[Перевод] Разбираем фотоумножитель Fujifilm PMT12A
В статье рассматривается реверс-инжиниринг ФЭУ Fujifilm PMT12A, состоящего из самого фотоумножителя, высоковольтного источника питания и аналогового усилителя.
В основу проекта легла разборка сканера рентгеновских изображений Fujifilm FCR XG-1, используемого для компьютерной радиографии. Сопутствующие материалы по теме (англ.): Разборка Fujifilm FCR XG-1 и Разборка модуля полигонального лазерного сканера.
Немного теории. Компьютерная радиография основана на фосфорных рентегеновских пластинах, выступающих как альтернатива пленки и допускающих многократное применение. Экспонируемые пластины сканируются красным лазером, синхронизированным с фотоумножителем, в ходе чего происходит попиксельное считывание с последующей визуализацией изображения на экране ПК/ноутбука.
В процессе лазерного сканирования происходит эмиссия видимого света различной интенсивности, определяемой количеством поглощенной энергии рентгеновского излучения. В свою очередь, фотоприемник способен переводить получаемое излучение в изображение в градациях серого с глубиной 12-бит.
▍Безопасность
Предупреждение! Работать с электричеством опасно. Вся информация на моем сайте служит образовательным целям, и я не несу ответственности за действия других людей, использующих ее по своему усмотрению.Прошу ознакомиться с документом по безопасности: http://www.pupman.com/safety.htm
▍Реверс-инжиниринг
Сам узел фотоумножителя крепится на металлическом держателе, при этом его трубка выходит через заземленный слой мю-металла, обеспечивающий экранирование от электростатических помех. На печатной плате слева от гнезда находятся выходной усилитель и источник питания, а справа расположен высоковольтный источник питания.
На плате Fujifilm PMT12A есть два разъема, идущих на плату SCN12A основного компьютера сканера FCR XG-1. CN1 — это 34-контактная гребенка, а CN2 — это выход оконечного усилителя.
Оконечный усилитель экранирован, а дифференциальные усилители на плате получают от регуляторов LM2940CT и LM2990T +12/-12В постоянного тока, поскольку вход +15/-15В идет прямиком на модуль высокого напряжения. По Hamamatsu C7775 от 2007 года нет никаких инструкций онлайн, но при просмотре документаций последних моделей стало понятно, что в них по-прежнему используется 5-контактный модуль высокого напряжения С-серии, имеющий ту же распиновку, что и в предыдущих моделях.
От 5 контакта Hamamatsu C7775 на фотоумножитель поступает высоковольтное питание. Катод трубки подключен к 4 синим конденсаторам, которые привязаны к земле для обеспечения стабильного напряжения в начале высоковольтной цепи.
Чем больше электронов ускоряются от первого динода до следующего и т.д., тем меньше напряжения требуется для их активации. Эта особенность реализована с помощью чисто резистивной делительной сети между динодами, но при этом есть недостатки в виде потери линейности и отклонения выхода в районе 10–20% при большом выходном токе.
В улучшенной делительной сети используются конденсаторы, позволяющие стабилизировать напряжение на пиках, для чего также можно задействовать отдельные источники питания каждого динода.
Согласно требованиям к источнику питания трубки фотоумножителя, указанным в руководстве ФЭУ Hamamatsu, для достижения регуляции линии/нагрузки на уровне ± 0.2% и отклонения пульсаций шума/температуры на уровне ± 0.5% необходим контроль качества. Трубка Hamamatsu R1848–07 представляет собой 10-ступенчатую 14-контактную версию, динод которой может получать напряжение до -2500В.
Пришлось по-особенному изловчиться, чтобы с помощью острого канцелярского ножа забраться между акриловым световодом и окошком фильтра из синего стекла. Кропотливый процесс разъединения этих двух деталей занял около часа.
▍Схема
Схема из сервисного мануала. Я отметил контакты, посредством которых устройство может работать без модулей ЦАП компьютера/сканера.
Точки тестирования платы
▍Экспериментальный запуск устройства
После изучения схем соединений из руководства стало понятно, что устройство можно тестировать во включенном состоянии. Я использовал источник питания с +15В, -15В постоянного тока и GND. Попадание света в трубку под напряжением может вызвать прожигание дыр в динодах, поэтому я экранировал ее фольгой. Настоятельно рекомендую защищать ваши ФЭУ и относится к ним с особой внимательностью.
Опираясь на спецификацию высоковольтного источника питания Hamamatsu C9619 и используемое компьютером питание +5В, я решил подать на найденные мной контакты +5В постоянного тока. В руководстве также указывалось, что в устройстве предусмотрены сигналы «high voltage hardware ok» и «high voltage software ok», оба из которых для активации высокого напряжения должны находиться на высоком уровне. Выяснилось, что входной контакт 5, отмеченный как HVSH — это «High Voltage Software High». При подаче +5В на контакт 5 высоковольтный источник питания генерирует -510В.
Выходной сигнал представляет собой подобную синусоидальной волну с 1, 2 или 3 пиками, количество которых зависит от его силы. Наивысший пик достигал 70В, но в точности масштабирования я не уверен. К сожалению, из-за поломки USB-флешки я утратил все скриншоты с осциллографа.
Трубка фотоумножителя может быть очень чувствительным инструментом, что зависит от отрицательного напряжения питания динодов. Графики из руководств показывают, что типичное поведение трубок сильно зависит от источника высокого напряжения. Используемые этим устройством -510В дают усиление всего в 40 000 раз. Такой уровень достаточен для компьютерной радиографии, но для более интересных задач вроде обнаружения излучения с помощью сцинтилляционного кристалла необходимо использовать уже от -1 до -2кВ, чтобы получить усиление в диапазоне от 20 000 000 до 1 000 000 000 раз.
▍Демонстрация
Разборка, реверс-инжиниринг и тестирование платы Fujifilm PMT12A.
▍Вспомогательные источники
❒ [1] Hamamatsu, «Photomultiplier Tubes — Construction and Operating Characteristics», January 1998.
❒ [2] Hamamatsu, «Photomultiplier Tubes — Basics and Applications», Third edition, Handbook, 2006.
