DP5

1. ВВЕДЕНИЕ

DP5 представляет собой высокопроизводительный цифровой процессор обработки импульсов. DP5 является одним из компонентов  полной системы ядерной спектроскопии, которая также включает в себя:

1. детектор и предусилитель;
2. источник питания.

Полная система может быть собрана путем объединения объединения DP5 с одним из детекторов Amptek, предусилителя (может быть использовано несколько вариантов и конфигураций) и PC5-источника питания Amptek. Также пользователь может поставить свой собственный детектор, предусилитель и/или источник питания. DP5  предназначен для использования совместно с твердотельными детекторами с высокой разрешающей способностью, но он также может использоваться со сцинтиллятором/PMT системами, пропорциональными счетчиками и другими детекторами. DP5 представляет собой печатную плату с электроникой, которая, в первую очередь, подходит для применения в OEM решениях как часть целой системы.

DP5  - второе поколение цифровых импульсных процессоров  (DPP), заменяющих усилитель-формирователь и многоканальный анализатор, используемых в аналоговых системах. Цифровые технологии улучшают несколько ключевых параметров: 1) более высокая производительность, в частности, более высокое разрешение и более высокие скорости счета; 2) значительная гибкость системы за счет большого количества возможных настроек, выбираемых с помощью программного обеспечения 3) улучшенная стабильность и воспроизводимость. DPP оцифровывает выходной сигнал предусилителя, применяет цифровую обработку сигнала в режиме реального времени, детектирует пики амплитуды и размещает их в память гистограммы. Спектр затем передается на компьютер пользователя.

В стандартной конфигурации, необходимы(предусмотрены) только три соединения: питание (+5 В постоянного тока), связь (USB, RS232 или Ethernet), а также аналоговый вход с предусилителя. Вспомогательный разъем обеспечивает несколько дополнительных входов и выходов, используемых при интегрировании DP5 с другим оборудованием. Это включает в себя шлюз MCA, timing outputs и восемь выходов SCA. DP5 также включает в себя "интерконнект", предназначенный главным образом для взаимодействия с платами питания Amptek, но доступны для OEM-производителей. DP5 поставляется с программой ADMCA, которая предназначена для  сбора данных и управления настройками детектора, так же в комплект входят DLL библиотеки для интегрирования оборудования с программным обеспечением клиента. Опционально дополнительное оборудование включают в себя программное обеспечение для анализа рентгеновских спектров, несколько коллиматоров и приспособлений для монтажа, а также рентгеновские трубки для создания полноценной компактной системы рентгенофлуоресцентного анализа.

Рисунок 1-1. Фотография DP5 (слева) и характеристического спектра 55Fe, полученные с помощью детектора XR-100SDD.

2. ОПИСАНИЕ DP5

Полная, стандартная система ядерной спектроскопии включает в себя несколько ключевых компонентов:

1. Детектор
2. Предусилитель
3. Плата преобразования импульсов (включающая формирователь импульса, схема отбора импульсов,счетчик импульсов, многоканальный анализатор, интерфейс для сбора данных и управления)
4. Источник питания
5. Упаковку или корпус 
6. Программное обеспечение для настройки детектора, сбора и анализа полученных данных.

DP5 представляет собой цифровой импульсный процессор, который реализует функции, описанные в пункте (3) и является одним из компонентов целой спектрометрической системы. DP5 был разработан для обеспечения максимальной универсальности, и может быть адаптирован для использования в самых разноообразных ситемах. Выполненный в виде одной небольшой платы, DP5 является наиболее подходящим решением для интеграции с OEM-решениями. В данной статье представлена подробная спецификация и примеры применения платы DP5.

2.1 Функции основных блоков

На рисунке 2.1 представлено как импульсный цифровой процессор (DPP) используется для обработки сигналов в полной цепи системы ядерных приборов и его основные функциональные блоки. DPP оцифровывает выходной сигнал предусилителя, в режиме реального времени применяет к сигналу цифровую обработку, определяет максимальную амплитуду (в цифровом виде) и помещает их в буфер память, создавая спектр энергий. Схема выбора импульсов может исключать импульсы из спектра с использованием различных критериев. Затем спектр передается через интерфейс DPP на компьютере пользователя.

Dpp оцифровывает выход предусилителя, выполняет цифровую обработку сигнала в реальном времени, обнаруживает пиковую амплитуду и помешает ее в буфер памяти, эта амплитуда может быть отклонена электроникой в зависимости от используемого критерия.

Аналоговый предусилитель (фильтр предварительной отчистки): Вход Dpp это выход аналогового зарядочувствительного предусилителя. Аналоговая микросхема предварительной фильтрации подготовляет сигнал к цифровой обработке. Основные функции этой схемы (1) применение соответствующего усиления и смешения для «попадания» сигнала в соответствующий диапазон АЦП (2) фильтрование сигнала и его формирование для оптимизации оцифровки.

АЦП(ADC): 12-битный АЦП оцифровывает выход аналогового предусилителя с частотой в диапазоне 20 – 80 МГц. Поток оцифрованных значений передается в цифровой формирователь импульсов (Digital Pulse Shaping) в режиме реального времени.

Цифровой формирователь импульсов (DigitalPulseShaping): Сигнал с выхода АЦП непрерывно обрабатывается, используя конвейерную архитектуру, чтобы сгенерировать импульс в удобной для его последующей обработки форме в режиме реального времени. Формирование импульса происходит стандартно, аналогично любому другому усилителю-формирователю. Сформированный импульс - чистая цифровая единица. Выход может быть перенаправлен на DAC, в целях диагностики, но это не обязательное условие.

Внутри формирователя импульсов имеются две составляющие части для обработки сигналов – это быстрый и медленный каналы, которые оптимизированы к обработке различной информации идущей цепочки импульсов.

Медленный канал имеет большое время формирования импульса, это необходимо для получения точных амплитуд импульсов. Значение высоты пика для каждого импульса в медленном канале – это значение выходного сигнала формирователя импульсов. 
Быстрый канал – оптимизирован для получения временной информации, а именно, для детектирования импульсов которые перекрываются в медленном канале, измерения скорости счета, время нарастания импульса и др.

Pulse Selection Logic:  Исключает импульсы, для которых не может быть произведено аккуратное измерение. Включает pile-up rejection логику, дискриминацию времени и др.

2.2 Аналоговый предусилитель

Dp5 разработан для обработки сигналов идущих из зарядочувствительного предуселителя используемого с твердотельными радиационными детекторами. Эти сигналы имеют (1) Маленькую амплитуду в диапазоне нескольких мВ (2) быстрое нарастание (10 нс (или мкс)) (3) и малую амплитуду. Эти сигналы (ступеньки) можно проследить в верхних частях рисунка 2.2 . Эти сигналы не пригодны для оцифровки, так как имеют малую амплитуду. Аналоговый предусилитель подготавливает эти сигналы для дальнейшей оцифровки (голубая кривая).

Аналоговый усилитель выполняет следующие функции: (1) Фильтр высоких частот с временной константой 3.2 мкс, поэтому импульсы больше не накладываются друг на друга, (2) Усиление сигнала в результате наибольшие импульсы имеют амплитуду приблизительно 1 В, (3) смещение сигнала для попадания в диапазон АЦП. Выход сигнала после аналогового усилителя представлен на рисунке голубой линией.

По умолчанию аналоговый усилитель настроен для использования с Amptek’s XR100CR семейством детекторов (твердотельные детекторы с сбрасываемым предусилителем).

Systemgain

Системное усиление измеряется единицах каналы/кэВ: это дает номер канала, в котором будет появляться конкретный энергетический пик. Это продукт трех терминов: (1) усиление зарядочувствительного усилителя ( в единицах мВ/кэВ ), (2) суммарное усиление усилителя напряжения ( это продукт грубый коэффициент усиления-coarse gain and точный коэффициент усиления - fine gain ), (3) усиление MCA анализатора ( channels per mV ).

Для Amptek’s XR100CR детекторов, усиление обычно 1 mV/keV. Усиление MCA анализатора дается значением выбранного количества каналов (например, 1024) деленное на напряжение соответствующее каналу в котором находится пик. В цифровых процессорах амптек, это значение обычно 950 мВ. Усиление DP5 это продукт грубого коэффициента усиления-coarse gain and точного коэффициента усиления - fine gain. Например, если fine gain = 1.00 а coarse gain 66.3, тогда системное усиление (1мВ/кэВ)(66.3)(1.00)(1024 каналов / 950 мВ) = 71.5 каналов/кэВ. 1/71.5 каналов/кэВ = 14 eV/channel – это калибровочный фактор MCA. Полная шкала энергий будет равна в этом случае 1024 канала / 71.5 каналов на кэВ = 14.3 кэВ. Однако, эти значения приблизительные, по причине производственных допусков конденсаторов обратной связи, резисторов и т. д. (ошибки составляет несколько процентов).

Перезагружаемый и непрерывный усилители (Reset and Continuous Preamplifiers)

Зарядочувствительный усилитель дает напряжение пропорциональное временному интегралу тока. Интегратор в итоге насыщается потому что ток через диод постоянно увеличивается. Существует два способа поддержания выхода предусилителя в нужном диапазоне значений: сбрасываемая и непрерывная обратная связь. Рис 2-4 (left) отображает выход предусилителя сброса на протяжении большого времени: множество малых ступеней ( несколько мВ ) вынуждает выходной сигнал линейно приближаться к отрицательному пределу (- 5 В) в течении нескольких секунд. После чего срабатывает импульс сброса поэтому выходной сигнал устанавливается в значение + 5 В, в течении нескольких мкс. Усилитель сброса обеспечивает минимум электронного шума и поэтому используется в детекторах. Очень большой переход при сбросе может повлиять на обработку сигнала, поэтому DPP включает логику «lock out» предназначенную для устранения нежелательных эффектов.

Другое традиционное решение – создать небольшую обратную связь, которая восстанавливает входной сигнал в значение близкое к значению земли. В простейшем случае, сопротивление обратной связи Rf располагается параллельно конденсатору обратной связи Cf, на котором интегрируется ток. После скачка напряжения ΔV изза взаимодействая сигналов, выходной сигнал постепенно дрейфует к начальному значению, с временной константой обратной связи, это изображено на рис 2-4 right. На рисунке эта временная константа эквивалентна 500 мкс, что позволяет точно подсчитать (проинтегрировать) полный заряд, но вызывает наложение импульсов (pile-up). Резистор обратной связи увеличивает электронный шум поэтому такая схема не используется в детекторах амптек.

2.3 Формирование импульсов. PULSESHAPING

Медленный канал.  

Медленный канал DPP оптимизирован для точного подсчета высоты пика. Он использует трапециевидное формирование импульсов, пример показан на рисунке 2-5. Такая форма импульса обеспечивает оптимальное соотношение сигнал-шум для многих детекторов.

Пользователь может настроить время нарастания или спада ( эти времена должны быть одинаковыми ) а так же длительность плоской вершины на протяжении многих шагов (ступеней). Полу-Гауссовский (semi-Gaussian) усилитель c временем формирования импульса τ имеет время нарастания пика 2.2 τ и сравним по производительности с трапециевидным импульсом имеющим тоже самое время нарастания пика. DPP с временем нарастания пика 2.4 мкс эквивалентно semi-Gaussian формирователю с временной константой 1 мкс.

Регулировка времени нарастания пика очень важная составляющая часть в оптимизации конфигурации системы. Обычно существует следующий компромисс: чем короче время нарастания пика тем меньше мертвое время, в следствии чего увеличивается пропускная способность и скорость счета, однако с увеличением времени нарастания пика, увеличивается и электронный шум системы. Оптимальные настройки строго зависят от типа детектора и усилителя, а так же от поставленных целей. Электрический шум имеет минимум при определенном значении времени нарастания пика. При временах нарастания пика больше либо меньше этого значения значение шума будет увеличиваться, вследствие чего будет ухудшаться разрешение.

Если время нарастания пика очень большое по сравнению с потоком входящих отсчетов, то будет проявляться наложение (pile-up).

Быстрый канал

Быстрый канал предназначен для детектирования импульсов которые накладываются друг на друга в медленном канале. Быстры канал используется для отклонения импульсов, которые расположены так близко что не могут быть различены в медленном канале, а так же для определения истинной скорости счета ( с поправкой на события которые были потеряны во мертвом времени медленного канала ). Быстрый канал также использует трапециевидное формирование импульса, однако, время нарастания пика в это случае находится в диапазоне 100-400 нс. На рисунке 2-6 показана принципиальная схема работы быстрого канала, импульсы измерены с временем нарастания пика 100 нс. Как видно справа, импульсы которые отстают от друг друга по времени всего лишь на 120 нс отдельно подсчитываются в быстром канале.

BASELINE RESTORATION  (Базовая линия реконструкции импульсов)

Амплитуда импульсов неявно вычисляется по отношения к базовой линии. Любая случайная флуктуация базовой линии или систематическое ее изменение, будет искажать измерение амплитуды. Базовая линия обычно называется «землей», но это несколько неоднозначное понятие, поскольку земля является лишь  некоторой ссылкой для измерения напряжения. Если эта базовая линия изменяется со временем, скоростью счета, или чем-нибудь еще, эти искажения отображаются  на измерениях.

Пик базовой линии цифрового процессора имеет существенные отличия от традиционного аналогового формирователя-усилителя. Это связано с тем что импульс после прохождения цепи не имеет никакого влияния на другие импульсы идущие по цепи (это то как я понял!!!). Это фундаментальное отличие от аналоговых дифференциаторов и приводит к значительному повышению стабильности базовых линий при высоких скоростях счета.  

Dpp имеет ассиметричную базовую линию с несколькими различными настройками. DPP BLR использует отрицательные пики от случайного шума для определения базовой линии. Отрицательные пики появляются только при отсутствии сигнала, так что если они стабильны, то базовая линия тоже стабильна, в независимости от скорости счета. BLR как правило, производит смещение сравнимо с величиной среднеквадратичного шума. Существует два независимых параметра, UP и DOWN каждый из которых может быть выставлен в 4-ре положение: Very Slow, Slow, Medium, and Fast. These are essentially slew rates in the baseline response. Установка Very Fast для обоих UP и DOWN параметров приведет к тому, что BLR будет реагировать очень быстро на любое изменение базовой линии. Необходимо подчеркнуть, что оптимальная настройка строго зависит от деталей практического применения: природы флуктуаций и др. If the peaks are found to shift to lower channels at high count rates, then increase the UP slew rate or decrease the DOWN slew rate. If one observes occasional “bursts” in the system which cause the spectrum to shift to higher channels (often manifesting as bursts of noise above the threshold), then decrease the UP slow rate or increase the DOWN slew rate.

2.3.2 Выбор импульсов.

Dpp использует пороги для определения импульсов. Оба канала (быстрый и медленный) имеют свои пороги. Шум обычно больше в быстром канале, и самый лучший вариант для быстрого канала – это поставить порог немного выше шума. Порог медленного канала используется для определения событий, которые будут добавлены в спектр. События с амплитудой меньше медленного порога игнорируются. Порог медленного канала эквивалентен дискриминатору нижнего уровня lower-level discriminator (LLD).

Порог быстрого канала так же функционирует как дискриминатор нижнего уровня и используется для достижения следующих эффектов (1) Поток событий, измеренный в быстром канале – это входящий поток измеренный детектором incoming count rate (ICR). (2) для отклонения наложений (Pile-Up Rejection) (PUR) – это логика различающая события которые перекрываются в медленном канале но различаются в быстром. (3) Rise Time Discrimination – время нарастания дискриминации (RTD) – использует амплитуду сигнала полученного в быстром канале для измерения тока в начале импульса. PUR и RTD будут рассмотрены подробнее ниже.

Правильность установления этих порогов очень важен с точки зрения получения правильной и наиболее корректной информации. Неправильные установки порогов влекут за собой множество проблем возникающих у пользователей. Например, если в быстром канале порог слишком мал, и функция PUR включена, тогда каждое событие будет отклонено и соответственно не получено никакого сигнала. Аналогично если порог медленного канала очень велик, все события будут отклонены. 

Pule-Up Rejection

Эта логика используется для определения двух взаимодействий произошедших так близко по времени, что на выходи эти события сливаются в одно событие с искаженной амплитудой. PUR использует «Fast-Slow» систему. На рисунке 2.7 изображена работа DP4 для импульсов (событий) близко расположенных по времени.

На рисунке (а) показаны два события, отстающие по времени на время меньшее чем время нарастания пика, в то время как рисунок (б) показывает совершенно иную картину при которой импульсы хорошо разрешены, следовательно, время между их появлением значительно больше. В случае (а) выходной сигнал – это сумма двух импульсов. Тем не менее, сигналы на аналоговом выходе (а) – разрешены. Для почти треугольной формы импульсов, наложение имеет место только тогда, когда два события разрешены по времени на величину меньшую, чем время пика (peaking time). Интервал, используемый в Dpp для отклонения событий по критериям 1 – мертвому времени и 2 – PUR это сумма времени нарастания (rise time) и время продолжительности вершины пика (flat-top duration). Если PUR включена и два события разделены на величину большую чем время разрешения двух импульсов в быстром канале (120 нс) и меньше этого интервала, оба будут отклонены. If pile-up rejection is enabled and two events are separated by more than the fast channel pulse pair resolution (120 nsec) and less than this interval, both are rejected. Events that exceed a threshold in the fast channel trigger the pile-up reject logic.

Reset Lockout. (блокировка после сброса)

Как было отмечено ранее, многие предусилители используют импульсный сброс, для предотвращения насыщения выхода предусилителя. Сброс генерирует очень длинный сигнал в Dpp что влечет за собой насыщение усилителей, переполнение регистров и тд. Поэтому Dpp имеет схему обнаружения сброса (которая детектирует очень большие, отрицательные импульсы) и логику для блокировки обработки сигнала в течение некоторого времени после сброса, это время служит для восстановления нормальной работы. Dpp предлагает пользователю включать или выключать функцию сброса (сброс должен быть отключен для предусилителей с непрерывной обратной связью). Пользователь так же может задать время в течении которого обработка сигнала будет запрещена. Если интервал выбран очень маленьким, тогда появится искажение формы сигнла (а следовательно и спектра). При высоких скоростях счета импульсы сброса появляются намного чаще, поэтому, если этот интервал выбран очень большим, следовательно, очень большим окажется и мертвое время детектора.

RiseTimeDiscrimination (Время нарастания дискриминации)

В некоторых приложениях, довольно важным является разделение импульсов основанных на длительности переходного тока через детектор, к предусилителю. Например, в некоторых Si  диодах существует неистощенная область со слабым электрическим полем. Радиационные взаимодействия в этом регионе будут порождать сигнальный ток, но движение заряда через этот регион происходит медленно. Такие взаимодействия в данном регионе могут привести к различным спектральным искажениям: фоновые значение, теневые пики, ассиметрия пиков. В CdTe диодах, время жизни носителей заряда настолько мало что медленные импульсы проявляют дефицит заряда. Эти низкоамплитудные импульсы искажают спектр. В сцинтилляторах, дискриминация формы импульса позволяет различить гамма лучи от нейтронов. Такая дискриминация по форме импульса может быть использована в Dp5 при помощи команды RTD.

Risetime discrimination отклоняет события with a long detector current, которые приводя к медленно нарастающему фронту в быстрых и медленных формах импульсов. DP5 использует в качестве критерия отбора сравнение амплитуды пика в быстром канале, к амплитуде пика в медленном канале. Если это отношение значительно велико, значит время нарастания быстрое и поэтому импульсы считаются корректными. Если отношение невелико, импульсы отклоняются. Потому что быстрый канал более шумный (больше электрического фона) чем медленный канал, порог RTD так же устанавливается на медленный канал. Because the fast channel is inherently much noisier than the slower shaped channel, an RTD threshold is also implemented on the shaped channel. События, которые находятся ниже этого порога (the “RTD Slow Threshold”) не обрабатываются RTD  и поэтому принимаются (однако они могут быть отклонены PUR  или другими логиками ). RTD часто используется для описания взаимодействий произошедших глубоко в детекторе, при больших энергиях, малоэнергетичные события врятли выиграют при включенном RTD, потому что находятся ниже порога RTD и поэтому принимаются.

Gate (Входной Сигнал Управлиния)

Входной сигнал управления используется с внешней схемой для того чтобы определить какие события включать, а какие исключать из спектра. Сигнал может быть высокоактивным либо слабоактивным (либо вовсе выключенным). Если сигнала нет (выключен) тогда все события (которые удовлетворяют критериям отбора, перечисленным выше) засчитываются. Если активность счета детектора высока (мала), и активность входного сигнала управления высока (мала) – то событие записывается как корректное. Когда скорость счета равна нулю (gated off), таймер подсчета времени набора спектра также отключен, поэтому точная скорость счета может быть определена. Регулировка длительности этого сигнала очень важна. Если сигнал активен на протяжении триггерования быстрого порога, тогда событие интерпретируется как быстрая скорость счета ( скорость счета в быстром канале ). Если сигнал активен, когда триггеруется положение пика (the peak detect is triggered), тогда событие записывается в медленную скорость счета, следовательно, отображается в спектре. Напоминание: быстрый и медленный каналы имеют различные времена триггерования, следовательно им присущи различные времена формирования импульсов.