УДК 621.387
МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ И ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ПРИБОРОВ ЯДЕРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ В ALTIUM DESIGNER
Шмелѐв Игорь Алексеевич Студент, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана
Научный руководитель – Вертягина Е.Н.
Для проектирования приборов ядерной электроники была рассмотрена и изучена программа Altium Designer. В ней были спроектированы такие приборы как:
сцинтилляционный детектор и счетчик Гейгера.
Счѐтчик Гейгера или счѐтчик Гейгера—Мюллера — газоразрядный прибор для автоматического подсчѐта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролѐте ионизирующей частицы через объѐм газа. Дополнительная электронная схема обеспечивает счѐтчик питанием (как правило, не менее 300 V), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счѐтчик. Чувствительность счѐтчика определяется составом газа, его объѐмом, а также материалом и толщиной его стенок. Работа счетчика основана на ударной ионизации. γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. Важной характеристикой счѐтчика является его эффективность, которая зависит от толщины стенок счѐтчика, их материала и энергии γ-излучения.
Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями. Позже для этих целей стали использовать также светодиоды. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и лучей.
Несколько хуже обстоит дело с измерением спектров тяжелых заряженных частиц, создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. Большие объѐмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.
В процессе проектирования приборов были созданы библиотеки компонент. Для сцинтилляционного детектора были спроектированы такие компоненты как:
фотоэлектронный умножитель ФЭУ – 85, транзисторы – КП303Г и КП103Е, диоды 2Ц111А- 1, КД102А и КС175Ц. Несоответствие компонентов связано с тем, что программа рассчитана на создание печатных плат по европейскому стандарту, a схемы, которые использовались при проектировании, были даны в старых обозначениях. Поэтому схемы перед проектированием прорабатывались, то есть для одних компонент находились зарубежные аналоги, а для других создавались библиотеки данных.
Также для этих приборов были спроектированы: для сцинтилляционного детектора печатная плата в двухмерном представлении (рис.1), а для счетчика Гейгера – печатная плата в двух- и трехмерном представлениях (рис. 2 и 3).
351
Рис. 1. Печатная плата сцинтилляционного детектора в 2D режиме
Рис. 2. Печатная плата счетчика Гейгера в 2D режиме
352
Рис. 3 Печатная плата счетчика Гейгера в 3D режиме
На данном этапе работы проводится сравнение программы Altium Designer с другими системами автоматизированного проектирования, такими как: OrCAD, P-CAD, Proteus,
DipTrace и другие.
Далее планируется спроектировать печатные платы вспомогательных приборов ядерной электроники, такие как: предусилитель, усилитель, аналого-цифровой преобразователь. Также к проектируемым приборам планируется применить аналого- цифровое моделирование, которое обеспечит:
расчет режима работы схемы по постоянному току;
анализ переходных процессов и спектральный анализ;
частотный анализ;
расчет спектральной плотности внутреннего шума;
анализ влияния изменения температуры на работу схемы;
анализ влияния изменения параметров элементов на работу схемы;
статистический анализ выходных электрических параметров схемы.
При моделировании аналоговых устройств используются алгоритмы SPICE 3f5.
При моделировании цифровых устройств используется алгоритм XSPICE.
В планы работы также входит проектирование печатной платы, на которой будет находиться детектор с различными дополнительными приборами ядерной электроники.
Литература
1. Сабунин А.Е. «Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств». Москва. Издательство СОЛОН-ПРЕСС, 2009. 432 с.
2. В.Ю. Суходольский «Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer 6». Учебное пособие. Часть I. Санкт – Петербург. Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. 152 с.
353
