СТАБИЛИЗАТОР БАЗОВОЙ ЛИНИИ СПЕКТРОМЕТРА Российский патент 1997 года по МПК G01T1/40 

Изобретение относится к области ядерной электроники. Преимущественное применение прецизионные спектрометры X γ-излучений и заряженных частиц с применением полупроводниковых детекторов. Настоящее устройство является представителем новой разновидности стабилизаторов исходного уровня, которые обычно входят в состав спектрометрических усилителей.

Детальный анализ основных структур и наиболее качественных схемных реализаций стабилизаторов исходного уровня содержится в монографии [1, с. 262-292] В этой работе показано, что принцип действия всех известных к тому времени стабилизаторов при всем их многообразии сводится к увеличению постоянной времени разделительной CR-цепи с приходом спектрометрического импульса с последующим возвращением ее к исходному значению t_b= C_bR_b. Этим достигается уменьшение степени заряда емкости C_b током сигнала во время его прохождения и соответственно ускоряется восстановление исходного потенциала по сравнению со случаем неизменной величины C_b. Меньшими динамическими погрешностями, т.е. динамическим смещением и флюктуациями базовой линии, при повышенных статистических загрузках характеризуются стабилизаторы, относящиеся к классу линейных время вариантных устройств, поскольку в них теоретически возможно добиться полного отсутствия заряда разделительного конденсатора током сигналов. Однако из-за необходимости установки порога срабатывания схемы временной привязки над уровнем шума, а также слабой коррелированности электронного шума на входе стабилизатора при повышенных статистических загрузках происходит деградация разрешающей (по амплитуде) способности спектрометра из-за возникновения так называемого нестационарного шума [1, с. 269-275]
Нелинейные стабилизаторы базовой линии, известные как "восстановители постоянной составляющей", обладают существенно худшими динамическими показателями при повышенных статистических нагрузках, но одновременно и более слабой зависимостью уровня шума от интервалов времени между началом данного спектрометрического импульса и окончанием предыдущего [1, с. 274]
Известен время вариантный стабилизатор "охватывающего" типа [2] широко применяемый с небольшими изменениями в спектрометрических усилителях многих фирм, включая EG G ORTEC, CANBERRA et al. Стабилизатор [2] является прототипом и содержит (фиг. 1) усилитель 1, усилитель-ограничитель с парафазными выходами 2, сдвоенный компаратор 3, стробируемые генераторы тока с аналоговым управлением их величиной 4, RC-интегратор и буферный каскад 5. Симметричные пороги ограничения усилителя-ограничителя 2, как правило, ниже максимального уровня шума, а положительный порог V_p сдвоенного компаратора 3 над максимальным уровнем шума, отрицательный порог V_n того же компаратора несколько превышает порог V_p и служит целям защиты стабилизатора от воздействия длинных импульсов обратной полярности (в данном случае отрицательной по выходу усилителя 1).

Стабилизатор-прототип работает следующим образом. В исходном состоянии, т. е. при наличии шума, но в отсутствии спектрометрических импульсов электронные ключи G₁ и G₂ замкнуты и усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Выход его "привязывается" к нулю независимо от того как сильно шумовые импульсы превышают пороги усилителя ограничителя, так как интенсивности шумовых импульсов обеих полярностей в среднем равны, а пороги симметричны.

С приходом спектрометрического импульса (фиг. 2) усилитель-ограничитель "отслеживает" на своем выходе его начальную часть, т.е. уменьшает ток I_n и увеличивает I_p. Это происходит до достижения сигналом порога V_p, после чего изменение I_p прекращается. По достижению сигналом порога V_p срабатывает сдвоенный компаратор 3 и оба тока отключаются. Дальнейший заряд C_b происходит в течение всего времени превышения сигналом порога V_p "защитным" током малой величины I_pr через резистор R_b. Назначение "защитного" тока I_pr - снятие возможного "паралича" стабилизатора [1] После снижения спектрометрического импульса до величины V_p компаратор 3 "отпускает" и процесс развивается в обратном направлении. Под действием накопленного на C_b заряда у импульса образуется незначительный выброс противоположной полярности (эпюра U_b на фиг. 2). В силу малой его величины благодаря току I_n длительность выброса оказывается также незначительной. Процесс восстановления становится локализованным во времени. Отношение длительности спектрометрического импульса T_w к времени восстановления (при прямоугольной форме) определяется отношением токов I_n/I_pr. В данном случае оно составляет 120 mA/0,5mA=240, т.е. время восстановления T_res 0,4% T_w.

Прототипу свойственен ряд недостатков.

При пологих фронтах и малых амплитудах компаратор 3 срабатывает слишком поздно, а "отпускает" задолго до окончания сигнала на его входах. В предельном случае, когда амплитуда равна порогу V_p, заряд C_b продолжается значительным током в течение T_w, тогда T_res составит уже не 0,4% а все 100% от T_w.

Даже в "идеальных" условиях, когда регистрируются монолинии излучения, а форма импульсов близка к прямоугольной, сохраняются две причины возникновения динамических погрешностей. Первая из них связана с появлением, так называемых "групповых" импульсов [3] при высоких статистических загрузках, когда цикл "занятости" d n_in•T_w > 1, где n_in интенсивность входных сигналов спектрометра, а T_w длительность по основанию спектрометрических импульсов. Средняя длительность "группового" импульса равна
Г (e^d 1)/n_in, (1)
а среднеквадратичная флюктуация "группового" импульса
σ_г= {(e^2d-2d-1)/n_in}^1/2. (2)
Обычно полагают, что максимальная длительность "группового" импульса равна
T = Г+(3÷4)σ_г. (3)
Если взять достаточно типичный случай, когда в спектрометре действуют квазигауссовы импульсы с временем достижения максимума (с пиковым временем) T_реак= 5μS и с длительностью по основанию T_w= 15μS, то при статистической загрузке n_in 10⁶ 1/S согласно (1) (3) имеем:

Отсюда следует, что при отмеченных выше соотношениях токов в устройстве
прототипе время восстановления после группового импульса составит T_гез= 180μS. Это приблизительно соответствует длительности 12 нормальных импульсов. Ясно, что часть сигналов после группового импульса будут иметь искаженные амплитуды.

Другая причина динамических погрешностей в "идеальных" условиях связана с ограниченным быстродействием таких аналоговых элементов структуры стабилизатора-прототипа как усилитель-ограничитель и стробируемые генераторы токов с аналоговым управлением их величиной. Ограниченность их быстродействия, в частности задержка в отключении генераторов тока по отношению к моменту появления спектрометрического импульса, ведет к паразитному заряду емкости C_b током сигнала и соответственно к возникновению динамического смещения и флюктуаций базовой линии.

Практически схемотехника указанных устройств основана на применении интегральных операционных усилителей, где из-за требований частотной устойчивости скорость отклика всегда будет ниже, чем у схем без обратных связей и, соответственно, без цепей частотной коррекции, например у компараторов.

Самая же тяжелая ситуация возникает при измерении ионизирующих излучений высокой интенсивности с широким спектром амплитуд, например из-за комптоновского рассеяния. В этом случае действуют все отмеченные факторы совместно.

Среди факторов деградации энергетического разрешения спектрометра при высоких статистических загрузках, обусловленных влиянием стабилизатора базовой линии, помимо его динамических погрешностей сказывается им же рожденный эффект нестационарного шума [2] Здесь следует заметить, что стабилизатор, содержащий стробируемые генераторы тока вместе с RC-интегратором и буферным усилителем может быть заменен эквивалентной схемой, содержащей вместо отмеченных элементов "идеальный" интегратор с нормально замкнутым электронным ключом на входе. В свою очередь, эта конфигурация согласно [1, с. 264-265] эквивалентна CR-дифференциатору с коммутируемой постоянной времени t в пределах от t R_bC_b t_b до бесконечности (фиг.3). Положению τ, равной бесконечности, на фиг. 1 соответствует разомкнутое состояние электронных ключей. Как показано в работе [1, фиг.269-275] все без исключения CR-дифференциаторы с коммутируемой постоянной времени являются источниками нестационарного шума из-за продолжительной "памяти" на предисторию данного, регистрируемого события. Предыдущие срабатывания стабилизатора увеличивают дисперсию высокочастотной составляющей шума. Согласно [1] возникающий нестационарный шум может на 70% увеличивать общий уровень шума. Этот фактор деградации разрешающий способности спектрометра особенно существенен при использовании полупроводниковых детекторов X и "мягкого" g-излучения.

Задача изобретения увеличение быстродействия стабилизатора базовой линии за счет снижения паразитного заряда емкости C_b сигналами низкого уровня и устранения эффекта нестационарного шума. Эта задача решается снижением порогов "привязки" к спектрометрическим импульсам, повышением быстродействия элементов структурной схемы и исключением аналоговой цепи обратной связи за счет замены усилителя ограничителя на нуль-компаратор со стробированием парафазных выходов, применения дифференциального "идеального" интегратора вместо RC-интегратора на выходе стробируемых и управляемых генераторов токов, использования разделительной CR-цепи с ускоренным восстановлением для стробирования нуль-компаратора.

Структурная схема предлагаемого стабилизатора базовой линии приведена на фиг.4 (где 1 линейный усилитель; 2 нуль-компаратор со стробируемыми парафазными выходами; 3 дифференциальный "идеальный" интегратор; 4 - сдвоенный компаратор; 5 разделительная CR-цепь с укороченным временем восстановления).

На фиг.5 показаны эпюры напряжений в выделенных точках схемы.

Предлагаемое устройство содержит усилительную секцию (в данном случае в инвертирующем включении), охваченную импульсной отрицательной обратной связью через нуль-компаратор со стробируемыми парафазными выходами и через дифференциальный "идеальный" интегратор, причем между информационным входом и выходом стробирования нуль-компаратора последовательно включены сдвоенный компаратор с симметрично относительно нуля установленными порогами и разделительная CR-цепь с укороченным временем восстановления после прохождения импульса стробирования.

Предлагаемый стабилизатор работает следующим образом.

В отсутствии спектрометрических импульсов компаратор 2 срабатывает практически на каждый из шумовых импульсов обеих полярностей. Поскольку вероятности пересечения шумовым процессом нулевой линии в обоих направлениях равны, то при нулевом среднем значении процесса и достаточно большой постоянной времени реакция дифференциального интегратора равна нулю. Если по каким-то причинам возникло смещение выходного уровня, то сигналы от нуль-компаратора будут воздействовать преимущественно на один из входов дифференциального интегратора и за счет реакции последнего выходной уровень будет приведен к нулю. Следует отметить, что независимо от величины возникшего смещения и амплитуды шумовых импульсов на входах дифференциального интегратора действуют логические импульсы, а не аналоговые, т.е. стабилизирующая обратная связь в предлагаемом устройстве по своему характеру цифрового типа.

Пороги сдвоенного компаратора 4 равны по модулю и независимо от уровня действующего в спектрометре шума устанавливаются ниже минимальной регистрируемой амплитуды, т.е. около 0,25 0,5% шкалы амплитуд. Часть шумовых импульсов всегда превышает пороги компаратора 4, однако частота его срабатываний из-за ненулевых порогов обязательно ниже, чем у нуль-компаратора, поэтому он заблокирует лишь часть срабатываний последнего, т.е. не влияет на стабилизацию базовой линии спектрометра при отсутствии спектрометрических импульсов. В стабилизаторе-прототипе превышение шумов порогов приводит к эффекту "выпрямления" шума, поэтому этот стабилизатор неэффективен при малых амплитудах.

Появление спектрометрического импульса 1 (фиг. 5, эпюры U_a и U_b) вызывает срабатывание компаратора 4 после достижения порогового напряжения V_p. Через разделительную цепь с укороченным временем восстановления 5 слегка продифференцированным импульсом (фиг. 5, эпюра U_f) блокируется компаратор 2 на все время превышения импульсом блокировки логического уровня его входа стробирования. На обоих логических выходах компаратора 2 устанавливаются равные потенциалы. Дифференциальный интегратор 3 не реагирует на синфазные сигналы и в течение надпороговой длительности спектрометрического импульса сохраняет на своем выходе прежний потенциал. По окончании надпороговой длительности спектрометрического импульса компаратор 4 "отпускает", напряжение на выходе цепи 5 быстро восстанавливается до первоначального значения и компаратор 2 с дифференциальным интегратором 3 продолжают "отслеживать" медленные флюктуации базовой линии на выходе усилителя 1. На эпюрах U_c, U_d, U_e и U_f штриховкой показаны интервалы времени, когда осуществляется блокировка выходов компаратора 2.

Назначение разделительной цепи 5 состоит в том, чтобы подавлять возможный "паралич" [1] стабилизатора. Если вместо цепи 5 применить гальваническую связь, то при наличии на входе усилителя 1 смещения, большего, чем пороги компаратора 4, после включения питания этот компаратор сработает, заблокирует компаратор 2, отключится цепь обратной связи и устройство сможет пребывать в этом состоянии бесконечно долго. Другая причина паралича "групповые" импульсы при цикле занятости d > 100% Постоянная времени цепи 5 выбирается так, чтобы по прошествии установленного времени, большего d_max, сигнал стробирования спал до логического уровня входа управления компаратора 2. После этого выход усилителя через время, определяемое "петлевым" усилением и величиной смещения к моменту обнаружения паралича, приводится к нулю. В стабилизаторе-прототипе этим целям служит "защитный" ток, пропускаемый через резистор R_pr, действующий постоянно и вызывающий динамическое смещение.

Из приведенного ясно, что из-за нулевого порога срабатывания компаратора 2 и расположенных в шумах симметричных низких порогов сдвоенного компаратора 4 реакция интегратора 3 на спектрометрические импульсы при прочих равных условиях существенно слабее, чем в устройстве-прототипе, особенно благодаря полному блокированию выходов компаратора 2. В силу этого динамические погрешности предлагаемого стабилизатора базовой линии при высоких статистических загрузках принципиально ниже, чем для прототипа. Кроме того, отсутствие в цепи "цифровой" обратной связи стабилизируемого усилителя аналоговых элементов таких, как усилитель-ограничитель и стробируемые генераторы управляемого тока, обеспечивает минимальные схемные погрешности.

Что касается эффектов возникновения нестационарного шума, то, как отмечено, в предлагаемом стабилизаторе отсутствует аналоговая связь между выходом усилителя 1 входами интегратора 3. Любое превышение в ту либо иную сторону нулевого порога компаратора 2 вызывает появление на его выходах стандартных, т. е. цифровых изменений напряжения. Таким образом, шумовые импульсы на вход интегратора 3 не поступают и соответственно не могут там запоминаться при появлении спектрометрического сигнала, а затем складываться или вычитаться из суперпозиции сигнала и шума на выходе усилителя 1, вызывая увеличение шумовой дисперсии в момент максимума.

Литература
1. Акимов Ю.К. Игнатьев О.В. и др. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М. Энергоатомиздат, 1989, 344 с.

2. Fairstein E. IEEE Trans. on Nucl. Sci. 1975, v. NS-22, N1, p.453-466.

3. Гольданский В. И. и др. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. М. Физматгиз, 1959, 270 с.

Использование: в области ядерной электроники. Сущность изобретения: устройство содержит усилительную секцию, охваченную импульсной отрицательной обратной связью через нуль-компаратор со стробируемыми парафазными выходами и через дифференциальный "идеальный" интегратор, причем между информационным входом и входом стробирования нуль-компаратора последовательно включены сдвоенный компаратор с симметрично относительно нуля установленными порогами и разделительная CR-цепь с укороченным временем восстановления после прохождения импульса стробирования. Устройство эффективно работает в диапазоне амплитуд 200:1 при факторе занятости d=n_in • T_w ≥ 200%, где n_in - интенсивность спектрометрических импульсов; T_w - их длительность по основанию. 5 ил.

Стабилизатор базовой линии спектрометра ионизирующих излучений, содержащий линейный усилитель, усилитель-ограничитель с парафазными выходами, интегратор и сдвоенный компаратор, отличающийся тем, что усилитель-ограничитель выполнен в виде нуль-компаратора со стробируемыми парафазными выходами, интегратор выполнен в виде дифференциального "идеального" интегратора, в устройство введена разделительная CR-цепь с укороченным временем восстановления, при этом выход линейного усилителя, являющийся выходом стабилизатора, соединен с информационными входами нуль-компаратора и сдвоенного компаратора, а его вход обратной связи с выходом дифференциального "идеального" интегратора, два входа которого подключены к соответствующим парафазным выходам нуль-компаратора, выход сдвоенного компаратора соединен с входом разделительной CR-цепи, а ее выход подключен к входу стробирования нуль-компаратора.