Разработка радиоприемника (стр. 4 из 7)
Отсюда следует, что матрица площадью 1 см2 способна регистрировать и определять все параметры каждого кванта рентгеновского излучения, применяемого в медицинской технике. Однако с увеличением площади матрицы до S = 10х10 см возникает проблема, связанная с быстродействием, поскольку в этом случае tм @ 1/Px. Очевидно, площадь матрицы S @ 10х10 см следует считать предельной. Таким образом, экран большего формата, например 43х43 см, может иметь только мозаичную конструкцию.
Как уже отмечалось, матрица способна воспринимать рентгеновское излучение как с помощью нанесенных на ее поверхность сцинтиллятора или фотопроводника, так и непосредственно, т.е. с использованием в качестве элемента, регистрирующего рентгеновское излучение, области пространственного заряда коллектора (или комбинацию этих способов). Рентгеновские кванты с энергией E = 60 кэВ эффективно поглощаются кремнием только на глубине более 100 мкм, поэтому, очевидно, интерес представляет возможность изготовления матрицы, состоящей из функционально-интегрированных структур на основе менее технологически отработанных в сравнении с кремнием полупроводниковых соединений, например арсенида галлия.
Следует отметить, что поскольку матрица имеет большое число адресных выводов X, Y (как и традиционные «аморфные» матрицы), с помощью периферийных устройств детектора необходимо обеспечить быстрое цифровое кодирование адресов Xi, Yi строк и столбцов матрицы. Это позволит резко сократить число выводов микросхемы детектора, которые связывают компоненты панели с внешними устройствами – аналого-цифровым преобразователем и компьютером. К сожалению, реализация в микросхеме детектора цифровых кодирующих устройств усложняет технологию его изготовления. Особенность детектора этого типа – отсутствие «памяти» у матрицы, в результате чего он передает внешним устройствам чрезмерно большой объем информации, в том числе и не нужную для формирования рентгеновского видеоизображения «избыточную информацию» о времени прихода каждого кванта. Это усложняет работу внешних устройств. Однако возможность регистрации таким детектором энергии отдельных квантов может оказаться весьма полезной для реализации «суперэкранов» с трехмерным голографическим изображением объекта, требующих использования монохроматического рентгеновского излучения.
Достоинство квантового детектора – возможность получения рентгеновских или иных радиационных изображений объекта теоретически максимально высокого качества. Недостатки – необходимость применения быстродействующих внешних устройств и компьютера, а также ограничение размеров элемента мозаики – не более 10х10 см.
В детекторах аналогового типа используется матрица, элементы которой способны «запоминать» суммарный заряд, возбужденный потоком рентгеновских квантов. Аналоговые детекторы, реализованные на монокристаллическом кремнии, как и квантовый детектор, регистрируют излучение с помощью люминофора экрана или непосредственно в области пространственного заряда транзистора.
На рис. 6 соответственно показаны электрическая схема и структура пикселя аналогового детектора. Достоинство таких детекторов, по сравнению с предыдущими, – отсутствие жестких требований к быстродействию внешних устройств; возможность приема излучения высокой интенсивности, когда временное отделение одного кванта от другого невозможно, что обычно имеет место при приеме излучения в оптическом диапазоне частот. Недостатки – меньшая контрастность (динамический диапазон) из-за потерь, связанных с самопроизвольной релаксацией информационного заряда в пикселях матрицы и неточностью преобразования аналоговых сигналов в цифровые; технологические проблемы, аналогичные квантовому детектору.
Работа цифрового детектора мозаичного экрана основана на цифровом отсчете (запоминании) числа квантов, поступивших в каждый элемент матрицы, и запоминании аналогового сигнала, пропорционального выделенной ими энергии. Трехмерная конструкция детекторов этого типа состоит из двух изолированных и механически соединенных с помощью индиевых столбцов пиксельных матриц. При этом первая матрица только принимает излучение, а вторая обрабатывает сигнал пикселя. Обе матрицы изготавливаются с помощью независимых технологических процессов, что позволяет наилучшим образом оптимизировать качество их исполнения. Очевидно, мозаичный экран, построенный на цифровых детекторах, позволяет получить теоретически максимально высокое качество изображения объекта в рентгеновском спектре излучений.
Следует отметить, что возможна и другая, более простая, реализация детектора, например когда принимающая излучение матрица представляет собой сборку из аморфных диодов и сцинтилляторов или матрицу прямого действия на p-i-n‑диодах и резисторах. Такой детектор не требует размещения по периферии кристалла специальных выводов для подключения управляющих устройств. Однако при использовании такой приемной матрицы нельзя получить теоретически предельное качество изображения.
В целом достоинства экрана на цифровом детекторе заключаются в наилучшем, по сравнению с экранами других типов, отношении сигнал/шум, в высокой контрастности, большом динамическом диапазоне, координатной точности и т.п. Его недостатки – высокая стоимость и сложность изготовления.
Из рассмотренного следует, что для создания высококачественных рентгеновских экранов нового поколения наиболее перспективны мозаичные панели на детекторах с пиксельными матрицами на основе функционально-интегрированных структур. Каждое из приведенных здесь технических решений представляется весьма перспективным для создания таких мозаичных рентгеновских экранов, хотя сейчас сложно определить какое из них окажется наиболее конкурентоспособным и рентабельным в будущем. Возможно, наиболее перспективны панели, построенные на основе «квантовых» детекторов, поскольку они дают полную информацию о рентгеновском излучении, проходящем через исследуемый объект. В любом случае необходимо проведение исследовательских работ по анализу эффективности предложенных технических решений.
Следует отметить, что в отечественной промышленности сегодня сложно использовать традиционные технические решения, поскольку в стране отсутствует технология формирования высококачественных аморфных полупроводниковых слоев, требуемых для рентгеновских экранов.
4. Предварительный расчет приемника
Распределение между трактами приёмника частотных и нелинейных искажений. Частотные искажения создаются всеми каскадами приёмника. Общую величину частотных искажений высокочастотной части приёмника определяют из выражения.
Мвч = Мпрес + Мфси + Мупч [дБ], (3)
где Мвч – общая величина частотных искажений высокочастотной части;
Мпрес – частотные искажения преселектора;
Мфси – частотные искажения фильтра сосредоточенной селекции;
Мупч – частотные искажения усилителем промежуточной частоты.
Принимаем значения Мвх.ц = 5, Мфси = 4, Мупч = 3.
Мвч = 3 + 4 + 3 = 12 дБ
Общая величина частотных искажений приёмника (без искажений, вносимых громкоговорителем)
Мобщ = Мвч + Мунч, (4)
где Мунч – частотные искажения в УНЧ, величина которых 2 – 3 дБ.
Принимаем значение Мунч = 2 дБ.
Мобщ = 12 + 2 = 14 дБ.
Должно выполняться условие
Мобщ = М,
где М – заданные частотные искажения на весь приёмник.
14 дБ = 14 дБ
Причиной нелинейных искажений является нелинейность характеристик усилительных приборов и диодов. Наибольшие нелинейные искажения создаются в детекторе и УНЧ. Общую величину нелинейных искажений детектора и УНЧ определяют из выражения
Кг.общ = Кгд + Кгунч, (5)
где Кгд – нелинейные искажения в детекторе Кгд= 1 – 2%;
Кгунч – нелинейные искажения в усилителе низкой частоты
Принимаем следующие значения:
Кгд = 1%, Кгунч = 5%.
Кг.общ = 1% + 5% = 6%.
По результатам расчётов должно выполняться условие
Кг.общ ≤ Кг,
где – Кг – заданные нелинейные искажения на весь приёмник.
6% = 6%.
Определение эквивалентной добротности контуров преселектора и вывод о необходимости применения УРЧ.
В зависимости от заданной величины ослабления зеркального канала определяется минимаотная необходимая добротность контура преселектора. Сначала выбирают минимальное количество контуров и определяют минимальную эквивалентную добротность контура, обеспечивающую заданное ослабление зеркального канала.
, (6)где Seзк – заданное ослабление сигнала зеркального канала в относительных единицах;
nc – минимальное количество контуров;
fcmax – максимальная частота сигнала, заданного рабочего диапазона частот, кГц;
fзк – частота зеркального канала, кГц;
fзк= fcmax + 2fпр (7)
Принимаем следующие значения nc = 1, fcmax = 0,285 МГц, Seзк = 18
fзк = 0,285×106 + 2 (465×103) = 0,378 МГц.
Qэк.зк=Ö18/(0,378×106)2/(0,285×106)2-1=39,4 [дБ]
Далее выбирают конструктивную добротность контуров преселектора Qкон.
Принимаем для диапазона гектометровых волн Qкон.=100
Должно выполняться условие
Qэк.зк < (0,5 – 0,7) Qкон, (8)
где Qэк.зк – эквивалентная добротность контура преселектора, дБ;
Qкон – конструктивная добротность контура преселектора, дБ;