Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое КООРДИНАТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ (позиционно-чувствительные, трековые детекторы) , Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое КООРДИНАТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ (позиционно-чувствительные, трековые детекторы) , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
Позиционно-чувствительное устройство (англ. Position Sensitive Device, PSD) или позиционно-чувствительный детектор (англ. Position Sensitive Detector, PSD) — оптический датчик, способный измерять положение светового пятна на поверхности датчика в одном или двух измерениях.
В соответствии со структурой позиционно-чувствительные устройства разделяют на два вида:
КООРДИНАТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ (позиционно-чувствительные детекторы) - детекторы элементарных частиц, ядерных фрагментов, тяжелых ионов, способные с высокой точностью локализовать отдельные точки их траекторий. С помощью К. д. определяют место прохождения, углы вылета, а по отклонению в магн. поле - импульсы заряж. частиц. К. д. позволяют реконструировать сложную пространств. картину взаимодействия ядерных частиц в веществе, в т. ч. множественного рождения, каскадного размножения, рассеяния и излучения.
Положение-чувствительное устройство и / или позиционно - чувствительный детектор (PSD) представляет собой оптический датчик положения (OPS) , который может измерять положение светового пятна в одном или двух измерениях на поверхности датчика.
PSD можно разделить на два класса, которые работают в соответствии с различными принципами: В первом классе датчики имеют изотропную поверхность датчика, которая обеспечивает непрерывные данные о положении. Второй класс имеет дискретные датчики в растровой структуре на поверхности датчиков, которые предоставляют локальные дискретные данные.
Дизайн PSD с использованием PIN-диода
Технический термин PSD впервые был использован в публикации J57 Wallmark в 1957 году для обозначения бокового фотоэлектрического эффекта, используемого для локальных измерений. На ламинарном полупроводнике так называемый PIN-диод подвергается воздействию крошечного светового пятна. Это воздействие вызывает изменение местного сопротивления и, следовательно, поток электронов в четырех электродах. От токов
, 
и 
в электродах местоположение светового пятна вычисляется с использованием следующих уравнений.
и
и }
простые коэффициенты масштабирования, которые позволяют преобразовать в координаты.
Преимущество этого процесса заключается в непрерывном измерении положения светового пятна с частотой до 100 кГц. Зависимость локального измерения от формы и размера светового пятна, а также нелинейного соединения является недостатком, который может быть частично компенсирован специальными формами электродов.
Двухмерное четырехстороннее позиционно-чувствительное устройство (PSD)
Двухмерное четырехстороннее позиционно-чувствительное устройство (PSD)
Двухмерный четырехсторонний PSD способен обеспечить непрерывное измерение положения падающего светового пятна в двухмерном изображении. Он состоит из одного квадратного PIN-диода с резистивным слоем. Когда на активную область датчика падает свет, фототоки генерируются и собираются из четырех электродов, расположенных вдоль каждой стороны квадрата вблизи границы. Положение падающего света можно оценить на основе токов, собранных с электродов:
и
Двухмерный четырехсторонний PSD обладает преимуществами быстрого отклика, намного меньшего темнового тока, легкого применения смещения и более низкой стоимости изготовления. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Его точность измерения и разрешение не зависят от формы и размера пятна, в отличие от детектора квадранта, который может быть легко изменен воздушной турбулентностью. Однако он страдает от проблемы нелинейности. Хотя оценка положения является приблизительно линейной по отношению к реальному положению, когда пятно находится в центральной области PSD, взаимосвязь становится нелинейной, когда световое пятно находится вдали от центра. Это серьезно ограничивает его применение, и во многих приложениях есть срочные требования по улучшению линейности.
Чтобы уменьшить нелинейность 2-D PSD, был предложен новый набор формул для оценки положения падающего света (Song Cui, Yeng Chai Soh ：Индексы линейности и улучшение линейности 2-D детектора, чувствительного к тетра-латеральному положению. IEEE уже купили по электронным устройствам ， том 57, № 9, стр. 2310-2316, 2010):
и
где :
, и :
новые масштабные факторы.
Позиционный отклик двумерного тетра-латерального PSD, полученный по формулам, предложенным в статье С. Куя
Результаты оценки положения, полученные с помощью этого набора формул, смоделированы ниже. Мы предполагаем, что световое пятно движется ступенчато в обоих направлениях, и мы строим оценки положения на двухмерной плоскости. Таким образом, правильная сетка должна быть получена, если предполагаемое положение совершенно линейно с истинным положением. Производительность намного лучше, чем в предыдущих формулах. Подробное моделирование и результаты эксперимента можно найти в статье С. Куя.
Последовательная обработка
Наиболее распространенные сенсорные приложения с частотой дискретизации менее 1000 Гц - это CCD или CMOS камеры. Датчик разделен на отдельные пиксели , значение экспозиции которых можно считывать последовательно. Положение светового пятна можно рассчитать методами фотограмметрии непосредственно по распределению яркости.
Параллельная обработка
Разработка дискретного PSD от Massari с параллельной обработкой. Желтый круг - это освещенное место.
Для более быстрых применений были разработаны матричные датчики с параллельной обработкой. И построчно, и в столбцах плотность света каждого пикселя сравнивается с глобальным пороговым значением. Результатами сравнения становятся строки и столбцы с логическими ссылками ИЛИ. Из всех столбцов и всех строк один элемент, который ярче заданного порогового значения, представляет собой среднее значение координат, вычисленных для светового пятна.
Различают трековые (визуальные) К. д. (Вильсона камера ,диффузионная камера, разрядно-конденсационная камера, пузырьковая камера, искровая камера, стримерная камера, ядерная фотографическая эмульсия); годоскопич. К. д., содержащие плотно упакованные детекторы малого размера [ионизационные камеры, Гейгера счетчики, разрядные трубки, стримерные трубки (дрейфовые), сцинтилляционные детекторы и полупроводниковые детекторы, приборы С зарядовой связью (ПЗС-детекторы]; )многоэлектродные (многопроволочные) К. д. [газовые и жидкостные ионизац. камеры, пропорциональные камеры, дрейфовые камеры (рис. 1), стриповые полупроводниковые детекторы]. Координаты траекторий частиц определяют по их трекам (следам) в трековых координатных детекторах или по номерам каналов (проволочек), где возникает сигнал.
Рис. 1. Пакет плоских дрейфовых камер (размером Зм
0,8 м) с 
=0,2 мм.
Действие К. д. основано на локальном преобразовании малых порций энергии, затраченных частицей на ионизацию и возбуждение атомов вещества, в макроскопич. сигнал, несущий информацию о месте прохождения частицы. Это достигается с помощью лавинообразного усиления в метастабильной рабочей среде трекового К. д. (пересыщенный пар и т. п.) либо за счет ускоряющего электрич. поля и (или) благодаря внеш. электронному устройству (усилителю, фотоэлектронному умножителю и т. п.).
Рис. 2. а - Схема шестигранной пропорциональной камеры (длина 0,8 м, 
=45мкм); б - распределение результатов координатных измерений.
Из-за диффузии электронов и ионов, образованных на пути частицы, их дрейфа в электрич. поле, уширения сгустков ионизации в процессе усиления (или следа в трековом К. д.), а также вследствие дискретной структуры К. д. (рис. 2, а)измеренная координата х к--л. точки траектории частицы отличается на величину 
от ее истинного значения. Среднеквадратичное отклонение значений 
(рис. 2, б)определяет координатное разрешение 
детектора. Как правило, 
мм (табл.).
Рис. 3. Двухчастичный распад Z°-бозона (на экране дисплея ЭВМ), зарегистрированный дрейфовой камерой ускорителя-коллайдера Лаборатории им. Э. Ферми (США).
Координатное разрешение детекторов
В ядерной фотоэмульсии, небольших пузырьковых камерах с голографич. регистрацией треков, в стримерных камерах высокого давления, стриповых детекторах и матрицах ПЗС 
=0,5-25 мкм. Благодаря столь высокому разрешению их используют в качестве т. н. вершинных детекторов при исследовании частиц высоких энергий для получения детальной информации о процессах в "вершине" взаимодействия (см. Комбинированные системы детекторов). Варьируя расстояние между электродами, состав вещества, режим (темп-ру, давление, напряженность электрич. поля, а в управляемых К. д.- амплитуду, длительность и запаздывание управляющего импульса), можно увеличить координатное разрешение. В многопроволочных К. д. этой цели иногда достигают, определяя координаты "центра тяжести" распределения амплитуд сигналов, наведенных на ближайших к месту прохождения частицы сигнальных проволочках. Аналогичный метод используют в годоскопических и многопроволочных ливневых спектрометрах (спектрометрах полного поглощения) для определения координат частицы, образующей эл--магн. или электронно-ядерный ливень. Здесь 
= 
(ГэВ) мм, где 
-энергия частицы (улучшение 
с ростом 
связано с увеличением числа спектрометрич. каналов, используемых для определения координат центра тяжести ливня). Т. к. в каждой плоскости годоскопического или многопроволочного К. д., как правило, определяется только одна координата (х), то для измерения др. координаты (у)соседние параллельные плоскости К. д. поворачивают на 90° относительно друг друга. В тех случаях, когда допустима меньшая точность измерений второй координаты (напр., при измерении импульса частицы по магн. отклонению), ее определяют, снимая сигналы с электродов др. полярности, методом деления токов на сигнальной проволочке, по времени распространения сигнала вдоль электрода и т. д.
Рис. 4. Многочастичное событие, зарегистрированное многопроволочными дрейфовыми камерами на ускорителе-коллайдере (ЦЕРН).
Информация от многоканальных К. д. передается для обработки на ЭВМ и может быть визуализована на экране дисплея (рис. 3). Фильмовая информация с трековых К. д. обрабатывается на просмотровых автоматизированных устройствах. Развиваются и бесфильмовые методы съема трековой информации на основе передающих телевизионных трубок или матриц ПЗС, объединенных с электронно-оптич. усилителями. При этом различие между трековыми, годоскопическими и многопроволочными К. д. стирается.
К. д. используются в экспериментах на ускорителях (рис. 4), для решения задач ядерной физики и при исследовании космич. излучения. Применение К. д. сделало возможным обнаружение нек-рых элементарных частиц и их распадов. К. д. применяют также в др. исследованиях, связанных с регистрацией частиц: в физике плазмы, в гамма- и нейтринной астрономии, при изучении радиоакт. распада, для целей неразрушающего контроля и в медицине.
Литература:
Kleinknecht К., Particle detectors, "Phys. Repts", 1982, v. 84, № 2, p. 86; Ситар Б., Новые направления в развитии дрейфовых камер, "ЭЧАЯ", 1987, т. 18, в. 5, с. 1080; Труды Международного симпозиума по координатным детекторам в физике высоких энергий, Дубна, 22-25 сентября 1987, Дубна, 1988. Г. И. Мерзон.
Исследование, описанное в статье про КООРДИНАТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ (позиционно-чувствительные, трековые детекторы) , подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое КООРДИНАТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ (позиционно-чувствительные, трековые детекторы) и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Комментарии
Оставить комментарий
Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Термины: Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы