Circuit de coincidence a diodes tunnel

NUCLEAR

INSTRUMENTS

AND METHODS

14 (1961) 205-208; N O R T H - H O L L A N D

PUBLISHING

CO.

CIRCUIT DE COINCIDENCE A DIODES TUNNEL S. GORODETZKY, A. MUSER, J. ZEN et R. ARMBRUSTER I~tstitut de Recherches Nucl~aires, Strasbourg, France

ReQu le 9 Aofit 1961 A fast coincidence circuit with amplitude discriminator using tunnel diodes is described. The resolving time of 5 nanoseconds is obtained. The threshold of the circuit is adj ustable from some

tens millivolts to one volt. The operating range may be extended to 10 volts.

La plupart des circuits de coincidence rapides utilis6s sont des circuits d'addition. Des impulsions d'amplitude et de dur6e constantes sont envoydes dans un 6tage mdlangeur. Un discriminateur plac6 en aval du m61angeur permet d'extraire les signaux en coincidence.

ment totalement diff~rent. La dur6e de ses impulsions ddpend principalemeat des 616ments passifs L et r ainsi que de l'6nergie de l'impulsion d'attaque et ne d6pend pratiquement pas de la capacitd parasite C. Le circuit est polaris~ exactement comme le multivibrateur ddclench6 en un point stable A (IR, V~) fig. 3. Une impulsion de courant d'amplitude I c = I p - I R d6place quasi instantandment le point de fonctionnement en B. Le basculement de la diode tunnel 6tablit un courant dans

1. Description des circuits de mise en forme Nous avons ddcrit, dans un premier article paraitre clans Nuclear Instruments; un circuit de impulsion

[

L quelconque [

Pr°ducti°n

[

Production de durae constante

d'amplitude . . . . tante

[

I Impulsion [ standard

Fig. 1. Principe de la raise en forme des signaux.

mise en forme dont le principe est donn6 par le diagramme fonctionnel de la figure 1. Les triggers 6metteut des impulsions k amplitude constante. Ils soat constitu~s d'un quadripole en L comprenant darts la branche s6rie une r6sistance R et dans la branche parall~le la diode tunnel. Ce circuit simple et stable est d6clench6 par des signaux d'amplitude de queiques volts. I1 s'est avdr~ n~cessaire de mettre au point un circuit analogue plus sensible qui rdp0nd k des signaux de quelques dizaines de millivolts d'amplitude. Un circuit multivibrateur monostable ~ diodes tunnel classique (fig. 2) a permis d'atteindre des performances int6ressantes en sensibilitd. Nous remarquons l'identit6 de la dispositions des didmeats avec celle du multivibrateur d~clench~, d6crit dans notre premier article. Cependant les valeurs des 616meats lui conf~rent un fonctionne205

l'inductance L. L'augmentation du courant dans celle-ci diminue le courant diode et le point de fonctionnement se d6place de B vers C. Une fois le

Ic

DT

: :

L

I

R

I

-

0

Fig. 2. Multivibrateur monostable.

point C atteint, le circuit revient ~t sont dtat initial en passant par le point D. En placant le point A pros du point P nous pouvons rendre le circuit tr~s sensible. Le seuil de

206

S.

GORODETZKY, A.

M U S E R , J. Z E N E T R. A R M B R U S T E R

d6clenchement est donc conditionn4 p a r l'emplacem e n t du point A sur la caract4ristique statique de la diode tunnel.

Ip

; .P

2. Description du circuit de coincidences .................

F

1

B '

i

IR

Pour la production d ' u n e impulsion de dur4e constante, nous utilisons & nouveau u n multiv i b r a t e u r d4clench6.

I i

i

--,K. . . .

~

I

i

1 vR Vp

vB vF

Fig. 3. F o n c t i o n n e m e n t du inonostable.

Le seuil, c'est ~ dire l'impulsion de c o m m a n d e m i n i m u m n6cessaire pour d6clencher le monostable est d6termin6 par le courant

Le circuit de coincidences est constitu6 p a r un m o n t a g e m o n o s t a b l e classique d6crit ci-dessus c o m p r e n a n t deux ou plusieurs r6sistances s6ries d'entr6e s u i v a n t le h o m b r e de voies de coincidences. On a t t a q u e ce circuit m61angeur p a r les impulsions s t a n d a r d s issues des m u l t i v i b r a t e u r s d6clench6s. La polarisation du circuit est telle, q u ' u n e impulsion seule n ' a r r i v e pas ~ ddclencher le circuit ; p a r contre deux impulsions simultandes s ' a d d i t i o n n e n t et font basculer le montage. Une impulsion s t a n d a r d est alors 6raise. Les impulsions s t a n d a r d s a y a n t u n temps de mont6e et de descente non ndgligeable, la polarisation de la diode t u n n e l conditionne le t e m p s de r6solution. La figure 4 indique les difffrentes

[C min ~ I p -- ] R '

Si le point de polarisation varie d ' u n e q u a n t i t 4 et en a d m e t t a n t que le point P reste stable on obtiendra une v a r a i t i o n du seuil de

AI R

n

I l i ) I p - - I N faible

[ A I c mi,, [ = i a l I Fig. 4. Courbes de r6solution en fonction de la polarisation.

AIc min Ic ml.

AIR

AIR IR

-- ] c rain

IR X [C rain

La v a r i a t i o n relative du seuil est donc 6gale k celle de la polarisation multipli6e p a r le r a p p o r t

courbes de rdsolution que l'on obtient suivant la polarisation de la diode t u n n e l en t e n a n t compte des fluctuations de temps introduites p a r les d4tecteurs. 3. R6sultats exp6rimentaux

Ia/Ic

,.~. .

P a r exemple: pour JR.=

10Ic

~i~

ou encore 10 JR = 1 1 / P

la stabilit6 du seuil est 10 fois plus faible que la stabilitd du courant de polarisation.

Le m o n t a g e a 6t6 6tudi4 ~ l'aide de p h o t o m u l t i plicateurs RCA 6342 A et d ' u n e source de 22Na en utilisant diff6rents scintillateurs. L'ensemble du circuit de coincidence est donn6 p a r le schdma fig. 5. Celui-ci est sensible/~ quelques dizaines de millivolts, le seuil pent 6tre r6gld j usqu'5 1.3 volts, et les impulsions d'entrde p e u v e n t a t t e i n d r e 10 V. La figure 6 repr6sente les trois courbes de r6solution suivantes : a. Les signaux de coincidence artificielle o b t e n n s

CIRCUIT

DE

COINCIDENCE

A DIODES

TUNNEL

207

M ultivibroteur men ostob/e V

IF

• ,oooo =

IT.

.

d 6clench~ . . . . .

.

~-,.,;~Zi_!o,o ~,o,_ T

.

,o~

t t00 .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. . . . . . . . . . . . IVe~

/

I\/I

IL

h

. . . . . .

k

iI

:0oo

q F.

.

.

J SOpF

T 0~

.

.

k,k k koko

.

~

"~03HH 10000

'

loooo

100oo

!oOGC f

I : TRAN.gSTOR 2N39~ , MASSE

F i g . 5. C i r c u i t d e c o i n c i d e n c e ~ d i o d e t u n n e l .

Nombre de coincidences

I\

Nombre de coincjdencls

a) m i 8 ~ aztificiels

\

b) acintLllateura plamtiq.es c cin' a . r

2

-50

i -~0

-30 -20

-

al I bl~ -lO

10

20

30 Z.O 50 nanossc

F i g . 6. C o u r b e s d e r 6 s o l u t i o n .

OeloT 1,

i

-20 -~'o

~o

2'o ~o

Lo

so

so

?o

~o

F i g . 7. C o u r b e s d e r 6 s o l u t i o n .

~o

~oo oo.~,~

208

S. G O R O D E T Z K Y ,

A. M U S E R ,

l'aide d'un g6n~rateur k relais de mercure Tektronix 108. b. Les signaux de coi'ncidence obtenus k l'aide de scintiUateurs plastiques. c. Les signaux de coincidence obtenus ~ l'aide de scintillateurs NaI. Les seuils des circuits d'entr6e sont plac6s 16g~rement au-dessus du bruit. Dans le tracd de la courbe de resolution de la figure 7, on remarque one bosse situ~e ~ 70 nanosecondes du sommet de la courbe. Des mesures effectu6es ~ un analyseur d'amplitude multicanaux ont montr6 que ces coincidences sont dues au m61ange des impulsions provenant des rayonnements gamma de 1.28 MeV detect6s par le cristal NaI, avec les impulsions des rayonnements gamma de 511 keV d6tect6s par le scintillateur plastique. Pour conserver un bon temps de r6solution avec seuil sur une voie rapide, il est n6cessaire d'attaquer le circuit par des impulsions k mont6e rapide (figure 8).

J. Z E N

E T R. A R M B R U S T E R

b Nombre

de ¢oincldencls

~¢in~Ll~teura ptsat~qse| seull de d~©l~chem©nt r~gl~ e

deux

i

D~lei 60

5O

LO

30

2O

lO

Fig. 8. Courbes de resolution.

Fig. 9. P h o t o g r a p h i e s du c i r c u i t & coincidence u tilis 6 p o u r les mesures.