Спектрометрический усилитель Советский патент 1981 года по МПК G01T1/36 

54) СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ

1

Изобретение относится к ядерной радиоэлектронике и предназначено для использования в составе прецизионных спектрометров с полупроводниковыми детекторами (ППД) в установках рент.гено-флюоресцентного экспресс-анализа.

Известны линейные спектрометрические Усилители с квазигауссоЕскими фильтрами }-, относящимися к фил.ьтрам с постоянными во времени параметрами (время-независиг-ые) . Работа с данными линейными усилителями в условиях высоких частот следования входных сигналов требует весьма слож ных режекторов, что обусловлено зависимостью длительности по основан-ию такого импульса от его амплитуды. Значительная длительность сформированного сигнала не позволяет получать высоких скоростей счета выходных неискаженных наложениями импульсов спектрометрического усилителя.

Более высокие параметры имеют фильтры с переменными во времени параметрами - время-зависимые 2.

Известен спектрометрический усилитель, содержащий последовательно соединенные линейный усилитель, формирователь на линии задержки, времязависим.лй стабилизатор базово линии, линейный про ускат,ель, стробируем-лй интегратор и схему временной привязки, вход которой соединен с выходом время-зависимого стабилизатора, а танке выходной линейный иропускатель f3.

Одьгако при у1зе.аичении частоты

10 следоваг-гия выходных СИГНПЛОБ растет число наложенных импульсов вследствие конечно длительности формирования, установленной опт;;мальноГ с точки зрения высокого э - ергетического раз15решения на малой частоте следования входных сигналов. Поскольку наложенные илшульсы исключаются режектором наложений, то частота следования выходных импульсов уменьшается. Кроме

20 того, при высоких загрузках ухудшается точность стабилизации базового уровня, так как стабилизация осуществляется Б интервалах отсутствия сигнала на входе время-зависимого ста25билизатора базового уровня, что приводит к ухудшению энергетического разрешения.

Цель изобретения - повышение точности и экспрессности спектрометри30ческих измерений. Это достигается тем, что в устрой ство введены последовательно соединенные формирователь на линии задержки с малой постоянной времени формирования, время-зависимый стабилизатор базовой линии, линейный пропускатель и стробируемый интегратор, образующие второй канал обработ ки сигналов, а также схема временной привязки, линейный коммутатор и логи ческая схема управления и синхрониза ции каналов, причем вход формировате ля второго канала соединен с выходом линейного усилителя, вход схемы временной привязки соединен с выходом время-зависимого стабилизатора второго канала, а ее выход соединен с первым входом логической схемы управ ления и синхронизации каналов, второ вход которой соединен с выходом схемы временной привязки -первого канала два аналоговых входа линейного комму татора соединены с выходами стробируемых интеграторов каждого канала, а выход соединен с входом выходного линейного пропускателя, входы управления линейного коммутатора, выходного линейного пропускателя, а такж входы управления время-зависимого стабилизатора базовой линии, линейно пропуспателя и стробируемого интегратора каждого из каналов соединены с соответствующими выходами логичес кой схемы управления- и синхронизаци Улучшение энергетического разрешния и повышение частоты импульсов, поступающих на анализ для режима высокой входной частоты, достигается путем преимущественного пропускания на анализ импульсов, сформированных во втором канале с меньшей постоянной формирования, поскольку искажения базовой-линии, вызванные срабатыванйем ВЗС, и вероятность наложения, а следовательно,. и исключения сигналов из анализа в канале с мень шей постоянной времени формирования меньше чем в канале с оптимальной постоянной формирования.. Для малых частот следования входных сигналов, при которых вероятность наложения сигналов в канале с оптимальной постоянной формирования мала, на анал пропускаются преимущественно сигналы этого канала, что обеспечивает высо кое энергетическое разрешение, соответствующее оптимальной постоянной формирования данного фильтра. На фиг. 1 представлена схема пре лагаемого спектрометрического усили теля; на фиг. 2 изображены эпюры на пряжений в точках 15-35, соответствующих входам и выходам узлов усили теля. Устройство содержит линейный уси тель 1, формирователь 2 на линии за держки первого канала, время-зависи мый стабилизатор 3 базовой линии первого канала, нормально-закрытый инейный пропускатель 4 первого канала, стробируемый интегратор 5 первого канала, схему б временной привязки первого канала, логическую схему 7 управления и синхронизации каналов, линейный коммутатор 8, выходной линейный пропускатель 9, формирователь 10 на линии задержки второго канала, время-зависимый стабилизатор 11 базовой линии второго канала, схему 12 временной привязки второго канала, нормально-закрытый линейный пропускатель 13 второго канала, стробируемый интегратор 14 второго канала. Эпюры в первой колонке (фиг. 2) относятся к случаю малой частоты следования входных импульсов (отсутствие наложений). Во второй колонке (фиг. 2) представлены эпюры в случае появления таких наложений, когда начинает работать второй канал усилителя. Эпюры в третьей колонке поясняют работу устройства во время сильных наложений, т.е. в случае малого временного интервала, разделяющего входные импульсы. Рассмотрим сначала работу устройства в случае отсутствия наложений (колонка I эпюр на фиг. 2). На входной линейный усилитель 1 поступают импульсы экспоненциальной формы, которые после усиления ( фиг. 2, колонка I) поступают на формирователи 2 и 10 с линиями задержки (ЛЗ) первого и второго каналов, выполняющие функции фильтров верхних частот, причем время формирования во втором канале в 2-3 раза меньше чем з первом. Выходные импульсы формирователей первого и второго каналов, близкие по форме к прямоугольной, ( и фиг. 2 колонка I), поступают на время-зависимые стабилизатора 3 и 11 базовой линии (ВЗС) первого и второго каналов, которые устраняют сдвиги базовой линии, обусловленные медленными флуктуациями постоянной составляющей на выходе формирователей. ВЗС представляет собой дифференцирующую цепь с постоянной времени C-L в отсутствии входного сигнала. Одновременно, с появлением входного сигнала на вход.управления ВЗС первого .и второго каналов поступают управляющие импульсы ( и и 50 f фиг. 2 колонка I) от логической схемы 7, и постоянная времени C.j-, увеличивается на несколько порядков. Длительность . управляющих импульсов и , равна длительности сформированного сигнала. Тем салмм исключается искажение формы сигнала на выходах:ВЗС за счет дифференцирования, и выходные сигналы ВЗС первого и второго каналов ( и и28 фиг. 2, колонка ) аналогичны входным сигналам (с точностью до сдвижки базового уровня), С выходов ВЗС сигналы разветвляются. и в первом канале поступают на лине ный пропускатель 4 первого канала и схему 6 временной привязки (СВП) первого канала, а во втором канале на линейный пропускатель 13 второго канала и СВП 12 второго канала. На выходахСВП первого и второго канал формируются логические импульсы ( и Uj, фиг, 2, колонка I),длительность которых tj-t и рав на длительности их входных сигналов измеренных на уровне Ucen (Ucen порог срабатывания СВП) , Сигналы с выходов СВП первого и второго канал поступают на два входа логической схемы, предназначенной для управления узлами усилителя. Линейные про пускатели первого и второго каналов в исходном состоянии закрыты и управляются импульсами от логической схемы, длительность которых равна или несколько больше длительности входных сигналов (21 фиг. 2 колонка I). Сигналы с выходов линей ных пропускателей первого и второго каналов ( и Ч29 Фиг. 2, колонка I) аналогичны по форме сигналами с выходов, формирователей и ВЗС первого и второго каналов (поскольку на эпюрах фиг, 2 мы пренебрегли длительностью передних и задних фронто сформированных импульсов) и поступаю на стробируемые интеграторы 5 и 14 первого и второго каналов, которые выполняют функции фильтров нижних частот и управляются импульсами от логической схемы, В отсутствие сигнала управления коэффициент передачи стробируемых интеграторов близок к нулю. Сигнал управления, подаваемы от логической схемы на стробируемый интегратор первого канала ( фиг. 2, колонка Г )-имеет длительность большую длительности сформированного сигнала t-j-t первого канала. Сигнал управленияна стробируемый интегратор второго канала (, фиг, 2, колонка I) имеет длительность , равную длительности сформированного сигнала первог канала. Во время действия сигналов управления стробируемые интеграторы первого и второго каналов интегрируют входные сигналы и шум с бесконечно большой постоянной интегрирования (т,е, интеграторы являются идеальными). Таким образом, выходной сигнал интегратора первого канала (U23/ фиг, 2, колонка I) имеет на растающую часть и плоскую часть , а-выходной сигнал интегратора второго канала (УЗД/ Фиг,2 колонка I) - нарастающую часть t2-t и плоскую часть Амплитудные значения плоской части выходных импульсов интеграторов пропорциональны площадям входных сигналов, причем в момент времени t 3 амплитуды плоской части выходных имплуьсов интеграторов первого и второго каналов равны, что обеспечивается подбором коэффициентов передачи каналов. После окончания импульсов управления емкость интеграторов быстро разряжается (формируется крутой задний фронт). Выходные импульсы интеграторов поступают на два входа линейт- ного коммутатора 8,который управляется cигнa loм управления с логической схемы .А , колонка I ) .имеющим длительность .Импульс управления переводит линейный коммутатор в положение замыкания выхода строибруемого интегратора первого канала с входом выходного линейного пропускателя 9. При этом выход стробируемого интегратора второго канала и вход линейного пропускателя в это время разомкнуты (в исходном состоянии без импульса управления они замкнуты). Таким образом, в случае одиночного входного сигнала на вход выходного линейного пропускателя поступает сигнал . (IJ 25 . фиг, 2, колонка 1), оптимально сформированный в первом канале. Выходной линейный пропускатель управляется сигналом с логической схемы ( фиг.2, колонка I) длительностью . На выходе линейного пропускателя появляется сигнал прямоугольной формы (и 26 фиг, 2, колонка I) длительностью и амплитудой, соответствующей амплитуде плоской части выходного сигнала стробируемого интегратора первого канала, который затем поступает на амплитудный анализ. ; Если на вход усилителя поступят наложенные импульсы, расстояние между кото1хлми больше времени формирования первого канала, то в этом случае выходные импульсы формирователя первого (и второго) канала уже не будут наложенными, и логика работы схемы ничем не отличается от рассмотренной, т.е. работает первый канал с оптимальным формированием Далее целесообразно рассмотреть работу усилителя при сильных наложениях (колонка III на фиг. 2, случай двух наложенных импульсов), когда длительность между входными импульсами . ( 2, колонка I |-1 ) меньше длительности .формирования как в первом, так и во втором каналах, В этом случае оба канала работают аналогично (в режиме режекции наложенных сигналов). На выходах формирователей первого и второго каналов, а также на выходах ВЗС и схем линейного пропускания первого второго каналов образуется суперозиционные сигналы длительностью -/7 Y4 и-бЛУив зггв.ад иг. 2, колонка III), а на выходах ВП,первого и второго каналов - лоические сигналы той же длительноси, измеренные по уровню Ucen первоо и второго каналов (Uzo и г фиг, 2, колонка I I I), которые посту пают на два входа логической схемы Критерием наложения импульсов в первом и втором каналах для логической схемы является то, что длительность импульсов с СВП больше длительности формирования на ЛЗ в первом и втором каналах. Длительности сигналов управления, поступающих с логической схемы управления на ВЗС первого 1и второго каналов (U и i-i Фиг.2 колонка 111) равны соответственно длительностям сформированных сигнаЛО5 первого и второго каналов. Одна ко импульсы управления, поступающие логической схемы управления на линейные пропускатели и стробируемые интеграторы первого и второго каналов (и 2-f , и 22. и и 32, и , фиг. 2 , колонка III), по длительности равны сигналам,сформированным на ЛЗ форми рователей первого и второго каналов в отсутствии наложений (сигналы эталонной длительности). Стробируемый интегратор первого канала полностью проинтегрирует входной сигнал за эталонное время t т.е. проинтегрирует первый сформированный выходной сигнал формироват ля и часть наложенного на него сигн ла, и на выходе получится сигнал бе плоской части (1)2-5 Фиг. 2, колонк III), амплитуда которого в момент времени будет соответствовать некоторой эквивалентной энергии поглощенного кванта. Аналогичную форму без плоской части будет иметь и сигнал с выхода стробируемого интег ратора второго канала ()4 Фиг. 2, колонка III). Сигнал управления, подаваемый со схемы управления на линейный коммутатор (U 2i4f фиг. 2, колонка III), имеет длительность Цд равную эталонной длительности первого канала. Таким образом форма выходного сигнала линейного коммутатора и входного сигнала выходного линейного пропускателя (UsS фиг. 2, колонка III) будет повторять форму выходного сигнала стробируемого интегратора первого канала, но при этом сигнал управления с логической схемы управления на выходной линейный пропускатель не подается, и выходной сигнал усилителя отсутствует. Рассмотрим теперь работу усилителя (колонка II на фиг. 2) при наложении входных сигналов в том случае, когда интервалы между входными сигналами , (, фиг. 2, колонка И , случай трех нал женных сигналов) меньше длительност формирования в первом канале, но бо ше длительности формирования во вто ром канале. В этом случае логика работы первого канала повторяет лог ку работы первого канала в режиме режекции наложенных сигналов, т.е. пюры -24 (фиг. 2, колонка II) налогичны эпюрам U 24 2, олонка III). Однако второй канал аботает в другом логическом режиме. На выходе формирователя второго канала формируются квазипрямоугольные импульсы без наложений (О -f ,фиг .2 , колонка I 1) длительностью tg-t-f , t -(о равной эталонной длительности второго канала, и амплитудой, пропорциональной соответственно амплитудам первого, второго и третьего.входных импульсов. Аналогичная тройка сигналов -появится на выходе ВЗС второго канала ((, фиг. 2, колонка II), которая управляется соответственно тремя сигналами эталонной длительности второго канала (и50 фиг. 2, колонка II), поступающими с логической схемы управления . Схема СВП второго канала формирует три логических сигнала эталонной длительности (U, фиг. 2, колонка II), поступающих на логическую схему управления. Синхронизация работы каналов логической схемой в данном режиме заключается в том, что во время действия импульса эталонной длительности первого канала tg-tg. во втором канале осуществляется интегрирование только одного импульса, начало которого совпадает с моментом начала интегрирования в первом канале (t-g- фиг. 2, колонка II). Поэтому логическая схема выдает два импульса управления на линеР ный пропускатель длительностью t,-t5- и t (Ujz. фиг. 2, колонка И), а для сигнала, начавщегося в момент времени ty, импульс управления, отсутствует. Поэтому на выходе линейного пропускателя второго канала имеется два импульса ( фиг. 2, колонка II) вместо трех входных..Логическая схема управления выдает два импульса управления ( фиг.2, колонка II) на стробируемый интегратор второго канала, длительностью tg-tg- и - соответственно. Момент времени tg совпадает с моментом окончания второго сформированного импульса во втором канале, а момент времени t определяется логикой работы схемы управления (как и момент времени t в первом канале в .случае отсутствия наложений, эпюра 2.2, фиг. 2, колонка I). На выходе стробируемого интегратора второго канала имеем два проинтегрированных импульса (и34 фиг. 2, колонка П) длительностью tg-tj- 2. -lo плоскими частями длительностью и I которые поступают на линейный коммутатор. На вход управления линейного коммутатора с логической схемы поступает импульс управления эталонной длительности первого канала tg-tg (и 24. фиг. 2, колонка II), который замыкает выход стробируемого интегратора первого канала с входом выходного линейного пропускателя, н с момента tg оказываются замкнутыми выход стробкруемого интегратора вто рого канала с входом линейного пропускателя. Поэтому на выходе линейного коммутатора имеем два игипульса (U25/ фиг, 2, колонка II) длительностью tp-tfH t 2t-ro соответственно, причем нарастающая часть первого импульса tg-ts соответству ет выходному импульсу стробируемого интегратора первого канала, а плоская tg-te плоской части выходного импульса стробируемого интегратора второго канала. С логической сх мы управления на выходной линейный пропускатель поступает два сигнала управления ( Фиг. 2, колонка II длительностью tg-tg и . Поэто му на выходе лкнеГ,ного пропускателя возникают два импульса прямоугольной формы (Ugaj фиг. 2, колонка II), амплитуда которых соответствует пло кой части выходных импульсов стробируемого интегратора второго канал Таким образом, использование в спектрометрическом усилителе двух к налов обработки сигналов совместно с описанной логикой работы обеспечи вает при высоких загрузках частоту выходных сигналов за счет пропуска.ния на анализ неналоженных сигналов второго канала, соответствующих нал женным импульсам в первом канале, и лучшее энергетическое разрешение тракта (при равенстве частот следования выходных импульсов данного ус лителя и известного) за счет меньше нестабильности базового уровня второго канала. Формула изобретения Спектрометрический усилитель,- содержащий последовательно соединенные линейный усилитель, формирователь на линии задержки, время-зависиг ьзй стабилизатор базовой линии, линейный пропускатель, стробируемый интегрг тор и схему временной привязки. вход которой соединен с выходом время-зависимого стабилизатора,- а также выходной линейный пропускате.пь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и экспреосности спектрометрических измерений, в него введены последовательно соединенные форм)1рователь на линии задержки с малой постоянной времени формирования, время-зависимый стабилизатор базовой линии, линейный пропускатель и стробируемый интегратор, образующие второй канал обработки сигналов, а также схема временной привязки, линейный ком.5утатор и логическая схема упрвления и синхронизации каналов, причем вход формирователя второго канала соединен с выходом линейного усилителя, вход схемы временной привязки соединен с выходом время-за-чисимого стабилизатора второго кана la, а ее выход соединен с .первым входом логической схемы управления и синхронизации каналов, второй вход которой соединён с выходом схемы временной привязки первого канала, два аналоговых входа лж-ейного коммутатора соединены с выходами стробируемых интеграторов каждого канала, а выход соединен с входом выходного линейного пропускителя, входы управления линейного KOMNTj Taтора, выходного линейного пропускателя, а также входы управления времязависимого стаби.П1 затора базовой , линейного п-ропускателя и стробируемого интегратора каждого из каналов соединены с соответствующими выходами логической схемы управления и синхронизации. Источники ирформа:и-М, принятые во HLUMai-iiie при экспертизе 1. I п S t г JI-.1 е -1 S с г R е S 1- а г с h an d Industry, Ortec, Cola leg 1976, 1004. 2. G о u 1 d i n g F . S . N u с 1 . I n s t r . Meth, 100, 3 (1972) 412, ,V. , 3. Ka rlovac N.. 8 1 a lock,T Sci NS-22 (1975) IEEE Tram on .Nuc 1 457 (прототип).

J

jt

irftO

Фut.l