Детектор

Дете'ктор(лат. detector - открыватель, от detego - открываю, обнаруживаю) в радиотехнике, устройство для детектирования электрических колебаний. Д. применяют в вещательных, связных, телевизионных радиоприёмниках , измерительных устройствах и многих др. для выделения модулирующих частот колебаний, несущих информацию. Различают амплитудный, частотный и фазовый Д. В амплитудном Д. для детектирования высокочастотных амплитудно-модулированных (AM) колебаний в качестве элемента с нелинейной электрической проводимостью применяют чаще всего полупроводниковый диод . Напряжение AM колебаний, приложенное к колебательному контуру, воздействует на электрическую цепь, состоящую из конденсатора С, диода Ди резистора R, соединённого или последовательно с диодом (последовательный Д., рис. 1 , а), или параллельно (параллельный Д., рис. 1 , б). Вследствие односторонней проводимости диода в цепи возникает электрический ток в виде высокочастотных импульсов, амплитуда которых изменяется по закону модуляции колебаний высокой частоты. Этот ток создаёт на концах резистора Rнапряжение, амплитуда которого также изменяется по закону модуляции. Для высокочастотных составляющих тока электрическое сопротивление конденсатора Смало, и, следовательно, напряжение высокочастотных колебаний на его концах незначительно. Для модулирующих частот колебаний оно много больше сопротивления резистора R, и, следовательно, напряжение модулирующих частот колебаний полностью приложено к концам резистора R. Для того чтобы паразитные ёмкости подключаемых к параллельному Д. электрических цепей не влияли на высокочастотное напряжение, подводимое к диоду, применяют электрический фильтр , состоящий из резистора R _фи конденсатора С _ф. В большинстве случаев продетектированное напряжение подводится затем к усилителю электрических сигналов. В амплитудных Д. используются также транзисторы и электронные лампы (триоды). В зависимости от того, в цепи какого электрода транзистора или лампы включена нагрузка (резистор R), соответственно различают базовый, коллекторный, эмиттерный или сеточный, анодный, катодный Д.

  Амплитудное детектирование возможно также осуществлять линейным изменением во времени электрической проводимости электронного прибора (диода и др.) в такт с несущей частотой принятого сигнала (синхронный Д.). Проводимость изменяется подачей на вход прибора вспомогательных колебаний (от гетеродина ), синхронизированных несущими колебаниями сигнала. Синхронный Д. обладает фазоселективными свойствами и поэтому его применение повышает помехозащищённость приёма.

  Для детектирования однополосных AM колебаний (см. Однополосная модуляция ) используют однотактный или двухтактный (для уменьшения нелинейных искажений сигнала) амплитудный Д. на диоде. На вход Д. подаются принятый сигнал боковой полосы частот и колебания гетеродина с частотой, равной несущей частоте сигнала. При этом Д. работает подобно преобразователю частоты .

  В частотном и фазовом Д. частотно- и фазово-модулированные (ЧМ и ФМ) колебания вначале преобразуются в AM колебания, которые затем детектируются амплитудным Д. В наиболее простом частотном Д. преобразование колебаний осуществляется колебательным контуром, расстроенным относительно средней частоты ЧМ колебаний (см. рис. 1 , а). При небольшой расстройке амплитуда напряжения, снимаемого с контура, изменяется почти пропорционально расстройке. Поэтому изменения частоты колебаний ЧМ сигнала вызывают пропорциональные изменения амплитуды колебаний на контуре, подаваемых затем на диод (амплитудный Д.). В фазовом Д. ( рис. 2 ) амплитуда выходного сигнала зависит от сдвига фаз между принятыми ФМ колебаниями и опорными (эталонными) колебаниями той же частоты, подаваемыми далее на вход амплитудного Д. Для детектирования ФМ колебаний может быть применён также частотный Д. с дополнительной электрической цепью, корректирующей различия между обоими видами модуляции.

  Лит.:Гуткин Л. С., Лебедев В. Л., Сифоров В. И., Радиоприёмные устройства, ч. 1, М., 1961; Гоноровский И. С., Радиотехнические цепи и сигналы, ч. 2, М., 1967; Чистяков Н. И., Хлытчиев С. М., Малочинский О. М., Радиосвязь и радиовещание, 2 изд., М., 1968.

  Ю. Б. Любченко.

Рис. 1. Схемы амплитудного детектора с полупроводниковым диодом: а - последовательного, б - параллельного; L _к- катушка индуктивности и С _к- конденсатор колебательного (резонансного) контура; U _вых- выходное напряжение; R _ф- резистор фильтра; С _ф- конденсатор фильтра; D- полупроводниковый диод.

Рис. 2. Балансная схема фазового детектора: Т _р- трансформатор; D ₁и D ₂- полупроводниковые диоды; Е- источник опорных колебаний; С- конденсатор и R- резистор, составляющие нагрузку детектора; U _вх- входное напряжение; U _вых- выходное напряжение.

Детекторный радиоприёмник

Дете'кторный радиоприёмник,простейший радиоприёмник, в котором принятые сигналы радиостанций не усиливаются, а лишь преобразуются в звуковые сигналы (детектируются) контактным кристаллическим детектором. Обычно Д. р. содержит колебательный контур , кристаллический детектор (полупроводниковый диод), головной телефон и блокировочный конденсатор, которые соединены по схеме, приведённой на рис. Изменением ёмкости конденсатора С колебательный контур настраивают в резонанс с несущей частотой принимаемой радиостанции, ослабляя тем самым все сигналы, частоты которых отличаются от резонансной. Достаточно громкий звук в телефоне получался при нахождении проволочной стальной пружинкой «чувствительной точки» (контакта с наибольшим детектирующим эффектом) на поверхности кристалла из галена или пары «цинкит-халькопирит», обладающих полупроводниковыми свойствами (этот тип детектора был распространён в 20-е гг. 20 в. Позже в качестве детектора применяли германиевый и др. полупроводниковые диоды с постоянной «чувствительной точкой»). На выходе кристаллического детектора токи высокой (радио) частоты проходят главным образом через конденсатор С _б, а токи низкой (звуковой) частоты - через телефон. В Д. р. нет собственного источника электрической энергии и все процессы происходят только за счёт энергии принимаемых радиоволн. На Д. р. с высоко подвешенной внешней антенной и правильно выполненным заземлением возможно принимать мощные радиовещательные станции на расстоянии нескольких тысяч км. С распространением ламповых радиоприёмников Д. р. потерял своё значение.

Схема простого детекторного радиоприёмника: А - антенна; С - конденсатор переменной ёмкости и L - катушка индуктивности колебательного контура; D - кристаллический детектор; С _б- блокировочный конденсатор; Т - головной телефон; З - заземление.

Детекторы ядерных излучений

Дете'кторы я'дерных излуче'ний,приборы для регистрации альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Служат для определения состава излучения и измерения его интенсивности (см. также Дозиметрия ), измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц. Для последней наиболее сложной группы задач особенно полезны Д. я. и., позволяющие запечатлевать траектории отдельных частиц - Вильсона камера и её разновидность диффузионная камера , пузырьковая камера , искровая камера , ядерные фотографические эмульсии . Действие всех Д. я. и. основано на ионизации или возбуждении заряженными частицами атомов вещества, заполняющего рабочий объём Д. я. и. В случае g-квантов и нейтронов ионизацию и возбуждение производят вторичные заряженные частицы, возникающие в результате взаимодействия гамма-квантов или нейтронов с рабочим веществом детектора (см. Гамма-излучение , Нейтрон ). Т. о., прохождение всех ядерных частиц через вещество сопровождается образованием свободных электронов, ионов, возникновением световых вспышек ( сцинтилляций ), а также химическими и тепловыми эффектами. В результате этого излучения могут быть зарегистрированы по появлению электрических сигналов (тока или импульсов напряжения) на выходе Д. я. и. либо по почернению фотоэмульсии и др. Электрические сигналы обычно невелики и требуют усиления (см. Ядерная электроника ). Мерой интенсивности потока ядерных частиц является сила тока на выходе Д. я. и., средняя частота следования электрических импульсов, степень почернения фотоэмульсии и т.д.

  Важной характеристикой Д. я. и., регистрирующих отдельные частицы, является их эффективность - вероятность регистрации частицы при попадании её в рабочий объём Д. я. и. Эффективность определяется конструкцией Д. я. и. и свойствами рабочего вещества. Для заряженных частиц (за исключением очень медленных) она близка к 1; эффективность регистрации нейтронов и g-квантов обычно меньше 1 и зависит от их энергии. Нередко необходимо, чтобы Д. я. и. был чувствителен только к частицам одного вида (например, нейтронный детектор не должен регистрировать g-кванты).

  Простейшим Д. я. и. является ионизационная камера . Она представляет собой помещённый в герметическую камеру заряженный электрический конденсатор, заполненный газом. Если в камеру влетает заряженная частица, то в электрической цепи, связанной с электродами камеры, возникает ток, обусловленный ионизацией атомов газа; сила тока является мерой интенсивности потока частиц. Камеры используются также и в режиме регистрации импульса напряжения, вызываемого отдельной частицей; величина импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей в газе камеры. Ионизационные камеры регистрируют все виды ядерных излучений, но их конструкция и состав газа зависят от типа регистрируемого излучения.

  При увеличении разности потенциалов между электродами камеры электроны, возникающие в рабочем объёме камеры, при своём движении к электроду приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации нейтральных молекул газа. Благодаря этому импульс напряжения на выходе возрастает и его легче регистрировать. На описанном принципе основана работа пропорционального счётчика , применяемого для измерения интенсивности потока и энергии частиц и квантов.

  В Гейгера - Мюллера счётчике напряжённость электрического поля между электродами имеет ещё большую величину, что приводит к возрастанию ионизационного тока за счёт вторичной ионизации. Амплитуда импульса на выходе перестаёт быть пропорциональной энергии первичной частицы, однако эта амплитуда становится весьма большой, что облегчает регистрацию импульсов. Счётчики Гейгера - Мюллера благодаря простоте конструкции получили широкое распространение для регистрации a-, b-частиц и g-квантов.

  Действие сцинтилляционного детектора основано на явлении флуоресценции , возникающей при взаимодействии ядерных частиц со сцинтилляторами - специальными жидкостями, пластмассами, кристаллами, а также благородными газами. Световая вспышка регистрируется фотоэлектронным умножителем , преобразующим её в электрический импульс. Сцинтилляционные Д. я. и. обладают высокой эффективностью для g-квантов и быстродействием. Амплитуды выходного сигнала пропорциональны энергии, переданной сцинтиллятору частицей, что позволяет использовать эти детекторы для измерения энергии ядерных частиц (см. Сцинтилляционный спектрометр ). Высокая эффективность сцинтилляционных Д. я. и. обусловлена тем, что, в отличие от ионизационных камер, пропорциональных счётчиков и счётчиков Гейгера - Мюллера, рабочее вещество детектора является плотным и поглощающая способность его примерно в 10 ³раз превосходит поглощающую способность газа при давлении ~1 атм.

  Высокой эффективностью обладает также кристаллический счётчик . Его действие аналогично действию ионизационной камеры. Если в ионизационной камере заряженная частица образует свободные электроны и ионы, то в кристаллическом диэлектрическом (алмаз, сернистый цинк и др.) счётчике возникают электронно-дырочные пары. Кристаллические счётчики применяются сравнительно редко.

  Использование в качестве рабочего вещества полупроводниковых кристаллов (обычно кремния или германия с примесью лития) позволяет наряду с высокой эффективностью получать очень хорошее энергетическое разрешение, превышающее разрешающую способность сцинтилляционных Д. я. и. и сравнимое с разрешением, достигаемым в гораздо менее светосильных магнитных спектрометрах (см. Бета-спектрометр ). Поэтому полупроводниковые Д. я. и. широко применяются для прецизионных измерений энергетического спектра ядерного излучения (см. Полупроводниковый спектрометр ). Некоторые типы полупроводниковых детекторов необходимо охлаждать до температур, близких к температуре жидкого азота.