Материал: Бушуев Методы и приборы измерений ядерных материалов 2011
Рис. В1.7. Зарядочувствительный предусилитель
Чтобы предотвратить столь сильное смещение базовой линии, между секциями предусилителя включена дифференцирующая цепочка С2 R2, параметры которой выбираются такими, чтобы длительность импульса на выходе предусилителя составила 200÷300 мкс. Резисторы R2+R3 выполняют функцию “компенсации полюса нулем”, т.е. убирают отрицательный выброс на базовой линии после прохождения импульса.
Современные промышленные предусилители для германиевых детекторов гамма-излучения обычно имеют собственный энергетический эквивалент уровня шумов в пределах 400÷700 эВ.
Линейный усилитель-формирователь (ЛУФ). Линейный усили-
тель применяется для того, чтобы увеличить амплитуду импульсов с предусилителя до такой величины, чтобы ее можно было достаточно точно измерить анализирующим прибором. Обычно амплитуда импульсов на выходе усилителя должна находиться в пределах 0÷10 В. Формирование и фильтрация импульсов в линейном усилителе осуществляется для того, чтобы улучшить отношение сигнал/шум и сделать импульс возможно более коротким, чтобы минимизировать эффекты наложения импульсов. В усилителяхформирователях используют RC-дифференциаторы и пассивные или активные RC-интеграторы. Обычно в ЛУФ имеется переключатель, позволяющий выбирать оптимальное время формирования импульса для достижения наилучшего энергетического разрешения.
21
Обычно в усилителях имеется переключатель усиления “грубо” и плавный регулятор “точно”, выполненный на многооборотном переменном резисторе.
Для высокого разрешения спектрометра униполярный выход должен иметь очень высокую стабильность базовой линии. За этим следит схема стабилизации базовой линии, выполненная на компараторах. В стабилизаторе имеются регуляторы базовой линии и ключ, отключающий стабилизатор в момент прохождения импульса, чтобы не искажать его форму.
Стабильность работы подобного усилителя зависит не только от стабильности величин резисторов и конденсаторов, но в большой степени от надежности контактов в переключателях и переменных резисторах, которые имеют тенденцию ухудшаться в процессе эксплуатации прибора.
Современные усилители не имеют выведенных на лицевую панель регуляторов. Все управление усилением и формированием импульсов осуществляется программно через ЭВМ.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Существует несколь-
ко принципов построения спектрометрического тракта. Первый из них заключается в использовании аналоговых цепей формирования, фильтрации и усилении информационного сигнала. На последней стадии обработки амплитуда импульса напряжения преобразуется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код. Последовательность цифровых кодов запоминается, образуя аппаратурный спектр, который затем обрабатывается по определенным алгоритмам. Для набора, отображения и обработки аппаратурного спектра чаще всего используются персональные компьютеры, в которые предварительно вводятся соответствующие программы (эмулятор многоканального анализатора, градуировка спектрометра по энергии и эффективности, качественная и количественная обработка спектра, расчет активностей, библиотека радионуклидов и т.п.). Спектрометрические тракты, построенные по этому принципу, называются “аналоговыми”.
В аналоговых спектрометрах высокого разрешения обычно применяют АЦП типа Вилкинсона, блок-схема которого показана на рис. В1.8.
22
Рис. В1.8. Аналого-цифровой преобразователь
Исследуемый импульс проходит через линейные ворота и заряжает до амплитудного значения конденсатор в блоке “Преобразователь амплитуда-время”. Для определения момента достижения сигналом максимального значения в АЦП имеется пиковый детектор, который дает сигнал на обработку сигнала в тот момент, когда производная напряжения по времени равна нулю. Сразу после прохождения максимума импульса линейные ворота закрывают вход анализатора на все время обработки поступившего импульса. Если амплитуда импульса попадает в окно, ограниченное уровнями дискриминатора, и удовлетворяет условию “совпадение/антисовпадение” с внешним сигналом, то начинается разряд конденсатора постоянным током в блоке “Преобразователь ампли- туда-время”. В течение времени разряда тактовый генератор с час-
23
тотой 100÷450 МГц отсчитывает адрес той ячейки памяти, в которую будет добавлена единица.
Рис. В1.9. Преобразование сигнала в АЦП:
а – входной сигнал; б – изменение напряжения на конденсаторе; в – цуг импульсов тактового генератора с кварцевой стабилизацией
Таким образом, аналого-цифровое преобразование фактически осуществляется в две ступени: амплитуда-время и время-код (рис. В1.9). Во время “мертвого времени”, т.е. от момента прихода переднего фронта импульса до записи информации в память, ни один другой импульс не может пройти на вход АЦП. Большую часть “мертвого времени” составляет время разряда конденсатора, причем это время зависит от амплитуды импульса. Сигнал с блока контроля используется для автоматической коррекции времени измерения, останавливая импульсы генератора времени на тот период, когда закрыт вход АЦП.
Время обработки сигнала (“мертвое время”) может вносить существенный вклад в общее время измерения. В каждом случае “мертвое время” АЦП складывается из времени цифрования аналогового сигнала и времени его записи в память (обычно 2÷3 мкс). Для детального анализа “мертвого времени” требуется учитывать
24
конкретный измеряемый спектр, общую структуру системы, число каналов АЦП.
Дискриминаторы нижнего и верхнего уровня сигналов определяют максимальную и минимальную амплитуды сигналов, подвергающихся цифрованию. Дискриминаторы позволяют, устранив слишком малые и слишком большие сигналы, разгрузить АЦП и уменьшить “мертвое время”.
Достоинством АЦП, использующих метод преобразования ам- плитуда-время, время-код являются малая интегральная и дифференциальная нелинейность преобразования. Малая интегральная нелинейность обеспечивается возможностью создания высокостабильных генераторов разрядного тока, а малая дифференциальная нелинейность – использованием высокостабильных кварцевых генераторов опорной частоты.
Недостатком данного метода кодирования является относительно невысокое быстродействие АЦП, определяемое частотой тактового генератора, амплитудой анализируемого сигнала и временем записи информации в память анализатора. Характерное время кодирования для АЦП данного типа составляет 50 мкс, поэтому они применяются в прецизионных спектрометрических устройствах, не требующих высокого быстродействия.
АЦП обрабатывает сигналы в определенном диапазоне амплитуды (обычно от 0 до 10 В) и сортирует их на большое число интервалов одинаковой ширины (каналов). Число каналов, на которое делится диапазон, обычно представляют как 2 в некоторой степени. Например, 10 вольт делят на 16384 канала (214), и ширина отдельного канала получается равной 0,6 мВ. Требуемое число каналов зависит от применяемого детектора и ширины исследуемого интервала энергий. Фотопик должен занимать достаточное число каналов, чтобы ясно определялась его форма и структура спектра. Для точного описания формы пика математической моделью он должен охватывать не менее 10 каналов.
Чтобы по амплитуде электрических сигналов определить энергию квантов, требуется линейная связь между ними. Поскольку характеристики ПУ, усилителя и АЦП не строго линейны, соотношение между энергией и номером канала не совсем постоянно. Нелинейность АЦП подразделяют на интегральную и дифференциальную. Интегральная нелинейность – слабое изменение отноше-
25