ПРОЦЕССОР СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1997 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к ядерной электронике, точнее к аналоговым устройствам спектрометров ионизирующих излучений. Преимущественное применение спектрометры X и γ излучений с полупроводниковыми детекторами.

Предлагаемый процессор спектрометрических импульсов является разновидностью спектрометрических усилителей, который в отличие от большинства из них содержит не времяинвариантный, а времявариантный формирователь спектрометрических импульсов для максимизации отношения сигнала к шуму (С/Ш) и сокращения времени занятости электронного канала обработкой каждого из спектрометрических импульсов.

В состав типичного спектрометра ионизирующих излучений на базе полупроводникового детектора (ППД) входят помимо собственно ППД: зарядочувствительный предусилитель с тем или иным механизмом восстановления исходного напряжения на емкости обратной связи C_f; линейный спектрометрический усилитель, содержащий собственно усилитель, формирователь спектрометрических импульсов одного из типов, стабилизатор базовой линии и инспектор наложений; аналого-цифровой преобразователь, допускающий управление собой (блокировка входа и сброс "запомненного" амплитудного значения спектрометрического импульса) со стороны инспектора наложений; интерфейс и устройство накопления и цифровой обработки спектрометрической информации (в качестве последних в настоящее время наиболее часто используются персональные компьютеры).

Роль каждого из элементов тракта ППД спектрометра подробно описана в монографии. Зарядочувствительный предусилитель с полевым транзистором на входе служит для преобразования индуцированного излучением в материале ППД заряда в импульс пропорциональной амплитуды. Главное требование внесение минимума шумов со стороны предусилителя. Важнейшей функцией спектрометрического усилителя помимо усиления сигналов до уровня, обеспечивающего последующее преобразование в цифровой код, является максимизация отношения сигнала к шуму (С/Ш) с помощью спектрометрического формирователя с постоянным либо переменным во времени параметрами. Роль остальных элементов очевидна.

В диапазоне X и "мягкого" g излучений существенный, а часто и основной вклад в энергетическое разрешение вносят шумы электронного канала. Основную роль в их подавлении играет спектрометрический усилитель, он же ограничивает быстродействие всего спектрометра. Дело в том, что для максимизации С/Ш при современных полевых транзисторах, используемых в предусилителях, приходится устанавливать пиковое время T_реак сигналов на выходе усилителя до нескольких десятков микросекунд. Если учесть, что в коммерческих спектрометрах чаще всего применяются время инвариантные фильтры, создающие квазигауссову или треугольную импульсную характеристику спектрометра, то длительность спектрометрических импульсов по основанию составляет T_w ≈ 3T_реак, что может достигать 100 микросекунд. Понятно, что вероятность наложений столь длинных сигналов велика уже при интенсивностях в единицы кГц. Все остальные элементы электронного тракта спектрометра имеют гораздо меньшее мертвое время. Радиальным методом повышения быстродействия спектрометра в этих условиях является применение времявариантных спектрометрических формирователей, которые при том же пиковом времени обеспечивает меньшую длительность импульсов по основанию T_w (как правило, незначительно превышающую мертвое время). В этом случае резко снижаются погрешности, обусловленные стабилизатором базовой линии и несколько увеличивается максимально возможная интенсивность неналоженных импульсов на выходе усилителя. Еще более эффективны спектрометры, где спектрометрический формирователь имеет переменное мертвое время, т.е. если происходит наложение спектрометрических импульсов, то сразу после его обнаружения прекращается аналоговая обработка сигналов и осуществляется быстрое принудительное укорачивание возникшей суперпозиции спектрометрических импульсов. Спектрометрический усилитель с времявариантным формирователем является сложным устройством, выполняющим комплекс операций по аналоговой обработке и селекции спектрометрических импульсов, он имеет, как правило, центральное логическое устройство для управления всем комплексом. Такие блоки комплексной аналоговой обработки и селекции спектрометрических импульсов называются аналоговыми или импульсными процессорами. Среди многих аналоговых процессоров наибольшее признание в мире получила группа блоков, выполненных в рамках общей идеологии, получившая название Харуэллских импульсных процессоров (Harwell pulse processrs). Главная отличительная черта этих импульсных процессоров мертвым временем. Упрощенная структурная схема последней из опубликованных разработок этой серии приведена на фиг. 3 (является прототипом).

Устройство прототип содержит (фиг. 3) усилитель A₁, формирователь импульсов обнаружения, линию задержки, буферный усилитель A₂, управляемый RC интегратор с электронными ключами S₁ и S₂; буферный усилитель A₃; стробируемый CR дифференциатор с электронным ключом S₃; буферный усилитель A₄ и устройство таймирования и управления.

В исходном состоянии электронные ключи S₁ и S₃ замкнуты, а S₂ разомкнут. Постоянная времени RC интегратора t_i T_sh, где Т_sh время формирования спектрометрических импульсов. Постоянная времени стробируемого CR дифференциатора τ_d 0.

Рассматриваемый процессор работает следующим образом. Появляющиеся на входе процессора спектрометрические импульсы имеют бесконечную постоянную спада, что обеспечивается импульсной оптической обратной связью в предусилителе. За счет разной напряженности электрического поля в материале ППД эти импульсы могут быть с разным временем нарастания (эпюры U_a на фиг. 4). Для исключения возможного баллистического дефицита предусмотрена возможность стандартизации фронтов всех импульсов с помощью нормально замкнутого ключа S₁ путем размыкания его на время максимально возможной длительности фронта. Для того, чтобы синхронизировать момент размыкания S₁ с началом входного импульса, сигнал поступающий на S₁ задерживается с помощью линии задержки на время, требуемое для получения точной временной привязки с спектрометрическим импульсом. Таймирование осуществляется по точке пересечения нуля "быстрыми" биполярными сигналами (эпюра U_b). В итоге на собственно RC интегратор поступают импульсы со стандартным временем нарастания (эпюра U_e). Благодаря бесконечной постоянной спада входных импульсов, такое укорачивание сигналов не приводит к изменению их амплитуды. Одновременно с началом интервала коррекции времени нарастания T_rc устройство таймирования и управления вырабатывает сигнал на управление стробируемым CR дифференциатором (эпюра U_f), переводя его в состояние c τ_d= ∞ На C_d "запоминается" то напряжение, которое было в момент подачи импульса стробирования.

По окончании интервала T_rc (эпюра U_d) начинается интегрирование суперпозиции сигнала и шума на RC интеграторе в течение времени формирования T_sh с постоянной времени τ_i T_sh (эпюра U_f). На выходе стробируемого интегратора образуется разность действующей на интервале T_sh суперпозиции сигнала и шума и запомненного напряжения в момент стробирования. По окончании интервала времени T_sh на ключ S₁ выдается импульс управления с длительностью T_h (эпюра U_d) для формирования плоского участка на вершине спектрометрического импульса, необходимого для нормальной работы последующего аналого-цифрового преобразователя.

После завершения времени хранения T_h устройство таймирования и управления выдает логический импульс на восстановления предусилителя (путем генерации компенсирующего тока затвора полевого транзистора под действием импульса света), замыкается ключ S₂, уменьшая в m раз (10 15) на время восстановления интегратора T_res постоянную интегрированию и замыкается ключ S₃, чем изолируется выход процессора от RC - интегратора.

Полное восстановление системы происходит за время T_res + T_pr, где T_pr т. н. "защитное" (эпюра U_k), требующееся для того, чтобы на конденсаторе C_i произошло усреднение высокочастотных составляющих шума после возвращения его, т. е. RC интегратора, в режим с нормальной величиной τ_i R_i•C_i. Если следующий спектрометрический импульс возникает в течение интервала T_pr, то его регистрация запрещается с помощью ключей S₂ и S₃, в противном случае шумовые флуктуации амплитудных значений таких сигналов становятся недопустимо высокими. Реакция процессора на спектрометрический импульс, возникающий в течение "защитного" времени T_pr или более ранний период, следующая. При обнаружении такой ситуации ключ S₂ остается в прежнем, замкнутом состоянии либо замыкается, ключ S₃ замыкается. Устройство таймирования и управления выдает сигнал на укорачивание импульсов оптоэлектронной системой в предусилителе. Одновременно генерируется интервал T_res, а по его окончании вновь интервал защиты T_pr. Таким образом, при наложениях не происходит полного цикла формирования импульсов, как во время инвариантных системах. Здесь экономится часть времени T_sh, T_h, T_res и T_pr от первого из наложенных сигналов и полное T_sh от второго и последующих.

Заметим, что восстановление предусилителя оптоэлектронной системой достаточно грубое. Входной сигнал процессора (эпюра U_а) "привязан" к нулю с точностью ± 90 mV, что составляет ± 1,8% при амплитуде + 5 V. Благодаря стробируемому дифференциатору с нулевой исходной постоянной времени, который "запоминает", а потом вычитает из импульса с "подложкой" (± 90 mV) эту подложку, выходные импульсы жестко привязаны к нулевому значению.

Описанный импульсный процессор в настоящее время считается лучшим из известных в мире устройств того же назначения по совокупности таких параметров, как качество фильтрации шумов (коэффициент превышения шума КПШ 1,10 [2] ) и максимальная статистическая загрузка по выходу при данном времени формирования импульсов T_sh.

Однако прототипу свойственны серьезные недостатки.

Во первых, по своей логике восстановления, такой процессор требует использования на своем входе из всего многообразия типов зарядочувствительных предусилителей лишь специально сконструированного предусилителя с оптоэлектронным восстановлением потенциала на емкости обратной связи C_f после каждого из спектрометрических импульсов.

Другой недостаток гораздо более серьезен. Как отмечалось выше, постоянной времени RC интегратора приводит к тому, что после возвращения электронного ключа S₂ в исходное, разомкнутое состояние, на емкости C_i может оказываться "запомненным" шумовой импульс, который был проинтегрирован с малой постоянной времени τ_i /m. Следующий сигнал будет просуммирован с этим шумовым импульсом и окажется с искаженной амплитудой. Для снижения этого эффекта и приходится вводить "защитное" время T_pr. Если для гамма диапазона энергий, где отношение сигнала к шуму относительно велико T_pr 0,5 T_sh, то в X диапазоне, T_pr T_sh. Это приводит к снижению максимально возможной статистической загрузки по выходу процессора.

Еще один недостаток процессора прототипа заключается в том, что одновременно с подавлением баллистического дефицита путем "отсекания" ключом S₁ флуктуирующей начальной части импульсов, происходит формирование плоской части весовой функции W(t), т.е. потеря фильтрующей способности по отношению к "параллельным" источникам шума.

Если три выше перечисленных недостатка гинетически связаны со структурой процессора и алгоритмом его работы, то есть еще один, устранимый соответствующими схемными приемами. Дело в том, что амплитуда выходного импульса при t T_sh в сильной степени зависит от стабильности временного интервала T_sh. Для обеспечения температурной нестабильности амплитуды порядка 10^-2% ^oC и ниже, соответствующий одновибратор должен быть выполнен на основе кварцевого резонатора, что весьма усложняет устройство.

Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков.

Поставленная цель достигается введением в структурную схему процессора т.н. "изодромного" активного интегратора и двух токовых компенсаторов спектрометрических импульсов последовательных приближений с одновременным исключением управления постоянной времени RC интегратора.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого импульсного процессора. Она содержит входной буферный усилитель 1, электрическую линию задержки 2, изодромный интегратор 3, RC интегратор 4, стробируемый CR - дифференциатор с буферным усилителем 5, схема выборки хранения с линейным пропускателем 6, токовый компенсатор последовательных приближений импульсов "изодромного" интегратора 7, токовый компенсатор последовательных приближений импульсов RC интегратора 8, формирователь импульсов обнаружения 9, и устройство таймирования и управления 10, при этом входной буферный усилитель, линия задержки, изодромный интегратор через свой неинвертирующий вход, пассивный RC интегратор, стробируемый CR дифференциатор и узел "выборки - хранения" с линейным пропускателем включены последовательно, вход инспекции наложений устройства таймирования и управления соединен со входом формирователя импульсов обнаружения и с выходом входного буферного усилителя, выход формирователя импульсов обнаружения соединен со входом таймирования устройства таймирования и управления; входы запуска "слежения" (старт) и выходы окончания "слежения" (стоп) токовых компенсаторов изодромного интегратора и RC интегратора соединены попарно с соответствующими выходами и входами устройства таймирования и управления, чьи выходы управления стробируемым CR дифференциатором и схемой "выборки хранения" соединены со входами управления этих узлов; выходы компенсирующих токовых импульсов компенсаторов импульсов изодромного интегратора и RC интегратора соединены попарно с инвертирующим входом изодромного интегратора и с выходом пассивного RC интегратора, соответственно; при это сигнальные входы токовых компенсаторов соединены попарно с выходами обоих интеграторов, соответственно, а входы опорного напряжения токового компенсатора импульсов изодромного интегратора и пассивного RC интегратора соединены, соответственно, с общей шиной устройства и с выходом изодромного интегратора.

На фиг. 2 приведены эпюры напряжений в выделенных точках устройства.

Ряд особенностей отличает предлагаемый процессор от прототипа. Во-первых, это наличие узла, называемого "изодромный" интегратор. Его назначение - формирование из экспоненциальных импульсов на входе ступеней напряжения на выходе с сохранением пропорциональности амплитуд входных и выходных импульсов. Иными словами "изодромный" интегратор это преобразователь постоянной спад спектрометрических импульсов. Ряд схем могут выполнять эту функцию. Важно, чтобы их операторная передаточная функция имела вид:

Лапласово изображение входного экспоненциального импульса имеет вид:

На выходе образуется импульс с изображением:

Выражению (3) соответствует во временной области ступень напряжения с амплитудой:

На фиг. 1 "изодромный" интегратор 3 показан в виде неинвертирующей секции с резистивно-емкостной отрицательной обратной связью.

В предлагаемом устройстве (фиг. 1) содержатся два идентичных узла, названных "токовыми компенсаторами последовательных приближений" (поз. 7 и 8). Они отвечают ряду требований для выполнения возложенных на них функций. Во первых, их выходные сопротивления существенно превышают сопротивления, подключенные к их выходам. Во вторых, величины генерируемых ими компенсирующих токов обеих полярностей не являются функцией амплитуды компенсирующих импульсов, а зависят лишь от числа пересечений процессами на выходах "изодромного" и RC интеграторов нулевой линии. Эти два условия обеспечивают отсутствие влияния токовых компенсаторов последовательных приближений на передаточную функцию по шумам обоих интеграторов. Логика работы токовых компенсаторов, содержащая алгоритм последовательных приближений необходима для достижения максимальной точности компенсации в течение заданного времени. Действительно, если бы токовый компенсатор содержал лишь два стробируемых генераторов токов I_p и I_n положительной и отрицательной полярностей; нуль компаратор, определяющий направление компенсации и обслуживающую логическую схему, то для времени компенсации T_comp было бы справедливо соотношение:

где
U_c напряжение, подлежащее компенсации;
C емкость, напряжение на которой компенсируется;
I_comp компенсирующий ток
Согласно (4) при данных U_c и C чем больше величина I_comp, тем быстрее достигается компенсация накопленного на C заряда. За момент окончания компенсации принимается момент срабатывания нуль компаратора, фиксирующего момент достижения напряжения U_c нулевого значения. Однако, в силу инерционности элементов, входящих в цепь цифровой обратной связи, осуществляющей компенсацию, точное приведение к нулю напряжения U_c с помощью одного лишь значения тока I_comp возможно лишь в течение очень длительного времени. Инерционность элементов проявляется в возникновении перерегулирования, т.е. после срабатывания нуль компаратора в течение времени, определяемого задержкой распространения сигнала, I_comp продолжает действовать в прежнем направлении, вызывая переход процесса через нуль. Величина перерегулирования U_uc определяется формулой:

где T_d суммарная величина задержки.

В реальной схеме величина задержки T_d ≥ 25 nS, C 1 nF. Если положить U_cmax 5,0 V и задаться T_compmax ≅ 500 nS, то согласно (4) I_comp 10 mA. В свою очередь, перерегулирование окажется равным: U_uc 0,25 V, т.е. ошибка компенсации составит 5% от шкалы измеряемых импульсов. Если применить ряд значений тока I_comp, то можно за такое же время восстановления достичь требуемой точности восстановления, например 0,1% Логика поразрядного уравновешивания одна из наиболее эффективных в этом плане.

Следует отметить, что у токового компенсатора импульсов "изодромного" интегратора опорным напряжением, относительно которого происходит компенсация напряжения на информационном входе, является потенциал "земли", т.е. нулевой. Опорный напряжением для компенсатора импульсов RC интегратора служит импульсное напряжение на входе "изодромного" интегратора.

Еще одно отличие предлагаемой структуры от устройства прототипа состоит в том, что снижения "мертвого" времени применяется отдельный узел "выборки - хранения" с линейными пропускателем, а не совмещенный с RC интегратором.

Предлагаемый импульсный процессор работает следующим образом (см. фиг. 2).

Входной спектрометрический импульс экспоненциальной формы (эпюра U_а) разветвляется на 3 направления: на вход линии задержки 2, на вход формирователя импульсов обнаружена 9 и на входе инспекции наложений устройства таймирования и управления 10. Электрическая длина линии задержки 2 выбрана чуть больше, чем задержка момента обнаружения спектрометрического импульса по отношению к его началу (в данном конкретном случае это момент пересечения нуля импульсом U_b на выходе формирователя 9).

На выходе "изодромного" интегратора 3 возникает ступень напряжения (эпюра U_d) с передним фронтом, повторяющим форму фронта входного импульса. Одновременно, либо с некоторой задержкой по отношению к началу импульса на входе "изодромного" интегратора, устройства управления 10 выдает импульс U_k на запуск токового компенсатора 8 импульсов RC интегратора. По этой команде за несколько тактов регулирования, составляющих интервал компенсации T_comp (в данном случае за 4 такта), выходной сигнал RC - интегратора U_e становится равным по амплитуде сигналу U_d. Импульс U_m формируется после достижения заданной точности отслеживания. Заметим, что интегрирование шумов идет непрерывно с одной и той же постоянной времени τ_RC≈ T_sh как в присутствии, так и в отсутствии сигнала.

По истечении времени T_sh, отсчитываемого от начала спектрометрического импульса (эпюра U_d) устройство таймирования и управления 10 выдает импульс U_g на запуск токового компенсатора 7 импульсов "изодромного" интегратора. Через один или два такта восстановления "изодрома" запускается и токовый компенсатор 8, приводящий вслед за выходом "изодромного" интегратора и выход RC интегратора к нулю. Одновременно с началом восстановления "изодромного" интегратора устройством управления 10 генерируется импульс U_p, по которому узел 6, содержащий схему "выборки хранения" и линейный пропускатель переводится в режим формирования выходного, стандартизированного по длительности импульса U_f; схема "выборки-хранения" переходит в режим "хранение, а линейный пропускатель на ту же длительность сигнала U_p переходит в открытое состояние.

Стробируемый CR дифференциатор 5 с нулевой постоянной времени переходит по управляющему импульсу U_n в состояние с постоянной времени τ_ск_→ ∞ на время от начала импульса U_c до начала восстановления RC интегратора. По окончании времени восстановления RC интегратора, процессор возвращается в исходное состояние и готов к обработке следующего события. Отметим, что с целью минимизации "мертвого" времени параметры токовых компенсаторов спектрометрических импульсов необходимо выбирать так, чтобы время восстановления Т_comp ≅ T_out, где T_out - длительность стандартизованного по форме выходного спектрометрического импульса.

Особые случай реакция процессора на ситуацию, когда инспектор наложений устройства таймирования и управления обнаруживает появление на интервале T_sh второго спектрометрического импульса (импульсы 2 и 3 фиг. 2). На начальной стадии обработки импульса 3 процессы протекают точно также, как и в случае импульса 1. Поскольку, как отмечалось, электрическая длина линии задержки несколько превышает интервал обнаружения спектрометрического импульса, то факт появления импульса 3 устанавливается до того, как он успевает исказить амплитуду сигналов 2 на выходах обоих интеграторов. До его появления устройства таймирования и управления 10 генерирует сигналы, по которым узел 6 "выборки хранения" и линейного пропускателя начинают формирование выходного импульса, а токовый компенсатора 7 начинает цикла восстановления "изодромного" интегратора 3. В процессе прототипе оба сигнала 2 и 3 теряются для анализа. Алгоритм восстановления сохраняется тем же, что и для одиночного сигнала 1. Лишь в тех случаях, когда интервал времени между моментами возникновения сигналов 2 и 3 слишком мал по соображениям фильтрации шума, формирование выходного импульса U_f не происходит.

Предлагаемый процессор спектрометрических импульсов, как видно из рассмотрения его структуры и алгоритма функционирования, сохраняет лучшие качества прототипа и свободен от важнейших его недостатков:
1. Процессор легко сопрягается с любым из известных стандартных зарядочувствительных предусилителей.

2. В предложенном время вариантом формирователе не возникает "коммутационный", т. е. нестационарный шум, как это свойственно прототипу, поэтому нет необходимости введения "защитного" интервала времени T_pr вслед за каждым сигналом (для прототипа T_pr T_sh). Более того, осуществляется режим адаптации времени формирования T_sh к интервалам времени между соседними спектрометрическими импульсами, чем достигается компромисс между быстродействием и разрешающей способностью.

3. Благодаря отсутствию изменений амплитуды собственно спектрометрических импульсов и наличию компенсатора 8, осуществляющие "слежение" за выходом "изодромного" интегратора, нет необходимости в "отсекании" начальной части спектрометрических импульсов с помощью ключа в RC интеграторе, что приводило к потере фильтрующей способности процессора по отношению к шумам "параллельных" источников.

4. Благодаря принципиальной неизменности амплитуды импульса на выходе RC интегратора, снимаются жесткие требования на стабильность одновибратора, задающего интервал формирования T_sh.

Сущность изобретения: предложенный процессор спектрометрических импульсов является усилителем с времявариантным формированием сигналов полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений. В отличие от других устройств этого рода обладает следующими особенностями: время формирования автоматически устанавливается под интервал между каждым данным и последующим импульсами блока детектирования для предотвращения наложений сформированных сигналов; не вносит в спектрометр нестационарный, т.е. зависимый от скорости счета шум; сопрягается с любым стандартным блоком детектирования; подавляет баллистический дефицит; обладает повышенной температурной и долговременной стабильностью коэффициента передачи. 4 ил.

Процессор импульсных сигналов, содержащий входной буферный усилитель, электрическую линию задержки, RC-интегратор, стробируемый CR-дифференциатор, формирователь импульсов обнаружения и устройство таймирования и управления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит изодромный интегратор, токовый компенсатор последовательных приближений импульсов изодромного интегратора, токовый компенсатор последовательных приближений импульсов RС-интегратора и узел выборки-хранения с нормально закрытым линейным пропускателем, при этом входной буферный усилитель, линия задержки, изодромный интегратор через свой неинвертирующий вход, пассивный RS-интегратор, стробируемый CR-дифференциатор и узел выборки-хранения с линейным пропусканием включены последовательно, вход инспекции наложений устройства таймирования и управления соединен с входом формирователя импульсов обнаружения и с выходом входного буферного усилителя, выход формирователя импульсов обнаружения соединен с входом таймирования устройства таймирования управления, входы запуска "слежения" (старт) и выходы окончания "слежения" (стоп) токовых компенсаторов изодромного интегратора и RC-интегратора соединены попарно с соответствующими выходами и входами устройства таймирования и управления, чьи выходы управления стробируемым CR-дифференциатором и схемой выборки-хранения соединены с входами управления этих узлов, выходы компенсирующих токовых импульсов компенсаторов импульсов изодромного интегратора RC-интегратора соединены попарно с инвертирующим входом изодромного интегратора и с выходом пассивного RC-интегратора соответственно, при этом сигнальные входы токовых компенсаторов соединены попарно с выходами обоих интеграторов соответственно, а входы опорного напряжения токового компенсатора импульсов изодромного интегратора и пассивного RC-интегратора соединены соответственно с общей шиной устройства и с выходом изодромного интегратора.