiązania to:
• układ może być stosowany do pomiaru bardzo wolno indukowanego ładunku, dzięki kompensacji spoczynkowych prądów wejściowych integratora (wówczas oporność wejściowa układu dąży do nieskończoności),
• układ znajduje szerokie zastosowanie w badaniach naukowych, medycznych i przemysłowych, dzięki temu, że wejście układu jest zabezpieczone przed przebiciami i pojawieniem się stosunkowo dużych sygnałów ładunkowych,
• zastosowanie układu w standardowych sytuacjach, jak również w sytuacjach, w których ładunek gromadzony jest stosunkowo powoli - przykładowo w procesie jego indukowania trwającym nawet przez kilka lub kilkadziesiąt sekund.

Duży potencjał rynkowy

Opisane układy mogą być użyte jako tzw. analog front end detektorów promieniowania X, gamma, alfa oraz beta między innymi w sprzęcie medycznym (aparaty rentgenowskie, mammografy, CT, SPECT, PET), militarnym (wykrywanie i identyfikacja izotopów), przemysłowym (pomiary grubości produkowanych folii czy taśm) oraz w ochronie radiologicznej. Jedną z ich głównych zalet jest duża czułość, co zwiększa potencjał komercyjny urządzenia. Innym potencjalnym kierunkiem komercjalizacji wynalazku jest jego zastosowanie w superniskoszumnych detektorach promieniowania X, stosowanych np. przy badaniu składu powierzchni różnych materiałów. Innymi bardzo czułymi urządzeniami, w których można zastosować opisane układy, są bramki radiometryczne, montowane na lotniskach, wysypiskach śmieci oraz innych instytucjach narażonych na kontakt z promieniowaniem.

Rozwiązania zostały zgłoszone do ochrony patentowej w trybie międzynarodowym. Pierwsze z nich uzyskało już patent w Stanach Zjednoczonych.

Uniwersytet Jagielloński
Centrum Transferu Technologii CITTRU
www.sciencemarket.pl