Быстродействующие спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ СПЕКТРОМЕТРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ДЕТЕКТОРАМИ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-

ИЗЛУЧЕНИЙ

специальность 01.04.01 -Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 6 МАЙ 2011

С.-Петербург-2011

4847794

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" (с июня 2010 г. - "Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина"), г. Екатеринбург.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Басиладзе Сергей Геннадьевич

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Иркаев Собир Муллоевич

доктор физико-математических наук, профессор

Брытов Игорь Александрович

Ведущая организация

Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН)

Защита состоится .2 ^ Ц^ И ^ 2011 г. на заседании диссертационного Совета Д 002.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте аналитического приборостроения РАН по адресу 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 31-33

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИАП РАН по адресу 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26 Автореферат разослан "/Л" <Л< Л 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

А.П. Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и у-излучений находят широкое применение как сами по себе для измерения характеристик полей излучения, так и в качестве основы энергодисперсионных рентгено-флуоресцентных анализаторов (Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Analysis - EDXRFA) элементного состава веществ и материалов, денситометров (К-, L-Edge Densitometers), установок нейтронно-активационного анализа (Neutron Activation Analysis - NAA) и др. В подавляющем числе применений спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и у-излучения, стоит проблема достижения максимального быстродействия. Это связано с тем, что полезные события, как правило, составляют меньшую, а часто незначительную, часть общего потока регистрируемых детектором ¿¿квантов. В то же время относительная статистическая неопределенность в выбранной области (пике) спектра где п- число отсчетов в упомянутой области (пике). В силу этого всегда стремятся поднять интенсивность регистрируемого детектором излучения до величин чуть меньших, чем максимально допустимая статистическая загрузка по входу спектрометра Ri При этом чрезвычайно важно при данной Ri_max добиться максимума скорости накопления информации R„-

В полупроводниковой спектрометрии требования достижения высокой разрешающей способности и быстродействия находятся в прямом противоречии. Путь достижения успеха состоит в скрупулезном изучении тонкостей функционирования отдельных элементов спектрометра и их ансамблей, в тщательном учете их в процессе разработки, в поиске отличных от общепринятых подходов к способам обработки сигналов (pulse processing) и к архитектуре электронных каналов спектрометров, их ключевых узлов и устройств, а также в создании схемотехники, позволяющей за счет применяемых принципов построения нивелировать недостатки электронных комплектующих.

Цель работы - исследования и разработки принципов построения прецизионных полупроводниковых рентгеновских и у-спектрометров с повышенным быстродействием, а также разработка конкретных аппаратных реализаций этих принципов с освоением в производстве соответствующих приборов и спектрометрических систем. Научная новизна.

1. Комплексно изучены общие свойства спектрометров с время-инвариантными и время-вариантными формирователями детекторных импульсов:

• определена минимально необходимая система показателей, позволяющая однозначно сравнивать предельные метрологические характеристики спектрометров с любыми способами обработки импульсов детекторов;

•сформулировано правило, позволяющее без проведения экспериментов определять наличие или отсутствие в спектрометре дополнительного, зависящего от статистической загрузки, шума (Count -Rate Depended Noise - CRDN);

• проведен сравнительный анализ наиболее перспективных время-инвариантных и время-вариант-

ных алгоритмов формирования детекторных импульсов;

• предложена методика измерения вклада СЛО-шума спектрометра.

2. Изобретен, разработан и запатентован способ увеличения быстродействия (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS) спектрометров, позволяющий менять форму и длительность спектрометрических импульсов без изменения исходной формы функции памяти спектрометра W(t), что позволяет избежать возникновения зависящего от статистической загрузки шума:

• показано, что NFAPS-способ применим к целому ряду известных в мире спектрометров с время-вариантным формированием сигналов и качественно улучшает их свойства;

• предложен и запатентован технически реализуемый сверхбыстродействующий спектрометр с автоматической адаптацией по NFAPS-способу времени обработки сигналов к индивидуальным интервалам между ними.

4. Предложена единая классификация стабилизаторов базовой линии спектрометра и изучено влияние свойств разных классов стабилизаторов на фундаментальные свойства спектрометра; указаны наиболее перспективные типы стабилизаторов для использования в прецизионных спектрометрах у- и рентгеновского излучений:

• теоретически и экспериментально показано, что любой из классических (нелинейных и линейных время-вариантных) стабилизаторов является источником нестационарного шума; •исследованы конкретные структуры стабилизаторов и предложены усовершенствования для получения предельных параметров, свойственных соответствующему классу;

5. Создан новый класс стабилизаторов - "цифровые" (rio реакции на входное воздействие) стабилизаторы ("Digital" Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить нестационарный шум и максимально устойчивые к статистической загрузке (приложение NFAPS-способа):

• разработана теория DBLS;

• показано, что "цифровые" стабилизаторы в настоящее время превосходят по своим характеристикам истинно цифровые.

6. Предложена методика сравнительного инженерного анализа разных способов временной привязки к спектрометрическим импульсам и проанализированы 6 способов таймирования, пригодных для применения в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и мягкого ^излучения.

7. Дан анализ известных способов инспекции наложенных событий с точки зрения применимости в спектрометрах с низким отношением сигнала к шуму.

8. Разработана методика математического анализа точностных свойств корректоров просчетов при стационарной статистической загрузке и впервые проведен сравнительный математический анализ трех наиболее известных в мире способов коррекции просчетов:

• показано, что математически строго коррекция осуществима лишь по методу "виртуального генератора" G.P. Westphal.

• предложены технические меры для реализации на практике потенциальных возможностей кор-

ректоров; предложена методика быстрой настройки и проверки характеристик корректора; • предложены новые подходы к коррекции просчетов при переменной статистической загрузке для существенного снижения дисперсии числа отсчетов.

9. Проведен сравнительный анализ спектрометров с аналоговой и цифровой обработкой сигналов детекторов излучений. Показано, что при нынешнем уровне развития цифровой техники и математических алгоритмов, большее быстродействие как "по входу", так и "по выходу" достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов. Практическая значимость.

1. При активном участии, а с 1988 г. и под научным руководством автора в УГТУ-УПИ создан и постоянно востребован научно-производственный комплекс в виде НИЛ электроники рентгеновских приборов, способный в сжатые сроки (6+12 мес.) разрабатывать и осваивать в мелкосерийном производстве (до 100 комплектов/год) как собственно спектрометры рентгеновского и у-излучения на основе различных полупроводниковых {Si(L¡'), Si PIN, SDD, HpGe} и сцинтилляционных {[NaJfTI) +PhM], [LaBrs+PhM] и [CsJ(Tl)+PhD]} детекторов, так и различные аналитические приборы и системы на их основе.

2. Почти все разработки выполнялись и выполняются по контрактам и договорам с конкретными организациями и внедрены либо на производстве, либо в практику научных исследований. Наиболее крупные Заказчики в прошлом и настоящем: ЛНПО "Буревестник" (г. Ленинград), Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск: полтора десятка САМАС-спектрометров), ОАО "Чепецкий механический завод" (г. Глазов: около двух десятков портативных рентгенофлуорес-центных анализаторов "МАРФ"), ЗАО "Южполиметалл-холдинг" (г. Москва: свыше 350 спектрометров для носимых XRFA "ПРИЗМА", "ПРИЗМА-М", "ПРИЗМА-РМ" для ГТК РФ).

3. За разработки и поставки спектрометров и EDXRF- анализаторов на предприятия Минатома и в ГТК РФ в 2003 г. автору в числе представителей других организаций-партнеров присуждена Премия Правительтва РФ в области науки и техники "За разработку, организацию производства и внедрение в практику ядерно-физических комплексов экспрессного многоэлементного анализа веществ и материалов".

Автор защищает:

1. Результаты проведенного комплексного изучения факторов, ограничивающих быстродействие высокоразрешающих спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и у-изл учения.

2. Разработанные аналитические методики сравнительного инженерного анализа предельных характеристик спектрометров с любым способом формированием детекторных импульсов, в частности методику выявления условий возникновения зависящего от статистической загрузки шума и оценки его величины.

3. Разработанные структурные и схемотехнические приемы увеличения быстродействия высоко-

разрешающих спектрометров и, в частности, наиболее перспективный способ дополнительного формирования сигналов с сохранением функции памяти исходного формирователя (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS), т.е. способ увеличения быстродействия без возникновения зависящего от статистической загрузки шума.

4. Методику и результаты сравнительного исследования признанных в мире принципов коррекции просчетов.

5. Разработанные структуры и схемйые реализации прецизионных спектрометров в целом и важнейших их элементов, включая: формирователи спектрометрических импульсов и стабилизаторы базовой линии с применением NFAPS-спосаба. увеличения быстродействия; устройства таймиро-вания событий при низком отношении сигнал/шум; инспекторы наложений и корректор просчетов.

Личный вклад автора.

Диссертация является результатом многолетней работы автора в хозрасчетной научно-исследовательской лаборатории электроники рентгеновских приборов (НИЛ ЭРП) при кафедре экспериментальной физики ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный университет" (ранее "Уральский государственный технический университет - УПИ") в качестве с.н.с., в.н.с., а с 1988 г. научного руководителя лаборатории. Она представляет собой обобщение материалов исследований и разработок, выполненных автором лично, с сотрудниками лаборатории, а также с коллегами из ОИЯИ (г. Дубна). В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах. Автор внес определяющий вклад в выбор направлений исследований, анализ и интерпретацию теоретических и экспериментальных результатов и в разработку всех базовых моделей спектрометров, освоенных лабораторией в мелкосерийном производстве. Вопросы теории быстродействующих полупроводниковых спектрометров, вошедшие в диссертацию, изучены автором единолично, также лично выполнены все сопутствующие расчеты.

Апробация работы. Общее количество публикаций по теме диссертации более 50 и включает 12 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Основное содержание отражено в 37 работах. Значительная часть результатов исследований и разработок, изложенных в диссертации, докладывались и обсуждались на: XII Всесоюзном совещании но рентгеновской спектроскопии (Ленинград, 1978); Совещании по полупроводниковым детекторам ядерных излучений (Киев, 1978); VI и VII Всесоюзных совещаниях по использованию синхротронного излучения СИ-84 (Новосибирск, 1984) и СИ-86 (Новосибирск, 1986); The JINR XVI International Symposium on Nuclear Electronics (Bulgaria, Varna, 1994); International Symposium on Nuclear Radiation Safety (Moscow, 1994); Техническом совещании "Циклотроны и их применение" (Екатеринбург, 1995); Всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующих излучений (г. Заречный, 1997); XV, XVI и XVII Уральских конференциях по спектроскопии (Заречный, 2001 и 2003; Новоуральск, 2005); Межотраслевой научно-технической конференции "Дни науки МИФИ" (Озерск, 2002); IV Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу (Иркутск, 2002).

б

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Её объем составляет 212 страниц, включая 140 рисунков, 25 таблиц и библиографический список из 168 наименований. Приложение содержит 8 страниц, включая 5 рисунков и библиографический список из 12 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана сравнительная харак-

Тип формирова-~Щ теля импульсов

Тип стзбипм-£ затора бзго-Ж, ВОЙ ЛИНИИ

Быстродействие "по входу"

Максимальная загрузке no входу Ri_mu или фактор (ятастя DFmax=Ri_mi«T» при которых относительные ушврсние я сдвиг пиков не превышают: = 5-10%,

"Быстрые" детекторы (например SDD в x-cnwrpouetpax)

Зарвдочувствитеяьныа! прсдусилители с нм пульсиым разрядом

Характеристики Быстродействия спектрометров

Метод ииспек-sgjvww

:%r*n ADC (например, Wilkinson, ЮРМИхК

Быстродействие "по выходу"

максимальная скорость счета по выходу Rojdu (при Ri = Rijnu или DF-DFBUI)

и со-следящим" компенсатором

"Цифровые" стабили-1 заторы (NFAPS)

терисгика состояния разработок спектрометров ионизирующих излучений за рубежом, в стране и в Уральском политехническом институте к началу научной деятель-| ности автора (1972 г.). Охарактеризована 1 роль каждого из элементов спектрометра в I достижении максимальной разрешающей I способности при низких и высоких стати-

1 стических загрузках. Обоснована актуалъ-Щ

Корректоры просчетов J »ость увеличения быстродействия спек-

по методу "виртуального:"

генератора- & трометров с полупроводниковыми детек-

ADC "поразрядного вавеши-

1 юя>№ —щ ТОрами; введено дифференцированное оп-

I Рис. 1. Быстродействие спектрометров и факторы влияния, ределение понятия быстродействия (рис. 1)

| PC- персональный компьютер; Tw- длительность импуль- щ. сформулированы цель работы, научная сов; ADC- аналого-цифровой преобразователь

новизна и практическая значимость.

Классификация зарядочувствнтельаых

восстэиоилтие исходного да аа Q

по типу р«р«я» 'ц.

Импульсное

В первой главе систематизирован и обобщен обширный, но рассеяний по множеству публикаций материал по зарядочув-ствительным предусилителям (СНА) для полупроводниковых детекторов рентгеновского и у-излучения. Предложена классификация зарядочувствительных предусипителей по способам разряда емкости обратной связи С/ и используемым для их реализации механизмам (рис.2).

Проведенный подробный сравнительный анализ разных классов зарядочувствительных предусюштелей и схемотехнических реализаций показал, что высокая разрешающая способность полупроводниковых детекторов наилучшим образом реализуется с примением "безрезистивных" СЫ. При низкой статистической загрузке все "безрезистивные" СНА обеспечивают приблизительно одинаковый уровень шума и, соответственно, энергетического разрешения спектрометра. При энерговыделении в детекторе свыше 5+10 МеУА все "безрезистивные" СИА с непрерывным восстановлением имеют

Рис. 2. Классификация ChA

общие недостатки - рост параллельного "белого" шума с ростом энерговыделения в детекторе и уменьшение постоянной спада выходных импульсов с ростом энерговыделения в детекторе.

Показано, что в рентгеновских спектрометрах с Si(Li)- и пленарными ЯрСе-детекторами технически наиболее оптимальны СНА с импульсным стоковым механизмом восстановления - исключается необходимость организации оптического контакта между р-и-переходом головного полевого транзистора (JFET) и светодиодом.

Достаточно простая в настройке и надежная схема с импульсным стоковым восстановлением была создана при активном участии автора диссертации [2]. Зарубежные структуры [3,4] со стоковым импульсным механизмом оказались трудоемкими и в серию не пошли.

Еще более перспективны ChA с PentaFET [5,6] в качестве головного каскада; Это снимает проблему дорогостоящего индивидуального согласования детектора и предусилителя, поскольку здесь в одном чипе объединены JFET и источник разрядного тока. В рентгеновских кремниевых дрейфовых детекторах (SDD) компаний Amptek и Ketek для этих целей имеется встроенный разрядный диод, что чрезвычайно упрощает реализацию импульсного восстановления. В ChA для Si PIN-детекторов успешно применялась схема V. Radeka [7] (импульсное смещение в прямом направлении перехода затвор-канал) и ее модификации.

В спектрометрах с большеобъемными HpGe ^детекторами пока нет альтернативы ChA с транзисторным восстановлением. При этом современные технологии для улучшения повторяемости характеристик блоков детектирования и снижения трудоемкости их изготовления позволяют выполнить разрядный биполярный транзистор на одной подложке с головным JFET. Вероятно, относительно невысокая потребность в болынеобъемных flpGe-детекторах (в сравнении с Si PIN- и Si S'D-D-детекторами) обусловливают отсутствие и упомянутых сборок и PentaFET с р-кангиюи.

Вторая глава посвящена детальному анализу и описанию результатов разработки формирователей спектрометрических импульсов (PSh). В спектрометрах с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и у-излучений PSh - основной элемент, ограничивающий быстродействие спектрометра.

Все многообразие спектрометрических формирователей классифицировано в соответствии с рис. 3.

Для классического случая, когда на входе ChA действуют лишь источники "белого" шума со спектральной плотностью в виде N(f)=(a2-hb2/f), оптимальным время-инвариантным формирователем является тот, с которым спектрометр имеет форму импульса на выходе в виде симметричного треугольника с вогнутыми сторонами и с максимумом, расположенным в (-со) [8,9,10,11]. Такой фильтр (получил название CKSP-фильтра) нереализуем,

Рис. 3. Классификация спектрометрических формирователей

но служит базой сравнения между собой реальных формирователей. В общем случае следует оперировать понятием функции памяти1 (WF), обозначаемой W(t). Среди физически реализуемых формирователей наилучшие результаты при заданной длительности функции памяти достигаются с тем, который придает WF спектрометра форму симметричного треугольника с экспоненциально вогнутыми сторонами - Finite Cusp-Shaper (FCSh) [9,10,11].

Для количественного сравнения практических формирователей введен показатель качества фильтрации, называемый Ci/SP-фактором (CF), показывающий во сколько раз отношение сигнала к шуму (SNR) на выходе данного спектрометрического формирователя будет ниже, чем в случае применения в том же спектрометре СЮТ-формирователя. На практике CF= 1,01+1,5.

Анализ работ, посвященных оптимизации спектрометрических формирователей для случая существенного вклада так называемого "1/f-шума, приводит к выводу, что для инженерных целей СКХР-формирователь и в этом случае можно с высокой достоверностью считать оптимальным. По аналогии с CF для этих целей автором был введен показатель CFj/f [11].

Анализ шумовых свойств аналоговых спектрометров с тем или иным PSh в общем случае можно вести как в частотной, так и во временной области. Учитывая большое значение и значительное распространение время-вариантных формирователей, предпочтительнее математический аппарат, разработанный для временной области [12,13], где используется импульсное представление шума. Процедуры весьма наглядны и просты при вычислениях. Этот подход универсален и пригоден для анализа обоих типов формирователей. Основной характеристикой спектрометра с точки зрения подавления им шума является его функция памяти, или весовая функция W(t), показывающая с каким весом в момент Т„ (или Tplat) измерения амплитуды данного спектрометрического импульса входит «5-импульс шума, возникший на входе предусилителя в каждый из моментов времени на интервале от -да до Тт.

ZmTi л^Т? ""Т^' Вход»Ре,)- Показателями быстродействия применительно к

видами J"*«» усилителя

_| *_^¡PSh являются интервал наложения Тр-и и микро-

/"\ ; Выход скопическое мертвое время То [11], определяющие ' ■ < ; I' \! * усилителя

' ". i \ I ■ \ » максимальную скорость счета неположенных со. Д / . A t

; / V ; у .' / \ \ бытий. Тр.и характеризует теоретически еозмож-

-¥■—..............................' ный минимальный интервал между импульсами, не

Swv +7^1"' у^ Т" > искажающими амплитуду данного (рис.4), a Td ха-

R^Riexp(-RiTo); Тв—Тр* растеризует физически реализованный минималь-

Рис.4. Связь между загрузкой по входу спек- ный интервал между ними. Справедливо соотно-трометраЯ. и интенсивностью Д, неналоженных

событий по выходу шение То£Тр-и. При быстрых ChA и ADC быстро-

действие "по выходу" реального спектрометра дается выражением R„=RiXexp(-RrTD). Среди время-инвариантных в мировой практике наибольшее распространение получили форми-

1 Во время-инвариантном случае форма импульса на выходе фильтра совпадает с формой №(в), где в~ТраЛ-1, а Трем (или Тт) - момент измерения амплитуды [12]

2спектрометра есть свертка весовых функций упомянутых частей, т.е. * (см., например,! 12]).

Iffi) AepTOVKXSiMt

Таблица 1 Свойства оптимизированного "квазитреугопьного " и гауссов-

рователи квазигауссовых и, на их основе, квазитреугольных спектрометрических импульсов [14,15,16] (рис.5). Все они являются аппроксимациями Finite Сиур-формирователя (FCSh). Чем симметричнее относительно максимума выходные импульсы, тем ниже Сшр-фактор и интервал

Я1

мирователей [(CR)dif-nix(RC)inJ на основе CR-дифференциатора и п каскадов ЛС-интегриро-вания при n—yj имеем: CF—>1,12; CFi/j-^1,25; Тр.и-+5,26тс. Для спектрометра же с симметричной треугольной формой импульсов

cf=1,07s; cft/m,lS; Td.u=3,46tc. Выигрыш Рис.5. Синтезированный формирователь треугольных

спектрометрических импульсов [14]. "Вес" гауссианов очевиден. 2-го (А), 4-го (5) и tf-ro (С) порядков: 0,324:0,168:1,000

Проведенный анализ синтезированных "треугольных" формирователей показал, что реальные значения CF и Тр.и значительно хуже ожидаемых (табл.1).

В этом разделе рассмотрены и другие время-инвариантные формирователи, теоретически способные увеличить быстродействие спектрометров и улучшить в них SNR [17,18]. Всс они содержат в основе электрические линии задержки (DL). Из-за недостатков линий задержки, в первую очередь большого затухания, упомянутые формирователи не получили распространения в коммерческих спектрометрах.

Достичь значительного увеличения быстродействия и подавления шума можно, применением в спектрометрах время-вариантного формирования сигналов. С ним проще получить нужную форму функции памяти, добиться меньших значений интервала наложений и обеспечить оптимальные условия для функционирования стабилизаторов базовой линии, которые сильно влияют на быстродействие спектрометра "по входу".

Оценить предельные характеристики спектрометров с время-инварианптъш формированием сигналов можно зная лишь форму импульсов V0(t) на входе ADC. По ней определяются CF и Тр.„. С время-вариантными формирователями такой однозначности нет. Недоучет тонкостей формирования может привести к возникновению в спектрометре нестационарного, зависящего от скорости счета, шума (Count-rate Depended Noise - CRDN). Автором [11,19] была определена минимально необходимая номенклатура параметров спектрометра, позволяющая однозначно судить о его предельных характеристиках; сформулировано положение, позволяющее выявлять возможность возникновения CRDN; предложены приемы, упрощающие анализ свойств спектрометра: I. Электронный тракт спектрометра (от детектора до входа ADC) с любым время-вариантным формирователем можно представить в виде последовательно включенных время-инвариантной и последующий, время-вариантной частей.

Параметры Opimized Triangle (0,2G2+0,005-G4+G6) 6-Order Gaussian

CF 1,116 1,144

CFm 1,243 1,276

Треак/Тс 1,7 1,95

Т^Тс 4,6 5,0

II. Для анализа шумовых (CF и CFi/f) свойств и быстродействия (Тр.и и Тр) электронного тракта спектрометра с время-вариантным формированием импульсов необходимы:

• импульсная характеристика h¡„w время-инвариантной части спектрометра (параметры импульса на входе ADC);

• импульсная характеристика ftva, время-вариантной части;

• весовая функция И/гагвремя-вариантной части спектрометра.

III. Весовая функция спектрометра в целом2 Wz стационарна (не зависит от скорости счета R¡) в случае, когда длительность весовой функции время-вариантной части Wvar не превосходит длительность импульсной характеристики h¿ спектрометра в целом.

IV. Вероятность наложений спектрометрических импульсов в спектрометре (Тр.„ и То) определяется той из частей канала, чья импульсная характеристика наиболее протяженная.

V. Для комбинации линейного пропускателя (LG) и время-инвариантного формирователя: "LG, размещенный на входе время-инвариантного формирователя "пропускает на выход весовую функцию", а на выходе время-инвариантного формирователя - "пропускает импульсную характеристику".

Подробно рассмотрены свойства различных структур время-вариантных формирователей как коммерческих, так и достаточно экзотических. К числу первых относятся формирователи со структурами / QGauss+GInt¡, включая l(CR)iiftGlnt]-, ¡(RC+Sw)int-K¡mf¡. l(DL)i¡ri<RC+Sw)iml, [(DL)dy4<iInt]\ [(IXJaussJrsgt-HjrlntJ. Вторая группа содержит формирователи "с параллельным каналом"; формирователи с компенсатором наложенных событий и формирователи со "следящим компенсатором", работающие по принципу Noise Free Additional Pulse Shaping (NFAPS) [20] .

Формирователи на основе квазигауссова префильтра и последующего стробируемого "идеально го" интегратора (JQGauss+GIntJ) замечательны тем, что: с ними спектрометр освобождается от баллистического дефицита амплитуд; "короткие" импульсы префильтра удобны для стабилизации базовой линии и инспекции наложений; в спектрометре не генерируется CRDN и уменьшается нестационарный шум от BLS.

Таблица 2 При регистрации мягкого излу-Сравнительные спектрометрические характеристики ченм наблюдается феномеш „чем TVPSh типа ¡QGauss+GIj в функции от кратности RC-интегрирования в префильтре "п". Тш - время интегриро- выше качество префильтра, тем

--------/'/. Т .. Т ............................I.____—

ниже качество формирователя и

И CF CF1/f 7Vrc (Ti„r=Tw-Bf) Tpcakrp/tc Tp-u/Тс (Tp.u=2Ti„t)

1 1 ¡125 1,437 1,523 0*482 3,046

2 1,164 1,539 1,645 0,645 3,290

4 1,216 1,607 1,799 0,825 3,598

6 1,250 1,661 1,866 0,957 3,732

спектрометра в целом" (табл. 2). /й<?яи5»-/С/>гг7-формирователи полезны лишь в НрСе-спектрометрах жестого у-излучения, где можно пренебречь высоким значением СТ7- и СРи/на фоне вклада в разрешение "статистики" обра-

2WFспектрометра есть свертка весовых функций упомянутых частей, т.е. Ws=Winv * Wvar (см., например^]2]).

зования зарядов в детекторе.

Предложенный в 1965 г. /(СД),г,у+<У/«(/-формирователь [21] содержал простой СЯ-дифференциатор и стробируемый "идеальный" интегратор. В зависимости от соотношения времен дифференцирования и интегрирования он либо существенно превосходил распространенные тогда /СЙ^^АЙС/^/-формирователи (СРсх+нс=1-36; Тр^сй+ес=Ю,2Тс) либо в эффективности подавления шума (Т-ш/га1/=1: С¥-1Л0; С¥¡/^1.15;), либо в быстродействии (Тд= 10,4т,, Т„/тщ=3: С¥=1.24; СР]//=1.32; Тв=6,75тс). Укорачивание экспоненциальных импульсов по окончанию "идеального" интегрирования электронным ключом3, либо с помощью "следящего" компенсатора, делают спектрометр с таким формирователем одним из лучших в настоящее время [22] благодаря очень низкому значению СРур

Практическое применение нашли формирователи [(HC-hSw)mt-+GDiJ7- Спектрометры с этим формирователем несколько различаются логикой работы. У G. White [23] электронный ключ замыкается в конце цикла формирования, а у G.P. Westphal [24]

WexfpM

Ьемюг СкЛ UaatrAmpi

X

¡РМида Timfog*

mHl^lina

iSEiL. --

8u»d»|M<)-4........1 4 I '

f

. . выход КС.т-

- напротив, в самом начале цикла (рис.6), иар—юра^ Характерно, что для одиночного события вш^лф^

¡хицвтррс '

обе идентичны и совпадают с Ц^р)

теграпором \

спектрометра К.КапЛаЪ [21]. Для УПгЬе-

Унр-е Лнфф<-

формирователя характерен СЮ)1V. Прове- ^ч«"»«. денный автором анализ [22] показал, что при правильном выборе защитного времени

Функция ялмяиа —

Трг перед каждым анализируемым импуль- аи^рашвр.

h

:П

щ

С

Зим

ВГЬ,

Б L

а

Щ ^ 3

ыч-

И-

ич

; п* J

ЗУ 6 TV C.WbM's Mode

i TV

вй tt'cslphaPs Mode

Рис.6. Упрощенные структуры спектрометра с формирователем ¡(RC^Sv^m+GD]

сом, такие спектрометры обладают более высоким быстродействием "по выходу", чем с синтезированными "треугольными" формирователями. В табл.3 приведены результаты расчета Гр_и из условия, чтобы СР < 1,116.

Казалось бы, что этот более сложный формирователь ничем не лучше, чем синтезированный квазитреугольный - почти совпадающие значения СР и Тги. На деле ряд преимуществ существует: 1) В силу экспоненциального распределения временных интервалов между моментами регистрации детектором у-квантов даже при максимальной статистической загрузке .йг_т<к=7/7},.,[ значительному числу спектрометрических импульсов будут предшествовать свободные временные интервалы большие, чем Тг+Трг= Тр-,гТ5к=3,29тс, а это уменьшение среднего значения СР.

Длительность ЖР время-вариантной части в этом случае превосходит длительность импульсной характеристики спектрометра в целом и возникает С7?/);\. Для борьбы с ним вводят "защитное время" Тр, перед каждым сигналом. Это увеличивает

2) В составе "й^йе"-спектрометра отсутствует стабилизатор базовой линии (ВЬ!1) - непримен-ный атрибут других спектрометров, а любой из классических стабилизаторов строго униполярную исходную функцию памяти спектрометра делает биполярной и нестационарной [11] (уширение низкоэнергетичных пиков с ростом Л(на 10-15%).

3) В спектрометрах с 8ЦЫ)- и Нрве-блоками детектирования достаточно велик вклад "1//"-шума (иногда до 50% общего шума) и чрезвычайно важно то, что с "й%йе"-формирователем СРщ-1,15 против СРщ-1,24 с квазитреугольным формированием.

Таблица 3

Тр.и для спектрометра с 1(ЯС+$м)1м-СВ1 - формирователем приусловии,

что CF<1,116 (Т,= 6.9 х Tsh/m; Tv.u=Tsh+Tr+T„; m - кратность изменения С, J

m 3,75 5,0 6,5 Щ 13,0 20,0

т, l,84xTSh 1,38хТЛ 1,062xT,h 0,53IxTsh 0,345xTsh

Трг l,0xTSh 1,25хТЛ 1,5хТ,ь Шщщ 2,0xTsH 2,25xTsk

т 3,84Tsb= 5,0тс 3,63Tsh= 4,74rc 3,56Tsh= 4,65% wmm mm 3,53T,h= 4,61% 3,60Т&= 4,69%

Главным преимуществом "РР«//>й«/"-спектрометра сам автор называет способность к адаптации времени формирования к интервалам времени между соседними зарегистрированными ^квантами. Для этого постоянная времени ч« должна уменьшаться в т >100 раз. Проведенные расчеты показали, что даже без режима адаптации необходимо большое защитное время (Tpr=2,STsi,) между сигналами, чтобы достичь хотя бы такого SNR, как с простейшим /СЛт^хйС/-фильтром (CFcmbc = 1,17). При этом Тр.„ = 4,75 Тс, т.е. больше, чем для спектрометра с "fPftiV-формирователем, где Тр.и =4,59т с. Режим адаптации к потоку времен формирования также оказывается неэффективным средством (табл.4). При равном быстродействии "по выходу" спектрометров с формирователями импульсов G. White и G.P. Westphal (Тр.„ &4,бгс), отношение сигнала к шуму во втором случае оказывается на (1,201-1,116)xl00/1.116=7,6% хуже.

Таблица 4

Зависимость параметров [(RC +Sw)im +GD/-формирователя G.P. Westphal от глубины адап-

тации "к" для среднего из трех импульсов (Tsh~Tm+Tr=l,357Tc; Tvr~2,5Tsh; т-100)

"k" 1,00 1,10 1.15 1,20 1,25 1,50 1,75

CF ШШ 1,185 1.201 1,218 1,238 1,351 1,480

T^Tr+T^/k 4.75 т,■. 4,63 тс 4,52 т, 4,48тс 4,30 т c 4,17те

Цифровая версия спектрометра с адаптивным Westphal - формирователем [25] показала в измерениях с НрСе-детектором на линии Ес^137=662 кеУухудшение энергетического разрешения Аг)/г) с ростом статистической загрузки на 100% при факторе занятости ХМ^ всего лишь 60%! В то же время, правильно сконструированный спектрометр с время-инвариантным квазитреугольным фор-мированием импульсов характеризуется величиной Ац/щ <10 15% при /Ж?100% и не в у-, а в х-диа-пазоне энергий. Вот цена поверхностного отношения к время-вариантному формированию сигналов.

Теоретически наиболее перспективным представляется время-вариантный формирователь М. Кияа1а е/ а/ (рис.7) [26], допускающий изменение формы WF спектрометра. Наименьшее значение СР" достигается в режиме "КапсЧаИ "-формирователя [27,28,29], когда движок в крайнем верхнем

положении - СР=1,01*1,03 [11]. Режим "тИе"-формирователя реализуется при другом крайнем [ положении движка. Оптимальное же сочетание па- , раметров разрешения и быстродействия достигается в режиме линейного нарастания выходного импульса. В табл. 5 сведены результаты выполненной автором оптимизации (оптимум выделен серым фо- | ном; для одиночных импульсов СР$Х1=1,038; СГнся - ЫГвР- фактор при Я,—В! та).

Таблица 5

Зависимость параметров формирователя М. КимчНа от "защитного"времени Трги постоянной времени восстановления дифференциатора тгю1=Гщ/т

Среди рассмотренных ТУЗИ этот является наиболее быстродействующим. Более того, при определенных условиях он допускает режим автоматической адаптации Треак к интервалам между зарегистрированными у-квантами.

Недостаток формирователя М. Кин>а1а е/ я/. - жесткие требования к точности хронирования спектрометрических импульсов - "дрожание" сигналов управления стробируемыми интеграторами относительно начала импульса приводит к "размытию" амплитуд (рост СР).

Время-вариантные формирователи на основе дифференциаторов на линиях задержки (Ш-лу) имеют ряд замечательных свойств (табл.6). В сравнении с другими они придают спектрометру при высоком Я максимальное быстродействие и "по входу" и "по выходу" (см. СРнся и Тр.и). Оба формирователя не требуют прецизионных схем таймирования событий. Эти замечательные свойства были в основном известны. Из-за низкого качества линий задержки в серийных спектрометрах ОХ-формирователи в то время нашли успешное применение лишь в разработках автора.

В работе [30] проблемный /»¿-дифференциатор был заменен сумматором квазигауссианов. В третьей графе приведены характеристики оптимизированного автором диссертации формирователя. С этим формирователем достигается то же быстродействие по выходу спектрометра, что с предыдущими, но по SNR он хуже.

Прогресс в увеличении SNR и быстродействии с рассмотренными выше формирователями достигался приближением спектрометра к "ограниченной" СКХР-форме. Формула4 для ^С-форми-рования [9] позволяет оценить упомянутые предельные свойства. Если задаться СР<1,075 (как при треугольной ИТ), то Тр.и >2,625 гс. Выигрыш всего 24% по сравнению с ¡(ПЦщ-КИш].

4 СГгац,={1ехр(ТЛ/гс)+11/1 ехр(Т№/1^-1Цш, где -длительность по основанию (или Т^) "ограниченного" СЧЯР-импульса в единицах постоянной времени тс "белящего" фильтра [11].

Пв«а

| $кйс&а1I $ гш-г !

'£ГР

Г

Л« -/ т ТДГ

тлг/ш

У Трев

Рис.7. Универсальный формирователь М. Кика1а й я/. [26]

(Тжл/тт=1,75; Тт1/Т,.„ =1,74; Т,=тЛ/х6,9/т; Г„.„= Т„Л+Т„+Т,).

Трг Треак Тр~0,75Треак Трг=0,50Т„ак

«т» 20 25 30 9 ю 12,5 5 6 7 2 3 4

СРнся 1,102 1,119 1,136 1,199 1,107 1,127 1,103 1,122 1,141 1,063 1,144 1,146

Ты/тс 3,82 3,75 3,71 3,81 Я» 3,59 3,98 3,75 3,59 5,61 4,46 3,89

Свойства ВВ-формирователей на основе DL-дифференциаторов

Таблица 6

Структура

Ш-

CF„

CFHcg CF,/f Т,

[(pL)Jif+(RC+SwU

1,10

(Tpak=l,31zJ

1,11 (m=100; T.r=0,5TJ

1,15 3,28%

Q—

from СЬА

Л

I

l(DL)d;,+ Glntl lujfe

DLdif

io ABC

n

Is

1,075 (■^=1,73%)

1,075

1,18

3,46rc

SGaus+GInt

i

from CM

1,13

(Tp,^l,75tJ

1,13

1

3, S0rc

В истории ядерной электроники были попытки резко улучшить один из основных упоминавшихся показателей качества. Два метода увеличения быстродействия могут иметь применение. Оба вместо режекции наложений создают условия их недопущения.

Метод компенсации наложенных импульсов [31,32] основан на формировании синхронно с каждым входным экспоненциальным импульсом "быстрого" аналогового сигнала с последующим преобразованием его в экспоненциальный на ЛС-интеграторе. При обнаружении на интервале основного формирования следующего импульса он компенсируется и наложение предотвращается. Компенсатор может включаться на входе любого формирователя. При длительности "быстрого" импульса в 1/10 длительности "медленного" квазигауссова импульса выходная загрузка спектрометра R0_max увеличивается не на несколько процентов, а в 3,35 раза! Описаный принцип не получил распространения из-за того, что SNR в канале "быстрого" импульса в 1,625 ниже, чем в "медленном". "Быстрый" импульс может теряться в шумах. Кроме того, линейное суммирование исходного ехр-импульса с искаженным шумами компенсирующим импульсом увеличивает CF спектрометра 1,15 до 2,04. Возможное применение - ^-спектрометры с планерными HpGe-детектораыи при условии сильной коллимации пучка.

Идея радикального увеличения "быстродействия по выходу" спектрометра за счет применения нескольких параллельно работающих формирователей с разными Tsh и мультиплексора, подключающего к ADC тот из них, где наложения нет, а Tsh максимально, была предложена в работе [33]. Практическая реализация [34] этого принципа в 2-канальном варианте была выполнена с DI-фор-мирователями. Здесь нет катастрофического ухудшения SNR, проблема состояла в объеме прецизионных электронных схем. Ныне возврат к этому способу представляется вполне оправданным.

В свое время автор поставил себе задачу найти способ изменения импульсной характеристики спектрометра5 к(1) (ответственной за быстродействие) без одновременного изменения Щ1) (ответственной за SNJl). Поскольку № описывает тот "вес", с которым шумовые ¿-импульсы, возникшие на входе спектрометра в предшествующие моменту измерения Тщ, вкладываются в суперпозицию сигнала и шума в < = Тщ, то это значит, что воздействуя на форму спектрометрического импульса (для снижения Тр.и) нужно избежать воздействия на прохождение шумовых импульсов6 (для сохранения исходного С/<). Решение в основе своей аналогично применяемому в СкЛ с импульсным восстановлением исходного потенциала на емкости обратной связи С/после каждого зарегистрированного детектором у-кванта. Там СЛВЛГ не возникает, т.к. включаемый разрядный гг-нератор тот никак не реагирует на шумовые импульсы и не изменяет для. них передаточную функцию САЛ - просто образуется аддитивная смесь компенсируемого заряда от ^кванта, шумовых зарядов и инжектируемого компенсирующего заряда. Были найдены условия, при которых компенсация заряда осуществляется с заданной точностью [20]:

1) Компенсация заряда, накопленного на время-задающей емкости формирователя под действием информативной части спектрометрического импульса должна происходить биполярным током в течение двух фаз - "быстрой"("грубой") и "медленной" ("точной").

2) Время задержки по петле регулирования должно быть минимально возможным для минимизации ошибки перерегулирования Уты-

3) В течение "быстрой" фазы должна происходить компенсация значительным током основной части накопленного на конденсаторе под действием спектрометрического импульса заряда до достижения процессом, представляющим собой аддитивную смесь сигнала и шума, заданного уровня с точностью до перерегулирования ±

4) В течение "медленной" фазы биполярный разрядный ток уменьшается до такой степени, чтобы при данном времени задержки по петле регулирования, за одну среднюю длительность шумового импульса Тшпоие амплитуда реакции на него была не более

5) Продолжительность "медленной" фазы Та должна быть не менее 10-ти средних длительностей шумовых импульсов чтобы за время ее среднее значение напряжения на конденсаторе формирователя импульсов с высокой точностью достигло заданного уровня, например нуля.

Способ увеличения быстродействия спектрометров, основанный на приведенном алгоритме и условиях, назван способом безшумового дополнительного формирования импульсов (Агоке Ггее АЛ-

1 Напомним, что импульсная характеристика Ь(1) - это реакция спектрометра на (^воздействие по входу в заданный

момент времени, наблюдаемая в каждый из моментов времени после этого воздействия; весовая же функция №(0 ре-

акция системы в фиксированный момент наблюдения Ти на £-воздействия, случившиеся в предшествующем периоде.

Н'(0 - сеть функция памяти системы на события, предшествовавшие моменту наблюдения, а И(() - это форма импуль-

са, возникшего в данной точке системы после приложения к ее входу ¿-импульса.

6 Любое изменение параметров формирователя на пути прохождения сигнальных и шумовых импульсов (постоянная времени, коэффициент передачи и т.п.) приводят к тому, что меняется передаточная функция для шумовых импульсов и, следовательно, изменяется Щ1).

ditional Pulse Shaping - NFAPS), а устройства, реализующие его - следящими компенсаторами (.Tracking Compensator - ТС). NFAPS-способ применим ко всем рассмотренным выше время-вариантным формирователям с нестационарной WF. Для этого достаточно электронные ключи, коммутирующие постоянные времени, заменить на ТС, оставляющие эти постоянные неизменны

to Gioi^r ми. Пример применения к fWi/te-спектрометру [23] на рис.8. С применением ТС может быть реализован спектрометр с действительно адаптивным механизмом формирования [22,35]. NFAPS-способ - основа широко применяемого в наших приборах "безшумового" стабилизатора базовой линии спектрометра [36].

Третья глава содержит детальный анализ принципов построения, описание структур и результатов разработки стабилизаторов базовой линии (BLS) спектрометров.

Свойства и характеристики этих устройств слабо отражены даже в научной периодике, а влияние их не только на быстродействие, но и на разрешающую способность спектрометров велико. Автору пришлось много заниматься проблемами Ж-стабилизации.

Вьиигд

усилителя

тсгратора

Выход апробируемого дифференциатора

Рис. 8. Одна из возможных реализаций JVFAPS-способа (WAite-спектрометр)

Назначение стабилизатора базовой линии (hase-line stabilizer - BLS) состоит в фиксации точки отсчета амплитуды импульса вне зависимости от температурных и временных дрейфов электронных компонентов и эффектов высокой скорости счета (динамические смещения на разделительных емкостях и микроразогревы входных каскадов операционных усилителей). Наиболее полные сведения о структурах, свойствах и схемотехнике BLS отражены автором в монографии [11]. С учетом новейших достижений

^fsan"*' f

стабилизаторы вазовой .шипи jBt.V

Нелинейные (NLSISi Линейные время -вариантные mms) «Цифровые" (DHLS)

£ С\

Последовательные ííOч^líarывaн^lдиc', НКомоенсацаопнме

Рис.9. Классификация стабилизаторов базовой линии спектрометров

стабилизаторы базовой линии могут быть классифицированы согласно рис.9.

Замена разделительных CJi-цепей в спектрометрических усилителях на нелинейные стабилизаторы подняла быстродействие спектрометров "по входу" до уровня, когда

df~t№xri < (0,25+0,3). Рис. 10. Обобщенная схема последовательных BLR Robinson и Chase-Paulo Наибольшую известность и распространение получили

BLR L.B. Robinson [37] и его версия, предложенная R.L. Chase и L.R. Paulo [38] (рис.10).

В идеальном случае при прохождении через Сь импульса с длительностью 7У протяженность об-разующгося выброса противоположной полярности должна также равняться ТУ, тогда 0,5. Для этого необходимо выполнение условий: Хь»Т№, [Ур]=[У„]->0; Л=1„/Сь 0.

На практике ОГтах< 0,4 [11], т.к. невыполнимо условие [УР1 = [Уп/-> 0 и возникает динамическое смещение из-за наложений экспоненциальных подпороговых составляющих выбросов. Ни охватывающие, ни компенсационные нелинейные ВЛ5" не обеспечивают большего быстродействия.

Линейные время-вариантные ЛДО, являющиеся по сути стробируемыми СК-дифференциаторами, обладают принципиально большим быстродействием. В них (рис.11) предотвращается, по возможности, перезаряд емкости Сь под действием спектрометрических импульсов. Этим устраняются динамический сдвиг и его флуктуации. Пороги срабатывания ПКВЫ-контроллера устанавливаются над шумом таким образом, чтобы Лтье=10+50Нъ

Полиостью устранить динамический сдвиг базовой линии сложно - импульсы недетерминированы во времени, имеют конечную крутизну, пороги запуска У„ и Ур выше уровня шума, а точка съема аналогового импульса на вход контроллера ТУВЬв также должна быть как-то стабилизирована. Наличие этих факторов деградации характеристик стабилизатора и разный "вес" каждого из них в разных условиях породили большое число структур и схемных реализаций время-вариантных [39,40,41,42]. Лучшие из них работают при факторах занятости Опыт автора в части разработки прецизионных время-вариантных стабилизаторов базовой линии спектрометра обобщен в виде данных табл. 7.

Таблица 7

Факторы дестабилизации базовой линии в спектрометрах с TVBLS_

Факторы дестабилизации базовой линии Меры нейтрализации в зависимости от типа TVBLS

Последовательные " Охватывающие" Компенсационные

Отсутствие стабильного уровня в точке привязки к спектрометрическим импульсам по методу Leading Edge Timing: аномально высокий или низкий "плавающий" порог привязки и, как следствие, повышенный сдвиг шкалы преобразования, "паралич" BLS и нестабильность начала шкалы спектрометра. а) короткое дифференцирование импульса на входе LET и удлинение логического сигнала. Недостаток - падение SNR и Сигнал на LET снимается с выхода TVBLS через схему подавления "паралича". Недостаток - усложне- Сигнал на LET снимается с выхода TVBLS через схему подавления "паралича". Недостаток - усложнение схемы.

пропуск слабых импульсов. б) вспомогательный NLBLS на входе схемы LET. Недостаток - с NLBLS DF=RiTK<0,5 в) Сигнал на LET снимается с выхода TVBLS через схему подавления "паралича". Недостаток - дополни- ние схемы.

тельная задержка срабатывания компаратора LET.

Спектрометрические импульсы субмикросекунд- Включение вспомогательного NLBLS на входе тай- Введение аналоговой задержки на входе Введение аналоговой задержки на входе

Рис. 11. Обобщенный TVBLS и влияние формы импульсов на ¿{¿-стабилизацию

ного диапазона (SDD). за держка в срабатыванм LET, паразитный заряд Сь, увеличенный сдвиг базового уровня. мирования и введение задержки на аналоговом входе собственно TVBLS. Недостаток - М1В1£ задает = Й,Г„<», 5 электронного ключа. внутреннего последовательного ТУВ1Л.

Низкое SNR в точке стаби лизации: повышенный сдви< нуля спектрометра из-за заряда Сь током подпороговых импульсов. Борьба с этим фактором снижения быстродействия практически невозможна Улучшение SNR за счет дополнительного формирования сигналов внутри петли стабилизации Улучшение ЯШ дополнительным формированием сигналов внутри петли стабилизации

Пологие нарастающая и спадающая части спектрометрических импульсов (квазигауссовых, например): повышенный сдвиг нуля спектрометра за счет заряда Сь током подпороговых частей импульсов. Борьба с этим фактором снижения быстродействия практически невозможна Введение аналоговой задержки на входе электронного ключа и удлинение импульса управления электронным ключом (триггер Шмит-та или компаратор с диодным интегратором). Введение аналоговой задержки перед электронным ключом, удлинение импульса управления ключом (триггер Шмитга или компаратор с диодным интегратором на выходе).

Входные импульсы в виде экспоненты: искажение формы экспонент (пйдпо-роговой части); повышенны» сдвиг базовой линии за счет большего порога LET (из-за ВЧ-шума) и заряда Сь током подпороговой части сигналов. Борьба с этим фактором снижения быстродействия практически невозможна Формирование внутри петли стабилизации спектрометрических импульсов конечной длительности с высоким отношением S/N. Недостаток - повышенные требования к трейфам сенсора нуля. Идеально подходит для этих условий.

Output

Можно видеть, что идеального решения, пригодного для всех условий применения .ВХ*!?, нет.

"Охватывающие" и компенсационные структуры ГКВХЛ' позволяют избавиться от влияния большинства факторов нестабильности базовой линии спектрометра. На рис. 12 одна из наиболее совершенных структур ТУВЬЗ [2,19], применявшаяся нами во множестве спектрометров. Общий недостаток Д/Л классических типов состоит в том, что они источники нестационарного шума [11].

Впервые этот эффект описан в работе [39]. Рис. 12. "Охватывающий "(wraparound) TVBLS со схемой "антипаралича" и компенсацией задержки срабаты-Причина возникновения прежняя - фиксация на вания LET (компараторы CI, С2 и схема "ИЛИ")

разделительной емкости Сь случайного значения шума в момент резкого увеличения постоянной времени стабилизатора (г4-*ж) с приходом спектрометрического импульса. Возникновение CRDN учитывается изменяющейся формой WF стабилизатора.

На рис. 13 отмечены реакции TVBLS на возникшие в разное время шумовые £импульсы и влияние предшествующего срабатыва-

* 1

йЕЙ t' г»

f/tb_ t ¡TT 0 Tm itt-.tt

я».

Рис.13. Реакция ПЯЫ на шумо- нм стабилизатора на \УР.

вые £импульсы и его ТУЯ В этой главе показано, что нестационарные эффекты свойствен-

ны и нелинейным BLS, но в меньшей степени т.к. в них ц остается конечной во время действия спектрометрического импульса, а пороги срабатывания принципиально ниже уровня шума.

Выводы таковы:

1. Спектрометр даже с время-инвариантным формированием сигналов обладает нестационарной весовой функцией из-за BLS в его составе.

2. Ухудшение энергетического разрешения спектрометра с ростом загрузки из-за динамического смещения и его флуктуации, обусловленных нелинейными BLS значительно больше, чем из-за нестационарного шума, привносимого линейными время-вариантными BIS, поэтому TVBLS предпочтительнее.

Непрерывное совершенствование стабилизаторов и адаптация их разным условиям привели к изобретению т.н. "цифровых" BLS. DBLS - это устройства, реализующие NFAPS-способ применительно к задаче стабилизации базовой линии и представляют собой дальнейшее развитие время-вариантных стабилизаторов с устранением их основных недостатков. "Цифровыми" эти стабилизаторы названы автором за то, что их реакция на любое входное воздействие стандартна и не зависит от формы и амплитуды этого воздействия.

На рис. 14 "последовательная" версия запатентованного автором с сотрудниками [36] "охватывающего" цифрового стабилизатора. Этот DBLS имеет много общего со схемой TO/fe-формирователя со "следящим" компенсатором (рис.8). Главные отличия во включении элемента памяти (Cj), наличии дополнительных компараторов Cj, Сг и инспектора мертвого времени.

Принципиальные особенности последовательного DBLS таковы:

__(1. Токи /л и 1„ генераторов тока равны по модулю, а их

Vc^f

величины ПРИ данном значении Сь таковы, чтобы за одну среднюю длительность шумового импульса , Tfr_itoin амплитуда реакции на него была не

более 0,1- JWZ.

Рис. 14. Последовательный "цифровой" стабилизатор базовой линии

2. Пороговые напряжения УриУ„ равны по модулю и не превышают (0,25+0,3)У„ше_тш. (Ут*е_т*х - амплитудное значение шума, действующего на входе стабилизатора).

3. Компараторы С1+СЗ, выполняющие роль контроллера ТС, должны иметь напряжения смещения нуля как минимум на порядок меньшие, чем величина (О^З-гб^Ут^та.

4. Задержки срабатывания по цепи от входа А1 до входов управления генераторов токов должны быть минимальными.

Рис. 15. "Охватывающий" dbls

5. Инспектор интервалов (Dead Time Inspector) необходим, т.к. управление ключами стабилизатора ведется с выхода стабилизатора и возможно возникновение "паралича". Защитное время схемы "антипаралича" выбирается равным максимальной длительности группового импульса [19] при максимальном факторе занятости DF=TwéRi

При этих условиях dbls функционирует как тайе-формирователь со "следящим" компенсатором (рис.9) во время второй, "медленной" фазы слежения.

Перечисленные условия соответствуют условиям ЛтаР5-формирования [20] и нестационарный шум практически отсутствует. Уширение пиков Atj/т/ в рентгеновских полупроводниковых спектрометрах при DFaí с DBLS менее 5%, а в тех же условиях, но с TVBLS, Ar¡/T0O^15%.

Наиболее простыми и эффективными являются А.

"охватывающие" структуры dbls (рис. 15).

Благодаря размещению в шумах порогов Vp и V„ блокировки нуль-компаратора, следящего за средним уровнем, паразитный заряд С/, (в данном случае это емкости C¡M "идеального" интегратора на А2) оказывается пренебрежимо малым, что обеспечивает успешное применение DBLS при DF>2.

Показанная на рис. 15 структура DBLS [36] успешно применяется нами во всех спектрометрах, серийно выпускаемых лабораторией.

Чрезвычайно интересно сравнить рассмотренные BLS с истинно цифровыми стабилизаторами.

Общие свойства истинно цифровых стабилизаторов базовой линии спектрометров впервые рассмотрены в работе [43] (рис.16). Фактически это компенсационный принцип стабилизации. Модуль "Processor of Spectrometry Pulses" отражает линейный усилитель, непрерывно работающий ADC (digitizer) и математические процедуры, реализующие функции формирования спектрометрических импульсов и инспекции наложений. Модуль "Baseline Estimator" отражает математическую процедуру

оценки и выделения из шума смещения базовой линии. Воз.] Out- никает проблема нахождения оптимального фильтра, позволяющего на конечном временном отрезке перед появлением спектрометрического импульса с минимальной шумовой погрешностью вычислить величину смещения базовой линии, запомнить ее и вычесть из суперпозиции сигнала, шума и смещения по постоянному току. Задавшись симметричной треугольной формой исходной, без стабилизатора, весовой функции спектрометра W¿ (t), наложив условие того, что длительность весовой функции стабилизатора fV(t)gle не должна превосходить длительность исходной W¿(t), авторы

J

— mus

-« -« -а о

МятЬхимет»

Рис.16. Истинно цифровая стабилизация базовой линии и ИТ спектрометров с треугольным формированием

методом вариационного исчисления определили искомую W(t)BLE■ Для спектрометров с Si(Li')-, PIN-и дрейфовыми детекторами, где преобладает последовательный шум, W(t)sie имеет параболический вид. Еше одним результатом проведенного в этой работе анализа является вывод о том, что площадь W(t)BLE должна быть равна площади исходной весовой функции WJt). Суммарная весовая функция W(t)z спектрометра с цифровой процедурой стабилизации базовой линии относится к числу т.н. area-balanced.

Появление отрицательной области в весовой функции автоматически приводит к росту дисперсии последовательного шума. Действие цифрового стабилизатора аналогично действию TVBLS, поскольку для выделения смещения базовой линии берутся выборки процесса в предшествующие появлению импульса временные интервалы. Отличие лишь в том, с какими весами-берутся эти выборки. А раз аналогия с TVBLS имеет место, то и нестационарные процессы (CRDN) также имеют место быть. Действительно, если предшествующий спектрометрический импульс закончится в пределах интервала Tw=2Tm перед началом данного, то оценку базовой линии првдется делать на меньшем временном отрезке, форма W(t)BLE соответственно изменится (длительность сократится, а амплитуда увеличится, чтобы сохранить площадь). Это вызовет рост дисперсии последовательного шума.

Авторы приводят такие результаты: при Тт=Тс\!3 с обычным TVBLS они получили CF„,d=l,3 (т.е. CF0„/CFa-1,21), а с истинно цифровым - CF¡¡¡=1,167 (CF,m/CF^=l,0S6). Это конечно прогресс, но с DBLS [36] W(t)z униполярна и не подвержена влиянию предшествующих событий и CF/i+dbis=l,075! Л7"Х-К-алгоритм стабилизации, применяемый в DBLS, можно реализовать и в цифровом вцде.

Четвертая глава посвящена устройствам таймирования спектрометрических импульсов, инспекторам наложений и корректорам просчетов.

Устройства таймирования в амплитудных спектрометрах дают первичную информацию о возникновении детекторных импульсов и являются основой инспекторов наложений; без них невозможна работа время-вариантных формирователей; они нужны для запуска ADC в тех случаях, когда требуется максимально упростить их структуру (исключив пиковый детектор) и достичь при время-инвариантном формировании условия Тв= Три =7>.

Основные свойства методов таймирования для амплитудных спектрометров отражены в табл.8. Менее всего изучены ELET и ARTCdd■ Вопреки исходному постулату о необходимости линейных фронтов у импульсов для точной ЕЬЕТ-пртязка к ним оказывается, что при соответствующих соотношениях порогов привязки и экстраполирующих токов даже с /СЙ+ДС/-формирователем в широком диапазоне амплитуд обеспечивается приемлемая для управления ТК-формирователями и инспекции наложений в рентгеновских спектрометрах точность таймирования. Вкупе с другими свойствами, отмеченными в табл.8, это делает метод весьма ценным. Центральная идея метода ARTCdd состоит в том, что хронирующий дискриминатор работает с нулевым порогом привязки. Отбираются только те из сигналов хронирующего дискриминатора, чья длительность равна Треак. Свойства устройства таймирования [49] по ЛЛГСдд-методу делают его незаменимым в прецизион-

ных быстродействующих рентгеновских и ^спектрометрах, особенно при создании эффективных инспекторов наложений, работающих в широком амплитудном диапазоне.

Таблица 8

Метод таймирования и источник Принятое обозначение Компенсация A Компен сация T„ Краткая характеристика

Таймирование дискриминатором : постоянным порогом [44,451 Leading Edge Timing-LET - - Самый простой; высокое SNR; У^л 2 У/i max

Таймирование 2-мя ЬЕТ-дискриминаторами и экстраполятором [44] Extrapolated Leading Edge Timing-ELET + + высокое SNR; У„щ > 2Уп тах; 3 компаратора, 2 генератора тока

Таймирование по пересечению нуля биполярного импульса [44,45] Zero Cross Timing -ZC-Timing + Простой; минимальные Walk и Jitter сильно смещенная временная отметка

Классический метод таймирования со "следящим порогом' [44,44] Constant Fraction Timing - С FT + Ослабленная чувствительность к изменению формы

Таймирование со "следящим порогом" на спаде импульса [46] Back Edge Cons/ant Fraction Timing - BECF-Timing + Минимальные Walk и Jitter, сильно :мещенная временная отметка; нужен пиковый детектор

Таймирование с компенсацией влияния амплитуды и времени нарастания [44,45] Amplitude Л Rise Time Compensation Timing-ARTCcto + + Применим при высоком SNR; слабс смещенная временная отметка; наибольший Jitter

Таймирование с компенсацией влияния амплитуды и времени на-эастания с дискриминатором длительности [47,48,491 ARTC with Duration Discrimination -ARTC,,,, + + SNR зависит от префилыра; У^л >0\ Walk и Jitter зависят от префильтра; префилътр - любой'. Смещение отметки на

ARTCno может работать с любой формой импульсов на входе. Это побуждает решить вопрос об оптимизации этой формы с целью минимизации Walk и Jitter в условиях низкого SNR, характерного для рентгеновских полупроводниковых спектрометров (В общем виде эта проблема решена V.Radeka [7] - производная CUSP-импульса). На практике аналоговые "Т"- импульсы приходится формировать из уже имеющихся в амплитудном канале "Е"- импульсов. Необходимы количественные критерии выбора. Автором предложена инженерная методика сравнительной оценки "Т"-

формирователей. По аналогии с известной формулой [44,45] cr^cnmsi/VftJt-tcr, введен показатель джиггера с нормализоваными величинами: Oicr-'\/M9/V'iu>m(t)ptcr, где Ms - индекс последовательного шума', а V'mrm(t)t=tcr - крутизна нормированного на "1" аналогового импульса в точке таймирования tcr. Один из примеров применения этой методики - поиск

2-nd order Л Gaussian+EXP

-VtS*

t/xsh '

Рис.17. Аналоговые импульсы ЛЙГС, полу- "^лучшего формирователя аналоговых "Г-импульсов

ченные суммированием/вычитанием гаус- для спектрометра с синтезированным квазитреуголь-сиана 2-го порядка и экспоненты: 1-±5%

ЕХР; 2- ИО'/оЕХР; 3- ±25%ЕХР; 4- J50%EXP ным формированием в "f'-канале. Доступны экспо-

| 7 Согласно [12] сг„20Ьв = ¡^Ш(¿Уйг + ЛГ5 ей "Лу^+А'Ж, где Ири Л»,-спектральные плотности па-

| раллельного и последовательного шума на входе предусклителя. Замена аргумента "I" на в=Тт-/ приводит к совпаде-| нию функции №(в) с Утт(1). Это позволяет подставлять в формулу поменяв местами пределы интегрирования.

ненциальные импульсы и квазигауссианы 2-го т 6-го порядков. На рис.17 показаны варианты, применявшиеся на практике, а результаты расчета разных версий сведены в табл.9.

Таблица 9

Свойства АЛТСоо - таймирования квазигауссовых 2-го порядка импульсов в зависимости от полярности и фракции/экспоненциального импульса

G2-f хЕхр G2 + fx Exp

Параметры f=5% f±10% f=25% M0% M% M0% M5% f=50%

V norm(t)t=tcr 2,24/% 2,31/% 3,22/% 3,96/% 10,56/% 30,46/% 51,98/%) 100,7/%

м, 3,53/% 5,12/% 16,0/% 40,1/% 3,19/% 4,27/% 12,5/% 40,1/%

CF„ 1,46 1,71 2,89 5,36 1,39 PJ8 2,57 4,52

0,84 V% 0,9 8 V% 0,24V% 1,60 V% 0,86 V% 0,07 Vrc 0,06V%

СТ/ЖР-фактор, легко вычисляемый в процессе нахождения Ms, позволяет оценить соотношение уровней шума в обоих каналах спектрометра. Данные табл.9 получаются в течение R2 часов, можно представить себе трудозатраты в случае экспериментальных исследований.

За время существования ядерной электроники создано огромное число устройств инспекции наложений. Все многообразие инспекторов сводится к трем принципам:

J. Обнаружение 2-го "быстрого" аналогового импульса на заданном временном интервале вслед за предыдущим сигналом.

II. Обнаружение искажения формы спектрометрического импульса.

III. Комбинация первых двух принципов. Инспекторы наложений принято характеризовать [10,50]:

•величиной разрешающего времени Т,„ (Resolving Time) - минимальным сдвигом между импульсами , при котором наложения еще выявляются;

•эффективностью инспекции (режекции) наложений определяемой как отношение чисел выявленных и истинных наложений.

Исходя из пуассоновского распределения числа попаданий в заданный временной интервал показано, что характеристики инспектора связаны между собой как Sp.u=[exp(-RiTm) - exp(-RiTp^)]/[l- ехр(-RiTp-u)], где Rt - интенсивность зарегистрированных детектором квантов. Для быстрой оценки эффективности инспектора применимо выражение Ер.а » (Тр-и - Tre$) / TjMi'

На T,es (и Sp.u, естественно) сказываются все факторы неопределенности положения временной отметки устройств таймирования - джиттер, гуляние, зарядочувствительность. Понятие разрешающего времени справедливо при указании нижнего предела энергий (амплитуд) спектрометра.

Для обеспечения высокой эффективности обнаружения наложений в широком диапазоне SNR редко удается обойтись применением инспектора одного типа. Компания Oxford Instruments Analytical Ltd,

1 2

*iU' piit "Wfatt**!* '1'' ' J'^^^W^VA'

i

Past channel i .— pmmm

Рис.18. Обнаружение наложений (см. импульс "2") 3-мя инспекторами.

например, применяет инспекцию в трех параллельных каналах с разным временем формирования "Г-импульсов [51]. Инспекция по 1-му принципу. Смысл такого усложнения понятен из рис.18. Более 15-ти лет в наших спектрометрах применяется инспектор наложений, содержащий два устройства таймирования - АЯТСцв и гСТ. Инспекция основана на обнаружении факта смещения чувствительной к изменению формы импульса ZC-oтмeтки относительно инвариантной к I импульса АЯТСдд-отметки (рис.19). Благодаря отмеченным выше свойствам ААТСоп (табл.8,9) в спектрометре с А" Р/Л'-детектором ^,.«>95% достигается уже для Ег> 250еУ (при разрешении ф.яьг* 160+17$еУ). Инспектор же очень компактный - "Г-канал как таковой отсутствует.

Эффективность инспекции наложений может быть увеличена почти до 100%, если инспектор сделать комбинированным, дополнив его быстрым каналом. Из-за худшего $N11 в "быстром"

канале эффект становится заметным лишь для энергий свыше

Рис.19. Импульсы в характерных точ-1кеУ, поэтому в большинстве случаев, с учетом значительного ках спекТр0Метра с РЛУ-детектором

усложнения устройства, это не оправдано. {ТРыг 170 еУ). Выход

^С-импульса за пределы АВТСвп оз-Значительная часть гл.4 посвящена исследованиям корректо- начает "наложение"

ров просчетов - теме недостаточно освещенной даже в зарубежных публикациях. Количественное измерение ионизирующих излучений предполагает точное определение интенсивности взаимодействий квантов (частиц) с детектором (в стационарных условиях) либо учет просчетов статистически распределенных во времени импульсов (при переменной интенсивности). Экспериментатору доступна скорость счета по выходу спектрометра Хс, а она связана с определяемой интенсивностью А,- излучения нелинейным образом из-за просчетов, вызванных:

• взаимными наложениями во времени спектрометрических импульсов;

• блокировкой спектрометра во время импульсного восстановления СНА в блоке детектирования;

• амплитудными перегрузками спектрометрического тракта.

Лишь первая из перечисленных причин просчетов носит фундаментальный характер. Аппаратно-программные средства, приводящие в соответствие между собой непосредственно измеряемую величину Д„ и неизвестную Д, называют корректорами "живого "/"мертвого " времени применительно к стационарному во времени потоку квантов (частиц) излучения, взаимодействующего с детектором, или корректорами просчетов для изменяющейся за время экспозиции скорости счета Д,-. В первом случае действие корректора сводится к тому, чтобы при экспозиции "по живому времени" так увеличить календарное время измерения, чтобы "досчитать" пропущенные события, а во втором случае - к эффективной линеаризации передаточной характеристики спектрометра путем записи в память спектрометра каждого зарегистрированного события с некоторым весом п, зависящим от среднего числа просчетов на временном промежутке, меньшем постоянной времени, с которой изменяется интенсивность Д,-.

Современные полупроводниковые спектрометры в целом представляют собой систему с мертвым временем продлевающегося типа [51]. Зависимость скорости накопления цифровой информации R„ на выходе спектрометра от интенсивности регистрируемого детектором излучения дается

формулой [52]: R„=R, / exp(RiXT„) (рис.20). Классический метод коррекции просчетов с остановкой таймера ADC на время кодирования амплитуды [53] не годится, если просчеты обусловлены наложениями - время экспозиции возрастает недостаточно; метод генератора [54] не всегда при' меним.

/"Что.* »1«

f — ; S / TO*«!» "n Ra_mnjr ■1/еП

Г' " ! Т0-75Ю/

Рис. 20. Передаточные характеристики спектрометра с быстрым ADC

В современной серийной аппаратуре применяют следующие методы корректного определения Ri. "А " Корректор J.Bartosek et aL [55] (компания Silena [56]).

"В" Метод "виртуального" генератора (VPG), предложенный G.P. Westphal [57,58] и используемый в спектрометрах компании Canberra Industries. "С" Метод Gedcke-Hale [59] (компания EG&G Ortec)

Автор разработал методику математического анализа разных способов коррекции просчетов, часть результатов этого анализа при участии сотрудников опубликована в работе [60]. Идея анализа такова: импульсы на входе ADCможно рассматривать как групповые с числом событий кот 1 до те. Есть возможность [61] рассчитать интенсивности импульсов разной кратности8 и их длительности9 W*. Корректоры оперируют с выходными импульсами ЦБ-дискриминаторов, тем или иным образом увеличивая их длительности. Специфика действия разных корректоров закладывается в формулах для R„_k и И7*.

Вычисленная входная интенсивность Rt_Caic дается обычной формулой R(_caic= R0xCT/LT = R0xCT/(CT-Dl)=R</exp(RixTD) {1-DT/CTгде CT - текущее время, a DT и LТ - макроскопические "мертвое" и "живое" времена. Легко видеть, что DT/CT Ro k X Wk (здесь R,_t и Wk учитывают действие корректора). Идеальный корректор так увеличивает DT, что (1-DT/CT)= lexp(RixTD)]'1 и, соответственно, Rt_aUc=Ri во всем диапазоне DF= RixTw.

Суть метода J.Bartosek сводится к тому, чтобы при обнаружении наложения на фронт сигнала генерировать логический импульс мертвого времени продолжительностью до следующего спектрометрического сигнала. Логика такова: раз потери в счете обусловлены наложениями, то именно такие события и должны увеличивать СТ для компенсации просчетов. Метод прост и обеспечивает неплохую точность коррекции - при DF=R{Tw<l ошибка коррекции не превышает 2,5% (недокор-рекция), но резко возрастает при DF> 1 (перекорреция, т.е. R(_caic>Ri )-

8 R^exp(-2RiTJ xfl- expf-RJjf11

9 Wit T„ + f(k-l)/RJ x ¡1- /Я, T^exp(-R, TJ]//I- exp(-Ri TJJf

Принцип действия VPG состоит в следующем. Спектрометрические импульсы поступают на вход /.¿'-дискриминатора с порогом Vnßisl__max. Каждый выходной логический импульс удлиняются на время Та1ьг=Треак, Непрерывно считаются тестовые импульсы высокой частоты (импульсы реального времени), а также те из них, которые не перекрываются удлиненными логическими импульсами ¿¿'-дискриминатора (импульсы скорректированного "живого" времени). Находится (для периодической индикации) отношение числа импульсов реального времени к числу импульсов "живого" времени, т.е. Ri_Caic~ R0xCT/LT. Экспозиция по достижению заданного числа импульсов "живого" времени. Метод VPG математически строго компенсирует потери в счете, обусловленные наложениями при стационарной интенсивности излучения.

При нестационарной интенсивности излучения алгоритм иной. Экспозиция задается по реальному времени. Целые части вычисляемых на коротких временных интервалах отношений CT/LT используются как "веса" при записи по адресам памяти, соответствующим кодам амплитуд импульсов на каждом из упомянутых интервалов, чьи величины зависят от загрузки.

В корректоре Gedcke-Hale применяется близкая идеология. В ADC имеется таймер "живого" времени со счетчиком, заполняемым последовательностью тактовых импульсов по алгориту:

1) С момента срабатывания ¿¿-дискриминатора на входе ДОС и до t = Tpeak счетчик "живого" времени включается на вычитание - интервал [0 4 Треак] учитывается с двойным весом (как в VPG).

2) На отрезке Лt=Tw- Треак счетчик просто останавливается (как в VPG).

3) Если на интервале [0+7^,«*] возникает сигнал "Pile-up", то включенный на реверс счетчик оста навливается до конца группового импульса (в VPG нет).

4) Далее полная аналогия с VPG как в LTC/DTC-, так и в ¿FC-режимах.

При схожести логик работы двух корректоров G-H-корректор не дает точной компенсации потерь от наложений (рис.21). Отсутствие условия "3" приводит к Rl_caIi»Ri при DF>I, а наличие его - к тому, что Ri_Caic<Rh В математически точном ИРС-методе физическое удлинение каждого

"цифрового" образа аналогового импульса на Tad^Tfuak сопровождается снижением частоты удлиненных "цифровых" импульсов, а в G-H-корректоре частота одиночных и групповых "цифровых" образов остается равной аналоговых сигналов.

LT-корректоры обоих типов очень чувствительны к

i 1 у аза- |

/' -ОвкЬьВйк

¿У у ^^

УУ ;

уже при ОР=У,5 относительная ошибка <5щ= ±1%. В

Рис. 21. Вычисляемая загрузка по входу спектрометра ¡{¡ „¡с с разными корректорами. 7^= диссертации предложены схемотехнические решения

и методические приемы настроики и контроля спектрометров с ¿Г-корректорами для достижения предельных метрологических характеристик. Также

предложен технически реализуемый алгоритм ЬТС с минимизацией возрастания дисперсии числа отсчетов.

Из рассмотрения корректоров просчетов сделаны выводы:

1. При выборе между корректорами "живого'7"мертвого"времени (ЬТСДУТС) и системами счета без потерь (ЬГС) предпочтительнее ЬТС - они улучшают статистическую точность измерений.

2. Математически строгим является лишь ЬТС по 7РеяГ/)йа/-методу.

3. Точность (»-//-корректора возрастает с ростом отношения Тцг/Трс<^.

4. Точность IV- и в-Н-ЬТС зависит от свойств инспектора наложений и формирователей импульсов. Добавка мертвого времени Тш к истинной длительности Т»? импульсов не может во всех случаях быть равной Трюк, как это принято10. Есть условие Та^Тп-Т^ и отсюда следует, что если: •инспектор наложений допускает окончание предыдущего импульса перед самым максимумом последующего Тиь^О для корректора С.Р. ФевфШ, а корректор ве<1ске-На1е превращается в классический корректор с остановкой таймера на длительность ТУ, при этом коррекция идеальна! •время-вариантный формирователь подразумевает "защитное" время Тр, перед каждым измеряемым импульсом, то то =тр*, и тацто.

5. Характеристики обоих типов корректоров чрезвычайно чувствительны к точности измерения длительности по основанию спектрометрических импульсов 7> и для достижения предельных характеристик требуются специальные схемотехнические решения, которые, как правило, отсутствуют в стандартных спектрометрических модулях.

Пятая глава содержит примеры конкретных устройств, приборов и систем, в которых воплотился теоретический материал предыдущих глав.

К началу 80-х годов были разработаны совершенные узлы Х>Х-дифференцирования импульсов. Были решены [62,63,64] проблемы, ставшие причиной отказа от применения Д£-формирователей за рубежом:

•получения униполярного квазипрямоугольного импульса при Л)Ь-дифференцировании экспоненциальных импульсов (съем токового сигнала на вход изодромного интегратора); •устранения "шлейфа" из-за активных потерь в линиях с сосредоточенными параметрами (Ссог на входе разомкнутой на конце линии задержки);

• последовательного включения и коммутации линий для получения ряда времен формирования в диапазоне />¿¿,/=2^2^-.

Это позволило на практике реализовать технически совершенные 6Ул//-формирователи

и извлечь все связанные с ними выгоды: квазитреугольная спектрометра (CFяí,^0,• Тв=3,46теу, оптимальная для ВХ5 квазипрямоугольная форма импульсов; простая и эффективная логика инспекции наложений. В главе подробно описан первый аналоговый процессор АР-002М [63,64], внедренный в промышленное производство.

10 Все методы коррекции в неявном виде предполагают, что инспектор наложений не допускает частичного наложения анализируемого импульса на спад предыдущего импульса, т.е. Т^Т^

I До 1992г. были разработаны, изготовлены мелкими сериями и внедрены спектрометры, содержащие ChA с импульсным разрядом через сток JFET [2,65]; аналоговый процессор AP-00S [65], либо сдвоенный спектрометрический усилитель DAM-001 [66]; счетно-импульсный ADC из моду-

I

лей преобразователей "амплитуда-»время" PAV-00I [67] (или PAV-002) и "время-»код" PVK-001 I (9+14bit; fa= 200MHz) [68], либо ADC "поразрядного взвешивания" РАК-001 (9+12bit; Tcmv=8psy, J генератор статистических сигналов GSS-005. Цифровые модули были покупными.

Рис.22 иллюстрирует соответствие достигнутых метрологических характеристик [69] мировому уровню того времени. Превосходство зарубежных конкурентов было лишь в габаритах, из-за отсутствия отечественных м/с широкополосных операционных усилителей и быстрых электронных ключей.

Для поверки модулей спектрометров были разработаны методики [66]:

•измерения нелинейностей Sua и всего электронного тракта спектрометра; •"безизотопного" тестирования BLS в составе любого

спектрометра; •измерения CRD-mума спектрометра в функции от R,.

Заслуживает упоминания быстродействующий ^спектрометр с аналоговым процессором АР-009 [70], специально разработанный для многоканальной системы об-| наружения радиоактивных источников МосНПО "Радон" (г. Сергиев Посад Моск. обл.). Его J особенности:

1) АР-009, выполненный в стандарте САМ АС, впервые содержал в своем составе полноценный ADC счетно-импульсного типа с эффективной частотой 300MHz (Tc6m_max-3,5fts при числе каналов N=1024).

J 2) Во всех усилительных секциях были применены специально разработанные гибридные

широкополосные операционные усилители. 1 3) В этом проекте впервые был реализован в полном объеме "цифровой" стабилизатор базовой пинии "охватывающего" типа [36] (рис.15).

4) Сдвиг центра тяжести "генераторного" пика, установленного на 85% шкалы при Тк = l,2Sßs и j Ri=106s' (DF-125%) составил менее0,1%.

| 5) Дифференциальная и интегральная нелинейности: щ<£2% и Sua<M,l% для 95% шкалы, j С 1993 г. стали реально доступными импортные электронные компоненты. Их применение улучшило температурную стабильность характеристик, надежность, функциональное наполне-

I I

I 29

ттаэдвзяг gear— ¿«•¿buk

У*5*"» J

----- .J

f 4»

Iigpui coont retail,kSi

laevt omaa

Рис.22. Типовые характеристики программно-управляемых рентгеновских САМАС-спектрометров: CHA-PU-003; AP-00S■ ADC - (PA V-OOl+PVK-OOl)

ние, массо габаритные и стоимостные показатели спектрометров. В сочетании с накопленным к этому времени научно-техническим потенциалом это позволило конкурировать не только на рынке экстремальных спектрометров, но и на рынке коммерческих.

Для задач диагностики плазмы на установках типа ТОКАМАК была выполнена разработка спектрометрического тракта из усилителя [71] и ADC [72] для сверхбыстрого спектрометра мягкого у-излучения и заряженных частиц с детектором из натурального алмаза (NDD) разработки ТРИНИТИ [73] (г. Троицк Моск. обл.). Усилитель SA-002N соединил в черты усилителей для Ти "^-измерений. Это короткое время формирования (Tptak=0,24fjs, Tw=0,56fjs) и полный набор функций, включая эффективную режекцию наложений а 94% в диапазоне амплитуд 1:50).

Особенности NDD-тракта:

\)[(I)L)dlft(ActInt)3]-YMiaur&y£ZORO (Тя/Греац-2,33) формирование (CFa/1,14).

2)Регулировка усиления в 128 раз (с шагом "х2") по методу коммутации усилительных секций [11] на быстрых интегральных ОУ (ft=l5(h-400MHz).

3y'Digital" Base-Line Stabilizer [36], обеспечивший при Ri = l,4xl(fs'! сдвиг и уширение генераторного пика (на 85% шкалы) Лг)/тр7,5% и АЕУЕ~0,1%.

4)[/4SrCDD+ZC]-HHCneKTop наложений с Tre,=45ns при Tn=720ns, что обеспечило достижение R0è5xl(?s~'.

5)Нелинейности на уровне ем< 0,05% и £#/< 0,95% при том, что для ADC получено TConv~l>3fis при 16-ти тактах "разравнивания" дифнелинейности.

С середины 1993 г. по инициативе автора начаты разработка и производство полупроводниковых спектрометров для портативных энергодисперсионных рентгенофлуоресцентных анализаторов элементного состава веществ и материалов, а также собственно анализаторов. Такие XRF-анализаторы должны обладать такими же функциями и характеристиками, как стационарные приборы [74], но работать в широком температурном диапазоне, обладать малыми габаритами и массой и иметь абсолютный минимум подстраиваемых и регулируемых параметров. Разработанные с 1993 по 2010 г.г. поколения портативных XKF-анализаторов (МАРФ-001+МАРФ-003) вполне удовлетворяли этим требованиям. Спектрометрами нашей разработки и производства комплектуются упомянутые АЖ-Г-анализаторы и ряд аналогичных приборов других производителей.

Общие черты этих портативных спектрометров: •самые современные комплектующие и схемотехника (регулярные смены); • "безазотные" детекторы с Пельтье-охладителем (АМРТЕК);

♦замена время-вариантных "треугольных" М-формирователей на синтезированные из гауссиа-нов для снижения массы и габаритов;

•применение интегральных ADC со схемой выборки-хранения, управляемой ZC-таймером инспектора наложений (без пикового детектора);

•абсолютный минимум подстроек и регулировок со стороны пользователя.

МАММХЙ/V

МАРФ-ООЗГ

МАРФ-ООЗ Гш"

Рис.24. Три поколения портативных EDXRF- анализаторов МАРФ

Рис. 23. Спектрометр портативного £ЛЛЖК-анализатора МАРФ-003 Один из примеров портативного спектрометра показан на рис.23 [75]. По структуре и функциям это полнофункциональный спектрометр. В его составе БД с Si PIN детектором и предусилителем с импульсным восстановлением; линейный усилитель; "охватывающий" DBLS [36]; синтезированный формирователь треугольных импульсов (рис.5); широкодиапазонный [ARTCdd+ZC]-инспектор наложений [49]; /ШС со "скользящей" шкалой; корректор просчетов по методу VPG. Пользователю доступно лишь управление коэффициентом преобразования (через PC). Физические размеры спектрометров и АЖ^-анализаторов уменьшались по мере появления новых комплектующих и технологий (рис.24).

С 1993 по 2010 г.г. спектрометров разных модификаций со структурой как на рис.23, выпущено свыше 500 экз.

В этой главе подробно описан оригинальный ^спектрометр на диапазон энергий /-излучения 0,25+7,5 MeV для установки НАА ("ВСМПО-АВИСМА " г. В. Садда). Особенности этого спектрометра [76]:

Структура собственно [CsI(Tl)+4xPhD], полусфера R=50mm\ SrhD=4xlcm2; постоянные времени детектора (1 канал) высвечивания CsI(Tl): TLD,=0,68fis(64%) и Пв2= 3,34ps (36%) Структура RjCj-nped- 2xl(PhD&PkD)+CkAl - два модуля съема зарядов с обоих электродов 2-х усилителя параллельно включенных фотодиодов

Тип формирования 6-order Gaussian, 2 константы:TPakl=7,5ps (TWi=20ps) и TPeakf=15fis (Tn=40ps). Оптимальный - 10-order Gaussian Инспекция наложений AJRTCDD+ZC. Схемы таймирования адаптированы к условиям больших времен нарастания сигналов. Tro<300ns; £^>97% Разрешение и быстродей- T¡íí2h,y=W,5%-, и АЕбтеУ/Е662ке1<0,2% при DF~R¡TW<

ствие 1,5

В заключительной части главы содержится анализ возможностей и перспектив аналоговых и цифровых полупроводниковых х- и /-спектрометров. Преимуществами цифровых спектрометров считаются [77]:

I. Возможность мелкодискретного изменения временного масштаба формирования спектрометрических импульсов;

II. Возможность изменения в широких пределах формы WF спектрометра, определяющей степень подавления шумов блока детектирования;

П1. Исключительная стабильность и возможность точного воспроизведения условий измерения через сколь угодно большой промежуток времени.

Автором показано [1], что перечисленные преимущества оказываются несущественными в большинстве применений спектрометров.

Из-за слабой зависимости отношения сигнал/шум (SNR) от временного масштаба формирования нет особой необходимости в организации мелкодискретного изменения констант формирования. Согласно [11,12] при изменении констант формирования Т в л-раз относительно оптимальных значений, определенных из соотношения последовательного и параллельного шумов, реальный CF возрастет в гораздо меньшее число раз - CF,tal = CFxA, где Л=/(Т/Тор,+Г^,/Т)/2у,/г. При п=Т/Торг2 или п~Т/Тор^0,5 SNR изменится лишь на 11,8% и это при условии, что действуют только источники "белого" шума. В реальности всегда присутствует "1/f - шум, чья доля в общем шуме может доходить до 50%, a SNRyj принципиально не зависит от ершенной шкалы формирования [10]. Свой вклад в FWHM дает и статистика преобразования энергии квантов в число (h-e~)-пар. Так в SDD-спектрометре с ISOeV уже дм .Яд-линии Al (l,5keV) вклады шума и "статистики"

практически равны. Таким образом на практике нет необходимости в "плавном" изменении временных констант.

Вариация формы WF спектрометра действительно необходима в ^спектрометрах, если предполагается работа и с планарными и с коаксиальными йр(/е-детекторами. Цифровые фильтры в этих случаях обладают большим потенциалом. В аналоговом виде эти задачи также решаются, но сложнее и дороже.

Теоретически цифровая техника позволяет получить любую ограниченную во времени WF спектрометра. Конечное быстродействие непрерывно работающего ADC, приводящее к возникновению шума квантования, заставляет размещать на его входе сглаживающий шумовые импульсы RC-фильтр (Antialiasing Filter). Это ограничивает возможности варьирования формы WF. Другая проблема - дифференциальная нелинейность ADC. Для /^/¿-разрядного быстрого ADC е^/хг 100%. Её можно снизить "авторазравниванием" (за счёт динамического смещения от наложений экспоненциальных сигналов), но это ограничивает круг применимых алгоритмов цифровой фильтрации (и форм WF). Такой потенциально быстрый и гибкий алгоритм, как "DLN-Filtering" [78], использующий квазигауссов аналоговый префильтр, теряет в скорости при введении классической "скользящей шкалы". Мировые производители спектрометров (Amptek, Canberra, Ortec и др.) ограничиваются трапециедальным формированием с изменяемой относительной длительностью плоской вершины. В [26] адаптация формы WF реализована в аналоговом виде (рис.7).

Что касается стабильности параметров спектрометра и воспроизводимости условий эксперимента, то материал разделов 5.2 и 5.3 диссертации, свидетельствует об эквивалентности "аналоговых" и "цифровых" спектрометров: в них одни и те же ChA и программно-управляемые линейные усилители; ADC "цифровых" спектрометров ничем не лучше применяемых в "аналоговых"; стабильность современных аналоговых формирователей импульсов не уступает стабильности ADC.

О быстродействии "аналоговых" и "цифровых" спектрометров. Нынешние цифровые процессоры спектрометрических импульсов подобны аналоговым с время-инвариантным формированием импульсов в том, что длительности и формы импульсной характеристики h(t) и функции памяти ЩТреах-t) совпадают. При TVSh аналоговый импульс на входе стабилизатора базовой линии, может быть в несколько раз короче, чем WF, отвечающая за SNR. Например, при "треугольном" формировании со стробируемым интегратором длительность импульсов 7V на входе BLS равна Tpeat, а в спектрометре с цифровым формированием Tw>2Tpeak поскольку стабилизатор "размещается" на выходе цифрового "треугольного" формирователя (рис.16). При прочих равных условиях сдвиг базовой линии в спектрометре с [DLtuj+GIntj-формирователем, например, будет ниже, а Л ¡wax выше, чем в "цифровом" спектрометре.

До тех пор, пока не будет создан истинно цифровой эквивалент рассмотренного DBLS [36], являющегося реализацией NFAPS-способа формирования, аналоговые спектрометры с DBLS благодаря почти полному отсутствию нестационарного шума (CRDN) будут обеспечивать меньшее уширение пиков аппаратурного спектра при повышенных загрузках.

Цифровая обработка детекторных импульсов перспективна при инспекции наложенных событий. Она позволит по большему числу точек оценивать искажение формы импульсов и тем уменьшить эффективное разрешающее время инспектора Тт. Пока же инспекция по 2-му импульсу.

Автору известна лишь одна успешная попытка создания адаптивного цифрового спектрометра [79,80]. Здесь длительность "цифрового" импульса автоматически уменьшается до длительности интервала между соседними сигналами с детектора без изменения формы WF. Этот способ адаптации дает большее возрастание CF для событий с укороченным временем обработки, чем в случае адаптивного механизма с применением Л^ИЛУ-алгоритма. Действительно, пусть имеются два спектрометра с истинно треугольной формой IVF: цифровой с адаптацией к потоку T. Lakatos [79, гы^^щыль,**!^ и.ТС gg] и аналоговый M. Kuwata [26] (рис.7) с

идеальным (очень быстрым) следящим компенсатором (ТС), удовлетворяющим требованиям NFAPS [20] и с нормализацией амплитуд укороченных сигналов. Свойства этих спектрометров при повышенных загрузках разнятся (рис.25).

il

"7755

жз

*——*

Рис.25. Адаптивное формирование импульсов в цифро-

Наибольшее отличие в реакциях спектро-

вом и аналоговом виде

метров проявляется при обработке событий "0" и "1". Жесткая связь форм и длительностей вы-

ходных импульсов и весовых функций (как во время-инвариантных системах с классическим "медленным" инспектором наложений), приводит к тому, что событие "1" в цифровом спектрометре обрабатывается вдвое меньше номинального времени и для этого события СР-г=А-СРТНа-1,118-1,075=1,202. В "аналоговом" случае это событие обрабатывается как одиночное и для него СРтна=1>075. Любое изменение длительности спектрометрических импульсов относительно номинальной приводит к росту СР. Поскольку в адаптивном аналоговом спектрометре со следящим компенсатором относительные изменения ИТ меньше, чем в цифровом (за счет постоянства левого склона), то и адаптация времени формирования к интерва-ия лам Тш между зарегистрированными квантами меньше сказывается на отношении сигнала к шуму (рис.26). '*" Таким образом адаптивное формирование более

" « м оя »

-предпочтительно в аналоговом виде!

Рис. 26. Изменение СЮТ-фактора адаптив- Главное применение цифровой техники, где возмо-

ных спектрометров в функции от времени

Тм между соседними попаданиями. Тм^- «ей принципиально новый и недоступный с аналого-

момент измерена шплитуды одиночного вой техникой результат . коррекция просчетов при Быстро изменяющейся интенсивности излучения (например, №4Л по короткоживущим нуклидам). При определенных условиях в ¿РС-систсшх можно избавиться от роста дисперсии числа отсчетов с ростом загрузки.

Развиваются обе техники спектрометрии, как и их элементная база. Оптимальный вариант спектрометра будет содержать обе составляющих (аналоговую и цифровую). При этом удельный вес каждой из них будет диктоваться сферой применения спектрометров. В портативных приборах будет применяться, в основном, аналоговая техника из-за меньшего энергопотребления, а в т.н. "исследовательских" задачах (работа с большим количеством болыпеобъёмных детекторов, например) - цифровая. В задачах, где малы периоды полураспада изотопов, а также в работах по диагностике "горячей" плазмы, где интенсивность излучения чрезвычайно велика и имеет достаточно резкие скачки во времени, пока безальтернативны аналоговые адаптивные спектрометрические системы.

Заключение

В процессе выполнения работ, составивших содержание диссертации достигнуты следующие научные и практические результаты:

1. Систематизирован и обобщен обширный материал, по зарядочувствительным предусилителям (САА) для Si и бе детекторов рентгеновского и ^излучения. Показано, что высокая разрешающая способность этих детекторов наилучшим образом реализуется лишь с "безрезистивными" СИА с тем или иным механизмом импульсного восстановления исходного заряда на емкости обратной связи С/. Эти же предусилители в наименьшей мере ограничивают быстродействие спектрометра. Технически наиболее оптимальны СИА с импульсным стоковым восстановлением разрядной сери-

ей и те, где вместо обычного полевого транзистора (JFET) на входе применяется PentaFET- полевой транзистор со встроенным инжектором компенсирующего тока.

2. Комплексно изучены общие свойства спектрометров с время-инвариантными и время-вариантными формирователями спектрометрических импульсов:

• введено дифференцированное определение быстродействия спектрометра, отражающее устойчивость к повышенной загрузке (искажения аппаратурного спектра из-за сдвига и уширения пиков аппаратурного спектра - быстродействие "по входу") и предельную скорость накопления спектра (быстродействие "по выходу"); показано влияние отдельных устройств на обе составляющие;

• определена минимально необходимая система показателей, позволяющая однозначно сравнивать предельные метрологические характеристики спектрометров с разнообразными способами обработки импульсов детекторов;

• сформулировано правило, позволяющее на стадии проектирования без проведения экспериментов определять наличие или отсутствие зависимости уровня шума в спектрометре от статистической загрузки (Count-Rate Depended Noise-CRDN);

• проведен сравнительный анализ известных и наиболее перспективных время-инвариантных и время-вариантных алгоритмов формирования спектрометрических импульсов; показано, что трансформация квазигауссовой формы функции ммяти спектрометра в квазитреугольную синтезом её из квазигауссианов 2+6 порядка качественно не улучшает свойства спектрометра;

• предложена методика измерения вкладов различных источников шума в разрешение спектрометра при наличии нестационарного шума.

3. Изобретен, разработан и запатентован способ увеличения быстродействия (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS) спектрометров, позволяющий менять форму и длительность спектрометрических импульсов сохраняя исходную форму функции памяти спектрометра W(t), что позволяет избежать возникновения вызванного статистической загрузкой (нестационарного) шума:

• показано, что NFAPS-cmcoß применим к ряду известных в мире спектрометров с время-вариантным формированием сигналов и качественно улучшает их свойства;

• разработан, испытан и готовится к производству быстродействующий рентгеновский спектрометр с время-вариантным формированием импульсов, использующий. NFAPS-саособ;

• предложен и запатентован технически реализуемый сверхбыстродействующий спектрометр с автоматической адаптацией времени обработки сигналов к индивидуальным интервалам между ними по NFAPS- способу. ч

4. Предложена единая классификация стабилизаторов базовой линии (BLS) спектрометра и изучено влияние свойств разных классов стабилизаторов на свойства спектрометра при повышенных статистических загрузках; указаны наиболее перспективные типы стабилизаторов для использования в быстродействующих прецизионных спектрометрах у и рентгеновского излучений:

• теоретически и экспериментально показано, что любой из классических BLS является источни-

ком нестационарного шума;

• исследованы конкретные структуры BLS и предложены усовершенствования для получения предельных параметров,

5. Изобретен новый класс стабилизаторов базовой линии спектрометров - т.н. "цифровые" (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы ("Digital" Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить CRDN и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение ЛТ-МЛУ-способа):

• разработана теория;

• разработаны конкретные стабилизаторы, применяемые во всех разрабатываемых и выпускаемых лабораторией спектрометрах в течение многих лет;

• показано, что "цифровые" стабилизаторы (DBLS) в настоящее время превосходят по своим характеристикам истинно цифровые.

6. Предложена методика сравнительного инженерного анализа разных способов временной привязки к детекторным импульсам и проанализированы б методов таймирования, потенциально пригодных для применения в спектрометрах рентгеновского и мягкого ^излучения.

7. Разработано, запатентовано и успешно применяется устройство таймирования с компенсацией сдвига временной отметки от изменения амплитуды и формы импульсов в спектрометрах с низким отношением сигнала к шуму; дан анализ способов инспекции наложенных событий с точки зрения применимости в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и ^излучения.

8. Разработаны методики математического и экспериментального анализа точностных свойств корректоров просчетов при стационарной статистической загрузке и впервые проведен сравнительный математический анализ трех наиболее известных в мире способов коррекции просчетов:

• впервые показано, что математически строго коррекция осуществима лишь по методу "виртуального генератора" G.P. Westphal.

• предложены и реализованы в серийной продукции технические меры, помогающие на практике реализовать потенциальные возможности корректоров; предложена методика быстрой настройки и проверки характеристик;

• предложены новые подходы к коррекции просчетов при переменной статистической загрузке для существенного снижения дисперсии числа отсчетов, пригодные для спектрометров как с аналоговой, так и с цифровой обработкой сигналов детекторов.

9. Проведен сравнительный анализ спектрометров с аналоговой и цифровой обработкой сигналов детекторов излучений. Показано, что при нынешнем уровне развития цифровой техники и математических алгоритмов, большее быстродействие как "по входу", так "по выходу" достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов. Выяснено, что в задачах с быстроиз-меняющейся интенсивностью излучения цифровые спектрометры приоритетны - они могут позволить уменьшить дисперсию числа отсчетов.

! 0. Предложены и реализованы в серийной продукции оригинальные схемотехнические решения ряда ключевых узлов и устройств прецизионных спектрометров.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф. ПТЭ №4 (1977) с. 133-136.

2. Школа Н.Ф., Игнатьев О.В., Мокобоцкий М.А. Измерительная техника, №2 1978 с. 33-34

3. Игнатьев О.В., Калинин А.И., Школа Н.Ф. Время-зависимый фильтр для спектрометрических усилителей. Сообщение № 13-12019 Объед. Ин-таядерн. Исслед., Дубна 1978 9 с.

4. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В. Сравнительные характеристики некоторых фильтров для прецизионных спектрометров с ППД - Дубна, 1979, 15 с. Депон. публикация ОИЯИ: Б1-13-12-838

5. Школа Н.Ф., Игнатьев О.В., Новисов Б.С., Шевченко Ю.А. Спектрометрический усилитель. A.C. № 743420. Опубл. 04.06.1980.

6. Игнатьев О.В., Косее А.И., Школа Н.Ф. Блок аналоговой обработки спектрометрической информации от ППД. Свердловск, 1980, 17 с. Рукопись представлена УПИ им. С.М. Кирова, Деп. в ВИНИТИ 08.05.1980, №1586-80

7. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Гиманов ВЛ. Линейный спектрометрический усилитель. A.C. № 752210. БИ 1980, №28.

8. Игнатьев О.В., Коссе А.И., Школа Н.Ф. ПТЭ №6 (1980) с. 68-70.

9. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Коссе А.И. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.: Машиностроение Вып. 25 (1980) с.100-107

Ю.Игнатьев О.В. Исследование и разработка формирующих усилителей для спектрометров с ППД рентгеновского и мягкого гамма-излучений. Авторёф. дисс. к.т.н. ОИЯИ, Дубна. 1980,20 с.

11. Коссе А.И., Гиманов В.П., Игнатьев О.В. Импульсный усилитель. А.С.790191. БИ 1980. №47

12. Школа Н.Ф., Игнатьев О.В., Новисов Б.С. и др. Спектрометрический усилитель. A.C. 803674. Опубл. 14.01.1981.

13. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Коссе А.И., Максименко A.C. Устройство стабилизации исходного уровня. A.C. № 1014124. БИ 1983, № 15.

Н.Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А., Школа Н.Ф. Устройство стабилизации исходного уровня. A.C. № 1173522. БИ 1985, № 30.

15. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А., Школа Н.Ф. Устройство автоматической установки порогового уровня напряжения. A.C. ¡290996. Зарегистрировано в Госреестре изобретений СССР 15.10.1985 г.

16. Игнатьев О.В., Шевченко Ю.А., Школа Н.Ф. Базовые усилительные секции спектрометрических устройств (Обзор). Деп. В ВИНИТИ 24.10.1985, № 7423-7424.22 с.

17. Ignatyev O.V., Kosse A.I., Lyisenko A.V. et al. Nucí. Instrum. & Meth., A261 (1987) p. 103-106.

18. Игнатьев O.B., Школа Н.Ф., Шевченко Ю.А. ПТЭ №5 (1987) с. 74-79.

19. Ignatyev O.V., Kosse A.I., Pulin A.D. et al. Nucl. Instrum. & Meth.,'A261 (1987) p. 103-106.

20. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике/Ю.К. Акимов, О.В. Игнатьев, А.И. Калинин, В.Ф. Кушнирук. М.: Энергоатомиздат, 1989.344 с.

21. Игнатьев О.В., Лысенко A.B., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А. ПТЭ №4 (1989) с. 107-112.

22. Игнатьев О.В., Пули)! А.Д. ПТЭ №4 (1989) с. 112-114.

23. Ignatyev O.V.,Kosse A.I., Pulin A.D. et al. Nucl. Instrum. & Meth., A282 (1989) p. 734-738.

24. Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth., A352 (1995), p. 614-617.

25.Dudin S.V., Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth. A352 (1995), p. 610-613.

26. Игнатьев O.B., Дудин C.B., Пулин А.Д. Стабилизатор базовой линии спектрометра. Патент РФ RU 2085967 CI. Бюл. 1997,№ 21.

27. Игнатьев О.В., Дудин С.В., Пулин А.Д. Устройство таймирования спектрометрических импульсов. Патент РФ RU 2098842 С1. Бюл. 1997, № 34.

28. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Дудин C.B. Процессор спектрометрических импульсов. Патент на изобретение RU2092872 Cl, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 10.10.97. 29.1gnatyev O.V., Pulin A.D. Comparative Study of Perspective Time-variant Spectroscopy Shapers. Tp. 1-го Всеросс. симпозиума по твердотельным детекторам. Екатеринбург, УГТУ, 1997, с.175-182.

30. Krasilnikov A.V., Medley S.S., Gorelenfcov N.N., Ignatyev O.V. и др. "TFTR Charge Exchange Atoms Spectrometry Using Natural Diamond Detector" Rev.Sci.Instrum. v.70 (1999) p. 1107.

31. Белоусов М.П., Игнатьев O.B., Пулин А.Д. Аналитика и контроль (2002) т. 6, № 4, с. 434- 440. 32.Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth. in Phys. Research, A5I6 (2004) p. 160-166.

33. Dudin S.V., Ignatyev O.V., Pulin AiD. Nucl. Instrum. & Meth., A516 (2004) p. 167-171.

34. Игнатьев O.B., Морозов С.Г. Гамма-спектрометры для промышленных установок нейтронно-акгивационного анализа на быстрых нейтронах. Вестник Уральского государственного технического университета-УПИ, №5 (76) Екатеринбург, 2006. с.89-108.

35. Игнатьев О.В. Сравнение возможностей аналоговых и цифровых спектрометров рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами (Обзор). Аналитика и контроль т. 10 (2006) №3-4, с. 223-232.

36. Игнатьев О.В. Способ увеличения быстродействия спектрометров ионизирующих излучений с полупроводниковыми и другими детекторами без внутреннего усиления. Патент РФ Л» 2392642. Опубл. 20.06.2010. Бюл. № 17.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Игнатьев О.В. Сравнение возможностей аналоговых и цифровых спектрометров рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами (Обзор). Аналитика и контроль т. 10 (2006) № 3 -4, с 223-232.

2. Коссе А.И., Гиманов В.П., Игнатьев О.В. и др. Импульсный усилитель. A.C. 790191. БИ 1980. №47

3. Bussolati С, Manfredi P.F., Marioli D. Nucl. Instrum. & Meth., V. 156 (1978) p. 553-557.

4. Lakatos T., Hegyesi G., Kalinka G. Nucl. Instrum. & Meth., A378 (1996) p. 583-588.

5. Nashashibi T. IEEE Trans. NS-38,1991, №2, p.77-82.

6. Nashashibi T. Nucl. Instrum. & Meth., A322 (1992) p. 551-556.

7. Radeka V. IEEE Trans. 1970, NS-17, №3, p. 433-439.

8. Baldinger E., Frenzen W. Adv. In electronics and electron physics (1956) v8,255 p.

9. Arecchi F.T., Cavalleri G., Gatti E. et al, Energia Nuclear (1960) v.7, № 10, p.691

10. Nicholson P.W. Nuclear Electronics. J. Wiley, 1974,388 p.

11. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике/Ю.К. Акимов, О.В. Игнатьев, А.И. Калинин, В.Ф. Кушнирук. М.: Энергоатомиздат, 1989. 344 с.

12. Konrad M. IEEE Trans. NS-15,1968, №1, p.268-282.

13. Goulding F.S. Nucl. Instrum. & Meth. V. 100 (1972) №2, p.493- 504.

14. GouldingF.S., LandisD.A. IEEE Trans. NS-30,1983, №1, p.301-310.

15. Modular Pulse-Processing Electronics and Semiconductor Radiation Detector. EG&G Ortec, 97/98.

16. Product Catalog, Canberra, Edition ten.

17. Taccetti N., Bocciolini M. Nucl. Instrum. & Meth., v.l 13 (1973) №1, p.6S-75.

18. Miller G.L., Robinson D.A.H. IEEE Trans. NS-22,1975, №5, p.2022-2032.

19. Игнатьев О.В. Исследование и разработка формирующих усилителей для спектрометров с ППД рентгеновского и мягкого гамма-излучений. Автореф. дис. к.т.н. ОИЯИ, Дубна. 1980,20 с.

20. Игнатьев О.В. Способ увеличения быстродействия спектрометров ионизирующих излучений с полупроводниковыми и другими детекторами без внутреннего усиления. Патент РФ № 2392642. Опубл. 20.06.2010. Бюл. № 17.

21. Kandiah К. Active Integrators in Spectrometry with Radiation Detectors. AERE - R5019,1965.

22. Ignatyev O.V., Pulin A.D. Comparative Study of Perspective Time-variant Spectroscopy Shapers. Труды 1-го Всероссийского симпозиума по твердотельным детекторам. Екатеринбург, УГТУ, 1997, с. ¡75-¡82.

23. White G. ШЕЕ Trans. NS-35,1988, №1, р.125-130.

24. Westphal G.P. J. Radioanal, and Nuclear Chem. V. 114 (1987) № 2, p. 257-264

25. Westphal G.P., Jostl K., Schroder P.,Winkelbauer W. ШЕЕ Trans. NS-48,2001, №3, p.461- 465.

26. Kuwata M. et al. ШЕЕ Trans. NS-45,1998, №3, p.728-731.

27. Kandiah K. Nucl. Instrum. & Meth. v. 95 (1971) p.289-300.

28. Kandiah K„ Smith A.J., White G. ШЕЕ Trans. NS-22,1975, №5, p.2058-2065.

29. Kandiah K., White G. IEEE Trans. NS-28,1981, №l,p.613-620.

30. Husimi K., Ohkava S. IEEE Trans. NS-36,1989, X» 1, p.396-400.

31. Blatt S.L., Mahieux J., Kohler D, Nucl. Instrum. & Meth., V. 60 (1968) J61, p. 221-230.

32. Школа Н.Ф., Игнатьев O.B., Новисов Б.С., Шевченко Ю.А., Косее А.И. Спектрометрический усилитель. A.C. № 803674. Опубл. 14.01.1981.

33. Bertolaccini М., Bussoilati С., Cova S., De Lotto I, Gatti E. Nucl. Instrum. & Meth., V.61 (1968) p. 84-88

34. Школа Н.Ф., Игнатьев O.B., Новисов B.C. и др. Спектрометрический усилитель. A.C. № 743420. Опубл. 04.06.1980.

35. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Дудин С.В. Процессор спектрометрических импульсов. Патент РФ RU 2092872 С1, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений ¡0.10.97.

36. Игнатьев О.В., Дудин С.В., Пулин А.Д. Стабилизатор базовой линии спектрометра. Патент РФ RU 2085967 С1. Опубл. 27.07.1997, Бюл. № 21.

37. Robinson L.B., Rev. Sei. Instrum., 1961, v32, №9, p.1057

38. Chase R.L., Paulo L.R. IEEE Trans.l967,NS-14,№l, p.83.

39. Karlovac N.. Blalock T.V. ШЕЕ Trans. V. NS-22,1975, X» l,p.457-462.

40. Игнатьев O.B., Школа Н.Ф., Коссе А.И., Максименко A.C. Устройство стабилизации исходного уровня. A.C. № 1014124. Опубл. 23.04.1983, БИ№ 15.

41. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А., Школа Н.Ф. Устройство стабилизации исходного уровня. A.C. № 1173522. Опубл. 15.08.1985, БИ № 30.

42. Kuwata М, MaedaH., Husimi К. ШЕЕ Trans. От Nucl. Sei., V. NS-41,1994, № 1, р.1236-1239.

43. Pullia A., Ripamonti G. Nucl. Instrum. & Meth., A376 (1996) №1, p. 82-88.

44. Cho Z.H., Chase R.L. Nucl. Instrum. & Meth., V. 98 (1972) p. 335-347.

45. Мелешко E.A. Наносекундная электроника в экспериментальной физике, М. Энергоатомиздат, 1987 г., 216 с.

46. Лакатош Т., Матэ Д. Новый метод временной привязки и стандартизации импульсов по форме при амплитудном анализе. В сб. Труды VI Международного симпозиума по ядерной электронике (23-30 сент. 1971г., Варшава). D13 - 6210, Дубна, 1972, с. 78.

47. Deroche J. Duration discrimination as a means of extracting time data in nuclear spectrometry. В сб. Труды VI Международного симпозиума по ядерной электронике (23- 30 сент. 1971г., Варшава). D13 - 6210, Дубна, 1972, с. 83.

48. Gal J., Bibok G. Nucl. Instrum. & Meth., V. 163 (1979), p. 535-539.

49. Игнатьев O.B., Дудин C.B., Пулин А.Д. Устройство таймирования спектрометрических импульсов. Патент РФ RU 2098842 С1. Опубл. 10.12.1997, Бюл. № 34.

50. Глушковский М.Е. Быстродействующие амплитудные анализаторы в современной ядерной физике и технике. М. Энергоатомиздат, 1986,128 с.

51. Statham PJ.Microchimica Acta, V. 155 (2006) р. 289-294.

52. Twomey T.R. et al. High-Count-Rate Spectroscopy with Ge Detectors: Quantitative Evalution of the Performance of High-Rate Systems// Radioactivity & Radioehemistry, v.2, №3 (1991) p. 28-48.

53. Цитович А.П. Ядерная электроника. M.: Энергоатомиздат, 1984.408 с.

54. Deighton М.О. Nucl. Instrum. & Meth.,v.l4 (1961), pp. 42-52.

55. Bartossek J. et al. Nucl. Instrum. & Meth.,V.104 (1972) pp. 221 - 223.

56. An introduction to spectroscopy amplifiers. Application note. SILENA, 1982,42 p.

57. Westphal G.P. Method of and system for determining a spectrum of radiation characteristics with full counting-loss compensation. US Patent '№ 4,476,384. Oct. 9,1984.

58. Westphal G.P. Jornal of Radioanalytical Chemistry, v. 70, № ]-2 (1982) pp. 387-410

59. Jenkins R. et al. Quantitative X-Ray Spectrometry (NY:Marcel Dekker, Inc), 1981

60. Белоусов М.П., Игнатьев O.B., Пулин А.Д. Аналитика и контроль (2002) т. 6, № 4, с. 434-440.

61. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. М., Физматгиз, 1959,412 с.

62. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф. ПТЭ №4 (1977) с. 133-136.

63. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Косее А.И. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.: Машиностроение Вып. 25 (1980) с.100-107

64. Игнатьев О.В., Коссе А.И., Школа Н.Ф. ПТЭ №6 (1980) с. 68-70.

65. Ignatyev O.V.,Kosse A.I., Lyisenko A.V. et al. Nucl. Instrum. & Meth., A261 (1987) p. 103-106.

66. Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth., A352 (1995), p. 614-617.

67. Игнатьев O.B., Лысенко A.B., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А. ПТЭ №4 (1989) с. 107-112.

68. Игнатьев О.В., Пулин А.Д. ПТЭ №>4 (1989) с. 112-114.

69. Ignatyev O.V.,Kosse A.I., Pulin A.D. et a!. Nucl. Instrum. & Meth., A282 (1989) p. 734-738.

70. Dudin S.V., Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth., A352 (1995) p. 610-613.

71. Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth., V. A516 (2004) p. 160-166.

72. Dudin S.V.,Ignatyev O.V.,PulinA.D.Nucl.Instrum.&Meth., A516(2004)p.l67-171.

73. Krasilnikov A.V., Medley S.S., Gorelenkov N.N., Ignatyev O.V., Kaschuck Yu.A., Petrov M.P. and Roquemore A.L. Rev. Sci. Instrum. v.70 (1999) p. 1107.

74. Jenkins R., Gould R.W., Gedcke D. Quantitative X-ray Spectrometry (Second Edition). Marcel Dekker, Inc. (1995) 485p.

75. Анализаторы рентгенофлуоресцентные "МАРФ-003" (модификаций "а", "б", "в"). Технические условия 4362-003-82087580-2008 ТУ, Екатеринбург (2008) 31 с.

76. Игнатьев О.В., Морозов С.Г. Гамма-спектрометры для промышленных установок нейтронно-актива-ционного анализа на быстрых нейтронах. Вестник УГТУ-УПИ, №5 (76), Екатеринбург, 2006. с.89-108.

77. Pulia A., Geraci A., Ripomonti G. Nucl. Instrum. & Meth. V. A439 (2000) P. 378 - 384.

78. Ripomonti G. et al. IEEE Trans., NS-41 (1994), №4, p. 1109-1115.

79. Lakatos T. Nucl. Instrum. Meth., v. B47 (1990), p. 307- 312

80. Lakatos T. Signal processing method for nuclear spectrometers. US Patent 5,005,146. Apr. 2,1991.

Ризография НИЧ УрФУ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Перечень использованных сокращений и обозначений

Введение

Глава 1. Детектор и зарядочувствительный предусилитель в быстродействующих спектрометрах рентгеновского и/-диапазона

Глава 2. Формирователи спектрометрических импульсов: роль в обеспечении прецизионности спектрометра (разрешающая способность и быстродействие)

2.1. Время-инвариантные формирователи спектрометрических импульсов

2.2. Время-вариантные формирователи спектрометрических импульсов

2.3. "Экзотические" время-вариантные формирователи спектрометрических импульсов

Глава 3. Стабилизаторы базовой линии спектрометра

3.1. Нелинейные стабилизаторы базовой линии спектрометра (NLBLS)

3.2. Линейные время-вариантные стабилизаторы базовой линии (TVBLS)

3.3. "Цифровые" стабилизаторы базовой линии ("Digital"Base-LineStabilizers -DBLS)

Глава 4. Вспомогательные устройства быстродействующих спектрометров: устройства таймирования (хронирования) спектрометрических импульсов, инспекторы наложений, корректоры просчетов

4.1. Устройства таймирования в спектрометрах энергии ионизирующих излучений

4.2. Инспекторы наложений

4.3. Корректоры просчетов ("живого" / "мертвого" времени)

Глава 5. Практические реализации спектрометров и их элементов

5.1. Начальный период становления тематики. Рентгеновские полупроводниковые спектрометры на основе формирователей импульсов на линиях задержки

5.2. Программно-управляемые спектрометры рентгеновского и у-излучений

5.3. Спектрометры рентгеновского и у-излучений на электронных комплектующих мировых производителей

5.4. Сравнение возможностей и перспектив аналоговых и цифровых спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучения

В настоящей диссертации представлены результаты многолетних работ автора по исследованиям, разработкам и серийному производству прецизионных спектрометров рентгеновского и гамма-излучений с полупроводниковыми детекторами. Разработанные спектрометрические комплексы аппаратуры ориентированы в первую очередь на применение в качестве основы многоэлементных энергодисперсионных рентгено-флуоресцентных анализаторов (Energy Dispertive X-Ray Fluorescence Analysis - EDXRFA) элементного состава веществ и материалов, одно- двухэлементных анализаторов - плотномеров {k-Edge, L-Edge Densitometry), а также установок нейтронно-активационного анализа (Neutron Activation Analysis -NAA). При том, что автор занимался разработкой в Уральском государственном техническом университете1 (УГТУ-УПИ) спектрометров в целом и их электронными трактами в особенности, вопросы создания детектирующей среды (собственно полупроводниковые и сцинтил-ляционные кристаллы) не входили в сферу его научных и производственных интересов. Вопросами разработки и изготовления детекторов, в состав которых часто включают и преду-силитель, автору приходилось заниматься в основном в рамках разработки спектрометров в целом. Лишь в тех случаях, когда качество детектора оказывалось решающим в смысле достижения необходимых характеристик спектрометрической системы, автор напрямую принимал участие в их разработке.

Уже с середины 60-х годов как в ядерно-физических исследованиях, так и в промышленных приложениях ядерной физики (NAA, гамма-активационный анализ, EDXRFA и др.) ощущалась все обострявшаяся потребность в прецизионных спектрометрах ионизирующих излучений. В спектрометрии ионизирующих излучений, как и в других областях науки и техники, чей уровень существенно зависит от развития ядерной электроники, наблюдалось хроническое отставание отечественной спектрометрической техники от зарубежной. Особенно заметным это стало с появлением в мире транзисторов, цифровых и особенно аналоговых микросхем. Обусловлено это было общим отставанием в электронной элементной базе отечественной разработки и производства, что в свою очередь во многом было следствием монополизма в советской промышленности, ее изолированности в мире и излишней'секрет-ности до середины 50-х годов. Упомянутое отставание проявлялось в достигаемой точности спектрометров (энергетическое разрешение для спектрометров с полупроводниковыми детекторами, число уровней квантования аналого-цифровых преобразователей), быстродействии, стабильности характеристик, габаритах, надежности, функциональных возможностях. Примерное положение вещей в области спектрометрической электроники к началу 70-х годов отражает содержание табл. В1.

Таблица В1. Состояние разработок электропики спектрометров ионизирующих излучений к началу 70-х годов

Период Характерные черты, достижения в Мире в СССР в УГТУ-УПИ

До начала 60-х годов Вся аппаратура на лампах, спектр, усилители с простейшими l(CR)d,f +(RC)inJ — фильтрами; усилительные секции типа «двойка» и «тройка»; АЦП типа Wilkinson, fc = 10+20 MHz, N=6+8 bit Тематика отсутствовала

Первые монографии по ядерной электронике и Elmore W.C., Sands М. 1949 [1 ];А.В. Gillespie, 1953 [21; Chase R.L. 1961 ГЗ] и др. спектрометрическим усилителям A.A. Санин 1951 [4] и 1961 [5]; A.M. Бонч-Брусвич 1954 [6] и др.

Основы теории оптимальной фильтрации применительно к ядерной электронике (//. den Hartog, F.A. Miller 1947 [7]; Е. Baldinger, W. Franzen, 1956 [8]; E. Gattietal, 1960, [9]) • Теория баллистического дефицита в формирующих усилителях [Е. Baldinger, W. Franzen, 1956 [8]) • Первый общепризнанный стабилизатор базовой линии спектрометра (L.B. Robinson, 1961 Г101)

60-е годы Появление транзисторов; возрастание кратности интегрирования в спектр, усилителях (снижение CF); рост скорости и точности АЦП (fc = 25 +50 MHz, N= 8+10 bit) Тематика отсутствовала

• BLR Чейза-Паоло (R.L.Chase, L.R. Paulo 1967 [11]), иногда применяемый и поныне. • Первый процессор спектрометрических импульсов (К. Kandiah, 1967 [12]) • Инженерный способ расчета шумовых свойств спектрометра (М. Konrad, 1968 [13]) • Появление идеи адаптации времени формирования в усилителе к интервалам между спектрометрическими импульсами (М Berto-laccini et al, 1968 [14]) • Первый предусилитель с непрерывной оп-тосвязыо, достижение tjSi9 £ 200 eV (F.S. Goulding et al. 1969 fl5D

Начало 70-х годов Появление согласованных пар интегральных транзисторов и, как следствие, усилительные секции со структурой операционных усилителей, активные фильтры, появление в составе спектрометра режектора наложений; появление первых 100+200 MHz АЦП с N= 12 bit.

• Предусилитель с импульсной оптосвязью ц^ИПОеУ^.Б. СоиЫтх 1971 [16]) • Первый «безрезистивный» предусилитель с непрерывной стоковой связью, достижение Г]5,9¿200 еУ(Е. Е1а<1. 1972 [17]) • Появление наглядного способа расчета во временной области фильтрующих свойств время-инвариантных и время-вариантных формирователей спектрометрических импульсов (ЕБ. СоиШт^ 1972 [18]). • Появление в спектрометрических усилителях усилительных секций на гибридных (конец 60-х г.) и интегральных (начало 70-х г.) м/с. • Первая в СССР разработка спектрометра со стабилизатором нуля, режектором наложений и время-вариантным формирователем импульсов (В.Б. Иванов 1970 [19]). • Быстродействующие АЦП с кусочно-линейной шкалой (работы В.Г. Тишина в ОИЯИ, 1972 [20]) • Первые спектрометрические усилители, конкурирующие с усилителями ORTEC, СапЬегга и т.п. (работы В.Г. Субботина 1969 [21] и А.И. Калинина 1973 [22] в Дубне) • Быстродействующие сцинтил-ляционные у спектрометры с время-вариантным формированием сигналов. • Начало работ по прецизионным спектрометрическим формирователям на основе дифференциатора на линиях задержки.

Любой спектрометр ионизирующих излучений характеризуется целым набором параметров. Важнейшими из них, определяющими применимость к решению тех или иных задач,

1 В прошлом Уральский политехнический институт — УПИ. являются разрешающая способность, быстродействие и эффективность регистрации.

Все остальные (долговременная и температурная нестабильности, массово-габаритные показатели, энергопотребление и пр.) важны, но в большей степени определяются применяемой элементной базой и схемотехническими решениями, а не заложенными принципами реализации. В спектрометрии ионизи

N«I(Tl) ■ СзЦТьЬдетекторы

L»Br> - детектор

HpGe - детектор

Si-РШ i

5Э0 ¿B apa I» 1221 М «=»В Д- М71

ЛЦ1 ИНИН f

HilqiHfi ■Vi ow)

Si(Li) - детектор

0.1

1.0

10

100

1000

Е. кэВ

10000

-^ рующих излучений, как и в любой другой области техники, невозможно с помощью прибора одного типа перекрыть весь спектр подлежащих решению задач. На рис. В.1. показаны предпочтительные энергетические области применения спектрометров с различными детекторами рентгеновского и гамма-излучений, которыми в той или иной мере пришлось заниматься автору.

Области применения, показанные здесь, обусловливаются в первую очередь эффективностью регистрации и энергетическим разрешением.

Рис. В.1. Энергетические области применения раз- Роль электронного тракта спекработанных спектрометров с различными детекто- трометра с полупроводниковым де рами и структура "классического" спектрометра тетором в достижении предельного энергетического разрешения, определяемого "статистикой" преобразования энергии у-квантов в электрический заряд, иллюстрирует рис. В.2.

Те задачи, которыми автору с сотрудниками пришлось заниматься в течение многих лет, более, чем в 95-ти процентов случаев требовали создания спектрометров с максимально возможным быстродейст

Рис. В2. Влияние шума электроники вием при непременном условии достижения наилуч- на разрешение спектрометра с БЦЫ)шего разрешения во всем диапазоне интенсивностей детектором [15] измеряемых потоков рентгеновского и/или у-излучения. Причиной тому то, что во всех приложениях спектрометров (ЕОХЯРА, диагностика плазмы, МАЛ, рентгеновская денситомет-рия и др.) требовалась "хорошая статистика" отсчетов при минимальном времени экспозиции. В силу этого в диссертации было сочтено разумным не приводить обзор соответствующей литературы, и на его основе формулировать цели исследований и разработок. Многолетняя практика сама собой и самым объективным образом выявила направления и цели работ, составивших основу настоящей диссертации. Немаловажно, и то, что упомянутые работы выполнялись по контрактам с конкретными предприятиями и научными организациями, т.е. в этих работах была реальная необходимость.

Содержание табл. В2. позволяет понять роль каждого из элементов спектрометра в достижении (или деградации) основных метрологических характеристик — разрешающей способности и быстродействия.

Таблица В2.

Влияние функциональных устройств и узлов спектрометра на его основные метрологические характеристики

Устройства (узлы) Влияние на характеристики при малых загрузках Влияние на характеристики при высоких статистических загрузках

Блок детектирования (собственно детектор и за-рядочувстви-тельный пре-дусилитель) Задает предел разрешающей способности спектрометра ("ста-' гистика" преобразования энергии поглощенного кванта излучения; ток утечки детектора и затвора ,1РЕТ\ тип и механизм реализации восстановления; крутизна характеристики ЗґЕТш, качество материала детектора и ІЕЕТ - 'Чгарр'тц-ъффект" и и1/Г- шум.) Зарядочувствительные предусилители (ChÄ) с "непрерывными" o.e. дают возрастающий с ростом загрузки "параллельный" шум и уменьшающуюся постоянную спада импульсов на выходе, следствие - образование биполярных сигналов в PSI (возрастание на входе JFET тока, компенсирующего средний радиационный ток). С/гА с "импульсными" o.e. могут давать значительное дополнительное мертвое время (циклы восстановления заряда на емкости Cf)

Формирователь спектрометрических импульсов (PSh) Тип формирователя определяет степень приближения энергетического разрешения к преде-пу, задаваемому блоком детети-рования [СГ=1.01 +1.50; СРи/ =1.01 +1.61) Задает интервал наложений, т.е. теоретический ход проходной характеристики по загрузке — зависимость R„ = f(RJ Время-вариантные формирователи могут генерировать 'нестационарный", т.е. зависящий от интервалов времени между импульсами шум

Стабилизатор базовой линии Практически не влияет! Отвечает за сдвиг и уширение пиков в аппаратурном спектре с ростом загрузки (несовершенная блокировка емкости памяти на время действия спектрометрического импульса; "паралич"; нестационарный шум)

Инспектор наложений с устройством таймирова-ния импульсов В спектрометрах с время-зариантным формированием импульсов может ограничивать нижний предел измеряемых амплитуд (размытие момента переключения параметров) Влияет на асимметрию пиков в аппаратурном спектре. Отвечает за относительную интенсивность ложных пиков о кратными энергиями. Ответственней (вместе с PSh) за степень приближения микроскопического мертвого времени к величине интервала наложений

Аналого-цифровой преобразователь (A DC) Не влияет при условии, что дифференциальная нелинейность Вц/ £ 1%, коэффициент конверсии в л- диапазоне КЛ>0 > ІІЬі^саІе, а в у - диапазоне Кл^п> 12ЬМса1е Вносит дополнительное мертвое время непродлевающе-гося типа, если используется счетно-импульсный метод конверсии и частота кварца fd £100 MHz для х-спектрометров и fj<200 MHz для у - спектрометров

Интерфейс "PSI-f+PC" Не влияет! Может вносить дополнительное мертвое время при отсутствии буферной памяти

Корректор просчетов Не влияет! Может давать существенные ошибки в определении интенсивности излучения по входу спектрометра

Данные рис. В.З и В.4 придают наглядность сказаному, а рис. В.4, кроме того, позволяет конкретизировать широко употребляемый термин "быстродействие" применительно к спектрометрам рентгеновского и ^-излучений с полупроводниковыми детекторами. ф X

3 X X ф а 3 1

2 3 к а

X at

§1 г °

Ii т х п

Тіш и рабочее вещество детеггора

Тип предусилителя и характеристики головного каскада

Тип формирователя спектрометрических импульсов разрядность ADC

Разрешающая способность спектрометра: показатели - полная ширина аппаратурного пика на половине высоты (РЦИМ или Г|) и относительная ширина пика (Рцгнм/Е или Т|/Е)

SDD для Х-спектрометроа; CsJ(Tt), YAP, YAG, LaCls, LaBr,. кристаллы и фотодиоды для сцин-щ тилляционных у-спектрачетров

JFET с Сш=тіп и S=max, минимум элементов на входе, хе. "безрезистив-ная" О.О.С.

Согласованная" (matched) форма весовой функции WCt)

Число уровней квантования ADC не менее, чем S/ф/Етах)

Рис.В.З. Факторы, определяющие разрешающую способность спектрометров и возможные меры по ее улучшению: SDD - полупроводниковый дрейфовый детектор; JFET — полевой транзистор с р-п — переходом; S — крутизна характеристики JFET-, О.О.С. — отрицательная обратная связь; ADC - аналого-цифровой преобразователь

В особых комментариях содержание рис. В.З не нуждается. Стоит лишь еще раз упомянуть, что при низких статистических загрузках предельный уровень энергетического разрешения спектрометра с полупроводниковым детектором определяется свойствами материала детектора и головного полевого транзистора зарядочувствительного предусилителя. Структура и схемотехника электронного канала спектрометра ответственны лишь за степень приближения к этому предельному уровню. Аналогичным образом обстоит дело со сцинтилля-ционными у-спектрометрами, где вместо полевого транзистора предусилителя влияние на энергетическое разрешение оказывает фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Термин "быстродействие", часто используемый в литературе, применительно к спектрометрам ионизирующих излучений оказывается весьма неоднозначным. Для получения этой однозначности автором предложено различать "быстродействие по входу" и "быстродействие по выходу" спектрометра. Что понимается под этими терминами следует из рассмотрения рис. В.4. [23]. На том же рисунке еще раз схематично показано на какую сторону быстродействия оказывает влияние каждый из элементов спектрометра.

Рис. В.5. позволяет уточнить понятие "быстродействие по выходу". На графиках представлены передаточные функции по статистической загрузке R0=f(Ri), рассчитанные для спектрометров с двумя формирователями спектрометрических импульсов - квазигауссовым 4- го порядка (4 /fC-интегратора) и "треугольным", режектором наложений и быстрым A DC.

Рис. В.4. К вопросу о быстродействии спектрометров и факторах влияния. PC — персональный компьютер; ТУ— длительность импульсов по основанию; ADC — аналогоцифровой преобразователь

При рассчете принято, что оба формирователя настроены на максимум достижимого с ними

МО' 15-Ю 200

Ri,l/S

Рис. В.5. Зависимости R0—f (Ri) для спектрометров с быстрым ADC и формирователями квазигауссовых и "треугольных" импульсов. Tjr микроскопическое мертвое время спектрометра отношения сигнала к шуму, при этом оптимальное время достижения максимума гауссовым импульсом пусть составляет Треак =Ю

Совершенно очевидно, что в плане достижения максимальной разрешающей способности спектрометра от разработчика электронных трактов спектрометров в основном требуется только высокая техническая культура в этой области. Особенно в настоящее время, когда стали доступны практически любые материалы и комплектующие изделия.

Гораздо более глубокие знания и значительный личный опыт необходимо приложить, когда требуется обеспечить повышенное быстродействие спектрометра. Число степеней свободы у разработчика спектрометрической аппаратуры в этом случае весьма велико (по сравнению с задачей увеличения разрешающей способности) и очень важно правильно ими воспользоваться.

Цвлыо работ, составивших содержание настоящей диссертации, стали исследования и разработки принципов (в первую очередь) построения прецизионных полупроводниковых х- и у-спектрометров с повышенным быстродействием. а также разработка конкретных аппаратных реализаций этих принципов с освоением в производстве соответствующих приборов и спектрометрических систем.

Сцинтилляционные спектрометры, которыми автор также достаточно много занимался, не вошли в настоящую диссертацию, поскольку они, благодаря внутреннему усилению детектора (ФЭУ), оказываются существенно более простыми, хорошо изучены и особого научного интереса собой не представляют.

Актуальность темы исследований и разработок.

Спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений находят широкое применение как сами по себе для измерения характеристик полей излучения, так и в качестве основы многоэлементных энергодисперсионных рентгенофлуо-ресцентных анализаторов (Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Analysis - EDXRFA) элементного состава веществ и материалов, одно- двухэлементных анализаторов - плот-номеров (K-Eclge, L-Edge Densitometry), установок нейтронно-активационного анализа (Neutron Activation Analysis - NAA) и др. В подавляющем числе применений спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучения, кроме малофоновых измерений, стоит проблема достижения максимального быстродействия, что связано с тем, что полезные события, как правило, составляют меньшую, а часто незначительную, часть общего потока регистрируемых полупроводниковым детектором ^-квантов. В то же время относительная статистическая неопределенность в выбранной области (пике) спектра где /I-число отсчетов в упомянутой области (пике). В силу этого всегда стремятся поднять интенсивность регистрируемого детектором излучения до величин чуть меньших, чем максимально допустимая статистическая загрузка по входу спектрометра Rimax■ При этом чрезвычайно важно при данной Ri max добиться максимума скорости накопления информации R0.

В полупроводниковой спектрометрии требования достижения высокой разрешающей способности и быстродействия находятся в прямом противоречии между собой. Единственный путь достижения успеха состоит в скрупулезном изучении тонкостей функционирования отдельных элементов спектрометра и их ансамблей, в тщательном учете их в процессе разработки, в поиске отличных от общепринятых подходов к способам обработки сигналов (pulse processing) и к архитектуре электронных каналов спектрометров, их ключевых узлов и устройств, а также в создании схемотехники, позволяющей за счет применяемых принципов функционирования нивелировать недостатки электронных комплектующих.

Научная новизна выполненных работ состоит в следующем:

1. Комплексно изучены общие свойства спектрометров с время-инвариантными и время-вариантными формирователями детекторных импульсов:

• определена минимально необходимая система показателей, позволяющая однозначно сравнивать предельные метрологические характеристики спектрометров с любыми способами обработки импульсов детекторов;

• сформулировано правило, позволяющее без проведения экспериментов определять наличие или отсутствие в спектрометре дополнительного, зависящего от статистической загрузки, шума (Count-Rate Depended Noise - CRDN)\

• проведен сравнительный анализ наиболее перспективных время-инвариантных и время-вариантных алгоритмов формирования детекторных импульсов;

• предложена методика измерения вклада CRD-шума спектрометра.

2. Изобретен, разработан и запатентован способ увеличения быстродействия (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS) спектрометров, позволяющий менять форму и длительность спектрометрических импульсов без изменения исходной формы функции памяти спектрометра W(t), что позволяет избежать возникновения зависящего от статистической загрузки шума:

• показано, что NFAPS-способ применим к целому ряду известных в мире спектрометров с время-вариантным формированием сигналов и качественно улучшает их свойства;

• предложен и запатентован технически реализуемый сверхбыстродействующий спектрометр с автоматической адаптацией времени обработки сигналов к индивидуальным интервалам между ними по NFAPS-способу.

4. Предложена единая классификация стабилизаторов базовой линии спектрометра и изучено влияние свойств разных классов стабилизаторов на фундаментальные свойства спектрометра; указаны наиболее перспективные типы стабилизаторов для использования в прецизионных спектрометрах у- и рентгеновского излучений:

• теоретически и экспериментально показано, что любой из классических (нелинейных и линейных время-вариантных) стабилизаторов является источником нестационарного шума;

• исследованы конкретные структуры стабилизаторов и предложены усовершенствования для получения предельных параметров, свойственных соответствующему классу;

5. Создан новый класс стабилизаторов - "цифровые" (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы {"Digital" Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить нестационарный шум и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение NFAPS- способа):

• разработана теория DBLS;

• показано, что "цифровые" стабилизаторы в настоящее время превосходят по своим характеристикам истинно цифровые.

6. Предложена методика сравнительного инженерного анализа разных способов временной привязки к спектрометрическим импульсам и проанализированы 6 способов таймирования, пригодных для применения в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и мягкого у-излучения.

7. Дан анализ известных способов инспекции наложенных событий с точки зрения применимости в спектрометрах с низким отношением сигнала к шуму.

8. Разработана методика математического анализа точностных свойств корректоров просчетов при стационарной статистической загрузке и впервые проведен сравнительный математический анализ трех наиболее известных в мире способов коррекции просчетов:

• показано, что математически строго коррекция осуществима лишь по методу "виртуального генератора" G.P. Westphal.

• предложены технические меры для реализации на практике потенциальных возможностей корректоров; предложена методика быстрой настройки и проверки характеристик корректора;

• предложены новые подходы к коррекции просчетов при переменной статистической загрузке для существенного снижения дисперсии числа отсчетов.

9. Проведен сравнительный анализ спектрометров с аналоговой и цифровой обработкой сигналов детекторов излучений. Показано, что при нынешнем уровне развития цифровой техники и математических алгоритмов, большее быстродействие как "по входу", так "по выходу" достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов.

Практическая значимость результатов работ, составивших диссертацию, такова: 1. При самом активном участии, а с 1988 г. и под научным руководством автора в УГТУ-УПИ создан и постоянно востребован научно-производственный комплекс в виде НИЛ электроники рентгеновских приборов, способный в сжатые сроки (6 * 12 мес.) разрабатывать и осваивать в мелкосерийном производстве (50-г100 комплектов/год) как собственно спектрометры л:- и /-излучений на основе различных полупроводниковых {Si(Li), Si PIN, SDD,

ПрСе} и сцинтилляционных {У*Га1(Т1)+РкМ\, [ЬаВгЗ:Се+РкМ] и \Сэ1(Т1)+РИВю(1\} детекторов, так и различные аналитические приборы и системы на их основе.

2. Все без исключения разработки выполнялись и выполняются по контрактам и договорам с конкретными организациями и внедрены либо на производстве, либо в практике научных исследований. Среди Заказчиков наиболее крупными были, а многие ими и остаются: ЛНПО "Буревестник" (г. Ленинград), Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск: полтора десятка спектрометрических систем в системе САМАС), ОАО "Чепецкий механический завод" (г. Глазов: около двух десятков портативных рентгенофлуоресцентных анализаторов "МАРФ-002"), ЗАО "Южполиметалл-холдинг" (г. Москва: свыше 350 портативных спектрометров для носимых рентгенофлуоресцентных анализаторов ПРИЗМА, ПРИЗМА-М, ПРИЗМА-РМ— для нужд ГТК РФ).

3. За'разработки и поставки спектрометров и рентгенофлуоресцентных анализаторов на предприятия Минатома и в ГТК РФ в 2003 г. автору в числе представителей других организаций-партнеров присуждена Премия Правительтва РФ в области науки и техники "За разработку, организацию производства и внедрение в практику ядерно-физических комплексов экспрессного многоэлементного анализа веществ и материалов".

Общие выводы, касающиеся корректоров просчетов Все изложенное выше (с учетом материала гл. 2) можно кратко суммировать следующим образом:

1) При наличии выбора между корректорами "мертвого" ("живого") времени (Dead Time Corrector/Live Time Corrector — DTC/LTC) и системами счета без потерь (Losses Free Counting - LFC) следует отдавать предпочтение первым, т.к. они увеличивают статистическую точность измерений, a LFC напротив ее ухудшают.

2) Среди всех методов учета просчетов математически строгим и теоретически применимым при любом диапазоне статистических загрузок является метод виртуального генератора (VPG) G.P. Westphal.

3) Корректор Gedcke-Hale работает тем точнее, чем меньше доля пикового времени Тртк в ПОЛНОЙ длительности спектрометрических импульсов Т]у

4) Точность обоих корректоров (G.P. Westphal и Gedcke-Hale) зависит от свойств инспектора наложений и формирователя спектрометрических импульсов. Добавка мертвого времени Там к истинной длительности Тцг импульсов не может во всех случаях быть равной Треак, как это принято думать. Есть жесткое условие Tadj=TD-Тр-и и отсюда следует, что:

• если инспектор наложений допускает окончание предыдущего импульса перед самым максимумом последующего, то для корректора G.P. Westphal TadJ^O, а корректор Gedcke-Hale превращается в классический корректор с остановкой таймера на длительность 7V, при этом коррекция осуществляется идеально!

• если время-вариантный формирователь подразумевает защитное время Трг, то То =Тр.и и Tadd=0.

5) Характеристики обоих типов корректоров чрезвычайно чувствительны к точности измерения длительности по основанию спектрометрических импульсов Тцг и для реализации предельных характеристик требуются специальные схемотехнические решения, которые, как правило, отсутствуют в стандартных спектрометрических модулях.

Глава 5

Практические реализации спектрометров и их элементов

При написании настоящей главы не ставилась цель просто описать все разработанное и произведенное лабораторией за почти 40-летний период научно-практической деятельности автора. Главная задача последующего материала - проиллюстрировать на примерах конкретных устройств, приборов и систем воплощение в большей мере теоретического содержания предыдущих глав. Основное внимание уделено тем структурам, принципам и схемотехническим реализациям, которые либо не потеряли актуальности до настоящего времени, либо могут обрести новую жизнь на современной элементной базе.

5.1. Начальный период становления тематики. Рентгеновские полупроводниковые спектрометры на основе формирователей импульсов на линиях задержки

В самом начале своей научной карьеры, после более-менее детального ознакомления с состоянием мировых и отечественных разработок спектрометров с полупроводниковыми детекторами, автор пришел к неутешительному, но весьма важному выводу, имевшему значительные последствия. Он состоял в том, что при доступной элементной базе (биполярные и полевые транзисторы, реле, механические устройства коммутации и пассивные элементы, особенно многооборотные резисторы) и измерительной аппаратуре (осциллографы, генераторы, вольтметры, многоканальные анализаторы импульсов) не приходится даже мечтать о том, чтобы создать спектрометры, могущие составить хоть какую-то конкуренцию продук ции Ortec, Canberra, Tennelec и др., если придерживаться традиционных подходов построения аппаратуры (см. табл. В.1). Выход из положения виделся в том, чтобы пойти нестандартным путем.

Два момента определили последующий более, чем 10-летний период разработок, производства и внедрения быстродействующих спектрометров рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами. Во-первых, это время-вариантное формирование спектрометрических импульсов, способное увеличивать быстродействие как "по входу", так и "по выходу". И второе. Основу этих формирователей должны были составить устройства дифференцирования на линиях задержки, обеспечивающие квазипрямоугольную форму импульсов, что сильно облегчает построение высококачественных стабилизаторов базовой линии, простых и весьма эффективных инспекторов наложений.

Так случилось, что к началу разработок автором (1972 г.) DZ-формирователей мода на них за рубежом уже прошла. Последняя работа датирована 1973 г. [51], да и та носила сугубо расчетный характер, основанный на идеальности линий задержки. Причина отказа от массового применения ^/.-формирователей крылась в их крупных недостатках (речь идет о линиях с сосредоточенными параметрами, т.к. в //s-диапазоне времен кабельные непригодны из-за габаритов):

• Принципиальные сложности получения униполярного квазипрямоугольного импульса при экспоненциальной форме подлежащего дифференцированию сигнала.

• Значительные потери на активных сопротивлениях дросселей приводило к появлению на униполярных выходных импульсах скола вершины и хвоста с протяженностью, равной длительности формирования - увеличение вдвое длительности по основанию квазипрямоугольных импульсов.

• Сильная зависимость волнового сопротивления от частоты затрудняет точное согласование линии на концах.

• Трудность коммутации для получения ряда значений времен DL¡i¡f.

• Значительные габариты наиболее широкополосных линий с числом звеньев 20/jjs. Наиболее важны первые два недостатка - первое время из-за них создавались спектрометрические формирователи лишь с небольшим (1+2[is) временем дифференцирования для спектрометров с поверхностно-барьерным Si- детектором а- частиц и протонов [123].

Применение упомянутых дифференциаторов в спектрометрах с Si(Li)- и <7с(Х/)-детекто-рами, где оптимальное время дифференцирования составляет от 4-х до нескольких десятков микросекунд, стало возможным после изобретения узла дифференцирования со съемом токового сигнала на вход изодромного интегратора [68] и введения на входе линии корректирующей емкости Ссог. Устоявшаяся структура DL- дифференциатора [105,106,107] в составе аналогового процессора АР-002М39 показана на рис. 5.1 [107].

Особенность узла дифференцирования состоит в том, что благодаря изодромному интегратору (А5, С/ц, R¡z¡) устранены спад вершины и отрицательный выброс у квазипрямоугольного импульса40 на выходе узла DL- дифференциатора из-за малой постоянной времени спада входного экспоненциального импульса (тот = 2,4 fjs). Это позволяет размещать

39 Понятие Аналоговый прцессор имеет российское происхождение и относился к спектрометрическим модулям, осуществлявшим комплексную аналоговую обработку детекторных импульсов (усиление; стабилизацию базовой линии спектрометра; режекцию наложенных и перегружающих импульсов; амплитудный и временной отбор событий и т.п.). Отличительные черты АП: синхронное управление всеми функциональными узлами, минимум органов управления, минимизированные габариты и, как правило, более высокие метрологические характеристики за счет лучшего согласования между собой характеристик функциональных узлов. Анапого-циф-ровые преобразователи (ADQ в состав АП не входили. АП просуществовали около 15 лет (с конца 70-х по начало 90-х г.г.). Включение ABC в состав модуля сделало логичным называть такой компактный спектрометрический канал процессором спектрометрических импульсов (PSÍ). За рубежом с конца 60-х годов благодаря работам К. Kandiah et al укоренился термин Pulse Processor (знаменитые Харуэльские импульсные процессоры, включавшие в себя и блоки детектирования с оптоэлетронным укорачиванием каждого импульса).

40 Изодромный интегратор на операционном усилителе выполняет функцию прямо противоположную функции схемы укорачивания с "компенсацией полюса нулем" - он увеличивает в заданное число раз

С ы И *> 2-Ю5) постоянную времени экспоненциальных импульсов (теоретически до бесконечности, т.е. 2 р может преобразовать экспоненту в ступень напряжения).

1>.£,-дифференциатор в любом месте спектрометрического усилителя, например, после всех усилительных секций, предварительно укоротив экспоненциальный импульс с выхода пре-дусилителя для избежания перегрузки от динамического смещения.

Устранение "шлейфа" за импульсом из-за потерь в линиях задержки достигается тем, что в течение времени Тд/ = 2Т01 происходит дифференцирование с постоянной времени Ъог — 2рСсог, компенсирующее "шлейф" (р - волновое сопротивление линии задержки). Соответствующие эпюры содержатся в [53] (см. также эпюру УЗ на рис. 5.2). Указанные меры сделали возможным применение серийных, не слишком качественных, линий типа

Рис. 5.1. Аналоговый процессор АР-002М: PZC- укорачивающая RC- цепь с "компенсацией полюса нулем"; Lim- двусторонний ограничитель (Limiter); DL- линия задержки; "Inhibition"- вход запрета от предуенлт сля с импульсной связью; Izodromic Integrator - изодромный интегратор; Threshold— порог дискриминатора; TVBLS - время-вариантный стабилизатор базовой линии; LE-Discriminator- дискриминатор с постоянным порогом; Gated Integrator- стробирусмым "идеальный" интегратор; Controller-устройство управления; LED- блок светодподов индикации режимов работы; "Anti

Coincвход антисовпадений ЛЗТ-1,0-600-20 и ЛЗТ-2,0-600-20.

В поведение исходного формирователя существенные особенности вносят стабилизаторы базовой линии (BLS). Как отмечалось выше, прямоугольная форма спектрометрических импульсов на его входе является оптимальной для достижения предельного быстродействия комбинации формирователя и стабилизатора. В данном случае применен линейный время-вариантный стабилизатор охватывающего типа (Wraparound TVBLS) со схемой подавления "паралича". Его структура и функционирование аналогичны TVBLS, описанному в гл.З (см. рис. 3.13). Единственное отличие состоит в том, что между линейным пропускателем на А4 "антипараличевой" схемы и входом стабилизируемой усилительной секции на Аб размещен узел дифференцирования на DL2+DL7 и изо-дромном интеграторе (As).

Прямоугольный спектрометрический импульс с выхода TVBLS интегрируется строби-руемым "идеальным" (по структуре) интегратором на базе нормально открытого LG (A¡¡) и собственно интегратора (А 9) с усилительной секцией А ю, уменьшающей эффективное сопротивление электронного ключа (5>f) на стадии восстановления интегратора. Трапециевидная форма импульса оптимальна не только для фильтрации шумов, но и для устранения влияния флуктуации времени собирания заряда в Ge(Li)- и HpGe-детекторах ^спектрометров.

Реальное значение ССА^Р-фактора для этого формирователя по одиночным сигналам с учетом влияния TVBLS и потерь в линиях задержки (рис. 5.2) CF=1,10.

Съем сигнала временной привязки непосредственно с выхода TVBLS обеспечили оптимальные условия для работы ре-жекгора наложений. Определение наложений проводится путем прямого сравнения в логическом узле процессора длительностей квазипрямоугольного спектрометрического и эталонного импульсов (рис. 5.2). Минимальный энергетический порог ре-жекгора наложений составляет 500 eVnpa энергетическом разрешении rjsjkev^ 200 eV. Традиционный "быстрый" канал для выделения наложения из-за короткого дифференцирования (50-i-100ns) характеризуется порогом свыше 2 АгеКпри том же разрешающем времени (250+500ns) [49].

Запрет регистрации наложенных сигналов осуществляется, как и в [79,105], через "идеальный" интегратор (Аз+Аю) и выходной линейный пропускатель (А 13). Ограниченность во времени и сравнительно малая длительность спектрометрического импульса процессора обусловили высокий коэффициент передачи по загрузке (рис. 5.3).

Процессорный подход к аналоговой обработке спектрометрических импульсов позво лил наряду с решением проблем эффективной стабилизации исходного уровня и режекции

Etalon pulses л i V5 1 /'Л у/ . / V .

Linear Í| output I] jíl 1 к !/ V

Рис. 5.2. Временные диаграммы работы аналогового процессора АР-002М наложений функционально совместить "идеальный" интегратор со стретчером и экспандером (A9+Ajo) без привнесения в тракт дополнительной нелинейности. В те годы экспандер был необходим для того, чтобы в высокоразрешающих полупроводниковых спектрометрах можно было применять доступные во всех отношениях анализаторы импульсов АИ-128 и АИ-256 вместо дорогостоящего и громоздкого АИ-4096. Экспандер может использоваться как дифференциальный дискриминатор.

Важной характеристикой электронных трактов спектрометров с Се-детекторами является устойчивость к амплитудным перегрузкам. В рассматриваемом аналоговом процессоре применено специальное устройство режекции перегружающих импульсов (LG на A4 и Dual comparator) [85]. Оно отсекает уплощенную часть предварительно

Рис. 5.3. Основные характеристики спектрометра укороченных на входе А2 сигналов, с Si(Li)- детектором и аналоговым процессором восстанавливает тем самым перво-АР-002 начальную их экспоненциальную форму и выдает импульс запрета на Controller, по которому блокируются линейные ворота на выходе PSI (Aïs). Для /000-кратной амплитудной перегрузки мертвое время находится по формуле:

Тот„ш= 20fis +rsh (5.1)

В случае, если в зарядочувствительном предусилителе (ÇhA) используется импульсная обратная связь, то на время восстановления предусилителя можно блокировать процессор и по синхроимпульсу CltA. Отметим, что режектор перегружающих сигналов позволяет с точностью до 0,01% подстраивать схему укорачивания с "компенсацией полюса нулем" (PZC на рис. 5.1) путем подачи через предусилитель перегружающего импульса генератора. Подобный принцип режекции перегружающих импульсов применим и в усилителях с гауссовым формированием спектрометрических импульсов.

IM*. I /fv £

•с;

•¿s в £

300

250

200 10

0,2

7U=6u.v

NLBLS, 6щ i 1 ,i,,„* î I (Il mi"

Il il 111. to"

1QU n. W Ri. 1/s ^ 0

-0,2 W

T Tti-SiiK -Tj-i

1 NLBLS, 6\is .i I i 11111 Ь-ы \ 1 .1 M Ittl î ! i III!!!'

100

M // 10

Rt, 1/s y.

12 ъ: о S

-s:

-12 S

5 ft.

§ o*

If

10

1 T II ГШ ideal /Â ^ sJCiîïêli* ! ! ,1 1111! \ W 1,(1,1!, 1 1 M 1 Ht ,,, î 1, ! i MU I 1 ! (MM

10 пr

10"

10*

R i, 1/s ч

Все усилительные секции и линейные пропускатели АР-002М были реализованы на основе структур Милларда-Блэлока с использованием на входах микросхем 159НТВ и транзисторов КПЗОЗГ (в А5) и унифицированы. К великому сожалению в то время отсутствовали интегральные операционные усилители достаточного быстродействия.

Для удобства эксплуатации в логическом устройстве введены светодиодные индикаторы наличия запуска ¿¿¿-дискриминатора, срабатывания режектора перегружающих импульсов, наличия импульсов на линейном выходе и правильности установки длительности эталонного импульса режектора наложений. Указанные меры с учетом небольшого числа органов управления синхронно изменяемыми параметрами (по сравнению с электронными трактами, состоящими из отдельных независимых модулей) обеспечивали удобства в работе с аналоговым процессором.

Описанная структура аналогового процессора оказалась достаточно удачной. На ее основе были созданы и внедрены в практику научных исследований еще два поколения — АР-003 и АР-004. Основные их отличия в схемных реализациях элементов структуры в связи с появлением интегральных операционных усилителей 544УД2А, применявшихся либо самостоятельно, либо в составе секций с т.н. параллельным каналом [44,124].

Спектрометры на основе БЦЫ)- и Ое(Ы)-}\с гекторов с зарядочувствительными пре-дусилителями как с резистивной, так и с импульсной стоковой связью, спектрометрических усилителей с формирователями на основе 2Х£-дифференциаторов и аналоговых процессоров АР-002 + АР-004 были внедрены в ряде организаций, среди которых: опытный завод ГИРЕДМЕТа. (г. В. Пышма Свердл. обл.); НПО "Буревестник" (г. Ленинград), где были освоены в мелкосерийном производстве спектрометры с АР-002; ИАЭ им. И.В. Курчатова (г. Москва); ВНИИ радиационной техники'41 (г. Москва); ИЯФ42 СО АН (г. Новосибирск).

Создание и внедрение в практику научных исследований спектрометров на основе предусилителей с импульсной стоковой связью и аналоговых процессоров АР-002 +АР-004 вывели лабораторию на мировой уровень метрологических характеристик, а по быстродействию и эффективности режекции наложений было достигнуто значительное превосходство.

Структура АР-002+АР-004 и многие схемные реализации ее элементов оказались востребованными, когда возникла задача разработки и мелкосерийнрго выпуска пол

41 Ныне ВНИИ технической физики и автоматизации

42 Ныне ИЯФ СО РАН им. академика Г.И. Будкера. ностью программно-управляемых спектрометров в стандарте САМАС.

5.2. Программно-управляемые спектрометры рентгеновского и у-излучений В 1986 г. по заказу института ядерной физики СО АН началась программа оснащения источника синхротронного излучения ИЯФа автоматизированными спектрометрами с Si(Li)-детекторами. За 4 года были разработаны, изготовлены и внедрены в ИЯФ 10 комплектов спектрометров, содержащих зарядочувствительпые предусилители с импульсным механизмом восстановления интегрального типа через сток JFET[34, 36] (см. рис. 1.7); аналоговые процессоры АР-005 [36] и АР-006; дифференциальные дискриминаторы DD-00143 [36]; преобразователи "амплитуда—» время" PAV-001 [125] и PAV-002; преобразователь "время —> код" PVK-001 [126]; преобразователь "амплитуда —код" РАК-001; генератор статистических сигналов GSS-005*4.

Создание спектрометров с Л'^/^-детекторами для применения на таком мощном источнике излучения как синхротрон потребовало принять все возможные меры для увеличения быстродействия как "по входу", так и "по выходу" спектрометров, а то, что упомянутый синхротрон принадлежал ИЯФу - институту с уникальным уровнем автоматизации всех установок и экспериментальных каналов, потребовало сделать все, чтобы исключить ручное управление параметрами спектрометров. Решение обеих задач способствовало значительному прогрессу в схемотехническом и "идеологическом" плане.

Предусилитель с импульсной компенсацией накопленного заряда на С/ был последовательно модернизирован45 вначале для достижения максимальной загрузки по входу R¡max ¿5-1051/s по линии Ex=5,9keV [108], а затем до R¡mvc¿l06l/s [127]. Если ранее при R¿=l(fl/s по Ex=5,9keV мертвое время (DT), вносимое предусилителем составляло 30% от текущего времени (CT), то после увеличения размаха напряжения на выходе зарядочувствительной секции до 4V, а затем и до 10V и организации компенсации медленной составляющей переходного процесса (см. рис. 5.4) удалось уменьшить защитное время (Protection time) до Трг = 200fis. При тех же условиях достигнуто снижение мертвого'времени до DT&0,07 СТ.

Идеология программно-управляемых аналоговых процессоров АР-005 и АР-006 в целом идентична идеологии АР-002 (рис. 5.1). Основные отличия состояли в следующем: • Разработанные быстродействующий счетно-импульсный ADC с числом уровней квантования N=512+16384 (PA V-001+PVK-001), а также ADC "поразрядного взвешивания"

43 Эти модули были разработаны по заказу института аналитического приборостроения АН (г. Ленинград) и поставлялись для укомплектования автоматизированных мессбауэровских спектрометров.

44 Генератор был разработан для настройки АР-005, DD-001, Р. i V-001, PVK-001, РАК-001 и других модулей. Заказчикам не поставлялся.

45 Основной объем работ по модернизации предусилителя выполнен А.И. Косее.

РАК-001 с N—512+4096 сделали экспандер в составе аналогового процессора ненужным.

TWet

180 m m ПО в.г о,ч е.»

Protection tiss&jde

Рис. 5.4. СІїА Ри-003 и влияние защитного времени на энергетическое разрешение спектрометра с ¿"/(Х^-детектором. Измерения проводились по линии генератора, срабатывающего по окопчаннн Трг.

Для исключения процедуры ручной компенсации возможного смещения нуля на выходе предусилителя (регулировка "Base-line shift compensation" на входе процессора) в состав линейного усилителя был введен компенсационный стабилизатор базовой линии, рассчитанный на работу с экспоненциальными импульсами [86] (см. рис. 3.15). Для исключения операции ручной настройки порога срабатывания £/?-дискриминато-ра (регулировка "Threshold'' на рис.5.1) в состав PSI было введено устройство автоматической установки порога [99], которое действует по принципу фазовой стабилизации частоты, сравнивая частоту внутреннего генератора (обычно 10+25 Hz) со средней частотой срабатываний специального компаратора шумовых импульсов с полярностью противоположной полярности сигналов. Пороговое напряжение на это г компаратор поступает от схемы сравнения частот. Благодаря наличию ряда блокировок (на время действия спектрометрического импульса, на время переходного процесса в предусилителе, на время действия сигналов противоположной полярности) и большому усилению по петле регулирования порог ЬЕ- дискриминатора с высокой точностью соответствует заданному if noise — 10+25 Hz) во всем диапазоне амплитуд импульсов и статистических загрузок. • Определенные трудности возникли при организации цифровой регулировки коэффициента преобразования "ГРУБО" и "ПЛАВНО". Последнее заслуживает обсуждения. Спектрометрическая аппаратура в стандарте САМАС изначально проектировалась как универсальная, т.е. могущая быть использованной с множеством блоков детектирования. Это подразумевает широкие пределы регулирования коэффициента преобразования, что в свою очередь потребовало решения двух проблем:

1. Выбор и реализация оптимального способа регулирования усиления. В идеальном случае такой способ должен обеспечивать независимость от установленного усиления приведенного ко входу шума, времени нарастания переходной характеристики, диапазона амплитуд на выходе, времени распространения сигнала.

2. Разработка базовой усилительной секции с низким уровнем приведенного ко входу шума, малым временем нарастания, одноплюсной передаточной функцией и малыми напряжением смещения и его температурным дрейфом.

Известны три основных способа регулирования усиления в спектрометрических устройствах. Свойства спектрометрических усилит елей с соответствующими регулировками отражены в табл. 5.1. [44,124]

Заключение

В процессе выполнения работ, составивших содержание настоящей диссертации достигнуты следующие научные и практические результаты:

1. Систематизирован и обобщен в компактной и доступной форме обширный, но рассеяный по множеству публикаций материал, касающийся зарядочувствительных предусилителей (<ChA) для полупроводниковых детекторов рентгеновского и ^излучения. Показано, что потенциально высокая разрешающая способность этих детекторов наилучшим образом реализуется с применением "безрезистивных" ChA с тем или иным механизмом импульсного (интегрального или дискретного) восстановления исходного заряда на емкости обратной связи С/. Эти же предусилители в наименьшей мере ограничивают быстродействие спектрометра. Технически наиболее оптимальны ChA с импульсным стоковым восстановлением разрядной серией и те, где вместо обычного полевого транзистора (JFET) на входе примняется Penta-FET- полевой транзистор со встроенным инжектором компенсирующего тока.

2. Комплексно изучены общие свойства спектрометров с время-инвариантными и время-вариантными формирователями спектрометрических импульсов:

• введено дифференцированное определение понятия быстродействия спектрометра, отражающее устойчивость к повышенной загрузке (искажения аппаратурного спектра из-за сдвига и уширсния пиков аппаратурного спектра - быстродействие "по входу") и предельную скорость накопления спектра (быстродействие "по выходу"), а также показано влияние отдельных устройств на обе составляющие быстродействия;

• определена минимально необходимая система показателей, позволяющая однозначно сравнивать предельные метрологические характеристики спектрометров с разнообразными способами обработки импульсов детекторов;

• сформулировано правило, позволяющее на стадии проектирования без проведения экспериментов определять наличие или отсутствие зависимости уровня шума в спектрометре от статистической загрузки (Count-Rate Depended Noise - CRDN);

• проведен сравнительный анализ известных и наиболее перспективных время-инвариантных и время-вариантных алгоритмов формирования спектрометрических импульсов; показано, что трансформация квазигауссовой формы функции памяти спектрометра в квазитреугольную синтезом её из квазигауссианов 2+6 порядка качественно не улучшает свойства спектрометра;

• предложена методика измерения вкладов различных источников шума в разрешение спектрометра при наличии нестационарного шума.

3. Изобретен, разработан и запатентован способ увеличения быстродействия (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS) спектрометров, позволяющий менять форму и длительность спектрометрических импульсов без изменения исходной формы функции памяти спектрометра W(t), что позволяет избежать возникновения вызванного статистической загрузкой (нестационарного) шума:

• показано, что NFAPS-способ применим к ряду известных в мире спектрометров с время-вариантным формированием сигналов и качественно улучшает их свойства; •разработан, испытан и готовится к производству быстродействующий рентгеновский спектрометр с время-вариантным формированием импульсов, использующий NFAPS-способ;

• предложен и запатентован технически реализуемый сверхбыстродействующий спектрометр с автоматической адаптацией времени обработки сигналов к индивидуальным интервалам между ними по NFAPS-способу.

4. Предложена единая классификация стабилизаторов базовой линии (BLS) спектрометра и изучено влияние свойств разных классов стабилизаторов на свойства спектрометра при повышенных статистических загрузках; указаны наиболее перспективные типы стабилизаторов для использования в быстродействующих прецизионных спектрометрах у- и рентгеновского излучений:

• теоретически и экспериментально показано, что любой из классических BLS является источником нестационарного шума;

• исследованы конкретные структуры BLS и предложены усовершенствования для получения предельных параметров.

5. Изобретен новый класс стабилизаторов базовой линии спектрометров - т.н. "цифровые" (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы {"Digital" Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить CRDN и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение TVFAP.S'-cnocoôa):

• разработана теория;

• разработаны конкретные стабилизаторы, применяемые во всех разрабатываемых и выпускаемых спектрометрах в течение многих лет;

• показано, что "цифровые" стабилизаторы (DBLS) в настоящее время превосходят по своим характеристикам истинно цифровые.

6. Предложена методика сравнительного инженерного анализа разных способов временной привязки к спектрометрическим импульсам и проанализированы 6 методов таймирования, потенциально пригодных для применения в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и мягкого /-излучения.

7. Разработано, запатентовано и успешно применяется устройство таймирования с компенсацией сдвига временной отметки от изменения амплитуды и формы импульсов в спектрометрах с низким отношением сигнала к шуму; дан анализ способов инспекции наложенных событии с точки зрения применимости в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и у-излучения.

8. Разработаны методики математического и экспериментального анализа точностных свойств корректоров просчетов при стационарной статистической загрузке и впервые проведен сравнительный математический анализ трех наиболее известных в мире способов коррекции просчетов:

• впервые показано, что математически строго коррекция осуществима лишь по методу "виртуального генератора" О.Р. \Vestplial.

• предложены и реализованы в серийной продукции технические меры, помогающие на практике реализовать потенциальные возможности корректоров; предложена меюдика быстрой настройки и проверки характеристик;

• предложены новые подходы к коррекции просчетов при переменной статистической загрузке для существенного снижения дисперсии числа отсчетов, пригодные для спектрометров как с аналоговой, так и с цифровой обработкой сигналов детекторов.

9. Проведен сравнительный анализ спектрометров с аналоговой и цифровой обработкой сигналов детекторов излучений. Показано, что при нынешнем уровне развития цифровой техники и математических алгоритмов, большее быстродействие как "по входу", так "по выходу" достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов. Выяснено, что в задачах с быстроизменяющейся интенсивностью излучения цифровые спектрометры приоритетны - они могут позволить уменьшить дисперсию числа отсчетов.

10. Предложены и реализованы в серийной продукции оригинальные схемотехнические решения ряда ключевых узлов и устройств прецизионных спектрометров.