УСТРОЙСТВО ТАЙМИРОВАНИЯ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1997 года по МПК G01T1/24 H01J49/00 

Изобретение относится к ядерной электронике, точнее, к полупроводниковым спектрометрам ионизирующих излучений низких энергий.

В современных спектрометрам энергий ионизирующих излучений с полупроводниковыми детекторами (ППД) все большее распространение находят различные устройства таймирования спектрометрических импульсов, т.е. временной привязки к ним. Упомянутые устройства используются в инспекторах наложенных событий, во многом определяя эффективность режекции наложенных событий [1] Другое их применение создание спектрометров с упрощенной формой аппаратурной линии (спектрометры полного поглощения с защитой антисовпадениями, "комптоновские" и "парные" спектрометры) а также других установок для корреляционных измерений [2,3] Еще одно важное применение устройств таймирования управление запуском спектрометрических формирователей время-вариантного типа [4]
Существует ряд принципов построения и множество схемных реализаций устройств таймирования спектрометрических импульсов. Наиболее известные методы таймирования: а) метод постоянного порога "LET" (Leading Ege Timing), б) метод привязки к пересечению нуля "ZCT" (Zero Cross Timing), в) метод "следящего" порога "CFT" (Constant Fraction Timing) [5,6]
Все перечисленные методы успешно применяются в сцинтилляционных спектрометрах, а также в полупроводниковых спектрометрах средних и высоких энергий (Е >150-200 кэВ), где отношение сигнала к шуму достаточно высоко и во временном канале спектрометра можно не заботиться об оптимальной фильтрации шума.

Три основных параметра характеризуют устройство таймирования, применяемое в полупроводниковых спектрометрах Х-диапазона (0,5-150 кэВ):
1) смещение временной отметки по отношению к началу импульса;
2) временная неопределенность временной отметки, которая при идеально быстром дискриминаторе имеет 2 составляющие "гуляние" (walk), т.е. зависимость отметки от амплитуды и "дрожание" (jitter) под действием шумов;
3) минимальная детектируемая амплитуда.

Методы таймирования а) и в) могут обеспечить при определенных условиях несмещенную или мало смещенную временную отметку. Метод б) всегда дает смещенную временную отметку, момент привязки отстоит от начала исходного, подвергаемого дифференцированию, импульса на время, не меньшее, чем его пиковое время.

Ряд устройств ядерной электроники требуют для своего успешного функционирования применения ARTC схем с несмещенной (малосмещенной) временной отметкой. Это необходимо для организации селекции импульсов по времени нарастания в спектрометрах с большеобъемными германиевыми детекторами; в спектрометрах с так называемыми "теплыми" полупроводниковыми HgI₂, CdTe детекторами, а в последнее время и с "теплыми" кремниевыми ППД. Во всех этих спектрометрах часть спектрометрических импульсов искажена баллистическим "дефицитом" и "трэппинг" эффектом [7] т.е. их амплитуда непропорциональна энергии кванта, поглощенного в ППД. Такие события идентифицируют, в частности, по времени нарастания. Для этого можно применять два таймирующих устройства. Временная отметка первого из них (ARTC) должна быть нечувствительна к флуктуациям формы и амплитуды и соответствовать началу импульса, а отметка второго должна быть инвариантной лишь по отношению к изменениям амплитуды. Чаще всего в качестве устройства таймирования, чувствительного к флуктуациям формы импульсов используют ZCT схемы, а их временные отметки совпадают с максимумом неискаженного спектрометрического импульса [8] Подобным образом можно инспектировать и наложенные во времени события.

Большинство современных ARTC таймирующих устройств используют известный принцип, иллюстрируемый фиг.1 [6]
Компаратор K₁ является таймирующим, a K₂ служит цели предотвращения ложных срабатываний от шумовых сигналов. Входной сигнал поступает на два входа таймирующего компаратора K₁. На прямой вход с задержкой T₃, а на инверсный поступает фракция f R₂/(R₁ + R₂). Компаратор K₁ реагирует на момент пересечения разностным биполярным сигналом (U_c -U_b). Для случая линейного фронта входного сигнала точка отметки T₀ дается выражением:
T₀ T₃•(1-f) (1)
при этом электрическая длина линии задержки T₃ выбирается из условия:
T3 ≅ T_Hmin•(1-f) (2)
где T_Hmin минимальное время нарастания входного сигнала.

При отсутствии защитного компаратора К₂ шумовые импульсы вызывают большое число ложных срабатываний устройства таймирования. Из временных диаграмм на фиг. 1б видно, что наличие K₂ исключает их путем стробирования K₁. Нечувствительность устройства таймирования к изменению формы сигнала тем выше, чем ближе момент таймирования T₀ к началу импульса, т.е. согласно [1] тем меньше задержка T₃ или фракция f. Стремление увеличить точность хронирования в условиях переменной формы спектрометрических импульсов приводит к росту минимальной детектируемой амплитуды (пунктир на фиг. 1б) из-за позднего поступления на K₁ разрешающего сигнала от K₂. Таким образом, классическая схема малоприменима там, где велик относительный уровень шума, т.е. в ППД - спектрометрах низких и средних энергий.

Существует устройство таймирования класса ARTC, свободное от недостатка, присущего классической схеме. Это устройство [9] является прототипом. Его функциональная схема приведена на фиг.2, а временные диаграммы на фиг.3.

Устройство-прототип содержит таймирующий компаратор, к выходу которого подключен преобразователь "время амплитуда" (формирователь пилообразного напряжения); на выходе преобразователя "Т _→ А" включены амплитудный дискриминатор и перестраиваемый аттенюатор пилообразного напряжения, чей выход соединен со входом порогового напряжения компаратора нуля. Сигнальный вход этого компаратора является аналоговым входом устройства таймирования, а выход амплитудного дискриминатора является выходом устройства таймирования.

Устройство-прототип работает следующим образом (фиг.3). На аналоговый вход устройства (эпюра U_a) поступает аддитивная смесь электронных шумов и несимметричных биполярных импульсов, точка пересечения нуля которых достаточно близка к началу сигнала. Положение этой точки на временной оси жестко связано с началом исходного спектрометрического импульса.

Исходный порог таймирующего компаратора равен нулю, поэтому он реагирует на каждый шумовой импульс (или их суперпозицию) положительной полярности. На выходе таймирующего компаратора образуются логические импульсы с переменной длительностью, в зависимости от времени превышения процессом порогового напряжения таймирующего компаратора (эпюра U_b).

На выходе преобразователя "время амплитуда" образуется квазилинейное напряжение (эпюра U_c) с амплитудой, пропорциональной длительности сигналов на выходе компаратора нуля. Аттенюированное пилообразное напряжение преобразователя поступает в качестве порогового напряжения на соответствующий вход компаратора нуля (эпюра U_d).

Выделение полезных сигналов на фоне шума базируется на факте различной их длительности, а именно шумовые сигналы в силу их статистической природы всегда короче, чем спектрометрические импульсы. Порог амплитудного дискриминатора устанавливается таким образом, чтобы его срабатывание происходило вблизи вершины биполярного сигнала, а коэффициент аттенюации пилообразного напряжения выбирается из условия, чтобы средняя частота ложных срабатываний устройства таймирования на шумовые импульсы не превышала заранее заданного предела (обычно 10-100 Гц). Совершенно очевидно, что если порог амплитудного дискриминатора соответствует точке максимума спектрометрического импульса, то величина аттенюированного пилообразного напряжения в этот момент может не превышать амплитудного значения шумов. Таким образом, устройство-прототип осуществляет привязку к началу спектрометрического импульса в максимально широком амплитудном диапазоне, расширенном за счет дискриминации по длительности в область малых амплитуд.

Однако устройству-прототипу [9] свойствен серьезный недостаток. Он обусловлен тем, что таймирующий компаратор оказывается охваченным петлей отрицательной обратной связи через преобразователь "время амплитуда" и перестраиваемый аттенюатор, что накладывает жесткие ограничения на амплитудно-частотную характеристику таймирующего компаратора, величину частотного полюса, связанного с преобразователем "время амплитуда" и коэффициент аттенюации пилообразного напряжения. При достаточно большом коэффициенте усиления по постоянному току компаратора и неоднополюсной его передаточной характеристике схема, содержащая таймирующий компаратор и преобразователь "время амплитуда", самовозбуждается, становясь генератором колебаний [10,11]
Применение в устройстве-прототипе относительно медленных прецизионных компараторов типа 597СА3 и подобных им, имеющих усиление по напряжению около K_v ≈ 200000 и многополюсную амплитудно-частотную характеристику, заставляет для достижения устойчивости к генерации сильно аттенюировать пилообразное напряжение, поступающее на пороговый вход компаратора нуля. Это необходимо, чтобы на тех частотах, где фазовый сдвиг достигает 180^o, "петлевое" усиление было менее 1 (условие отсутствия генерации). Однако, если уровень шума относительно велик, как это имеет место в Х-спектрометрах, то схема оказывается неработоспособной, поскольку, как отмечалось выше, аттенюированное пилообразное напряжение в момент таймирования должно превышать пиковые значения шума. Например, для типичного спектрометра с CdTe "теплым" ППД пиковые значения шума составляют около 1,5 кэВ (шумовые выбросы одной полярности), что на шкале 15 кэВ дает отношение сигнала к шуму не более 10. Если размах пилообразного напряжения (эпюра U_c) 5B, а амплитуда спектрометрических импульсов 10В (эпюра U_a), то порог U_d в момент таймирования должен быть не менее 1В. Отсюда коэффициент передачи аттенюатора K_ATT 0,2, а "петлевое" усиление от точки "а" до точки "d" оказывается равным: A_c K_v•K_ATT=2•10⁵•0,2= 4•10⁴.

В схемах, в которых приняты специальные меры по созданию квазиоднополюсной передаточной характеристики и с операционными усилителями с временем реакции порядка 50-100 нс, "петлевое" усиление редко превышает (10-20)•10³. При большем петлевом усилении для устойчивости требуется частотная коррекция.

Изобретение сохраняет все достоинства устройства-прототипа, но свободно от его недостатка неустойчивости к самовозбуждению при низком отношении сигнала к шуму. Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 4, а временные диаграммы на фиг.5.

Устройство таймирования содержит, как и прототип, последовательно включенные таймирующий компаратор нуля 1, время-амплитудный преобразователь 2 и амплитудный дискриминатор 3. Кроме того, предлагаемо устройство таймирования содержит последовательно включенные между аналоговым входом устройства и пороговым входом таймирующего компаратора нуль-компаратор 4, линейный пропускатель 5 и формирователь пороговых импульсов 6. На аналоговый вход линейного пропускателя 5 от внешнего устройства подается пороговое напряжение, соответствующее пиковой амплитуде шума. Предлагаемое устройство таймирования спектрометрических импульсов работает следующим образом. В исходном состоянии, т. е. при отсутствии шумовых импульсов положительной полярности, выход нуль-компаратора 4 находится в положении "0", линейный пропускатель 5 закрыт, пороговое напряжение таймирующего компаратора 1 равно нулю и его выход в состоянии "0". Соответственно в нулевом состоянии находятся выходы преобразователя "время амплитуда" (поз. 2) и амплитудного дискриминатора (поз.3).

Появление на входе устройства таймирования шумового или спектрометрического импульса приводит к одновременному срабатыванию таймирующего и нуль-компараторов, как только сигнал превысит нулевое значение (эпюры U_b и U_f на фиг. 5). При этом длительность сигнала U_f равна времени превышения импульсом нулевого значения, а длительность сигнала U_b зависит от уровня шума, в соответствии с которым устанавливается порог U_th и длительности сигнала. Срабатывание нуль-компаратора вызывает открытие линейного пропускателя 5, на выходе которого образуется прямоугольный импульсный сигнал с амплитудой, пропорциональной величине порога U_th (эпюра U_g на фиг. 5). Назначение и формирователя пороговых импульсов 6 состоит в предании требуемой формы импульсному пороговому напряжению U_d таймирующего компаратора 1. Оптимальный случай совпадение форм спектрометрического и порогового импульсов на интервале Δt T_реак от момента пересечения нуля до максимума спектрометрического импульса. Это обеспечивает обнаружение спектрометрических импульсов с амплитудой вблизи уровня шума. Рост порогового напряжения U_d выбирается таким, чтобы в момент максимума спектрометрического импульса U_a оно достигало значения U_th, равного амплитудному значению шума. Если импульс шумового происхождения, то за время T_реак его амплитуда станет меньше, чем U_th и компаратор 1 сбросится в "0". Следовательно, линейно растущее напряжение на выходе преобразователя "время амплитуда" не достигнет значения U_ref, амплитудный дискриминатор не сработает и сигнал временной отметки не возникнет. Если импульс спектрометрический (на эпюре U_a выделен штриховкой), длительность выходного импульса таймирующего компаратора превысит Δt T_реак, соответственно сработает амплитудный дискриминатор.

Предложенное устройство обладает всеми достоинствами прототипа, но в нем принципиально невозможно самовозбуждение, так как таймирующий компаратор 1 не охвачен цепью отрицательной обратной связи как в предыдущей схеме.

Сущность изобретения: устройство таймирования спектрометрических импульсов, содержит последовательно включенные таймирующий компаратор, преобразователь "время - амплитуда" и амплитудный дискриминатор. Дополнительно содержит последовательно включенные между собой нуль-компаратор, нормально-закрытый линейный пропускатель и формирователь пороговых импульсов. При этом сигнальные входы таймирующего и нуль-компараторов соединены между собой и с аналоговым входом устройства таймирования, выход нуль-компаратора подключен ко входу управления линейного пропускателя, чей аналоговый вход является входом порогового напряжения, равного амплитудному значению шума, выход - входом формирователя пороговых импульсов, выход которого соединен с пороговым входом таймирующего компаратора. 5 ил.

Устройство таймирования спектрометрических импульсов, содержащее последовательно включенные таймирующий компаратор, преобразователь время - амплитуда и амплитудный дискриминатор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно включенные между собой нуль-компаратор, нормально-закрытый линейный пропускатель и формирователь пороговых импульсов, при этом сигнальные входы таймирующего и нуль-компараторов соединены между собой и с аналоговым входом устройства таймирования, выход нуль-компаратора подключен к входу управления линейного пропускателя, чей аналоговый вход является входом порогового напряжения, равного амплитудному значению шума, выход входом формирователя пороговых импульсов, выход которого соединен с пороговым входом таймирующего компаратора.