Гаврилов Основы ядерной електроники ч.1 2010

dAВЫХ

Амплитудная характеристика идеального аналогового устройства представляет собой прямую линию (см. пунктир на рис. 2.1,а), наклон которой равен коэффициенту передачи (коэффициенту усиления):

dAВЫХ dAВХ K.

Амплитудная характеристика реального аналогового устройства (для наглядности чрезмерно искаженная) изображена на рис. 2.1,а сплошной линией. Ее наклон характеризует реальный коэффициент передачи:

dAВХ РЕАЛ KРЕАЛ.

Наибольшее отличие реальной характеристики от идеальной наблюдается обычно в области малых и больших амплитуд. Поэтому на практике выбирают некоторый диапазон входных амплитуд от Авх.min до Авх.max, в пределах которого амплитудная характеристика по линейности удовлетворяет требованиям эксперимента. Этот диапазон или отношение = Авх.max Авх.min называются динамическим диапазоном аналогового устройства.

Упомянутые требования по линейности амплитудной характеристики определяются двумя параметрами: интегральной и дифференциальной нелинейностями.

Интегральная нелинейность – это отношение максимального отклонения реальной характеристики от идеальной к максимальному значению измеряемого параметра:

η AВЫХ.мах .

AВЫХ.мах

Интегральная нелинейность нарушает энергетическую градуировку спектрометра и приводит к смещению линий спектра. Например, спектральные линии 1 и 3, пересчитанные по снятому выходному спектру во входной, окажутся несколько смещенными и займут положения 1* и 3*. Интегральная нелинейность аналоговых устройств, используемых в спектрометрии, не должна превышать погрешности определения энергии частиц, задаваемой детектором.

Дифференциальная нелинейность – это относительное отклоне-

ние максимального значения производной dAВЫХ dAВХ РЕАЛ KРЕАЛ. реальной амплитудной характеристики от идеальной:

31

ξ K KРЕАЛ .

K

Дифференциальная нелинейность приводит к искажениям формы спектральных пиков, что при их аппроксимации заданной функцией (например, функцией Гаусса) даст смещение максимума аппроксимирующей функции относительно его истинного положения. Кроме того, изменится и ширина пиков, внося погрешность в определение их площадей. Так как дифференциальная нелинейность приводит к смещению максимумов спектральных линий вследствие искажения их формы, то такие искажения будут несущественны, если дифференциальная нелинейность меньше относительной

ширины пика: ξ < σ/A. Следовательно, для полупроводниковой

спектрометрии дифференциальная нелинейность не должна превышать долей процента, а для сцинтилляционных спектрометров – нескольких процентов.

Следующая особенность, которую необходимо учитывать при проектировании аналоговой части спектрометрического тракта, – сопоставимость уровня шумов с уровнем сигналов с детекторов. Искажения спектра, обусловленные этим фактом, иллюстрируются рис. 2.2. В нижней части рисунка показан детектор с интегрирующей цепью нагрузки, а выше – временные диаграммы и спектры. Рассматривается случай измерения энергии моноэнергетических частиц, в цепи детектора происходит полное интегрирование заря-

да, т.е. выполняется условие RНСН ti ( ti – длительность импуль-

са тока детектора). В этом случае импульс напряжения, формируемый на нагрузке детектора, имеет сравнительно крутой фронт

(равный ti ) и длинный спад с постоянной RНСН. Предполагается,

что интенсивность n регистрации частиц сравнительно мала, т.е. выполняется условие 1/n >> RНCН. В этом случае СН успевает полностью разрядиться до прихода следующего импульса тока, и, следовательно, отсутствуют наложения сигналов друг на друга, а шумы являются основным фактором, ухудшающим энергетическое разрешение спектрометрического тракта.

32

Временные диаграммы		Спектры

Рис. 2.2. Влияние шумов на искажение амплитудного спектра

Статистические флуктуации заряда, создаваемого моноэнергетическими частицами в детекторе, описываются дифференциальным распределением зарядов, поступающих в СН, и характеризуют собственное разрешение детектора. Если не учитывать шумов, дифференциальный спектр амплитуд импульсов напряжения, снимаемых с СН, повторяет дифференциальный спектр зарядов, поскольку при полном интегрировании A=Q/ CН. Однако, кроме сигналов детектора в точке а действует еще шумовое напряжение, показанное на временной диаграмме. Следовательно, измеренный спектр искажен наложением сигналов на шумы, что и отражено на рисунке уширением спектральной линии.

Наконец, случайный характер распределения сигналов на оси времени приводит к тому, что с увеличением интенсивности n поступления событий часть импульсов будет накладываться друг на друга. Этому случаю соответствуют временные диаграммы на рис. 2.3. Наложения импульсов приводят к тому, что амплитуды сигналов на нагрузке детектора, измеряемые относительно нулевого уровня, будут превышать свое истинное значение, и, следовательно, спектр этих сигналов будет смещен и уширен в область больших амплитуд. Так как и при наложениях информация о поте-

33

рях энергии в детекторе сохраняется в амплитудах скачков напряжения, можно уменьшить искажения спектра. Для этого сигнал с нагрузки детектора после некоторого предварительного усиления дифференцируется, как это показано на нижней временной диаграмме рис. 2.3. Однако, при дифференцировании появляются отрицательные выбросы, уменьшающиеся с постоянной времени RНСН. Из-за наложения выбросов после дифференцирования спектр останется искаженным, будучи смещен и уширен в область малых амплитуд (нижний спектр на рис. 2.3).

Временные диаграммы		Спектры

Рис. 2.3. Влияние наложений импульсов на искажение амплитудного спектра

Итак, подводя итог, можно сформулировать основные требования к аналоговым устройствам спектрометрического тракта:

высокая линейность характеристик преобразования; высокая стабильность характеристик преобразователей; неперегружаемость; минимизация флуктуаций нулевой линии;

низкий уровень собственных шумов; стабильность временных задержек;

возможность регулирования параметров преобразователей, в том числе, возможность программного управления параметрами.

34

2.3. Виды усилителей для спектрометрических систем

Учитывая малость сигналов, снимаемых с большинства детекторов, необходимость их усиления является первой задачей аналоговой обработки. Усилитель, входящий в состав простейшего счет- но-импульсного, временного или амплитудного спектрометра, в значительной мере определяет эксплуатационные характеристики всего спектрометра в целом. Поэтому усилитель должен быть адаптирован под особенности проводимого эксперимента и вид детектора. На рис. 2.4 показано типичное использование усилителей в различных спектрометрических системах.

Когда приоритетным является амплитудный (энергетический) анализ (рис. 2.4,а,б,в), обычно выполняют интегрирование тока детектора на его нагрузочной RC-цепи, причем постоянная интегрирования выбирается много большей длительности импульса тока (времени собирания заряда). Поскольку детекторы обычно находятся на значительном удалении от измерительной аппаратуры, то сигнал от детектора должен передаваться по коаксиальному (для устранения наводок) кабелю. При этом емкость кабеля добавится к нагрузочной емкости детектора, что приведет к потере в амплитуде сигнала, так как она обратно пропорциональна емкости. Чтобы избежать этого, сигналы с детектора сначала поступают на предусилитель, который устанавливается в непосредственной близости от детектора. Таким образом, предусилитель, кроме некоторого предварительного усиления, осуществляет согласование выходной цепи детектора с входом основного усилителя, включая передающий кабель. Наиболее распространенным видом предусилителей для амплитудной (энергетической) спектрометрии считаются зарядочувствительные усилители.

Вслучаях, когда необходимо добиться наилучшего разрешения

вамплитудном спектрометре, в качестве основного усилителя используется линейный формирующий усилитель (см. рис. 2.4,а). Формирующий усилитель осуществляет основное усиление сигналов, поступающих от предусилителя, имеющего часто относительно небольшой коэффициент усиления. В состав формирующего усилителя входят дифференцирующие и интегрирующие цепи

(формирующие цепи), оптимизирующие отношение «сиг-

35

36

Детектор

Источник

питания для детекторов

Детектор

	Зарядочувст-	Е		Линейный
	вительный			формирую-
	предусили-			щий усили-
	тель			тель
		Т

Быстрый

усилитель

Быстрый		Быстрый
токовый
предусили-		усилитель
тель

Одноканальный амплитудный анализатор

Дискриминатор временной отметки

Многоканальный амплитудный анализатор

Счетчик и таймер

Времяамплитудный конвертор

Счетчик и таймер

Дискримина-			Временной
тор времен-
ной отметки			спектрометр

РисРис.2..42.4Типичное. использованиеусилителейввспектрометрическихтрактах

а)

а

б

б)

в)

г)

д)

нал–шум» и позволяющие улучшить амплитудное (энергетическое) разрешение. Такие спектрометры работают с загрузкой по входу (интенсивностью поступления сигналов с детектора) до 7000 событий в секунду без потери разрешения или до нескольких десятков тысяч событий в секунду при некотором ухудшении разрешения.

Линейный формирующий усилитель может также использоваться в простых счетно-импульсных спектрометрах (см. рис. 2.4,б), состоящих из одноканального амплитудного анализатора, счетчика и таймера. Длительность выходного импульса усилителя определяет мертвое время таких систем. В зависимости от выбранной постоянной времени формирования оно обычно составляет от 3 до 70 мкс. Это мертвое время ограничивает входную загрузку спектрометра. В частности, чтобы потери счета, обусловленные мертвым временем, не превышали 10%, входная загрузка должна быть ограничена до 33 000 событий в секунду при длительности импульса 3 мкс.

При работе с быстрыми полупроводниковыми детекторами, обеспечивающими высокое энергетическое разрешение, используют общий для амплитудного и временного каналов зарядочувствительный предусилитель, а ответвление сигнала во временной тракт осуществляют либо на выходе предусилителя, либо после его первого каскада. В этом варианте во временном канале возможна реализация спектрометра по времени пролета (см. рис. 2.4,в), а в измерительном тракте необходим быстрый усилитель, по возможности, не искажающий временную информацию.

Существует два типа таких усилителей: широкополосные (быстрые импульсные) и быстрые формирующие. От первых требуются времена нарастания в нано- и субнаносекундном диапазонах, чтобы получить хорошее временное разрешение. При этом допускается достижение высокого быстродействия за счет некоторого ухудшения линейности и температурной стабильности. Важным требованием остается низкий уровень шумов. Такие усилители используются с кремниевыми детекторами заряженных частиц, а также с ФЭУ.

Быстрые формирующие усилители так же, как и линейные формирующие усилители амплитудных спектрометров, содержат цепи, оптимизирующие форму сигналов. Постоянные формирования при

37

этом выбираются существенно меньшими. Такие усилители работают с германиевыми детекторами или в любых других применениях, требующих высокого быстродействия и возможности регулировки формы импульса.

В тех случаях, когда приоритетным является временной анализ (см. рис. 2.4,г,д), с детектора обычно снимают токовый сигнал, позволяющий максимально сохранить временную информацию. Чтобы реализовать временное разрешение детектора, в качестве предусилителя выбирается быстрый усилитель тока.

При построении в таком временном тракте счетно-импульсного спектрометра (см. рис. 2.4,г) удается существенно поднять скорость счета. Действительно, импульс на выходе быстрого усилителя обычно имеет длительность менее 20 нс. Соответственно максимальная скорость счета, достижимая при просчетах, не превышающих 10%, составляет несколько десятков мегагерц.

Снятие временной информации с ФЭУ, микроканальных пластин (МКП), фотоумножителей на микроканальных пластинах позволяет получить субнаносекундное временное разрешение. В составе необходимого для этого многоканального временного спектрометра также используется быстрый токовый предусилитель и быстрый усилитель для временных измерений (см. рис. 2.4,д).

Кроме усиления, анализируемые сигналы в измерительных трактах претерпевают еще ряд преобразований. Прежде чем перейти к их детальному рассмотрению, полезно представить измерительный тракт в целом. В качестве примера в следующем разделе обсуждается упрощенная структура амплитудного (энергетического) спектрометра.

2.4.Структурная схема амплитудного спектрометрического тракта

Упрощенная структурная схема амплитудного спектрометрического тракта приведена на рис. 2.5. Сигналы с детектора (Iд) поступают на вход интегрирующего (зарядочувствительного) предусилителя (ПУ), обеспечивающего полный сбор зарядов детектора. При этом на выходе предусилителя получаются импульсы с коротким фронтом, определяемым длительностью импульса тока детек-

38

ЦСт

ПУ

УкЦ

ФУ

ВПС

ЛП

АЦП

БЗУ

IД

39

БФУ		РН			1

Бл

Рис. 2.5. Структурная схема амплитудного спектрометрического тракта Рис.2.5. Структурная схема амплитудного спектрометрического тракта

тора. Спад же выходного импульса во много сотен раз продолжительнее. Это приводит, учитывая пуассоновский характер распределения сигналов во времени, к их наложениям.

Многократно наложенные импульсы могут иметь амплитуду, выходящую за пределы динамического диапазона последующего формирующего усилителя (ФУ). Поэтому на входе ФУ ставится укорачивающая цепь, чтобы минимизировать число наложений. Так как импульсы располагаются на временной оси неравномерно (по закону Пуассона), то при наличии в измерительном тракте связей по переменному току нулевая (базовая) линия будет флуктуировать. Чтобы эти флуктуации не искажали результаты измерений, на выходе ФУ перед оцифровкой амплитуды ставится восстановитель постоянной составляющей.

Восстановитель постоянной составляющей (ВПС) поддерживает нулевую (базовую) линию в паузах между импульсами постоянной. При этом несколько ухудшается отношение «сигнал–шум», но существенно уменьшаются искажения спектра из-за флуктуаций нулевой линии, вызванных амплитудными и частотными перегрузками.

Далее амплитуды поступающих сигналов с помощью аналогоцифрового преобразователя (АЦП) конвертируются в цифровые коды. В спектрометрических АЦП предъявляются жесткие требования к интегральной (≤ 0,1%) и дифференциальной (≤ 1%) нелинейностям. На входе такие АЦП содержат схему линейного пропускания, с помощью которой измерительный тракт блокируется на время преобразования каждого импульса. Это делается для того, чтобы последующий импульс, если он приходит в момент преобразования предыдущего, не исказил результат. Цифровой эквивалент (код) измеряемой амплитуды поступает в буферное запоминающее устройство.

Буферное запоминающее устройство (БЗУ) накапливает дифференциальный спектр, характеризующий распределение амплитуд сигналов с детектора, и индицирует полученные данные на мониторе. Кроме собственно накопителя (ЗУ) и монитора, БЗУ содержит еще таймер для задания времени набора спектра и контроллер для управления процессом набора и связи с ЭВМ.

Параллельно основному «медленному» тракту, только что рассмотренному, включается быстрый тракт для режекции наложений.

40