Материал: Бушуев Методы и приборы измерений ядерных материалов 2011

ния энергия/номер канала; дифференциальная нелинейность вызвана вариацией ширины канала. Интегральная и дифференциальная нелинейности многих АЦП, составляющие около 1%, приемлемы для большинства применений.

После превращения в АЦП электрического сигнала в двоичный адрес, его нужно сохранить для дальнейшего анализа. Все анализаторы имеют память для хранения измеренного спектра. Максимальное число отсчетов, содержащихся в канале, часто определяет предел точности, достижимой в единичном измерении. Современные анализаторы могут иметь емкость памяти более 109 отсчетов/канал. Память большого объема требуется для выполнения высокоточных измерений спектров излучения высокоактивных источников.

“Цифровые” спектрометрические тракты

В настоящее время все большее распространение получают “цифровые” спектрометрические системы, в которых быстрый АЦП оцифровывает сигнал, поступающий с предусилителя, а затем микропроцессор формирует импульс, определяет его амплитуду, сохраняет набранный спектр и т.д.

Для спектрометров с германиевыми детекторами одним из важнейших параметров является энергетическое разрешение и высокая пропускная способность. На достижение наилучших значений данных параметров направлена работа цифровой спектрометрической системы.

Спектрометрическая система DSpec имеет аналоговый предварительный фильтр, быструю схему оцифровки входного сигнала и цифровой микропроцессор для оптимизации энергетического разрешения и пропускной способности с помощью изменяемых восстановителей базового уровня, режектора наложений, автоматической компенсации “полюса нулем”, корректировки баллистического дефицита, определения максимума импульса, измерения и хранения спектра.

Качество оцифровки импульса зависит от тактовой частоты ана- логово-цифрового преобразователя и от количества разрядов АЦП. В настоящее время применяются 14-разрядные АЦП со временем

26

преобразования от 100 до 20 нс (тактовая частота 10-50 МГц). Вход АЦП не закрывается на время преобразования, как это имело место в АЦП прежних конструкций – оцифровывается все, что поступает на вход. Вся дальнейшая обработка выполняется микропроцессором по заложенному в него алгоритму, причем отдельные параметры обработки могут быть изменены по команде оператора из управляющей программы.

Цифровой фильтр. Выходной сигнал предусилителя, вызванный поглощением одного гамма-кванта с энергией Ех в детекторе, показан на рис. В1.10 в виде ступеньки с амплитудой Vх (если рассматривать более длинную временную шкалу, то эта ступенька будет экспоненциально снижаться до базового уровня). Таким образом, определение энергии гамма-кванта Ех требует измерения ступеньки напряжения Vх при шумах усилителя σ.

Шумовые эффекты в электрических измерениях снижаются фильтрацией. Традиционные аналоговые фильтры используют различные комбинации одной дифференциальной ступени и несколь-

27

ких интегральных ступеней с тем, чтобы преобразовать выходные сигналы предусилителя в треугольные или полугауссовские.

Цифровая фильтрация происходит несколько иным образом. Здесь сигнал уже преобразован в цифровую форму, не является более непрерывным, а представляет собой строку дискретных значений, как показано на рис. В1.11. В данном случае время одного преобразования составляло 100 нс. Имея эту цифровую строку и какой-нибудь арифметический процессор, очевидный подход к определению напряжения Vх состоит в нахождении некоего среднего значения для точек перед ступенькой и вычитания этой величины из среднего значения для точек после этой ступеньки. Таким образом, как показано на рис. В1.11, средние значения вычисляются для двух диапазонов "D" (диапазон "F" пропускается, поскольку в его пределах сигнал слишком быстро меняется), и разница этих средних значений используется для определения напряжения Vх из следующего уравнения:

где значения весовых констант wi определяют тип усреднения. Основные различия между цифровыми преобразователями со-

стоят в том, какая система весовых множителей wi используется и каким образом выбраны диапазоны усреднения при расчетах по уравнению (В1.4). Например, если весовые множители уменьшаются с удалением от ступеньки, то уравнение (В1.4) работает как «выступообразный» фильтр. При постоянных весовых множителях, уравнение В1.4 действует как треугольный (если диапазон "F" очень короткий и им можно пренебречь) или трапецеидальный фильтр.

Принцип, лежащий в основе действия «выступообразных» фильтров, состоит в том, что точки, расположенные вблизи ступеньки, несут основную информацию о высоте ступеньки и поэтому должны участвовать в процессе усреднения с максимальными весовыми множителями. Длина фильтра, т.е. размер диапазонов "D", может быть переменной (размер диапазонов меняется от импульса к импульсу) или постоянной (размеры диапазонов одинаковы для всех импульсов).

28

Принцип, лежащий в основе действия фильтров с переменной длиной диапазона усреднения, состоит в том, что гамма-кванты приходят в детектор случайно и расстояния между создавшими их импульсами изменяются случайным образом. Следовательно, представляется разумным максимально использовать имеющуюся информацию по приходу гамма-квантов и установить размер диапазона "D", равным расстоянию между импульсами.

В принципе, наилучшая фильтрация достигается при использовании «выступообразных» весовых множителей и изменяющемся размере диапазона "D", однако такой подход является достаточно дорогостоящим и по вычислительным затратам, необходимым для усреднения данных в режиме реального времени, и по сложности электронного оборудования, необходимого для того, чтобы генерировать нормированные наборы весовых множителей для каждого импульса.

Обычно используют иной подход, когда размер диапазона "D" фиксирован, все весовые множители wi равны единице, а суммы, необходимые для вычисления амплитуды, рассчитываются заново для каждого импульса.

Принцип действия такого цифрового фильтра очень прост и эффективен: среднее значение, вычисленное по уравнению (В1.4), действительно дает наилучшую оценку Vх в смысле метода наименьших квадратов. Вот почему треугольная фильтрация предпочтительна при высоких скоростях обработки информации. Треугольная фильтрация с зависящим от времени размером диапазона "D" может, в принципе, достичь одновременно высокой разрешающей и высокой пропускной способности, но за счет использования значительно более сложного оборудования и за счет появления зависимости разрешающей способности от скорости счета, что неприемлемо для многих задач прецизионного анализа информации.

На практике установлено, что применение цифровых фильтров обеспечивает такую же разрешающую способность, что и наилучшие аналоговые преобразователи, но приблизительно в два раза большую пропускную способность.

Трапецеидальная фильтрация. Результат применения цифрового трапецеидального фильтра (с размером диапазона "D", равным 8

29

мкс, и с размером диапазона "F", равным 2,3 мкс) показан на рис. В1.12. Видно, что выходной сигнал фильтра имеет трапецеидальную форму со временем подъема D, временем плато F и со временем симметричного спада тоже D. Таким образом, полная базовая ширина импульса, которая определяет возможности фильтра по снижению шумовых эффектов, равна 2D+F.

Важной характеристикой оцифрованного трапецеидального импульса является его резкий обрыв после полной базовой ширины импульса. Этот эффект можно сравнить с импульсами, профильтрованными аналоговыми системами. Такие импульсы имеют хвосты с размерами до 40 % времени подъема. Резкий обрыв импульса дает цифровому фильтру определенное преимущество в скорости счета и пропускной способности, так как уменьшает вероятность наложения импульсов.

Рис. В1.12. Формирование трапецеидального импульса цифровым фильтром

В спектрометре Dspec Jr-2.0 цифровой трапецеидальный фильтр предоставляет оператору более 100 вариантов длительности фронтов импульса в пределах 0,8÷23 мкс с шагом 0,2 мкс и 20 вариантов длительности плоской вершины импульса в пределах 0,3÷2,3 мкс с шагом 0,1 мкс. Такой широкий диапазон времени формирования импульса позволяет выполнять точную оптимизацию параметров системы для получения наилучшего разрешения. Цифровой блок

30