Naładowany – rozładowany. Precyzyjny pomiar ładunku elektrycznego
WYDZIAŁ FIZYKI, ASTRONOMII I INFORMATYKI STOSOWANEJ
Większość z nas pamięta doświadczenie ze szkoły podstawowej, w którym wykorzystane zostało urządzenie do generowania wyładowań elektrycznych. Ten niewielki przyrząd nazywany jest elektroskopem i może służyć również do pomiaru ładunku. Na idei działania elektroskopu bazuje również urządzenie skonstruowane przez fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Mało osób wie, że pomiary przeprowadzone przy pomocy elektroskopu stały się podstawą przyznania Nagrody Nobla. Nagrodą tą, za odkrycie promieniowania kosmicznego, uhonorowano w roku 1936 austriackiego uczonego Wiktora Hessa.
W prowadzonych badaniach chciał on pokazać, że, oddalając się od Ziemi, szybkość rozładowania elektroskopu wraz z malejącym natężeniem promieniowania ziemskiego będzie się zmniejszała. Odpowiedni eksperyment z wykorzystaniem balonu przeprowadził w roku 1912 i, ku swemu zaskoczeniu, zaobserwował zjawisko odwrotne do tego, które przewidywał: ze wzrostem wysokości szybkość rozładowania elektroskopu gwałtownie wzrastała! Doprowadziło to do nowej tezy, że za wzrost szybkości rozładowania odpowiada inny typ promieniowania, którego natężenie wzrasta wraz z wysokością (tzn. ze zmniejszaniem się absorpcji tego promieniowania w warstwie atmosfery ziemskiej). Promieniowanie to nazwano „kosmicznym".
Chociaż elektroskopów dzisiaj używa się prawie wyłącznie do celów edukacyjnych, sam pomiar ładunku jest wciąż bardzo ważny, tak ze względów poznawczych, jak i praktycznych.
Model elektroskopu z XIX wieku, ilustr.: commons.wikimedia.org/wiki/ (domena publiczna)
Przedwzmacniacz
„Skonstruowana przez nas wersja elektroniczna urządzenia służącego do pomiaru ładunku bazuje na podobnej do elektroskopu koncepcji: ładunek jest mierzony poprzez obserwację efektów jego gromadzenia się na odpowiedniej pojemności" – tłumaczy dr hab. Zbigniew Sosin z Instytutu Fizyki UJ.
Takie urządzenia od dawna stosowane są w eksperymentach prowadzonych w dziedzinie fizyki jądrowej i fizyki cząstek elementarnych. Jak można opisać ideę ich działania?
W używanych przez fizyków detektorach energia „wyłapywanych" cząstek zamieniana jest na ładunek elektryczny. Pomiar energii cząstek sprowadza się więc do pomiaru wytworzonego ładunku elektrycznego. Jak ten ładunek zmierzyć? „Można przyjąć, że pomiar ładunku elektrycznego, co do zasady, jest analogiczny do pomiaru objętości cieczy. Jeśli chcemy zmierzyć objętość badanej cieczy, umieszczamy ją w odpowiednim naczyniu, np. menzurce, i odczytujemy objętość. Natomiast w przypadku pomiaru ładunku, umieszczamy go w >>naczyniu<<, które nazywa się kondensatorem. Pojemność tego kondensatora określamy pojemnością elektryczną. Jako efekt zgromadzenia ładunku na pojemności elektrycznej pojawia się napięcie (co jest odpowiednikiem wysokości słupa cieczy w menzurce), które jest proporcjonalne do wielkości mierzonego ładunku. Pomiar taki wydaje się więc być bardzo prosty. Niestety prostotę tę ogranicza problem niestabilności pojemności elektrycznej. Odwołując się do analogii z pomiarem objętości cieczy, odpowiada to sytuacji, w której nasze naczynie ma ścianki z elastycznej gumy, a jego pojemność zmienia się na przykład pod wpływem temperatury czy też w trakcie nalewania cieczy" – tłumaczy dr hab. Zbigniew Sosin.
Pomiar objętości (ładunku) w takich warunkach jest bardzo utrudniony, a jego precyzja wątpliwa. W tej sytuacji precyzyjny pomiar jest możliwy jedynie po przeniesieniu cieczy (ładunku) do odpowiedniej, stabilnej pojemności. W przypadku cieczy jest to bardzo proste, a w przypadku ładunku elektrycznego nieco bardziej skomplikowane, lecz również możliwe. „Nasze prace sprowadzają się więc do konstrukcji precyzyjnych układów elektronicznych, które potrafią przenosić wytworzony ładunek na wzorcową pojemność elektryczną i dokonać jego precyzyjnego pomiaru. Skonstruowane i opatentowane przez nas urządzenia – przedwzmacniacze – mają bardzo dobre i unikatowe parametry" – informuje krakowski naukowiec.
Przedwzmacniacze ładunkowe znajdują szerokie zastosowanie w obsłudze przetworników, czyli urządzeń służących do przetworzenia jednej wielkości fizycznej na drugą. Najczęściej stosuje się je do zbierania sygnałów z detektorów cząstek – urządzeń mających na celu pomiar i identyfikację różnego rodzaju cząstek, m.in. tych o bardzo wysokich energiach. Nadają się też do badania praktycznie każdego procesu, w którym generowany jest ładunek (np. tego typu układy stosowane są w wagach).
Czego dowiadujemy się kontrolując ładunek?
W czasie zbierania ładunku generowanego w układach fizycznych można uzyskać różne, cenne informacje. W trakcie zbierania ładunku na wzorcowej pojemności przedwzmacniacza pojawią się zmiany napięcia, tzw. impuls napięciowy. Maksymalna wartość tego impulsu określa całkowity wygenerowany ładunek. W przypadku detektorów cząstek ładunek ten jest proporcjonalny do energii cząstki. Zmieniający się w czasie stan naładowania układu (skutkujący przepływem tzw. prądu ładowania) zależy od wielkości zbieranego ładunku, prędkości tego ładunku i geometrii samego układu. Prędkość zbierania ładunku zależy natomiast od szeregu czynników, takich jak parametry detektora, ale również rodzaj i energia rejestrowanej cząstki.
Obecnie, w ramach międzynarodowej współpracy FAZIA (projekt badawczy grupujący fizyków głównie z Włoch, Francji i Polski, którego głównym celem jest zbudowanie nowoczesnego układu do badania reakcji jądrowych) jesteśmy świadkami budowy jednego z największych detektorów cząstek powstających w reakcjach jądrowych. W detektorze tym doskonali się metodę identyfikacji rejestrowanych produktów reakcji poprzez badanie korelacji pomiędzy czasem gromadzenia ładunku a energią cząstki.
Układy przedwzmacniaczy są ciągle rozwijane i udoskonalane. Prowadzone prace związane są głównie z poprawą parametrów tych układów, tak aby ich zdolność rozdzielcza (czyli zdolność do jak najbardziej precyzyjnego „obserwowania" ładunków) była jak największa. Chodzi głównie o to, aby zminimalizować zakłócenia, na które wpływ ma zmieniająca się temperatura. Zadanie to najlepiej realizują specjalnego typu tranzystory (elementy elektroniczne wzmacniające sygnał elektryczny), tzw. tranzystory polowe typu JFET.
Zakłócenia, o których mowa związane są z procesem ładowania i rozładowywania. Najprostszą i najczęściej stosowaną metodą pozwalającą na rozładowanie pojemności jest podłączenie jej równolegle z opornikiem o dużym oporze (nawet rzędu GOhma – czyli 109 Ohma). Niestety, oporność ta jest głównym źródłem szumów, dlatego więc opracowano szereg ciekawych sposobów rozładowania pojemności, wśród których można wymienić dwa, zdaniem fizyków z UJ, najciekawsze. Obydwa polegają na kontrolowanym zwiększeniu prądu bramki tranzystora JFET. Ich wadą jest duża czułość przedwzmacniaczy na zaburzenia pola oraz ich niezerowy prąd wejściowy. Powoduje to ograniczenia w ich stosowalności.
W Zakładzie Fizyki Gorącej Materii Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowano rozwiązanie elektroniczne pozbawione powyższych dysfunkcji. Dzięki zastosowaniu symetrycznego pod względem typu wykorzystanych półprzewodników układu wejścia przedwzmacniacza uzyskano doskonałe własności: niski poziom szumów, nieczułość na pojawiające się na wejściu ładunki elektrostatyczne (przebicia) oraz, dzięki kompensacji prądów wejściowych w tranzystorach typu FET (w efekcie lawinowym), jego wypadkową wartość równą praktycznie zeru.
Przedwzmacniacze o takich własnościach w liczbie kilkuset pracują w eksperymencie NA61, który jest drugim co do wielkości projektem badawczym prowadzonym przez CERN. Również kilkaset tego typu przedwzmacniaczy używa się w eksperymentach prowadzonych przez centrum badawcze GSI Darmstadt.
W Instytucie Fizyki prowadzone są prace nad wykorzystaniem unikatowych własności tych przedwzmacniaczy w prowadzeniu pomiarów medycznych i biofizycznych. Wstępne wyniki są bardzo obiecujące.