ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ КАНАЛ Российский патент 2000 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к ядерной электронике и может быть использовано в рентгеновских спектрометрах.

Известен электронный рентгеновский спектрометрический канал (измеритель ионизирующих излучений), содержащий детектор ионизирующих излучений, импульсный усилитель, разделительный конденсатор, три ключа, интегратор, регистратор, пороговый элемент и блок управления [1].

К недостаткам данного устройства относится низкая загрузочная способность, обусловленная блокировкой входа на время измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа цифровой процессор спектрометрических импульсов [2] , содержащий зарядочувствительный предусилитель (ЗЧП), усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый и второй регистры, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй регистры сдвига, быстрый фильтрующий усилитель (БФУ), потенциометр, компаратор, блок управления, блок сопряжения, выходную шину, причем выход ЗЧП соединен с входами усилителя и БФУ, выход усилителя соединен с входом АЦП, выходная шина которого соединена с соответствующими информационными входами первого регистра, выходы которого соединены с первой группой входов первого сумматора, выходы которого соединены с информационными входами первого регистра сдвига, выходы которого соединены с второй группой входов первого сумматора, с первой группой входов второго сумматора и с информационными входами второго регистра сдвига, выход БФУ соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с первым выводом потенциометра, второй и третий выводы которого соединены соответственно с общей шиной и источником питания, выход компаратора соединен с входом блока управления, первый и второй выходы которого соединены с тактовыми входами первого и второго регистров сдвига, вход управления ЗЧП соединен с третьим выходом блока управления, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с тактовыми входами АЦП и первого регистра, младший разряд первой группы входов третьего сумматора соединен с источником потенциала лог. "1", остальные разряды соединены с общей шиной, выходы второго регистра сдвига соединены с второй группой входов третьего сумматора, выходы которого соединены с второй группой входов второго сумматора, выходы которого соединены с информационными входами второго регистра, тактовый вход которого соединен с тактовым входом блока сопряжения, первые входы выбора режима первого и второго регистров сдвига соединены с источником потенциала лог. "1", вход установки первого регистра сдвига соединен с шестым выходом блока управления, вторые входы выбора режима первого и второго регистров сдвига соединены с седьмым выходом блока управления, входы информации при сдвиге данных влево первого и второго регистров сдвига соединены с общей шиной, выходы второго регистра соединены с входами блока сопряжения, выходы и входы управления которого соединены с соответствующими линиями выходной шины, тактовый вход второго регистра соединен с восьмым выходом блока управления.

Недостатками данного устройства являются низкая загрузочная способность, обусловленная цифровой обработкой в реальном масштабе времени, а также низкая загрузочная способность, обусловленная наличием ключа в ЗЧП.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении загрузочной способности и чувствительности спектрометрического канала.

Это достигается тем, что в электронный рентгеновский спектрометрический канал, содержащий ЗЧП, вход которого является входом устройства в целом, АЦП, блок управления, блок сопряжения, шина данных и входы адреса которого соединены с соответствующими линиями выходной шины, введены усилитель-формирователь, масштабирующий усилитель, блок защиты от амплитудных перегрузок, цифровой компаратор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), причем выход ЗЧП соединен со входом усилителя-формирователя, выход которого соединен со входом масштабирующего усилителя, выход которого соединен со входом блока защиты от амплитудных перегрузок, выход которого соединен с входом АЦП, шина данных которого объединена с шинами данных цифрового компаратора и ОЗУ и со входами блока сопряжения, управляющие выходы которого соединены с командными входами блока управления, первые выходы которого соединены с управляющими входами масштабирующего усилителя, второй выход блока управления соединен со входом управления выходной шиной АЦП, третий выход блока управления соединен с тактовым входом АЦП, четвертые выходы блока управления соединены с шиной порогового кода цифрового компаратора, выход которого соединен с входом разрешения записи блока управления, пятый выход блока управления соединен со входом разрешения записи ОЗУ, шестой выход блока управления соединен со входом выборки ОЗУ, седьмые выходы блока управления соединены с адресными входами ОЗУ.

Кроме того, блок управления включает в себя регистр, генератор тактовых импульсов, логический элемент 4И-НЕ, логический элемент 2И, логический элемент 2И-НЕ, и счетчик адреса, причем входы регистра являются командными входами блока управления, первые выходы регистра являются первыми выходами блока управления, второй выход регистра является вторым выходом блока управления, третий выход регистра соединен с первым входом логического элемента 2И, четвертые выходы регистра являются четвертыми выходами блока управления, пятый выход регистра соединен с объединенными первыми входами логических элементов 4И-НЕ и 2И-НЕ, а также является шестым выходом блока управления, шестой выход регистра соединен со входом сброса счетчика адреса, выход переполнения которого соединен со вторым входом логического элемента 4И-НЕ, третий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, являющимся третьим выходом блока управления, входом разрешения записи которого является четвертый вход логического элемента 4И-НЕ, выход которого объединен со вторыми входами логических элементов 2И-НЕ и 2И, выход логического элемента 2И-НЕ является пятым выходом блока управления, выход логического элемента 2И соединен с тактовым входом счетчика адреса, информационные выходы которого являются седьмыми выходами блока управления.

Кроме того, блок сопряжения включает в себя шинный формирователь и дешифратор адреса, входы которого являются адресными входами блока сопряжения, выход дешифратора адреса соединен с управляющим входом шинного формирователя, магистральные входы/выходы которого являются шиной данных блока сопряжения, входы шинного формирователя являются входами данных блока сопряжения, управляющими выходами которого являются выходы шинного формирователя.

Сущность изобретения поясняется чертежом 1, на котором изображена структурная схема предлагаемого электронного рентгеновского спектрометрического канала, на чертеже 2 - структурная схема блока управления, а на чертеже 3 - структурная схема блока сопряжения.

Электронный рентгеновский спектрометрический канал содержит ЗЧП 1, усилитель-формирователь 2, масштабирующий усилитель 3, блок защиты от амплитудных перегрузок 4, АЦП 5, блок управления 6, цифровой компаратор 7, ОЗУ 8, блок сопряжения 9, выходную шину 10. Вход ЗЧП 1 является входом устройства, выход ЗЧП 1 соединен со входом усилителя-формирователя 2. Выход усилителя-формирователя 2 соединен со входом масштабирующего усилителя 3, выход которого соединен со входом блока защиты от амплитудных перегрузок 4, выход которого соединен с входом АЦП 5. Шина данных АЦП 5 объединена с шинами данных цифрового компаратора 7 и ОЗУ 8 и со входами данных блока сопряжения 9. Шина данных и входы адреса блока сопряжения 9 соединены с соответствующими линиями выходной шины 10, а его управляющие выходы соединены с командными входами блока управления 6. Первые выходы блока управления 6 соединены с управляющими входами масштабирующего усилителя 3. Второй выход блока управления 6 соединен со входом управления выходной шиной АЦП 5. Третий выход блока управления 6 соединен с тактовым входом АЦП 5. Четвертые выходы блока управления 6 соединены с шиной порогового кода цифрового компаратора 7. Выход цифрового компаратора 7 соединен с входом разрешения записи блока управления 6. Пятый выход блока управления 6 соединен со входом разрешения записи ОЗУ 8. Шестой выход блока управления 6 соединен со входом выборки ОЗУ 8. Седьмые выходы блока управления 6 соединены с адресными входами ОЗУ 8.

Блок управления 6 включает в себя регистр 11, генератор тактовых импульсов 12, логический элемент 4И-НЕ 13, логический элемент 2И 14, логический элемент 2И-НЕ 15 и счетчик адреса 16. Входы регистра 11 являются командными входами блока управления 6. Первые выходы регистра 11 являются первыми выходами блока управления 6. Второй выход регистра 11 является вторым выходом блока управления 6. Третий выход регистра 11 соединен с первым входом логического элемента 2И 14. Четвертые выходы регистра 11 являются четвертыми выходами блока управления 6. Пятый выход регистра 11 соединен с объединенными первыми входами логических элементов 4И-НЕ 13 и 2И-НЕ 15, а также является шестым выходом блока управления 6. Шестой выход регистра 11 соединен со входом сброса R счетчика адреса 16. Выход переполнения Р счетчика адреса 16 соединен со вторым входом логического элемента 4И-НЕ 13. Третий вход логического элемента 4И-НЕ 13 соединен с выходом генератора тактовых импульсов 12, который является третьим выходом блока управления 6. Входом разрешения записи WE блока управления 6 является четвертый вход логического элемента 4И-НЕ 13. Выход логического элемента 4И-НЕ 13 объединен со вторыми входами логических элементов 2И-НЕ 15 и 2И 14. Выход логического элемента 2И-НЕ 15 является пятым выходом блока управления 6. Выход логического элемента 2И 14 соединен с тактовым входом С счетчика адреса 16, информационные выходы которого являются седьмыми выходами блока управления 6.

Блок сопряжения 9 включает в себя шинный формирователь 17 и дешифратор адреса 18. Входы дешифратора адреса 18 являются адресными входами блока сопряжения 9. Выход дешифратора адреса 18 соединен с управляющим входом шинного формирователя 17, магистральные входы/выходы которого соединены с шиной данных блока сопряжения 9. Входы шинного формирователя 17 являются входами данных блока сопряжения 9, управляющими выходами которого являются выходы шинного формирователя 17.

Устройство функционирует следующим образом. Статистически распределенные во времени и по амплитуде импульсы тока с выхода детектора (не показан) преобразуются в импульсы напряжения посредством зарядочувствительного усилителя 1. Его выходные импульсы напряжения укорачиваются с помощью усилителя-формирователя 2. Сформированные на его выходе информативные импульсы напряжения экспоненциальной формы, через масштабирующий усилитель 3 с управляемым коэффициентом усиления и устройство защиты от амплитудных перегрузок 4 поступают на аналоговый вход АЦП 5. Он осуществляет выборку и преобразование в цифровой код мгновенных значений напряжения на аналоговом входе. Период выборки много меньше, чем длительность входных экспоненциальных импульсов напряжения. Выходные коды АЦП 5 поступают на первую шину данных цифрового компаратора 7, который сравнивает их с пороговым уровнем, задаваемым блоком управления 6. Пороговый уровень цифрового компаратора устанавливается выше максимальной амплитуды электронного шума в интервале между информативными импульсами. Цифровой компаратор 7 разрешает запись в ОЗУ 8 кодов, превышающих заданный пороговый уровень. Таким образом, осуществляется фильтрация неинформативных отсчетов. Информативные отсчеты в течение интервала экспозиции записываются в ОЗУ 8. По окончании интервала экспозиции блок управления 6 запрещает запись в ОЗУ 8 и переводит выходы АЦП 5 в третье состояние. Через блок сопряжения 9 и выходную шину 10 осуществляется считывание в память ЭВМ (не показана) накопленных в ОЗУ 8 информативных данных. ЭВМ выполняет выделение отдельных импульсов из считанного массива данных и вычисление амплитуды каждого импульса методом интерполирования следующим образом. По набору мгновенных отсчетов ЭВМ осуществляет вычисление интерполяционного полинома (например, интерполяционного полинома Ньютона), описывающего импульс во временной области. При этом порядок m полинома определяется требуемой точностью анализа, а количество отсчетов на один импульс должно быть не менее m+3. Затем осуществляется вычисление максимума этого полинома, являющегося амплитудой импульса. По результатам вычислений строится амплитудное распределение импульсов, являющееся конечным результатом преобразования.

Блок управления 6 функционирует следующим образом. Управляющие команды поступают в регистр 11 через устройство сопряжения 9. Перед началом интервала анализа в регистр 11 выдается команда сброса счетчика адреса 16, код коэффициента усиления масштабирующего усилителя 3 и код порога цифрового компаратора 7. Затем на время экспозиции в регистр 11 выдается команда, разрешающая запись информативных отсчетов в ОЗУ 8. Генератор тактовых импульсов 12 осуществляет тактирование АЦП 5. При поступлении от цифрового компаратора 7 сигнала "больше или равно" логический элемент 4И-НЕ 13 пропускает импульс генератора тактовых импульсов 12, и на выходе логического элемента 2И-НЕ 15 вырабатывается сигнал, разрешающий запись в ОЗУ 8 очередного отсчета, а на выходе логического элемента 2И 14 формируется импульс, увеличивающий содержимое счетчика адреса 16 на единицу. По окончании времени экспозиции в регистр 11 выдается команда, запрещающая запись в ОЗУ 8, переводящая выводы АЦП 5 в третье состояние сигналом со второго выхода регистра, а также устанавливающая сигналы на пятом и шестом выходах блока управления в режим считывания данных из ОЗУ 8. Считывание данных через блок сопряжения 9 в ЭВМ осуществляется циклически, с увеличением на единицу содержимого счетчика адреса 16 импульсом, который формируется на выходе регистра 11 по команде от ЭВМ и поступает через элемент 2И 14 на тактовый вход счетчика адреса 16 в каждом цикле. По окончании считывания данные в ОЗУ 8 стираются следующим образом. Выходы АЦП 5 переводятся в третье состояние сигналом на втором выходе блока управления. В регистр 11 выдается команда записи в ОЗУ 8. Производится непрерывная запись начального состояния (единиц) во все ячейки ОЗУ 8. По заполнении ОЗУ 8 счетчик адреса 16 вырабатывает сигнал переполнения Р, который через логический элемент 4И-НЕ 13 запрещает запись.

Блок сопряжения 9 функционирует следующим образом. При обмене информацией между ЭВМ и электронным рентгеновским спектрометрическим каналом ЭВМ через выходную шину 10 (например, магистраль ISA IBM PC) выдает один из адресов портов ввода/вывода, выделенных для ОЗУ 8 или регистра 11. Дешифратор адреса 18 по поступлении адреса формирует сигнал, разрешающий передачу информации через шинный формирователь 17 из ЭВМ в регистр 11 или из ОЗУ 8 в ЭВМ.

Таким образом в предложенном устройстве благодаря введению цифрового компаратора 7 и ОЗУ 8 обработка информации производится после накопления данных. Это исключает пропуски импульсов, возможные при обработке информации во время накопления данных, что имеет место в прототипе. Благодаря этому заявляемое устройство обладает существенно повышенной по сравнению с прототипом загрузочной способностью. Кроме того, вместо формирования спектрометрического импульса посредством ЗЧП с ключом, применяемого в прототипе, использован более чувствительный ЗЧП без ключа. Формирование спектрометрического импульса экспоненциальной формы осуществляется с помощью усилителя-формирователя 2, что увеличивает соотношение сигнал-шум и как следствие повышает чувствительность электронного спектрометрического канала.

Источники информации
1. А. с. N 1476415, МКИ G01 T 1/36, 1/17. Измеритель ионизирующих излучений. В.С. Горев, В.И. Рябков, Г.И. Шульгович и М.Д. Фирсов. - Опубл. в БИ N 16, 1989.

2. А. с. N 1610445, МКИ G 01 T 1/36. Цифровой процессор спектрометрических импульсов / Ю.Г. Сибиряк. - Опубл. в БИ N 44, 1990 (прототип).

Использование в рентгеновских спектрометрах. Сущность: в электронный рентгеновский спектрометрический канал, содержащий зарядочувствительный предусилитель АЦП, блок управления, блок сопряжения, выходную шину, введены усилитель-формирователь, масштабирующий усилитель, блок защиты от амплитудных перегрузок, цифровой компаратор и ОЗУ. Технический результат : повышение загрузочной способности и чувствительности. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Электронный рентгеновский спектрометрический канал, содержащий зарядочувствительный предусилитель, вход которого является входом устройства в целом, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, блок сопряжения, шина данных и входы адреса которого соединены с соответствующими линиями выходной шины, отличающийся тем, что в него введены усилитель-формирователь, масштабирующий усилитель, блок защиты от амплитудных перегрузок, цифровой компаратор и оперативное запоминающее устройство, причем выход зарядочувствительного предусилителя соединен со входом усилителя-формирователя, выход которого соединен со входом масштабирующего усилителя, выход которого соединен со входом блока защиты от амплитудных перегрузок, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, шина данных которого объединена с шинами данных цифрового компаратора, оперативного запоминающего устройства и со входами данных блока сопряжения, управляющие выходы которого соединены с командными входами блока управления, первые выходы которого соединены с управляющими входами масштабирующего усилителя, второй выход блока управления соединен со входом управления выходной шиной аналого-цифрового преобразователя, третий выход блока управления соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, четвертые выходы блока управления соединены с шиной порогового кода цифрового компаратора, выход которого соединен с входом разрешения записи блока управления, пятый выход блока управления соединен со входом разрешения записи оперативного запоминающего устройства, шестой выход блока управления соединен со входом выборки оперативного запоминающего устройства, седьмые выходы блока управления соединены с адресными входами оперативного запоминающего устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления включает в себя регистр, генератор тактовых импульсов, логический элемент 4И-НЕ, логический элемент 2И, логический элемент 2И-НЕ и счетчик адреса, причем входы регистра являются командными входами блока управления, первые выходы регистра являются первыми выходами блока управления, второй выход регистра является вторым выходом блока управления, третий выход регистра соединен с первым входом логического элемента 2И, четвертые выходы регистра являются четвертыми выходами блока управления, пятый выход регистра соединен с объединенными первыми входами логических элементов 4И-НЕ и 2И-НЕ, а также является шестым выходом блока управления, шестой выход регистра соединен со входом сброса счетчика адреса, выход переполнения которого соединен со вторым входом логического элемента 4И-НЕ, третий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, являющимся третьим выходом блока управления, входом разрешения записи которого является четвертый вход логического элемента 4И-НЕ, выход которого объединен со вторыми входами логических элементов 2И-НЕ и 2И, выход логического элемента 2И-НЕ является пятым выходом блока управления, выход логического элемента 2И соединен с тактовым входом счетчика адреса, информационные выходы которого являются седьмыми выходами блока управления. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок сопряжения включает в себя шинный формирователь и дешифратор адреса, входы которого являются входами адреса блока сопряжения, выход дешифратора адреса соединен с управляющим входом шинного формирователя, магистральные входы/выходы которого являются шиной данных блока сопряжения, входы шинного формирователя являются входами данных блока сопряжения, управляющими выходами которого являются выходы шинного формирователя.