Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Игнатьев Олег Валентинович
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ СПЕКТРОМЕТРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ДЕТЕКТОРАМИ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММАИЗЛУЧЕНИЙ специальность
01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
С. - Петербург - 2011
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 ___ ____________ 2011 г. на заседании диссертационного Совета Д 002.034.при Учреждении Российской академии наук Институте аналитического приборостроения РАН по адресу 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 31-
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИАП РАН по адресу 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., Автореферат разослан "___"_______________2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук А.П. Щербаков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и 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 (K-, L-Edge Densitometers), установок нейтронно-активационного анализа (Neutron Activation Analysis - NAA) и др. В подавляющем числе применений спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и -излучения, стоит проблема достижения максимального быстродействия. Это 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 1/n, где n- 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_max. При этом чрезвычайно важно при данной Ri_max добиться максимума скорости накопления информации Ro.
В полупроводниковой спектрометрии требования достижения высокой разрешающей способности и быстродействия находятся в прямом противоречии. 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 cигналов (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.
Цель работы - исследования и разработки принципов построения прецизионных полупроводниковых рентгеновских и -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 времявариантными 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 времявариантным 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 - 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 - УцифровыеФ (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы (УDigitalФ Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить нестационарный шум и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение NFAPSспособа):
разработана теория DBLS;
показано, что УцифровыеФ 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 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 Упо входуФ, так и Упо выходуФ достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов.
Практическая значимость.
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 (50100 комплектов/год) как собственно спектрометры рентгеновского и излучения на основе различных полупроводниковых {Si(Li), Si PIN, SDD, HpGe} и сцинтилляционных {[NaJ(Tl)+PhM], [LaBr3+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 спектрометрических систем в системе CAMAC), ОАО УЧепецкий механический заводФ (г. Глазов: около двух десятков портативных рентгенофлуоресцентных анализаторов УМАРФФ), ЗАО УЮжполиметалл-холдингФ (г.
Москва: свыше 350 спектрометров для носимых XRFA "ПРИЗМА", "ПРИЗМА-М", "ПРИЗМАРМ" 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 УЗа разработку, организацию производства и внедрение в практику ядерно-физических комплексов экспрессного многоэлементного анализа веществ и материаловФ.
Автор защищает:
1. Результаты проведенного комплексного изучения факторов, ограничивающих быстродействие высокоразрешающих спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и излучения.
2. Разработанные аналитические методики сравнительного инженерного анализа предельных ха- рактеристик 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 высокоразрешающих 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 схемные реализации прецизионных спектрометров в целом и важнейших их элементов, включая: формирователи спектрометрических импульсов и стабилизаторы базовой линии с применением NFAPS-способа увеличения быстродействия; устройства таймирования импульсов при низком отношении сигнал/шум; инспекторы наложений и корректор просчетов.
ичный вклад автора.
Диссертация является результатом многолетней работы автора в хозрасчетной научноисследовательской 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 упомянутой 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 по рентгеновской спектроскопии (Ленинград, 1978); Совещании по полупроводниковым детекторам ядерных излучений (Киев, 1978);
VI Всесоюзном совещании по использованию синхротронного излучения СИ-84 (Новосибирск, 1984); VII Всесоюзном совещании по использованию синхротронного излучения 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 Уральской конференции по спектроскопии (Заречный, 2001); Межотраслевой научно-технической конференции "Дни науки МИФИ" (Озерск, 2002); IV Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу (Иркутск, 2002); XVI Уральской конференции по спектроскопии (Заречный, 2003); XVII Уральской конференции по спектроскопии (Новоуральск, 2005).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Е 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 характеристика состояния разработок спектрометров ионизирующих излучений за рубежом, в стране и в Уральском политехническом институте к моменту начала научной деятельности автора (1972 г.). Охарактеризована роль каждого из элементов спектрометра в достижении максимальной разрешающей способности при низких и высоких статистических загрузках. Обоснована актуальность увеличения быстродействия спектрометров с полупроводниковыми детекторами; введено дифференцированное определение понятия быстродействия (рис.1) Рис. 1. Быстродействие спектрометров и факторы влияния. PC - персональный компью[1]; сформулированы цель работы, научная новизна и тер; TW - длительность импульсов; ADC - практическая значимость.
аналого-цифровой преобразователь В первой главе систематизирован и обобщен обширный, но рассеяный по множеству публикаций материал по зарядочувствительным предусилителям (ChA) для полупроводниковых детекторов рентгеновского и -излучения. Предложена классификация зарядочувствительных предусилителей по способам разряда емкости обратной связи Cf и используемым для их реализации механизмам (рис.2).
Проведенный подробный сравнительный анализ разных классов зарядочувствительных предусилителей и схемотехнических реализаций показал, что высокая разрешающая способность полупроводниковых детекторов наилучшим образом реализуется с примением "безрезистивных" ChA. При низкой статистической загрузке все "безрезистивные" ChA обеспечивают приблизительно одинаковый уровень шума и, соответственно, энергетического разрешения спектрометра. При энерговыделении в детекторе свыше 510 MeV/s все УбезрезистивныеФ ChA имеют одни и те же недостатки:
рост параллельного "белого" шума с ростом энерговыделения в детекторе;
уменьшение постоянной спада выходных импульсов с ростом энерговыделения в детекторе.
В этой главе показано, что в рентгеновских спектрометрах с Si(Li)- и планарными HpGe-детекторами технически наиболее оптимальны ChA с импульсным стоковым механизмом восстановления - исключается необходимость организации оптического контакта между p-n-переходом головного полевого транзистора (JFET) и светодиодом.
Достаточно простая в настройке и надежная схема с импульсным стоковым восстановлением (рис.3) была создана при активном участии автора диссертации [2]. Зарубежные структуры Рис. 2. Классификация ChA [3,4] со стоковым импульсным механизмом оказались трудоемкими и не пошли в серию.
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 тоРис. 3. ChA с импульсным восстановлением заряка. В коммерческих рентгеновских кремниевых да на Cf серией импульсов в сток JFET: Limiter- дрейфовых детекторах (SDD) компаний Amptek и амплитудный ограничитель; Schmitt discriminator & UV-триггер Шмитта и одновибратор; Ext. ExiKetek для этих целей имеется встроенный разрядtation Oscillator - УзаторможенныйФ генератор ный диод, что чрезвычайно упрощает реализацию импульсного восстановления. В ChA для Si PINдетекторов успешно применяется 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 большеобъемных HpGe-детекторах (в сравнении с Si PIN- и Si SDD-детекторами) обусловливают отсутствие и упомянутых сборок и PentaFET с p-каналом.
Вторая глава посвящена детальному анализу и описанию результатов разработки формирователей спектрометрических импульсов (PSh). В спектрометрах с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и -излучений PSh - основной элемент, ограничивающий быстродействие спектрометра.
Все существующее многообразие формирователей спектрометрических импульсов может быть классифицировано в соответствии с данными рис. 4.
Для классического случая, когда на входе ChA действуют лишь источники УбелогоФ шума соспектральной плотноcтью в виде N(f)=(a2 + b2/f2), оптимальным формирователем является тот, с кото- рым функция памяти1 спектрометра WF имеет вид симметричного треугольника с вогнутыми сторонами и максимумом, расположенным в (-) [8,9,10, 11]. Такой фильтр нереализуем, но является базой сравнения между собой реальных формирователей. Такой гипотетический формирователь получил название CUSPформирователя. 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 CuspShaper (FCSh) [9,10,11].
Рис. 4. Классификация формирователей спектрометрических импульсов.
Для количественного сравнения практических формирователей введен показатель качества фильтрации, называемый CUSP-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 CUSPформирователя. На практике CF= 1,011,5.
Анализ работ, посвященных оптимизации спектрометрических формирователей для случая существенного вклада так называемого У1/fФ-шума, приводит к выводу, что для инженерных целей CUSP-формирователь и в этом случае можно с высокой достоверностью считать оптимальным. По аналогии с CF для этих целей автором был введен показатель CF1/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 Tm (или Tpeak) измерения амплитуды данного спектрометрического импульса входит -импульс шума, возникший на входе предусилителя в каждый из моментов времени на интервале от - до Tm.
Показателями быстродействия применительно к PSh являются интервал наложения Tp-u и микроскопическое мертвое время TD [11], определяющие максимальную скорость счета неналоженных событий. Tp-u характеризует теоретически возможный минимальный интервал между импульса ми, не искажающими амплитуду данного (рис.5), а TD характеризует физически реализованный минимальный интервал между теми же сигналами. Справедливо соотношение TDTp-u. При быстрых При время-инвариантном формировании сигналов форма импульса Vo(t) на выходе фильтра совпадает с формой W(), где =Tpeak-t, а Tpeak (или Tm ) - момент измерения амплитуды [12] ChA и ADC быстродействие Упо выходуФ реального спектрометра дается выражением Ro=Riexp(RiTD).
В этой главе рассматриваются только аналоговые формирователи спектрометрических импульсов (сравнительный анализ достоинств и недостатков аналоговых и цифровых спектрометров дан в гл. 5 диссертации).
Рис.5. Cвязь между загрузкой по входу спекСреди время-инвариантных в мировой практике наитрометра Ri и интенсивностью Ro неналоженных событий по выходу большее распространение получили формирователи квазигауссовых и, на их основе, квазитреугольных спектрометрических импульсов [14,15,16] (рис.
6). Все они являются простейшими аппроксимациями Finite Cusp-формирователя (FCSh). Чем симметричнее относительно максимума выходные импульсы, тем ниже Cusp-фактор и интервал наложений Tp-u. Так для квазигауссовых формирователей [(CR)dif n(RC)int] на осРис.6. Синтезированный формирователь тренове CR-дифференциатора и n каскадов RCугольных спектрометрических импульсов интегрирования при n имеем: CF1,12;
[14]. УВесФ гауссианов 2-го (A), 4-го (B) и 6го (C) порядков: 0,324:0,168:1,0CF1/f1,25; Tp-u 5,26c. Для спектрометра же с симметричной треугольной формой выходных импульсов CF=1,075; CF1/f1,18;Tp-u=3,46c. Выигрыш в сравнении с гауссовым формированием очевиден.
Проведенный анализ синтезированных "треугольных" формирователей показал, что реальные значения CF и Tp-u значительно хуже ожидаемых (табл.1).
Таблица 1 В этом разделе рассмотрены и другие время-инвариантные Свойства оптимизированного формирователи, теоретически способные увеличить быстро"квазитреугольного" и гауссовского формирователей действие спектрометров и улучшить в них SNR [17,18]. Все Пара- Opimized Triangle 6-Order они содержат в основе электрические линии задержки (DL).
метры (0,2G2+0,005G4+G6) Gaussian CF 1,116 1,1Из-за недостатков линий задержки, в первую очередь больCF1/f 1,243 1,2шого затухания, упомянутые формирователи не получили 1,7 1,Tpeak/c 4,6 5,Tp-u/c 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 Упо входуФ.
Оценить предельные характеристики спектрометров с время-инвариантным формированием сигналов можно зная лишь форму импульсов Vo(t) на входе ADC. По ней определяются CF и Tp-u. 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 времявариантным формирователем можно представить в виде последовательно включенных время-инвариантной и последующей, время-вариантной частей.
II. Для анализа шумовых (CF и CF1/f ) свойств и быстродействия (Tp-u и TD) электронного тракта спектрометра с время-вариантным формированием импульсов необходимы:
импульсная характеристика hinw время-инвариантной части спектрометра (параметры импульса на входе ADC);
импульсная характеристика hvar время-вариантной части;
весовая функция Wvar время-вариантной части спектрометра.
III. Весовая функция спектрометра в целом2 W стационарна (не зависит от скорости счета Ri ) 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 (Tp-u и TD) определяется той из частей канала, чья импульсная характеристика наиболее протяженная во времени.
V. Для комбинации линейного пропускателя (LG) и время-инвариантного формирователя:
УLG, размещенный на входе время-инвариантного формирователя Упропускает на выход весовую функциюФ, а на выходе время-инвариантного формирователя - Упропускает импульсную характеристикуФ.
Подробно рассмотрены свойства различных структур время-вариантных формирователей как коммерческих, так и достаточно экзотических. К числу первых относятся формирователи со структурами [QGauss+GInt], включая [(CR)dif +GInt]; [(RC+Sw)int+GDif]; [(DL)dif+(RC+Sw)int];
[(DL)dif+GInt]; [(Gauss)rsgl+ GInt]. Вторая группа содержит формирователи Ус параллельным каналомФ; формирователи с компенсатором наложенных событий и формирователи со Уследящим компенсаторомФ, работающие по принципу Noise Free Additional Pulse Shaping (NFAPS) [20].
Формирователи на основе квазигауссова префильтра и последующего стробируемого "идеально го" интегратора ([QGauss+GInt]) замечательны тем, что: с ними спектрометр освобождается от баллистического дефицита амплитуд; "короткие" гауссовские импульсы удобны для стабилиза ции базовой линии и инспекции наложений; в спектрометре не генерируется CRDN и уменьша- Весовая функция спектрометра W при этом представляет свертку весовых функций упомянутых частей, т.е. W =Winv Wvar (см., например,[12]).
Таблица 2 ется нестационарный шум от BLS.
Сравнительные спектрометрические характеристики При регистрации мягкого излуTVPSh типа [QGaussGI] в функции от кратности RCинтегрирования в префильтре УnФ. Tint - время интегриро- чения наблюдается феномен: "чем вания GI; Tw-pf и TPeak-pf - характеристики префильтра выше качество префильтра, тем n CF CF1/f Tint/c TPeak-pf/c Tp-u/c (Tint=Tw-pf ) (Tp-u=2Tint ) ниже качество формирователя и 1 1,125 1,437 1,523 0,482 3,0спектрометра в целом" (табл. 2).
2 1,164 1,539 1,645 0,645 3,24 1,216 1,607 1,799 0,825 3,5Преимущества [QGaussGInt]6 1,250 1,661 1,866 0,957 3,7формирователей ощутимы лишь в HpGe-спектрометрах жестого -излучения, где можно пренебречь высоким значением CF и CF1/f на фоне вклада в разрешение "статистики" образования зарядов в детекторе.
Предложенный в 1965 г. [(CR)dif+GInt]-формирователь [21] cодержал простой CR-дифференциатор и стробируемый "идеальный" интегратор (рис.7). В зависимости от соотношения времен дифференцирования и интегрирования он существенно Рис.7.Формирователь [CRdif+GInt].
превосходил распространенные тогда [CRdifRCInt]- Tint/dif=1: CF=1.10; CF1/f=1.15; TD= формирователи либо в эффективности подавления шума 10,4c. Tint/dif=3: CF=1.24; СF1/f=1.32;
TD=6,75c (CFСR+RC=1.36), либо в быстродействии (Tp-u CR+RC= 10,2c).
Укорачивание экспоненциальных импульсов по окончанию "идеального" интегрирования элек- тронным ключом3, либо с помощью "следящего" компенсатора, делают спектрометр с таким формирователем одним из лучших в настоящее время [22] благодаря очень низкому значению CF1/f.
Пpактическое применение нашли формирователи [(RCSw)intGDif]. 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] - напротив, в самом начале цикла (рис.8). Характерно, что для одиночного события обе WF на рис.8 идентичны и совпадают с W(t) cпектрометра K.Kandiah (рис.7).
Для White-формирователя характерен CRDN. Проведенный автором анализ [22] показал, что, при праРис.8. Упрощенные структуры спектрометра с формирователем [(RC +Sw)int +GD] вильном выборе защитного времени Tpr перед каждым анализируемым импульсом, такие спектрометры обладают более высоким быстродействием Длительность WF время-вариантной части Wvar в этом случае превосходит длительность импульсной характеристики h спектрометра в целом и возникает CRDN. Для борьбы с ним вводят "защитное время" Tpr перед каждым сигналом. Это увеличивает Tp-u.
"по выходу", чем с синтезированными "треугольными" формирователями (рис.6, табл.1). В табл.результаты расчета Tp-u из условия, что в худшем случае, CF 1,116 из-за CRDN.
Таблица Tp-u для спектрометра с [(RC +Sw)int +GD] - формирователем при условии, что СF 1,116 (Tr = 6.9 Tsh /m; Tp-u=Tsh+Tr+Tpr ; m - кратность изменения Сint) m 3,75 5,0 6,5 9,0 13,0 20,Tr 1,84Tsh 1,38Tsh 1,062Tsh 0,767Tsh 0,531Tsh 0,345Tsh Tpr 1,0Tsh 1,25Tsh 1,5Tsh 1,75Tsh 2,0Tsh 2,25Tsh Tp-u 3,84Tsh= 3,63Tsh= 3,56Tsh= 3,52Tsh= 3,53Tsh= 3,60Tsh= 5,0c 4,74c 4,65c 4,59c 4,61c 4,69c Казалось бы, что этот более сложный формирователь ничем не лучше, чем синтезированный квазитреугольный - почти совпадающие значения СF и Tp-u. На деле ряд преимуществ существует:
1) В силу экспоненциального распределения временных интервалов между моментами регистрации детектором -квантов даже при максимальной статистической загрузке Ri_max=1/Tp-u значительному числу спектрометрических импульсов будут предшествовать свободные временные интервалы большие, чем Tr+Tpr= Tp-u-Tsh=3,29c, а это уменьшение среднего значения CF.
2) В составе "White"-спектрометра отсутствует стабилизатор базовой линии (BLS) - неприменный атрибут других спектрометров, а любой из классических стабилизаторов строго униполярную исходную функцию памяти спектрометра делает биполярной и нестационарной [11] (уширение низкоэнергетичных пиков с ростом Ri на 10-15%).
3) В спектрометрах с Si(Li)- и HpGe-блоками детектирования достаточно велик вклад "1/f"-шума (иногда до 50% общего шума) и чрезвычайно важно, что с "White"-формирователем СF1/f =1,против СF1/f =1,24 с квазитреугольным формированием.
Главным преимуществом "Westphal"-спектрометра его автор называет способность к адаптации времени формирования к конкретным интервалам времени между соседними зарегистрированными -квантами. Для этого постоянная времени int должна уменьшаться в m 100 раз. Проведенные расчеты показали, что даже без режима адаптации необходимо значительное защитное время (Tpr=2,5Tsh) между сигналами, чтобы достичь хотя бы такого SNR, как с простейшим [CR+4RC]фильтром (CFCR+4RC=1,17). При этом Tp-u = 4,75с, т.е. больше, чем для спектрометра с "White"формирователем, где Tp-u =4,59 с. Режим адаптации к потоку времен формирования также оказывается неэффективным средством (табл.4). При равном быстродействии "по выходу" спектромет- Таблица Зависимость параметров [(RC +Sw)int +GD]-формирователя G.P. Westphal от глубины адаптации УkФ для среднего из трех импульсов (Tsh=Tm+Tr=1,357c; Tpr=2,5Tsh; m=100) УkФ 1,00 1,10 1,15 1,20 1,25 1,50 1,СFreal 1,159 1,185 1,201 1,218 1,238 1,351 1,4Tp-u= Tpr+Tsh /k 4.75с 4,63с 4,57с 4,52с 4,48с 4,30 с 4,17 с ров с формирователями импульсов G. White и G.P. Westphal (Tp-u 4,6с), отношение сигнала к шуму во втором случае оказывается на (1,201-1,116)100/1.116=7,6% хуже.
Цифровая версия спектрометра с адаптивным Westphal - формирователем [25] показала в измерениях с HpGe-детектором на линии ECs-137=662 keV ухудшение энергетического разрешения / c ростом статистической загрузки на 100% при факторе занятости DF= TshRi всего лишь 60%! В то же время, правильно сконструированный спектрометр с время-инвариантным квазитреугольным формированием импульсов характеризуется величиной / 10 15% при DF100% и не в -, а в xдиапазоне энергий. Вот цена поверхностного отношения к время-вариантному формированию сигналов.
Теоретически наиболее перспективным представляется время-вариантный формирователь M. Kuwata et al (рис.9) [26], допускающий оперативное изменение формы WF спектрометра. Наименьшее значение СF Рис.9. Универсальный формирователь достигается в режиме "Kandiah"-формирователя M. Kuwata et al. [26] [27,28,29], когда движок в крайнем верхнем положении - СF=1,011,03 [11]. Режим "White"-формирователя реализуется при другом крайнем положении движка. Оптимальное же сочетание параметров разрешения и быстродействия достигается в режиме линейного нарастания выходного импульса. В табл. 5 сведены результаты выполненной автором оптимизации (оптимум выделен серым фоном; для одиночных импульсов CFSgl=1,038;
СFHCR - CUSP-фактор при Ri=Ri_max).
Таблица Зависимость параметров формирователя M. Kuwata от УзащитногоФвремени Tpr и постоянной времени восстановления дифференциатора rest=dif /m (Tpeak/dif =1,75; Tpeak/ Tp-u =1,74; Tr=dif6,9/m; Tp-u= Tpeak+Tpr+Tr).
Tpr=Tpeak Tpr=0,75Tpeak Tpr=0,50Tpeak Tpr=0,25Tpeak УmФ 20 25 30 9 10 12,5 5 6 7 2 3 СFHCR 1,102 1,119 1,136 1,199 1,107 1,127 1,103 1,122 1,141 1,063 1,144 1,13,82 3,75 3,71 3,81 3,73 3,59 3,98 3,75 3,59 5,61 4,46 3,Tp-u /c Cреди рассмотренных TVSh этот является наиболее быстродействующим. Более того, при определенных условиях он допускает режим автоматической адаптации Tpeak к интервалам между зарегистрированными -квантами.
Недостаток формирователя M. Kuwata et al. - жесткие требования к точности хронирования спек- трометрических импульсов - "дрожжание" сигналов управления стробируемыми интеграторами относительно начала импульса приводит к "размытию" амплитуд (рост CF).
Время-вариантные формирователи на основе дифференциаторов на линиях задержки (DLdif) имеют ряд замечательных свойств (табл.6). В сравнении с другими они придают спектрометру при высоком SNR максимальное быстродействие и "по входу" и "по выходу" (см. CFHCR и Tp-u). Оба формирователя не требуют прецизионных схем таймирования событий. Эти замечательные свойства были в основном известны. Из-за низкого качества линий задержки в коммерческих спектрометрах DL-формирователи нашли успешное применение (см. гл.5) лишь в разработках автора4.
Импортные линии задержки позже стали применяться и компанией Green Star (Россия) В работе [30] проблемный DL-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.
Таблица 6 Прогресс в увеличении Свойства ВВ-формирователей на основе DL-дифференциаторов SNR и быстродействии с Структура W(t) CFst CFHCR CF1/f Tp-u [(DL)dif + (RC +Sw)int] рассмотренными выше 1,10 1,11 1,3,28с формирователями дости(m=100;
(Tpeak=1,31c) гался приближением WF Tpr=0,5Tm) спектрометра к "ограни[(DL)dif + GInt] ченной" CUSP-форме.
1,075 1,075 1,3,46с Формула5 для FC-фор(Tpeak=1,73c) мирования [9] позволяет оценить упомянутые преGaus+GInt 1,13 1,13 - 3,50с дельные свойства. Если (Tpeak=1,75c) задаться CF1,075 (как при треугольной WF ), то Tp-u 2,625c. Выигрыш всего 24% по сравнению с [(DL)dif GInt].
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 RC-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 Ro_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 exp-импульса с искаженным шумами компенсирующим импульсом увеличивает CF спектрометра 1,15 до 2,04. Возможное применение - -спектрометры с планарными HpGe-детекторами при условии сильной коллимации пучка.
СFFCSh={[exp(TW/c)+1]/[ exp(TW/c)-1]}1/2, где TW -длительность по основанию (или Tp-u) "ограниченного" CUSP-импульса в единицах постоянной времени c "белящего" фильтра [11].
Идея радикального увеличения Убыстродействия по выходуФ 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 DL-формирователями. 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 спектрометра6 h(t) (ответственной за быстродействие) без одновременного изменения W(t) (ответственной за SNR). Поскольку WF описывает тот УвесФ, с которым шумовые -импульсы, возникшие на входе спектрометра в предшествующие моменту измерения TM, вкладываются в суперпозицию сигнала и шума в t = TM, то это значит, что воздействуя на форму спектрометрического импульса (для снижения Tp-u) нужно избежать воздействия на прохождение шумовых импульсов(для сохранения исходного CF). Решение в основе своей аналогично применяемому в СhA с импульсным восстановлением исходного потенциала на емкости обратной связи Cf после каждого зарегистрированного детектором -кванта. Там CRDN не возникает, т.к. включаемый разрядный генератор тока никак не реагирует на шумовые импульсы и не изменяет для них передаточную функцию СhA - 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 - УбыстройФ("грубой") и "медленной" ("точной").
2) Время задержки по петле регулирования Tde должно быть минимально возможным для минимизации ошибки перерегулирования Vovcl.
3) В течение УбыстройФ 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 Vovcl 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 TW_noise амплитуда реакции на него была не более 0,1 Vn2.
oise 5) Продолжительность "медленной" фазы Tsl должна быть не менее 10-ти средних длительностей шумовых импульсов (Tsl10TW_noise=53/f), чтобы за время ее среднее значение напря Напомним, что импульсная характеристика h(t) - это реакция спектрометра на -воздействие по входу в заданный момент времени, наблюдаемая в каждый из моментов времени после этого воздействия; весовая же функция W(t) реакция системы в фиксированный момент наблюдения TM на воздействия, случившиеся в предшествующем периоде. W(t) - есть функция памяти системы на события, предшествовавшие моменту наблюдения, а h(t) - это форма импульса, возникшего в данной точке системы после приложения к ее входу -импульса.
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 W(t).
жения 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 (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS), а устройства, реализующие его - следящими компенсаторами (Tracking Compensator - TC). NFAPSспособ применим ко всем рассмотренным выше времявариантным формирователям с нестационарной WF.
Для этого достаточно электронные ключи, коммутирующие постоянные времени, заменить на TC, оставляющие эти постоянные неизменными. Пример применения к White-спектрометру [23] на рис.10. С применением TC может быть реализован спектрометр с действительно адаптивным механизмом формирования [22,35].
Рис. 10. Одна из возможных реализаций NFAPS-способа 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 как в монографиях, так и в научной периодике, а влияние их не только на быстродействие, но и на разрешающую способность спек- трометров велико. Автору пришлось много заниматься проблемами BL-стабилизации.
Назначение стабилизатора базовой линии (base-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 микроРис. 11. Классификация стабилизаторазогревы входных каскадов операционных усилителей). Наиров базовой линии спектрометров более полные сведения о структурах, свойствах и схемотехнике BLS отражены автором в монографии [11]. С учетом новейших достижений стабилизаторы базовой линии могут быть классифицированы согласно рис.11.
Замена разделительных CR-цепей в спектрометрических усилителях на нелинейные стабилизаторы подняла быстродействие спектрометров "по входу" до уровня, когда DF=TWRi (0,250,3).
Наибольшую известность и распространение получили BLR L.B. Robinson [37] и его версия, предложенная R.L. Chase и L.R. Paulo [38] (рис.12).
В идеальном случае при прохождении через Cb импульса с длительностью TW протяженность образующегося выброса противоположной полярности должна также равняться TW, тогда DF=TWRi 0,5. Для этого необходимо выполнение условий: bTW; [Vp] =[Vn] 0; =In /Cb 0.
На практике достижимо лишь DFmax 0,4 [11], т.к. невыРис.12. Обобщенная схема последоваполнимо условие [Vp] = [Vn] 0 и возникает динамическое тельных BLR Robinson и Chase-Paulo смещение из-за наложений экспоненциальных подпороговых составляющих выбросов. Ни охватывающие, ни компенсационные структуры нелинейных стабилизаторов не обеспечивают большего быстродействия.
инейные время-вариантные BLS, являющиеся по сути стробируемыми CR-дифференциаторами, обладают принципиально большим быстродействием. В них (рис.13) предотвращается, по возможности, перезаряд емкости Cb под действием спектрометрических импульсов. Этим устраняются динамический сдвиг и его флуктуации. Пороги срабатывания TVBLS-контроллера устанавливаются над шумом таким образом, чтобы Rnoise=1050Hz.
Полностью устранить динамический сдвиг базовой линии сложно - импульсы недетерминированы во времени, имеют конечную крутизну, пороги запуска Vn и Vp выше уровня Рис. 13. Обобщенный TVBLS и влияние шума, а точка съема аналогового импульса на вход контролформы импульсов на BL-стабилизацию лера TVBLS 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 BLS [39,40,41,42]. Лучшие из них работают при факторах занятости DF=TWRi 2,0. Опыт автора в части разработки прецизионных время-вариантных стабилизаторов базовой линии спектрометра обобщен в виде данных табл. 7.
Можно видеть, что идеального решения, пригодного для всех условий применения BLS, нет. "Охватывающие" и комРис. 14. УОхватывающийФ (wraparound) пенсационные структуры TVBLS позволяют избавиться от TVBLS со схемой подавления УпараличаФ и компенсацией задержки срабатывания влияния большинства факторов нестабильности базовой лиLET (компараторы С1, С2 и схема "ИЛИ") нии спектрометра. На рис. 14 одна из наиболее совершенных структур TVBLS [2,19], применявшаяся нами во множестве спектрометров. Общий недостаток всех классических типов BLS cостоит в том, что они источники нестационарного шума [11].
Таблица Факторы дестабилизации базовой линии в спектрометрах с TVBLS Факторы дестабилиза- Меры нейтрализации в зависимости от типа TVBLS ции базовой линии Последовательные "Охватывающие" Компенсационные Отсутствие стабильного а) короткое дифференци- Сигнал на LET снима- Сигнал на LET сниуровня в точке привязки к рование импульса на входе ется с выхода TVBLS мается с выхода спектрометрическим им- LET и удлинение логическо- через схему подавле- TVBLS через схему пульсам по методу Leading го сигнала. ния УпараличаФ. подавления УпаралиEdge Timing: аномально Недостаток - падение SNR и Недостаток - усложне- чаФ.
высокий или низкий Упла- пропуск слабых импульсов. ние схемы. Недостаток - усложневающийФ порог привязки и, б) вспомогательный NLBLS ние схемы.
как следствие, повышенный на входе схемы LET.
сдвиг шкалы преобразова- Недостаток - с NLBLS ния, УпараличФ BLS и не- DF=RiTw 0,стабильность начала шка- в) Сигнал на LET снимается с лы спектрометра. выхода TVBLS через схему подавления УпараличаФ.
Недостаток - дополнительная задержка срабатывания компаратора LET.
Cпектрометрические им- Включение вспомогатель- Введение аналоговой Введение аналоговой пульсы субмикросекунд- ного NLBLS на входе тай- задержки на входе задержки на входе ного диапазона (SDD): за- мирования и введение за- электронного ключа. внутреннего последодержка в срабатывании держки на аналоговом входе вательного TVBLS.
LET, паразитный заряд Cb, собственно TVBLS.
увеличенный сдвиг базового Недостаток - NLBLS задауровня. ет DF= RiTw0,Низкое SNR в точке стаби- Борьба с этим фактором Улучшение SNR за Улучшение SNR долизации: повышенный сдвиг снижения быстродействия счет дополнительного полнительным форминуля спектрометра из-за за- практически невозможна формирования сигна- рованием сигналов ряда Cb током подпороговых лов внутри петли ста- внутри петли стабилиимпульсов. билизации зации Пологие нарастающая и спа- Борьба с этим фактором Введение аналоговой Введение аналоговой дающая части спектро- снижения быстродействия задержки на входе элек- задержки перед элекметрических импульсов (ква- практически невозможна тронного ключа и удли- тронным ключом, удлизигауссовых, например): по- нение импульса управ- нение импульса управвышенный сдвиг нуля спек- ления электронным ления ключом (триггер трометра за счет заряда Cb ключом (триггер Шмит- Шмитта или компаратор током подпороговых частей та или компаратор с ди- с диодным интегратоимпульсов. одным интегратором). ром на выходе).
Входные импульсы в виде Борьба с этим фактором Формирование внутри Идеально подходит для экспоненты: искажение снижения быстродействия петли стабилизации этих условий.
формы экспонент (подпо- практически невозможна спектрометрических роговой части); повышен- импульсов конечной ный сдвиг базовой линии за длительности с высосчет большего порога LET ким отношением S/N.
(из-за ВЧ-шума) и заряда Cb Недостаток - повытоком подпороговой части шенные требования к сигналов. дрейфам сенсора нуля.
Впервые этот эффект описан в работе [39]. Причина возникновения прежняя - фиксация на разделительной емкости Cb случайного значения шума в момент резкого увеличения постоянной времени стабилизатора (b) c приходом спектрометрического импульса. Возникновение CRDN учитывается изменяющейся формой WF стабилизатора.
На рис. 15 отмечены реакции TVBLS на возникшие в разное время шумовые -импульсы и влия- ние предшествующего срабатывания стабилизатора на WF.
В этой главе показано, что нестационарные эффекты свойственны и нелинейным BLS, но в меньшей степени т.к. в них b остается конечной во время действия спектрометрического импуль- са, а пороги срабатывания принципиально ниже уровня шума.
Выводы таковы:
1. Cпектрометр 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 флуктуаций, обусловРис.15. Реакция TVBLS на ленных нелинейными BLS значительно больше, чем из-за нестациошумовые -импульсы и его весовая функция нарного шума, привносимого линейными время-вариантными BLS, поэтому TVBLS предпочтительнее.
Непрерывное совершенствование стабилизаторов и адаптация их разным условиям привели к изобретению т.н. "цифровых" BLS. DBLS - это устройства, реализующие NFAPS-способ приме- нительно к задаче стабилизации базовой линии и представляют собой дальнейшее развитие время-вариантных стабилизаторов с устранением их основных недостатков. УЦифровымиФ 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. 16 УпоследовательнаяФ версия запатентованного автором с сотрудниками [36] УохватывающегоФ цифрового стабилизатора. Этот DBLS имеет много общего со схемой White-формирователя со "следящим" компенсатором (рис.10). Главные отличия во включении элемента памяти (Сb), наличии дополнительных компараторов С1, С2 и инРис.16. Последовательный УцифровойФ cтабилизатор базовой линии спектора мертвого времени.
Принципиальные особенности последовательного DBLS таковы:
1. Токи Ip и In генераторов тока равны по модулю, а их величины при данном значении Сb таковы, чтобы за одну среднюю длительность шумового импульса TW_noise амплитуда реакции на него была не более 0,1.
Vnoise 2. Пороговые напряжения Vp и Vn равны по модулю и не превышают (0,25 0,3)Vnoise_max. (Vnoise_max - амплитудное значение шума, действующего на входе стабилизатора).
3. Компараторы С1С3, выполняющие роль контроллера TC, должны иметь напряжения смещения нуля как минимум на порядок меньшие, чем величина (0,250,3)Vnoise_max.
4. Задержки срабатывания по цепи от входа А1 до входов управления генераторов токов должны быть минимальными.
5. Инспектор интервалов (Dead Time Inspector) необходим, т.к. управление ключами стабилизатора ведется с выхода стабилизатора и возможно возникновение УпараличаФ. Защитное время схемы УантипараличаФ выбирается равным максимальной длительности группового импульса [19] при максимальном факторе занятости DF=TWRi При этих условиях DBLS функционирует как Whiteформирователь со "следящим" компенсатором (рис.10) во время второй, "медленной" фазы слежения.
Перечисленные условия соответствуют условиям NFAPS-формирования [20] и нестационарный шум практически отсутствует. Уширение пиков / в рентгеновРис.16. Последовательный УцифровойФ ских полупроводниковых спектрометрах при DF1 c cтабилизатор базовой линии DBLS менее 5%, а в тех же условиях, но с TVBLS, /1015%.
Наиболее простыми и эффективными являются "охватывающие" структуры DBLS (рис.17).
Благодаря размещению в шумах порогов Vp и Vn блокировки нуль-компаратора, следящего за средним уровнем, паразитный заряд Cb (в данном случае это емкости Cint "идеального" инте- Рис.17. УОхватывающийФ DBLS гратора на А2) оказывается пренебрежимо малым, что обеспечивает успешное применение DBLS при DF 2.
Показанная на рис.17 структура DBLS [36] успешно применяется нами во всех спектрометрах, серийно выпускаемых лабораторией.
Чрезвычайно интересно сравнить рассмотренные выше BLS c истинно цифровыми стабилизаторами. Общие свойства истинно цифровых стабилизаторов базовой линии спектрометров (True Digital Base-Line Stabilizers - TDBLS) впервые рассмотрены в работе [43] (рис.18). Фактически это компенсационный принцип стабилизации. Модуль УProРис.18. Истинно цифровая cessor of Spectrometry PulsesФ отражает линейный усилитель, непрестабилизация базовой линии и WF спектрометров с трерывно работающий ADC (digitizer) и математические процедуры, реаугольным формированием лизующие функции формирования спектрометрических импульсов и инспекции наложений. Модуль УBaseline EstimatorФ отражает математическую процедуру оценки и выделения из шума смещения базовой линии. Возникает 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 W(t)BLE не должна превосходить длительность исходной W(t), авторы методом вариационного исчисления определили искомую W(t)BLE. Для спектрометров с Si(Li)-, PIN- и дрейфовыми детекторами, где преобладает последовательный шум, W(t)BLE имеет параболический вид. Еще одним результатом проведенного в этой работе анализа является вывод о том, что площадь W(t)BLE должна быть равна площади исходной весовой функции W(t). Суммарная весовая функция W(t) 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 придется 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 Tm=c3 с обычным TVBLS они получили CFord=1,3 (т.е.
CFord/CF=1,21), а с истинно цифровым - CFdig=1,167 (CFdig/CF=1,086). Это конечно прогресс, но с DBLS [36] W(t) униполярна и не подвержена влиянию предшествующих событий и CF+DBLS=1,075! NFAPS-алгоритм стабилизации, применяемый в DBLS, можно реализовать и в цифровом виде.
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 TD= Tpu =TW.
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 ELET-привязки к ним оказывается, что при соответствующих соотношениях порогов привязки и экстраполирующих токов даже с [CR+RC]-формирователем в широком диапазоне амплитуд обеспечивается приемлемая для управления TV-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.
Таблица Методы таймирования, применимые в амплитудных спектрометрах Ком- Компен Метод таймирования Принятое Краткая характеристика пенса- сацияTri и источник обозначение ция A se Таймирование дискриминатором Leading Edge - - Самый простой; высокое SNR; Vmin Timing - LET с постоянным порогом [44,45] Vn_max Таймирование 2-мя LET-дискри- Extrapolated высокое SNR; Vmin 2Vn_max; 3 ком+ + Leading Edge Timминаторами и экстраполятором паратора, 2 генератора тока ing - ELET [44] Таймирование по пересечению Zero Cross Timing Простой; минимальные Walk и Jitter;
+ - нуля биполярного импульса - ZC-Timing сильно смещенная временная отметка [44,45] Классический метод таймирова- Constant Fraction Ослабленная чувствительность к из+ - Timing - CFT ния со Уследящим порогомФ менению формы [44,44] Таймирование со Уследящим по- Back Edge Con- + - Минимальные Walk и Jitter; сильно stant Fraction TimрогомФ на спаде импульса [46] смещенная временная отметка; нужен ing - BECF-Timing пиковый детектор Таймирование с компенсацией Amplitude & Rise Применим при высоком SNR; слабо + + влияния амплитуды и времени на-Time Compensation смещенная временная отметка; наиTiming - ARTCclas растания [44,45] больший Jitter Таймирование с компенсацией ARTC with Dura- + + SNR зависит от префильтра; Vmin 0;
влияния амплитуды и времени на- tion Discrimination Walk и Jitter зависят от префильтра;
- ARTCDD растания c дискриминатором дли- префильтр - любой! тельности [47,48,49] Смещение отметки на Tpeak Отбираются только те из сигналов хронирующего дискриминатора, чья длительность равна Tpeak.
Свойства устройства таймирования [49] по ARTCDD-методу делают его незаменимым в прецизионных быстродействующих рентгеновских и -спектрометрах, особенно при создании эффективных инспекторов наложений, работающих в широком амплитудном диапазоне.
ARTCDD 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 "T"- импульсы для тайми рования приходится формировать из уже имеющихся в амплитудном канале "Е"- импульсов. Необходимы количественные критерии выбора. Автором предложена инженерная методика сравнительной оценки "T"- формирователей. По аналогии с известной формулой [44,45] t=noise/V'(t)t=tcr, введен показатель джиттера с нормализоваными величинами: tсr=Ms/V'norm(t)t=tcr, где Ms - индекс последовательного Рис.19. Аналоговые импульсы ARTC, шума8, а V'norm(t)t=tcr - крутизна нормированного на "1" анаполученные суммированием/вычитанием гауссиана 2-го порядка и экспологового импульса в точке таймирования tcr.
ненты: 1- 5% EXP; 2- 10%EXP; 3- 25%EXP; 4- 50%EXP Один из примеров применения этой методики - поиск наилучшего формирователя аналоговых "T -импульсов для спектрометра с синтезированным квазит0 8 Cогласно [12] = - ()2 + -[()]2 =NpMp+NsMs, где Np и Ns - спектральные плотности параллельного и последовательного шума на входе предусилителя. Замена аргумента "t" на =Tm-t приводит к совпадению функции W() с Vnorm(t). Это позволяет подставлять в формулу Vnorm(t), поменяв местами пределы интегрирования.
реугольным формированием в "E"-канале. Доступны экспоненциальные импульсы и квазигауссианы 2-го 6-го порядков. На рис.19 показаны варианты, применявшиеся на практике, а результаты расчета разных версий сведены в табл.9.
Таблица Cвойствa ARTCDD - таймирования квазигауссовых 2-го порядка импульсов в зависимости от полярности и фракции f экспоненциального импульса G2 - f Exp G2 + f Exp Параметры f=5% f=10% f=25% f=50% f=5% f=10% f=25% f=50% V'norm(t)t=tcr 2,24/c 2,31/c 3,22/c 3,96/c 10,56/c 20,46/c 51,98/c) 100,7/c Ms 3,53/c 5,12/c 16,0/c 40,1/c 3,19/c 4,27/c 12,5/c 40,1/c CFcr 1,46 1,71 2,89 5,36 1,39 1,58 2,57 4,tcr=Ms /V'norm(t) 0,84c 0,98c 0,24c 1,60c 0,86c 0,10c 0,07c 0,06c CUSP-фактор, легко вычисляемый в процессе нахождения Ms, позволяет оценить соотношение уровней шума в обоих каналах спектрометра. Данные табл.9 получаются в течение 12 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:
I. Обнаружение 2-го УбыстрогоФ 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 Tres (Resolving Time) - минимальным сдвигом между импульсами, при котором наложения еще выявляются;
эффективностью инспекции (режекции) наложений p-u, 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 p-u=[exp(-RiTres) - exp(-RiTp-u)]/[1- exp(RiTp-u)], где Ri - интенсивность зарегистрированных детектором квантов. Для быстрой оценки эффективности инспектора применимо выражение p-u (Tp-u - Tres) / Tp-u.
На Tres (и p-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 приРис. 20. Обнаружение наложений (импульс "2") 3-мя инспекторами.
менением инспектора одного типа. Компания Oxford Instruments Analytical Ltd, например, применяет инспекцию в трех параллельных каналах с разным временем формирования "T-импульсов [51]. Инспекция по I-му принципу. Смысл такого усложнения понятен из рис.20. Более 15-ти лет в наших спектрометрах применяется инспектор наложений, содержащий два устройства таймирования - ARTCDD и ZCT. Инспекция основана на обнаружении факта смещения чувствительной к изменению формы импульса ZC-отметки относительно инвариантной к форме импульса ARTCDD-отметки (рис.21). Благодаря отмеченным выше свойствам ARTCDD (табл.8,9) в спектрометре с Si PIN-детектором p95% достигается уже для E 250eV (при разрешении 5,9keV= u 160175eV). Инспектор же очень компактный - "Т-канал как таковой отсутствует.
Эффективность инспекции наложений может быть увеличена почти до 100%, если инспектор сделать комбинированным, дополнив Рис.21. Импульсы в характерего быстрым каналом. Из-за худшего SNR в "быстром" канале эфных точках спектрометра с PINдетектором (Tpeak= 44s; 5,9keV= фект становится заметным лишь для энергий cвыше 1keV, поэтому в 170 eV). Выход ZC-импульса за большинстве случаев, с учетом значительного усложнения устройпределы ARTCDD означает "наложение" ства, это не оправдано.
Значительная часть гл.4 посвящена исследованиям корректоров 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 Ro, а она связана с определяемой интенсивностью Ri излучения нелинейным образом из-за просчетов, вызванных:
взаимными наложениями во времени спектрометрических импульсов;
блокировкой спектрометра во время импульсного восстановления ChA в блоке детектирования;
амплитудными перегрузками спектрометрического тракта.
ишь первая из перечисленных причин просчетов носит фундаментальный характер.
Аппаратно-программные средства, приводящие в соответствие между собой непосредственно измеряемую величину Ro и неизвестную Ri называют корректорами УживогоФ/УмертвогоФ времени применительно к стационарному во времени потоку квантов (частиц) излучения, взаимодействующего с детектором, или корректорами просчетов для изменяющейся за время экспозиции скорости счета Ri. В первом случае действие корректора сводится к тому, чтобы при экспозиции Упо живому времениФ 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 n, зависящим от среднего числа просчетов на временном промежутке, меньшем постоянной времени, с которой изменяется интенсивность Ri.
Современные полупроводниковые спектрометры в целом представляют собой систему с мертвым временем продлевающегося типа [51]. Зависимость скорости накопления цифровой информации Ro на выходе спектрометра от интенсивности Ri регистрируемого детектором излучения дается формулой [52]: Ro=Ri / exp(RiTD) (рис.22). Классический метод коррекции просчетов с остановкой таймера ADC на время кодирования амплитуды [53] не годится, если просчеты обусловлены нало- жениями - время экспозиции возрастает недостаточно; метод генератора [54] не всегда применим.
В современной коммерческой аппаратуре применяют следующие методы корректного определения Ri:
УAФ Корректор J.Bartosek et al. [55] (компания Silena [56]).
УBФ Метод УвиртуальногоФ генератора (VPG), предложенный G.P. Westphal [57,58] и используемый в спектрометрах компании Canberra Industries.
Рис. 22. Передаточные характеристики современного спектрометра с быУCФ Метод Gedcke-Hale [59] (компания EG&G Ortec) стрым ADC 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 ADC можно рассматривать как групповые с числом событий k от 1 до . Есть возможность [61] рассчитать интенсивности Ro_k импульсов разной кратности9 и их длительности10 Wk. Корректоры оперируют с выходными импульсами LE- дискриминаторов, тем или иным образом увеличивая их длительности. Специфика действия разных корректоров закладывается в формулах для Ro_k и Wk.
Вычисленная входная интенсивность Ri_calc дается обычной формулой Ri_calc= RoCT/LT = RoCT/(CTЦDT)=Ro/exp(RiTD)(1-DT/CT), где CT - текущее время, а DT и LT - макроскопические "мертвое" и "живое" времена. Легко видеть, что DT/CT = _ (здесь Ro_k и Wk учиты= вают действие корректора). Идеальный корректор так увеличивает DT, что (1-DT/CT)= [exp(RiTD)]-1 и, соответственно, Ri_calc= Ri во всем диапазоне DF = RiTW.
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 календарное время экспозиции для компенсации просчетов.
Метод прост в реализации и обеспечивает неплохую точность коррекции - в диапазоне загрузок, определяемых DF=RiTW 1 ошибка коррекции не превышает 2,5% (недокоррекция), но резко возрастает при DF 1 (перекорреция, т.е. Ri_calc Ri ).
Принцип действия VPG состоит в следующем. Спектрометрические импульсы поступают на вход LE-дискриминатора с порогом Vnoise_max. Каждый выходной логический импульс удлиняются на время Tadd=Tpeak. Непрерывно считаются тестовые импульсы высокой частоты (импульсы реально Ro_k= Riexp(-2RiTw) [1- exp(-RiTw)](k-1) Wk= Tw + [(k-1)/ Ri] {1- [Ri Twexp(-Ri Tw)]/[1- exp(-Ri Tw)]} го времени), а также те из них, которые не перекрываются удлиненными логическими импульсами LE-дискриминатора (импульсы cкорректированного "живого" вре-мени). Находится (для периодической индикации) отношение числа импульсов реального времени к числу импульсов УживогоФ времени, т.е. Ri_calc= RoCT/LT. Экспозиция по достижению заданного числа импульсов УживогоФ 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 УвесаФ 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 LE-дискриминатора на входе ADC и до t = Tpeak счетчик "живого" времени включается на вычитание - интервал [0 Tpeak] учитывается с двойным весом (как в VPG).
2) На отрезке t = TW - Tpeak счетчик просто останавливается (как в VPG ).
3) Если на интервале [0Tpeak] возникает сигнал "Pile-up", то включенный на реверс счетчик останавливается до концa группового импульса (в VPG нет).
4) Далее полная аналогия с VPG как в LTC/DTC-, так и в LFC-режимах.
Несмотря на схожесть логики работы двух корректоров G-H-корректор не дает точной компенсации потерь от наложений (рис.23). Отсутствие условия "3" приводит к Ri_calcRi при DF1, а наличие его - к тому, что Ri_calc Ri. В математически точном VPGметоде физическое удлинение каждого "цифрового" образа аналогового импульса на Tadd=Tpeak сопровождается снижением частоты удлиненных "цифровых" импульсов, а в G-H-корректоре частота одиРис. 23. Вычисляемая загрузка по входу спекночных и групповых "цифровых" образов остается трометра Ri_calc с разными корректорами. Tpeak= 0,4TW; TD=TW+ Tpeak.
равной Ro_k аналоговых сигналов.
LT-корректоры обоих типов очень чувствительны к ошибкам определения TW. Так при TW=0,05Tpeak уже при DF=0,5 относительная ошибка Ri= 1%. В диссертации предложены схе- мотехнические решения и методические приемы настройки и контроля спектрометров с LTкорректорами для достижения предельных метрологических характеристик. Также предложен технически реализуемый алгоритм LFC c минимизацией возрастания дисперсии числа отсчетов.
Из рассмотрения корректоров просчетов сделаны выводы:
1. При наличии выбора между корректорами УживогоФ/УмертвогоФвремени (LTC/DTC) и систе- мами счета без потерь (LFC) следует отдавать предпочтение LTC, т.к. они увеличивают статистическую точность измерений.
2. Математически строгим является лишь LTC по Westphal-методу.
3. Точность G-H-корректора возрастает с ростом отношения TW / Tpeak.
4. Точность W- и G-H-LTC зависит от свойств инспектора наложений и формирователей импульсов. Добавка мертвого времени Tadd к истинной длительности TW импульсов не может во всех случаях быть равной Tpeak, как это принято11. Есть условие Tadd=TD -Tp-u и отсюда следует, что если:
инспектор наложений допускает окончание предыдущего импульса перед самым максимумом последующего Tadd=0 для корректора G.P. Westphal, а корректор Gedcke-Hale превращается в классический корректор с остановкой таймера на длительность TW, при этом коррекция идеальна! время-вариантный формирователь подразумевает "защитное" время Tpr перед каждым измеряемым импульсом, то TD =Tp-u и Tadd=0.
5. Характеристики обоих типов корректоров чрезвычайно чувствительны к точности измерения длительности по основанию спектрометрических импульсов TW 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 DL-дифференцирования импульсов.
Были решены [62,63,64] проблемы, ставшие причиной отказа от применения DL-формирователей за рубежом:
получения униполярного квазипрямоугольного импульса при DL-дифференцировании экспоненциальных импульсов (съем токового сигнала на вход изодромного интегратора);
устранения "шлейфа" из-за активных потерь в линиях с сосредоточенными параметрами (Ccor на входе разомкнутой на конце линии задержки);
последовательного включения и коммутации линий для получения ряда времен формирования в диапазоне DLdif =224s.
Это позволило на практике реализовать технически совершенные [DLdif+ GInt]-формирователи и извлечь все связанные с ними выгоды: квазитреугольная WF спектрометра (СF1,10; TD=3,46c);
оптимальная для BLS квазипрямоугольная форма импульсов; простая и эффективная логика инспекции наложений. В главе подробно описан первый аналоговый процессор AP-002M [63,64], внедренный в промышленное производство.
До 1992г. были разработаны, изготовлены мелкими сериями и внедрены спектрометры, содержашие ChA с импульсным разрядом через сток JFET [2,65] (рис.3); аналоговый процессор AP-0[65], либо сдвоенный спектрометрический усилитель DAM-001 [66]; cчетно-импульсный ADC из Все методы коррекции в неявном виде предполагают, что инспектор наложений не допускает частичного наложения анализируемого импульса на спад предыдущего импульса, т.е. TDTp-u модулей преобразователей УамплитудавремяФ PAV-001 [67] (или PAV-002) и УвремякодФ PVK001 (914bit; fCl= 200MHz) [68], либо ADC "поразрядного взвешивания" PAK-001 (912bit;
Tconv=8s); генератор статистических сигналов GSS-005. Цифровые модули были покупными.
Рис.24 иллюстрирует соответствие достигнутых метрологических характеристик [69] ми- ровому уровню того времени. Превосходство зарубежных конкурентов было лишь в габаритах, из-за отсутствия отечественных м/c широкополосных операционных усилителей и быстрых электронных ключей.
Для поверки модулей спектрометров были разработаны методики [66]:
измерения нелинейностей int и dif всего электронного тракта спектрометра;
"безизотопного" тестирования BLS в составе любого спектрометра;
измерения CRD-шума спектрометра в функции от Ri.
Заслуживает упоминания быстродействующий -спектрометр с аналоговым процессором AP-009 [70], специРис.24. Типовые характеристики программно-управляемых рентгеновских ально разработанный для многоканальной системы обнаCAMAC-спектрометров: ChA - PU-003;
ружения радиоактивных источников МосНПО УРадонФ AP-005; ADC - (PAV-001+PVK-001) (г. Сергиев Посад Моск. обл.). Его особенности:
1) AP-009, выполненный в стандарте CAMAC, впервые содержал в своем составе полноценный ADC счетно-импульсного типа с эффективной частотой 300MHz (Tconv_max=3,5s при числе каналов N=1024).
2) Во всех усилительных секциях были применены специально разработанные гибридные широкополосные операционные усилители.
3) В этом проекте впервые был реализован в полном объеме УцифровойФ стабилизатор базовой линии УохватывающегоФ типа [36] (рис. 17).
4) Сдвиг центра тяжести УгенераторногоФ пика, установленного на 85% шкалы при Tw = 1,25s и Ri=106s-1 (DF=125%) cоставил менее 0,1%.
5) Дифференциальная и интегральная нелинейности: dif 2% и int 0,1% для 95% шкалы.
С 1993 г. стали реально доступными импортные электронные компоненты. Их применение улуч шило температурную стабильность характеристик, надежность, функциональное наполнение, массогабаритные 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 спек- трометрического тракта из усилителя [71] и ADC [72] для сверхбыстрого спектрометра мягкого 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 УT- и УE-измерений. Это короткое время формирования (Tpeak=0,24s, TW=0,56s) и полный набор функций, включая эффективную режекцию наложений (p-u 94% в диапазоне амплитуд 1:50).
Особенности NDD-тракта:
1)[(DL)dif+(ActInt)3]-квазигауссово (TW/Tpeak=2,33) формирование (CF1,14).
2)Регулировка усиления в 128 раз (с шагом У2Ф) по методу коммутации усилительных секций [11] на быстрых интегральных ОУ (ft=150400MHz).
3)УDigitalФ Base-Line Stabilizer [36], обеспечивший при Ri = 1,4106s-1 сдвиг и уширение генераторного пика (на 85% шкалы) /=7,5% и E/E=0,1%.
4)[ARTCDD+ZC]-инспектор наложений с Tres=45ns при TD=720ns, что обеспечило достижение Ro 5105s-1.
5)Нелинейности на уровне int 0,05% и dif 0,95% при том, что для ADC получено Tconv=1,3s при 16-ти тактах УразравниванияФ 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 XRFанализаторы 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 XRF-анализаторов (МАРФ-001МАРФ-003) вполне удовлетворяли этим требованиям. Спектрометрами нашей разработки и производства комплектуются упомянутые XRF-анализаторы и ряд аналогичных приборов других производителей.
Общие черты этих портативных спектрометров:
самые современные комплектующие и схемотехника (регулярные смены);
"безазотные" детекторы с Пельтье-охладителем (AMPTEK);
замена время-вариантных "треугольных" DL-формирователей на синтезированные из гауссиа- нов для снижения массы и габаритов;
применение интегральных ADC cо схемой выборки-хранения, управляемой ZC-таймером инспектора наложений (без пикового детектора);
абсолютный минимум подстроек и регулировок со стороны пользователя.
Один из примеров портативного спектрометра показан на рис.25 [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.6); широкодиапазонный [ARTCDD+ZC]- инспек- тор наложений [49]; ADC со "скользящей" шкалой;
корректор просчетов по методу VPG. Пользователю доступно лишь управление коэффициен-том преобразования (через PC). Физические размеры Рис. 25. Спектрометр портативного EDXRF-анализатора МАРФ-0спектрометров и XRF-ана- лизаторов уменьшались по мере появления новых комплектующих и технологий (рис.26).
С 1993 по 2010 г.г. разных модификаций спектрометров со структурой как на рис.25, выпущено свыше 500 экз.
В этой главе подробно описан оригинальный -спекРис.26. Три поколения портативных трометр на диапазон энергий -излучения 0,257,5 MeV EDXRF- анализаторов МАРФ для установки НАА ("ВСМПО-АВИСМА" г. В. Салда). Особенности этого спектрометра [76]:
Структура собственно [CsI(Tl)+4PhD]; полусфера R=50mm; SPhD=41cm2; постоянные времени детектора (1 канал) высвечивания CsI(Tl): LD1=0,68s(64%) и LD2= 3,34s (36%) Cтруктура RfCf Цпред- 2[(PhD&PhD)+ChA] - два модуля съема зарядов с обоих электродов 2-х усилителя параллельно включенных фотодиодов Тип формирования 6-order Gaussian, 2 константы:TPeak1=7,5s (TW1=20s) и TPeak2=15s (TW2=40s). Оптимальный - 10-order Gaussian Инспекция наложений ARTCDD+ZC. Cхемы таймирования адаптированы к условиям больших времен нарастания сигналов. Tres300ns; p-u97% Разрешение и быстродей- 662keV=99,5%; 662keV /662keV7,5% и E662keV /E662keV0,2% при DF=RiTW ствие 1,В заключительной части главы содержится анализ возможностей и перспектив аналоговых и цифровых полупроводниковых x- 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 cтепень подавления шумов блока детектирования;
III. 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 T в n-раз относительно оптимальных значений, определенных из соотношения последовательного и параллельного шумов, реальный CF возрастет в гораздо меньшее число раз - CFreal = CFA, где A=[(T/Topt +Topt /T)/2]1/2. При n=T/Topt=или n=T/Topt=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%, а SNR1/f принципиально не зависит от временной шкалы формирования [10].
Кроме шума cвой вклад в FWHM дает и статистика преобразования энергии квантов в число (h-e-)пар. Так в SDD-спектрометре с 5,9keV= 150eV уже для K - линии Al (1,5keV) вклады шума и "статистики" практически равны. Таким образом на практике нет необходимости в "плавном" изменении константы формирования.
Вариация формы WF спектрометра действительно необходима в -спектрометрах, если предполагается работа и с планарными и с коаксиальными HpGe-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 RCфильтр (Antialiasing Filter). Это ограничивает возможности варьирования формы WF. Другая проблема - дифференциальная нелинейность ADC. Для 1214-разрядного быстрого ADC dif 100%. Е можно снизить "авторазравниванием" (за счт 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.9).
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 процес- соры спектрометрических импульсов подобны аналоговым с время-инвариантным формированием импульсов в том, что длительности и формы импульсной характеристики h(t) и функции памяти W(Tpeak-t) cовпадают. 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 TW на входе BLS равна Tpeak, а в спектрометре с цифровым формированием TW 2Tpeak, поскольку стабилизатор "размещается" на выходе цифрового "треугольного" формирователя (рис.18). При прочих равных условиях сдвиг базовой линии в спектрометре с [DLdif+GInt]-формирователем, например, будет ниже, а Ri_max 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 Tres. 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 NFAPS-алгоритма. Действительно, пусть имеются два спектрометра с истинно треугольной формой WF: цифровой с адаптацией к потоку T. Lakatos [79, 80] и аналоговый M. Kuwata [26] (рис.9) с идеальным (очень быстрым) следящим компенсатором (TC), Рис.27. Адаптивное формирование импульсов в цифроудовлетворяющим требованиям NFAPS [20] вом и аналоговом виде и с нормализацией амплитуд укороченных сигналов. Свойства этих спектрометров при повышенных загрузках разнятся (рис.27).
Наибольшее отличие в реакциях спектрометров проявляется при обработке cобытий "0" и "1".
Жесткая связь форм и длительностей выходных импульсов и весовых функций (как во времяинвариантных системах с классическим "медленным" инспектором наложений), приводит к тому, что событие "1" в цифровом спектрометре обрабатывается вдвое меньше номинального времени и для этого события CF"1"=ACFTria= 1,1181,075=1,202. В "аналоговом" случае это событие обрабатывается как одиночное и для него CF"1"= CFTria=1,075. Любое изменение длительности спектрометрических импульсов относительно номинальной приводит к росту CF. Поскольку в адаптивном аналоговом спектрометре со следящим компенсатором относительные изменения WF меньше, чем в цифровом (за счет постоянства левого склона), то и адаптация времени формирования к интервалам Tint между зарегистрированными квантами меньше сказывается на отношении сигнала к шуму (рис.28). Таким образом адаптивное формирование более предпочтительно в аналоговом виде! Главное применение цифровой техники, где возможен принципиально новый и недоступный с аналоговой техникой результат - коррекция просчетов при быстро изменяющейся интенсивности излучения (например, NAA по короткоживущим нуклидам). При определенных условиях в LFC-системах можно избавиться от роста дисперсии числа отсчетов с ростом загрузки.
Развиваются обе техники спектрометрии, как и их элементная база. Оптимальный вариант спектрометра Рис. 28. Изменение СUSP-фактора адаптивбудет содержать обе составляющих (аналоговую и ных спектрометров в функции от времени цифровую). При этом удельный вес каждой из них буTint между соседними попаданиями. TM_single - момент измерения амплитуды одиночного дет диктоваться сферой применения спектрометров. В импульса портативных приборах будет применяться, в основном, аналоговая техника из-за меньшего энергопотребления, а в т.н. УисследовательскихФ задачах (работа с большим количеством большеобъмных детекторов, например) - цифровая. В задачах, где малы периоды полураспада изотопов, а также в работах по диагностике УгорячейФ 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. Cистематизирован и обобщен обширный материал, по зарядочувствительным предусилителям (ChA) для Si и Ge детекторов рентгеновского и -излучения. Показано, что высокая разрешающая способность этих детекторов наилучшим образом реализуется лишь с "безрезистивными" ChA с тем или иным механизмом импульсного восстановления исходного заряда на емкости обратной связи Cf. 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 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 эксперимен- тов 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 е из квазигауссианов 26 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-способ применим к ряду известных в мире спектрометров с времявариантным 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 - 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. УцифровыеФ (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы (УDigitalФ Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить CRDN и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение NFAPS-способа):
разработана теория;
разработаны конкретные стабилизаторы, применяемые во всех разрабатываемых и выпускаемых лабораторией спектрометрах в течение многих лет;
показано, что УцифровыеФ 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 6 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 Упо входуФ, так Упо выходуФ 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.
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. 33-3. Игнатьев О.В., Калинин А.И., Школа Н.Ф. Время-зависимый фильтр для спектрометрических усилителей. Сообщение № 13-12019 Объед. Ин-та ядерн. Исслед., Дубна 1978 9 с.
4. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В. Сравнительные характеристики некоторых фильтров для преци- 5. зионных спектрометров с ППД - Дубна, 1979, 15 с. Депон. публикация ОИЯИ: Б1-13-12-86. Школа Н.Ф., Игнатьев О.В., Новисов Б.С., Шевченко Ю.А. Спектрометрический усилитель.
А.С. № 743420. Опубл. 04.06.1980.
7. Игнатьев О.В., Коссе 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, №1586-8. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Гиманов В.П. Линейный спектрометрический усилитель. А.С. № 752210. БИ 1980, № 28.
9. Игнатьев О.В., Коссе А.И., Школа Н.Ф. ПТЭ №6 (1980) с. 68-70.
10. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Коссе А.И. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.: Машиностроение Вып. 25 (1980) с.100-111. Игнатьев О.В. Исследование и разработка формирующих усилителей для спектрометров с ППД рентгеновского и мягкого гамма-излучений. Автореф. дисc. к.т.н. ОИЯИ, Дубна. 1980, 20 с.
12. Коссе А.И., Гиманов В.П., Игнатьев О.В. Импульсный усилитель. А.С.790191. БИ 1980. №13. Школа Н.Ф., Игнатьев О.В., Новисов Б.С. и др. Спектрометрический усилитель. А.С. 803674.
Опубл. 14.01.1981.
14. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Коссе А.И., Максименко А.С. Устройство стабилизации исходного уровня. А.С. № 1014124. БИ 1983, № 15.
15. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А., Школа Н.Ф. Устройство стабилизации исходного уровня. А.С. № 1173522. БИ 1985, № 30.
16. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А., Школа Н.Ф. Устройство автоматической установки порогового уровня напряжения. А.С.1290996. Зарегистрировано в Госреестре изобретений СССР 15.10.1985 г.
17. 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.
18. Ignatyev O.V.,Kosse A.I., Lyisenko A.V. et al. Nucl. Instrum. & Meth., A261 (1987) p. 103-106.
19. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Шевченко Ю.А. ПТЭ №5 (1987) с. 74-79.
20. Ignatyev O.V.,Kosse A.I., Pulin A.D. et al. Nucl. Instrum. & Meth., A261 (1987) p. 103-106.
21. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике/Ю.К. Акимов, О.В. Игнатьев, А.И.
Калинин, В.Ф. Кушнирук. М.: Энергоатомиздат, 1989. 344 с.
22. Игнатьев О.В., Лысенко А.В., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А. ПТЭ №4 (1989) с. 107-112.
23. Игнатьев О.В., Пулин А.Д. ПТЭ №4 (1989) с. 112-114.
24. Ignatyev O.V.,Kosse A.I., Pulin A.D. et al. Nucl. Instrum. & Meth., A282 (1989) p. 734-738.
25. Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth., A352 (1995), p. 614-617.
26. Dudin S.V., Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth. A352 (1995), p. 610-613.
27. Игнатьев О.В., Дудин С.В., Пулин А.Д. Стабилизатор базовой линии спектрометра. Патент РФ RU 2085967 C1. Бюл. 1997,№ 21.
28. Игнатьев О.В., Дудин С.В., Пулин А.Д. Устройство таймирования спектрометрических импульсов. Патент РФ RU 2098842 C1. Бюл. 1997, № 34.
29. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Дудин С.В. Процессор спектрометрических импульсов. Патент на изобретение RU2092872 С1, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 10.10.97.
30. Ignatyev O.V., Pulin A.D. Comparative Study of Perspective Time-variant Spectroscopy Shapers. Тр.
1-го Всеросс. симпозиума по твердотельным детекторам. Екатеринбург, УГТУ, 1997, с.175-182.
31. Krasilnikov A.V., Medley S.S., Gorelenkov N.N., Ignatyev O.V. и др. УTFTR Charge Exchange Atoms Spectrometry Using Natural Diamond DetectorФ Rev.Sci.Instrum. v.70 (1999) p. 1107.
32. Белоусов М.П., Игнатьев О.В., Пулин А.Д. Аналитика и контроль (2002) т. 6, № 4, с. 434- 440.
33. Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth. in Phys. Recearch, A516 (2004) p. 160-166.
34. Dudin S.V., Ignatyev O.V., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth., A516 (2004) p. 167-171.
35. Игнатьев О.В., Морозов С.Г. Гамма-спектрометры для промышленных установок нейтронноактивационного анализа на быстрых нейтронах. Вестник Уральского государственного технического университета-УПИ, №5 (76) Екатеринбург, 2006. с.89-108.
36. Игнатьев О.В. Сравнение возможностей аналоговых и цифровых спектрометров рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами (Обзор). Аналитика и контроль т. 10 (2006) №3Ц4, с. 223-232.
37. 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.
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. А.С. 790191. БИ 1980. №3. Bussolati C, 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., Franzen 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.610. 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. Goulding F.S., Landis D.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.113 (1973) №1, p.65-75.
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 K. 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.175-182.
23. White G. IEEE Trans. NS-35, 1988, №1, p.125-130.
24. Westphal G.P. J. Radioanal. and Nuclear Chem. V. 114 (1987) № 2, p. 257-225. Westphal G.P., Jostl K., Schroder P.,Winkelbauer W. IEEE Trans. NS-48, 2001, №3, p.461- 465.
26. Kuwata M. et al. IEEE 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. IEEE Trans. NS-22, 1975, №5, p.2058-2065.
29. Kandiah K., White G. IEEE Trans. NS-28, 1981, №1, p.613-620.
30. Husimi K., Ohkava S. IEEE Trans. NS-36, 1989, № 1, p.396-400.
31. Blatt S.L., Mahieux J., Kohler D. Nucl. Instrum. & Meth., V. 60 (1968) №1, p. 221-230.
32. Школа Н.Ф., Игнатьев О.В., Новисов Б.С., Шевченко Ю.А., Коссе А.И. Спектрометрический усилитель.
А.С. № 803674. Опубл. 14.01.1981.
33. Bertolaccini M., Bussoilati C., Cova S., De Lotto I., Gatti E. Nucl. Instrum. & Meth., V.61 (1968) p. 84-34. Школа Н.Ф., Игнатьев О.В., Новисов Б.С. и др. Спектрометрический усилитель. А.С. № 743420. Опубл.
04.06.1980.
35. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Дудин С.В. Процессор спектрометрических импульсов. Патент РФ RU 2092872 C1, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 10.10.97.
36. Игнатьев О.В., Дудин С.В., Пулин А.Д. Стабилизатор базовой линии спектрометра. Патент РФ RU 2085967 C1. Опубл. 27.07.1997, Бюл. № 21.
37. Robinson L.B., Rev. Sci. Instrum., 1961, v32, №9, p.1038. Chase R.L., Paulo L.R. IEEE Trans.1967, NS-14,№1, p.83.
39. Karlovac N., Blalock T.V. IEEE Trans. V. NS-22, 1975, № 1, p.457-462.
40. Игнатьев О.В., Школа Н.Ф., Коссе А.И., Максименко А.С. Устройство стабилизации исходного уровня.
А.С. № 1014124. Опубл. 23.04.1983, БИ № 15.
41. Игнатьев О.В., Пулин А.Д., Шевченко Ю.А., Школа Н.Ф. Устройство стабилизации исходного уровня.
А.С. № 1173522. Опубл. 15.08.1985, БИ № 30.
42. Kuwata M., Maeda H., Husimi K. IEEE Trans. Om Nucl. Sci., V. NS-41, 1994, № 1, p.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 Е.А. 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 О.В., Дудин С.В., Пулин А.Д. Устройство таймирования спектрометрических импульсов. Патент РФ RU 2098842 C1. 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 P.J. Microchimica Acta, V. 155 (2006) p. 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 & Radiochemistry, v.2, №3 (1991) p. 28-48.
53. Цитович А.П. Ядерная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1984. 408 с.
54. Deighton M.O. Nucl. Instrum. & Meth.,v.14 (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 countingloss compensation. US Patent № 4,476,384. Oct. 9, 1984.
58. Westphal G.P. Jornal of Radioanalytical Chemistry, v. 70, № 1-2 (1982) pp. 387-459. Jenkins R. et al. Quantitative X-Ray Spectrometry (NY:Marcel Dekker, Inc), 1960. Белоусов М.П., Игнатьев О.В., 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., Коссе А.И. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.: Машиностроение Вып. 25 (1980) с.100-164. 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 О.В., Лысенко А.В., 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 al. 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., Pulin A.D. Nucl. Instrum. & Meth., A516 (2004) p.167-171.
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 УаФ, УбФ, УвФ). Технические условия 4362-003-82087580-2008 ТУ, Екатеринбург (2008) 31 с.
76. Игнатьев О.В., Морозов С.Г. Гамма-спектрометры для промышленных установок нейтронноактивационного анализа на быстрых нейтронах. Вестник УГТУ-УПИ, №5 (76), Екатеринбург, 2006. с.89108.
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- 380. Lakatos T. Signal processing method for nuclear spectrometers. US Patent 5,005,146. Apr. 2, 1991.